Integrales y ejemplos de aplicación

Transcripción

1 Integrales y ejemplos de aplicación I. PROPÓSITO DE ESTOS APUNTES Estas notas tienen como finalidad darle al lector una breve introducción a la noción de integral. De ninguna manera se pretende seguir un tratamiento riguroso, sino que se intenta presentar una noción intuitiva del concepto de integral y algunos ejemplos de sus aplicaciones. Este material fue escrito con la intención de cubrir la situación inconveniente de que algunos alumnos que se encuentran cursando Física General I no realizaron previamente el curso de Matemáticas I ó Cálculo I, u otro curso en dónde se estudien estos temas. Dado que en cierta medida esta situación es ajena a la responsabilidad de los estudiantes, entendimos pertinente realizar esta guía para permitirles manejar problemas en los cuáles es necesario calcular integrales. La resolución de tales tipos de ejercicios es totalmente necesario en el curso de Física General I. Se espera que los estudiantes tomen lo antes posible el curso correspondiente de Matemáticas, a efectos de tener la formación adecuada al momento de cursar materias más avanzadas de la carrera. II. LA VELOCIDAD COMO UNA DERIVADA Dado que los conceptos que manejaremos aquí serán posteriormente utilizados en la resolución de problemas de Física, resulta natural comenzar con ejemplos tomados de la misma. Consideremos una partícula que se mueve en una cierta dirección fija, es decir se mueve a lo largo de una línea recta. Supongamos que medimos la posición de la misma usando una coordenada x, tal como se muestra en la figura 1. La posición x, será una función del tiempo t. Esto quiere decir que para cada valor de t, x tendrá un valor determinado. Podemos expresar esto denotando x = x(t), y representarlo como una curva, como se muestra en la figura 2. A medida que transcurre el tiempo, la posición de la partícula irá cambiando, y el desplazamiento x de la misma entre los instantes t 1 y t 2 está dado por x = x(t 2 ) x(t 1 ). Se define a la velocidad media v m en el intervalo (t 1, t 2 ) mediante la relación v m = x(t 2) x(t 1 ) t 2 t 1 Supongamos que ahora, manteniendo fijo el valor de t 1, consideramos un valor de t 2 más cercano a t 1. El valor de v m en el nuevo intervalo será en general diferente al obtenido en 1

2 x 0 Figura 1 x Figura 2 t el intervalo anterior. Supongamos que consideramos ahora otros valores de t 2, cada vez más cercanos a t 1. Los valores de t 1 se irán acercando un cierto valor v. Diremos que ese es el valor de la velocidad instantánea en el instante t 1 (para ciertas funciones x(t) el valor de v podría ser, pero en estos casos la función x(t) no es física, dado que partículas reales no tienen velocidad infinita). Dado que la velocidad instantánea depende del valor de t 1 elegido, esta es una función del tiempo, y podemos expresarla en la forma v = v(t). La definición de la velocidad instantánea se puede escribir usando el concepto de límite, en la forma v(t 1 ) = lim t 2 t 1 x(t 2 ) x(t 1 ) t 2 t 1 (1) Esto quiere decir que v(t 1 ) es el valor al cuál se acerca el cociente q(t) = x(t 2) x(t 1 ) t 2 t 1 medida que t 2 se acerca t 1. (De manera más formal, en general, definimos que L = lim t t1 q(t) si para cualquier número arbitrario ɛ > 0, existe un número δ > 0, tal que para todo t entre t 1 δ y t 1 + δ, se verifica que q(t) L < ɛ). En los casos en que está definido el valor de q(t) en t = t 1, el límite L es el valor q(t 1 ). t 2 t 1 Ejemplo: obtener el límite lim t t1 t 2 1 t. Sustituyamos el valor t por t 1 y veamos que sucede. En este caso obtenemos t2 1 t 1 = 1, por lo que entonces el límite es 1. t 2 1 t 1 a 2

3 En otros casos, sin embargo, el valor de q(t) no está definido en t = t 1. Esto es lo que sucede en el cálculo de la velocidad instantánea, como veremos posteriormente, lo cuál no quiere decir que no exista el límite. Definiendo = t 2 t 1, t = t 1 (lo cuál implica que t 2 = t + ), podemos escribir a la definición (1) en la forma x(t + ) x(t) v(t) = lim 0 (2) Se define a la derivada de una función f(t) con respecto a t ( la cuál se denota como f (t), f(t) ó df(t) dt ) en la forma f f(t + ) f(t) (t) = lim 0 ( esta defición requiere que el límite exista). Por lo tanto, la velocidad instantánea v(t), es la derivada de la posición x(t) con respecto al tiempo. A modo de ejemplo, supongamos que la posición de una partícula viene dada por la función x(t) = At 3 y queremos calcular su velocidad instantánea. O sea que queremos calcular el límite A(t + ) 3 At 3 v(t) = lim 0 = lim A((t + )3 t 3 ) 0 (3) (t+) 3 t 3 = Utilizando el desarrollo de la potencia del binomio, obtenemos t 3 +3t t+ 3 t 3 = 3t t t Entonces v(t) = lim 0 A(3t2 ). Para obtener el valor del límite, podemos substituir el valor = 0 y ver que sucede. En este caso obtenemos 0, que es un número no definido. Sin embargo, podemos solucionar este problema 0 simplificando la expresión. Si dividimos numerador y denominador por, obtenemos que + t + 2 v(t) = lim 0 A(3t2 ) 1 Ahora podemos substituir = 0 en la expresión, con el resultado de que la velocidad instantánea es v(t) = 3At 2. Utilizando un desarrollo similar, se puede obtener que la función f(t) = At n (dónde A y n son constantes) tiene como derivada f (t) = nat n 1. Si n = 0, f(t) es una constante, y su derivada es cero. A continuación, daremos las derivadas correspondientes a varias funciones que se usan con frecuencia. 3

4 siendo a,b constantes. f(t) f (t) cos(at) a sin(at) sin(at) e bt a bt a cos(t) be bt b ln(a)a bt 1 ln(bt) t En libros de cálculo se pueden obtener listas muy completas de derivadas. Algunas propiedades de las derivadas son las siguientes: 1) Si u(t) = Af(t), ( A constante), u (t) = Af (t). 2) Si u(t) = f(t)+g(t), u (t) = f (t)+g (t). 3) Si f(t) = u(t)v(t), f (t) = u (t)v(t) + u(t)v (t). 4) Función compuesta: si u(t) = f(g), (siendo g una función de t), u (t) = df dg g (t). El símbolo df dg argumento g, y no con respecto a t. (4) significa que debemos derivar a f con respecto su Ejemplo: Obtener la derivada con respecto a t de f(t) = sin(3t 2 ). Denominando g(t) = 3t 2, tenemos que f (t) = df dg g (t). La derivada df dg 3.2t = 6t. Entonces f (t) = 6t cos(3t 2 ). es d sin(g) dg = cos(g), y por otro lado g (t) = A. Interpretación geométrica de la derivada La derivada de una función f(t) tiene una interpretación geométrica muy directa. Consideremos la figura 3, y en ella, la recta que pasa por los puntos (t, f(t)) y (t+, f(t+)). La tangente del ángulo que forman esa recta con el eje horizontal (eje t), es igual a tan α = f(t + ) f(t) A medida que hacemos tender 0, esa recta tiende a ser la tangente a la curva, y el lado derecho de la igualdad (5) tiende al valor de la derivada. O sea que la derivada f (t) es igual a la pendiente de la tangente a la curva f(t) en t. Cuando la tangente es horizontal, α = 0. Esto implica que tan(α) = 0, y que entonces la derivada se anula. Esto significa que cuándo la función alcanza un máximo o un mínimo, la derivada (asumiendo que exista), será nula (puede suceder que la derivada se anule aunque no se alcance ni un máximo ni un mínimo, ver figura 4). 4 (5)

5 f f(t+ t)-f(t) t t + t Figura 3 f f '(t)=0 Máximo (tangente horizontal) f '(t)=0 Tangente horizontal sin máximo t Figura 4 B. Aceleración instantánea En forma similar a como definimos la velocidad intantánea, la aceleración instantánea se define en la forma v(t + ) v(t) a(t) = lim 0 O sea que a(t) es la derivada con respecto a t de la velocidad instantánea, ó la derivada segunda de la posición x(t). O sea que a(t) = v (t) = x (t). (6) 5

6 III. INTEGRALES Anteriormente vimos que, si conocemos a la posición en función del tiempo x(t), podemos obtener a la velocidad y a la aceleración derivando. La pregunta es si teniendo a la velocidad v(t), o la aceleración a(t), podemos obtener a la posición x(t). Supongamos que la aceleración es constante: a(t) = A En este caso, la velocidad debe ser de la forma v(t) = At+C, para que se verifique v (t) = A. Aquí C es una constante cualquiera. Cualquier valor de C es válido, ya que la derivada de una constante es cero, de forma que para cualquier C se verifica v (t) = A. El procedimiento que hemos realizamos es inverso a la derivación, y se denomina integración. La función F (t) es la integral indefinida de f(t) si se verifica F (t) = f(t). Continuando con el ejemplo, el valor de C tiene un significado preciso. Si damos a t el valor t = 0, vemos que v(0) = C. O sea que C representa el valor de la velocidad en t = 0, ó valor inicial de v. Podemos escribir entonces que v(t) = At + v 0 Por otro lado, vemos que la posición debe ser de la forma x(t) = 1 2 At2 + v 0 t + C 2, a efectos que se verifique x (t) = v(t). Nuevamente, al asignar el valor t = 0, vemos que C 2 es la posición inicial, o sea el valor de x en t = 0. En definitiva x(t) = 1 2 At2 + v 0 t + x 0, que es una fórmula ya conocida. Por lo tanto teniendo a a(t), podemos obtener a x(t) si además conocemos un número de condiciones iniciales. A. Integral definida Consideremos a la figura 5, dónde se representa a x(t) en función de t entre los instantes t a y t b. Supongamos que dividimos al intervalo (t a, t b ) en N subintervalos. La cantidad = t b t a N representa entonces la duración de cada subintervalo. Denominamos a x i, x i+1 6

7 x x b x a t a t b Figura 5 a la posición al comienzo y al final del intervalo i-ésimo, como se muestra en la figura 5, y t i, t i+1 a los instantes en que comienza y finalizan los subintervalos (o sea que x i = x(t i ) y t i+1 = t i + ). Tenemos entonces que x a = x 1 y x b = x N+1. Podemos escribir x(t b ) x(t a ) = x b x a = x N+1 x 1 = x N+1 x N + x N x N x 3 x 2 + x 2 x 1 = (x N+1 x N ) + (x N x N 1 ) (x 3 x 2 ) + (x 2 x 1 ) = (x i+1 x i ) = (x(t i+1 ) x(t i )) = (x(t i + ) x(t i )) = x(t i + ) x(t i ) Al comienzo de estas operaciones, solamente sumamos y restamos x N, x N 1,...x 2, y al final multiplicamos y dividimos por. Si ahora hacemos tender 0, (esto es, hacemos tender el número N de subintervalos a ), la cantidad x(t j+) x(t j ) tiende al valor de la derivada de x(t) en t = t j (asumimos que en el intervalo (t a, t b ) la función f(t) y su derivada están bien definidos). Podemos escribir entonces que x(t b ) x(t a ) = lim 0 7 x (t j ) (7)

8 f f(b) f(a) f(x) a x b x Figura 6 A la expresión al lado derecho de la igualdad (7) se la denomina integral definida, y se la representa en la forma tb t a x (t)dt = lim 0 x (t j ) (8) Si llamamos F (t) = x(t), f(t) = x (t), (o sea que F (t) = f(t), de manera que F es la integral indefinida de f) podemos expresar a las igualdades anteriores en la forma tb t a f(t)dt = lim 0 f(t j ) F (t b ) F (t a ) = tb (9) t a f(t)dt Es útil tener en cuenta ambas expresiones ya que la primera de ellas surge con frecuencia al resolver algún problema y la segunda nos dice como calcularla. B. Interpretación geométrica de la integral Consideremos a la figura 6, dónde se grafica a una cierta función f(x), entre los valores x = a y x = b. Se divide al intervalo (a, b) en N subintervalos y se define x = b a N. Se denomina x i al valor de x al final de cada subintervalo. Consideremos la cantidad S = f(x i ) x. El área de un rectángulo está dado por xf(x), así que S representa lim x 0 el área total debajo de los rectángulos, tal como se muestra en la figura 6. A medida que 8

9 x 0, el área total de todos los rectángulos S tiende a ser igual al área bajo la curva. Por otro lado, usando las relaciones (9) (substituyendo t por x), obtenemos que S = b a f(x)dx = F (a) F (b) O sea que la integral de f(x) es igual al área bajo la curva. C. Ejemplo de aplicación Se define el momento de inercia de un conjunto de partículas con respecto a un eje de la siguiente forma: I = i m i r 2 i (10) siendo r i la distancia desde la partícula i hasta el eje considerado y m i la masa de la partícula. Supongamos que queremos determinar el momento de inercia de una barra de densidad uniforme con respecto a un eje que pasa por uno de sus extremos, tal cómo se ve en la figura 7. La longitud de la barra es L y su masa M. A efectos de aplicar la definición (10), podemos dividir a la barra en un cierto número N de fragmentos de igual longitud x = L/N, (11) y luego suponer que cada fragmento se comporta como una partícula, asumiendo que toda la masa del fragmento está concentrada en el punto medio del mismo. Esto constituye una aproximación, pero a medida que hacemos tender el número N a, este error disminuye y en el límite el cálculo es exacto. Como la distribución de la masa sobre la barra es uniforme, entonces la masa m i de cada fragmento es: m i = M N entonces m i = M x. Tenemos entonces que L I = lim x 0 i m i x 2 M i = lim x 0 i L x2 i x. De (11), tenemos que x L = 1 N y Aquí x i mide la distancia desde el eje al punto del fragmento i. Notamos que obtuvimos una sumatoria del tipo (9), por lo tanto, I = L 0 M L x2 dx = M L L 0 x 2 dx (12) 9

10 y x L Figura 7 Los extremos de la integral definida son L y 0 porque son los valores máximo y mínimo que toma la variable x. Para calcular esta integral usamos ahora la segunda ecuación (9). Debemos encontrar la integral indefinida de la función f(x) = x 2. Esta es F (x) = 1 3 x3, como podemos verificar derivando. Entonces L 0 x 2 dx = F (L) F (0) = 1 3 L = 1 3 L3 Substituyendo en (12) y simplificando, obtenemos entonces que I = 1 3 ML2... Notas redactadas por el Prof. Gustavo Sarasúa sarasua@fisica.edu.uy 10