DERIVADA DE FUNCIONES VECTORIALES.
La derivada de f(t) se define como:
Reglas de Derivación.
Sean funciones vectoriales y una función escalar
1)
2)
3)
Escalar
4)
Vector
5)
6)
7) Regla de la cadena
Ejemplo:
; donde a y b son vectores constantes, satisfacen la ecuación
Resolviendo:
Reemplazando:
INTERPRETACION GEOMETRICA DE LA DERIVADA.
La derivada de una función vectorial en un punto es, el vector tangente a la curva en dicho punto.
Si t es el tiempo f(t) representa una trayectoria f`(t) será la velocidad instantánea
DERIVADAS DE ORDEN SUPERIOR.
Las derivadas de orden superior de una función vectorial, se define en forma similar a la de un valor escalar de una sola variable.
Ejemplo:
Hallar: luego calcular
Calculamos:
Por otro lado;
LONGITUD DE CURVA.
Si Una curva en el espacio esta representada por, f(t) para un intervalo entonces la longitud de la curva L esta dad por la siguiente expresión:
Multiplicado por
ds es diferencial de arco
Ecuaciones parametricas
La longitud de arco S(t) es una función de la variable escalar t desde un punto fijo hasta t
Ejemplo:
Encontrar en el intervalo
Si
Vector tangente unitario
CURVATURA.
El vector unitario normal se define como:
Donde K es la curvatura
Radio de curvatura
TORSION.
La torsión de una curva C se define como:
Y el radio de torsión
COMPONENTE NORMAL Y TANGENCIAL DE LA ACELERACION.
La rapidez v(t) de una partícula en el instante t es la magnitud del vector velocidad , si S es el arco que mide la distancia de la partícula desde su punto de partida sobre un camino C desde su partida.
TRIEDRO MOVIL.
Formulas de Frenet
CAPITULO II: FUNCIONES VECTORIALES DE VARIABLE VECTORIAL
DEFINICION Y NOTACION.
Una función vectorial es una regla que a cada vector de Rn le asigna como imagen otro vector de Rm.
Ejemplo:
Ejemplo:
Hallar el dominio para la siguiente función vectorial
- No debe existir la división por cero
- No se admite raíces complejas
- No se admiten logaritmos complejos
CONJUNTO DE NIVEL.
Sea una de Rn en R se denomina conjunto de nivel c es constante.
Cuando n = 2 hablamos de una curva de nivel
Cuando n = 3 hablamos de una superficie de nivel
Si
LIacute;MITES Y CONTINUIDAD.
Si se dice que D es un conjunto abierto si para todo esfera contenida en D
Se dice que un conjunto n si su complemento
Ejemplo:
Dado un punto D se llama punto frontera al punto para el cual cualquier esfera contiene puntos del conjunto y puntos que no están en el conjunto.
LIMITE
Condiciones para que exista limite
Propiedades.
a)
b)
c)
Se dice que una función vectorial es continua si
DERIVADAS PARCIALES.
La derivada parcial fu de con respecto a u se define mediante la siguiente notación
Propiedades.
y son funciones vectoriales, es función escalar
1)
2)
3)
4)
Ejemplo:
Hallar
DERIVADA DIRECCIONAL Y GRADIENTE.
Sea f una función escalar, una función definida en el conjunto abierto de un punto de D se define la derivada de la función f en , en la dirección del vector unitario denotado por:
Se puede interpretar la derivada de una función de 2 variables
En un punto x0 y y0 que pertenece a D ahora (x0,x0) = (0,0), sea
El vector unitario en la dirección del cual calculamos la derivada de la función en el origen, consideremos el plano , este es un plano perpendicular al plano, z = 0 que contiene al vector unitario .
La intersección de este plano con la superficie z = f(x,y) nos determina una curva en el espacio.
La derivada direccional de f(0,0) en la dirección del vector unitario es la pendiente de la recta tangente a esa curva en el punto (0,0)
Ejemplo:
Calcular la derivada direccional para:
Gradiente
El gradiente de una función escalar es un vector
“” Operador Nabla
Ejemplo.
Hallar el gradiente de en el punto
TEOREMAS Y PROPIEDADES.
Sea f y g dos funciones esclares y c una constante
1)
2)
3)
4)
INTERPRETACION GEOMETRICA DEL GRADIENTE.
Sea f : una interpretación del gradiente cuando la f(x) = c, f(x,y,z) = c, c es una constante, entonces el gradiente es normal a la superficie.
Diferencia total de f
Ahora una C en el espacio esta representada por el
Teorema
Si f tiene se cumple que la derivada direccional va a estar dada por:
Teorema
El valor máximo de la derivada direccional es igual al modulo del gradiente
Teorema
DIVERGENCIA.
Sea
Donde f1, f2, f3 son funciones escalares
La divergencia será el producto:
PROPIEDADES DE LA DIVERGENCIA.
Sea y dos funciones vectoriales y una función escalar
1)
2)
3)
Ejemplo:
Si Calcular la divergencia
Ejemplo:
Hallar la divergencia de
ROTACIONAL.
Si una función vectorial si es una función escalar con segundas derivadas parciales.
Donde:
rotacional de
PROPIEDADES.
1)
2)
3)
Demostrar que:
OPERADOR DE LAPLACE.
La divergencia del gradiente se expresa como:
Laplaciano
Se dice que una función escalar es armónica si es continua tiene segundas derivadas parciales continuas y satisface la ecuación de Laplace.
es armónico
Demostrar que es armónico:
Operaciones con el y algunas identidades vectoriales.
1)
2)
3)
4)
CAPITULO III: INTEGRACION VECTORIAL
INTRODUCCION.
Una curva C en el intervalo de se representa mediante la función vectorial:
Vector posición
Vector desplazamiento
INTEGRALES DE LINEA.
– función escalar
– función vectorial
– función vectorial
También tenemos:
Ejemplo:
La curva esta dada por. desde t = 0 hasta t = 1
INDEPENDENCIA DE LA TRAYECTORIA.
La integral de línea es independiente de la trayectoria de integración desde el punto P hasta el punto Q si el campo vectorial satisface la ecuación donde es una función escalar continua o función potencial.
Si
es un vector unitario tangente en cualquier dirección.
También se cumplirá que:
En
Funciones escalares
INTEGRALES DE LINEA RESPECTO AL ARCO.
donde función escalar; ds diferencial de arco
Ejemplo:
Hallar donde en la curva C:
Reemplazando
Por lo tanto
APLICACIÓN DE LAS INTEGRALES CURVILINEAS.
Sea donde es la densidad lineal de un punto variable (x,y,z) de la curva C
Entonces la masa de la curva C es igual a:
Las coordenadas del centro de gravedad están dadas por: de esta curva y se expresan de la siguiente manera:
TRABAJO.
El trabajo realizado para mover una partícula a lo largo de una curva C desde el punto 1 hasta el punto 2.
Se define mediante la integral de línea:
Si
Ejemplo:
Demostrar para una masa constante m el trabajo para ir del punto 1 al punto 2 esta dado por:
Si
SUPERFICIE PARAMETRIZADA.
Una superficie puede representarse también mediante ecuaciones parametricas
También una superficie se representa por:
Si v = Cte se vuelve una expresión paramétrica de un solo parámetro que describe una curva en el espacio a lo largo de la cual solamente varia u estas curvas se describen con v = Cte.
De modo similar v varía cuando u = Cte
El lugar geométrico u = Cte y v = Cte, se denomina superficie:
Ejemplo:
Parametrizada es:
Es una esfera completa:
Si la superficie esta definida en el punto si el producto vectorial:
El plano tangente de la superficie en es el plano cuya normal es igual a:
Entonces el plano tangente esta dado por la normal
AREA DE UNA SUPERFICIE PARAMETRIZADA.
El elemento diferencial de superficie de un vector esta dado por
(*) en (1)
El área de una superficie paramentrica será integrando la ecuación (2)
INTEGRALES DE SUPERFICIE DE FUNCIONES ESCALARES.
Se consideran las siguientes integrales
a) b)
donde es una función escalar
METODO DE INTEGRACION DE COORDENADAS CILINDRICAS EN LAS SUPERFICIES.
Cuando se trabaja con cilindros, se puede facilitar el cálculo de las integrales de superficie mediante la introducción de coordenadas cilíndricas.
APLICACIONES FISICAS.
Las integrales de superficie se usan para calcular centros de masa, momentos de inercia y campos electromagnéticos de placas curvilíneas delgadas.
Centros de Masa.
Donde es la densidad y M es la masa
OTRAS EXPRESIONES DE INTEGRALES DE SUPERFICIE.
Donde es la proyección de S respecto al plano xy
INTEGRALES DE SUPERFICIE DE FUNCIONES VECTORIALES.
Definiendo las integrales de funciones vectoriales sobre superficies tenemos: Sea la función vectorial definida sobre una superficie la cual esta parametrizada mediante el vector de posición:
Escalar
Vectorial
Ejemplo:
Hallar el flujo a través de la superficie de la esfera
INTEGRALES DE VOLUMEN.
El dV esta dado por dV = dxdydz las integrales de volumen que se consideran en este capitulo son:
Escalares
Vectorial
Ejemplo:
Si y R es la región que representa un volumen V
CAPITULO IV: TEOREMAS DE INTEGRACION
INTRODUCCION.
En el capitulo anterior se estudio el calculo vectorial, en el presente capitulo se estudiaran los siguientes teoremas de integración vectorial.
i) Teorema de Green
ii) Teorema de Gauss
iii) Teorema de Stokes
TEOREMA DE GREEN.
Considerado una función vectorial
Donde
Siempre y cuando P y Q son continuas en una región R además existen sus 1ª derivadas parciales.
Mediante la aplicación del teorema de Green se podrá determinar el área de algunas figuras planas.
Demostración:
Por otro lado:
Demostramos que:
El Teorema de Green puede expresarse en forma vectorial de la siguiente manera:
TEOREMA DE LA DIVERGENCIA EN EL PLANO.
También se conoce como teorema de la divergencia y se expresa:
Ejemplo:
Por otro lado:
TEOREMA DE STOKES.
El teorema de Stokes establece que si S es una superficie limitada por una curva cerrada C y es una función vectorial que tiene 1ª derivadas parciales continuas sobre una superficie S y la curva C.
Entonces se puede expresar que integral de línea: Circulación de
Flujo del rotacional a través de S
Interpretación física:
Establece que la circulación total alrededor de una curva C es igual al flujo del rotacional
En coordenadas rectangulares el teorema de Stokes esta dado por:
Por otro lado:
Por lo tanto:
TEOREMA DE GAUSS O TEOREMA DE LA DIVERGENCIA.
La definición de divergencia esta dada como:
El teorema de la divergencia o Gauss es una definición de una generación.
Por lo tanto:
Ejemplo:
Por divergencia:
TRANFORMACION DE INTEGRALES DE VOLUMEN A INTEGRALES DE SUPERFICIE.
- Teorema de Gauss.
El teorema de Gauss representa una transformación de una integral de volumen a una integral de superficie.
- Teorema del Gradiente.
Expresa que la función es una función escalar continua en una región R limitada por una superficie S. Se tiene:
- Teorema del rotacional.
Expresa que si es una función vectorial continúa en una región R limitada por una superficie S.
CAPITULO V: COORDENADAS CURVILINEAS
INTRODUCCION.
Ejemplo:
Si donde y esta expresado en coordenadas esféricas
COORDENADAS CURVILINEAS.
Llamamos superficies coordenadas cuando:
La intersección entre estas superficies coordenadas se conoce como líneas coordenadas
Líneas coordenadas
Vectores unitarios normales
Vectores unitarios tangentes
Las ecuaciones que relacionan los sistemas coordenados y curvilíneos son:
Vectores unitarios tangenciales
Vectores unitarios tangenciales
Vectores unitarios normales
BASES.
Sistema coordenado
En el sistema coordenado cartesiano se considera como base a los vectores unitarios
En coordenadas cilíndricas se considera vectores base a vectores unitarios tangenciales y normales
factores de escala
Las ternas de vectores y constituyen un conjunto reciproco de vectores
COORDENADAS CURVILINEAS ORTOGONALES.
ELEMENTO DIFERENCIAL DE ARCO.
ELEMENTO DIFERENCIAL DE VOLUMEN.
GRADIENTE.
DIVERGENCIA.
Si
ROTACIONAL.
LAPLACIANO EN COORDENADAS CURVILINEAS ORTOGONALES.
COORDENADAS CILINDRICAS.
Vectores unitarios Tangenciales
Vectores Unitarios Normales
Para
Gradiente
Divergencia
CAPITULO VI: ANALISIS TENSORIAL
El análisis tensorial se centra en el estudio de entes abstractos llamados “tensores”, cuyas propiedades son independientes de los sistemas de referencia empleados para determinarlos. Un Tensor esta representado por un sistema de referencia, mediante un conjunto de funciones llamadas componentes igual que u vector esta determinado mediante sus componentes dadas. El que un conjunto dado represente un Tensor depende de la ley de transformación de estas funciones de un sistema coordenado a otro.
Cuando nuestro estudio se restringe a transformaciones de un sistema de coordenadas homogéneas a otro, los tensores que interviene son denominados tensores cartesianos.
Los tensores se clasifican por su orden según la forma particular a la ley de transformación que obedecen, esta misma clasificación se refleja en el número de componentes que posee un tensor dado en un espacio n-dimensional.
Así en un espacio euclidiano tridimensional tal como un espacio físico ordinario el número de componentes de un tensor es igual a Donde n es el orden del tensor.
Si n es igual a cero tenemos Escalar
Si n es igual a uno tenemos Vector
Si n es igual a dos tenemos Díada
Si n es igual a tres tenemos Triada
DIADAS Y DIADICAS.
DIADA.
Es el producto indeterminado de dos vectores
El producto indeterminado de vectores `por lo general no es conmutativo.
Al primer vector de una Díada se denomina antecedente y al segundo vector se denomina consecuente.
DIADICA.
Una Diádica (D) equivale a un tensor de segundo orden y siempre se representa por una suma finita de Díadas.
(1)
Si en cada Díada de D se intercambian los antecedentes y consecuentes la Diádica resultante se denomina Diádica conjugada y se denota como DC
Si cada Díada en (1) se reemplaza por un producto escalar de vectores, se llama escalar de la diádica y se denota por DS :
Escalar
Si cada díada en (1) se sustituye por un producto vectorial de vectores el resultado se denomina vector de la diádica y se denota de esta manera:
Vector
PROPIEDADES DEL PRODUCTO INDETERMINADO DE VECTORES.
Estas obedecen a las leyes distributivas que son las siguientes:
MULTIPLICACION DE UNA DIADICA POR UN VECTOR.
Si es un vector cualquiera los productos escalares y son los vectores definidos respectivamente.
Vectores
Diádicas
DIADICA UNITARIA.
Se representa por la letra I
Vectores unitarios
Coordenadas rectangulares.
Coordenadas cilíndricas.
Coordenadas esféricas.
Se cumple que:
PROPIEDADES DE DIADAS.
Definiendo las siguientes Díadas y
Escalar
Vectores
Díada
Se dice que una diádica D es auto conjugada o simétrica si:
Se dice que una diádica es antisimetrica si:
Cada diádica puede ser expresada únicamente como la suma de una diádica simétrica y otra antisimetrica
CONVENIO DE SUMA DE INDICES REPETIDOS.
Cuando algunas sumatorias tenemos:
Las sumas anteriores se pueden representar o escribir en una forma mas abreviada adaptando el convenio de que cuando se aparece un índice repetido ha de entenderse una suma respecto del mismo desde el valor 1 hasta el valor N a esto se conoce como el convenio de Einstein.
Ejemplo:
Sea donde el rango de variación de i, j es de 1 a 3, j es el índice repetido.
Desarrollar
NOTACION INDICIAL.
En la notación indicial se añaden letras como subíndices o superíndices que representan la cantidad tensorial deseada. (Ejemplo: ) el numero y la posición de los índices libres, directamente el carácter tensorial exacto de la cantidad expresada por notación indicial. Los tensores se denotan por que tienen un índice libre, el vector se puede representar de dos formas a continuación los siguientes términos que tiene solo un índice libre se consideran como cantidades tensoriales de primer orden.
Ejemplo:
i índice repetido
j índice libre
TENSORES DE SEGUNDO ORDEN.
Los tensores de segundo orden se denotan por símbolos que tienen dos índices libres, la díada arbitrarios D aparecen en u8na de las tres formas posibles.
En la forma mixta el punto () indica que j es el segundo índice
TENSORES DE TERCER ORDEN.
Los tensores de tercer orden se representan con 3 índices libres un símbolo lamda () que no acompaña a ningún índice, representa un escala de orden cero. Para un rano de tres en ambos índices el símbolo representa a las componentes del tensor de segundo orden, denominado diádica y se representa mediante una matriz.
De la misma manera podemos representar a un vector.
El convenio de las sumas se usa para la representación de tensores con vectores base afectados de índices escritos en notación simbólica.
Los tensores de segundo orden también se pueden representar por la suma de los índices base, según esto la díada () dada en la forma nonium se puede escribir de la siguiente forma:
En esta expresión es fundamental que se mantengan la secuencia de los vectores base de igual manera nonium de la diádica arbitraria D se puede expresar en forma abreviada de la siguiente manera
TRANSFORMACION DE COORDENADAS DE TENSORES.
Si representamos el sistema arbitrario de coordenadas, en un espacio euclidiano tridimensional, y por cualquier otro sistema de coordenadas en el mismo espacio tridimensional. A que los superíndices son números indicativos y no son exponentes. Las potencias de x se pueden expresar usando paréntesis Las ecuaciones de transformación de coordenadas están dadas por:
(1)
La cual asigna a un punto cualquiera en el sistema , un nuevo conjunto de coordenadas en el sistema Se supone que las funciones que relacionan los dos conjuntos de variables coordenadas son funciones de valor único, continuas y diferenciales, el determinante:
(2)
En forma abreviada se expresa como:
(3)
J se supone el Jacobiano de la transformación. Si el Jacobiano es diferente de cero tiene un conjunto inverso de único de la forma:
(4)
Los sistemas de coordenadas representados por en las ecuaciones (1) y (4) son completamente generales y pueden ser cualquier sistema o cartesiano. Diferenciando la ecuación (1) se tiene que esta dado por:
Diferencial Total. (5)
Esta ecuación es prototipo de la que se define la clase de tensores conocidos como tensores contravariantes. Se dice en general que un conjunto de cantidades asociadas a un punto P son las componentes de orden uno si se transforman bajo una transformación de coordenadas dadas por la ecuación.
Tensor contravariante de orden uno (6)
i índice libre
j índice repetido
Donde las derivadas parciales se calculan en P en la ecuación (6) representa las componentes del tensor en el sistema de coordenadas mientras que representa las componentes en el sistema
En la teoría general de los tensores, los tensores contravariantes se reconocen por el empleo de índices escritos como superíndices.
Por esta razón aquí se señalan las coordenadas como en vez de pero hay que tener en cuenta que esto solamente es así para los diferenciales dx y no para las coordenadas mismas que tienen carácter de tensor.
Para una generalización lógica del concepto de tensor expresado en la ecuación (6), la definición de tensores contravariantes de orden dos requiere que los componentes de un tensor obedezcan a la ley de transformación siguiente:
(7)
representa las componentes en el sistema
representa las componentes en el sistema
Los tensores de tercer orden y cuarto orden se definen de forma similar. La palabra contravariante se usa para distinguir a esta clase de tensores conocida como tensores covariantes. En la teoría general de los tensores los tensores covariantes se conocen por el empleo de subíndices.
El prototipo de un vector covariante es la derivada parcial de una función escalar de coordenadas.
Así, si es función de
es una función tal que la derivada parcial de respecto a i es igual a la derivada parcial de respecto de j la derivada parcial de:
(8)
En general se dice que un conjunto de cantidades que son las componentes de un tensor, componentes de orden uno, se transforman mediante la ecuación:
(9)
Tensor covariante de primer orden
i índice libre
j índice repetido
Los tensores covariantes de segundo orden obedecen la siguiente ley de la conservación
Esto se generaliza para tensores de tercer y cuarto orden
Se llaman tensores mixtos a los combinados entre contravariantes y covariantes
Contravariante de orden uno y covariante de orden 2. Tensor mixto tres.
TENSORES DE OREDEN SUPERIOR.
Estos se definen sin ninguna dificultad, también son denominados tensores mixtos
ESCALARES O INVARIANTES.
Sea una función de la coordenadas y la correspondiente en la transformación de un nuevo conjunto de coordenadas si se verifica la igualdad la funciónse denomina escalar o invariante respecto a la transformación de coordenadas, dada.
Los escalares son invariantes en toda la transformación de coordenadas, y se los conoce como tensor de orden cero, tensor simétrico o hemisimetrico. Se dice que un tensor es simétrico respecto a dos componentes cualquiera si al intercambiarlas, el nuevo tensor es igual al original, si el nuevo tensor difiere del original en el signo, este tensor se conoce con el nombre de hemisimetrico o antisimetrico
Para: Tensor antisimétrico
OPERACIONES CON TENSORES.
SUMA Y DIFERENCIA.
La suma y la diferencia de dos o más tensores del mismo orden y tipo, es otro tensor de idéntico orden y tipo.
MULTIPLICACION.
El producto de dos tensores del mismo o diferente orden es otro tensor cuyo orden es la suma de los órdenes de los tensores dados. A esto se llama producto externo de tensores.
CONTRACCION.
Si en un tensor de iguala un índice contravariante y covariante, según el convenio de índices repetidos, debe sumarse respecto de dicho índice, este otro tensor resultante será de orden inferior en dos unidades al tensor original, este proceso se llama contracción tensorial.
si r = s
TENSOR METRICO.
Si representamos por a un sistema de coordenadas cartesianas rectangulares en un espacio euclidiano tridimensional y por a cualquier sistema de coordenadas curvilíneo.
El vector que tiene los componentes cartesianas se denomina vector de posición del punto arbitrario referido a los ejes cartesianos rectangulares el cuadrado del elemento diferencial de la distancia entre dos puntos muy próximos y será la diferencial de área.
El diferencial de
Diferencial de arco
Tensor métrico
tensor métrico o fundamental del espacio
LOS SIMBOLOS DE CHRISTOFFEL
CALCULO DIFERENCIAL TENSORIAL.
La derivada de un tensor es otro tensor. Esto se hace si se facilita en función de combinaciones de las derivadas parciales de un tensor métrico, que se conoce como los símbolos de Christoffel. Los tres índices de Christoffel a las expresiones.
1º orden
Como
Delta de Kronecker
BIBLIOGRAFIA
Análisis Vectorial y tensorial Sgiegel Colección Shaumm
Análisis Vectorial Makarenko
Vectores y tensores Hinkey
Vectores y tensores Santalo
Análisis Vectorial Sokolnikoff
Mecánica Teórica Spiegel Colección Shaumm
Autor:
Nasjo Baldwin
Universidad Mayor de San Andrés – Facultad de Ingeniería
Bolívia
2008
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