El Cálculo Vectorial es una de las ramas con más aplicaciones del cálculo, permite calcular flujos y entender muchos fenómenos físicos que han sido modelados con esta potente herramienta. En esta entrada se abordan los diferentes conceptos clave y teoremas que han sido resultado de esta rama de las matemáticas.
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1. Campos escalares y vectoriales
Un campo vectorial es una función
Donde las funciones
1.1. Campos gradientes
Si verificamos nuevamente la definicion de gradiente, encontramos que esta dado por:
Por lo cual se puede apreciar que el campo gradiente en realidad es un campo vectorial.
Note que el campo gradiente de una función
2. Integrales de línea
Las integrales de superficies se pueden calcular caudndo en el plano se tiene una region
La siguiente ecuación permite realizar el cálculo de esta integral de línea.
Note como la superficie a integrar ha sido escrita como una parametrización de
En caso que las integrales de línea se calculen sobre los ejes
Note que este caso no se parametrizó la superificie.
La parametrización de la superficie puede ser el mayor reto, en ocasiones es conveniente recordar la parametrización de un segmento de línea que comienza en
En general, la parametrización determina una orientación de la curva
2.1. Integrales de línea de campos escalares y vectoriales
Las integrales mencionadas anteriormente requieren de una curva en el plan y una superficie en el espacio, sin embargo las integrales de línea también se pueden calcular si se tiene en el plano un campo vectorial y una curva
Note que
Así mismo, se puede obtener las siguiente relación entre las integrales de linea sobre campos vectoriales e integrales de línea de campos escalares.
Con
Interpretación: en este caso note que la integral de línea no es un área bajo la curva, en este caso, si
2.2. Teorema fundamental de las integrales de línea
Este teorema establece que si la integral del línea del campo vectorial, corresponde a un campo vectorial gradiente, solomante es necesario obtener la diferencia de los valores de la función en los extremos de la curva:
2.3. Independencia de la trayectoria
Del teorema anterior se desprenden algunas consecuencias importantes y definiciones que se recopilan a continuación.
En primer lugar, se establece la independencia de la trayectoria, es decir, el resultado de la intelgral de línea no depende de la curva, si en una región
para toda trayectoria cerrada
Además, si
Adicionalmente, si
Definamos una curva simple como aquella que no se cruza a si misma, adicionalmente podemos definir curvas simples abiertas y cerradas y una región simplemente conexa si la región no tiene “huecos”.
Con
Entonces,
3. Teorema de Green
El teorema de Green establece una relación entre las integrales de línea, cuando la curva sobre la que se integra encierra una área y una integral doble sobre esa área. En este sentido, la región encerrada por la curva debe ser recorrida por el vector
Este teorema se considera como una extensión del teorema fundamental del cálculo y la integral anterior se puede escribir como sigue a continuacion para indicar que la integral de línea se calcula sobre la orientación positiva de la curva cerrada
El teorema de Green provee la siguiente formula para el cálculo del área:
4. Rotacional y Divergencia
Rotacional
El rotacional es una operación sobre vectores que produce un campo vectorial y que se escribe usando el producto cruz de las operaciones con vectores. La forma de calcular el rotacional y su notación se muestra a continuación.
Note que el operador nabla, que se uso para describir el vector gradiente se puede entender como la siguiente operacion:
Algunos resultados del rotacional implica lo siguiente:
- El rotacional del gradiente es cero:
- Un campo vectorial con derivadas parciales continuas y si
entonces es un campo vectorial conservativo.
Divergencia
Esta operación produce un campo escalar y usa el producto punto de las operaciones vectoriales. Se define como se muestra a continuación:
En este caso si el campo vectorial tiene derivadas parciales continuas de segundo orden entonces:
Teorema de Green
Usando las operaciones vectoriales se puede volver a escribir el teorema de Green usando el rotacional y la divergencia:
5. Integrales de Superficie
las integrales de superficie son el equivalente de las integrales de línea pero en una dimensión superior, en este caso las integrales de superficie permiten calcular las sumatoria de las contribuciones de un campo vectorial a través de una superficie, lo cual se puede escribir así:
Observe que esta no es la misma área superficial, así como la integral de línea no es el área bajo la superficie delimitada por la curva. Estas integrales son muy utilizadas en cálculos de campos y flujos como los electromagnéticos.
Si la parametrización es
La integral de superficie para campos vectoriales requerira el vector normal unitario a la superficie, que para una superficie cerrada la convencio es que estos vecotores son positivos cuando apuntan hacia afuera de la superficie, esto se conoce como orientación positiva de la superficie. Con:
Se puede calcular las integrales de superficie usando los siguientes resultados:
6. Teorema de Stokes
El teorema de Stokes se puede considerar un equivalente del teorema de Green pero para una dimensión más alta al relacionar una integral de liena con una integral de superficie.
Sea
7. Teorema de la Divergencia
Similar al teorema de Stokes el teorema de la divergencia relaciona la integral de superficie con una integral tripe sobre un volumen. Observe que son variaciones de los diferentes resultados de las operacioens vectoriales de las integrales pero en dimensiones más altas.
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