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Análisis vectorial y tensorial (página 2)

Enviado por Nasjo Baldwin



Partes: 1, 2


 

DERIVADA DE FUNCIONES VECTORIALES.

La derivada de f(t) se define como:

 

Reglas de Derivación.

Sean   funciones vectoriales y   una función escalar     

1)

2)

3)

 Escalar

4)

 Vector

5)

6) 

7) Regla de la cadena

Ejemplo:

 ; donde a y b son vectores constantes, satisfacen la ecuación

Resolviendo:

Reemplazando:

INTERPRETACION GEOMETRICA DE LA DERIVADA.

La derivada de una función vectorial en un punto es, el vector tangente a la curva en dicho punto.

Si t es el tiempo f(t) representa una trayectoria f`(t) será la velocidad instantánea

DERIVADAS DE ORDEN SUPERIOR.

Las derivadas de orden superior de una función vectorial, se define en forma similar a la de un valor escalar de una sola variable.

Ejemplo:

Hallar:  luego calcular

Calculamos:

Por otro lado;

LONGITUD DE CURVA.

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

 Multiplicado por

ds es diferencial de arco

Ecuaciones parametricas

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

Ejemplo:

Encontrar  en el intervalo

Si

Vector tangente unitario

CURVATURA.

El vector unitario normal se define como:

Donde K es la curvatura

Radio de curvatura

TORSION.

La torsión de una curva C se define como:

Y el radio de torsión

COMPONENTE NORMAL Y TANGENCIAL DE LA ACELERACION.

La rapidez v(t) de una partícula en el instante t es la magnitud del vector velocidad , si S es el arco que mide la distancia de la partícula desde su punto de partida sobre un camino C desde su partida.

TRIEDRO MOVIL.

 

Formulas de Frenet

CAPITULO II: FUNCIONES VECTORIALES DE VARIABLE VECTORIAL

 

DEFINICION Y NOTACION.

Una función vectorial es una regla que a cada vector  de Rn le asigna como imagen otro vector de Rm.

 

Ejemplo:

Ejemplo:

Hallar el dominio para la siguiente función vectorial

-          No debe existir la división por cero

-          No se admite raíces complejas

-          No se admiten logaritmos complejos

CONJUNTO DE NIVEL.

Sea  una de Rn en R se denomina conjunto de nivel  c es constante.

Cuando n = 2 hablamos de una curva de nivel

Cuando n = 3 hablamos de una superficie de nivel

Si

LIacute;MITES Y CONTINUIDAD.

Si  se dice que D es un conjunto abierto si para todo esfera contenida en D

Se dice que un conjunto n si su complemento

Ejemplo:

Dado un punto D se llama punto frontera al punto para el cual cualquier esfera contiene puntos del  conjunto y puntos que no están en el conjunto.

LIMITE

Condiciones para que exista limite

Propiedades.

a)

b)

c)

Se dice que una función vectorial es continua si

DERIVADAS PARCIALES.

La derivada parcial fu de  con respecto a  u se define mediante la siguiente notación

Propiedades.

 y son funciones vectoriales,  es función escalar

1)

2)

3)

4)

 

Ejemplo:

Hallar

DERIVADA  DIRECCIONAL Y GRADIENTE.

Sea f una función escalar, una función definida en el conjunto abierto de  un punto de D se define la derivada de la función f en , en la dirección del vector unitario  denotado por:

Se puede interpretar la derivada de una función de 2 variables

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

El vector unitario en la dirección del cual calculamos la derivada de la función  en el origen, consideremos el plano , este es un  plano perpendicular al plano, z = 0 que contiene al vector unitario .

La intersección de este plano con la superficie z = f(x,y) nos determina una curva en el espacio.

La derivada direccional de f(0,0) en la dirección del vector unitario es la pendiente de la recta tangente a esa curva en el punto (0,0)

Ejemplo:

Calcular la derivada direccional para:

Gradiente

El gradiente de una función escalar es un vector

” Operador Nabla

Ejemplo.

Hallar el gradiente de  en el punto

TEOREMAS Y PROPIEDADES.

Sea f y g dos funciones esclares y c una constante

1)

2)

3)

4)

INTERPRETACION GEOMETRICA DEL GRADIENTE.

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

Diferencia total de f

Ahora una C en el espacio esta representada por el

Teorema

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

Teorema

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

Teorema

DIVERGENCIA.

Sea   

Donde f1, f2, f3 son funciones escalares

La divergencia será el producto:

PROPIEDADES DE LA DIVERGENCIA.

Sea y  dos funciones vectoriales y  una función escalar

1)

2)

3)

Ejemplo:

Si     Calcular la divergencia

Ejemplo:

Hallar la divergencia de

ROTACIONAL.

Si  una función vectorial si  es una función escalar con segundas derivadas parciales.

Donde:

 rotacional de

PROPIEDADES.

1)

2)

3)

Demostrar que:

OPERADOR  DE LAPLACE.

La divergencia del gradiente se expresa como:

 Laplaciano

Se dice que una función escalar  es armónica si es continua tiene segundas derivadas parciales continuas y satisface la ecuación de Laplace.

 es armónico

Demostrar que  es armónico:

Operaciones con el y algunas identidades vectoriales.

1)

2)

3)

4)

CAPITULO III: INTEGRACION VECTORIAL

INTRODUCCION.

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

Vector posición

Vector desplazamiento

INTEGRALES DE LINEA.

-                 función escalar

-             función vectorial

-           función vectorial

También tenemos:

Ejemplo:

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

INDEPENDENCIA DE LA TRAYECTORIA.

La integral de línea  es independiente de la trayectoria de integración desde el punto P hasta el punto Q si el campo vectorial satisface la ecuación  donde  es una función escalar continua o función potencial.

Si

 es un vector unitario tangente en cualquier dirección.

También se cumplirá que:

En

Funciones escalares

INTEGRALES DE LINEA RESPECTO AL ARCO.

 donde  función escalar; ds diferencial de arco

Ejemplo:

Hallar  donde  en la curva C:

Reemplazando

Por lo tanto

APLICACIÓN DE LAS INTEGRALES CURVILINEAS.

Sea donde es la densidad lineal de un punto variable (x,y,z) de la curva C

Entonces la masa de la curva C es igual a:

Las coordenadas del centro de gravedad están dadas por: de esta curva y se expresan de la siguiente manera:

TRABAJO.

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

Se define mediante la integral de línea:

Si

Ejemplo:

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

Si

SUPERFICIE PARAMETRIZADA.

Una superficie puede representarse también mediante ecuaciones parametricas

También una superficie se representa por:

Si v = Cte se vuelve una expresión paramétrica de un solo parámetro que describe una curva en el espacio a lo largo de la cual solamente varia u estas curvas se describen con v = Cte.

De modo similar v varía cuando u = Cte

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

Ejemplo:

Parametrizada es:

Es una esfera completa:

Si la superficie esta definida en el punto si el producto vectorial:

El plano tangente de la superficie en es el plano cuya normal es igual a:

Entonces el plano tangente esta dado por la normal

  

AREA DE UNA SUPERFICIE PARAMETRIZADA.

El elemento diferencial de superficie de un vector esta dado por  

(*) en (1)

El área de una superficie paramentrica será integrando la ecuación (2)

INTEGRALES DE SUPERFICIE DE FUNCIONES ESCALARES.

Se consideran las siguientes integrales

a)    b)

donde  es una función escalar

METODO DE INTEGRACION DE COORDENADAS CILINDRICAS EN LAS SUPERFICIES.

Cuando se trabaja con cilindros, se puede facilitar el cálculo de las integrales de superficie mediante la introducción de coordenadas cilíndricas.

 

APLICACIONES FISICAS.

Las integrales de superficie se usan para calcular centros de masa, momentos de inercia y campos electromagnéticos de placas curvilíneas delgadas.

Centros de Masa.

Donde es la densidad y M es la masa

OTRAS EXPRESIONES DE INTEGRALES DE SUPERFICIE.

 

Donde es la proyección de S respecto al plano xy

INTEGRALES DE SUPERFICIE DE FUNCIONES VECTORIALES.

Definiendo las integrales de funciones vectoriales sobre superficies tenemos: Sea la función  vectorial definida sobre una superficie la cual esta parametrizada mediante el vector de posición:

Escalar           

Vectorial        

Ejemplo:

Hallar el flujo  a través de la superficie de la esfera

INTEGRALES DE VOLUMEN.

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

 Escalares

 Vectorial

Ejemplo:

Si y R es la región que representa un volumen V

CAPITULO IV: TEOREMAS DE INTEGRACION

INTRODUCCION.

En el capitulo anterior se estudio el calculo vectorial, en el presente capitulo se estudiaran los siguientes teoremas de integración vectorial.

i)              Teorema de Green

ii)             Teorema de Gauss

iii)            Teorema de Stokes

TEOREMA DE GREEN.

Considerado  una función vectorial

   Donde  

Siempre y cuando P y Q son continuas en una región R además existen sus 1ª derivadas parciales.

Mediante la aplicación del teorema de Green se podrá determinar el área de algunas figuras planas.

Demostración:

Por otro lado:

Demostramos que:

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

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA EN EL PLANO.

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

Ejemplo:

Por otro lado:

TEOREMA DE STOKES.

El teorema de Stokes establece que si S es una superficie limitada por una curva cerrada C y  es una función vectorial que tiene 1ª derivadas parciales continuas sobre una superficie S y la curva C.

Entonces se puede expresar que integral de línea: Circulación de  

 Flujo del rotacional a través de S

Interpretación física:

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

En coordenadas rectangulares el teorema de Stokes esta dado por:

Por otro lado:

Por lo tanto:

TEOREMA DE GAUSS O TEOREMA DE LA DIVERGENCIA.

La definición de divergencia esta dada como:

El teorema de la divergencia o Gauss es una definición de una generación.

Por lo tanto:

Ejemplo:

Por divergencia:

TRANFORMACION DE INTEGRALES DE VOLUMEN A INTEGRALES DE SUPERFICIE.

  • Teorema de Gauss.

El teorema de Gauss representa una transformación de una integral de volumen a una integral de superficie.

  • Teorema del Gradiente.

Expresa que la función  es una función escalar continua en una región R limitada por una superficie S. Se tiene:

  • Teorema del rotacional.

Expresa que si  es una función vectorial continúa en una región R limitada por una superficie S.

CAPITULO V: COORDENADAS CURVILINEAS

INTRODUCCION.

Ejemplo:

Si  donde  y  esta expresado en coordenadas esféricas

COORDENADAS CURVILINEAS.

Llamamos superficies coordenadas cuando:

La intersección entre estas superficies coordenadas se conoce como líneas coordenadas

Líneas coordenadas

Vectores unitarios normales

Vectores unitarios tangentes

Las ecuaciones que relacionan los sistemas coordenados y curvilíneos son:

Vectores unitarios tangenciales

Vectores unitarios tangenciales

Vectores unitarios normales

BASES.

Sistema coordenado

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

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

 factores de escala

Las ternas de vectores y  constituyen un conjunto reciproco de vectores

                                    

COORDENADAS CURVILINEAS ORTOGONALES.

         

 

 

 

 

ELEMENTO DIFERENCIAL DE ARCO.

 

ELEMENTO DIFERENCIAL DE VOLUMEN.

GRADIENTE.

DIVERGENCIA.

Si

ROTACIONAL.

 

LAPLACIANO EN COORDENADAS CURVILINEAS ORTOGONALES.

 

COORDENADAS CILINDRICAS.

  Vectores unitarios Tangenciales

  Vectores Unitarios Normales

 

Para

 Gradiente

 

  Divergencia

 

CAPITULO VI: ANALISIS TENSORIAL

El análisis tensorial se centra en el estudio de entes abstractos llamados “tensores”, cuyas propiedades son independientes de los sistemas de referencia empleados para determinarlos. Un Tensor esta representado por un sistema de referencia, mediante un conjunto de funciones llamadas componentes igual que u vector esta determinado mediante sus componentes dadas. El que un conjunto dado represente un Tensor depende de la ley de transformación de estas funciones de un sistema coordenado a otro.

Cuando nuestro estudio se restringe a transformaciones de un sistema de coordenadas homogéneas a otro, los tensores que interviene son denominados tensores cartesianos.

Los tensores se clasifican por su orden según la forma particular a  la ley de transformación que obedecen, esta misma clasificación se refleja en el número de componentes que posee un tensor dado en un espacio n-dimensional.

Así en un espacio euclidiano tridimensional tal como un espacio físico ordinario el número de componentes de un tensor es igual a Donde n es el orden del tensor.

Si n es igual a cero tenemos  Escalar

Si n es igual a uno tenemos  Vector

Si n es igual a dos tenemos  Díada

Si n es igual a tres tenemos  Triada

DIADAS Y DIADICAS.

DIADA.

Es el producto indeterminado de dos vectores

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

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

DIADICA.

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

 (1)

Si en cada Díada de D se intercambian los antecedentes y consecuentes la Diádica resultante se denomina Diádica conjugada y se denota como DC

Si cada Díada en (1) se reemplaza por un producto escalar de vectores, se llama escalar de la diádica y se denota por DS :

 Escalar

Si cada díada en (1) se sustituye por un producto vectorial de vectores el resultado se denomina vector de la diádica y se denota de esta manera:

 Vector

PROPIEDADES DEL PRODUCTO INDETERMINADO DE VECTORES.

Estas obedecen a las leyes distributivas que son las siguientes:

MULTIPLICACION DE UNA DIADICA POR UN VECTOR.

Si es un vector cualquiera los productos escalares  y  son los vectores definidos respectivamente.

 Vectores

 Diádicas

DIADICA UNITARIA.

Se representa por la letra I

 Vectores unitarios

Coordenadas rectangulares.

Coordenadas cilíndricas.

Coordenadas esféricas.

 

Se cumple que:

PROPIEDADES DE DIADAS.

Definiendo las siguientes Díadas y

  Escalar

 Vectores

 Díada  

Se dice que una diádica D es auto conjugada o simétrica si:

Se dice que una diádica es antisimetrica si:

Cada diádica puede ser expresada únicamente como la suma de una diádica simétrica y otra antisimetrica

CONVENIO DE SUMA DE INDICES REPETIDOS.

Cuando algunas sumatorias tenemos:

Las sumas anteriores se pueden representar o escribir  en una forma mas abreviada adaptando el convenio de que cuando se aparece un índice repetido ha de entenderse una suma respecto del mismo desde el valor 1 hasta el valor N a esto se conoce como el convenio de Einstein.

Ejemplo:

Sea donde el rango de variación de i, j es de 1 a 3, j es el índice repetido.

Desarrollar

NOTACION INDICIAL.

En la notación indicial se añaden letras como subíndices o superíndices que representan la cantidad tensorial deseada. (Ejemplo: ) el numero y la posición de los índices libres, directamente el carácter tensorial exacto de la cantidad expresada por notación indicial. Los tensores se denotan por que tienen un índice libre, el vector se puede representar de dos formas  a continuación los siguientes términos que tiene solo un índice libre se consideran como cantidades tensoriales de primer orden.

Ejemplo:

i índice repetido

j índice libre

TENSORES DE SEGUNDO ORDEN.

Los tensores de segundo orden se denotan por símbolos que tienen dos índices libres, la díada arbitrarios D aparecen en u8na de las tres formas posibles.

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

TENSORES DE TERCER ORDEN.

Los tensores de tercer orden se representan con 3 índices libres un símbolo lamda () que no acompaña a ningún índice, representa un escala de orden cero. Para un rano de tres en ambos índices el símbolo  representa a las componentes del tensor de segundo orden, denominado diádica y se representa mediante una matriz.

De la misma manera podemos representar a un vector.

El convenio de las sumas se usa para la representación de tensores con vectores base afectados de índices escritos en notación simbólica.

Los tensores de segundo orden también se pueden representar por la suma de los índices base, según esto la díada () dada en la forma nonium se puede escribir de la siguiente forma:

En esta  expresión es fundamental que se mantengan la secuencia de los vectores base de igual manera nonium de la diádica arbitraria D se puede expresar en forma abreviada de la siguiente manera

TRANSFORMACION DE COORDENADAS DE TENSORES.

Si representamos el sistema arbitrario de coordenadas,  en un espacio euclidiano tridimensional, y por  cualquier otro sistema de coordenadas   en el mismo espacio tridimensional. A que los superíndices son números indicativos y no son exponentes. Las potencias de x se pueden expresar usando paréntesis  Las ecuaciones de transformación de coordenadas están dadas por:

    (1)

La cual asigna a un punto cualquiera  en el sistema , un nuevo conjunto de coordenadas  en el sistema  Se supone que las funciones que relacionan  los dos conjuntos de variables coordenadas son funciones de valor único, continuas y diferenciales, el determinante:

   (2)

En forma abreviada se expresa como:

   (3)

J se supone el Jacobiano de la transformación. Si el Jacobiano es diferente de cero tiene un conjunto inverso de único de la forma:

    (4)

Los sistemas de coordenadas representados por  en las ecuaciones (1) y (4) son completamente generales y pueden ser cualquier sistema o cartesiano. Diferenciando la ecuación (1) se tiene que esta dado por:

Diferencial Total.        (5)

Esta ecuación es prototipo de la que se define la clase de tensores conocidos como tensores contravariantes. Se dice en general que un conjunto de cantidades asociadas a un punto P son las componentes de orden uno si se transforman bajo una transformación de coordenadas dadas por la ecuación.

Tensor contravariante de orden uno    (6)

i índice libre

j índice repetido

Donde las derivadas parciales se calculan en P en la ecuación (6) representa las componentes del tensor en el sistema de coordenadas  mientras que  representa las componentes en el sistema

En la teoría general de los tensores, los tensores contravariantes se reconocen por el empleo de índices escritos como superíndices.

Por esta razón aquí se señalan las coordenadas como  en vez de  pero hay que tener en cuenta que esto solamente es así para los diferenciales dx y no para las coordenadas mismas que tienen carácter de tensor.

Para una generalización lógica del concepto de tensor expresado en la ecuación (6), la definición de tensores contravariantes de orden dos requiere que los componentes de un tensor obedezcan a la ley de transformación siguiente:

     (7)

 representa las componentes en el sistema

representa las componentes en el sistema

Los tensores de tercer orden y cuarto orden se definen de forma similar. La palabra contravariante se usa para distinguir a esta clase de tensores conocida como tensores covariantes. En la teoría general de los tensores los tensores covariantes se conocen por el empleo de subíndices.

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

Así, si  es función de

es una función tal que la derivada parcial de  respecto a i  es igual a la derivada parcial de  respecto de j la derivada parcial de:

     (8)

En general se dice que un conjunto de cantidades  que son las componentes de un tensor, componentes de orden uno, se transforman mediante la ecuación:

  (9)

Tensor covariante de primer orden

i índice libre

j índice repetido

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

 

Esto se generaliza para tensores de tercer y cuarto orden

Se llaman tensores mixtos a los combinados entre contravariantes y covariantes

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

TENSORES DE OREDEN SUPERIOR.

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

ESCALARES O INVARIANTES.

Sea  una función de la coordenadas  y  la correspondiente en la transformación de un nuevo conjunto de coordenadas  si se verifica la igualdad  la funciónse denomina escalar o invariante respecto a la transformación de coordenadas, dada.

Los escalares son invariantes en toda la transformación de coordenadas, y se los conoce como tensor de orden cero, tensor simétrico o hemisimetrico. Se dice que un tensor es simétrico respecto a dos componentes cualquiera si al intercambiarlas, el nuevo tensor es igual al original, si el nuevo tensor difiere del original en el signo, este tensor se conoce con el nombre de hemisimetrico o antisimetrico

Para:     Tensor antisimétrico

OPERACIONES CON TENSORES.

SUMA Y DIFERENCIA.

La suma y la diferencia de dos o más tensores del mismo orden y tipo, es otro tensor de idéntico orden y tipo.

MULTIPLICACION.

El producto de dos tensores del mismo o diferente orden es otro tensor cuyo orden es la suma de los órdenes de los tensores dados. A esto se llama producto externo de tensores.

CONTRACCION.

Si en un tensor de iguala un índice contravariante y covariante, según el convenio de índices repetidos, debe sumarse respecto de dicho índice, este otro tensor resultante será de orden inferior en dos unidades al tensor original, este proceso se llama contracción tensorial.

  si r = s

TENSOR METRICO.

Si representamos por  a un sistema de coordenadas cartesianas rectangulares en un espacio euclidiano tridimensional y por  a cualquier sistema de coordenadas curvilíneo.

El vector  que tiene los componentes cartesianas  se denomina vector de posición del punto arbitrario  referido a los ejes cartesianos rectangulares el cuadrado del elemento diferencial de la distancia entre dos puntos muy próximos  y será la diferencial de área.

El diferencial de

Diferencial de arco

 Tensor métrico

 tensor métrico o fundamental del espacio

LOS SIMBOLOS DE CHRISTOFFEL

CALCULO DIFERENCIAL TENSORIAL.

La derivada de un tensor es otro tensor. Esto se hace si se facilita en función de combinaciones de las derivadas parciales de un tensor métrico, que se conoce como los símbolos de Christoffel. Los tres índices de Christoffel a las expresiones.

1º orden

 

Como

 Delta de Kronecker

BIBLIOGRAFIA

Análisis Vectorial y tensorial                             Sgiegel Colección Shaumm

Análisis Vectorial                                             Makarenko

Vectores y tensores                                         Hinkey

Vectores y tensores                                         Santalo

Análisis Vectorial                                             Sokolnikoff

Mecánica Teórica                                             Spiegel Colección Shaumm

 

 

 

Autor:

Nasjo Baldwin

Universidad Mayor de San Andrés - Facultad de Ingeniería

Bolívia

2008


Partes: 1, 2


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