Ejercicios Resueltos de Cálculo III. 1.- Considere y . a) Demuestre que las rectas dadas se cortan. Encuentre el punt
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Ejercicios Resueltos de Cálculo III. 1.- Considere
y
.
a) Demuestre que las rectas dadas se cortan. Encuentre el punto de intersección. Solución:
b) Encuentre una ecuación del plano que contiene a esas rectas. Solución: Como las rectas de cortan resulta que determinan un plano. Consideremos el punto de intersección que pertenecerá al plano buscado. Necesitamos el vector normal al plano. Lo podemos hallar con:
2.- Demuestre, usando el producto triple escalar, que los cuatro puntos , son coplanarios. Solución:
3.- Demuestre que la distancia entre planos paralelos
y
viene dada por la fórmula: Solución:
La distancia entre ambos planos
4.- Considere el plano
y
vendrá dada por la distancia de
dado por
. Determine el valor de
y la recta tal que el plano
y la recta
a
, donde:
de ecuación sean paralelas.
Solución:
5.- Determine un punto que equidista (es decir, que se encuentra a la misma distancia) del plano y el punto . Solución:
6.- Calcule el volumen de la región limitada por el cono .
y el paraboloide
Solución:
7.- Determine el valor de
, si
y
.
Solución:
8.-Obtenga el trabajo realizado por la fuerza partícula desde el punto Solución:
al
a lo largo de la curva
, para mover una .
9.- Calcule la integral de línea
, siendo
región rectangular cerrada, con vértices en los puntos
el contorno de la y
.
Solución:
10.- Demuestre que: Solución:
11.- Encuentre un vector perpendicular al plano determinado por . Encuentre el área del triangulo . Solución:
y
12.- Considere los planos ecuaciones paramétricas, si existen, para la intersección.
. Encuentre las
Solución:
13.- Sean
y
, las ecuaciones de una recta y un
plano respectivamente. a) Encontrar Solución:
b) Determinar la ecuación de la recta contenida en π, que pasa por perpendicular a . Solución:
14.- Encontrar Solución:
sabiendo que:
y
.
, y es
15.- Dados los planos Encuentre la ecuación vectorial de la recta determinada por la intersección de los planos y Solución:
16.- Dada la curva
y el punto
. Hallar la ecuación de la
recta tangente en dicho punto. Solución:
17.- Dados los vectores paralelepípedo con lados adyacentes Solución:
. Encuentre el volumen del .
18.- Si los vectores modo que
y
forman entre si un ángulo de
grados y
. Calcule
de
sea perpendicular a .
Solución:
19.- Calcular la distancia entre los dos planos: Solución: Los planos son paralelos. Ahora bien, la distancia entre los dos planos paralelos será la distancia de un punto de uno de los planos al otro plano . Elegimos entonces un punto del plano : Del plano
sabemos que:
20.- Calcular la distancia entre el punto
y la recta
.
Solución:
21.- Hallar la curvatura de Solución:
en
e
.
Derivando implícitamente respecta a : Derivando implícitamente respecto a x de nuevo: Cuando
e
:
Así, reemplazando en la fórmula:
22.- La masa de un cuerpo laminar se describe por
, donde
se
muestra en la figura:
a) Usando el cambio de variables:
, graficar el dominio del plano
Solución: Haciendo el cambio de variable, tenemos:
Observe que la transformación
dada es la inversa de
.
b) Aplicando el teorema del cambio de variables, calcular Solución:
23.- Encontrar el volumen del sólido limitado por: Solución:
usando las variables
24.- Sea la trayectoria
. Demuestre que
es independiente de
que pasa por dos puntos dados.
Solución:
25.- Use coordenadas cilíndricas para hallar el volumen de la región encima del plano . cilindro
y el
Solución:
26.- El área de una hoja es de . Se desea escribir un texto, el cuál debe estar centrado con márgenes de a ambos lados y arriba y abajo. Determine cuáles son el largo y el ancho que maximizan el área del texto. Solución:
27.- Sea
. Calcule
.
Solución:
28.- Determine el volumen del sólido acotado por las curvas . Solución:
,
,
29.- Si
, donde
;y
tiene derivadas parciales continuas de segundo
orden, pruebe que: Solución:
30.- Calcule el máximo de la función con el cilindro del plano Solución:
sobre la curva de intersección .
Así,
31.- Cambie el orden de integración y calcule la siguiente integral:
Solución:
32.- Escriba en coordenadas rectangulares, cilíndricas, esféricas la integral:
Solución:
33.- Encuentre el valor de la derivada direccional de la función punto en la dirección que va desde hasta el punto
en el .
Solución:
34.- Si
, determine el valor de la expresión:
Solución:
35.- Calcule el ángulo entre los gradientes de las funciones en el punto .
y
Solución:
36.- Determine la ecuación del plano tangente a la superficie punto . Solución:
en el
37.- Encuentre los valores extremos de la función .
si
está en la elipse
Solución:
38.- Use integrales triples para calcular el volumen del sólido que está dentro del cilindro y en el elipsoide . Solución:
39.- Considere la función mínimos si es que existen de la función dada. Solución: Puntos críticos:
. Determine el o los máximos y
Evaluando:
40.- Verifique el Teorema de Green para
, donde
es la
frontera, tomada con orientación positiva, de la región acotada por las gráficas .
y
Solución:
41.- La ecuación de estado de un Gas Ideal está dada por , donde y son constantes. Considere el volumen como una función de la tempratura y la presión . a) Calcule Solución:
b) Demuestre que Solución:
42.- Sea cambio de variable
. Calcule la integral usando el .
Solución:
Así, el cambio de variable transformará la región dadas en la región del plano encerrada por
del plano
, encerrada por las rectas .
43.- Hallar el volumen de la región sólida formada por la intersección de la esfera con el cilindro . Solución:
44.- Demuestre que: Solución:
45.- Calcular el área de la superficie dada por: Solución:
46.- Si
y
entonces:
Solución:
47.- Hallar la máxima distancia al origen de la recta obtenida al interceptar los planos . Solución:
48.- Determine el volumen del sólido limitado por las curvas . Solución:
49.- Encuentre el volumen de la región limitada por el plano . Solución:
50.- Calcular el área comprendida entre las curvas Solución:
y el paraboloide
51.- Sea
, donde
y
. Determinar
el valor de la integral. Solución:
52.- Determinar el área de la superficie de la esfera . Solución:
interior a
53.- Sea
. Encuentre el plano tangente, si existe, a la en el punto
superficie
.
Solución: Como
y
diferenciable en Luego
es diferenciable en
Así, el plano tangente a
son funciones diferenciables en
y:
en
dirección de la normal exterior a la esfera
Solución:
es
(sus derivadas parciales existen y son continuas).
está dado por:
54.- Encontrar la derivada direccional de la divergencia de .
, entonces
en el punto , donde
en la
55.- Permutar el orden de integración de:
Solución:
56.- Sea
un campo escalar y un campo vectorial dado por . Suponga que existen las derivadas parciales y que éstas son
continuas. Demuestre que: Solución:
57.- Use coordenadas polares para combinar la suma dentro de una integral doble y resuelva:
Solución:
58.- Utilice el Teorema de Green para evaluar la integral de línea a lo largo de la curva orientada de manera positiva:
Donde con
consiste del segmento de recta que va desde .
Solución: Se tiene, usando el Teorema de Green en el plano:
Aquí:
Se tiene:
a
y de la curva
59.- Determine el volumen del sólido que está encima del cono
y debajo de la esfera
. Solución:
60.- Demuestre que la integral de línea dada es independiente de la trayectoria y evalúe la integral.
Donde Solución:
es cualquier trayectoria que va desde –
Es decir, existe
con
hasta
.
. Así, la integral es independiente de la trayectoria se tiene:
Integrando con respecto a se tiene:
Se tiene:
61.- Dadas las funciones y
. Demostrar que las ecuaciones diferenciales
se pueden escribir en coordenadas polares como:
Solución:
62.- Calcular la derivada direccional de
en el
en la máxima dirección.
Solución:
63.- Una caja rectangular descansa sobre el plano con un vértice en el origen. Determinar el volumen máximo de la caja si su vértice opuesto al origen pertenece al plano . Solución:
64.- Sea a) Demuestre que
es un campo conservativo
Solución:
b) Encuentran el potencial escalar Solución:
c) Calcule
Solución:
donde
está dada por:
65.- Calcule gráficas de
, donde y
es la frontera de la región situada entre las
.
Solución:
66.- Un alambre de longitud se divide en dos trozos de modo que con el primer trozo se construye un cuadro y con el segundo una circunferencia. Determine la longitud de cada trozo de modo que la suma de las áreas de las figuras geométricas sea mínima. Solución:
67.- Sea
. Determine el valor de , si existen, de modo que:
Solución:
68.- Utilice el Teorema de Green para calcular la integral es la frontera de la región situada en el interior del rectángulo limitado por y en el exterior del cuadrado limitado por Solución:
, donde .
69.- Calcular
para
los planos coordenados y el plano Solución:
,y .
la región sólida acotada por
70.- Calcular
para
primer octante del plano Solución:
y .
la porción del
71.- Dada una curva en el espacio por las ecuaciones paramétricas hállese la ecuación del plano que pasa por el punto
de la curva y que es
perpendicular a la tangente a la misma en dicho punto. Solución:
72.- Una placa circular, cuyo contorno es , se calienta de tal modo que la es . Determine los puntos más calientes temperatura en el punto y más fríos de la misma y hállese la temperatura en cada uno de ellos. Solución:
73.- Determine el volumen del sólido cuya base es la región del plano que limitan la y la recta , mientras que su tejado es el plano . parábola Solución:
74.- Al expresar el volumen situado por debajo del plano plano se obtuvo la siguiente suma de integrales iteradas:
Dibuje la región y exprese orden de integración.
en cierta región
del
mediante una integral iterada, en la cual se haya invertido el
Solución:
75.- Calcular del cono Solución:
, siendo encima del plano
y .
la superficie
76.- Calcular la integral . Solución:
, donde
pertenece a
77.- Determinar el exponente constante λ, de modo que:
Sea independiente de la trayectoria, si la función está definida en una región simple convexa. Solución: Para que la integral sea independiente de su trayectoria es necesario que:
78.- Calcular región Solución:
, en que
y .
es la frontera de la
Por teorema de la divergencia: Pero: Aplicando coordenadas esféricas:
79.- Sea
en que
Solución: Por teorema de Stokes:
Pero:
Análogamente:
y
, demuestre que:
80.- Dada la función z = u ( x, y )e ax +by y
∂ 2u = 0 , halle los valores de la constante a y b, ∂x∂y
∂ 2 z ∂z ∂z tales que − − + z = 0. ∂x∂y ∂x ∂y Solución:
∂z ∂u ax +by e = a * u ( x, y )e ax +by + ∂x ∂x ∂z ∂u ax +by e = b * u ( x, y )e ax +by + ∂y ∂y ∂2z ∂u ax +by ∂ 2 u ax +by ∂u ax + by e = abu ( x, y )e +b e + + a e ax +by ∂x∂y ∂x ∂x∂y ∂y Por lo tanto
∂ 2 z ∂z ∂z +z − − ∂x∂y ∂x ∂y ∂u ∂u ∂u ∂u = abue ax +by + b e ax +by + a e ax +by − aue ax +by − e ax +by − bue ax +by − e ax +by + ue ax +by ∂y ∂x ∂y ∂x = e ax +by (abu + b
∂u ∂u ∂u ∂u +a − au − − bu − + u) ∂x ∂y ∂x ∂y
∂u ∂u = e ax +by (ab − a − b + 1)u + (b − 1) + (a − 1) ∂x ∂y Por lo tanto,
a =1 b =1 ab − a − b + 1 = (1)(1) − (1) − (1) + 1 = 0
]
81.- Determine los valores extremos de la función f ( x, y, z ) = xy + yz + xz sobre la esfera
x 2 + y 2 + z 2 = 3. Solución: Sea F = xy + yz + xz + λ ( x 2 + y 2 + z 2 − 3) (i.)
∂F = y + z + 2λx = 0 ∂x
(ii.)
∂F = x + z + 2λ y = 0 ∂y
(iii.)
∂F = y + x + 2λ z = 0 ∂z
(iv.)
∂F = x2 + y2 + z2 − 3 = 0 ∂λ
De (i.) –(ii.):
y + 2λ x − x − 2λ y = 0 y (1 − 2λ ) − x(1 − 2λ ) = 0; Si 1 − 2λ ≠ 0 x=y De (i.)-(iii.)
z + 2λx − x − 2λz = 0 z (1 − 2λ ) − x(1 − 2λ ) = 0, Si 1 − 2λ ≠ 0 z=x Reemplazando en (iv.): x 2 + x 2 + x 2 − 3 = 0
x = ±1 y = ±1 z = ±1 Max: F (±1, ± 1, ± 1) = 3 Min: F (±1, ± 1, ± 1) = −2
82.- Halle el valor de la integral
∫∫∫ x
2
y 2 z dx dy dz con R definido por
R
x + y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 . 2
2
Solución: 2 2 ∫∫∫ x y zdx dy dz = R
2∏ 1
=
1
∫ ∫ ∫ρ θ ρ
5
2∏ 1
1
( ρ cos θ ) ∫ ∫ ∫ θ ρ
2
( ρ senθ ) 2 ( z ) ( ρ dz dρ dθ )
= 0 =1 z = 0
cos 2 θ sen 2θ z dz dρ dθ
= 0 =1 z = 0
2∏
=
1 1 * ∫ cos 2 θ sen 2θ dθ 6 2 θ =0
De senθ cos θ =
sen 2θ 2
Tenemos sen 2θ cos 2 θ = De sen 2α =
1 − cos 2α 2
Tenemos: sen 2 2θ =
Por lo tanto,
=
1 12
2∏
∫ 0
sen 2 2θ 4
1 − cos 4θ 2
sen 2 2θ 1 − cos 4θ = = sen 2θ cos 2 θ 4 8
1 − cos 4θ ∏ 1 dθ = [2 ∏ ] = 8 96 48
83.- Calcule la integral
F * n dS con F = ( x, y,2 z ) y S es la superficie externa del sólido ∫∫ S
acotado por x + y = 1 − z 2
y z = 0.
2
Solución:
∂ ∂ ∂ ∇ ⋅ F = ( , , ) ⋅ ( x, y , 2 z ) = 1 + 1 + 2 = 4 ∂x ∂y ∂z
∫∫
F ⋅ n ds = ∫∫∫ ∇ ⋅ F dv = ∫∫∫ 4 dv R
S
2∏
=4
R
2 1 1− ρ
∫ ∫ ∫ ρ dz dρ dθ
θ =0 ρ =0 z =0
1
= 4 ⋅ (2 ∏) ∫ ρ (1 − ρ 2 ) dρ ρ =0
1 1 = 8 ∏ − = 2 ∏ 2 4
84.- Calcule la integral de línea
∫ ye
xy
dx + xe xy dy , donde C es la curva formada por los
C
siguientes segmentos de rectas: Punto Inicial (2,1) → (1,2) → (−1,2) → (−2,1) → (−2,−1) → (−1,−2) → (1,−2) → (2,−1) Punto Final Solución: Como el campo asociado al diferencial es conservador, ya que
∂ ∂ ( xe xy ) = e xy + xye xy = ( ye xy ), se tiene que la integral de línea es independiente de la ∂x ∂y trayectoria, y por lo tanto:
∫ ye
xy
dx + xe xy dy =
∫ ye
xy
dx + xe xy dy
C+
C
1
= − ∫ 2e 2t dt = −e 2 + −1
1 e2
Donde C* : γ (t ) = (2, t ), − 1 ≤ t ≤ 1
85.- Qué puede decir de
xy xy ye dx + xe dy , donde C * : r ( t ) = 2 i + tj , − 1 ≤ t ≤ 1. ∫
C ∪C *
Solución: La integral de línea es nula, ya que
∫ ye
xy
dx + xe xy dy
C ∪C *
∂θ
∂P
∫∫ ( ∂x − ∂y )dA
=
Teorema deGreen D
=
0
Campo Conservador
Donde D es la región plana limitada por la curva cerrada C ∪ C * y
P( x, y ) = ye xy , Q( x, y ) = xe xy
86.- Calcular
F ⋅ n ds donde y C es la frontera de la parte del = + 2 + 3 F xz i xy j xy k ∫
C
plano 3 x + y + z = 3 que está en el primer octante. Solución: Por Teorema de Stokes, se tiene que:
∂g ∂g ⋅ = ⋅ = − − F dr rot F n ds P + Q R ∫C ∫∫S ∫∫D ∂x ∂y dA Donde S : z = 3 − 3 x − y = g ( x, y ) orientada hacia arriba limitada por la curva C en el primer octante. D es la proyección de S en el plano xy
rot F = 3 xi + ( x − 3 y ) j + 2 yk P
Q
R
∴ ∫ F ⋅ dr = ∫∫ (10 x − y ) dA C
D
1 3−3 x
1
0
0
=∫
∫ (10 x − y)dy dx =∫ (10 xy − 0
1
= ∫ (10 x(3 − 3 x) − 0
y2 ) 2
1 (3 − 3 x) 2 (9 − 18 x + 9 x 2 ) )dx = ∫ (30 x − 30 x 2 − )dx 2 2 0
1
1
1 1 = ∫ (60 x − 60 x 2 − 9 + 18 x − 9 x 2 )dx = ∫ (78 x − 69 x 2 − 9)dx 20 20 =
1 78 x 2 69 x 3 1 ( − − 9 x) = (39 x 2 − 23x 3 − 9 x) 2 2 3 2
=
1 7 (39 − 23 − 9) = 2 2
87.- Determinar el valor de la integral cilindro
y los planos
, donde
, arriba del plano
Solución:
88.- Evaluar, usando algún tipo de coordenadas, la integral:
Solución:
es la región limitada por el .
89.- Dado el campo vectorial afirmar que
. ¿Es posible
es nula si , definida por
es una curva simple cerrada?
Solución:
90.- Si
calcule el trabajo realizado por
lo largo del segmento de recta que va desde el punto utilizar una función de potencial.
al desplazar una particula a al punto
. Evalúe sin
Solución:
91.- Si
Solución:
y
, donde α es constante, mostrar que:
92.- Dada la elipse con centro en el origen. Encuentre los puntos más alejados del origen, determinando así su eje mayor. Solución:
93.- Calcular: Solución:
94.- Determinar el volumen del sólido limitado superiormente por , y debajo por el plano . por Solución:
, lateralmente
95.- Calcular la integral
para
y
.
Solución: Usando el teorema de la divergencia, se tiene:
96.- Hallar el plano tangente a la recta normal a la superficie .
en el punto
Solución: Sea la superficie , es
97.- Dada Solución:
. Entonces, el vector es normal a . En particular, el vector normal a la superficie dada en el punto .
, hallar el valor de la expresión
.
98.- Resolver la integral doble
.
Solución:
99.- Determinar el valor de la integral la región encerrada por Solución:
, donde .
es la frontera de
100.- Hallar el valor de la integral y Solución:
, donde
es la superficie de la esfera de centro el origen y radio .