CAPÍTULO 7 C ´ALCULO INTEGRAL EN VARIAS VARIABLES
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 />
....................................................................................................