Revista digital

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UNIVERSIDAD FERMIN TORO Coatzacoalcos CABUDARE ESTADO LARA

Calculo Vectorial APLICACIONES

Integrantes JOSE ANGEL JIMENEZ

JUAN CARLOS GUTIERREZ

PROFESORA: MARLENE DE PARRA


Introducción a las funciones vectoriales de una variable real. Muchas cantidades se denotan por parámetros se caracterizan por componentes que son f, g y h. Algunas veces las funciones vectoriales se denotan como r ( t )= 〈 f ( t ) , g ( t ) 〉 o r ( t )= 〈 f ( t ) , g ( t ) , h(t) 〉 Técnicamente una curva en el plano o en el espacio consiste en una colección de puntos y ecuaciones paramétricas que la definen. Eso quiere decir que, dos curvas diferentes pueden tener la misma gráfica. Se llama función vectorial a cualquier función de la forma Plano r (t) = (f(t) , g(t) , h(t)) Espacio donde las funciones componentes f, g y h son funciones del parámetro t con valores reales. Este concepto se puede generalizar a espacios n dimensionales r (t) = (f(t) , g(t)) Se debe distinguir entre la función vectorial r y las funciones de variable real f, g y h que son sus componentes y son funciones de la variable real t, pero r (t) es un vector mientras que f (t), g (t) y h (t) son números (para cada valor especificado de t ). Las funciones vectoriales juegan un doble papel en la representación de curvas. Tomando como parámetro t el tiempo, las podemos usar para describir el movimiento a lo largo de una curva. Más en general, podemos usar una función vectorial para trazar la gráfica de una curva. En ambos casos, el punto final del vector posición r (t) coincide con el punto (x, y) o (x, y, z) de la curva dada por las ecuaciones paramétricas. La flecha sobre la curva indica el sentido de recorrido, es decir, el sentido de valores crecientes de t . Salvo que se especifique otra cosa, se considera como dominio de una función vectorial r la intersección de los dominios de las funciones f, g y h. Por ejemplo el dominio de: es el intervalo (0, 1]

2


3.1

Definición de función vectorial de una variable real.

3.2

Graficación de curvas en función del parámetro t.

Una función de la forma r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j plano O r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j+ h ( t ) k espacio Es una función vectorial en donde las funciones componentes f,g y h son funciones del parámetro t. Algunas veces las funciones vectoriales se denotan como r ( t )= 〈 f ( t ) , g ( t ) 〉

o r ( t )= 〈 f ( t ) , g ( t ) , h(t) 〉

Técnicamente una curva en el plano o en el espacio consiste en una colección de puntos y ecuaciones paramétricas que la definen. Eso quiere decir que, dos curvas diferentes pueden tener la misma gráfica. Ejemplo: r =sent i+ cos t j r =sen²t i+cos²t j

3


(x,y) = (sin(t),cos(t)); 0.0 <= yt <= 360

(x,y) = (sin(t^2),cos(t^2)); 0.0y <= t <= 360 2

1

1

x −2

−1

1

2

x −2

−1

1

2

−1

−1

−2

Se considera que el dominio de una función vectorial r es la intersección de los dominios de las funciones componentes f,g y h . Ejemplo: Eldominiode r ( t )=ln ( t ) i+ √1−t j+t k es ¿

Trazado de una curva plana: Dibujar la curva plana representada r ( t )=2 cos(t )i−3sen ⁡ ( t ) j 0 ≤ t ≤ 2 π

4

por

la

función

vectorial


Dibujar la curva en el espacio representada por la función vectorial r ( t )=4 cos( t)i+ 4 sen ( t ) j+t k 0 ≤ t ≤ 4 π

Representar la parábola

5

2

y=x +1

mediante una función vectorial


Dibujar la gráfica C representada por la intersección del semielipsoide 2 2 2 x y z + + =1 z ≥ 0 12 24 4 Y el cilindro parabólico

y=x

2

Definición del límite de una función vectorial 1. Si r es una función vectorial tal que

[

] [

]

r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j entonces:

lim r (t )= lim f ( t ) i + lim g ( t ) j plano t→a

t→0

t →0

siempre que existan los límites de f

y g cuando t → a . r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j+ h ( t ) k entonces

2. Si r es una función vectorial tal que

[

] [

] [

]

lim r (t )= lim f ( t ) i+ lim g ( t ) j+ lim g ( t ) j espacio t→a

t→0

t →0

t →0

siempre que existan

los límites de f,g y h cuando t → a . Si

r (t)

tiende al vector L cuando

a cero. Es decir, ‖r ( t )− L‖ → 0 cuandot → a

6

t → a , la longitud del vector

r ( t )−L tiende


A medida que t tiende a a, r(t) tiende al límite L. Para que L exista, no es necesario que r(a) esté definida o que r(t) sea igual a I

Definición de continuidad de una función vectorial Una función vectorial r es continua en una punto dado por r (t )

cuando

t→a

t=a

si el límite de

existe y

lim r ( t ) =r (a) t→a

Una función vectorial r es continua en un intervalo I si es continua en todos los puntos del intervalo. Analizar la continuidad de la función vectorial

] [

]

lim r ( t ) = lim t i+ lim a j+ lim ( a 2 +t 2 ) k t→0

[

t →0

] [

t→0

t →0

r ( t )=t i+ a j+ ( a 2+ t 2) k cuando t=0

Evidencia 1: 1. Hallar el dominio de la función vectorial

7


a)

1 r ( t )=5t i−4t j− k t

b)

r ( t )=F ( t ) +G ( t ) donde F ( t )=cos t i−sen t j+ √t k

;

G ( t )=cos t i+ sen t j

2. Evaluar si es posible, la función vectorial en cada valor dado de t a)

1 r ( t )= t 2 i− ( t −1 ) j 2 r ( 1 ) , r ( 0 ) , r ( s +1 ) , r ( 2+ ∆ t ) −r ( 2)

b)

r ( t )=ln t i+

1 j+3t k t

r ( 2 ) , r (−3 ) , r ( t−4 ) , r ( 1+ ∆t )−r (1)

8


3.3

Derivación de funciones vectoriales y sus propiedades.

La derivada de una función vectorial r se define como r ( t+ ∆t )−r (t ) r ’ ( t )= lim ∆t ∆t→0

Para toda t para el cual existe el límite. Sí

r ’ (c )

existe para todo c en un

intervalo abierto I, entonces r es derivable en el intervalo I. La derivabilidad de funciones vectoriales puede extenderse a intervalos cerrados considerando límites unilaterales.

Derivación de funciones vectoriales: 1. Si r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j dondef y g son funciones derivables en t, entonces, r ’ ( t )= f ’ ( t ) i + g ’ ( t ) j plano

9


2. Si

r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j+ h ( t ) k dondef , g y h son funciones derivables en t,

entonces,

r ’ ( t )= f ’ ( t ) i+ g ’ ( t ) j+ h ’ ( t ) k espacio

Propiedades de la derivada: Sean r y u funciones vectoriales derivables de t, f una función real derivable de t y c un escalar 1. Dt [ c r (t) ] =c r ’ (t ) 2.

D t [ r (t) ± u( t) ] =r ’ (t)± u ’ (t)

3.

D t [ f (t) r (t) ] = f ( t ) r ’ ( t ) + f ’ (t)r ( t)

4.

D t [ r (t)∙ u( t) ] =r ( t ) ∙ u ’ ( t )+ r ’ (t )∙ u (t)

5.

Dt [ r (t ) x u(t) ] =r ( t ) x u ’ ( t )+ r ’ ( t ) x u (t)

6.

Dt [ r ( f ( t ) )] =r ’ ( f ( t ) ) f ’ ( t )

7. Si

r ( t ) ∙ r ( t ) =c , entonces r ( t ) ∙ r ’ ( t )=0

Evidencia 2: 1. Dibujar la curva plana representada por la función vectorial y dibujar los vectores r (t 0 ) y r ’ ( t 0 ) . Colocar los vectores de manera que el punto inicial de

r (t 0 )

punto final de a) b)

este en el origen y el punto inicial de r (t 0 ) . ¿Qué relación existe entre

r ( t )=t² i+ t j ; t 0=2 r ( t )=t² i+

1 j ; t 0=2 t π 2

c)

r ( t )=cos t i+ sen t j ; t 0=

d)

r ( t )=2 cos t i+ 2sen t j+t k ; t 0=

2. Hallar

10

r ’ ’ (t ) y r ’ (t )∙ r ’ ’ (t )

3π 2

r ’ (t 0 )

este en el

r ’ (t 0 ) y la curva?


a)

1 r ( t )=t³ i+ t² j 2

b)

1 1 r ( t )= t² i−t j+ t ³ k 2 6

c)

r ( t )= 〈 cos t +tsen t , sen t−t cos t ,t 〉

3. En el ejercicio siguiente, utiliza las propiedades de la derivada para encontrar la respuesta

11


3.4

Integración de funciones vectoriales.

Definición de la integral de una función vectorial: 1- Si r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j dondef y g son continuas en

[ a , b ] , entonces la

integral indefinida ( o antiderivada) de r es ∫ r ( t ) dt = ∫ f ( t ) dt i+ ∫ g ( t ) dt j plano

[

] [

]

a ≤ t ≤ b es

Y su integral definida en el intervalo

[

b

b

∫ r ( t ) dt = ∫ f ( t ) dt a

] [∫ ] b

a

i+

g ( t ) dt j

a

r ( t )= f ( t ) i+ g ( t ) j+ h ( t ) k dondef , g y h son continuas en

2- Si

entonces la integral indefinida ( o antiderivada) de r es ∫ r ( t ) dt= ∫ f ( t ) dt i+ ∫ g ( t ) dt j+ ∫ h ( t ) dt espacio

[

] [

] [

a ≤ t ≤ b es

Y su integral definida en el intervalo

[

b

b

∫ r ( t ) dt= ∫ f ( t ) dt a

] [∫ ] [∫ ] b

a

i+

b

g ( t ) dt j+

a

Evidencia 3: 1. Hallar la integral indefinida a)

∫ ( 2ti+ j+ k ) dt

(

3

)

1 i + j + t 2 k dt t

b)

c)

∫ ( (2t −1) i+3t³ j+3 √ t k ) dt

2. Evaluar la integral definida

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]

h ( t ) dt

a

[a ,b] ,


1

a)

∫ ( 8t i+t j −k ) dt 0

π 2

b)

∫ ( a cos t i+ a sen t j+ k ) dt 0

2

c)

13

∫ ( t i+e t j −t et k ) dt 0


3.5

Longitud de arco.

Longitud de arco de una curva en el espacio: Si C es una curva suave dada por r ( t )= x ( t ) i+ y ( t ) j + z ( t ) k en un intervalo [ a , b ] , entonces la longitud de arco de C en el intervalo es: b

s=∫ a

b

√ [ x ’ (t)] +[ y ’ (t )] +[ z ’ (t)] dt=∫ ‖ r ’ (t) ‖dt

3.6

2

2

2

a

Vector tangente, normal y binormal.

Definición del vector unitario tangente Sea C una curva suave e un intervalo abierto I, representada por r. El vector unitario tangente T(t) en t se define como: r ’ (t ) T (t)= , r ’ (t )≠ 0 ‖ r ’ (t )‖

Definición del vector unitario normal principal Sea C una curva suave en un intervalo abierto I, representada por r. Si T ’ ( t ) ≠ 0 entonces el vector unitario normal principal en t se define como: N (t)=

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T ’ (t) ‖T ’ (t)‖


15


Evidencia 4: 1. Hallar el vector unitario tangente

16

T (t)

a)

r ( t )=t i+ t² j+t k , t=2

b)

r ( t )=2 cost i+ 2 sent j +t k , t=3

.


3.7

Curvatura.

Fórmulas para la curvatura: Si C es una curva suave dada por

r ( t ) , entonces la curvatura K de C en t está

dada por: K=

‖T ’ (t )‖ ‖r ’ ( t ) x r ’ ’ ( t ) ‖ K= ‖r ’ ( t ) ‖ ‖ r ’ ( t ) ‖3

Evidencia 5: 1. Determinar la curvatura de un circulo de radio a. r (t)=a cos t i +a sin t j

a) 2. Hallar K=

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la

curvatura

‖ r ’ (t) x r ' ' (t )‖ 3

‖ r ’ (t) ‖

de

la

curva

definida

utilizando

la

formula


3.8

Aplicaciones.

Muchos de los fenómenos que existen en la naturaleza pueden ser expresados a través defórmulas o modelos matemáticos de tal forma que si estos fenómenos reúnen lascondiciones para expresarse como un vector, entonces su modelo sería una expresiónvectorial, de la forma:

En base en lo anterior, el vector velocidad, el vector aceleración y la rapidez delinstante t vienen dados por:

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Bibliografia http://www.matematica1.com/2012/05/vector-tangente-unitario-ejercicios.html http://www.slideshare.net/anaceb/funciones-vectoriales-de-variable-realpresentation https://sites.google.com/site/calculovectorialnum3/unidad-3-funciones-vectorialesde-una-variable-real

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