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CAPÍTULO 7 C ´ALCULO INTEGRAL EN VARIAS VARIABLES

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<strong>CAPÍTULO</strong> 7<br />

CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong><br />

1. INTERROGANTES C<strong>EN</strong>TRALES DEL <strong>CAPÍTULO</strong><br />

• Calcular integrales dobles en coordenadas cartesianas<br />

y polares, sobre dominios sencillos.<br />

• Usar la integral doble para el cálculo de áreas.<br />

• Calcular integrales triples en coordenadas car-<br />

2. CONT<strong>EN</strong>IDOS FUNDAM<strong>EN</strong>TALES DEL <strong>CAPÍTULO</strong><br />

2.1. Integrales dobles sobre dominios sencillos<br />

Sea f(x, y) una función continua para los valores (x, y) ∈ R donde<br />

R = (x, y) ∈ R 2 a x b, c y d =[a, b] × [c, d].<br />

tesianas, cilíndricas y esféricas, sobre dominios<br />

sencillos.<br />

• Usar la integral triple para el cálculo de<br />

volúmenes.<br />

Para cada y0 fijamos la función definida por F (x) =f(x, y0) que es continua y por lo tanto integrable es [a, b].<br />

La integral<br />

b<br />

F (x, y)dx = G(y)<br />

es una función continua y como consecuencia integrable en [c, d].<br />

a<br />

Definiremos la integral doble sobre el rectángulo R =[a, b] × [c, d] de la función f(x, y) como<br />

<br />

⎛<br />

d<br />

b<br />

⎞<br />

f(x, y)dxdy = ⎝ f(x, y)dx⎠<br />

dy.<br />

R<br />

<br />

Ejemplo. Sea R =[0, 1] × [0, 2], vamos a calcular f(x, y)dxdy donde f(x, y) =xy.<br />

R<br />

<br />

xydxdy =<br />

R<br />

c<br />

2<br />

0<br />

0<br />

a<br />

⎛ ⎞<br />

1<br />

⎝ xydx⎠<br />

dy


CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong> 207<br />

c<br />

a<br />

=<br />

=<br />

2<br />

0<br />

<br />

0<br />

2<br />

x 2 y<br />

2<br />

y<br />

dy =<br />

2<br />

x=1<br />

dy<br />

x=0<br />

y 2<br />

4<br />

y=2<br />

Teorema de Fubini: Si R =[a, b] × [c, d] se cumple que<br />

<br />

⎛<br />

d<br />

b<br />

⎞ ⎛<br />

b<br />

d<br />

⎞<br />

f(x, y)dxdy = ⎝ f(x, y)dx⎠<br />

dy = ⎝ f(x, y)dy⎠<br />

dx,<br />

R<br />

expresión válida siempre que f(x, y) sea continua en R.<br />

El concepto de integral doble se puede extender a conjuntos que no sean necesariamente rectángulos en R 2 .Son<br />

conjuntos acotados más generales que en algunas referencias bibliográficas se denominan conjuntos medibles<br />

Jordan. No vamos a intentar definir e identificar matemáticamente estos conjuntos; para nuestras aplicaciones<br />

nos bastará con saber que recintos planos D de puntos que estén limitados por una curva cerrada son conjuntos<br />

medibles Jordan en los que tiene sentido definir la integral doble (ver Figura 7.1).<br />

a<br />

y=0<br />

Figura 7.1: Conjunto medible Jordan.<br />

Para calcular la integral de f(x, y) en el recinto D procederemos como sigue. La recta x = x0 corta a D en dos<br />

puntos M1 y M2 de ordenadas respectivas y1(x0) e y2(x0). Cuando variamos a x b, y1(x) e y2(x) son dos<br />

funciones continuas. Así<br />

⎛<br />

⎞<br />

<br />

d<br />

y2(x) <br />

⎜<br />

⎟<br />

f(x, y)dxdy = ⎝ f(x, y)dx⎠<br />

dy.<br />

D<br />

c<br />

¿Qué ocurre si tomamos las rectas y = y0 y los puntos de corte con abscisas x1(y0) y x2(y0), siendo ambas<br />

funciones continuas para c y d?<br />

En el caso de que f(x, y) sea continua en D (caso para el que nos restringiremos en la práctica) se tiene por el<br />

Teorema de Fubini que<br />

⎛<br />

⎞ ⎛<br />

⎞<br />

<br />

d<br />

y2(x) <br />

b<br />

x2(y) <br />

⎜<br />

⎟ ⎜<br />

⎟<br />

f(x, y)dxdy = ⎝ f(x, y)dx⎠<br />

dy = ⎝ f(x, y)dy⎠<br />

dx<br />

D<br />

c<br />

y1(x)<br />

y1(x)<br />

a<br />

c<br />

=1.<br />

x1(y)


208 MATEMÁTICAS<br />

¿Qué ocurre cuando las rectas x = x0 (o bien y = y0) cortan al dominio D en más de dos puntos? La forma de<br />

realizar en la práctica este caso es descomponer D en dominios parciales que sí satisfagan la condición, aunque<br />

nosotros solo trataremos los casos más sencillos.<br />

<br />

Ejemplo. Vamos a calcular x<br />

D<br />

2ydxdy donde D = (x, y) ∈ R2 x2 + y2 1,y 0 (semicírculo superior<br />

de centro el origen y radio 1)<br />

<br />

x<br />

D<br />

2 ydxdy =<br />

=<br />

1<br />

−1<br />

1<br />

−1<br />

= 1<br />

2<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

√ 1−x 2<br />

<br />

0<br />

⎞<br />

x 2 ⎟<br />

ydy⎠<br />

dx<br />

y= 2 2 x y √ 1−x2 x 3<br />

2.1.1. Integrales dobles en coordenadas polares<br />

3<br />

2<br />

dx =<br />

1<br />

y=0<br />

−1<br />

x=1<br />

x5<br />

− =<br />

5 x=−1<br />

2<br />

15<br />

(1 − x 2 )x 2<br />

A veces, por cuestiones de facilidad en la expresión de la función o del recinto, trabajar en coordenadas polares<br />

agiliza en gran manera los cálculos. En realidad no hay ningún problema matemático para efectuar una nueva<br />

elección de un sistema de coordenadas (r, θ) con x = r cos θ, y = r sen θ.<br />

Ejemplo. Vamos a calcular de nuevo la integral de f(x, y) =x 2 y en el recinto<br />

D = (x, y) ∈ R 2 x 2 + y 2 1,y 0 ,<br />

ahora usando coordenadas polares. Para empezar debemos fijarnos en la ventaja evidente de que la porción del<br />

círculo unidad que indica D tiene ahora una expresión bastante más sencilla, a saber,<br />

Luego se tiene<br />

<br />

D = {(r, θ)| 0 r 1, 0 θ π} .<br />

x<br />

D<br />

2 ydxdy =<br />

=<br />

=<br />

=<br />

=<br />

<br />

<br />

1<br />

r<br />

D<br />

3 (cos 2 θ)(sen θ)rdrdθ<br />

r<br />

D<br />

4 (cos 2 θ)(sen θ)drdθ<br />

π<br />

r 4 (cos 2 ⎤<br />

θ)(sen θ)dθ<br />

⎡<br />

⎣<br />

0 0<br />

1<br />

<br />

−r<br />

0<br />

4 cos3 θ=π<br />

θ<br />

dr<br />

3 θ=0<br />

<br />

0<br />

1<br />

2r4 1<br />

dr =<br />

3 2<br />

r 5<br />

5<br />

r=1<br />

r=0<br />

2<br />

⎦ dr<br />

= 2<br />

15<br />

dx


CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong> 209<br />

2.1.2. Cálculo de áreas usando integrales dobles<br />

Conviene reflexionar sobre el significado geométrico de la expresión<br />

<br />

dxdy.<br />

D<br />

• Dado el rectángulo R = (x, y) ∈ R2 a x b, c y d <br />

=[a, b]×[c, d] ¿qué significado geométrico<br />

tiene dxdy?<br />

R<br />

• Y si ahora ponemos R = (x, y) ∈ R2 <br />

<br />

2 2 x + y 1 ¿qué significado piensas que tiene dxdy? (Es<br />

R<br />

más facil que lo pienses en coordenadas polares).<br />

• Finalmente generaliza los resultados obtenidos al caso de un recinto D.<br />

Para ilustrar las reflexiones que te hemos propuesto anteriormente te presentamos el siguiente ejemplo.<br />

Ejemplo. Vamos a calcular el área del lóbulo del folium de Descartes (ver Figura 7.2) de ecuación en coordenadas<br />

polares<br />

3senθ cos θ<br />

r =<br />

sen3 θ +cos3 π<br />

, 0 θ <br />

θ 2 .<br />

Figura 7.2: Folium de Descartes.<br />

En nuestro caso se tiene que el área vendría expresada por la siguiente integral doble:<br />

π<br />

2<br />

0<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

3senθ cos θ<br />

sen 3 θ+cos 3 θ<br />

<br />

0<br />

⎤<br />

⎥<br />

rdr⎥<br />

⎦ dθ =<br />

=<br />

π<br />

2<br />

0<br />

= 1<br />

2<br />

r 2<br />

2<br />

r= 3senθ cos θ<br />

sen3 θ+cos3 θ<br />

r=0<br />

dθ<br />

π<br />

2<br />

9sen<br />

0<br />

2 θ cos2 θ<br />

2(sen3 θ +cos3 dθ<br />

θ) 2<br />

π<br />

2<br />

0<br />

9sen2θ cos2 θ<br />

(sen3 θ +cos3 dθ.<br />

θ) 2


210 MATEMÁTICAS<br />

Observa que por la simetría del recinto se tiene<br />

1<br />

2<br />

π<br />

2<br />

0<br />

9sen2θ cos2 θ<br />

(sen3 θ +cos3 dθ =<br />

θ)<br />

y haciendo el cambio de variable tan θ = t, dt = 1<br />

expresiones):<br />

2.2. Integrales triples<br />

cos 2 θ<br />

π<br />

4<br />

9sen<br />

0<br />

2 θ cos2 θ<br />

(sen3 θ +cos3 dθ =<br />

θ) 2<br />

=<br />

π<br />

4<br />

0<br />

9sen 2 θ cos 2 θ<br />

(sen 3 θ +cos 3 θ) dθ<br />

dθ, obtenemos (intentando antes simplificar algo las<br />

π<br />

4<br />

9sen<br />

0<br />

2 θ cos2 θ<br />

cos6 θ (1 + tan3 dθ<br />

θ) 2<br />

π<br />

4<br />

9sen<br />

0<br />

2 θ<br />

cos4 θ (1 + tan3 dθ<br />

θ) 2<br />

<br />

= 9<br />

0<br />

1<br />

t2 (1 + t3 dt<br />

) 2<br />

<br />

1<br />

= −3<br />

1+t3 t=1 t=0<br />

= 3<br />

2 .<br />

Procedemos de forma análoga a las integrales dobles, esta vez refiriéndonos a funciones de tres variables definidas<br />

sobre un recinto del espacio R. Seaf(x, y, z) una función contínua para los valores (x, y, z) ∈ R donde<br />

R = (x, y, z) ∈ R 3 a x b, c y d, e z f =[a, b] × [c, d] × [e, f].<br />

Con las consideraciones de continuidad para f(x, y, z) y las consecuencias posteriores de integrabilidad similares<br />

a las hechas para la integral doble, se tiene que la integral triple sobre el paralelepípedo R de la función f(x, y, z)<br />

se puede expresar como<br />

⎡ ⎛<br />

⎞ ⎤<br />

<br />

f<br />

d<br />

b<br />

f(x, y, z)dxdydz = ⎣ ⎝ f(x, y)dx⎠<br />

dy⎦<br />

dz.<br />

R<br />

e<br />

El Teorema de Fubini también se cumple ahora. Es decir, podremos cambiar el orden de las diferentes integrales<br />

sin que esto afecte al valor final de la integral triple.<br />

Ejemplo. Sea R =[0, 1] × [0, 2] × [0, 3] y f(x, y, z) =xyz. Entonces<br />

<br />

⎡ ⎛<br />

3<br />

2<br />

1<br />

⎞ ⎤<br />

xyzdxdydz = ⎣ ⎝ xyzdx⎠<br />

dy⎦<br />

dz<br />

R<br />

=<br />

=<br />

0 0 0<br />

⎡<br />

⎤<br />

3<br />

2<br />

x=1<br />

2<br />

⎣<br />

x yz<br />

dy⎦<br />

dz<br />

2 x=0<br />

0 0<br />

⎛<br />

3<br />

2<br />

⎝<br />

yz<br />

2 dy<br />

⎞<br />

⎠ dz<br />

0<br />

c<br />

0<br />

a


CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong> 211<br />

=<br />

=<br />

3<br />

0<br />

z 2<br />

2<br />

y=2 2 y z<br />

dz =<br />

4 y=0<br />

Siguiendo el procedimiento al que sometíamos a la integral doble, pasamos a continuación a introducir el concepto<br />

de integral triple sobre conjuntos acotados más generales D ⊂ R 3 , los llamados conjuntos medibles Jordan.<br />

z=3<br />

z=0<br />

= 9<br />

2<br />

Figura 7.3: Conjunto medible Jordan.<br />

Consideramos ahora el plano x = x0 (paralelo al plano coordenado YZ) y supongamos además que el mencionado<br />

plano corta a D en C(x0). En estas condiciones,supuestas las hipótesis de continuidad de la función en el<br />

dominio y de las secciones C(x) al variar x entre [a, b], podemos calcular la integral triple de f(x, y, z) sobre D<br />

de la siguiente forma:<br />

<br />

Si desarrollamos el cálculo de la integral<br />

b<br />

f(x, y, z)dxdydz =<br />

D<br />

<br />

a<br />

3<br />

0<br />

zdz<br />

<br />

f(x, y, z)dydz dx<br />

C(x)<br />

f(x, y, z)dydz,<br />

C(x)<br />

suponiendo que las paralelas al eje OZ cortan a C(x) en puntos en los que las cotas alcanzadas en el mencionado<br />

eje sean z1(x0,y0) y z2(x0,y0), se tiene entonces<br />

⎛<br />

⎞<br />

<br />

y2(x) z2(x,y) <br />

⎜<br />

⎟<br />

f(x, y, z)dydz = ⎝ f(x, y, z)dz⎠<br />

dy,<br />

C(x)<br />

de donde finalmente tendremos que<br />

<br />

f(x, y, z)dxdydz =<br />

D<br />

=<br />

b<br />

a<br />

b<br />

a<br />

y1(x)<br />

<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

y2(x)<br />

y1(x)<br />

z1(x,y)<br />

f(x, y, z)dydz dx<br />

C(x)<br />

⎛<br />

⎞ ⎤<br />

z2(x,y) <br />

⎜<br />

⎟ ⎥<br />

⎝ f(x, y, z)dz⎠<br />

dy⎦<br />

dx.<br />

z1(x,y)


212 MATEMÁTICAS<br />

Obsérvese que también aquí se puede intercambiar el orden de las integraciones, es decir, podemos partir de<br />

secciones de D paralelas al plano XY (C(z0)) o paralelas al plano XZ (C(y0)), sin que esto varíe nuestro<br />

razonamiento en lo que al proceso se refiere.<br />

Ejemplo. Vamos a calcular <br />

x<br />

D<br />

2 yzdxdydz,<br />

siendo<br />

D = (x, y, z) ∈ R 3 x 2 + y 2 1, 0 z 1,x 0,y 0 <br />

(la parte del cilindro de base el círculo de centro el origen y radio 1 y de altura igual a 1, que está contenida<br />

en el primer octante). Consideremos ahora secciones C(z0) por planos paralelos al XY , de ecuaciones z = z0,<br />

variando z en el intervalo [0, 1]. Así obtenemos lo siguiente:<br />

<br />

x<br />

D<br />

2 yzdxdydz =<br />

=<br />

=<br />

=<br />

=<br />

=<br />

1<br />

0<br />

1<br />

0<br />

1<br />

0<br />

<br />

0<br />

<br />

0<br />

<br />

0<br />

1<br />

1<br />

1<br />

<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎣<br />

1<br />

x<br />

C(z)<br />

2 yzdxdy<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

√ 1−x 2<br />

<br />

<br />

dz<br />

⎞<br />

x 2 ⎟ ⎥<br />

yzdy⎠<br />

dx⎦<br />

dz<br />

0 0<br />

1<br />

y= 2 2 x y z<br />

√ 1−x2 0<br />

1<br />

⎡<br />

<br />

⎣<br />

0<br />

1<br />

⎡<br />

<br />

⎣<br />

a<br />

0<br />

2<br />

y=0<br />

(1 − x 2 )x 2 z<br />

2<br />

3 z x x5<br />

−<br />

2 3 5<br />

z 1<br />

dz =<br />

15 15<br />

z 2<br />

2<br />

⎤<br />

dx⎦<br />

dz<br />

x=1<br />

x=0<br />

z=1<br />

z=0<br />

⎤<br />

⎤<br />

dy⎦<br />

dz<br />

⎤<br />

⎦ dz<br />

= 1 1 1<br />

=<br />

15 2 30<br />

Se puede pensar en intercambiar el orden de las integrales simples para intentar facilitar el proceso de cálculo.<br />

Veamos:<br />

<br />

b<br />

<br />

f(x, y, z)dxdydz =<br />

f(x, y, z)dydz dx<br />

D<br />

=<br />

C(x)<br />

a<br />

⎡ ⎛<br />

⎞ ⎤<br />

b<br />

y2(x) z2(x,y) <br />

⎢ ⎜<br />

⎟ ⎥<br />

⎣ ⎝ f(x, y, z)dz⎠<br />

dy⎦<br />

dx<br />

=<br />

<br />

y1(x)<br />

πXY (D)<br />

z1(x,y)<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

<br />

z2(x,y)<br />

z1(x,y)<br />

⎤<br />

⎥<br />

f(x, y, z)dz⎦<br />

dxdy,<br />

donde se puede observar que hemos empezado por una integral simple y después integramos el resultado sobre<br />

πXY (D) que indica la proyección de D sobre el plano XY .<br />

Naturalmente todo el anterior procedimiento se puede hacer análogamente integrando primero sobre x y después<br />

integrando sobre πYZ(D) (proyección de D sobre YZ), o bien integrando primero sobre y y después sobre<br />

πXZ(D).


CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong> 213<br />

Ejemplo. Vamos a calcular <br />

S<br />

xyzdxdydz<br />

donde<br />

S = (x, y, z) ∈ R 3 <br />

2 2 2<br />

x + y + z 1,x 0,y 0,z 0<br />

(la parte de la esfera de centro en el origen de coordenadas y radio 1 que está contenida en el primer octante).<br />

Veamos: primero integramos sobre z y después sobre la proyección de S en el plano XY , πXY (S) que en este<br />

caso coincidiráconS ′ = (x, y)| x2 + y2 1,x 0,y 0 . De esta forma se tiene<br />

<br />

S<br />

xyzdxdydz =<br />

=<br />

=<br />

=<br />

=<br />

<br />

<br />

<br />

1<br />

0<br />

1<br />

2.2.1. Integrales triples en coordenadas cilíndricas<br />

0<br />

S ′<br />

⎡ √ ⎤<br />

1−x2−y2 <br />

⎢<br />

⎥<br />

⎢<br />

⎣ xyzdz⎥<br />

⎦ dxdy<br />

0<br />

z= 2 xyz<br />

2<br />

√ 1−x2−y2 dxdy<br />

S ′<br />

z=0<br />

xy(1 − x2 − y2 )<br />

⎛<br />

S ′<br />

⎜<br />

⎝<br />

√ 1−x 2<br />

<br />

0<br />

x(x 2 − 1) 2<br />

8<br />

2<br />

dxdy<br />

xy(1 − x 2 − y 2 )<br />

2<br />

dx = 1<br />

48<br />

⎞<br />

⎟<br />

dy⎠<br />

dx<br />

Recordemos que las coordenadas cilíndricas (r, θ, z) de un punto en el espacio representan con (r, θ) a las coordenadas<br />

polares de la proyección del punto en el plano XY y z el valor de la coordenada en el eje OZ. En<br />

algunas ocasiones expresar en coordenadas cilíndricas la función y el recinto sobre el que calculamos la integral<br />

triple tiene notables ventajas, como veremos en el ejemplo que desarrollaremos a continuación. Sólo basta tener<br />

en cuenta que <br />

<br />

f(x, y, z)dxdydz = ϕ(r, θ, z)rdrdθdz<br />

D<br />

D<br />

Ejemplo. Vamos a calcular empleando el cambio a coordenadas cilíndricas la integral triple<br />

<br />

x<br />

D<br />

2 yzdxdydz,<br />

siendo D = (x, y, z) ∈ R 3 x 2 + y 2 1, 0 z 1,x 0,y 0 .<br />

Primero de todo conviene observar la evidente ventaja que proporciona el nuevo sistema de coordenadas en la<br />

expresión del recinto, ya que se tiene D = (r, θ, z)| 0 r 1, 0 θ π<br />

2 , 0 z 1 , presentando las mismas<br />

ventajas operativas para la integral triple que presentaba el paralelepípedo (el caso más simple con el que nos<br />

podíamos encontrar). Ya solo nos queda efectuar el cambio de variable recordando que x = r cos θ, y = r sen θ.<br />

Veamos:<br />

<br />

<br />

x<br />

D<br />

2 yzdxdydz =<br />

r<br />

D<br />

3 (cos 2 θ)(sen θ)zrdrdθdz


214 MATEMÁTICAS<br />

=<br />

=<br />

=<br />

=<br />

<br />

1<br />

2.2.2. Integrales triples en coordenadas esféricas<br />

=<br />

0<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

r<br />

D<br />

4 (cos 2 θ)(sen θ)zdrdθ<br />

π<br />

1 2<br />

0<br />

1<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

0<br />

⎡<br />

1<br />

<br />

⎣ −r<br />

0 0<br />

4 cos3 θ<br />

z<br />

3<br />

⎡<br />

1<br />

1<br />

⎣<br />

r4 3 zdr<br />

⎤<br />

⎦ dz<br />

0<br />

<br />

0<br />

1<br />

0<br />

r=1 5 r z<br />

dz =<br />

15 r=0<br />

r 4 (cos 2 θ)(sen θ)zdθ<br />

1<br />

0<br />

θ= π<br />

2<br />

θ=0<br />

⎤<br />

dr⎦<br />

dz<br />

z 1<br />

dz =<br />

15 30<br />

⎤ ⎤<br />

⎥ ⎥<br />

⎦ dr⎦<br />

dz<br />

Recordemos que un punto P de R 3 , está totalmente determinado por sus coordenadas esféricas (ρ, ϕ, θ) donde<br />

ρ indica la longitud de OP, ϕ el ángulo que forma el plano determinado por OZ y P con el plano OXZ y θ el<br />

ángulo que forma la recta OP con el eje OZ, teniéndose además las siguientes igualdades que relacionan las<br />

coordenadas esféricas con las cartesianas rectangulares<br />

x = ρ sen θ cos ϕ,<br />

y = ρ sen θ sen ϕ,<br />

z = ρ cos θ.<br />

Al igual que sucedía con las coordenadas cilíndricas, en determinadas ocasiones, bien sea por la expresión del propio<br />

recinto o por la propia función, nos conviene usar este sistema de coordenadas en detrimento de las cartesianas<br />

ocilíndricas. Tendremos no obstante que tener en cuenta lo siguiente:<br />

Ejemplo. Vamos a calcular<br />

donde<br />

Se tiene<br />

<br />

S<br />

<br />

<br />

f(x, y, z)dxdydz = g(ρ, θ, ϕ)ρ<br />

D<br />

D<br />

2 sen θdρdθdϕ.<br />

<br />

xyzdxdydz<br />

S<br />

S = (x, y, z) ∈ R 3 x 2 + y 2 + z 2 1,x 0,y 0,z 0 .<br />

xyzdxdydz =<br />

=<br />

<br />

<br />

(ρ sen θ cos ϕ)(ρ sen θ sen ϕ)(ρ cos θ)ρ<br />

S<br />

2 sen θdρdθdϕ<br />

ρ<br />

S<br />

5 (sen 3 θ cos θ)(cos ϕ sen ϕ)dρdθdϕ.<br />

Observa que la gran ventaja que presenta en este ejercicio el nuevo sistema de coordenadas es la expresión del<br />

recinto S = (ρ, θ, ϕ)| 0 ρ 1, 0 θ π<br />

<br />

π<br />

2 , 0 ϕ 2 , que produce el siguiente efecto a la hora de calcular


CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong> 215<br />

la integral triple:<br />

1<br />

0<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

0<br />

π<br />

2<br />

<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

0<br />

π<br />

2<br />

ρ<br />

S<br />

5 (sen 3 θ cos θ)(cos ϕ sen ϕ)dρdθdϕ =<br />

ρ 5 (sen 3 θ cos θ)(cos ϕ sen ϕ)dθ<br />

1<br />

0<br />

⎡<br />

<br />

⎢<br />

⎣<br />

2.2.3. Cálculo de volúmenes usando integrales triples<br />

0<br />

π<br />

2<br />

ρ 5<br />

4<br />

⎤ ⎤<br />

⎥ ⎥<br />

⎦ dϕ⎦<br />

dρ =<br />

⎤<br />

⎥<br />

cos ϕ sen ϕdϕ⎦<br />

dρ =<br />

1<br />

0<br />

ρ5 1<br />

dρ =<br />

8 48 .<br />

Al igual que usábamos las integrales dobles para calcular el área de determinados recintos planos, se puede utilizar<br />

la expresión <br />

para calcular el volumen de un recinto D ⊂ R 3 .<br />

dxdydz<br />

D<br />

Ejemplo. Vamos a calcular el volumen de una esfera de centro el origen y radio R. Sabemos que podemos<br />

expresar los puntos de la esfera que estén en el primer octante como<br />

<br />

S = (ρ, θ, ϕ)| 0 ρ R, 0 θ π π<br />

<br />

, 0 ϕ <br />

2 2<br />

(en coordenadas esféricas). Por simetría, el volumen que nos piden vendrá expresado por<br />

<br />

<br />

8 dxdydz = 8 ρ<br />

S<br />

S<br />

2 sen θdρdθdϕ<br />

=<br />

⎡ ⎡ π π<br />

R<br />

2<br />

2<br />

⎢ ⎢<br />

8 ⎣ ⎣ ρ 2 ⎤ ⎤<br />

⎥ ⎥<br />

sen θdθ⎦<br />

dϕ⎦<br />

dρ<br />

0<br />

0<br />

0<br />

⎡ π<br />

R<br />

2<br />

⎢<br />

= 8 ⎣ ρ 2 ⎤<br />

R<br />

⎥<br />

dϕ⎦<br />

dρ =8<br />

3. ACTIVIDADES DE APLICACIÓN DE LOS CONOCIMI<strong>EN</strong>TOS<br />

0<br />

0<br />

0<br />

ρ2π 4<br />

dρ =<br />

2 3 πR3 .<br />

A.7.1. Calcular las siguientes integrales dobles:<br />

<br />

(a) sen<br />

D<br />

2 x cos ydxdy donde D = (x, y) ∈ R2 <br />

0 x π, 0 y π


216 MATEMÁTICAS<br />

<br />

(b)<br />

<br />

(c)<br />

<br />

(d)<br />

xydxdy donde D =<br />

D<br />

(x, y) ∈ R2 <br />

0 x 3, 1 y 2<br />

x<br />

D<br />

2ydxdy donde D = (x, y) ∈ R2 <br />

x + y 1,x 0,y 0<br />

D<br />

D<br />

sen(x + y)dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 π 0 x 2 , 0 y π<br />

A.7.2. Calcular las siguientes integrales dobles:<br />

<br />

<br />

(a) xydxdy donde D = (x, y) ∈ R<br />

D<br />

2 x>0,y >0, x2<br />

a2 + y2<br />

b2 <br />

1<br />

<br />

(b) (x<br />

D<br />

2 − y2 <br />

)dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 x 2<br />

a2 + y2<br />

b2 <br />

1<br />

<br />

1<br />

(c) (x+y) 2 dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 x 2,y 2,x+ y 3 <br />

<br />

A.7.3. Calcular<br />

xydxdy donde D es el triángulo de vértices A(0, −1), B(1, 0) y C(0, 3).<br />

D<br />

A.7.4. Calcular las siguientes integrales dobles:<br />

<br />

xy<br />

(a) 1+x<br />

D<br />

2 +y2 dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 <br />

2 2 x 1,y 1,x + y 1<br />

<br />

1<br />

(b) (1+x+y)<br />

D<br />

2 dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 <br />

x 0,y 0,x+ y 1<br />

<br />

(c) xy<br />

D<br />

x2 +4y2dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 <br />

2 2 x 0,y 0,x + y 1<br />

A.7.5. Calcular, usando la integral doble, la expresión del área encerrada por la elipse de ecuación<br />

x 2<br />

a<br />

2 + y2<br />

=1.<br />

b2 A.7.6. Calcular las siguientes integrales triples:<br />

<br />

(a) zdxdydz donde D =<br />

D<br />

(x, y, z) ∈ R3 x + z 1,x 0,z y2 ,y 0 <br />

<br />

(b) yzdxdydz donde D =<br />

D<br />

(x, y, z) ∈ R3 y x2 ,z 0,y+ z 1 <br />

<br />

<br />

(c) xyzdxdydz donde D = (x, y, z) ∈ R<br />

D<br />

3 x 2<br />

a2 + y2<br />

b2 + z2<br />

c2 <br />

1<br />

<br />

(d) z<br />

D<br />

2dxdydz donde D = (x, y, z) ∈ R3 <br />

2 2 2 x + y + z 1<br />

A.7.7. Dadas la integrales sucesivas<br />

⎛<br />

1<br />

2x<br />

⎞<br />

⎝ f(x, y)dy⎠<br />

dx y<br />

0<br />

x<br />

1<br />

0<br />

⎡ ⎛<br />

x<br />

<br />

⎣ ⎝<br />

0<br />

x+y<br />

0<br />

⎞<br />

⎤<br />

f(x, y, z)dz⎠<br />

dy⎦<br />

dx,<br />

exprésarlas respectivamente como una integral doble y otra triple de f(x, y) y f(x, y, z) sobre los recintos<br />

apropiados.<br />

A.7.8. Calcular las integrales introducidas en el ejercicio anterior para las funciones f(x, y) =e x+y y f(x, y, z) =<br />

e x+y+z .<br />

A.7.9. Calcular usando la integral triple una fórmula que calcule el volumen encerrado por el elipsoide de ecuación<br />

x2 y2 z2<br />

+ + =1.<br />

a2 b2 c2


CÁLCULO <strong>INTEGRAL</strong> <strong>EN</strong> <strong>VARIAS</strong> <strong>VARIABLES</strong> 217<br />

4. BIBLIOGRAFÍA DEL <strong>CAPÍTULO</strong><br />

J. DE BURGOS Cálculo Infinitesimal, Editorial Alhambra. Capítulo 6.<br />

R.E. LARSON, R.P. HOSTETLER y B.H. EDWARDS Calculo y Geometría Analítica,5 a ed., McGraw-Hill, Madrid,<br />

1995. Capítulo 16.<br />

E. LINES Principios de Análisis Matemático, Editorial Reverté SA. Capítulo 31.<br />

J. RIVAUD Ejercicios de Análisis, Editorial Aguilar. Capítulo 9.<br />

J. STEWART Cálculo,2 a ed. Grupo Editorial Iberoamérica, México, 1994. Capítulo 13.<br />

5. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN<br />

<br />

E.7.1. Calcular<br />

<br />

E.7.2. Calcular<br />

(x<br />

D<br />

2 + y2 )dxdy donde D = (x, y) ∈ R2 x2 + y2 1 <br />

D<br />

√ 1<br />

x2 +y2 dxdydz donde D = (x, y, z) ∈ R3 <br />

2 2 2 x + y + z 1<br />

E.7.3. Hallar el volumen del recinto limitado superiormente por la esfera de ecuación x 2 + y 2 + z 2 =4,inferiormente<br />

por el plano XY y lateralmente por el cilindro x 2 + y 2 =1.


218 MATEMÁTICAS<br />

ANOTACIONES<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................<br />

....................................................................................................

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