(a) El triángulo dado se descompone en tres segmentos de recta que parametrizamos de la siguiente forma: (0 t 1); y = 0. { x = 1 t y = t. (0 t 1).

Transcripción

1 INTEGRALES DE LÍNEA. 15. alcular las siguientes integrales: (a) (x + y) ds donde es el borde del triángulo con vértices (, ), (1, ), (, 1). (b) x + y ds donde es la circunferencia x + y ax (a > ). (a) El triángulo dado se descompone en tres segmentos de recta que parametrizamos de la siguiente forma: 1 : : 3 : { x t y ( t 1); { x 1 t y t ( t 1); { x y 1 t ( t 1). alculamos en cada tramo el módulo del vector velocidad: 1 (t) (t, ) 1(t) (1, ) 1(t) 1; (t) (1 t, t) (t) ( 1, 1) (t) ; 3 (t) (, 1 t) 3(t) (, 1) 3(t) 1. on estos datos, la integral de línea se calcula como sigue: (x + y) ds (x + y) ds + 1 (x + y) ds + (x + y) ds 3 1 t dt dt + (1 t) dt + 1. (b) Si escribimos la circunferencia x + y ax de la forma (x a/) + y a /4, su parametrización viene dada por : { x (a/) + (a/) cos t y (a/) sen t ( t π). De este modo, (t) ( a sen t/, a cos t/) (t) a/. 1

2 Por tanto, π a x + y a ds (1 + cos t) dt π a a 1 + cos t dt a π π (1 cos t) 1/ d(1 cos t) a (1 cos π t)1/. 1 cos t 1 cos t dt 16. alcular (x 3 y + y 3 x/3) dx + ax dy, siendo el contorno de la región definida por x + y ay <, y > a (a > ). El contorno del semicírculo indicado se descompone en dos curvas (el diámetro inferior y la semicircunferencia superior), cuyas parametrizaciones son las siguientes: 1 : { x t { x a cos t y a ( a t a); : y a + a sen t ( t π). alculamos por separado la integral a lo largo de cada curva. En el caso de 1, como dx 1, dy, resulta: a (x 3 y + y 3 x/3) dx + ax dy (t 3 a + a 3 t/3) dt. 1 a En, dx a sen t dt, dy a cos t dt, de modo que: (x 3 y + y 3 x/3) dx + ax dy En definitiva, π a5 3 [a 3 cos 3 t(a + a sen t) + a cos t(a + a sen t) 3 /3] ( a sen t) dt + π π a a cos t a cos t dt (3 sen t cos 3 t + 3 sen t cos 3 t + sen t cos t + 3 sen t cos t π +3 sen 3 t cos t + sen 4 t cos t) dt + a 4 cos 3 t dt. (x 3 y + y 3 x/3) dx + ax dy.

3 17. Hallar x + y z + 1. (y + z ) dx + (z + x ) dy + (x + y ) dz a lo largo de la curva : x + y z, La curva dada es la intersección del paraboloide x + y z con el plano x + y z + 1. Si sustituimos el valor de z en la primera ecuación, la curva se puede expresar como: : { x + y x + y + z x + y + 1 o bien : { (x 1) + (y 1) 4 z x + y + 1, la cual puede parametrizarse como: x 1 + cos t : y 1 + sen t z 3 + cos t + sen t ( t π). Sustituyendo estos valores y sus derivadas en la integral, resulta: (y + z ) dx + (z + x ) dy + (x + y ) dz π π [(1 + sen t) + (3 + cos t + sen t) ] ( sen t) dt + + π π [(3 + cos t + sen t) + (1 + cos t) ] ( cos t) dt [(1 + cos t) + (1 + sen t) ] ( sen t + cos t) dt (4 cos t 4 sen t + 4 cos t 4 sen t + 4 cos 3 t 4 sen 3 t) dt. 18. Hallar las longitudes de los arcos de las siguientes curvas: (a) x 3t, y 3t, z t 3 entre los puntos (,, ) y (3, 3, ). (b) y a arc sen(x/a), z a 4 ln a x a + x entre los puntos (,, ) y (x, y, z ). Si la curva se parametriza por el vector de posición r (t), con t t t 1, la longitud viene dada por la fórmula l t1 t r (t) dt. (a) En este caso, r (t) (3t, 3t, t 3 ), de donde r (t) (3, 6t, 6t ) y r (t) 3(1 + t ). 3

4 Teniendo en cuenta además que (,, ) r () y (3, 3, ) r (1), resulta: l 1 3(1 + t ) dt 5. (b) Si llamamos x t, la curva se parametriza por De aquí obtenemos: (t) (t, a arc sen(t/a), a 4 ln a t ), t x. a + t ( a (t) 1, a t, a ) (a t (t) 3a t ) (a t ). Por tanto, l x 3a t (a t ) dt x x ( 1 x a 1 t a dt x a x a 4 ln x a. x + a a ) t a x dt ( 1/a t a 1/a ) dt t + a 19. Hallar la masa del arco de curva x at, y (a/)t, z (a/3)t 3 ( t 1) si la densidad en cada punto vale ρ y/a. La masa se calcula mediante la integral de línea m ρ ds, a lo largo de la curva. En este caso, la curva se parametriza por la función (t) (at, at /, at 3 /3), de donde (t) (a, at, at ) y (t) a 1 + t + t 4. omo la densidad en cada punto de vale ρ((t)) t, deducimos que m 1 at 1 + t + t 4 dt. alculamos en primer lugar la integral indefinida: I t (t 1 + t + t 4 dt t + 1 ) dt t (t + 1/ 3/ ) + 1 dt. 4

5 Haciendo el cambio de variable t + 1/ tg u, resulta 3/ En definitiva, I m a sec 3 u du 3 16 [ t + 1/ t4 + t + 1 3/ 3 1 [ sec u tg u + ln sec u + tg u ] + ln t + 1/ + 3/ ] t4 + t at 1 + t + t 4 dt 3a [ ln( ) ].. Hallar las coordenadas del centro de gravedad del contorno del triángulo esférico x + y + z a, x, y, z. Sean ( x, y, z) las coordenadas del centro de gravedad. Debido a la simetría de la figura, x y z y, si la densidad se supone constante, x 1 x ds. Descomponemos el l triángulo esférico en tres curvas que parametrizamos como sigue: 1 : : 3 : En los tres casos, r (t) a, de modo que: l x ds x a cos t y a sen t z x y a cos t z a sen t x a cos t y z a sen t, t π/,, t π/,, t π/, π/ π/ 1 ds a dt + a dt + x ds + x ds + x ds 1 3 π/ En definitiva, x y z 4a 3π. a cos t a dt + π/ π/ a cos t a dt a. a dt 3aπ ; 5

6 1. alcular las siguientes integrales de línea: x dy + y dx, x dy y dx donde O es el origen de coordenadas y A (1, ), a lo largo de las trayectorias: (a) segmento que une O con A. (b) parábola con eje OY. (c) poligonal que se compone de un segmento OB en el eje X y un segmento BA paralelo al eje Y. En la primera de las integrales, si llamamos P (x, y) y, Q(x, y) x, como P y 1 Q, entonces la integral es independiente de la trayectoria. Basta encontrar una función F : R R cuyo gradiente sea F (P, Q). Resulta en este caso F (x, y) xy, con lo que la integral vale x dy + y dx F (A) F (O). En la segunda integral, si llamamos P (x, y) y, Q(x, y) x, entonces P Q 1, y 1, de modo que el valor de la integral depende de la trayectoria descrita. En cada caso, para resolver la integral debemos parametrizar la curva correspondiente. (a) La recta que contiene el segmento que une O con A tiene por ecuación y x. Así pues, 1 1 x dy y dx x dx x dx dx. (b) La ecuación general de la parábola con eje OY es y ax. omo debe pasar por el punto A, entonces a. Así pues, x dy y dx x 4x dx x dx x dx 3. (c) La poligonal indicada está formada por el segmento OB, donde B (1, ) y el segmento BA. El primero de ellos se parametriza por x t, y ( t 1), y el segundo por x 1, y t ( t ). La integral vale: x dy y dx x dy y dx + x dy y dx OB 1 dt + BA 1 dt. 6

7 . Hallar la integral de línea z bt ( t π). y dx+z dy+x dz donde es la curva x a cos t, y a sen t, Sustituyendo en la integral los valores x a cos t, y a sen t, z bt, dx a sen t dt, dy a cos t dt, dz b dt, tenemos: I π a ( a sen t + abt cos t + ab cos t) dt π [ (1 cos t) dt + ab t sen t π π ] sen t dt πa. 3. alcular yz dx + xz dy + xy dz donde consta de los segmentos de rectas que unen (1,, ) con (, 1, ) y con (,, 1). Descomponemos la trayectoria en los dos segmentos de recta cuyas parametrizaciones respectivas son: { x 1 t x + y 1 1 : y t ( t 1), z z : { x y + z 1 Entonces la integral se calcula como sigue: F F + 1 F 1 x y 1 t z t dx + dy + t(1 t) + ( t 1). 1 t(1 t) + dy + dz. 4. Sea una trayectoria suave. (a) Probar que F si F es perpendicular a (t) a lo largo de la curva (t). (b) Probar que F F si F es paralelo a (t) a lo largo de (t). 7

8 Por definición, t1 F F ((t)) (t) dt. t (a) Si F es perpendicular a, entonces el producto escalar F ((t)) (t) es cero, de modo que la integral se anula. (b) Por definición de producto escalar, F ((t)) (t) F ((t)) (t) cos α. omo los vectores F y son paralelos, cos α 1, de modo que t1 F F ((t)) (t) dt t F. 5. Sea F (x, y, z) (z 3 + xy, x, 3xz ). Probar que F si es el perímetro de cualquier cuadrado unitario (es decir, con un vértice en el origen y lado 1). Si llamamos P (x, y, z) z 3 + xy, Q(x, y, z) x, R(x, y, z) 3xz, entonces P y Q P z R Q z R y x, 3z,. Esto indica que rot F y el campo vectorial F es conservativo. Deducimos entonces que F es independiente de la trayectoria. Al ser cerrada dicha trayectoria, F. 6. Observando que el integrando es un campo gradiente, calcular las siguientes integrales curvilíneas: (a) (b) (c) (d) (3, 4) (,1) (1,) (,1) (a,b) (,) (,3, 4) (1,1,1) x dx + y dy. y dx x dy x a lo largo de caminos que no se corten con el eje Y. e x (cos y dx sen y dy). x dx + y dy z 3 dz. 8

9 (a) Si F (x, y) (x, y), entonces F f, donde f(x, y) (x + y )/. Así pues, (3, 4) (,1) F (x, y) ds f(3, 4) f(, 1) 1. (b) En este caso, F (x, y) (y/x, 1/x), de modo que F (x, y) f, con f(x, y) y/x. Entonces, (1,) (,1) F (x, y) ds f(1, ) f(, 1) 3/. (c) El campo vectorial F (x, y) (e x cos y, e x sen y) es el gradiente de f(x, y) e x cos y. Así pues, (a,b) (,) F (x, y) ds f(a, b) f(, ) e a cos b 1. (d) Análogamente a los casos anteriores, F (x, y, z) (x, y, z 3 ) f, con f(x, y, z) x / + y 3 /3 z 4 /4. Por tanto, (,3, 4) (1,1,1) F (x, y, z) ds f(, 3, 4) f(1, 1, 1) Probar que P (x, y) dx + Q(x, y) dy máx P + Q a lo largo de. L M donde L es la longitud de y M Utilizando las propiedades de la integral, P (x, y) dx + Q(x, y) dy b (P, Q) ds (P, Q) (t) dt a b (P, Q) (t) dt (P, Q) ds a P + Q ds M 1 ds M L. 9

10 8. alcular la integral de línea (e x y 3x cos z) dx + e x dy + x 3 sen z dz a lo largo de la hélice x cos t, y sen t, z t, desde el punto (1,, ) hasta ( 1,, π). El campo vectorial F (P, Q, R), con P (x, y, z) e x y 3x cos z, Q(x, y, z) e x, R(x, y, z) x 3 sen z, es conservativo porque P y Q P z R Q z R y e x, 3x sen z,. Esto significa que existe un campo escalar f (1) (R 3 ) tal que f F. Para determinar la función f utilizamos las ecuaciones P f, Q f y, R f. Así pues, z P f Q f y R f z f(x, y, z) (e x y 3x cos z) dx e x y x 3 cos z + g(y, z); e x e x + g g(y, z) h(z) y f(x, y, z) e x y x 3 cos z + h(z); x 3 sen z x 3 sen z + h (z) h(z) k. Elegimos el valor k, con lo que f(x, y, z) e x y x 3 cos z. En definitiva, F ds f( 1,, π) f(1,, ). 9. Hallar el trabajo realizado por la fuerza F (x, y) (3y +, 16x) al mover una partícula desde ( 1, ) hasta (1, ) siguiendo la mitad superior de la elipse b x + y b. Qué elipse (es decir, qué valor de b) hace mínimo el trabajo? 1

11 Por definición W F ds (3y + ) dx + 16x dy. Si parametrizamos la elipse x + y /b 1 como x cos t, y b sen t, el trabajo realizado es: W π (3b sen t + ) sen t dt + 3b ( cos t cos3 t 3 ) + cos t π π π 16 cos t b cos t dt + 16b ( t + sen t ) 4b 8πb + 4. π Para determinar el valor de b que hace mínimo el trabajo, calculamos los puntos críticos de la función W (b): W 8b 8π b π. omo W 8 >, el valor b π hace mínimo el trabajo. 3. Hallar el trabajo realizado por el campo vectorial F (x, y, z) (y + z, + x, x + y) a lo largo del arco más corto de la circunferencia mayor de la esfera x +y +z 5 que une los puntos (3, 4, ) y (,, 5). Si llamamos a dicho arco, el trabajo se obtiene como: W F ds (y + z) dx + ( + x) dy + (x + y) dz. Para obtener una parametrización de, tengamos en cuenta que la curva es intersección de la esfera x + y + z 5 con el plano 4x 3y. Al sustituir y 4x/3 llegamos a la ecuación x /9 + z /5 1. Una parametrización de la curva es la siguiente: : x 3 cos t y 4 cos t z 5 sen t La integral que proporciona el trabajo es pues: W π π 4 sen t [(4 cos t + 5 sen t)( 3 sen t) dt + π ( t π/). ( + 3 cos t)( 4 sen t) dt + π (3 cos t + 4 cos t)(5 cos t)] dt ( 1 sen t cos t 15 sen t 8 sen t 1 sen t cos t + 35 cos t) dt π/ cos t π/ ( t sen t ) π/ + 35 ( sen t) π/ t + 5π. 11