Tema 1 Herramientas Matematicas
-
Upload
manikiatrico -
Category
Technology
-
view
25.212 -
download
1
description
Transcript of Tema 1 Herramientas Matematicas
Tema 1:
Vectores
• Definición de vector 3-d• Módulo de un vector• Vectores unitarios• Suma vectorial• Producto por un escalar• Producto escalar• Base Ortonormal• Producto vectorial
Derivadas• Concepto de derivada• Tabla de derivadas• Derivada de un vector
Integrales
• Concepto de integral• Integral definida• Tabla de integrales• Integral de un vector
A (ax , ay , a z)
B (bx , by , b z)
Vector equipolente: vectores con igual dirección sentido y módulo.
Vector libre: Conjunto de infinitos vectores equipolentes a uno dado.
Vector: Par ordenado AB
Características de un Vector:
•Dirección: Recta en la que está inscrito(y paralelas).• Sentido: Cada direcc. dos sentidos. Punta de flecha. •Módulo : Distancia del vector en las mismas unidades.
Cálculo del módulo de un Vector:
-1
x
y
zEjemplo: Calcula el módulo
del vector v= (-3, 2, -1)
2
74,314)1(2)3( 222 v
Ejemplos Físicos: • CELERIDAD (v)
• INTENSIDAD DE LA GRAVEDAD (g)
-3
PROPIEDADES DEL MÓDULO
Es definido positivo
0v
2
Escalar con unidades iguales a las del vector
IRv
1
El vector elemento neutro tiene módulo neutro
)0,0,0(0 vvSi
3
r
Definición: Es un vector de módulo 1
Utilidad: En Física se utilizan para marcar
direcciones sin afectar al módulo
x
y
z
Cálculo de unitario:
vv
uv
ˆ
v
vu v
1ˆ vu
x
y
z
r
v
Ejemplo: Halla el vector unitario que define la dirección del vector
v= (-3,0, 4)
En primer lugar se calcula el módulo de v
Cálculo de unitario:
)8.0,0,6.0(5
)4,0,3(ˆ
vv
uv
vu
525)4(0)3( 222 v
Ejemplo Físico: • Ley de Gravitación
Universal• Campo eléctrico
rg ur
GMmF
2
Los vectores en Física se suelen expresar:
xuxx
x
y
zx
xu
r
Es decir: • Sentido
• Módulo o intensidad• Dirección
rur
KQE
2
Definición: Sean los vectores a=(ax, ay, az ) y
b=(bx, by, bz )
Regla del paralelogramo
El vector suma (o resultante)a+b=(ax+bx, ay+by, az+bz)
PROPIEDADES DE LA SUMA VECTORIAL
Propiedad conmutativa
vwwv 1
El módulo de la suma no es igual a la suma de los
módulos
vuwu 3
Elemento neutro2 vv 0
Ejemplos Físicos: • FUERZA RESULTANTE
(R)• CAMPO GRAVITATORIO
RESULTANTE (g)
Ejemplo: Calcula la resultante de los vectores v= (-3, 2, -1) y w= (2, 2, -2)Comprueba que el módulo de la suma es menor que la
suma de los módulos
n
iiFR
1
n
iiT gg
1
10,526)3(4)1(
46,312)2(22
74,314)1(2)3(
222
222
222
wv
w
v
)3,4,1(
)21,22,23(
wv
v
vk
Definición: Sean el vector v=(vx, vy, vz ) y el
escalar k
El producto de k por vkv =k(vx, vy, vz)= (kvx, kvy, kvz)
x
y
z Para k>1
Para k<0
Ejemplo Físico: • Momento Lineal
• Fuerza (2ª ley Newton)
amF
vmp
PROPIEDADES DEL PRODUCTO POR UN
ESCALAR cambia el sentido
0kSi2
La dirección del vector resultante no cambia
vkv
1
El módulo también se multiplica k veces
vkvk 3
Definición: Conjunto de 3 vectores unitarios i, j, k, ortogonales entre sí, a
partir de los cuales, puede escribirse cualquier vector
como una combinación lineal de ellos.
)1,0,0(ˆ
)0,1,0(ˆ
)0,0,1(ˆ
k
j
i
),,(),0,0()0,,0()0,0,(
)1,0,0()0,1,0()0,0,1(ˆˆˆ
zyxzyx
zyxkzjyixv
Definición: Sean los vectores a=(ax, ay, az ) y
b=(bx, by, bz )
Interpretación geométrica
Proyección de a sobre b
cosaa Permite calcular la componente de un
vector en una dirección
Vectores perpendiculares ,
producto escalar nulo
El producto escalar:
PROPIEDADES DEL PRODUCTO ESCALAR
Propiedad conmutativavwwv 1
Propiedad distributiva2 uvwvuwv )(
Propiedad distributiva (escalar)
3 wkvwvkwvk )(
4 02 vvv
TEOREMA DEL PRODUCTO ESCALAR
zzyyxx wvwvwvwv
DEMOSTRACIÓN(líneas maestras)
1ˆˆˆˆˆˆ
0ˆˆ;0ˆˆ
0ˆˆ;0ˆˆ
0ˆˆ;0ˆˆ
kkjjii
kiik
jkkj
ijji
APLICACIÓN DEL TEOREMA DEL
PRODUCTO ESCALARyyyyxx wvwvwvwv
Calcular el ángulo que forman dos vectores entre sí wv
wv
cos
Ejemplo: Calcula el ángulo que forman los vectores v= (-3, 2, -1) y w= (2, 2, -2)
02·12·22·3 wv
º270º90
046,3·74,3
0cos
ó
wvwv
Ejemplo Físico: • Trabajo
¡ES UN ESCALAR!
rFW
cosrFW
rF
Definición: Sean los vectores u=(ux, uy, uz ) y
v=(vx, vy, vz )
El vector producto vectorial tiene las siguientes
características
Módulo:
senvuvu
Dirección:Perpendicular al plano que
forman u y v
Sentido:Queda determinado por la regla
de la mano izquierda
vuvu
PROPIEDADES DEL PRODUCTO VECTORIAL
Propiedad anticonmutativavwwv 1
Propiedad distributiva2 uvwvuwv )(
Propiedad distributiva (escalar)
3 wkvwvkwvk )(
Vectores paralelos4 00
vkvvv
TEOREMA DEL PRODUCTO VECTORIAL
DEMOSTRACIÓN(líneas maestras)
0ˆˆˆˆˆˆ
ˆˆˆ;ˆˆˆ
ˆˆˆ;ˆˆˆ
ˆˆˆ;ˆˆˆ
kkjjii
jkijik
ijkikj
kijkji
¡¡Necesitamos una regla de cálculo!!
REGLA DE CÁLCULO DEL PRODUCTO VECTORIAL
zyx
zyx
www
vvv
kji
wv
ˆˆˆ
Paso 1: Se duplican las dos primeras filas
zyx
zyx
zyx
vvv
kji
www
vvv
kji
wv
ˆˆˆ
ˆˆˆ
zyx
zyx
zyx
vvv
kji
www
vvv
kji
wv
ˆˆˆ
ˆˆˆ
kwvjwviwv yxxzzyˆˆˆ
Paso 2: Los factores de estas diagonales son positivos
zyx
zyx
zyx
vvv
kji
www
vvv
kji
wv
ˆˆˆ
ˆˆˆ
kwvjwviwv yxxzzyˆˆˆ
Paso 2: Los factores de estas diagonales son negativos
kwvjwviwv xyzxyzˆˆˆ
zyx
zyx
www
vvv
kji
wv
ˆˆˆ kwvjwviwv yxxzzy
ˆˆˆ
kwvjwviwv xyzxyzˆˆˆ
Paso 3: Se suman los factores comunes
¡¡No hace falta aprender la fórmula de memoria, solo calcular!!
EJERCICIO DE CÁLCULO PRODUCTO VECTORIAL
231
523
ˆˆˆ
ˆ2ˆ3ˆ
ˆ5ˆ2ˆ3
kji
wv
kjiw
kjiv
kji ˆ9ˆ5ˆ4 kji ˆ2ˆ6)ˆ15(
Ejemplos Físicos: • Momento de la Fuerza
(M)•Momento angular o
cinético (L)
FrM
prL
Ejemplos Físicos: • Momento de la Fuerza
(M)•Momento angular o
cinético (L)
prL
Tasa de Variación Media (TVM)
Nos indica cambios de funciones
xxf
TVM
)(
Derivada:Nos indica cambios
instantáneos de funciones
dxxdf
f)(
Derivada:Nos indica cambios
instantáneos de funciones
dxxdf
f)(
Derivada:Nos indica cambios
instantáneos de funciones
dxxdf
f)(
Derivada:Nos indica cambios
instantáneos de funciones
dxxdf
f)(
xsendx
xde
dxde
xdxsenxd
nxdxdx
xdxxd
dxdk
xx
nn
cos
cos
1ln0
1
Tabla de derivadas necesaria para Física de
2ºBT
PROPIEDADES DE LAS DERIVADAS
Derivada de la suma
hgfxhxgxf )()()(1
Derivada del producto de una k por una función
gkfxgkxf ·)(·)(2
Derivada de la función producto
hghgfxhxgxf ··)(·)()(3
Derivada de la función cociente2
··)()(
)(h
hghgf
xhxg
xf
4
Regla de la cadena
hhgfxhgxf ·)())(()( 5
La derivada de un vector es la derivada de una suma, por lo que se deriva componente a
componente
),,(ˆ)(ˆ)(ˆ)(
ˆ)(ˆ)(ˆ)()(
zyxkdttdz
jdttdy
idttdx
ktzjtyitxdtd
dttrd
Ejemplos Físicos: • Velocidad instantánea
(v=dr/dt)•Aceleración instantánea
(a=dv/dt)
2
2 )()(
)(
dt
trddttvd
a
dttrd
v
F(x) es una primitiva de f(x) si se cumple que: )(
)(xf
dxxdF
Un ejemplo: Encuentra la primitiva de la función
f(x)=2x-5x2
kxxxFxxxf 322
35
)(52)(
Al conjunto de todas las primitivas de una función
f(x) se le llama integral indefinida
kxFdxxf )()(
Derivación
Integración
)(xf
)(xf
kxdxx
kedxenknx
dxx
kxdxxsenkCxdxC
kxsendxxkdx
xxn
n
ln1
1;1
cos
cos0
1
Tabla de integrales necesaria para Física de
2ºBT
PROPIEDADES DE LAS INTEGRALES
La integral de la suma es la suma de integrales2 dxxgdxxfdxxgxf )()()()(
La integral de C veces la función es C veces la integral1 dxxfCdxxfC )(·)(·
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
TEOREMA DE BARROW b
aaFbFdxxf )()()(
Un ejemplo: Encuentra la integral de la función
f(x)=2x-5x2 entre los límites x=3 y x=5
5
3
2 )52( dxxx5
3
32
3
5xx
3232 3
35
3535
5 3,1473442
363550
La integral de un vector es la integral de una suma, por lo
que se integra componente a componente
dtktvdtjtvdtitv
dtktvjtvitvdtv
zyx
zyx
ˆ)(ˆ)(ˆ)(
ˆ)(ˆ)(ˆ)(
ktrdtv )(
W=b·h/2
Ejemplo Físico: • Trabajo de una fuerza
no constante
b
ardFW
ikxF ˆ
kdzjdyidxrd ˆˆˆ
Jk
kxdxkxrdikxW225
21
)ˆ(5
0
25
0
5
0
F (N)
x (m) 5
5k
http://iescastelar.juntaextremadura.net/vectores_3d/vectores_3d.html www.lowy-robles.com/37_16.htm http://www.cucei.udg.mx/portal/etc/multimedia/swf/Derivadas.swf