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CALCULO APLICADO. Competencias Matemáticas a Través de Contexto. TOMO III

CALCULO APLICADOpdf - Universidad Distrital Francisco José de

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CÁLCULO APLICADO Competencias matemáticas a través de contextos TOMO III

CÁLCULO APLICADO Competencias matemáticas a través de contextos TOMO III

Norma Patricia Salinas Martínez Juan Antonio Alanís Rodríguez José Luis Garza García Ricardo Pulido Ríos Francisco Xavier Santos Leal Julio César Escobedo Mireles

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Cálculo aplicado

Competencias matemáticas a través de contextos

Tomo III

Norma Patricia Salinas Martínez,

Juan Antonio Alanís Rodríguez,

José Luis Garza García,

Ricardo Pulido Ríos,

Francisco Xavier Santos Leal,

Julio César Escobedo Mireles Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Fernando Valenzuela Migoya Director Editorial,

de Producción y de Plataformas Digitales para Latinoamérica: Ricardo H

Rodríguez Gerente de Procesos para Latinoamérica: Claudia Islas Licona Gerente de Manufactura para Latinoamérica: Raúl D

Zendejas Espejel Gerente Editorial de Contenidos en Español: Pilar Hernández Santamarina Gerente de Proyectos Especiales: Luciana Rabuffetti Coordinador de Manufactura: Rafael Pérez González Editora: Cinthia Chávez Ceballos Diseño de portada: Daniela Torres Arroyo Imagen de portada: Instituto Tecnológico de Monterrey (itesm) Composición tipográfica: Humberto Núñez Ramos

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Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor,

sin el consentimiento por escrito de la Editorial

Datos para catalogación bibliográfica: Salinas Martínez Norma Patricia et al

Cálculo aplicado

Competencias matemáticas a través de contextos

Tomo III

ISBN: 978-607-481-911-3 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica

Contenido Prefacio Unidad 1: Gráficas en el espacio

Situación-Problema 1 (SP-1)

Discusión de la Situación-Problema 1

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 1

Situación-Problema 2

Discusión de la Situación-Problema 2

Situación-Problema 6 (SP-6)

Discusión de la Situación-Problema 6

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 6

Tarea 4

Unidad 2: Introducción a las derivadas,

diferenciales e integrales en el cálculo de varias variables

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 2

Tarea 1

Situación-Problema 7 (SP-7)

Discusión de la Situación-Problema 7

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 7

Discusión de la Situación-Problema 3

Tarea 5

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 3

Situación-Problema 4 (SP-4)

Situación-Problema 8 (SP-8)

Discusión de la Situación-Problema 4

Discusión de la Situación-Problema 8

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 4

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 8

Tarea 2

Situación-Problema 9 (SP-9)

Discusión de la Situación-Problema 9

Tarea 6

Situación-Problema 5 (SP-5)

Discusión de la Situación-Problema 5

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 5

Situación-Problema 10 (SP-10)

Tarea 3

Discusión de la Situación-Problema 10

Contenido •

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 10

Resolución de ecuaciones diferenciales exactas

Tarea 7

Unidad 3: Teoremas fundamentales para los campos vectoriales

Situación-Problema 12 (SP-12)

Discusión de la Situación-Problema 12

curvas de máximo crecimiento y líneas de un campo

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 12

Situación-Problema 11 (SP-11)

Tarea 9

Discusión de la Situación-Problema 11

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 11

Regla de la cadena

Tarea 8

Situación-Problema 13 (SP-13)

Discusión de la Situación-Problema 13

Consideraciones alrededor de la SituaciónProblema 13

Tarea 10

Prefacio CÁLCULO APLICADO Competencias matemáticas a través de contextos TOMO III Este libro corresponde al tomo III de la serie de Cálculo aplicado

Competencias matemáticas a través de contextos

Con esta obra se culmina una propuesta que destaca el qué,

cómo y para qué enseñar-aprender el Cálculo de una y varias variables

La obra refleja nuestro interés por lograr en los estudiantes el aprecio del conocimiento matemático en su calidad de herramienta útil para resolver problemas en contextos reales afines a sus aspiraciones académicas

de esta forma respondemos a la cuestión de para qué se enseña o se aprende Cálculo

Qué enseñar o aprender de Cálculo se construye en atención al para qué

Nociones,

procedimientos y objetos matemáticos surgen como herramientas óptimas para el tratamiento de las problemáticas propuestas

Cada tomo de esta colección se centra en una problemática cuyo tratamiento provoca un quehacer matemático donde nociones,

procedimientos y objetos matemáticos encuentran una razón de ser

En el tomo I se analiza la problemática de predecir el valor de una magnitud que está cambiando

El tratamiento a esta predicción conduce a construir y dar significado a nociones y procedimientos asociados a la razón de cambio y al cambio acumulado

Las nociones de derivada e integral junto con los procesos de derivación e integración surgen con el significado adecuado y preciso para esta práctica

En el tomo II,

la atención se centra en la problemática de calcular el valor de una magnitud asociada a un todo,

El tratamiento a esta problemática da lugar al surgimiento de la noción de diferencial como el valor de una magnitud infinitamente pequeña,

junto con el de suma o integral

Dividir el todo en partes infinitamente pequeñas,

calcular las magnitudes correspondientes a ellas y sumarlas es parte de un proceso medular que responde precisamente al requerimiento de la problemática en cuestión

La idea de tomar un elemento diferencial para luego calcular la magnitud completa (la íntegra,

Es importante mencionar que la idea de la toma del elemento diferencial constituye una estrategia frecuentemente utilizada en ingeniería para explicar fórmulas o conceptos propios de ésta

De hecho,

la consideración para la enseñanza-aprendizaje de estas nociones y procedimientos,

que constituyen poderosas herramientas para la comprensión profunda de los fenómenos que se estudian en ingeniería,

establece una distancia significativa entre esta propuesta y las tradicionales en cuanto éstas ni siquiera reconocen la existencia de tales herramientas matemáticas

En este tomo III se considera la problemática de dar sustento matemático o,

de matematizar dos nociones fundamentales de la Física: el flujo y la circulación

Surgidas de la Hidrodinámica,

estas nociones fueron pronto utilizadas en otras áreas de la

Prefacio •

Física,

por ejemplo: del flujo eléctrico,

circulación del campo magnético,

Para demostrar la importancia que tienen estas dos nociones para la Física y,

basta señalar lo que afirma Richard Feynman en su libro de Física,

volumen 2: “Solamente con estas dos nociones —flujo y circulación— podremos describir de una vez las leyes de la electricidad y el magnetismo”

En el tomo actual buscamos que el estudiante logre comprender la lectura que en términos de flujo y circulación se da en la Física en el estudio de fenómenos de diversa naturaleza con las diferentes representaciones matemáticas que la acompañan

si bien es cierto que las leyes de la electricidad y el magnetismo pueden describirse en términos de flujo y circulación,

es importante que el estudiante comprenda el porqué de las expresiones matemáticas involucradas en estas leyes

Ahora bien,

cómo lograr tal propósito corresponde con la forma en que van construyéndose los objetos matemáticos en atención a problemáticas que,

iniciando con el tratamiento a situaciones particulares,

desembocan en aquellas donde la generalidad predomina

aunque la idea es arribar finalmente a la expresión matemática del flujo de un campo en general con la que conceptos como el flujo del campo eléctrico,

el estudio del flujo se inicia con el fenómeno que originó el término: el flujo de agua,

que en principio resulta familiar al estudiante

El campo de velocidades del agua en movimiento dará paso a la idea de campo vectorial en general

El cálculo de flujo en situaciones simples como aquellas donde el campo de velocidades es constante y la superficie a través de la cual se calcula es plana,

devendrá en el cálculo del flujo de un campo a través de una superficie curva en general

Con la misma idea de transitar de lo restrictivo,

el primer acercamiento a la circulación es mediante el concepto de trabajo en su versión más simple: el trabajo efectuado por un campo de fuerzas constante en dirección de un desplazamiento rectilíneo

eventualmente la operación de calcular el trabajo es extendido al caso de tener un campo y una curva en general

En este tránsito,

del campo de fuerzas o de velocidades constantes a campos vectoriales en general,

del desplazamiento rectilíneo al curvo,

de superficies planas a curvas en general,

se despliega el pensamiento infinitesimal

Valorado ya en los tomos anteriores como una poderosa herramienta para la significación y construcción de conceptos clave del Cálculo de una variable,

la integral y el Teorema fundamental del Cálculo,

aprenderemos ahora productivas extensiones de las consideraciones geométrico algebraicas de ese pensamiento,

en el análisis y construcción de objetos más elaborados acorde con las nuevos requerimientos problemáticos

como las curvas en lo infinitamente pequeño son rectas y el valor de una magnitud (la razón de cambio) se supone constante en un tramo infinitesimal,

las superficies curvas son planas en lo infinitamente pequeño,

y un campo vectorial puede suponerse constante sobre un área infinitesimal de una superficie

De hecho,

las ideas de flujo y circulación llevadas a lo infinitamente pequeño,

mediante el pensamiento infinitesimal,

dan paso a la construcción de “nuevas derivadas” como la divergencia y el rotacional de un campo y a sus respectivos teoremas,

el de la divergencia de Gauss y el del rotacional de Stokes,

y con ellos a una forma poderosa para la caracterización de los campos vectoriales

Si comparáramos este libro con uno tradicional de Cálculo de varias variables,

podríamos decir que en cuanto a objetos matemáticos se trata,

contienen lo mismo: derivadas parciales,

funciones de varias variables,

son comunes en este espacio y cualquier otro

La diferencia que ofrece esta obra es cómo estos objetos se construyen y estructuran,

y a pesar de poder nombrarlos aquí,

aquí se les ha dotado de significados más “ricos”

Se da un enfoque del para qué de acuerdo con la matemática,

como una herramienta útil para el estudio y comprensión de los fenómenos propios de las carreras universitarias

Esto nos diferencia de los libros tradicionales,

en los que parece que el afán es aumentar el edificio matemático por sí y mostrar lo que a su parecer es lo impecable de su razonamiento,

excluye aquel pensamiento infinitesimal por cuestiones filosóficas en desuso

Si se piensa que en la Física,

en la ingeniería este pensamiento infinitesimal es reconocido y utilizado frecuentemente,

los estudiantes entenderán las dificultades que deberán sortear para aprender las herramientas matemáticas necesarias que aplicarán en los cursos de ingeniería

Los autores

Prefacio •

CÁLCULO APLICADO Competencias matemáticas a través de contextos TOMO III

Unidad 1

Gráficas en el espacio tridimensional Temas 1

Gráficas en el espacio tridimensional

En tanto las problemáticas que abordaremos en este libro involucran cuestiones ambientadas en el espacio tridimensional,

la primera tarea que hay que llevar a cabo es familiarizarnos con este entorno geométrico

esto lo hacemos en el Tema 1 donde introducimos el sistema de coordenadas cartesiano,

utilizando al salón de clases como un modelo de este sistema de referencia

Ahí mismo se aprende lo relativo de los sistemas de referencia introduciendo otras maneras de describir las posiciones en el espacio y que dan origen a las llamadas coordenadas esféricas y cilíndricas

En el Tema 2,

la consideración de la problemática de calcular el flujo de agua con ciertas condiciones ideales permite reconocer los vectores como el modelo matemático para representar la velocidad del agua

se visualizan espacios volumétricos formados por colecciones de vectores y superficies pensando en la colección de las “puntas” de los mismos

Del mismo modo,

permite introducir la idea de un campo vectorial y de una función de dos variables

El volumen se relaciona con el flujo al verlo como una especie de volumen con signo,

vislumbrándose así el surgimiento de una integral doble de una función de dos variables

El Tema 3 considera una serie de contextos físicos en donde las funciones de dos variables se utilizan para representar distintas magnitudes relacionadas con otras

La idea de “dejar una variable fija” con la que se consiguen “ecuaciones reducidas” (pensando que las expresiones de funciones con dos variables corresponden a ecuaciones con tres) ayuda a profundizar en el fenómeno bajo estudio y visualizar una gráfica de una ecuación de tres variables como la colección de las curvas correspondientes a las ecuaciones reducidas

Al margen del contexto,

el Tema 4 está dedicado a la adquisición de la competencia para visualizar la gráfica de ecuaciones con tres variables (que engloban a las funciones de dos variables)

La herramienta para lograr esta competencia es explotar la idea marcada en el tema anterior: las superficies pueden estar formadas por la colección de curvas correspondientes a ecuaciones reducidas cuando se asignan valores a una de las variables

Sistemas de referencia para el espacioo •

Sistemas de ref referencia ferencia p para ara e ell espacio espacio

El Cálculo que hemos revisado en los primeros dos tomos de esta obra,

ese aparato coherente de nociones,

procesos y resultados alrededor del estudio de la relación entre dos magnitudes o variables y que en el plano encuentra el contexto adecuado para representarse geométricamente,

puede extenderse para considerar una variable adicional,

ampliando así sus posibilidades como herramienta útil para abordar problemas

En esta extensión,

el espacio es ahora el contexto geométrico más adecuado para representar sus nociones y resultados

En este primer tema de la Unidad 1,

nos familiarizaremos con el espacio (tridimensional) y las coordenadas que ayudan a identificar en él diferentes posiciones y lugares

Como veremos,

con el sistema de coordenadas cartesianas o rectangulares,

se define de manera única cada posición en el espacio,

pero existen otros sistemas de coordenadas con los cuales se logra el mismo objetivo

La naturaleza del fenómeno que se quiera estudiar determina cuáles son las coordenadas del espacio más adecuadas para hacerlo,

por eso en este tema hemos incluido también la coordenada r (cilíndrica) y la coordenada r (esférica)

Iniciamos nuestro estudio con la siguiente Situación-Problema

Situación-Problema 1 (SP-1) El salón de clases puede utilizarse como modelo de un sistema de referencia con el cual podemos indicar posiciones en el espacio

se puede elegir tres planos y en relación con estos ubicar las posiciones: el plano xy (donde está el piso),

el plano yz (donde está el pizarrón) y el plano xz (donde está la pared a la izquierda de los estudiantes)

Gráficas en el espacio tridimensional

Utilicemos la siguiente convención: El plano yz divide al espacio en dos partes: atrás y adelante

con los valores de la variable x indicamos qué tan atrás ( x  0) o adelante ( x  0) se encuentra algún punto en relación con el plano yz

Con x = 0 indicamos los puntos que están únicamente en el plano yz

El plano xz divide al espacio en dos partes: izquierda y derecha

con los valores de la variable y señalamos qué tan a la izquierda ( y  0) o a la derecha ( y  0) se ubica algún punto respecto al plano xz

Con y = 0 indicamos los puntos que están solamente en el plano xz

El plano xy divide al espacio en dos partes: abajo y arriba

con los valores de la variable z indicamos qué tan abajo ( z  0) o arriba ( z  0) se encuentra algún punto en relación con el plano xy

Con z = 0 indicamos los puntos que están exactamente en el plano xy

En cuanto a este sistema de referencia,

¿cuáles serían los valores aproximados en metros de las variables x,

y y z correspondientes a tu posición en el salón

Discute las diferencias y similitudes que tienen los valores de las variables x,

y y z relativas a las posiciones de tus compañeros que están en la primera fila

¿En qué se diferencian las coordenadas de tus compañeros de la última fila respecto a los de la primera

¿Cuál es la variable que indica la posición relativa al plano yz

en términos de esta variable,

la posición de los alumnos de la primera y última filas

Considerando las posiciones de tus compañeros de la primera fila,

¿qué variable utilizarías para diferenciarlas unas de otras

en términos de esta variable,

las posiciones de tus compañeros de la primera fila

¿En qué se diferencian las coordenadas de los alumnos de la primera fila en el salón que está encima del nuestro respecto a la posición de tus compañeros de la primera fila

¿Cuál es la variable que indica la posición relativa al plano yz

en términos de esta variable,

la posición de los alumnos de la primera fila,

tanto en nuestro salón como en el salón por encima del nuestro

Discusión de la Situación-Problema 1 Cada persona u objeto en este salón de clases ocupa un lugar en el espacio cuya posición puede ser descrita en términos de las distancias a los planos de referencia elegidos

cada uno de nosotros se encuentra a cierta distancia (aproximada,

teniendo en cuenta el punto de nuestro cuerpo desde donde empezamos a medir) de la pared del pizarrón (plano yz),

ésta es la coordenada x de nuestra ubicación en el espacio

De igual forma,

nuestra distancia al plano xz (pared a la izquierda del pizarrón) es la coordenada y

Finalmente,

nuestra distancia al piso (plano xy) es la coordenada z

En este último caso es claro que los valores pueden variar sustancialmente dependiendo del punto de nuestro cuerpo que elijamos

si lo ubicamos en nuestros pies,

pero si lo ubicáramos en la parte superior de nuestra cabeza,

z sería nuestra altura (si estuviéramos de pie)

Por supuesto que distintos valores de las coordenadas corresponden a distintas posiciones

Por ejemplo,

los estudiantes de la primera fila,

aunque podría decirse que tienen (aproximadamente) la misma coordenada x (distancia a la pared del pizarrón) y z (distancia al piso),

tienen valores significativamente distintos de la coordenada y (distancia a la pared izquierda,

Sistemas de referencia para el espacio •

Un estudiante en la primera fila se distingue,

en cuanto a coordenadas se refiere,

de cualquier otro ubicado en la última fila por tener un valor distinto de x (distancia a la pared del pizarrón)

La diferencia entre las posiciones de los compañeros de la primera fila la establece la variable y (posición relativa a la pared izquierda)

Las posiciones de los estudiantes de la primera fila de este salón,

comparadas con las de los estudiantes de la primera fila del salón que está encima de él,

Consideraciones alrededor de la Situación-Problema 1 1

Coordenadas cartesianas

En relación con tres planos coordenados,

cada punto del espacio está determinado por las tres distancias a éstos

Estas distancias forman las coordenadas (relativas a esos tres planos de referencia) del punto

Por supuesto que si cambiamos de planos,

cambiamos el sistema de referencia,

Las posiciones de los puntos son relativas a los sistemas de referencia

Elegir tres planos perpendiculares entre sí como sistema de referencia origina las llamadas coordenadas cartesianas,

Otras coordenadas

Se pueden tener otros sistemas de referencia distintos del sistema rectangular,

por ejemplo: a) Si se elige un punto en el espacio como referencia,

cada posición en el espacio tiene una cierta distancia a ese punto

Todos los puntos del espacio que están a la misma distancia del punto elegido forman una esfera

Esta distancia es una de las llamadas coordenadas esféricas

b) Si fijamos una recta en el espacio,

la distancia de un punto del espacio a esta recta constituye una de las llamadas coordenadas cilíndricas

el nombre proviene del hecho de que todos los puntos del espacio con la misma distancia a la recta forman un cilindro

Más adelante volveremos con estas nuevas coordenadas y veremos que resultan muy convenientes para describir cierto tipo de fenómenos en distintas áreas de la ciencia

Regiones

Se puede describir posiciones de objetos delimitando los valores de las coordenadas de los puntos que forman parte de éstos

Si volvemos al escenario del salón de clases y utilizamos el sistema de referencia ya establecido,

la posición del pizarrón (ve la figura de la página 7),

de esta manera: a) Para todos los puntos del pizarrón su coordenada x es 0,

porque el pizarrón está en el plano yz y los valores de la coordenada x indican qué tan alejado está un punto de este plano

De hecho,

la ecuación del plano yz es x = 0,

todos los puntos del espacio cuyas coordenadas satisfacen la ecuación x = 0 forman el plano yz

b) Todos los puntos del pizarrón tienen un valor de la coordenada y de acuerdo con su distancia a la pared izquierda o plano xz

los puntos de la orilla izquierda del pizarrón tienen el valor menor porque están más cerca del plano xz

Se puede decir que todos los puntos del pizarrón deben satisfacer la condición siguiente para el valor de y: 1  y  3

Gráficas en el espacio tridimensional

c) Como z indica qué tan alejados están los puntos del piso o del plano xy,

es claro que z debe cumplir (según la figura anterior) la condición: 1  z  2

se puede decir que los puntos del pizarrón están caracterizados,

por las siguientes condiciones: x = 0

1  y  3

Podemos resumir de la siguiente manera lo que hemos hecho hasta ahora: establecer,

a través de las condiciones que deben cumplir las coordenadas x,

la ubicación (relativa a nuestro sistema de referencia) de objetos y personas

En la siguiente situación-problema procederemos al revés: daremos condiciones (en forma de ecuaciones o desigualdades) que deben cumplir las coordenadas y determinaremos las regiones del espacio cuya ubicación queda determinada por esas condiciones

Situación-Problema 2 (SP-2) 1

Obtén la gráfica de la ecuación x = 1 en: a) El espacio unidimensional (un eje) b) El espacio bidimensional (dos ejes) c) El espacio tridimensional (tres ejes) 2

Considera la expresión 2  x  5

Identifica los puntos cuyas coordenadas satisfacen la expresión en: a) El eje x b) El plano xy c) El espacio tridimensional xyz 3

Considera las expresiones: 2  x  5 y 1  y  4

Identifica la forma que tiene la colección de todos los puntos que cumplen simultáneamente ambas expresiones en: a) El plano xy b) El espacio tridimensional xyz Tema 1

Sistemas de referencia para el espacio •

Identifica todos los puntos del espacio tridimensional cuyas coordenadas satisfacen las expresiones: 2  x  5,

Discusión de la Situación-Problema 2 La expresión x = 1 adquiere diferentes significados según el contexto en el que aparezca

Puede entenderse,

como la solución de la ecuación lineal de primer orden x – 1 = 0,

o como una de las soluciones de la ecuación cuadrática x 2 – 1 = 0

También x = 1 puede verse como una ecuación en la que x representa una coordenada y,

entenderse que la solución de esta ecuación son los puntos que tienen coordenada x con valor de 1

pero aun en esta situación habría que especificar el contexto geométrico y el sistema de referencia involucrado

Si estamos hablando del eje x,

hay un único punto que satisface la ecuación x = 1

la gráfica de la ecuación x = 1 podría dibujarse así:

En el plano xy (un sistema bidimensional a diferencia del eje x que es un sistema de una dimensión o unidimensional),

los puntos que cumplen o satisfacen la ecuación x = 1 forman una recta paralela al eje y que pasa precisamente por el punto con coordenada x = 1 en el eje x

La gráfica de la ecuación x = 1 es:

5 4 3 2 1

Finalmente,

si consideramos el espacio tridimensional,

los puntos que satisfacen la ecuación x = 1 forman un plano paralelo al plano yz que pasa o atraviesa el plano xy precisamente en la recta con ecuación x = 1

En este contexto,

la gráfica de la ecuación x = 1 es el plano infinito del que se muestra una porción sombreada en la siguiente figura:

Gráficas en el espacio tridimensional

4 3 2 1

Observemos que el punto con ecuación x = 1 está contenido en la recta en el plano xy con la misma ecuación y,

la recta está contenida en el plano de igual ecuación

Hemos respondido así al punto 1 de la SP-2

Consideremos ahora la desigualdad 2  x  5 en relación con el punto 2 de la SP-2

Si tomamos en cuenta solamente el eje x,

los puntos que satisfacen esta desigualdad forman un intervalo cerrado (o que incluye sus extremos) que se representa así: [2,

La gráfica de la desigualdad puede verse como sigue:

En el plano xy la desigualdad 2  x  5 la cumplen todos los puntos que forman una franja vertical limitada por las rectas x = 2 y x = 5

De hecho,

esta franja puede verse como la unión de todas las rectas verticales correspondientes a cada uno de los valores de x comprendidos entre 2 y 5,

Podemos dibujar,

la gráfica de 2  x  5 como se muestra en la siguiente figura: y 5 4 3 2 1

Finalmente,

si nos ubicamos en el espacio tridimensional y recordamos que todos los puntos con el mismo valor de la coordenada x forman un plano,

Sistemas de referencia para el espacio •

de puntos que satisfacen la desigualdad 2  x  5 puede verse como la colección de todos los planos paralelos al de yz,

correspondientes a cada valor de x en el intervalo [2,

Podemos decir que la gráfica de 2  x  5 en el espacio tridimensional es una placa infinita de espesor 3 y paralela al plano yz,

que pretende ser representada en la siguiente figura: z 2 3

Observemos que el intervalo correspondiente a la desigualdad 2  x  5 está contenido en la franja en el plano xy representado por la misma desigualdad y,

esta franja está contenida en la placa de espesor 3 correspondiente a dicha desigualdad

Hemos respondido así al punto 2 de la SP-2

Si ahora,

consideramos los puntos del plano xy que satisfacen simultáneamente las desigualdades 2  x  5 y 1  y  4,

podemos afirmar que éstos forman un rectángulo (incluyendo las orillas y el interior) que es precisamente la intersección de las franjas en el plano xy correspondientes a cada desigualdad por separado

Presentamos enseguida la gráfica en el plano xy de este sistema de dos desigualdades

Gráficas en el espacio tridimensional

Nos preguntamos ahora por el conjunto de puntos en el espacio tridimensional que satisface el mismo sistema de dos desigualdades

Una manera de visualizar este conjunto es razonando así: si un punto del espacio con coordenadas (x,

z) satisface simultáneamente las desigualdades 2  x  5 y 1  y  4,

pertenecer a un rectángulo como el que se menciona en el párrafo anterior,

sólo que éste debe estar a la altura que indique precisamente el valor de la coordenada z del punto

Tomando cada punto del rectángulo (la gráfica de 2  x  5 y 1  y  4 en el plano xy) y “desplazándolo” verticalmente hacia arriba y hacia abajo,

formamos rectas verticales infinitas cuyos puntos satisfacen las dos desigualdades

todos los puntos del espacio tridimensional que cumplen el sistema de desigualdades dado conforman la unión de todas estas rectas

Presentamos enseguida su gráfica:

Observemos que la figura obtenida puede verse como una columna que es la intersección de dos placas de espesor 3,

una paralela al plano yz y que corresponde a la desigualdad 2  x  5,

y la otra paralela al plano xz y que corresponde a la desigualdad 1  y  4

En relación con el punto 4 de la SP-2,

donde se pide identificar en el espacio tridimensional todos los puntos que satisfacen simultáneamente las tres desigualdades 2  x  5,

1  y  4,

0  z  4,

diremos que estos puntos deben pertenecer a la figura del punto anterior,

en tanto que deben cumplir las primeras dos desigualdades

Sin embargo,

cumplir la tercera obliga a limitar las alturas de 0 a 4

esto nos conduce a afirmar que el conjunto de puntos que satisfacen simultáneamente las tres desigualdades forman una caja (incluyendo todos los lados y el interior) como la que dibujamos enseguida

Sistemas de referencia para el espacio •

Consideraciones alrededor de la Situación-Problema 2 1

Coordenadas esféricas y cilíndricas

Ya hemos mencionado que existen diversas formas para ubicar las posiciones de los puntos en el espacio según los sistemas de referencia que sean utilizados

Si la posición está dada por las distancias a tres planos perpendiculares entre sí,

estamos hablando de las coordenadas cartesianas o rectangulares

En este tipo de coordenadas las posiciones de los puntos se representan con una terna de números (x,

z) formada por las distancias a los planos de referencia escogidos

Si elegimos ahora O,

como de el punto referencia y nos fijamos en la distancia,

de los puntos del espacio a este punto,

tenemos una de las coordenadas del sistema de coordenadas esféricas

Si se consideran las posiciones de los puntos respecto a una recta fija (la llamaremos eje z),

de un punto a esa recta es una de las llamadas coordenadas cilíndricas

Podemos formar ahora ecuaciones y desigualdades en términos de las nuevas coordenadas y estudiar sus gráficas,

así como lo hemos hecho con las coordenadas cartesianas

Ya sabemos que la gráfica de la ecuación x = 1,

es un plano paralelo al yz que pasa por el punto 1 del eje x

Es un plano paralelo al plano yz y 1

Gráficas en el espacio tridimensional

¿Cuál es la gráfica de la ecuación r = 1 y cuál la de r = 1

? Los puntos del espacio que cumplen la ecuación r = 1 son aquellos que están a una distancia 1 del eje z

La gráfica de esta ecuación es una corteza cilíndrica infinita de radio 1 cuyo eje central es el eje z

Es un cilindro de radio 1 r=1

Ecuación r = 1

Los puntos del espacio que cumplen la ecuación r = 1 son aquellos cuya distancia al origen,

y forman un cascarón esférico de radio 1 y centro en O (el origen)

Es una esfera de radio 1

Notemos que un punto en el espacio no queda determinado completamente especificando el valor de la coordenada cilíndrica r

otras coordenadas tendrán que ser consideradas junto con r para formar lo que se llama sistema de coordenadas cilíndricas

De igual forma,

un valor de la coordenada esférica r no determina un punto específico en el espacio (en todo caso una superficie esférica)

más adelante estudiaremos las otras dos coordenadas que junto con r forman lo que se llama sistema de coordenadas esféricas

La elección de las coordenadas a usar depende de la forma de las figuras que aparezcan en los problemas que se consideren

Tendremos ocasión de utilizar estos tipos de coordenadas cuando estudiemos algunos aspectos del fenómeno de la electricidad y el magnetismo,

Sistemas de referencia para el espacio •

Tarea 1

UNIDAD 1 TEMA 1

Formula un sistema de coordenadas cartesianas en tu salón de clases: a) Elige una de las ventanas del salón y establece las condiciones (igualdades o desigualdades) que satisfacen simultáneamente las coordenadas de los puntos de la ventana

de tal forma que esté paralela al piso,

y establece las condiciones (igualdades o desigualdades) que satisfacen simultáneamente las coordenadas de los puntos de la hoja

c) Establece las condiciones (igualdades o desigualdades) que satisfacen simultáneamente las coordenadas de los puntos del pizarrón

Determina la ecuación de cada plano: a) Plano xy b) Plano xz c) Plano yz d') Plano paralelo al plano xy,

dos unidades arriba de él e) Plano paralelo al plano xz,

cuatro unidades adelante de él 3

Identifica todos los puntos del espacio tridimensional cuyas coordenadas cartesianas cumplen (todas) las condiciones establecidas en cada inciso

Haz un dibujo en el espacio de la región que forman estos puntos o describe cada región con tus propias palabras

a) y = 5 b) x  2 c) z  3 d) x = 1

h) 1  z  5 i) 4  y  9 j) 1  z  5

Identifica todos los puntos del espacio tridimensional cuyas coordenadas cartesianas x,

cumplen las condiciones establecidas en cada inciso

Haz un dibujo en el espacio de la región que forman estos puntos o describe cada región con tus propias palabras

Gráficas en el espacio tridimensional

l) 0  r  1 m) 3  r  4 n) 3  r  4 En los problemas 5,

Obtén una fórmula para la coordenada r en términos de las coordenadas x,

Determina el valor de z si x = 2,

Obtén una fórmula para la coordenada r en términos de las coordenadas x y y

Determina el valor de x si y = 3 y r = 5

Obtén una fórmula para la coordenada r en términos de las coordenadas r y z

Determina el valor de r si z = 4 y r = 6

Describe matemáticamente cada región sombreada del plano

Tarea 1 •

En la caja que se muestra en la figura se indican las coordenadas cartesianas de dos de sus vértices

Determina las coordenadas cartesianas de los seis vértices restantes

vértice (4,

Determina el grupo de ecuaciones o desigualdades que describe matemáticamente a tres de las caras de la caja mostrada en la figura y que se indican en los siguientes incisos: a) cara superior b) cara derecha c) cara frontal

vértice (4,

Determina el grupo de desigualdades que describe matemáticamente a la región del espacio ocupada por la caja sólida mostrada en la figura

vértice (4,

Determina el par de igualdades que satisfacen simultáneamente las coordenadas (cartesiana y cilíndrica) de los puntos de las dos rectas trazadas con línea continua en la siguiente figura

Gráficas en el espacio tridimensional

Determina el par de igualdades que satisfacen simultáneamente las coordenadas (cilíndrica y esférica) de los puntos de las dos circunferencias trazadas con línea continua en la siguiente figura

Tarea 1 •

Flujo y funciones de dos variables

El flujo es una de las dos nociones motoras cuyo estudio provoca en este libro el surgimiento de conceptos,

procesos y resultados del Cálculo (la otra noción motora es el trabajo o circulación)

El flujo puede ser considerado la razón a la que atraviesa un fluido una superficie imaginaria respecto al tiempo

se puede representar geométricamente como el volumen de un sólido,

conduce al establecimiento de la integral de superficie cuando nos enfrentamos al problema de realizar su cálculo y es indispensable al enunciar la ley de Gauss de la electricidad

En este tema utilizaremos la noción de flujo como un medio para construir el concepto de función de dos variables y visualizar una superficie como su representación gráfica

al mismo tiempo que hacemos surgir un nuevo concepto,

nos vamos familiarizando con una de las nociones más importantes de la Física

Empecemos con la siguiente situación-problema

Situación-Problema 3 (SP-3) Imaginemos una compuerta en el piso del salón de clases y que por cada punto de ella fluye agua al interior del salón en forma perpendicular al piso y con rapidez constante de 3 m/s

Los puntos de la compuerta satisfacen las desigualdades: 1 ) x ) 5 y 2 ) y 4

En la figura siguiente dibuja la compuerta

En cada una de las esquinas de la compuerta dibuja un vector que represente la velocidad del agua de acuerdo con las características descritas al principio de la situaciónproblema

Este vector se llama vector velocidad

Si colocáramos el vector velocidad en todos los puntos de la compuerta,

¿qué figura se formaría

Gráficas en el espacio tridimensional

¿Qué volumen de agua fluye por segundo a través de la compuerta

¿Qué relación tiene este volumen con el de la figura del punto 3

Calcula el volumen de agua que fluye a través de la compuerta durante 5 segundos

¿Qué tipo de figura te imaginas que tenga el mismo volumen que el calculado en el punto anterior

? Discusión de la Situación-Problema 3 El dibujo de la compuerta se muestra a continuación

Como el agua fluye de manera perpendicular al piso (donde está la compuerta),

el vector que se pide dibujar en cada esquina de la compuerta (que será idéntico para cualquier otro punto de ella,

ya que el comportamiento del agua es el mismo para todos los puntos) debe ser perpendicular al plano xy (donde está el piso y la compuerta) y,

lleva la misma inclinación que la recta correspondiente al eje z (porque ésta también es perpendicular al plano xy)

Decir que el agua fluye al interior del salón hace que el vector que se pide dibujar vaya en dirección del eje z positivo

Finalmente,

el hecho de que la rapidez del agua sea de 3m/s hace que los vectores que se pidan sean de magnitud 3

Tenemos así la siguiente figura que contiene los cuatro vectores velocidad en las esquinas de la compuerta

Flujo y funciones de dos variables •

Si colocáramos en cada punto de la compuerta el vector velocidad correspondiente,

tendríamos una caja rectangular rellena

La altura de esta caja correspondería a la magnitud del vector velocidad,

La cantidad de agua que fluye hacia el interior del salón en un segundo a través de la compuerta equivale al volumen de la caja que se menciona en el párrafo anterior

Este volumen es de 24 m3 (donde las distancias en x y en y se miden en metros)

Al ser constante el ritmo con el que el agua fluye hacia el interior del salón,

24 m3/s,

en 5 segundos el volumen de agua que fluye a través de la compuerta es de 120 m3

Este volumen corresponde al de una caja de altura de 15 m (la distancia recorrida por cada partícula de agua,

imaginándolas viajando en línea recta a 3 m3/s) con una base de 8 m2

Consideraciones alrededor de la Situación-Problema 3    1

Vectores unitarios i,

y k El  vector velocidad de la SP-3 se representa matemáticamente como v = 3 k ,

donde k es un vector unitario (de  al plano xy y en dirección del  magnitud 1) perpendicular eje z positivo

El vector junto con los vectores (unitario y en dirección del eje x k i  positivo) y j (unitario y en dirección del eje y positivo) forman una base,

en el sentido de que cualquier vector (en coordenadas cartesianas) puede expresarse como una combinación lineal de éstos

Es necesario señalar que cuando en la SP-3 se dice al principio “…el agua fluye al interior del salón…”,

se está haciendo explícita una dirección del fluido

Es conveniente identificar como flujo a la cantidad de agua que atraviesa la compuerta (en este caso) por unidad de tiempo,

si el fluido se mueve en la misma dirección que la dirección dada,

En la SP-3 podemos decir que el flujo de agua (en dirección hacia el interior del salón) es de 24 m3/s: (positivo,

ya que el agua va en esa misma dirección)

Podemos establecer la siguiente fórmula para calcular el flujo cuando la velocidad del fluido es constante y atraviesa perpendicularmente una superficie plana,

como es el caso de la SP-3: f lujo ( (magnitud de la velocidad) = (área de la superf icie) 3

Campo vectorial

Cuando a cada punto del espacio se le asocia un vector se dice que se tiene un campo vectorial (si estos vectores representan,

se tiene un campo de velocidades)

Los campos vectoriales pueden ayudarnos a estudiar el comportamiento de un fluido

En la SP-3 hemos considerado un campo de velocidades constante y definido solamente en los puntos de un rectángulo en el plano xy

En general,

un vector puede variar de punto en punto en el espacio

para indicar un vector correspondiente a un punto en el espacio con coordenadas (x,

z) utilizamos la notación: v ( x ,

Si escribimos,

z ) = x 2 yi + xzj + y 2 zk estamos dando una fórmula para asignar vectores a puntos específicos del espacio (de hecho,

estamos frente a lo que se llama función vectorial)

Si consideramos el punto del espacio con coordenadas x  1,

de acuerdo con la fórmula dada,

0 ) = 2 i

Situación-Problema 4 (SP-4) Consideremos la compuerta descrita por las siguientes expresiones: 2 ) x ) 5,

y de nueva cuenta supongamos que el agua fluye a través de la compuerta,

pero ahora con una velocidad dada por la fórmula v( x ,

Gráficas en el espacio tridimensional

¿Fluye el agua con la misma velocidad en cada punto de la compuerta

Dibuja en la figura de arriba la compuerta y los vectores de velocidad correspondientes a las esquinas

Dibuja la figura que se formaría si colocáramos los vectores de velocidad correspondientes a todos los puntos de la compuerta

Calcula el volumen de la figura del inciso 3

¿Cuál es el flujo de agua a través de la compuerta en dirección del eje z positivo (o al interior del salón)

? ¿Qué relación tiene el flujo con el volumen de la figura del inciso 3

¿Qué tipo de figura se forma si consideramos sólo las puntas de todos los vectores de velocidad sobre la compuerta

? Discusión de la Situación-Problema 4 Observemos que la velocidad del agua depende de la coordenada y del punto de la compuerta y que,

no depende de las otras dos coordenadas

Esto hace que en los puntos que tengan la misma y,

Definitivamente el agua no fluye con velocidad idéntica en cada punto de la compuerta,

porque hay puntos de ella con diferente coordenada y

La siguiente figura muestra los vectores correspondientes a las cuatro esquinas de la compuerta

Flujo y funciones de dos variables •

Si colocáramos los vectores de velocidad correspondientes a todos los puntos de la compuerta tendríamos una especie de caja,

como muestra la siguiente figura

Observemos que las caras izquierda y derecha son rectángulos de altura 1 y 5,

ya que en la orilla izquierda de la compuerta todos los puntos tienen coordenada y igual a 1,

mientras que en la orilla derecha esta coordenada es 5

Tanto en la orilla de atrás como en la de enfrente,

las alturas varían (uniformemente) de 1 a 5 en relación con el cambio en y,

avanzando de izquierda a derecha

en cada línea de la compuerta paralela a la de enfrente (o la de atrás) las alturas llevan el mismo comportamiento que en estas orillas,

esto es porque las alturas no dependen de x

Observemos además que para líneas de la compuerta paralelas a la orilla derecha (o izquierda) las alturas permanecen constantes porque el valor de la coordenada y no cambia

El volumen de esta figura puede calcularse de diferentes maneras,

por ejemplo: a) Se completa una caja de altura 5 y se observa que la figura original tiene en su parte inferior una caja de altura 1

se puede realizar entonces la siguiente operación: al volumen de la caja mayor (CM) se le resta el volumen de la caja menor (Cm),

la diferencia se divide entre dos y se agrega el volumen de la caja menor

El resultado que se obtiene es V =

Gráficas en el espacio tridimensional

b) Podemos calcular el área de la cara frontal (o la de atrás,

que vale lo mismo) y multiplicar por el fondo

Haz los cálculos y verifica que se obtiene el mismo resultado que en el inciso a)

¿Se obtendría el mismo resultado si tomáramos el área de la cara izquierda o la derecha y multiplicáramos por el fondo

? c) Si cortamos la caja con un plano paralelo al xz para algún valor de y entre 1 y 5 (ve la figura) la región del corte es un rectángulo con base 3 y altura y,

su área es A(y)  3y (dependiendo del valor que tome y)

Si multiplicamos esta área por dy formamos un diferencial de volumen de la caja (una “rebanada” de anchura infinitesimal) dV = A( y)dy = 3 ydy :

Al sumar todos estos diferenciales de volumen desde y  1 hasta y  5 se tiene de nuevo el volumen de la caja

el volumen es la siguiente integral: V=∫

3 ydy y=5

⎡3 ⎤ 75 3 Integrando y evaluando tenemos que V = ⎢ y 2 ⎥ = − = 36

Un argumento a favor de esta afirmación es el siguiente: fijemos un tiempo e imaginemos todas las gotas de agua que están (en su flujo) exactamente en la compuerta (llamémoslas primeras gotas) en ese tiempo

Después de un segundo,

cada una de ellas recorrerá una distancia igual a la magnitud de su velocidad (suponiendo que la velocidad en cada punto es constante en el tiempo,

aunque de punto a punto puede cambiar según la fórmula del campo de velocidades)

Podemos entonces concluir que por cada punto de la compuerta,

el agua que fluye durante el segundo dado podría formar una columna encabezada por la primera gota,

de altura igual a la magnitud de la velocidad correspondiente al punto de ubicación de esa gota

Todas las columnas de agua pueden visualizarse como los vectores velocidad colocados en los puntos de la compuerta

Así que el espacio que llenan todos los vectores es el mismo que llenan todas las columnas de agua

Dado que el flujo es la cantidad de agua que atraviesa la compuerta (en la dirección dicha) en una unidad de tiempo,

este flujo coincide con el volumen de la caja

Flujo y funciones de dos variables •

Por supuesto que existe una gran diferencia entre las magnitudes de flujo y volumen: la segunda siempre es positiva,

mientras que la primera puede también ser negativa como ya habíamos visto

Respecto al último punto de la SP-4,

donde se nos pregunta por la figura que se formaría si consideramos sólo las puntas de todos los vectores velocidad,

podemos servirnos de nueva cuenta de la imagen de las (primeras) gotas de agua que en un momento dado están exactamente en la compuerta

podemos imaginarlas ocupando las puntas de las flechas o vectores velocidad

De esta manera,

la figura que se forma considerando sólo las puntas de los vectores velocidad puede visualizarse como una película (formada por gotas de agua),

capa o superficie que corresponde a la cubierta superior de la caja que habíamos dibujado cuando consideramos a la vez todos los vectores velocidad

Consideraciones alrededor de la Situación-Problema 4 1

Función de dos variables,

es un caso particular El campo de velocidades considerado en la SP-4,

y) representa un número (variable) asociado con el punto del plano xy con coordenadas (x,

En el caso particular de   v( x ,

el vector dado por la fórmula v( x ,

y)k es perpendicular al  plano xy (esto es debido a la presencia del vector k)

va hacia arriba o hacia abajo dependiendo del signo que adquiera f (x,

y) (de acuerdo precisamente con los valores   que se elijan de x y de y)

La magnitud de v( x ,

y)k es el valor absoluto del número f (x,

Escribimos la expresión z  f (x,

y) para hablar de una función de dos variables

Los valores de z dependen,

Más precisamente: cualesquier dos valores precisos de x y de y determinan un único valor de z

La totalidad de puntos en el espacio con coordenadas (x,

forman una superficie que corresponde a la gráfica de la función z  f (x,

En el caso particular de la SP-4,

la gráfica de la función z  f (x,

o simplemente de la ecuación z  y,

del que se ha dibujado la parte correspondiente a los valores de x y de y de la compuerta

v) = v sobre la compuerta de la SP-4

Gráficas en el espacio tridimensional

Gráfica de una función de dos variables,

Con la idea de ir perfilando una manera de visualizar la gráfica de una función z  f (x,

y) en general y que abordaremos con mayor amplitud en el Tema 4 de esta unidad,

conviene hacer una serie de reflexiones sobre la gráfica de la función z  f (x,

Tomemos la ecuación z  y

Para identificar su gráfica es necesario reconocerla como una colección de parejas del estilo (y,

En el primer caso,

la gráfica está en el plano yz,

mientras que en el segundo la gráfica está en el espacio tridimensional

Las gráficas correspondientes,

aunque estrechamente relacionadas

En el primer caso la gráfica es una recta

Si nos ubicamos en el plano yz,

la gráfica de la ecuación z  y,

z) donde se cumple que z  y forman una recta:

(-1,-1)

Gráfica de z = y en el plano yz

Si nos ubicamos ahora en el espacio tridimensional,

la gráfica de z  y está formada por la colección de ternas (o tripletas) (x,

z) para las que se cumple que z  y

Agreguemos al plano yz el eje x

en el plano yz dibujemos la recta anterior

x Gráfica de la recta z = y en el plano yz colocado en el espacio tridimensional

Flujo y funciones de dos variables •

Observemos que los puntos indicados de la recta se representan con tres números,

que corresponde a la coordenada x,

Esta recta no es la gráfica de la ecuación z  y en el espacio tridimensional,

pues aunque los puntos en ella cumplen que z  y,

no están todos los puntos con coordenadas (x,

z) que cumplen con la ecuación

tomemos como ejemplo los puntos con coordenadas (1,

2) o (5,

Ahora bien,

aunque la recta no es la gráfica en el espacio tridimensional,

es fundamental para visualizarla

Como se debe cumplir que z  y,

no importa en realidad el valor de x (la primera coordenada) para asegurar que un punto esté en la gráfica tridimensional,

basta que las otras dos coordenadas sean iguales

si tomáramos z  3 y formáramos todas las ternas con esta x y las otras dos coordenadas iguales,

los puntos correspondientes forman parte de la gráfica

los puntos con coordenadas (3,