




























































































Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Asignatura: Fundamentos matemáticos, Profesor: , Carrera: Ingeniero Técnicode Minas, especialidad en Recursos Energéticos, Combustibles y Explosivos, Universidad: UPM
Tipo: Apuntes
1 / 187
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!





























































































Departamento de Matem´aticas
−4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
−
−
−
0
1
2
3
4
Javier Vald´es
Figura 1.1: Orientaci´on de curvas
En la Figura 1.2 est´an representadas las curvas anteriores con sus respectivas orienta- ciones: α y β a la izquierda, y γ a la derecha. Los puntos α(a) y α(b), correspondientes a los dos extremos del intervalo se dicen extremos de la curva, En el supuesto α(a) = α(b), la curva se dice cerrada. La curva se dice simple si es inyectiva en [a, b], es decir si no tiene puntos m´ultiples.
Definici´on 1.1.2 (Cambio de par´ametro) Dada la curva α : [a, b] −→ Rn, cuya ima- gen es Γα, hacer un cambio de par´ametro significa considerar una nueva curva β = α ◦ h donde h : [a′, b′] −→ [a, b] es un difeomorfismo (aplicaci´on biyectiva tal que h y h−^1 son de clase C^1 ). Las curvas α y β se dicen equivalentes.
Dado que h es una biyecci´on, las im´agenes de ambas curvas coinciden, es decir β(s) = (α ◦ h)(s) = α[h(s)] = α(t), s ∈ [a′, b′], t ∈ [a, b].
Las curvas anteriores, α y β, tienen la misma orientaci´on si h′(s) > 0 para todo s ∈ [a′, b′] y orientaciones opuestas si h′(s) < 0. Necesariamente ha de ser h′(s) 6 = 0, ya que al ser h biyectiva ser´a estrictamente creciente o estrictamente decreciente y, como es de clase C^1 , h′(s) ser´a, respectivamente, positiva o negativa. La longitud de un arco de curva entre los puntos correspondientes a los valores t = a y t = b se puede definir por un proceso de paso al l´ımite, de la longitud de una poligonal. Consideremos una partici´on a = t 0 < t 1 < · · · ti− 1 < ti < · · · < tn = b,
Figura 1.2: Cambio de par´ametro
y la poligonal generada por las im´agenes de estos puntos (Ver Figura 1.3). La longitud de la poligonal es
sn =
∑^ n i=
‖α(ti) − α(ti− 1 )‖.
En el caso n = 3, si α(t) = (x(t), y(t), z(t)) tenemos
sn =
∑^ n i=
x(ti) − x(ti− 1 ), y(ti) − y(ti− 1 ), z(ti) − z(ti−1)
que, por aplicaci´on del teorema del valor medio, podemos poner en la forma
sn =
∑^ n i=
‖ (x′(ξ i′), y′(ξ′′ i ), z′(ξ′′′ i )) ‖ ∆ti,
donde ξ′ i, ξ i′′ , ξ i′′′ ∈ (ti− 1 , ti) e ∆ti = ti − ti− 1. Es decir, sn =
∑^ n i=
(x′(ξ′ i))^2 + (y′(ξ i′′ ))^2 + (z′(ξ i′′′ ))^2 ∆ti.
Definimos la longitud del arco de curva como el l´ımite, si es que existe, de la sucesi´on sn, cuando n −→ ∞. Como x′, y′, z′^ son continuas podemos concluir que, de hecho, el l´ımite existe y est´a dado por
s = (^) nl´−→∞ım sn =
∫ (^) b a
(x′(t))^2 + (y′(t))^2 + (z′(t))^2 dt =
∫ (^) b a ‖α′(t)‖ 2 dt.
Figura 1.4: Interpretaci´on de integral curvil´ınea de un campo escalar
Interpretaci´on
Consideremos una partici´on del intervalo [a, b], a = t 0 < t 1 < t 2 < · · · < tn− 1 < tn = b,
que produce una descomposici´on de Γα en trayectorias Γαi = α[ti− 1 , ti]. Se sustituye Γα por una quebrada de v´ertices α(t 0 ), α(t 1 ), · · · , α(tn), y a cada segmento rectil´ıneo [α(ti− 1 ), α(ti)] se le asocia el valor f (α(ξi)), donde ti− 1 < ξi < ti. Vamos a evaluar las siguientes sumas y su paso al l´ımite cuando n −→ ∞
Sn =
∑^ n i=
f (α(ξi)) ‖α(ti) − α(ti− 1 )‖.
En el caso U ⊂ R^2 , teniendo en cuenta que α(ti) − α(ti− 1 ) = (α 1 (ti) − α 1 (ti− 1 ), α 2 (ti) − α 2 (ti− 1 )) = (α 1 ′(ξ′ i) ∆ti, α 2 ′(ξ′′ i ) ∆ti),
donde ξ′ i, ξ i′′ ∈ (ti− 1 , ti), y por tanto
‖α(ti) − α(ti− 1 )‖ =
α′ 1 (ξ′ i)^2 + α′ 2 (ξ i′′ )^2 ∆ti,
se tiene Sn =
∑^ n i=
f (α(ξi))
α′ 1 (ξ i′)^2 + α′ 2 (ξ′′ i )^2 ∆ti.
Definimos
S = (^) nl´−→∞ım Sn y se demuestra que S =
∫ (^) b a
f (α(t)) ‖α′(t)‖ 2 dt =
α
f ds
Si Γα es un segmento rectil´ıneo, que representa un trozo de alambre de longitud L = ‖α(b) − α(a)‖, y el campo escalar f constante, representa la densidad lineal, entonces la masa del alambre viene dada por f · L. Si f no es constante y/o α es una curva regular cualquiera, la suma Sn ser´a la masa de la quebrada, que aproxima a Γα, y S la masa del alambre dado por Γα. Esta interpretaci´on es valida en R^2 o R^3. En el caso R^2 disponemos de otra interpretaci´on alternativa: consideremos Γα una curva plana y el campo escalar f tal que f (x, y) > 0 representa la altura de una valla en el punto (x, y) ∈ Γα (Ver Figura 1.4). La suma Sn representa la suma de ´areas de rect´angulos, que tiende al ´area S de la valla. Si f (x, y) = 1 la integral curvil´ınea ser´a el ´area de una valla de altura unidad, es decir la longitud de la valla ∫ α f ds =
∫ (^) b a ‖α′(t)‖ 2 dt = L.
Proposici´on 1.2.1 (Cambio de par´ametro) Consideremos un campo escalar conti- nuo f : U ⊂ Rn^ −→ R y dos curvas equivalentes, α : [a, b] −→ U y β : [a′, b′] −→ U , cuya imagen es Γα = Γβ (ver Figura 1.2), entonces ∫ α
f ds =
β
f ds
Dado que la integral no depende de la orientaci´ ∫ on es habitual considerar la notaci´on
α
f ds =
Γα
f dΓα.
1.3. Integral de un campo vectorial a lo largo de una
curva
Sea F : U ⊂ Rn^ −→ Rn^ un campo vectorial continuo, α : [a, b] −→ U ⊂ Rn^ una curva regular y Γα = α[a, b]. Se define la integral del campo F a lo largo de la curva α, o circulaci´on del campo F a lo largo de la curva α, como la integral de Riemann ∫ α
F · ds =
∫ (^) b a
F (α(t)) · α′(t) dt,
donde · indica el producto escalar eucl´ ∫ ıdeo. Dicha integral tambi´en suele denotarse por
Γα
F · dΓα =
Γα
F 1 dx 1 + F 2 dx 2 + · · · + Fn dxn
y, aplicando el teorema del valor medio, resulta finalmente
Wn =
∑^ n i=
[F 1 (α(ξi))α′ 1 (ξ i′) + F 2 (α(ξi))α′ 2 (ξ′′ i )] ∆ti,
donde ξ′ i y ξ i′′ son puntos del intervalo (ti− 1 , ti). El trabajo realizado por el campo F a lo largo de la curva α es, por definici´on, W = (^) n−→∞l´ım Wn =
∫ (^) b a
F (α(t)) · α′(t) dt =
α
F · ds.
Es preciso anotar que, aunque Wn no son sumas de Riemann, debido a que ξi, ξ i′ y ξ′′ i no son necesariamente coincidentes, tambi´en convergen a la integral.
Se puede considerar tambi´en el caso de una curva regular a trozos o que F sea con- tinuo y acotado salvo en un n´umero finito de puntos. En ambos casos, se considera la correspondiente partici´on del intervalo [a, b], de tal manera que sobre cada subintervalo [ti− 1 , ti] la curva sea regular y F continuo ∫ α F · ds =
∑^ n i=
∫ (^) ti ti− 1 F (α(t)) · α′(t)dt.
Podemos relacionar la integral de un campo vectorial F con la de un campo escalar adecuado f , ∫ α
F · ds =
∫ (^) b a
F (α(t)) · α′(t) dt =
∫ (^) b a
F (α(t)) · α
′(t) ‖α′(t)‖ ‖α
′(t)‖ dt,
de modo que si consideramos el campo escalar f tal que su restricci´on a los puntos imagen de la curva α sea f (α(t)) = F (α(t)) · α
′(t) ‖α′(t)‖ resulta que (^) ∫
α
F · ds =
α
f ds.
Proposici´on 1.3.1 (Cambio de par´ametro) Consideremos un campo vectorial conti- nuo F : U ⊂ Rn^ −→ Rn^ y dos curvas equivalentes, α : [a, b] −→ U y β : [a′, b′] −→ U , cuya imagen es Γα = Γβ (ver Figura 1.2), entonces ∫ α F · ds = ±
β F · ds
seg´un que α y β tengan la misma o distinta orientaci´on.
Es decir, al contrario que en el caso de campos escalares, la circulaci´on de un campo vectorial a lo largo de una curva depende de la orientaci´on de la misma.
1.4. Ejercicios
[Resp.:
√ 2 2 ]
Γ x^2 ydx+(x^2 −y^2 )dy^ desde (0,^ 0) hasta (1,^ 2) a lo largo de la par´abola^ y^ = 2x^2. b)
Γ(y^ −^ x^2 )dx^ +^ xdy^ a lo largo de la l´ınea poligonal que une sucesivamente los puntos (1, 0), (1, 1), (− 1 , 1) y (− 1 , 0).
[Resp.:
dx + dy |x| + |y| donde Γ es el contorno del cuadrado de v´ertices (1, 0), (0, 1), (− 1 , 0) y (0,-1) recorrido en sentido contrario al de las agujas del reloj. [Resp.: 0].
y^2 b^2 = 1 b) arco de par´abola y = x^2 entre (-1, 1) y (1,1)
[Resp.: πab; 13 ]
sen zdx + cos zdy − (xy) 13 dz siendo α : [0, 7 π/2] −→ U ⊂ R^3 definida por α(t) = (cos^3 t, sen^3 t, t)
[Resp.: − 21 ]
Pretendemos hacer una generalizaci´on m´as del concepto de integral e introducir la integral de campos escalares y vectoriales sobre superficies, para lo cual veremos unas breves nociones de estas.
Definici´on 2.1.1 (Superficie regular) Una superficie parametrizada es una apli- caci´on Φ : D ⊂ R^2 −→ R^3 continua, definida sobre un dominio D (abierto y conexo) de R^2 , (x, y, z) = Φ(u, v) = (Φ 1 (u, v), Φ 2 (u, v), Φ 3 (u, v)). El conjunto imagen Φ(D) = Σ ⊂ R^3 es la superficie imagen, o superficie correspondiente a la funci´on Φ. Una superficie se dice simple si es inyectiva. Una superficie se dice regular si Φ ∈ C^1 (D) y su jacobiano es de rango 2 en todo punto de D o, equivalentemente, los vectores Φu y Φv son linealmente independientes en todo punto de D.
Sea Φ una superficie regular y Σ = Φ(D), tal como puede verse en la Figura 2.1. Fijado v 0 , la curva α 1 (u) = Φ(u, v 0 ) tiene una curva imagen sobre Σ, cuyo vector tangente en el punto Φ(u 0 , v 0 ) ser´a
Φu = ∂ ∂uΦ =
1 ∂u (u^0 , v^0 ),
∂u (u^0 , v^0 ),
∂u (u^0 , v^0 )
An´alogamente fijado u 0 , la curva α 2 (v) = Φ(u 0 , v) tiene por vector tangente en el punto Φ(u 0 , v 0 )
Φv = ∂ ∂vΦ =
1 ∂v (u^0 , v^0 ),
∂v (u^0 , v^0 ),
∂v (u^0 , v^0 )
Figura 2.1: Superficie regular
Como los vectores Φu y Φv son tangentes a dos curvas sobre la superficie en un punto y Φ es diferenciable en ese punto, dichas tangentes deben determinar el plano tangente a la superficie en ese punto, es decir Φu × Φv debe ser normal a la superficie. Por tanto si Φ es regular, los vectores Φu y Φv, en cualquier punto de la superficie, deben ser linealmente independientes, lo que asegura la existencia de plano tangente en todo punto. Por tanto la regularidad de una superficie, geom´etricamente, significa la existencia de plano tangente en cualquier punto.
Definici´on 2.1.2 (Superficies equivalentes) Dos superficies regulares
Φ : D ⊂ R^2 −→ R^3 , Ψ : Ω ⊂ R^2 −→ R^3 ,
se dicen equivalentes si existe un difeomorfismo H : Ω −→ D tal que Ψ = Φ ◦ H.
En este supuesto (ver Figura 2.2) para todo (ξ, η) ∈ Ω se tiene (u, v) = H(ξ, η) = (H 1 (ξ, η), H 2 (ξ, η)), Φ(u, v) = Ψ(ξ, η) = (Φ ◦ H)(ξ, η),
con lo que la superficie imagen es la misma ΣΦ = Φ(D) = Ψ(Ω) = ΣΨ. Es decir se trata de una misma superficie imagen referida a dos parametrizaciones distintas.
Proposici´on 2.1.1 (Invarianza del plano tangente) El plano tangente en un punto de una superficie regular es independiente de la representaci´on param´etrica y los respec- tivos vectores normales tienen la misma direcci´on pero pueden tener sentidos opuestos.
Orientaci´on de superficies
Dada un superficie Φ : D ⊂ R^2 −→ R^3 , todo cambio de par´ametro es tal que el jacobiano correspondiente tiene signo constante. Aquellas parametrizaciones tales que el jacobiano es positivo diremos que son positivamente equivalentes a Φ, y si el jacobiano es negativo negativamente equivalentes. En el conjunto de parametrizaciones de una superficie imagen Σ, la relaci´on “posi- tivamente equivalente”es una relaci´on de equivalencia, que da lugar a una partici´on del conjunto de parametrizaciones en dos clases: las parametrizaciones positivamente equiva- lentes a Φ y las negativamente equivalentes. Si estas dos clases son distintas, la superficie se dice orientable, y en otro caso no orientable. Las superficies orientables tienen “dos caras”, con sus respectivos vectores normales. Las superficies no orientables son superficies “patol´ogicas”, que tienen una sola cara como la cinta de M¨obius o la botella de Klein.
2.2. Area de una superficie regular´
Sea Φ : D ⊂ R^2 −→ R^3 una superficie regular simple, K ⊂ D un cerrado y Σ = Φ(K). Se define el ´area de Σ como ∫ ∫ K
‖Φu(u, v) × Φv(u, v)‖ 2 du dv,
cuya existencia est´a asegurada por ser K compacto y N = Φu × Φv continua sobre K.
Proposici´on 2.2.1 (Independencia de la parametrizaci´on) El ´area de Σ es inde- pendiente de la parametrizaci´on.
Vamos a justificar el hecho de que el n´umero obtenido como ´area de Σ se corresponde con la idea que tenemos de ´area. Supongamos, por simplicidad, que K es un rect´angulo y consideremos una partici´on de K en rect´angulos de la forma
Rij = [ui, ui+1] × [vj , vj+1],
asociados a las particiones
a = u 0 < u 1 < u 2 < · · · < un = b, c = v 0 < v 1 < v 2 < · · · < vn = d,
tal como en la Figura 2.3. En cada punto de la partici´on de K, (ui, vj ), aproximamos la aplicaci´on Φ, que en general ser´a no lineal, por la aplicaci´on af´ın Φ˜ij , desarrollo de Taylor de primer orden de la funci´on Φ en (ui, vj )
Figura 2.3: Area de una superficie regular.´
Φij 1 (u, v) Φij 2 (u, v) Φij 3 (u, v)
Φ 1 (ui, vj ) Φ 2 (ui, vj ) Φ 3 (ui, vj )
∂ ∂uΦ (^1) (ui, vj ) ∂ ∂vΦ (^1) (ui, vj ) ∂ ∂uΦ (^2) (ui, vj ) ∂ ∂vΦ (^2) (ui, vj ) ∂ ∂uΦ (^3) (ui, vj ) ∂ ∂vΦ (^3) (ui, vj )
( (^) u − u i v − vj
La imagen de Rij por Φ es un paralelogramo curvo y por Φ˜ij es un paralelogramo (ver Figura 2.3) cuyo ´area es ‖Φu(ui, vj ) ∆ui × Φv(ui, vj ) ∆vj ‖ 2.
La suma de las ´areas de todos los paralelogramos, correspondientes a los puntos de la partici´on ser´a
An =
∑^ n−^1 i,j=
‖Φu(ui, vj ) × Φv(ui, vj )‖ 2 ∆ui ∆vj.
Se define el ´area de la superficie imagen ΣK como
A = l´ n→∞ım An =
K
‖Φu(u, v) × Φv(u, v)‖ 2 du dv.
Nota 2.2.1 (Aproximaci´on del ´area de una superficie por “escamas”) La longi- tud de un arco de curva se puede considerar como el l´ımite de poligonales inscritas, cuando el di´ametro de la partici´on tiende a 0. En cambio, el ´area de una superficie no se puede aproximar mediante paralelogramos inscritos (contraejemplo de Schwarz) sino que es pre- ciso aproximarla mediante “escamas”.