Cálculo avanzado

Cálculo en varias variables teoría, problemas propuestos y resueltos, utilización de Mathematica


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Estas notas de clase están dirigidas a estudiantes de ingeniería de tercer o cuarto semestre de carrera que hayan alcanzado los elementos básicos del cálculo avanzado, teniendo como herramienta importante en álgebra lineal y representa el esfuerzo de los autores para que los estudiantes tengan un material del trabajo realizado en la clase, sin tener que escribir todo lo que el docente explica o escribe.
El libro se apoya en algunos de los excelentes textos de cálculo que se han escrito, dados en la bibliografía, y no sepretende reemplazarlos; más bien busca ser un material de apoyo más suscinto para aquellos estudiantes que se les dificulta adquirirlos. Se pretende que los estudiantes alcancen los elementos básicos en el estudio del cálculo de varias variables; es posible también que el seguimiento de las clases se les haga más fácil y ameno.
En esta edición se introduce la utilización, en algunas de las secciones, el programa de cálculo simbólico Mathematica.

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Autor

Doris Hinestroza






Autor

Diego L. Hoyos



CONTENIDO

I Curvas planas y del espacio 11

1. Funciones vectoriales 15

1.1. El espacio Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2. Funciones vectoriales en Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.1. Operaciones algebraicas. . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.2. Límites, derivadas e integrales. . . . . . . . . . . . . 18

1.3. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2. Curvas parametrizadas y longitud de arco 23

2.1. Curvas y parametrizaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2. Tangente a una curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.1. Interpretación física de las curvas y sus tangentes . . 25

2.2.2. Triedro de Frenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.3. El vector aceleración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3. Longitud de arco y reparametrización de una curva. . . . . . 28

2.4. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3. Curvatura 33

3.1. Curvatura de curvas planas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2. *Ecuaciones de Frenet para una curva plana. . . . . . . . . 36

3.3. Problemas Propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Problemas y actividades 41

Problemas resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Preguntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Actividades especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

II Cálculo diferencial para funciones de dos y tres variables

57

4. Funciones de varias variables 61

4.1. Definiciones iniciales y ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2. Gráfica de z = f(x; y). Curvas y superficies de nivel. . . . . 61

4.3. Superficies cuádricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5. Límites y continuidad 69

5.1. Límites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2. Continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6. Derivadas parciales y el plano tangente 73

6.1. Derivadas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.2. Superficies parametrizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.3. El plano tangente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.4. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7. Funciones diferenciables 81

7.1. El concepto de diferenciabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.2. La regla de la cadena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.3. El vector gradiente de una función diferenciable . . . . . . . 88

7.4. Derivadas direccionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.5. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

8. Máximos y mínimos. 97

8.1. Extremos de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.2. Criterio para determinar extremos de funciones de dos variables 99

8.3. Extremos condicionados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

8.4. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Problemas y actividades 115

Problemas resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Preguntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

9. Campos vectoriales, Divergencia, Rotacional y Laplaciano 131

9.1. Campos Vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

9.2. Divergencia y rotacional de campos vectoriales . . . . . . . 134

9.3. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

III Integrales de Línea, Integrales dobles y triples 141

10.Integrales de línea 145

10.1. Definición de integral de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

10.2. Propiedades de las integrales de línea . . . . . . . . . . . . . 148

10.3. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

11.Integrales dobles 153

11.1. Volumen bajo la gráfica de z = f(x; y) . . . . . . . . . . . . 153

11.2. Definición de integral doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

11.3. Propiedades de la integral doble . . . . . . . . . . . . . . . . 159

11.4. Integración en regiones más generales . . . . . . . . . . . . . 160

11.5. Cálculo de integrales dobles: áreas y volúmenes. . . . . . . . 162

11.6. Cambio de variables en integrales dobles . . . . . . . . . . . 165

11.6.1. Transformaciones lineales . . . . . . . . . . . . . . . 167

11.6.2. Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

11.6.3. La fórmula del cambio de variable . . . . . . . . . . 169

11.6.4. *Demostración de la fórmula del cambio de variable 171

11.7. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

12.Integrales triples 179

12.1. Definición de integral triple . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

12.2. Regiones más generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

12.3. Cambio de variables en integrales triples. . . . . . . . . . . . 186

12.3.1. Coordenadas cilíndricas. . . . . . . . . . . . . . . . . 186

12.3.2. Coordenadas esféricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

12.4. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

13.Aplicaciones de las integrales múltiples. 197

13.1. Momentos y centros de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

13.2. Densidad y masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

13.3. Momento de inercia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

13.4. Probabilidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

13.5. Valores esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

13.6. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Problemas y actividades 207

Problemas resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

Preguntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

IV Teoremas Fundamentales del Cálculo Avanzado 213

14.Teorema de Green 215

15.Campos vectoriales conservativos 221

15.1. Funciones potenciales e independencia del camino . . . . . . 221

15.2. Condiciones para que un campo sea conservativo. . . . . . . 223

15.3. Método para hallar funciones potenciales. . . . . . . . . . . 225

15.4. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

16.Integrales de superficie 229

16.1. Área de una superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

16.2. Integral de superficie de un campo escalar . . . . . . . . . . 232

16.3. Integral de superficie de un campo vectorial . . . . . . . . . 232

16.4. Teoremas de Stokes y Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

16.5. Problemas propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

Problemas y actividades 241

Problemas resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

Preguntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

Apéndices 247

A. Exámenes parciales y finales realizados 251

A.1. Examen parcial 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

A.2. Examen parcial 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

A.3. Examen parcial 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

A.4. Examen parcial 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

A.5. Examen final 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

A.6. Examen final 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

A.7. Examen final 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

A.8. Examen final 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

A.9. Examen final 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

B. Cálculo diferencial en Rn 267

B.1. Campos escalares y campos vectoriales en Rn . . . . . . . . 267

B.2. Derivada en una dirección de un campo escalar en Rn. Derivadas

direccionales y parciales. . . . . . . . . . . . . . . . . 269

B.3. Diferenciabilidad de un campo escalar en Rn. . . . . . . . . 270

B.4. Regla de la cadena para campos escalares en Rn. . . . . . . 273

B.5. Derivada en una dirección de un campo vectorial. Derivada

direccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

B.6. Diferenciabilidad de un campo vectorial . . . . . . . . . . . 276

B.7. Regla de la cadena para campos vectoriales. . . . . . . . . . 278

B.8. Fórmula de Taylor de orden dos para campos escalares . . . 280

B.9. Naturaleza de un punto crítico teniendo como criterio los

valores propios de la matriz Hessiana . . . . . . . . . . . . . 282

B.10.Criterio para determinar extremos de funciones de dos variables284

B.11.Ley de la conservación de la energía. Campos conservativos 284


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