Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
1
Integrales dobles
2
Integrales triples
3
Cambios de variable
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles y triples
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
´ R: rectangulo R = [a, b] × [c, d] f : R → R: campo escalar e dos variables. Si f es continua en R ⇒ fx : [c, d] → R y fy : [a, b] → R son funciones ´ continuas en su dominio de definicion. ´ ambas son funciones reales de una variable real continuas y, Ademas, por tanto, integrables Riemann.
f (x, y) dxdy
Podemos definir: b
Z F
:
[c, d] → R, F (y) =
Z
d
Z :
R
b
fy (s) ds =
f (s, y ) ds
a
G
[a, b] → R, G (x) =
Z
a d
fx (t) dt = c
f (x, t) dt c
Tanto F como G son, a su vez, funciones continuas y, por lo tanto, pueden volver a integrarse. De esta forma, podemos definir las integrales reiteradas: Z d Z d Z b Z d Z b IR1 = F (y ) dy = fy (s) ds dy = f (s, y ) ds dy c
Z IR2
c b
a b
Z
d
Z
G (x) dx =
= a
Teorema Si f : R → R es continua en R = [a, b] × [c, d], entonces ´ en este caso su valor comun IR1 = IR2 y, ademas, ´ se representa como Z Z
Z
c b
a d
Z
fx (t) dt dx = a
c
f (x, t) dt dx
a
c
Si f es un campo escalar continuo de dos variables con f (x, y ) ≥ 0 para todo punto (x, y) perteneciente a un ´ rectangulo R entonces Z Z f (x, y) dxdy R
´ ´ representa el volumen del solido comprendido bajo la grafica ´ R. de z = f (x, y) y sobre la region
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Ejemplo ´ comprendida bajo la grafica ´ Calcula el volumen de la region de ´ f (x, y ) = x 2 + y 3 y sobre el rectangulo R = [0, 1] × [2, 3]
RR Puede calcularse el volumen V = R f (x, y ) dxdy de dos formas: # # Z 3 "Z 1 Z 3 "Z 1 V = f (x, y ) dx dy = x 2 + y 3 dx dy 2
0
2
0
o bien Z
1
"Z
V =
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales sobre regiones simples f : A → R donde: n o A = (x, y ) ∈ R2 : a ≤ x ≤ b, f1 (x) ≤ y ≤ f2 (x) En este caso:
Z Z f (x, y ) dxdy A
´ ´ representa el volumen del solido comprendido bajo la grafica de z = f (x, y ) ´ A y se calcula: y sobre la region # Z Z Z b "Z f2 (x) f (x, y ) dxdy = f (x, y) dy dx A
a
f1 (x)
Integrales dobles
#
Z
1
"Z
f (x, y ) dy dx = 0
Integrales dobles
3
2
0
Integrales triples
3
#
x 2 + y 3 dy dx
2
Cambios de variable
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales sobre regiones simples f : A → R donde: n o A = (x, y ) ∈ R2 : g1 (y ) ≤ x ≤ g2 (y) , c ≤ y ≤ d En este caso:
Z Z f (x, y ) dxdy A
´ ´ representa el volumen del solido comprendido bajo la grafica de z = f (x, y ) ´ A y se calcula: y sobre la region # Z Z Z d "Z g2 (y ) f (x, y ) dxdy = f (x, y) dx dy A
c
Integrales dobles
g1 (y )
Integrales triples
Cambios de variable
RR ´ del plano EJEMPLO: Calcula la integral (xy) dxdy siendo A la region A comprendida entre y = x, xy = 1, y = 2
´ ´ Calculo de areas con integrales dobles
´ Tomando f (x, y ) = 1 la expresion Z Z 1dxdy A
´ ´ del plano A. representa el area de la region A=
1 (x, y) : 1 ≤ y ≤ 2, ≤x ≤y y
´ Ejemplo: Area de un c´ırculo de radio r .
o bien
1 1 A = (x, y ) : ≤ x ≤ 1, ≤ y ≤ 2 ∪ {(x, y) : 1 ≤ x ≤ 2, x ≤ y ≤ 2} 2 x Dos posibilidades para calcular el volumen: Z 2
Z Z V =
(xy ) dxdy = A
1
Z y (xy) dx dy, 1 y
Z 1 "Z 2
Z Z V =
(xy ) dxdy = A
1 2
1 x
#
Z 2 Z 2
(xy ) dy dx+ 1
x
(xy) dy dx
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
´ Calculo de volumenes ´ con integrales triples
1
Todo lo anterior puede extenderse sin dificultad a funciones de tres variables f : [a, b] × [c, d] × [r , s] → R para obtener la integral triple Z Z Z f (x, y , z) dxdydz
Integrales dobles
A
2
Integrales triples
´ general, el campo escalar f no estara´ definida en En el caso mas ´ del plano A dada por: [a, b] × [c, d] × [r , s], sino en una region o n A = (x, y , z) ∈ R3 : a ≤ x ≤ b, g1 (x) ≤ y ≤ g2 (x) , h1 (x, y ) ≤ z ≤ h2 (x, y )
3
Cambios de variable
en este caso, Z Z Z
b
Z
"Z
g2 (x)
"Z
h2 (x,y )
f (x, y , z) dxdydz = A
#
#
f (x, y , z) dz dy dx a
g1 (x)
h1 (x,y)
´ A es suficiente tomar f (x, y , z) = 1 Para calcular el volumen de la region
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
Ejemplo ´ encerrada por la superficie Calcula el volumen V de la region 2 2 z = 4 − x − y y los planos z = 0, x + y = 2, x = 0, y = 0
Z
2
"Z
2−x
"Z
V =
4−x 2 −y 2
#
#
dz dy dx 0
0
0
1
Integrales dobles
2
Integrales triples
3
Cambios de variable
Integrales triples
Cambios de variable
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
´ de cambio de coordenadas Definicion
Integrales dobles
Integrales triples
Coordenadas polares ´ en coordenadas polares es util ´ A es una La transformacion ´ cuando la region ´ de c´ırculo o circunferencia y viene dada por circunferencia, c´ırculo o porcion ´ la siguiente relacion:
´ g : R → Rn se llama cambio de Sea R un conjunto Rn . Una funcion coordenadas en A si verifica: 1
g tiene derivadas parciales continuas en el interior de R
x
=
r cos θ
2
g es inyectiva en R
y
=
r sin θ
3
g(R) = A
r
≥
0, 0 ≤ θ ≤ 2π
4
Cambios de variable
∂(x,y) ∂(u,v )
det(Jg (x)) 6= 0 para todo x del interior de R.
Fijemos un cambio de variable (en 2 variables) g(u, v ) = (x(u, v ), y(u, v )): ´ Notacion: ∂x ∂x ∂ (x, y ) ∂v = det(Jg (u, v )) = det ∂u ∂y ∂y ∂ (u, v ) ∂u ∂v
representa el determinante de la matriz Jacobiana, ∂x ∂x ∂ (x, y ) cos θ −r sin θ ∂v = det ∂u = det =r ∂y ∂y sin θ r cos θ ∂ (u, v ) ∂u ∂v
Cambio de coordenadas: Z Z Z Z ∂ (x, y ) dudv f (x, y ) dxdy = (f ◦ g) (u, v ) ∂ (u, v ) A R Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
Coordenadas el´ıpticas
x
= ar cos θ
∂x ∂u ∂y ∂u
y
= br sin θ
r
≥ 0, 0 ≤ θ ≤ 2π
∂x ∂v ∂y ∂v
Cambios de variable
= det
a cos θ −ra sin θ b sin θ rb cos θ
´ en coordenadas cil´ındricas viene dada por La transformacion Φ (r , θ, z) = (r cos θ, r sin θ, z):
en este caso
∂(x,y,z) ∂(r ,θ,z)
x
=
r cos θ
y
=
r sin θ
z
=
z
representa el determinante de la matriz Jacobiana, ∂x ∂x ∂x cos θ r sin θ 0 ∂r ∂θ ∂z ∂ (x, y , z) ∂y ∂y = det ∂y = det sin θ r cos θ 0 = r ∂r ∂θ ∂z ∂ (r , θ, z) ∂z ∂z ∂z 0 0 1 ∂r ∂θ ∂z
En este caso,
Integrales triples
Coordenadas cil´ındricas
´ en coordenadas polares es util La transformacion ´ cuando la ´ A es una elipse o porcion ´ de elipse, con ecuacion ´ en region y2 x2 ´ forma canonica + b2 = 1, y viene dada por la siguiente a2 ´ relacion:
∂ (x, y ) = det ∂ (u, v )
Integrales dobles
= rab
Integrales dobles
Integrales triples
Cambios de variable
´ Coordenadas esfericas ´ en coordenadas esfericas ´ La transformacion viene dada por Φ (r , ϕ, θ) = (r sin ϕ cos θ, r sin ϕ sin θ, r cos ϕ):
en este ∂ (x, y , z)
∂(x,y ,z) caso ∂(r ,ϕ,θ)
= det ∂ (r , ϕ, θ)
∂x ∂r ∂y ∂r ∂z ∂r
x
=
r sin ϕ cos θ
y
=
r sin ϕ sin θ
z
=
r cos ϕ
representa el determinante de la matriz Jacobiana, ∂x ∂ϕ ∂y ∂ϕ ∂z ∂ϕ
∂x ∂θ ∂y ∂θ ∂z ∂θ
sin ϕ cos θ = det sin ϕ sin θ cos ϕ
r cos ϕ cos θ r cos ϕ sin θ −r sin ϕ
−r sin ϕ sin θ r sin ϕ cos θ = r 2 sin ϕ 0