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Calculo 2 De dos variables_9na Edición - Ron Larson

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SECCIÓN 15.2 Integrales de línea 1069

15.2 Integrales de línea

■ Comprender y utilizar el concepto de curva suave a trozos.

■ Expresar y evaluar una integral de línea.

■ Expresar y evaluar una integral de línea de un campo vectorial.

■ Expresar y calcular una integral de línea en forma diferencial.

x

The Granger Collection

JOSIAH WILLARD GIBBS (1839-1903)

Muchos físicos y matemáticos han contribuido

a la teoría y a las aplicaciones descritas

en este capítulo, Newton, Gauss, Laplace,

Hamilton y Maxwell, entre otros. Sin

embargo, el uso del análisis vectorial para

describir estos resultados se atribuye principalmente

al físico matemático estadounidense

Josiah Willard Gibbs.

1

Figura 15.7

1

(0, 0, 0)

z

C 1

C 2

(1, 2, 0)

C = C 1

+ C 2

+ C 3

(1, 2, 1)

C 3

(0, 2, 0)

y

Curvas suaves a trozos (o por partes)

Una propiedad clásica de los campos gravitatorios (o gravitacionales) es que, sujeto a ciertas

restricciones físicas, el trabajo realizado por la gravedad sobre un objeto que se mueve

entre dos puntos en el campo es independiente de la trayectoria que siga el objeto. Una de

las restricciones es que la trayectoria debe ser una curva suave a trozos (o por partes).

Recuérdese que una curva plana C dada por

rt xti ytj,

es suave si

dx

dt

y

son continuas en [a, b] y no simultáneamente 0 en (a, b). Similarmente, una curva C en el

espacio dada por

rt xti ytj ztk,

es suave si

dx

dt ,

y

son continuas en [a, b] y no simultáneamente 0 en (a, b). Una curva C es suave a trozos

(o por partes) si el intervalo [a, b] puede dividirse en un número finito de subintervalos, en

cada uno de los cuales C es suave.

EJEMPLO 1

dy

dt ,

dy

dt

Hallar una parametrización suave a trozos

Hallar una parametrización suave a trozos de la gráfica C que se muestra en la figura 15.7.

Solución Como C consta de tres segmentos de recta C 1

, C 2

y C 3

, se puede construir una

parametrización suave de cada segmento y unirlas haciendo que el último valor de t en C i

coincida con el primer valor de t en C i1 , como se muestra a continuación.

C 1 : xt 0,

C 2 : xt t 1,

C 3 : xt 1,

dz

dt

Por tanto, C está dada por

a ≤ t ≤ b

rt 2tj,

t 1i 2j,

i 2j t 2k,

yt 2t,

yt 2,

yt 2,

a ≤ t ≤ b

0 ≤ t ≤ 1

1 ≤ t ≤ 2 .

2 ≤ t ≤ 3

zt 0,

zt 0,

zt t 2,

Como C 1

, C 2

y C 3

son suaves, se sigue que C es suave a trozos.

0 ≤ t ≤ 1

1 ≤ t ≤ 2

2 ≤ t ≤ 3

Recuérdese que la parametrización de una curva induce una orientación de la curva.

Así, en el ejemplo 1, la curva está orientada de manera que la dirección positiva va desde

(0, 0, 0), siguiendo la curva, hasta (1, 2, 1). Trátese de obtener una parametrización que

induzca la orientación opuesta.

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