Analisis Vectorial Tensorial

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www.monografias.com Para ver trabajos similares o recibir información semanal sobre nuevas publicaciones, visite www.monografias.com Análisis vectorial y tensorial Nasjo Baldwin - [email protected] 1. CAP I: Funciones Vectoriales de Variable Real 2. CAP II : Funciones Vectoriales de Variable Vectorial 3. CAP III: Integración Vectorial 4. CAP IV: Teoremas Integrales de Análisis Vectorial 5. CAP V : Coordenadas Curvilíneas 6. CAP VI: Análisis Tensorial 7. Bibliografía Resumen: Un resumen de Matemática Vectorial, de la Universidad Mayor de San Andrés, dictada en la Facultad de Ingeniería. CAPITULO I: FUNCIONES VECTORIALES DE VARIABLE REAL INTRODUCCION. Si t es una variable escalar, entonces una función escalar f asigna a cada t en un intervalo único escalar f(t) llamado valor de f en t. En general la variable representa el tiempo, un conjunto de coordenadas o parámetros cualesquiera. DEFINICION Y NOTACION. Una función vectorial de variable real es una regla que hace corresponder a un número real un valor 3 3 2 1 2 2 1 : ˆ ) ( ˆ ) ( ˆ ) ( ) ( : ˆ ) ( ˆ ) ( ) ( R R g k t g j t g i t g t g R R f j t f i t f t f Interpretación. Sea: k t f j t f i t f t f ˆ ) ( ˆ ) ( ˆ ) ( ) ( 3 2 1 Para cada t existe un vector de posición (equacion) Cuyo punto inicial se encuentra en el origen de coordenadas del sistema cartesiano rectangular y el punto final especifica el punto P en el espacio Cuando t varia, se dice que t se mueve Así por igualdad de vectores se dice: r t f ) ( De esta manera se tiene: ) ( ); ( ); ( 3 2 1 t f z t f y t f x Es la ecuación paramétrica de la curva C

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tensores y vectores

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    Anlisis vectorial y tensorial

    Nasjo Baldwin - [email protected]

    1. CAP I: Funciones Vectoriales de Variable Real

    2. CAP II : Funciones Vectoriales de Variable Vectorial

    3. CAP III: Integracin Vectorial

    4. CAP IV: Teoremas Integrales de Anlisis Vectorial

    5. CAP V : Coordenadas Curvilneas

    6. CAP VI: Anlisis Tensorial

    7. Bibliografa

    Resumen: Un resumen de Matemtica Vectorial, de la Universidad Mayor de San Andrs, dictada en la

    Facultad de Ingeniera.

    CAPITULO I: FUNCIONES VECTORIALES DE VARIABLE REAL

    INTRODUCCION.

    Si t es una variable escalar, entonces una funcin escalar f asigna a cada t en un intervalo nico escalar f(t)

    llamado valor de f en t. En general la variable representa el tiempo, un conjunto de coordenadas o

    parmetros cualesquiera.

    DEFINICION Y NOTACION.

    Una funcin vectorial de variable real es una regla que hace corresponder a un nmero real un valor

    3

    321

    2

    21

    :)()()()(

    :)()()(

    RRgktgjtgitgtg

    RRfjtfitftf

    Interpretacin.

    Sea: ktfjtfitftf )()()()( 321

    Para cada t existe un vector de posicin (equacion) Cuyo punto inicial se encuentra en el origen de

    coordenadas del sistema cartesiano rectangular y el punto final especifica el punto P en el espacio

    Cuando t varia, se dice que t se mueve

    As por igualdad de vectores se dice:

    rtf

    )(

    De esta manera se tiene:

    )();();( 321 tfztfytfx

    Es la ecuacin paramtrica de la curva C

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    La curva C tambin se conoce con el nombre de Hodografia de la funcin vectorial r (t) por lo tanto podemos

    concluir que una funcin vectorial es la representacin de una curva en el espacio.

    Sea:

    2

    2;

    2

    2;

    2

    2

    2

    22

    22

    2)(

    2

    2

    22

    2

    2

    22

    t

    tz

    t

    ty

    t

    tx

    kzjyixr

    kt

    tj

    t

    ti

    t

    ttf

    Por otro lado

    t 0 1 2 3

    r r1 r2 r3 r4

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    1

    44

    44

    2

    448

    2

    2

    2

    4

    2

    4

    222

    24

    24

    22

    242

    22

    22

    22

    2

    22

    2222

    zyx

    tt

    tt

    t

    ttt

    t

    t

    t

    t

    t

    tzyx

    Como:

    yx

    LMITES Y CONTINUIDAD.

    Se dice que el lmite de una funcin f(t) es un vector a cuando t t0, excepto para el valor t0 entonces a es un vector lmite de f(t) cuando t se acerca t0 esto se expresa como:

    atfLimtt

    0

    )( Para todo numero real 00

    ott

    atf

    0

    )(

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    Esta definicin se vuelve el limite de una funcin escalar si se reemplaza f(t) por una funcin escalar y el

    vector a por un escalar.

    kajaiata

    ktfjtfitftf

    )(

    )()()()(

    321

    321

    0000

    )()()()( 321tttttttt

    ktfLimjtfLimitfLimtfLim

    Lo anterior se resume en:

    332211

    000

    )(;)(;)( atfLimatfLimatfLimtttttt

    Continuidad.

    f(t) es continua en to si cumple:

    a) Si 0

    )(tt

    tfLim

    existe

    b) Si )(tf

    tambin existe

    c) a) = b)

    Ejemplo:

    Hallar el lmite:

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    kji

    kjt

    Cosi

    Sen

    kt

    Limjt

    tCosLimi

    tSenLim

    kt

    jt

    tCosi

    tSenLim

    kt

    jt

    tCosi

    tSentfLim

    ttt

    t

    t

    2

    120

    2

    1)(1

    )(

    2

    1)(1

    )(

    2

    1)(1

    )(

    2

    1)(1

    )()(

    Estudiar la continuidad de: f(t) en t=1

    kjitfLim

    kjitfLim

    kjt

    tLni

    t

    eeLim

    t

    t

    t

    t

    200)(

    20

    00

    0)(

    21

    )(1

    1

    1

    1

    Por L`Hopital

    kjieLim

    t

    t

    tLnLim

    eee

    t

    eeLim

    t

    t

    tt

    t

    2

    11

    1

    1

    )(

    11

    1

    1

    1

    1

    1)2,1,()1( tetf

    12;121

    )(1

    )(

    tkjietkj

    t

    tLni

    t

    eetf

    t

    DERIVADA DE FUNCIONES VECTORIALES.

    La derivada de f(t) se define como:

    t

    tfLim

    t

    tfttfLim

    t

    t

    )(

    )(

    0

    0

    ktfjtfitftf

    t

    tfttfLimtf

    i

    ii

    ti

    )()()()(

    )()()(

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    1

    0

    1

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    Reglas de Derivacin.

    Sean )(),(),( thtgtf

    funciones vectoriales y )(t una funcin escalar

    1)

    )()()()( tgdt

    dtf

    dt

    dtgtf

    dt

    d

    2)

    )()()()()()( tdt

    dtftf

    dt

    dttft

    dt

    d

    3)

    )()()()()()( tgdt

    dtftf

    dt

    dtgtftg

    dt

    d Escalar

    4)

    )()()()()()( tgdt

    dtftf

    dt

    dtgtftg

    dt

    d Vector

    5)

    )()()()()()()()()()()()( thdt

    dtgtfthtg

    dt

    dtfthtgtf

    dt

    dthtgtf

    dt

    d

    6)

    )()()()()()()()()()()()( th

    dt

    dtgtfthtg

    dt

    dtfthtgtf

    dt

    dthtgtf

    dt

    d

    7) Regla de la cadena

    ds

    dttf

    dt

    dtf

    ds

    d)()(

    Ejemplo:

    wtwt ebear

    ; donde a y b son vectores constantes, satisfacen la ecuacin 022

    2 tw

    dt

    rd

    Resolviendo:

    wtwt

    wtwt

    ewbewadt

    rd

    webweadt

    rd

    22

    2

    2

    Reemplazando:

    022

    2

    2

    2

    rwrw

    ebeawdt

    rd wtwt

    INTERPRETACION GEOMETRICA DE LA DERIVADA.

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    La derivada de una funcin 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) ser la velocidad instantnea

    DERIVADAS DE ORDEN SUPERIOR.

    Las derivadas de orden superior de una funcin vectorial, se define en forma similar a la de un valor escalar

    de una sola variable.

    2

    2 )()(

    dt

    tfd

    dt

    tdf

    dt

    d

    Ejemplo:

    Hallar: )(),(),( 111111 trtrtr

    luego calcular )()()( 111111 trtrtr

    khtjtasenitatr )()cos()(

    kjtaitasentr

    kjtasenitatr

    khjtaitasentr

    khtjtasenitatr

    0)cos()()(

    0)()cos()(

    )cos()()(

    )()cos()(

    111

    11

    1

    Calculamos: )()()( 111111 trtrtr

    22222111111 )()(cos0)cos()(

    0)()cos(

    )cos()(

    )()()( hatsenatah

    tatasen

    tasenta

    htatasen

    trtrtr

    Por otro lado;

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    kajthaithasen

    tasenta

    htatasen

    kji

    trtr )cos()(

    0)()cos(

    )cos()()()( 2111

    22111

    4222222111

    )()(

    )(cos)()()(

    ahatrtr

    atahtsenahtrtr

    LONGITUD DE CURVA.

    Si Una curva en el espacio esta representada por, f(t) para un intervalo bta entonces la longitud de la curva L esta dad por la siguiente expresin:

    b

    a

    dttfL )(1

    2222 )()()()( dzdydxds Multiplicado por 2)(

    1

    dt

    ds es diferencial de arco

    kzjyixr

    ktfjtfitftf

    )()()()( 321

    Ecuaciones parametricas

    )();();( 321 tfztfytfx

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    2

    3

    2

    2

    2

    1

    2

    3

    2

    2

    2

    1

    2

    2222

    )()()(

    )()()(

    dt

    tdf

    dt

    tdf

    dt

    tdf

    dt

    ds

    dt

    tdf

    dt

    tdf

    dt

    tdf

    dt

    ds

    dt

    dz

    dt

    dy

    dt

    dx

    dt

    ds

    b

    a

    b

    a

    L

    dttfL

    dttfdsdttfds

    tftftfdt

    ds

    )(

    )()(

    )()()(

    1

    1

    0

    2

    1

    21

    2111

    La longitud de arco S(t) es una funcin de la variable escalar t desde un punto fijo hasta t

    t

    a

    dttftS )()( 1

    Ejemplo:

    Encontrar TyLtStS

    ),(),( 1 en el intervalo 20 t

    Si khtjtasenitar )()cos(

    22

    2

    0

    22

    221

    22

    0

    22

    221

    222221

    1

    2

    )(

    )(

    )(

    )(

    )(cos)()(

    )()(

    haL

    dthaL

    hatS

    thatS

    dthatS

    hatr

    htatsenatr

    dttrtS

    t

    t

    a

    Vector tangente unitario

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    22

    )cos()(

    ha

    khjtaitasenT

    dS

    rdT

    CURVATURA.

    El vector unitario normal N

    se define como:

    NKdS

    Td

    Donde K es la curvatura

    31

    111

    )(

    )()(

    tr

    trtrK

    Radio de curvatura

    K

    1

    TORSION.

    La torsin de una curva C se define como:

    NdS

    dB

    2111

    111111

    )()(

    )()()(

    trtr

    trtrtr

    Y el radio de torsin

    1

    COMPONENTE NORMAL Y TANGENCIAL DE LA ACELERACION.

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    La rapidez v(t) de una partcula en el instante t es la magnitud del vector velocidad )(tv

    , si S es el arco que

    mide la distancia de la partcula desde su punto de partida sobre un camino C desde su partida.

    )()( 11 tStr

    dS

    rdTv

    dS

    rdT

    dt

    dSTv

    )1.......(

    )(

    )(

    )(

    2

    2

    Nv

    Tdt

    dva

    dt

    vdTvNKa

    dt

    dvTtv

    dt

    dS

    dS

    Tda

    dt

    dvTtv

    dt

    Td

    dt

    vda

    tvTv

    NaTaa NT

    )(

    )()(

    )(

    )()(

    1

    111

    1

    111

    tr

    trtra

    tr

    trtra

    N

    T

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    TRIEDRO MOVIL.

    01

    01

    01

    BNNTBT

    BTBNTB

    NTTBNN

    Formulas de Frenet

    TKBdS

    Nd

    NdS

    Bd

    NKdS

    Td

    CAPITULO II: FUNCIONES VECTORIALES DE VARIABLE VECTORIAL

    DEFINICION Y NOTACION.

    Una funcin vectorial es una regla que a cada vector x

    de Rn le asigna como imagen otro vector )(xf

    de

    Rm.

    Ejemplo:

    )2,1,3()2,1,21()2,1(

    ),,(),(

    f

    yxyxyxf

    Ejemplo:

    Hallar el dominio para la siguiente funcin vectorial

    xy

    xyxyyxfxf

    2,),()( 2

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    - No debe existir la divisin por cero

    - No se admite races complejas

    - No se admiten logaritmos complejos

    xyxyD

    xyxyD

    2

    2

    :

    00:

    CONJUNTO DE NIVEL.

    Sea F

    una f

    de Rn en R se denomina conjunto de nivel cxfxC )(:

    c es constante.

    Cuando n = 2 hablamos de una curva de nivel

    Cuando n = 3 hablamos de una superficie de nivel

    Si

    cyx

    yxxf

    RRDf

    1

    )1()(

    : 2

    4..............3

    3..............2

    2..............1

    1..............0

    yxc

    yxc

    yxc

    yxc

    LMITES Y CONTINUIDAD.

    Si nRD se dice que D es un conjunto abierto si para todo nz 0

    esfera contenida en D

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    4 xyxyD

    Se dice que un conjunto n si su complemento

    Ejemplo:

    4 xyxyD

    Dado un punto D se llama punto frontera al punto para el cual cualquier esfera contiene puntos del conjunto

    y puntos que no estn en el conjunto.

    4 xyxyD

    LIMITE

    00)(

    :

    0

    AxfLim

    RRf

    xx

    mn

    Condiciones para que exista limite

    0

    )(

    xx

    Axf

    Propiedades.

    a)

    AcxfLimcxfcLimxxxx

    )()(

    00

    b)

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    BxgLimxx

    )(

    0

    c)

    BAxgLimxfLimxgxfLimxxxxxx

    )()()()(

    000

    Se dice que una funcin vectorial es continua si mn RRf

    )()( 00

    xfxfLimxx

    DERIVADAS PARCIALES.

    La derivada parcial fu de f

    con respecto a u se define mediante la siguiente notacin

    w

    wvufwwvufLim

    w

    ff

    v

    wvufwvvufLim

    v

    ff

    u

    wvufwvuufLim

    u

    ff

    ww

    vv

    uu

    ),,(),,(

    ),,(),,(

    ),,(),,(

    0

    0

    0

    kfjfiff 321

    v

    f

    vf

    u

    f

    vf

    u

    f

    uf

    vv

    vu

    uu

    Propiedades.

    f

    y g

    son funciones vectoriales, es funcin escalar

    1)

    u

    ff

    uf

    u

    2)

    u

    g

    u

    fgf

    u

    3)

    u

    gfg

    u

    fgf

    u

    4)

    u

    gfg

    u

    fgf

    u

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    Ejemplo:

    kuvwjwvuseniwvLnuwvuff )cos()()(),,( 222

    Hallar

    kjwusenif

    kuwjwvuiwLnuf

    kjwvuseniwvLnf

    kvwjwvuiwuvLnf

    ff

    vv

    v

    uu

    u

    vvuu

    0)cos()(0

    )cos(2)cos()(

    0)cos()()(2

    )cos()cos()(2

    ;

    22

    2

    22

    DERIVADA DIRECCIONAL Y GRADIENTE.

    Sea f RRD n una funcin escalar, una funcin definida en el conjunto abierto de DxRD n

    , un

    punto de D se define la derivada de la funcin f en x

    , en la direccin del vector unitario e

    denotado por:

    )()(

    xfeDe

    xf

    Se puede interpretar la derivada de una funcin de 2 variables

    RRDf 2:

    En un punto x0 y y0 que pertenece a D ahora (x0,x0) = (0,0), sea 1;),(cos2 eRsene

    El vector unitario en la direccin del cual calculamos la derivada de la funcin f

    en el origen, consideremos

    el plano 0cos yxsen , este es un plano perpendicular al plano, z = 0 que contiene al vector unitario

    e

    .

    La interseccin 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 direccin del vector unitario e

    es la pendiente de la recta tangente a

    esa curva en el punto (0,0)

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    RRDf 2:

    Ejemplo:

    Calcular la derivada direccional para:

    2

    1)(

    2

    12

    2

    13

    )(

    232

    122

    2

    133

    )(

    )23(2

    12

    2

    13

    )(

    2

    1,

    2

    123),()(

    0

    0

    0

    xfeD

    h

    hh

    LimxfeD

    h

    yxhyhx

    LimxfeD

    h

    yxhyhx

    LimxfeD

    eyxyxfxf

    h

    h

    h

    Gradiente

    El gradiente de una funcin escalar es un vector

    RRDf n :

    z

    xf

    y

    xf

    x

    xff

    )(,

    )(,

    )(

    Operador Nabla

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    kx

    jy

    ix

    Ejemplo.

    Hallar el gradiente de )tan()cos()( zyxsenf en el punto )4

    ,4

    ,4

    (

    1,2

    1,

    2

    1

    )4

    (sec)4

    cos()4

    ()4

    tan()4

    ()4

    ()4

    tan()4

    cos()4

    cos(

    )(sec)cos()()tan()()()tan()cos()cos(

    )tan()cos()(

    2

    2

    f

    ksenjsensenif

    kzyxsenjzysenxsenizyxf

    zyxsenf

    TEOREMAS Y PROPIEDADES.

    Sea f y g dos funciones esclares y c una constante

    1)

    )()( xfcxcf

    2)

    )()()()( xgxfxgxf 3)

    )()()()()()( xgxfxgxfxgxf 4)

    2)()()()()(

    )(

    )(

    xg

    xgxfxgxf

    xg

    xf

    INTERPRETACION GEOMETRICA DEL GRADIENTE.

    Sea f : RRD 3 una interpretacin del gradiente cuando la f(x) = c, f(x,y,z) = c, c es una constante, entonces el gradiente es normal a la superficie.

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    Diferencia total de f

    dzz

    fdy

    y

    fdx

    x

    fdf

    Ahora una C en el espacio esta representada por el )(tr

    )()(0

    )()()()(

    trxf

    dt

    dz

    z

    f

    dt

    dy

    y

    f

    dt

    dx

    x

    f

    dt

    df

    ktzjtyitxtr

    Teorema

    Si f tiene se cumple que la derivada direccional va a estar dada por:

    reexfxfeD

    )()(

    Teorema

    El valor mximo de la derivada direccional es igual al modulo del gradiente

    )()( max xfxfeD

    Teorema

    uu

    fuf

    kz

    uj

    y

    ui

    x

    u

    u

    fuf

    kz

    u

    u

    fj

    y

    u

    u

    fi

    x

    u

    u

    fuf

    )(

    )(

    )(

    DIVERGENCIA.

    Sea 33: RRDf

    kfjfiff 321

    Donde f1, f2, f3 son funciones escalares

    La divergencia ser el producto:

    z

    f

    y

    f

    x

    fkfjfifk

    zj

    yi

    xf

    321321

    PROPIEDADES DE LA DIVERGENCIA.

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    Sea f

    y g

    dos funciones vectoriales y una funcin escalar

    1)

    gfgf

    )( 2)

    fff

    )( 3)

    gffggf

    )(

    Ejemplo:

    Si kzjyixrf

    Calcular la divergencia

    3

    )(

    z

    z

    y

    y

    x

    xr

    kzjyixkz

    jy

    ix

    r

    Ejemplo:

    Hallar la divergencia de ))(( rrf

    )(3)(

    ))((

    )(3)(

    ))((

    )(3)(

    ))((

    )()())((

    rfr

    rfrrrf

    rfrr

    r

    r

    rfrrf

    rfrrr

    rfrrf

    rrfrrfrrf

    ROTACIONAL.

    Si f

    una funcin vectorial si es una funcin escalar con segundas derivadas parciales.

    Donde:

    ),,(),,(),,( 321 zyxfzyxfzyxff

    f

    rotacional de f

    321

    fff

    zyx

    kji

    f

    PROPIEDADES.

    1)

    gfgf

    )(

    2)

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    fff

    )(

    3)

    )()()( fgfggf

    Demostrar que:

    zyx

    zyx

    kji

    kz

    jy

    ix

    0

    0

    k

    yxyxj

    zxzxi

    zyzy

    OPERADOR DE LAPLACE.

    La divergencia del gradiente se expresa como:

    2 Laplaciano

    2

    2

    2

    2

    2

    22

    zyx

    Se dice que una funcin escalar es armnica si es continua tiene segundas derivadas parciales continuas

    y satisface la ecuacin de Laplace.

    es armnico 02

    Demostrar que r

    1 es armnico:

    01

    331

    331

    1

    )()(

    2

    332

    352

    332

    31

    r

    rrr

    rrrrr

    rrrrr

    rrr

    Operaciones con el y algunas identidades vectoriales.

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    1)

    fggf

    )()(

    2)

    ff )(

    3)

    frf

    )(

    4)

    fdfrd

    )(

    CAPITULO III: INTEGRACION VECTORIAL

    INTRODUCCION.

    Una curva C en el intervalo de bta se representa mediante la funcin vectorial:

    Vector posicin ktzjtyitxtr )()()()(

    Vector desplazamiento kdzjdyidxrd

    INTEGRALES DE LINEA.

    - C

    rd

    funcin escalar

    - C

    frdf

    funcin vectorial

    - C

    frdf

    funcin vectorial

    Tambin tenemos:

    CCC

    rdfrdfrd

    ;;

    Ejemplo:

    yxzxy 222

    La curva esta dada por. 32 ;; tztytx desde t = 0 hasta t = 1

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    1

    0

    1

    0

    1

    0

    4824848

    2434

    23

    2

    22

    )2(3)2(2)2(

    )32)()(2(

    3

    2

    ))(2(

    kdttttjdttttidtttrd

    kdttjtdtidtttttrd

    dttdztz

    tdtdyty

    dtdxtx

    kdzjdyidxyxzxyrd

    kjiktt

    jtt

    itt

    rd 77

    7515

    1145

    19711

    23

    610

    22

    59

    21

    0

    7111

    0

    6101

    0

    59

    INDEPENDENCIA DE LA TRAYECTORIA.

    La integral de lnea C

    rdf

    es independiente de la trayectoria de integracin desde el punto P hasta el

    punto Q si el campo vectorial satisface la ecuacin f

    donde es una funcin escalar continua o

    funcin potencial.

    TfS

    dSTfdSdS

    drfrdf

    PQ

    drdrdf

    Q

    P

    Q

    P

    Q

    P

    C

    Q

    P

    Q

    P

    )()(

    0)(

    0

    Tf

    TTf

    TTf

    Si f

    T

    es un vector unitario tangente en cualquier direccin.

    Tambin se cumplir que:

    00

    f

    En kRjQiPfR 3

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    ),,(

    ),,(

    ),,(

    zyxRR

    zyxQQ

    zyxPP

    Funciones escalares

    kjiky

    P

    x

    Qj

    x

    R

    z

    Pi

    z

    Q

    y

    R

    RQP

    zyx

    kji

    f 000

    y

    P

    x

    Q

    y

    P

    x

    Q

    x

    R

    z

    P

    x

    R

    z

    P

    z

    Q

    y

    R

    z

    Q

    y

    R

    0

    0

    0

    INTEGRALES DE LINEA RESPECTO AL ARCO.

    C

    ds donde funcin escalar; ds diferencial de arco

    dtdt

    dz

    dt

    dy

    dt

    dxds

    dttrds

    222

    )(

    Ejemplo:

    Hallar C

    ds donde 222 zyx en la curva C: 20cos tkbtjasentitar

    22222 )cos()()(

    cos)(

    babtasenttr

    kbjtaiasenttr

    Reemplazando 222 )()()cos( btasentta

    222 tba Por lo tanto

    2

    0

    32222

    2

    0

    22222

    2

    0

    22222

    3

    )(

    ))((

    tbtabads

    dttbabads

    dtbatbads

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    38

    232

    222 b

    abads

    APLICACIN DE LAS INTEGRALES CURVILINEAS.

    Sea ),,( zyxf 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:

    dsM

    Las coordenadas del centro de gravedad estn dadas por: ),,( 000 zyx de esta curva y se expresan de la

    siguiente manera:

    M

    dszz

    M

    dsyy

    M

    dsxx

    0

    0

    0

    TRABAJO.

    El trabajo W realizado para mover una partcula a lo largo de una curva C desde el punto 1 hasta el punto 2.

    Se define mediante la integral de lnea: 2

    1

    rdFW

    Si 00 WrdFrdF

    Ejemplo:

    Demostrar para una masa constante m el trabajo para ir del punto 1 al punto 2 esta dado por:

    )(2

    1 21

    2

    2 vvmW

    dt

    vdmamF

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    2

    1

    2

    1

    2

    1

    vdvmW

    dt

    rdvdmW

    rddt

    vdmW

    Si vdvvdvvvdvvd

    2)(

    )(2

    1

    2

    1

    )(2

    1

    )(2

    1

    2

    1

    2

    2

    22

    1

    2

    1

    vvmW

    mvW

    vvmW

    vvdvdv

    v

    v

    v

    v

    SUPERFICIE PARAMETRIZADA.

    Una superficie puede representarse tambin mediante ecuaciones parametricas

    Tambin una superficie se representa por:

    ),(),(),( vuzzvuyyvuxx

    Si v = Cte se vuelve una expresin paramtrica de un solo parmetro 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 vara cuando u = Cte

    El lugar geomtrico u = Cte y v = Cte, se denomina superficie:

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    kvuzjvuyivuxvurr ),(),(),(),(

    Ejemplo:

    2222 Rzyx

    Parametrizada es:

    kuRjRsenusenvivRsenur

    uRz

    Rsenusenvy

    vRsenux

    coscos

    cos

    cos

    Es una esfera completa:

    u

    v

    0

    20

    20

    20

    0

    2

    20

    0

    u

    v

    zu

    v

    z

    Si la superficie esta definida en el punto ),( 000 vuP si el producto vectorial:

    0

    v

    r

    u

    r

    El plano tangente de la superficie en ),( 00 vur

    es el plano cuya normal es igual a:

    v

    r

    u

    rn

    Entonces el plano tangente esta dado por la normal

    0)( 0 nrr

    AREA DE UNA SUPERFICIE PARAMETRIZADA.

    El elemento diferencial de superficie de un vector esta dado por Sd

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    (*)

    )1(

    v

    r

    u

    rn

    v

    r

    u

    r

    v

    r

    u

    r

    v

    r

    u

    r

    n

    dudvv

    r

    u

    rSd

    dudvv

    r

    u

    rSd

    dvv

    rdu

    u

    rSd

    (*) en (1)

    dSnSd

    dudvv

    r

    u

    rnSd

    )2(

    El rea de una superficie paramentrica ser integrando la ecuacin (2)

    S

    S

    dudvv

    r

    u

    rSA

    dudvv

    r

    u

    rSd

    )(

    kv

    zj

    v

    yi

    v

    x

    v

    r

    ku

    zj

    u

    yi

    u

    x

    u

    r

    v

    z

    v

    y

    v

    xu

    z

    u

    y

    u

    x

    kji

    v

    r

    u

    r

    dxdyy

    z

    x

    zSA

    dudvvu

    yxJ

    vu

    xzJ

    vu

    zyJSA

    kvu

    yxJj

    vu

    xzJi

    vu

    zyJ

    v

    r

    u

    r

    ku

    y

    v

    x

    v

    y

    u

    xj

    u

    z

    v

    x

    v

    z

    u

    xi

    u

    z

    v

    y

    v

    z

    u

    y

    v

    r

    u

    r

    S

    S

    22

    222

    1)(

    ,

    ,

    ,

    ,

    ,

    ,)(

    ,

    ,,

    ,,

    ,

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    INTEGRALES DE SUPERFICIE DE FUNCIONES ESCALARES.

    Se consideran las siguientes integrales

    a) ds b) ds donde es una funcin escalar

    METODO DE INTEGRACION DE COORDENADAS CILINDRICAS EN LAS SUPERFICIES.

    Cuando se trabaja con cilindros, se puede facilitar el clculo de las integrales de superficie mediante la

    introduccin de coordenadas cilndricas.

    zz

    rseny

    rx

    ryx

    cos

    222

    kzjrsenirr cos

    dzdz

    rrsd

    dzdz

    rrsd

    dudvv

    r

    u

    rsd

    kjiz

    r

    kjrirsenr

    00

    0cos

    jrsenirrrsen

    kjirr cos

    100

    0cos

    dzrdSA

    dssenrrSAS

    )(

    cos)( 2222

    APLICACIONES FISICAS.

    Las integrales de superficie se usan para calcular centros de masa, momentos de inercia y campos

    electromagnticos de placas curvilneas delgadas.

    Centros de Masa.

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    dssM )(

    Donde es la densidad y M es la masa

    M

    dszz

    M

    dsyy

    M

    dsxx CCC

    OTRAS EXPRESIONES DE INTEGRALES DE SUPERFICIE.

    dxdyZZzyxfdszyxf yx 221),,(),,(

    Donde xyR es la proyeccin de S respecto al plano xy

    INTEGRALES DE SUPERFICIE DE FUNCIONES VECTORIALES.

    Definiendo las integrales de funciones vectoriales sobre superficies tenemos: Sea la funcin vectorial

    definida sobre una superficie la cual esta parametrizada mediante el vector de posicin:

    kvuzjvuyivuxvurr ),(),(),(),(

    Escalar

    dudv

    v

    r

    u

    rfsdf

    Vectorial dsnsdsdf

    Ejemplo:

    Hallar el flujo rf

    a travs de la superficie de la esfera 2222 Rzyx

    R

    z

    R

    y

    R

    xn

    zyx

    zyxn

    zyx

    zyxn

    ,,

    ,,

    444

    2,2,2

    222

    222

    32

    222

    4)4(

    ,,),,(

    RRRdsRRds

    dsR

    zyx

    dsR

    z

    R

    y

    R

    xzyx

    INTEGRALES DE VOLUMEN.

    El dV esta dado por dV = dxdydz las integrales de volumen que se consideran en este capitulo son:

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    dVf

    dV

    Escalares

    dVf

    Vectorial

    Ejemplo:

    Si 1),,( zyx y R es la regin que representa un volumen V

    VdV

    dV

    dV

    R

    R

    R

    )1(

    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 integracin vectorial.

    i) Teorema de Green

    ii) Teorema de Gauss

    iii) Teorema de Stokes

    TEOREMA DE GREEN.

    Considerado f

    una funcin vectorial

    jQiPf

    Donde ),(

    ),(

    yxQQ

    yxPP

    RC

    dxdydy

    dP

    dx

    dQrdf

    Siempre y cuando P y Q son continuas en una regin R adems existen sus 1 derivadas parciales.

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    Mediante la aplicacin del teorema de Green se podr determinar el rea de algunas figuras planas.

    Demostracin:

    C

    ax

    bx

    bx

    ax

    ax

    bx

    bx

    ax

    bx

    ax

    y

    y

    PdxdxyxPdxyxPdxyxP

    dxyxPyxPdxyxPdxdydy

    dP

    dxdydy

    dP

    dx

    dQrdf

    ),(),(),(

    ),(),(),(

    111121

    1121

    2

    1

    Por otro lado:

    C

    cy

    dy

    cy

    dy

    cy

    dy

    cy

    dy

    cy

    dy

    x

    x

    QdydyyxQdyyxQdyyxQ

    dyyxQyxQdyyxQdxdydx

    dQ

    ),(),(),(

    ),(),(),(

    111121

    1121

    2

    1

    Demostramos que:

    dxdydy

    dP

    dx

    dQrdf

    El Teorema de Green puede expresarse en forma vectorial de la siguiente manera:

    RC

    dxdyKfrdf

    TEOREMA DE LA DIVERGENCIA EN EL PLANO.

    Tambin se conoce como teorema de la divergencia y se expresa:

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    RC

    dxdyfdsnf

    dttrds

    jds

    dyi

    ds

    dx

    ds

    rdT

    KTn

    )(

    Ejemplo:

    C

    C

    QdyPdx

    jdxidyjPiQ

    dsjs

    xi

    s

    yjPiQ

    is

    yj

    s

    xn

    kjs

    yki

    s

    xn

    kjs

    yi

    s

    xn

    yxPP

    yxQQjPiQf

    )()(

    )(

    ),(

    ),(

    Por otro lado:

    dxdyy

    P

    x

    Q

    y

    P

    x

    Qf

    jPiQf

    R

    )(

    TEOREMA DE STOKES.

    El teorema de Stokes establece que si S es una superficie limitada por una curva cerrada C y f

    es una

    funcin vectorial que tiene 1 derivadas parciales continuas sobre una superficie S y la curva C.

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    Entonces se puede expresar que integral de lnea: Circulacin de f

    SC

    sdfrdf

    Flujo del rotacional a travs de S

    Interpretacin fsica:

    Establece que la circulacin total alrededor de una curva C es igual al flujo del rotacional

    ),,(

    ),,(

    ),,(

    zyxRR

    zyxQQ

    zyxPP

    kRjQiPf

    En coordenadas rectangulares el teorema de Stokes esta dado por:

    RQP

    zyx

    kji

    f

    RdzQdyPdxrdfC

    ky

    P

    x

    Qj

    x

    R

    z

    Pi

    z

    Q

    y

    R

    Por otro lado:

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    kdsjdsidsdsnsd

    kjin

    dsnsd

    sdky

    P

    x

    Qj

    x

    R

    z

    Pi

    z

    Q

    y

    Rdsf

    coscoscos

    coscoscos

    )coscos(cos kdsjdsidsk

    y

    P

    x

    Qj

    x

    R

    z

    Pi

    z

    Q

    y

    Rdsf

    dsdxdy

    ds

    dxdy

    cos

    cos

    Por lo tanto:

    RxyRzxRyzC

    dxdyy

    P

    x

    Qdxdz

    x

    R

    z

    Pdydz

    z

    Q

    y

    RRdzQdyPdx

    TEOREMA DE GAUSS O TEOREMA DE LA DIVERGENCIA.

    La definicin de divergencia esta dada como:

    S

    Vsdf

    VLimfdiv

    10

    El teorema de la divergencia o Gauss es una definicin de una generacin.

    Por lo tanto:

    SR sdfdVf

    Ejemplo:

    2222222 RzyxRzyx

    dsnfsdf

    kzjyixr

    rf

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    R

    z

    R

    y

    R

    xn

    zyx

    zyxn

    zyx

    zyxn

    ,,

    ,,

    444

    2,2,2

    222

    222

    32

    222

    4)4(

    ,,),,(

    RRRdsRRds

    dsR

    zyx

    dsR

    z

    R

    y

    R

    xzyx

    Por divergencia:

    33 43

    433

    3

    RRdV

    f

    rf

    TRANFORMACION DE INTEGRALES DE VOLUMEN A INTEGRALES DE SUPERFICIE.

    Teorema de Gauss.

    El teorema de Gauss representa una transformacin de una integral de volumen a una integral de

    superficie.

    SR sdfdVf

    Teorema del Gradiente.

    Expresa que la funcin es una funcin escalar continua en una regin R limitada por una superficie S.

    Se tiene:

    SR sddV

    Teorema del rotacional.

    Expresa que si f

    es una funcin vectorial contina en una regin R limitada por una superficie S.

    SR fsddVf

    CAPITULO V: COORDENADAS CURVILINEAS

    INTRODUCCION.

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    02

    Ejemplo:

    Si )(ruu donde 222 zyxr y r

    esta expresado en coordenadas esfricas

    cr

    ru

    ru

    2)(

    ?)(

    2

    2

    COORDENADAS CURVILINEAS.

    Llamamos superficies coordenadas cuando:

    cteccc

    cwcvcu

    321

    321

    ,,

    ;;

    La interseccin entre estas superficies coordenadas se conoce como lneas coordenadas

    wvu ,, Lneas coordenadas

    WVU eee ,, Vectores unitarios normales

    wvu eee ,, Vectores unitarios tangentes

    Las ecuaciones que relacionan los sistemas coordenados y curvilneos son:

    0,,

    ,,0

    ,,

    ,,

    ),,(

    ),,(

    ),,(

    ),,(

    ),,(

    ),,(

    : 1

    zyx

    wvuJ

    wvu

    zyxJ

    zyxww

    zyxvv

    zyxuu

    T

    wvuzz

    wvuyy

    wvuxx

    T

    Vectores unitarios tangenciales

    )`(

    )`(

    tr

    tr

    ds

    rdT

    ),,( wvurr

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    Vectores unitarios tangenciales

    1

    1

    1

    ww

    vv

    uu

    e

    w

    r

    w

    r

    e

    e

    v

    r

    v

    r

    e

    e

    u

    r

    u

    r

    e

    0

    0

    0

    1

    wv

    wu

    vu

    wvu

    ee

    ee

    ee

    eee

    Vectores unitarios normales

    n

    1

    1

    1

    WW

    VV

    UU

    ew

    we

    ev

    ve

    eu

    ue

    0

    0

    0

    1

    WV

    WU

    VU

    WVU

    ee

    ee

    ee

    eee

    BASES.

    Sistema coordenado

    En el sistema coordenado cartesiano se considera como base a los vectores unitarios kji ,,

    kjiB ,,

    En coordenadas cilndricas se considera vectores base a vectores unitarios tangenciales y normales

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    WVU

    wvu

    WVU

    wvu

    HwHvHu

    w

    rh

    v

    rh

    u

    rh

    eeeB

    eeeB

    ,,

    ,,

    WVU HHH factores de escala

    wvu hhhwvu

    zyxJ

    ,,

    ,,

    Las ternas de vectores

    w

    r

    v

    r

    u

    r

    ,, y ),,( wvu constituyen un conjunto reciproco de vectores

    0

    0

    1

    uw

    r

    uv

    r

    uu

    r

    0

    1

    0

    vw

    r

    vv

    r

    vu

    r

    1

    0

    0

    ww

    r

    wv

    r

    wu

    r

    0

    1

    nm

    nmq

    q

    rmnn

    m

    wvuw

    r

    v

    r

    u

    r

    bbbaaa

    bbbaaa

    1

    )(

    1

    ),,(),,(

    321

    321

    321321

    COORDENADAS CURVILINEAS ORTOGONALES.

    Ww

    Vv

    Uu

    ee

    ee

    ee

    0

    0

    0

    wv

    wu

    vu

    ee

    ee

    ee

    0

    0

    0

    WV

    WU

    VU

    ee

    ee

    ee

    uhu

    r

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    w

    r

    he

    v

    r

    he

    u

    r

    he

    w

    w

    v

    v

    u

    u

    1

    1

    1

    W

    W

    W

    V

    V

    V

    U

    U

    U

    He

    He

    He

    1

    1

    1

    11

    11

    11

    Ww

    W

    w

    Vv

    V

    v

    Uu

    U

    u

    HhH

    h

    HhH

    h

    HhH

    h

    uU

    U

    WVUWVU

    WVWV

    WWVVUU

    WWVV

    VVV

    WVU

    WV

    hH

    e

    u

    r

    eeeHHH

    eeHH

    u

    r

    HeHeHe

    HeHe

    u

    r

    He

    u

    r

    1

    Uu

    U

    Uuu

    ee

    eHhu

    r

    h

    11

    ELEMENTO DIFERENCIAL DE ARCO.

    2222222 )()()()( dwhdvhduhds wvu

    ELEMENTO DIFERENCIAL DE VOLUMEN.

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    wvu

    wvu

    hhhwvu

    zyxJ

    dudvdwhhhdv

    ,,

    ,,

    GRADIENTE.

    ),,(

    111

    wvu

    ewh

    evh

    euh

    w

    w

    v

    v

    u

    u

    DIVERGENCIA.

    Si wwvvuu efefeff

    wvuwvuwvu

    wvu

    hhhw

    hhhv

    hhhuhhh

    f1

    ROTACIONAL.

    wwvvuu

    wwvvuu

    wvu

    fhfhfhwvu

    eheheh

    hhhf

    1

    wwuuvvvvuuvvuuvvww

    wvu

    ehfhv

    fhu

    ehfhw

    fhu

    ehfhw

    fhvhhh

    f )()()()()()(1

    LAPLACIANO EN COORDENADAS CURVILINEAS ORTOGONALES.

    wh

    hh

    wvh

    hh

    vuh

    hh

    uhhh w

    vu

    v

    wu

    u

    wv

    wvu

    12

    COORDENADAS CILINDRICAS.

    kzjsenizrr

    zz

    seny

    x

    cos),,(

    cos

    z

    rh

    z

    r

    he

    rh

    r

    he

    rh

    r

    he

    z

    z

    z

    ;1

    ;1

    ;1

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    1

    coscos

    1coscos

    22

    22

    z

    rk

    z

    r

    senr

    jisenr

    senr

    jsenir

    ke

    jisene

    jsenie

    z

    cos

    cos

    Vectores unitarios Tangenciales

    ZHZ

    Ze

    He

    He

    ZZ

    1

    1cos

    1cos

    ZkZ

    jisen

    jseni

    ke

    jisene

    jsenie

    Z

    cos

    cos

    Vectores Unitarios Normales

    z

    z

    z

    ez

    ee

    ezh

    eh

    eh

    1

    11

    1

    1

    111

    Para 2tan z

    zezeez

    tan2sectan

    22 Gradiente

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    2sec21

    tan1

    1

    f

    zz

    f

    hhhz

    hhhhhhhhh

    f zzzz

    2sec3 f

    Divergencia

    CAPITULO VI: ANALISIS TENSORIAL

    El anlisis 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 transformacin de estas funciones de un sistema coordenado a otro.

    Cuando nuestro estudio se restringe a transformaciones de un sistema de coordenadas homogneas a otro,

    los tensores que interviene son denominados tensores cartesianos.

    Los tensores se clasifican por su orden segn la forma particular a la ley de transformacin que obedecen,

    esta misma clasificacin se refleja en el nmero de componentes que posee un tensor dado en un espacio

    n-dimensional.

    As en un espacio euclidiano tridimensional tal como un espacio fsico ordinario el nmero de componentes

    de un tensor es igual a n3 Donde n es el orden del tensor.

    Si n es igual a cero tenemos 130 Escalar

    Si n es igual a uno tenemos 331 Vector

    Si n es igual a dos tenemos 932 Dada

    Si n es igual a tres tenemos 2733 Triada

    DIADAS Y DIADICAS.

    DIADA.

    Es el producto indeterminado de dos vectores

    ba

    El producto indeterminado de vectores `por lo general no es conmutativo.

    abba

    Al primer vector de una Dada se denomina antecedente y al segundo vector se denomina consecuente.

    DIADICA.

    Una Didica (D) equivale a un tensor de segundo orden y siempre se representa por una suma finita de

    Dadas.

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    N

    i

    iiNN bababababaD1

    332211 ...

    (1)

    Si en cada Dada de D se intercambian los antecedentes y consecuentes la Didica resultante se denomina

    Didica conjugada y se denota como DC

    N

    i

    iiNNC abababababD1

    332211 ...

    Si cada Dada en (1) se reemplaza por un producto escalar de vectores, se llama escalar de la didica y se

    denota por DS :

    NNS babababaD

    ...332211 Escalar

    Si cada dada en (1) se sustituye por un producto vectorial de vectores el resultado se denomina vector de

    la didica y se denota de esta manera:

    NNV babababaD

    ...332211 Vector

    PROPIEDADES DEL PRODUCTO INDETERMINADO DE VECTORES.

    Estas obedecen a las leyes distributivas que son las siguientes:

    bdcbdacadcba

    cbcacba

    cabacba

    MULTIPLICACION DE UNA DIADICA POR UN VECTOR.

    Si V

    es un vector cualquiera los productos escalares DV

    y VD

    son los vectores definidos respectivamente.

    VbaVbaVbaVbaVD

    baVbaVbaVbaVDV

    NN

    NN

    ...

    ...

    332211

    332211 Vectores

    VbaVbaVbaVbaVD

    baVbaVbaVbaVDV

    NN

    NN

    ...

    ...

    332211

    332211 Didicas

    DIADICA UNITARIA.

    Se representa por la letra I

    nneeeeeeeeI ...332211

    ie Vectores unitarios

    Coordenadas rectangulares.

    kkjjiiI

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    Coordenadas cilndricas.

    zzeeeeeeI

    Coordenadas esfricas.

    eeeeeeI rr

    Se cumple que:

    VIVVI

    PROPIEDADES DE DIADAS.

    Definiendo las siguientes Dadas ba

    y dc

    ))(( dbcadcba

    Escalar

    ))((

    ))((

    dbcadcba

    dbcadcba

    Vectores

    ))(( dbcadcba

    Dada

    ))(( dbcadcba

    Se dice que una didica D es auto conjugada o simtrica si:

    CDD

    Se dice que una didica es antisimetrica si:

    CDD

    Cada didica puede ser expresada nicamente como la suma de una didica simtrica y otra antisimetrica

    )(2

    1)(

    2

    1CC DDDDD

    CONVENIO DE SUMA DE INDICES REPETIDOS.

    Cuando algunas sumatorias tenemos:

    i

    iN

    ii

    i

    N

    N

    ii

    N

    i

    iiNN

    N

    i

    iiN

    xxxxxx

    babababababaD

    aaaaaa

    13

    3

    2

    2

    1

    1

    1

    332211

    1

    321

    ...

    ...

    ...

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    Las sumas anteriores se pueden representar o escribir en una forma mas abreviada adaptando el convenio

    de que cuando se aparece un ndice 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 jiji zcx donde el rango de variacin de i, j es de 1 a 3, j es el ndice repetido.

    Desarrollar ix

    33323213133

    32322212122

    31321211111

    3

    2

    1

    zczczczcxi

    zczczczcxi

    zczczczcxi

    jj

    jj

    jj

    3

    2

    1

    333231

    232221

    131211

    3

    2

    1

    z

    z

    z

    ccc

    ccc

    ccc

    x

    x

    x

    NOTACION INDICIAL.

    En la notacin indicial se aaden letras como subndices o superndices que representan la cantidad

    tensorial deseada. (Ejemplo: j

    iij

    j

    i TDba ,,, ) el numero y la posicin de los ndices libres, directamente el

    carcter tensorial exacto de la cantidad expresada por notacin indicial. Los tensores se denotan por que

    tienen un ndice libre, el vector a

    se puede representar de dos formas i

    i aa , a continuacin los siguientes

    trminos que tiene solo un ndice libre se consideran como cantidades tensoriales de primer orden.

    Ejemplo:

    ijicb

    i ndice repetido

    j ndice libre

    TENSORES DE SEGUNDO ORDEN.

    Los tensores de segundo orden se denotan por smbolos que tienen dos ndices libres, la dada arbitrarios D

    aparecen en u8na de las tres formas posibles.

    j

    i

    i

    j

    ij

    ij DDDD

    j

    iD

    En la forma mixta el punto ( ) indica que j es el segundo ndice

    TENSORES DE TERCER ORDEN.

    Los tensores de tercer orden se representan con 3 ndices libres un smbolo lamda ( ) que no acompaa a

    ningn ndice, representa un escala de orden cero. Para un rano de tres en ambos ndices el smbolo ijA

    representa a las componentes del tensor de segundo orden, denominado didica y se representa mediante

    una matriz.

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    333231

    232221

    131211

    AAA

    AAA

    AAA

    Aij

    De la misma manera podemos representar a un vector.

    3

    2

    1

    321

    A

    A

    A

    A

    AAAA

    i

    i

    El convenio de las sumas se usa para la representacin de tensores con vectores base afectados de ndices

    escritos en notacin simblica.

    Los tensores de segundo orden tambin se pueden representar por la suma de los ndices base, segn esto

    la dada ( ba

    ) dada en la forma nonium se puede escribir de la siguiente forma:

    jijijjii eebaebeaba ))((

    En esta expresin es fundamental que se mantengan la secuencia de los vectores base de igual manera

    nonium de la didica arbitraria D se puede expresar en forma abreviada de la siguiente manera

    jiij eeDD

    TRANSFORMACION DE COORDENADAS DE TENSORES.

    Si representamos ix el sistema arbitrario de coordenadas, 321 ,, xxx en un espacio euclidiano

    tridimensional, 3E y por i cualquier otro sistema de coordenadas 321 ,, en el mismo espacio

    tridimensional. A que los superndices son nmeros indicativos y no son exponentes. Las potencias de x se

    pueden expresar usando parntesis 232221 )(;)(;)( xxx Las ecuaciones de transformacin de coordenadas

    estn dadas por:

    ),,( 3211 xxxi (1)

    La cual asigna a un punto cualquiera ),,( 321 xxx en el sistema ix , un nuevo conjunto de coordenadas

    ),,( 321 en el sistema i Se supone que las funciones i que relacionan los dos conjuntos de variables coordenadas son funciones de valor nico, continuas y diferenciales, el determinante:

    3

    3

    2

    3

    1

    3

    3

    2

    2

    2

    1

    2

    3

    1

    2

    1

    1

    1

    xxx

    xxx

    xxx

    J

    (2)

    En forma abreviada se expresa como:

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    i

    i

    x

    (3)

    J se supone el Jacobiano de la transformacin. Si el Jacobiano es diferente de cero tiene un conjunto

    inverso de nico de la forma:

    0);,,( 321 Jxx ii (4)

    Los sistemas de coordenadas representados por iix , en las ecuaciones (1) y (4) son completamente

    generales y pueden ser cualquier sistema o cartesiano. Diferenciando la ecuacin (1) se tiene id que esta

    dado por:

    Diferencial Total. j

    j

    ii dx

    xd

    (5)

    Esta ecuacin 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 transformacin de coordenadas dadas por la

    ecuacin.

    Tensor contravariante de orden uno j

    j

    iii b

    xbb

    ` (6)

    i ndice libre

    j ndice repetido

    Donde las derivadas parciales se calculan en P en la ecuacin (6) jb representa las componentes del

    tensor en el sistema de coordenadas ix mientras que ii bb `, representa las componentes en el sistema i

    En la teora general de los tensores, los tensores contravariantes se reconocen por el empleo de ndices

    escritos como superndices.

    Por esta razn aqu se sealan las coordenadas como ix en vez de ix pero hay que tener en cuenta que

    esto solamente es as para los diferenciales dx y no para las coordenadas mismas que tienen carcter de

    tensor.

    Para una generalizacin lgica del concepto de tensor expresado en la ecuacin (6), la definicin de

    tensores contravariantes de orden dos requiere que los componentes de un tensor obedezcan a la ley de

    transformacin siguiente:

    pq

    q

    j

    p

    iijij B

    xxBB

    ` (7)

    ijij BB ` representa las componentes en el sistema i pqB representa las componentes en el sistema ix

    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 teora general de los

    tensores los tensores covariantes se conocen por el empleo de subndices.

    El prototipo de un vector covariante es la derivada parcial de una funcin escalar de coordenadas.

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    As, si es funcin de 321 ,, xxx

    )`,`,`( 321 xxx es una funcin tal que la derivada parcial de respecto a i es igual a la derivada

    parcial de respecto de j la derivada parcial de:

    i

    j

    ji

    x

    x

    (8)

    En general se dice que un conjunto de cantidades ib que son las componentes de un tensor, componentes

    de orden uno, se transforman mediante la ecuacin:

    ji

    j

    ii bx

    bb

    (9)

    Tensor covariante de primer orden

    i ndice libre

    j ndice repetido

    Los tensores covariantes de segundo orden obedecen la siguiente ley de la conservacin

    pqj

    q

    i

    p

    ijij Bxx

    BB

    `

    Esto se generaliza para tensores de tercer y cuarto orden

    pqrk

    r

    j

    q

    i

    p

    ijk Bxxx

    B

    Se llaman tensores mixtos a los combinados entre contravariantes y covariantes

    i

    jkr

    k

    q

    j

    i

    pp

    qr Axx

    xA

    Contravariante de orden uno y covariante de orden 2. Tensor mixto tres.

    TENSORES DE OREDEN SUPERIOR.

    Estos se definen sin ninguna dificultad, tambin son denominados tensores mixtos

    abc

    dem

    e

    l

    d

    c

    k

    b

    j

    a

    iijk

    lm Gxx

    xxxG

    ESCALARES O INVARIANTES.

    Sea una funcin de la coordenadas kx y la correspondiente en la transformacin de un nuevo

    conjunto de coordenadas kx si se verifica la igualdad la funcin se denomina escalar o invariante

    respecto a la transformacin de coordenadas, dada.

    Los escalares son invariantes en toda la transformacin de coordenadas, y se los conoce como tensor de

    orden cero, tensor simtrico o hemisimetrico. Se dice que un tensor es simtrico 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

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    Para: pqr

    st

    pqr

    st

    pqr

    st

    pqr

    st

    GG

    GG

    Tensor antisimtrico

    OPERACIONES CON TENSORES.

    SUMA Y DIFERENCIA.

    La suma y la diferencia de dos o ms tensores del mismo orden y tipo, es otro tensor de idntico orden y

    tipo.

    ststst

    pqr

    st

    pqr

    st

    pqr

    st

    CBA

    CBA

    MULTIPLICACION.

    El producto de dos tensores del mismo o diferente orden es otro tensor cuyo orden es la suma de los

    rdenes de los tensores dados. A esto se llama producto externo de tensores.

    qr

    st

    r

    t

    pq

    s CBA`*

    CONTRACCION.

    Si en un tensor de iguala un ndice contravariante y covariante, segn el convenio de ndices repetidos,

    debe sumarse respecto de dicho ndice, este otro tensor resultante ser de orden inferior en dos unidades al

    tensor original, este proceso se llama contraccin tensorial.

    pqr

    stG si r = s pq

    t

    pqr

    rt GG

    TENSOR METRICO.

    Si representamos por ix a un sistema de coordenadas cartesianas rectangulares en un espacio euclidiano

    tridimensional y por i a cualquier sistema de coordenadas curvilneo.

    El vector x

    que tiene los componentes cartesianas ix se denomina vector de posicin del punto arbitrario

    ),,( 321 xxxP referido a los ejes cartesianos rectangulares el cuadrado del elemento diferencial de la

    distancia entre dos puntos muy prximos )(xP y )( dxxQ ser la diferencial de rea.

    )2(),,(

    )1(

    )(

    321

    2

    2

    ii

    ii

    ii

    xx

    dxdxsd

    dxdxds

    El diferencial de ix

    p

    p

    ii d

    xdx

    Diferencial de arco

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    pp

    q

    i

    p

    i

    q

    q

    ip

    p

    i

    ddxx

    ds

    dx

    dx

    ds

    2

    2)(

    q

    i

    p

    i

    pq

    xxg

    Tensor mtrico

    qp

    pq ddgds 2)(

    pqg tensor mtrico 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 funcin de combinaciones de las

    derivadas parciales de un tensor mtrico, que se conoce como los smbolos de Christoffel. Los tres ndices

    de Christoffel a las expresiones.

    1 orden

    r

    pq

    p

    qr

    q

    pr

    x

    g

    x

    g

    x

    grpq

    2

    1,

    rpqgpq

    ssr ,

    rqpgqp

    s

    qp

    s

    pq

    s

    rqprpq

    x

    g

    x

    g

    x

    grqp

    rqprpq

    sr

    r

    qp

    q

    pr

    p

    qr

    ,

    ,,

    2

    1,

    ,,

    Como rpqrqp ,,

    rpqggpq

    sg

    qp

    s

    pq

    srpqg

    pq

    s

    sr

    srsr

    sr

    ,

    ,

    sr

    srgg Delta de Kronecker

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    pq

    sgrpq sr,

    BIBLIOGRAFIA

    Anlisis Vectorial y tensorial Sgiegel Coleccin Shaumm

    Anlisis Vectorial Makarenko

    Vectores y tensores Hinkey

    Vectores y tensores Santalo

    Anlisis Vectorial Sokolnikoff

    Mecnica Terica Spiegel Coleccin Shaumm

    Autor:

    Nasjo Baldwin

    [email protected]

    Universidad Mayor de San Andrs Facultad de Ingeniera Bolvia

    2008