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Integrales Dobles 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA INTEGRAL DOBLES Y TRIPLES ERNESTO ANTONIO CEDRÓN LEÓN NUEVO CHIMBOTE, 2020 2 Ernesto Cedrón León CAPÍTULO II INTEGRAL DOBLES Y TRIPLES INTRODUCCIÒN En la teoría del Cálculo Multivariable, se estudia las integrales dobles y triples, como una extensión de las integrales definidas, cuyas definiciones están asociadas a la idea de límite sumas de áreas o volúmenes respectivamente. Su manejo nos permite aplicarlas en la determinación de áreas y volúmenes, áreas de superficies, el cálculo de masa, momentos estáticos y centros de masa de una lámina o de un sólido. El estudio lo haremos en los sistemas de coordenadas rectangulares y polares para las integrales dobles y en los sistemas rectangular, polar cilíndrico y polar esférico para las integrales triples. En el proceso de solución de los ejercicios o problemas es necesario el bosquejo de las regiones sobre las cuales se integra y en el sistema de coordenadas correspondiente. Un adecuado manejo del bosquejo de las regiones de integración permite determinar la variación de las variables de integración, las variables interna y externa. En cuanto al proceso mismo de integración analítica, el estudiante hará uso de su conocimiento de los dos métodos de integraciones generales, integración por sustitución e integración por partes. Cuando utilice la integración por sustitución o cambio de variable, podrá hacer uso también de la descomposición de fracciones en fracciones parciales elementales, así como integraciones de funciones raciones e irracionales, trigonométricas, logarítmicas y exponenciales. COMPETENCIAS. El estudiante al término del estudio de las integrales dobles presente capítulo adquiere las siguientes competencias: 1. A partir de una de una noción de volumen de un paralelepípedo y haciendo uso de las sumatorias define y calcula una integral doble como límite de una suma. Integrales Dobles 3 2. En el cálculo de integrales dobles puede utilizar cambio de variables o el uso de coordenadas polares. 3. Aplica las integrales dobles para el cálculo de áreas y volúmenes de regiones planas y del espacio tridimensional respectivamente. 4. Aplica las integrales dobles para determinar el área de superficies, la masa, momentos estáticos, momentos de inercia y centro de masa de una lámina. 5. Define y calcula integrales triples como el límite de una suma. 6. En el cálculo de integrales triples, utiliza según sea conveniente los sistemas de coordenadas polares cilíndricas o coordenadas polares esféricas, según sea el caso. 7. Aplica las integrales triples para determinar la masa, momentos estáticos, momentos de inercia y centro de masa de un sólido en el espacio. A) INTEGRAL DOBLES COMPETENCIA Nº 1 . A partir de una de una noción de volumen de un paralelepípedo y haciendo uso de las sumatorias define y calcula una integral doble como límite de una suma. Para comprender la definición de la integral doble, recordemos que dada una función real ( )y f x , continua en un intervalo cerrado ,a b , la integral definida sobre dicho intervalo la definimos como 0 1 ( ) lim ( ) i b n i i Máx x ia f x dx f x 4 Ernesto Cedrón León Sin embargo el cálculo sin usar la definición es posible por los dos teoremas del Cálculo Integral. El primero que garantiza la existencia de una función primitiva ( )F x , para la función continua ( )y f x y el segundo que señala: ( ) ( ) ( ) b a f x d F bx aF , así por ejemplo 2 3 2 3 2 3 2 2 1 2 1 2 2( ) ( ) 2( ) ( ) 44 7 37 (2 ) 3 2 3 2 3 2 6 6 2 2 1 6 1x x x x dx Ahora consideremos una función continua de dos variables definida de 2 en dada por ),( yxfz , con dominio una región R 2 ( , )z f x y , es continua en una región R del plano XY , podemos usar líneas paralelas a los ejes para aproximar R por medio de n rectángulos de área ,i jA . Sea ,i jx y un punto cualquiera del ,i jA rectángulo, entonces la integral doble de ),( yxfz sobre R es: , , , 0 1, 1 ( , ) lim , i j i n j m i j i j Máx A i jR f x y dA f x y A Su interpretación geométrica la relacionamos con el volumen de una región S en 3 como vemos a continuación. Integrales Dobles 5 Problema: Determinar el volumen de una región. Sea S una región en el espacio tridimensional limitada por: superiormente por una función de dos variables ( , )z F x y continua y positiva en un dominio que contiene a una región plana D , inferiormente justamente por la región plana D y lateralmente por una superficie cilíndrica cuya directriz es la frontera de la región D . Esta región D para facilitar los cálculos consideremos en principio definida por: 2 1 2( , ) / , ( ) ( )D x y a x b f x y f x Ilustremos la región S, En forma análoga a la forma como obteníamos la suma de Riemann para integrales definidas, dividamos la región D en n-subregiones rectangulares ijA de áreas Área( ) , 1, 2, 3, ... , , 1, 2, 3, ... ,ij i iA x y i n j m . En cada ij-ésima subregión tomamos un punto cualquiera ij . Entonces, si ( )ijf es la altura de un paralelepípedo de base ijA , el volumen de dicho paralelepípedo es ( )ij ij i iV f x y y el volumen aproximado de la región S será 6 Ernesto Cedrón León 1 1 1 1 ( ) i n i n j m j m ij ij i i i i j j V V f x y Si refinamos la partición de la región D , de modo que 0ijA , lo cual implica que n , mentonces el volumen de S será 1 1 lim ( ) i n j m ij i i n i m j V F x y El límite de ésta suma, podemos definirla entonces como una integral doble. DEFINICIÓN DE INTEGRAL DOBLE.- Dada una función de dos variables ( , )z f x y , definida y continua sobre un dominio D , definimos la integral doble y la denotamos por ( , ) donde D f x y dA dA dx dy , del modo siguiente: 1 1 ( , ) lim ( ) i n j m ij i i ij ij n iD j f x y dA f x y A siempre que el límite exista. En tal caso se dice que la función ( , )z F x y es integrable sobre D . Integrales Dobles 7 PROPIEDADES: 1. ( , ) ( , ) , D D cf x y dA c f x y dA c 2. ( , ) ( , ) ( , ) , ( , ) , y integrables sobre D D D f x y g x y dA f x y dA g x y dA f g D 3. Si ( , )f x y y ( , )g x y son integrables sobre D , de modo que ( , ) ( , ) , ( , )f x y g x y x y D , entonces ( , ) ( , ) D D f x y dA g x y dA 4. Si ( , )f x y es integrable sobre D , además 1 2 1 2, y D D D D D son regiones cerradas y disjuntas, entonces 1 2 ( , ) ( , ) ( , ) D D D f x y dA f x y dA f x y dA 5. Si ( , )f x y es integrable sobre D , entonces ( , ) ( , ) D D f x y dA f x y dA INTEGRALES ITERADAS Nos interesa a continuación aprender una técnica de cálculo para la integral doble, que dependerá de la forma de la región R . Será posible resolver la integral doble en los siguientes casos: a) Si R es un rectángulo definido por 2, / ,R x y a x b c y b , entonces la integral doble se calcula de la siguiente forma: f(x, y)dA f(x, y)dxdy f(x, y)dydx d b b d c a a c R donde a, b, c y d son los límites de integración de la región R. 8 Ernesto Cedrón León Para resolver la integral doble, se mantiene fija una variable y se integra con respecto a la otra variable. Podemos usar también la notación dy dx f(x, y)dA f(x, y)dx f(x, y)dy d b b d c a a c R , en donde se resalta cuál es la primeravariable de integración y la segunda variable que llamaremos variable de integración externa. b) Regiones transversales verticales: La región R está limitada por las gráficas de 1( )g x y 2( )g x en el intervalo ,a b , esto es, 2 1 2, / ( ) ( )R x y a x b g x y g x , La ilustración gráfica de éste tipo de región es: Entonces la integral doble se calcula por: c) Regiones transversales horizontales: La región R está limitada por las gráficas de 1( )x h y y 2( )x h y en el intervalo ,c d , esto es, 2 1 2, / ( ) ( ),R x y h x x h x c y d , Integrales Dobles 9 La ilustración gráfica de éste tipo de región es: Entonces la integral doble se calcula por: d) Puede haber regiones que sean una combinación de los casos b) y c). En tal caso se tendrá que dividir la región en forma adecuada. EVALUACIÓN DE INTEGRALES DOBLES A continuación evaluaremos algunas integrales dobles, para lo cual seguiremos los siguientes pasos: Primero: Dibujaremos la región de integración a fin de determinar el tipo de región y por lo tanto los límites de integración. Segundo: Considerando ( , ) 1 ( , )z f x y x y R , entonces R dA representa el área de la región R . 10 Ernesto Cedrón León EJEMPLO N°1. Dibuje la región de integración y evalúe la integral doble: 1 0 1 1 0 1 0 0 yx y x y y e dxdy e dxdy Solución 1º Dibujamos la región de integración, 2º Evaluamos las integrales. 0 11 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 01 0 1 12 1 0 0 = = yyx y x y x y x y y y y y y e dx dy e dx dy e dy e dy e e dy e e dy 1 2 2 1 1 y 0 0 e 2 1 1 1 2 2 1 1 2 y ye ey e e e e e e e e Integrales Dobles 11 EJEMPLO 2. Evaluar la integral doble siguiente: x y R e dxdy cuya región de integración está dada por ⎮x⎮ + ⎮y⎮ ≤ 1. Solución La región de integración, teniendo en cuenta la definición de valor absoluto corresponde a un rombo, cuya gráfica se muestra a continuación: Evaluamos a continuación la integral, dividiéndo la región en 4 subregiones: 12 Ernesto Cedrón León Ejemplo 3.- Cálcular el áre de la región de la derecha acotada por la parábola 2 4(1 )y x , y la circunferencia 2 2 4x y Solución La gráfica se aprecia a continuación Encontamos los puntos de intersección de las curvas, 2 2 4 4 4 4 0 0 4 x x x x x x Por lo tanto el área está dada por: 2 2 242 2 22 3 2 2 42 2 2 2 4 2 4 4 4 4 12 Evaluemos la integral 4 , para ello utilizamos una sustitución trigonométrica 2 , de donde 2cos , en consecuencia y y y y dy dx y dy y dy y y dy y sent dy t dt 2 2 2 2 242 3 42 2 4 : 1 cos2 1 4 2 4 4 cos 4cos cos 4 2( 2 ) 2 2 Por lo tanto, 1 2 (2 ) 2 2 2 12 1 8 2 2 2 2 2 1 y y t y dy sen t t dt t t dt dt t sen t c y y y dy dx arcsen sen arcsen y sen 8 2 2 2 2 12 16 16 8 2 12 12 3 Integrales Dobles 13 COMPETENCIA Nº 2. En el cálculo de integrales dobles se puede utilizar cambio de variables o el uso de coordenadas polares. TRANSFORMACIÓN DE UNA INTEGRAL DOBLE A COORDENADAS CURVILÍNEAS Dada la integral doble ( , ) R f x y dxdy en coordenadas rectangulares ,x y , cuya región de integración es R , la transformaremos en las coordenadas curvilíneas ,u v que describen la región T . Supongamos entonces que las ecuaciones que relacionan ambos sistemas de coordenadas son: , , x u v y u v Entonces en el plano XY, tenemos el radio vector ( , ) ( , ) ( , )x y u v u v r i j Que describe la región R, cuando ,u v varía en T . Con la transformación de coordenadas dadas la integral doble en coordenadas curvilíneas es de la forma: ( , ) ( , ), ( , ) ( , ) xy uvR T f x y dxdy f u v u v J u v dudv Donde , ( , ) ( , ) u v u v J u v u v , llamado el determinante jacobiano. 14 Ernesto Cedrón León EJEMPLO 1.-Dibuje la región de integración, cambie de coordenadas para evaluar la integral doble 2 2 xy R x y sen x y dx dy , donde D: Cuadrilátero de vértices: 3 , 0A , 2 , 2B , 0 , 3C y ,D . Solución El cuadrilátero se muestra en la siguiente figura: Cambiamos variables: 2 2 , , 1/ 2 1/ 2 1 1 12 1/ 2 1/ 2 4 4 2 2 1 2 uv u v u v T u x y v x y u v x x x y yv u y u sen v du dv La región D, con el cambio de variables se muestra en la siguiente figura: Integrales Dobles 15 Integrando sobre la nueva región se tiene: INTEGRALES DOBLES EN COORDENADAS POLARES Un caso particular de coordenadas curvilíneas, son las coordenadas polares, esto es si cosx r y rsen En éste caso cos ( , ) cos r r x x sen J r r y y rsen r ( , ) cos , , , ( ) xy rR T f x y dxdy f r rsen r drd r 16 Ernesto Cedrón León EJEMPLO 2.- Calcule la integral 2 2 2 2 2 2 2 4 ln( ) , donde es la corona entre y R x y dxdy R x y e x y e Solución La región de integración gráficamente es 22 2 2 2 2 0 ln( cos ) 2 ln r e R e r r sen rdrd r r dr d Integrales Dobles 17 COMPETENCIA Nº 3. Aplica las integrales dobles para el cálculo de áreas y volúmenes de regiones planas y del espacio tridimensional respectivamente EJEMPLO 1.- Calcular el área de la región R , dada por: 2( , ) / 4 2R x y x y y x Solución Dibujamos la región, si consideramos regiones transversales verticales, la región debemos dividirla en dos partes, por lo tanto la integral es: 0 4 5 4 4 0 24 x x xx I dx dy dx dy 0 4 5 4 0 5 4 4 4 2 4 0 2 4 04 x x x x x x xx I dx dy dx dy y dx y dx 0 5 0 5 4 4 4 2 4 0 4 0 2 4 4 2 x x x x y dx y dx x dx x x dx 50 5 0 2 44 0 0 4 2 2 4 4 2 4 4 2 3 3 2 x x dx x x dx x x x 50 2 3/ 2 3/ 2 4 0 4 2 32 54 25 16 4 4 2 10 3 3 2 3 3 2 3 70 5 140 15 125 3 2 6 6 x x x x 18 Ernesto Cedrón León Si consideramos la región como transversal horizontal, el cálculo se hace con una sola integración, de la forma: Ejemplo 2. Calcular el área de la región limitada por 2 2 3 1 0y y x y 3 3 7 0x y . Solución Primer paso.- Graficamos y encontramos los puntos de intersección Segundo paso.- Calculamos el área usando integrales dobles Integrales Dobles 19 Ejemplo 3. – Calcular el área de la región e el primer cuadrante limitada por 2 2 1x y , 2 2 9x y , 3y x y 1 3 x . Solución Primer paso. Graficamos la región y encontramos los puntos de intersección, lo cual se muestra a continuación: Segundo paso.- Dividimos la región de integración en tres subregiones, e integramos en cada una de ellas tomando como variable externa a x , 2 2 93 33 / 2 3/ 2 3 3 / 2 1/ 2 3/ 23 / 2 / 3 31 2 3 yy y y yy dy dx dy dx dy dx 20 Ernesto Cedrón León EJEMPLO 4 : Calcular el área de la región determinada por r ≤ 3 + COS(4·θ) ∧ r ≤ 2 - COS(4·θ). Solución La gráfica se muestra a continuación: Puesto que existe simetría de ambas curvas con respecto al polo, es suficiente calcular el área en el primer cuadrante. El área es igual a: Integrales Dobles 21 VOLUMEN DE UN SÓLIDO El volumen de un cuerpo limitado superiormente por la superficie ( , )z f x y , inferiormente por una región en el plano R en donde la función ( , )z f x y está definida y lateralmente por una superficie cilíndrica cuya directriz es la frontera de la región R , está dado por ( , ) R V f x y dxdy . Cuando el cuerpo cuyo volumen deseamos calcular se encuentre entre dos superficies superior e inferiormente tal como 2( , )z f x y y 1( , )z f x y respectivamente, teniendo a R como proyección común sobre el plano XY, entonces el volumen de dicho cuerpo se calcula mediante la relación siguiente: 2 1( , ) ( , ) R V f x y f x y dxdy Ejemplo 5.- Calcular el volumen comprendido entre el paraboloide y el plano siguientes: Solución Primero. Mostramos la región, la cual proyectamos para determinar la región de integración. La proyección del sólido sobre el plano XY es: 22 Ernesto Cedrón León Por lo tanto la integral doble que resuelve el problema es: Ejemplo 6.- Determine el volumen del sólido comprendido entre el paraboloide 2 29z x y y el plano 3z y . Solución La proyección del sólido sobre el plano XY es la circunferencia: 2 2 2 2 2 2 6 0 1 1 24 0 4 4 4 1 25 0 2 4 x y y x y y x y Integrales Dobles 23 3.- Calcular el volumen limitado superiormente por el plano 3x y z , inferiormente por el plano 0z , y lateralmente por el cilindro 2 2 1x y . (s. 3 ) 24 Ernesto Cedrón León COMPETENCIA Nº 4. Aplica las integrales dobles para determinar el área de superficies, la masa, momentos estáticos, momentos de inercia y centro de masa de una lámina. CÁLCULO DEL ÁREA DE UNA SUPERFICIE Supongamos que se tiene una superficie S dada por ( , ) ( , )z f x y x y D , La superficie es limitada por la curva SC , contorno o frontera de la superficie. Si proyectamos S , se obtiene la región D , Observemos la gráfica Integrales Dobles 25 , , 1 1 ( ) lim , i j n m ij i j ij A o i j A S T S T y a b son dos vectores en la dirección de rectas tangentes . Recordemos que Comp ,x i jf x y x ka , Comp ,y i jf x y y kb , , 0 , , , 0 , , , i x i j i i x i j i i y i j j j y i j j x f x y x x f x y x x f x y y y f x y y a i k b j k El área del paralelogramo ijT es igual a la magnitud del producto vectorial de y a b . 0 , 0 , i x i j i j y i j j x f x y x y f x y y i j k a b 2 2 , , , , , , 1 j x i j i i y i j j i j x i j y i j i j y f x y x x f x y y x y f x y f x y x y a b , , 2 2 1 1 1 1 ( ) lim lim , , 1 i j i j n m n m ij x i j y i j i j A o A oi j i j A S T f x y f x y x y 22 ( ) , , 1x y D A S f x y f x y dA 26 Ernesto Cedrón León Ejemplo 1.- Calcule el área superficial de la región cilíndrica 2 2 1 xz , limitada por los planos 3x y , 3y x , 2x . Solución Observemos las siguientes figuras: El bosquejo de la región cilíndrica y su proyección sobre el plano XY Evaluando, tenemos Integrales Dobles 27 CENTRO DE MASA, MOMENTO DE INERCIA Ejemplo 2.-Determinar los momentos de inercia de la elipse 2 2 2 2 1 x y a b , respecto a los ejes coordenados. Solución: MOMENTO DE INERCIA RESPECTO AL EJE X 2 2 2 2 2 2 2 22 a b y b b x ab b y b b b a I dy y dx y y y b b d Utilizaremos el método de integración por partes. Trabajemos solo con la integral indefinida: 2 2b yy dI y y , 3 2 2 12 2 2 2 2 2 22 1 1 32 3 2 u y du dy b y dv y b y dy v b y b y 28 Ernesto Cedrón León 3 1 2 2 2 2 2 22 22 2 2 3 1 2 2 2 2 22 2 1 2 22 2 1 3 3 1 1 3 3 3 b y y dy y b y b y b y b y dy y b y b b y y ddy y 3 1 22 2 2 1 2 2 2 2 2 2 22 2 3 2 2 2 2 2 2 2 4 3 1 3 3 4 4 y b y b b y dyb y y dy b y y b b y y dy b yy d Sea 1 2 2 2 1 1 1 2 2 2 22 Sea cos 2 2 4 I b y dy y sen dy b y sen b b sen b y dy b Reemplazando, tenemos 3 2 2 2 2 2 2 2 22 3 4 4 2 2 2 3 4 4 2 1 12 2 1 2 4 4 2 4 4 8 16 4 8 16 2 cos y sen b y y sen sen y b b sen b y y dy b b y y b y b y b b b y y b y e b b s n b b 2 cossen 3 4 4 2 2 2 2 2 2 3 4 2 2 1 1 3 2 2 2 2 2 4 4 8 8 8 8 b yy y sen b b y b b b y sen y b y y d b y b b y b b b y y y Finalmente: Integrales Dobles 29 3 4 3 2 2 2 4 4 3 1 2 22 4 8 8 2 8 2 8 2 4 b x b y sen y b y b a y b b I b y b a b b ab b
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