El documento presenta 10 problemas de matemática resueltos. Trata sobre cálculo integral y diferencial, incluyendo problemas sobre evaluación de integrales dobles e integrales triples en diferentes regiones, así como también la determinación de puntos críticos y máximos/mínimos de funciones. El documento fue elaborado por 5 estudiantes de ingeniería ambiental para su curso de matemática III y fue supervisado por su docente.
1. MATEMÁTICA III
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE
INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
TRABAJO
PROBLEMAS DE MATEMÁTICA III
INTEGRANTES
INGA PEÑA CELITH ROSSY
CONDORI MAMANI, RUTH MARILYN
HERNANDEZ HUAMANI, MILUSKA
PARRA ARTEAGA, DIEGO
VÁSQUEZ JIMÉNEZ, MARILYN NOELIA
DOCENTE
CABRERA CHÁVEZ, JULIO CESAR
LIMA – PERÚ
2016
2. MATEMÁTICA III
2
Problema 1:
Evaluar: ∬
𝑥
√𝑥2+𝑦2
𝑑𝐴 donde “R” es la región acotada por el círculo: 𝑥2
+ 𝑦2
= 1 y los
ejes coordenados: 𝑥 ≥ 0 ∧ 𝑦 ≥ 0.
𝐼 = ∬
𝑥
√𝑥2 + 𝑦2
𝑑𝐴
𝑅 {
𝑥2
+ 𝑦2
= 1
𝑥 ≥ 0 ∧ 𝑦 ≥ 0
}
𝑥 = 𝑟cos 𝜃
𝑦 = 𝑟 sin 𝜃
0 ≤ 𝜃 ≤
𝜋
2
| 𝐽| = 𝑟
𝐼 = ∫ ∫
𝑟 cos 𝜃
𝑟
𝜋
2
0
1
0
𝑟𝑑𝜃𝑑𝑟 ⟹ 𝐼 = ∫ 𝑟(sin
𝜋
2
− sin 0) 𝑑𝑟 = ∫ 𝑟𝑑𝑟 =
1
2
1
0
1
0
𝑦 = √1 − 𝑥2
𝑥 = 0
𝑦 = 0
∴ 𝐼 =
1
2
3. MATEMÁTICA III
3
Problema 2:
Evaluar ∬ 𝑒 𝑥2
+𝑦2
𝑑𝑥 𝑑𝑦 siendo R la región encerrada entre las curvas
C1: 𝑥2
+ 𝑦2
= 1 y C2: 𝑥2
+ 𝑦2
= 4
SOLUCIÓN:
Graficando la región de integración en x e y
Hacemos un cambio de variable a polares. Haciendo: x=r cosƟ , y=r senƟ , r2=x2+y2
Recordando que cuando hacemos cambio de variable en polares el jacobiano es r, ahora
grafiquemos la nueva región de integración en r y Ɵ.
Entonces de la región anterior se observa r=1 y r=2 además Ɵ=0 y Ɵ=2Π
La nueva integral sería
S
Ɵ=2Π
Ɵ
r
Ɵ=0
r=1 r=2
S*
4. MATEMÁTICA III
4
∫
2
1
∫ 𝑒 𝑟2
. 𝑟 𝑑𝜃𝑑𝑟
2Π
0
Resolviendo:
∫
2
1
∫ 𝑒 𝑟2
. 𝑟 𝑑𝜃𝑑𝑟
2Π
0
= 2Π∫ 𝑒 𝑟2
. 𝑟 𝑑𝑟
2
1
Haciendo cambio de variable u= r2 entonces dr=du/2r, reemplazando en 2Π∫ 𝑒 𝑟2
. 𝑟 𝑑𝑟
2
1
2Π ∫ 𝑟. 𝑒 𝑢
.
𝑑𝑢
2𝑟
4
1
= Π ∫ 𝑒 𝑢
𝑑𝑢 = 𝑒4
−
4
1
𝑒
Problema 3:
Hallar el área de la región R encerrada por la curva:
𝒞: (𝑥2
+ 𝑦2
)2
= 2𝑎2( 𝑥2
− 𝑥2); 𝑎 > 0 , 𝑥2
≥ 𝑦2
mediante una integral doble.
SOLUCIÓN
El integral sería ∬ 𝑑𝑥 𝑑𝑦
Por sustitución a coordenadas polares, y tomando en cuenta |J|=r
Ahora sería ∬ 𝑟 𝑑𝜃 𝑑𝑟
Haciendo: x=r cosƟ , y=r senƟ , r2=x2+y2 en C quedaría: r2=a2 cos2Ɵ que sería una
lemniscata graficando la lemniscata :
(a.cos2Ɵ 0.5
,0)
Ɵ=π/4
5. MATEMÁTICA III
5
Del gráfico en el primer cuadrante 0≤ r ≤ a. cos2Ɵ 0.5 y 0 ≤ Ɵ ≤ π/4, entonces el área sería:
ℐ = 4 ∫ ∫ 𝑟 𝑑𝜃 𝑑𝑟
π
4
0
𝑎√cos2𝜃
0
Resolviendo:
ℐ = 4∫
π
4
. 𝑟 𝑑𝑟 =
4. π
4
∫ 𝑟. 𝑑𝑟 =
𝑎√cos 2𝜃
0
𝑎√cos 2𝜃
0
(
𝑟2
2
)
0
𝑎√cos 2𝜃
= ( 𝑎2
cos2𝜃 − 0) = 𝑟2
Entonces el área de la lemniscata es 𝑟2
Problema 4:
Evaluar ∭ √𝑥2 + 𝑧2 𝑑𝑉 donde “S” es el sólido limitado por
𝑆1: 𝑦 = 𝑥2
+ 𝑧2
; 𝑆2: 𝑦 = 4
𝑇𝑜𝑚𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑢𝑛 𝑦 − 𝑠𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒: 𝑥2
+ 𝑧2
≤ 𝑦 ≤ 4
𝐷 = {( 𝑥, 𝑧) ∈ 𝑅 ∖ 0 ≤ 𝑥 ≤ 2 ∧ 0 ≤ 𝑧 ≤ √4 − 𝑥2}
Z
X
Y
Y simple
𝑧 = √4 − 𝑥2
∴ 𝐼 = 4 ∫ ∫ ∫ √ 𝑥2 + 𝑧2 𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑𝑥
4
𝑥2
+𝑧2
√4−𝑥2
0
2
0
7. MATEMÁTICA III
7
∬ √ 𝑎 − 𝑥2 − 𝑦2
𝑅
𝑑𝐴 = 4∫ ∫ √ 𝑎 − 3𝑟2 − 𝑟2 𝑐𝑜𝑠𝜃2√2 𝑟𝑑𝜃𝑑𝑟
𝜋
2
0
1
0
Problema 7:
Evaluar ∬( 𝑥2
+ 𝑦2) 𝑑𝐴 donde la región “R” está limitado por la curva: 𝐶: 𝑦 = 𝑥2
∧ la
recta 𝐿: 𝑦 = 3𝑥 mediante transformaciones polares.
𝐼 = ∬( 𝑥2
+ 𝑦2)
𝑅 {
𝐶: 𝑦 = 𝑥2
𝐿: 𝑦 = 3𝑥
}
𝑟 sin 𝜃 = 3𝑟 cos 𝜃
tan 𝜃 = 3
𝜃 = tan−1
3
0 ≤ 𝜃 ≤ tan−1
3
𝑟 sin 𝜃 = 𝑟2
cos 𝜃2
0 = 𝑟(𝑟 cos 𝜃2
− sinθ)
0 ≤ 𝑟 ≤ tan 𝜃 sec 𝜃
| 𝐽| = 𝑟
𝑥2
+ 𝑦2
= 𝑟
𝑦 = 𝑥2
𝑦 = 3𝑥
∴ 𝐼 = ∫ ∫ 𝑟3
𝑑𝑟𝑑𝜃
tan 𝜃 sec 𝜃
0
tan−1
3
0
8. MATEMÁTICA III
8
PROBLEMA 8.
Evaluar: ∬( 𝑥2
+ 𝑦2) 𝑑𝐴 donde la región ¨R¨ está limitada por la curva:
𝐶: 𝑥2
+ 𝑦2
= 2𝑦
Solución:
𝐶: 𝑥2
+ 𝑦2
= 2𝑦
𝑥 = 𝑟 cos 𝜃
𝑦 = 𝑟sen 𝜃
donde
0 ≤ 𝑟 ≤ sen 𝜃
𝑟2
= 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 → 𝑟 = 0 𝑣 𝑟 = 𝑠𝑒𝑛𝜃
Graficando: 𝑥2
+ (𝑦 − 1)2
= 1 0 ≤ 𝜃 ≤ 𝜋
∴ 𝐼 = ∫ ∫ 𝑟3
𝑑𝑟𝑑𝜃
𝑠𝑒𝑛𝜃
0
𝜋
0
𝐼 = ∫
𝑠𝑒𝑛4
𝜃
4
𝑑𝜃
𝜋
0
Y
X
9. MATEMÁTICA III
9
Problema 10:
Determine los máximos, mínimos o puntos silla de la superficie:
𝑧 = 𝑥3
+ 3𝑥𝑦 + 𝑦3
Solución
𝐷𝑜𝑚𝑓 = 𝑅2
𝑓(𝑥, 𝑦) = 𝑥3
+ 3𝑥𝑦 + 𝑦3
𝑓𝑥(𝑥, 𝑦) = 3𝑥2
+ 3𝑦 𝑓𝑦(𝑥, 𝑦) = 3𝑥 + 3𝑦2
𝑓𝑥(𝑥, 𝑦) = 0 𝑓𝑦(𝑥, 𝑦) = 0
𝑥2
+ 𝑦 = 0 ….(i) 𝑥 + 𝑦2
= 0 ….(ii)
𝑥0 = 0 𝑦0 = 0
𝑥1 = −1 𝑦1 = −1
Se tiene 2 posibles puntos críticos
(0 ;0) 𝑜 (−1 ;−1)
Hallamos el discriminante
𝑓𝑦𝑦( 𝑥, 𝑦) = 6𝑦
𝑓𝑥𝑦
2
( 𝑥, 𝑦) = 32
Para el primer punto crítico: (0 ;0)
∆(𝑥,𝑦)= 𝑓𝑥𝑥( 𝑥, 𝑦) 𝑓𝑦𝑦( 𝑥, 𝑦) − 𝑓𝑥𝑦
2
( 𝑥, 𝑦)
∆(0,0)= 0 − 9 = −9
Como ∆(0,0)< 0 entonces no tiene valores extremos más bien un punto de ensilladura y esto
ocurre en el punto (0,0)
Para el segundo punto crítico: (−1 ;−1)
∆(𝑥,𝑦)= 𝑓𝑥𝑥( 𝑥, 𝑦) 𝑓𝑦𝑦( 𝑥, 𝑦) − 𝑓𝑥𝑦
2
( 𝑥, 𝑦)
∆(0,0)= 36 − 9 = 27
Como ∆(−1,−1)> 0 y 𝑓𝑥𝑥( 𝑥, 𝑦) = −6 < 0 entonces el punto (-1 ; -1 ) es un punto máximo
relativo
10. MATEMÁTICA III
10
PROBLEMA 16.
Sea la función 𝑓( 𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝛽𝑥𝑦 + 𝛼𝑧, con la restricción
𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝑧2
= 3, tiene un valor extremo en (1,1,1) hallar las constantes α y β
si: α+β = 2
SOLUCIÓN:
Usamos en método de Lagrange creamos una nueva función
ℒ( 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜆) = 𝑓( 𝑥, 𝑦, 𝑧) + 𝜆. 𝑔( 𝑥, 𝑦, 𝑧)
Con 𝑔( 𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝑧2
− 3, entonces:
ℒ( 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜆) = 𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝛽𝑥𝑦 + 𝛼𝑧 + 𝜆. (𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝑧2
− 3)
Hallando las derivadas parciales de L respecto a x, y, z e igualando a 0
ℒ 𝑥 ( 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜆) = 2𝑥 + 𝛽𝑦 + 2𝜆𝑥 = 0
ℒ 𝑦 ( 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜆) = 2𝑦 + 𝛽𝑥 + 2𝜆𝑦 = 0
ℒ 𝑧 ( 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜆) = 𝛼 + 2𝜆𝑧 = 0
Despejando la constante:
𝜆 =
(2𝑥 + 𝛽𝑦)
−2𝑥
=
(2𝑦 + 𝛽𝑥)
−2𝑦
=
𝛼
−2𝑧
Y sabemos que la condición es 𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝑧2
= 3 𝑦 𝛼 + 𝛽 = 2, además tienen un valor
extremo en (1, 1,1). Operando en busca de relaciones:
i) x2=y2, entonces x=y o x=-y
ii) 2xz+βyz=αx, entonces 2xz+βyz =(2-β)x
iii) 2yz+βxz=αy, entonces 2yz+βxz =(2-β)y
Usando la condición 2x2+z2=3
m.a.m ii*iii y como x=y
𝑧2
=
(2 − 𝛽) − 2𝛽𝑥2
4 + 2𝛽
Reemplazando 2x2+z2=3
2𝑥2
+
(2 − 𝛽) − 2𝛽𝑥2
4 + 2𝛽
= 3
Operando, el resultado es α = 12/5 y β=-2/5
11. MATEMÁTICA III
11
PROBLEMA 17.
Dada la transformación: 𝑇: {
𝑥 = 𝑢
𝑦 = 𝑣(1 + 𝑢)2
a) Calcule 𝐽(𝑢, 𝑣)
b) Un cuadrado D en el plano (𝑢, 𝑣) tiene vértices (0; 0), (1; 0), (1; 1), (0,1) graficar
en xy la imagen 𝑇( 𝐷) = 𝐸
c) Calcule ∬
𝑥𝑦
1+𝑥2 𝑑𝑦𝑑𝑥
Solución:
Dato: 𝑇: {
𝑥 = 𝑢
𝑦 = 𝑣(1 + 𝑢2
)
T: transformación directa
a) 𝐽( 𝑢, 𝑣) =
𝑑( 𝑥,𝑦)
𝑑( 𝑢,𝑣)
= |
𝑑𝑥
𝑑𝑢
𝑑𝑥
𝑑𝑣
𝑑𝑦
𝑑𝑢
𝑑𝑦
𝑑𝑣
| = |
1 0
2𝑢𝑣 1+ 𝑢2| = 1 + 𝑢2
> 0
b) Transformaciones de rectas horizontales
1) si 𝑣 = 0 0 ≤ 𝑢 ≤ 1
Reemplazando en T
: 𝑇: {
𝑥 = 𝑢
𝑦 = 0 𝑦 = 0 0 ≤ 𝑥 ≤ 1
X
x = 0
y = 0
x = 1
X
(1,1)
(0,0) (1,0)
(0,1)