Cálculo de varias variables

CÁLCULO DE VARIAS VARIABLES

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The Pennsylvania State University

The Behrend College

University of Florida

Traducción

Javier León Cárdenas

Adaptación y Revisión técnica

Joel Ibarra Escutia

Tecnológico Nacional de México

Instituto Tecnológico de Toluca

Revisión técnica

Instituto Politécnico Nacional

CECyT 9 Juan de Dios Bátiz

Gilberto Gamaliel Díaz Monroy

Sergio Ramírez Espinosa

Instituto Tecnológico José Mario Molina

Pasquel y Henríquez, campus Tequila

Mario Eduardo Aguirre Talamantes

Tecnológico Nacional de México, campus Culiacán

Salvador Rojo Lugo

Tecnológico Nacional de México, campus Morelia

Nancy Cambrón Muñoz

Gerardo Sepúlveda Valdés

Tecnológico Nacional de México, campus Pachuca

Luis García González

José Alejandro Monroy Gómez

Tecnológico Nacional de México, campus Saltillo

Gloria Esthela Martínez Montemayor

Tecnológico Nacional de México, campus Tepic

Víctor Manuel Lamas Huízar

Universidad Politécnica de Pachuca

Armando Silva Castillo

Cálculo de varias variables.

Primera edición

Ron Larson

Bruce Edwards

Directora Higher Education

Latinoamérica:

Lucía Romo Alanís

Gerente editorial Latinoamérica:

Jesús Mares Chacón

Editora:

Abril Vega Orozco

Coordinador de manufactura:

Rafael Pérez González

Diseño de portada:

Karla Paola Benítez García

Imagen de portada:

© betibup33 / Shutterstock

Composición tipográfica:

Heriberto Gachuz Chávez

Gloria Ivonne Álvarez López

José Alejandro Hernández Hernández

© D.R. 2023 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc.

Av. Andrés Molina Enríquez 354, Primer piso, Oficina “A”, Colonia Ampliación Sinatel, Delegación Iztapalapa, Ciudad de México, C.P. 09479. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso.

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Es una traducción-adaptación de la obra: Calculus with CalcChat® and CalcView® . Twelfth Edition.

Ron Larson / Bruce Edwards. Publicado en inglés por Cengage Learning ©2023.

ISBN: 978-0-357-74913-5

Datos para catalogación bibliográfica: Larson, Ron y Bruce Edwards. Cálculo de varias variables. Primera edición.

ISBN: 978-607-570-182-0

Visite nuestro sitio en: http://latam.cengage.com

Contenido detallado

Unidad 1

Vectores y la geometría del espacio 1

1.1 Vectores en el plano 2

1.2 Coordenadas y vectores en el espacio 12

1.3 El producto punto (o escalar) de dos vectores 20

1.4 El producto cruz (o vectorial) de dos vectores en el espacio 29

1.5 Rectas y planos en el espacio 37

Proyecto de trabajo: Distancias en el espacio 47

1.6 Superficies en el espacio 48

Ejercicios de repaso 58

Solución de problemas 61

Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad 62

Exámenes de práctica 67

Unidad 2

2.1 Cónicas y cálculo 70

2.2 Curvas planas y ecuaciones paramétricas 84

2.3 Ecuaciones paramétricas y cálculo 94

2.4 Coordenadas polares y gráficas polares 103

Proyecto de trabajo: Óvalo de Cassini 112

2.5 Área y longitud de arco en coordenadas polares 113

2.6 Ecuaciones polares de cónicas y leyes de Kepler 122

Ejercicios de repaso 130

Solución de problemas 134

Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad 135

Exámenes de práctica 141

Unidad 3

Funciones vectoriales

3.1 Funciones vectoriales 144

Proyecto de trabajo: Bruja de Agnesi 151

3.2 Derivación e integración de funciones vectoriales 152

3.3 Velocidad y aceleración 160

3.4 Vectores tangentes y vectores normales 169

3.5 Longitud de arco y curvatura 179

Ejercicios de repaso 191

Solución de problemas 194

Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad 195

Exámenes de práctica 199

Unidad 4

4.1 Introducción a las funciones de varias variables 202

4.2 Límites y continuidad 214

4.3 Derivadas parciales 224

4.4 Diferenciales 234

4.5 Reglas de la cadena para funciones de varias variables 241

4.6 Derivadas direccionales y gradientes 249

En esta unidad de Cálculo de varias variables es posible visualizar algunas gráficas en REALIDAD AUMENTADA

Unidad 5

En esta unidad de Cálculo de varias variables es posible visualizar algunas gráficas en REALIDAD AUMENTADA

4.7

Planos tangentes y rectas normales 261

Proyecto de trabajo: Flora silvestre 269

4.8 Extremos de funciones de dos variables 270

4.9 Aplicaciones de los extremos de funciones de dos variables 278

Proyecto de trabajo: Construcción de un oleoducto 285

4.10 Multiplicadores de Lagrange 286

Ejercicios de repaso 294

Solución de problemas 298

Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad 299

Exámenes de práctica 305

Integración múltiple

5.1 Integrales iteradas y área en el plano 308

5.2 Integrales dobles y volumen 316

5.3 Cambio de variables: coordenadas polares 328

5.4 Centro de masa y momentos de inercia 336

Proyecto de trabajo: Centro de presión sobre una vela 343

5.5 Área de una superficie 344

Proyecto de trabajo: Área de una superficie en coordenadas polares 350

5.6 Integrales triples y aplicaciones 351

5.7 Coordenadas cilíndricas y esféricas 362

5.8 Integrales triples en coordenadas cilíndricas y esféricas 369

Proyecto de trabajo: Esferas deformadas 376

5.9 Cambio de variables: jacobianos 376 Ejercicios de repaso 383 Solución de problemas 387

Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad 388

Exámenes de práctica 397

Unidad 6

Análisis vectorial

6.1 Campos vectoriales 400

6.2 Integrales de línea 411

6.3 Campos vectoriales conservati vos e independencia de la trayectoria 425

6.4 Teorema de integrales (Resumen) 435

6.5 Teorema de Green*

6.6 Superficies paramétricas*

6.7 Integrales de superficie*

6.8 Teorema de la divergencia*

6.9 Teorema de Stokes* Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad* Exámenes de práctica*

Apéndices A1

Respuestas a ejercicios seleccionados R1

Índice analítico I1

Formularios básicos y tablas de integración T1

307

399

* Este material se encuentra disponible en línea. Acceda a https://latam.cengage.com/ e ingrese con el ISBN de la obra.

Prefacio

Bienvenidos a esta nueva edición de Cálculo de varias variables. Nos enorgullece ofrecerle esta nueva edición revisada y mejorada de nuestro clásico y exitoso libro de texto.

Esta obra forma parte de una serie de libros elaborados para cubrir de manera específica planes y programas de estudio de los principales cursos a nivel superior.

Cálculo de varias variables, de Ron Larson y Bruce Edwards, proporciona instrucciones claras, matemáticas precisas y la amplia cobertura que usted espera de su curso.

La obra le ofrece acceso gratuito a LarsonCalculus.com— Un sitio web complementario con recursos para apoyar la enseñanzaaprendizaje (disponible solo en inglés).

Usted tiene acceso a videos en los que se explican los conceptos o las pruebas del libro, explorar ejemplos, ver gráficas tridimensionales, descargar artículos de revistas especializadas y mucho más.

Este material está basado en la obra completa en inglés, pero cuenta con material disponible que le ayudará en sus clases.

LO NUEVO EN ESTA EDICIÓN

NUEVO Las grandes ideas del cálculo

Hemos añadido una nueva característica para ayudarlo a descubrir y entender las Grandes ideas del cálculo. Esta característica, que se denota por el icono , tiene cuatro partes.

• Las notas Grandes ideas del cálculo ofrecen una visión general de los principales conceptos de la unidad y cómo se relacionan con los conceptos que ha estudiado previamente. Estas notas aparecen casi al principio y también en el repaso de la unidad.

• En cada sección y en el repaso de la unidad, asegúrese de hacer los ejercicios de Repaso de conceptos y los de Exploración de conceptos. Estos le ayudarán a desarrollar su conocimiento del cálculo con mayor profundidad y claridad. Trabaje en estos ejercicios para desarrollar y fortalecer su comprensión de los conceptos.

• Para seguir explorando el cálculo, haga los ejercicios de Construcción de conceptos al terminar y repasar cada unidad. Estos ejercicios no solamente le ayudarán a expandir su conocimiento y uso del cálculo, sino que lo prepararán para aprender los conceptos de unidades posteriores.

Repaso de conceptos

1. Describa la diferencia entre un escalar y un vector. Dé ejemplos de cada uno.

2. Se dan dos puntos y un vector. Determine qué punto es el punto inicial y cuál es el punto terminal. Explique.

P(2, 1), Q( 4, 6) y v 〈6, 7〉

Grandes ideas del cálculo

Los vectores son importantes en muchas áreas de las matemáticas y sus aplicaciones. La fuerza, el momento, la velocidad y el trabajo son cantidades vectoriales comunes. Algunos conceptos como la electricidad y el magnetismo, son imposibles de entender sin los vectores. Adicionalmente, los vectores se utilizan para describir líneas y planos en el espacio (el sistema de coordenadas tridimensional).

Exploración de conceptos

En los ejercicios 57 y 58, considere dos fuerzas de igual magnitud actuando sobre un punto.

Además de los vectores, se estudiarán superficies en el espacio y sistemas de coordenadas alternativos. Estos conceptos se utilizarán en el capítulo 12 para estudiar cálculo vectorial y el cálculo en el espacio.

57. Haga una conjetura sobre el ángulo entre las fuerzas cuando la magnitud de la resultante es la suma de las magnitudes de las dos fuerzas.

58. Haga una conjetura sobre el ángulo entre las fuerzas cuando la resultante de las fuerzas es 0.

59. Considere un triángulo con vértices X, Y y Z. ¿Qué es XY YZ ZX ? Explique.

z Primer meridiano

Conjuntos de ejercicios ACTUALIZADOS

Los conjuntos de ejercicios han sido examinados de manera cuidadosa y extensa para asegurar que sean rigurosos, relevantes y que incluyan los tópicos que los lectores nos han sugerido. Los ejercicios han sido nombrados y organizados a fin de que usted vea las relaciones entre los ejemplos y los ejercicios. Los ejercicios de la vida real, desarrollados paso a paso, refuerzan las habilidades de solución de problemas y el dominio de conceptos al darle la oportunidad de aplicarlos en situaciones cotidianas.

Proyectos de trabajo

En secciones específicas aparecen proyectos que le ayudarán a explorar las aplicaciones relacionadas con los tópicos que se encuentre estudiando. Todos estos proyectos ofrecen características interesantes y atractivas para que los estudiantes trabajen e investiguen ideas de manera colaborativa.

Aperturas de unidad ACTUALIZADAS

Cada apertura de unidad destaca aplicaciones reales utilizadas en los ejemplos y ejercicios.

Objetivos de sección

Las listas con viñetas al inicio de cada sección señalan los objetivos de aprendizaje para que usted sepa qué contenidos se presentarán a continuación.

Teoremas

Los teoremas proporcionan el marco conceptual para el cálculo. Estos se enuncian claramente y están separados del resto de la unidad mediante recuadros que contribuyen visualmente a una lectura más dinámica. Por lo general se acompañan de pruebas que también aparecen en el sitio LarsonCalculus.com (disponible solo en inglés).

Definiciones

Como en el caso de los teoremas, las definiciones se destacan mediante recuadros que contribuyen a una mejor referencia visual y están enunciadas claramente a través de una redacción precisa y formal.

Exploraciones

Las exploraciones proporcionan desafíos únicos para estudiar conceptos que no se han abordado formalmente en el libro y que le permiten aprender mediante el descubrimiento, así como introducir otros tópicos relacionados con los que se estudian en cada sección. Explorar los temas de esta manera lo alienta, como se dice comúnmente, a pensar fuera de la caja.

Comentarios ACTUALIZADOS

Estas pistas y consejos refuerzan o expanden los conceptos, le enseñan cómo estudiar matemáticas, lo previenen acerca de errores comunes, abordan casos especiales o muestran soluciones alternativas a un ejemplo. Hemos añadido algunos Comentarios para ayudar a los estudiantes que necesitan una tutoría más profunda en álgebra.

Notas históricas y biografías ACTUALIZADAS

Las notas históricas dan información acerca de los fundamentos del cálculo. Las biografías le presentan personajes que crearon e hicieron contribuciones a esta disciplina. En LarsonCalculus.com (solo en inglés) están disponibles muchas más.

PROYECTO DE TRABAJO

Definiciones de velocidad y aceleración Si x y y son funciones de t que tienen primera y segunda derivadas, y r es una función vectorial dada por r (t ) x (t ) i 1 y (t ) j, entonces el vector velocidad, el vector aceleración y la rapidez en el instante t se definen como sigue.

Velocidad v (t ) r ′(t ) x′(t ) i 1 y′(t ) j

Aceleración 5 a (t ) 5 r ″(t ) 5 x ″(t ) i 1 y ″(t ) j

Rapidez 5 v (t ) 5 r ′(t ) 5 [ x′(t )] 2 1 [ y′(t )] 2

Para el movimiento a lo largo de una curva en el espacio, las definiciones son similares. Es decir, para r (t ) 5 x (t ) i 1 y (t ) j 1 z (t ) k

t ) 5 r ′(t ) 5 x′(t ) i 1 y′(t ) j 1 z′(t ) k Aceleración a (t ) r ″(t ) x ″(t ) i 1 y ″(t ) j 1 z″(t ) k Rapidez 5 v (t ) 5 r ′(t ) 5 [ x′(t )] 2 1 [ y′(t )] 2 1 [z′(t )] 2

EJEMPLO 1 Hallar la velocidad y la aceleración a lo largo de una curva plana

Encuentre (a) el vector velocidad, (b) la rapidez y (c) el vector aceleración de una partícula que se mueve a lo largo de la curva plana C descrita por r (t ) 5 2 sen t 2 i 1 2 cos t 2 j Vector de posición.

Solución

a.v (t ) 5 r′(t ) 5 cos t 2 i sen t 2 j Vector velocidad.

b. r′(t ) 5 cos2 t 2 1 sen2 t 2 5 1 Rapidez (en cualquier tiempo).

c.a (t ) 5 r ″(t ) 52 1 2 sen t 2 i 1 2 cos t 2 j Vector aceleración.

Las ecuaciones paramétricas de la curva del ejemplo 1 son

x 5 2 sen t 2 y y 5 2 cos t 2

COMENTARIO En el ejemplo 1, observe que los vectores velocidad y aceleración son ortogonales en todo punto y en cualquier instante. Esto es característico del movimiento con rapidez constante. (Vea el ejercicio 61.) 21

Eliminando el parámetro t, obtiene la ecuación rectangular x 2 1 y 2 4 Ecuación rectangular. Por tanto, la curva es un círculo de radio 2 centrado en el origen, como se muestra en la figura 3.12. Como el vector velocidad v (t ) 5 cos t 2 i sen t 2 j tiene una magnitud constante pero cambia de dirección a medida que t aumenta, la partícula se mueve alrededor del círculo con una rapidez constante.

2

2 1 2

y v(t)

1 x

1

Círculo: x 2 + y 2 = 4 a(t) t 2 t 2 r (t) = 2 sen i + 2 cos j La partícula se mueve alrededor del círculo con rapidez constante. Figura 3.12

Tecnología

A lo largo del libro se muestran recuadros sobre la tecnología que le enseñan cómo utilizarla para resolver problemas. Estos consejos también le advierten sobre las posibles trampas en el uso de la tecnología.

Ejercicios del tipo ¿Cómo lo ve?

Un ejercicio de este tipo en cada sección presenta un problema que deberá resolver mediante una inspección visual aplicando los conceptos aprendidos durante la lección.

Aplicaciones ACTUALIZADAS

Para responder la pregunta: “¿Cuándo podría aplicar este conocimiento?”, se han incluido en el libro ejercicios cuidadosamente seleccionados. Estas aplicaciones provienen de diversas fuentes, ya sea eventos de la actualidad, datos sobre el mundo, aplicaciones en la industria y más, todos ellos relacionados con un amplio abanico de intereses. Entender qué es o qué puede llegar a ser el cálculo favorece un entendimiento más completo del material.

Desafíos del Examen Putnam

Este tipo de preguntas aparecen en secciones muy específicas. Estas retarán su entendimiento y aumentarán los límites de su comprensión sobre el cálculo.

Otras características

En esta edición se encontrará:

Evaluación diagnóstica

Este material resulta una herramienta de vital importancia porque permite realizar una evaluación inicial de los conocimientos mínimos requeridos para iniciar el estudio del cálculo diferencial y tomar las acciones necesarias.

Observe que en la mayoría de los casos, los problemas se plantean de un modo general para que el lector realice un estudio profundo de los temas.

Queda a libre elección plantear problemas particulares, si el estudiante lo considera necesario, para cubrir los temas propuestos. ¡Mucho trabajo y éxito!

Aritmética

1. Defina los diferentes conjuntos de números (naturales, enteros, racionales, irracionales, reales y complejos).

2. Escriba los números primos menores que 200.

3. Describa los criterios de divisibilidad.

4. Describa el proceso para calcular el mínimo común múltiplo y el máximo común divisor de un conjunto de números.

5. Racionalice la expresión a b x d Álgebra

1. Escriba las leyes de los exponentes y los radicales.

2. Desarrolle los siguientes productos notables.

a) Binomio al cuadrado.

b) Producto de binomios conjugados.

c) Producto de dos binomios con un término común.

d) Binomio al cubo.

e) Trinomio al cuadrado.

3. Desarrolle el triángulo de Pascal.

4. Desarrolle el binomio de Newton.

5. Factorice en general un trinomio cuadrado perfecto, una diferencia de cuadrados, una suma de cubos y una diferencia de cubos.

6. Resuelva la ecuación ax bx c 0 por completación de cuadrados.

7. Resuelva un sistema de dos ecuaciones lineales en dos variables por los métodos de suma y resta, igualación, sustitución y determinantes.

8. Resuelva un sistema de tres ecuaciones lineales en tres variables de manera algebraica y por determinantes.

Trigonometría

1. Clasifique los diferentes tipos de ángulos.

2. Defina ángulos suplementarios y complementarios.

3. Clasifique los triángulos con base en sus lados.

4. Clasifique los triángulos con base en sus ángulos.

5. Para cada uno de los diferentes tipos de triángulos, trace el circuncentro, incentro, baricentro y ortocentro.

6. Enuncie el teorema de Pitágoras. 7. Trace la gráfica de las seis funciones trigonométricas.

Al final de cada unidad se encuentran dos nuevas secciones llamadas:

SERIE DE EJERCICIOS SELECCIONADOS PARA PREPARAR EXAMEN DE UNIDAD

(b) Halle la componente vertical de la fuerza de cada trabajador.

20 30

100 libras

Coordenadas y vectores en el espacio

Clasificar un triángulo En los ejercicios 13 y 14, encuentre las longitudes de los lados del triángulo con los vértices que se indican, y determine si el triángulo es rectángulo, isósceles o ninguno de los dos.

13. (0, 0, 4 2, 6, 7) (6, 4, 8)

14. ( 1, 0, 2) 1, 5, 2) 3, 1, 1 Encontrar el punto medio En los ejercicios 15 y 16, halle las coordenadas del punto medio del segmento de recta que une los puntos.

15. (4, 0, 6 (8, 8, 20)

Serie de ejercicios seleccionados para preparar examen de unidad

un vector unitario (a) paralelo y (b) perpendicular a la gráfica de en el punto dado. A continuación, represente gráficamente los vectores y la función en el punto dado.

8. 1, 1 9. ) 25 (3, 4)

Encontrar un vector En el ejercicio 10, exprese v mediante sus componentes, dadas las magnitudes de u y de u v, y u v forman con el eje x positivo.

10. u 1, θ 45 u v 2 θ 90

11. Fuerza resultante Tres fuerzas con magnitudes de 75 libras, 100 libras y 125 libras actúan sobre un objeto en ángulos de 30 45 y 120 , respectivamente, con el eje x positivo. Halle la dirección y la magnitud de la fuerza resultante.

12. Carga compartida Para llevar una pesa cilíndrica de 100 libras, dos trabajadores sostienen los extremos de unas sogas cortas atadas a un aro en el centro de la parte superior del cilindro. Una soga forma un ángulo de 20 con la vertical y la otra forma un ángulo de 30 (vea la figura).

(a) Halle la tensión de cada soga si la fuerza resultante es vertical.

16. (3, 4, 6 1, 8, 0) Encontrar la ecuación de una esfera En los ejercicios

17 a 19, halle la ecuación de la esfera con las características dadas.

17. Centro: 7, 1, 2 ; radio: 1

18. Puntos

Se ha realizado una selección especial de los problemas más representativos de cada sección para todas las unidades y se concentran en una serie final de ejercicios que puede utilizarse para reforzar las evaluaciones de los temas. Se puede disponer de este material de manera digital al escanear el código QR que se incluye al final de cada serie.

En los ejercicios 22 y 23, determine cuáles de los vectores son paralelos a z. Use una herramienta de graficación para confirmar sus resultados.

Respuestas a ejercicios seleccionados

FORMULARIOS BÁSICOS Y TABLAS DE INTEGRACIÓN

ÁLGEBRA

Ceros y factores de un polinomio del es un entonces un polinomio. Si Sea polinomio y una solución de la ecuación Además,es un factor del polinomio.

Teorema fundamental del álgebra Un polinomio de grado n tiene n ceros (no necesariamente distintos). Aunque todos estos ceros pueden ser imaginarios, un polinomio real de grado impar tendrá por lo menos un cero real.

Fórmula cuadrática Si y entonces los ceros reales de son

Teorema del binomio

x y x nx

Teorema del cero racional tiene coeficientes enteros, entonces todo Si cero racional de es de la forma donde es un factor de y s es un factor de a

adx

2

Exámenes de práctica

Al final de cada unidad se incluyen dos exámenes de práctica que tienen la finalidad de generar una situación de evaluación escrita de los temas estudiados a lo largo de la unidad. Al escanear el código QR que aparece al final de dicha sección se pueden visualizar otros más de manera digital.

el triángulo con vértices (0, 0, 4) (2, 6, 7 y

6, 4, 8 , es rectángulo, isósceles o ninguno de los dos.

4. Halle el centro y radio de la esfera con ecuación x 2 y z 2 x 6 8 1 0 5. Utilice vectores para demostrar si los puntos 4, 2, 7) 2, 0, 3 y 7, 3, 9 son colineales.

6. El cable de sujeción de una torre de 100 pies tiene una tensión de 550 libras. Use las distancias mostradas en la figura y determine las componentes del vector F que representa la tensión del cable.

50

En esta ocasión también se incluye la sección:

Respuestas a ejercicios seleccionados

Al final de la obra pueden consultarse las respuestas a los ejercicios seleccionados de cada sección de ejercicios, problemas de repaso y solución de problemas de todo el texto.

75

7. Determine si el triángulo con vértices (1, 2, 0 (0, 0, 0 2, 1, 0) es acutángulo, obtusángulo o rectángulo. Explique su razonamiento.

8. Encuentre el ángulo entre la diagonal de un cubo y una de sus aristas.

9. Verifique que los puntos A 0, 3, 2 B 1, 5, 5 C 6, 9, 5) y D 5, 7, 2 son los vértices de un paralelogramo y calcule su área.

10. Determine el volumen del paralelepípedo que tiene por aristas adyacentes a los vectores 1, 1, 1 〈 2, 1, 0〉 y w 0, 0, 1 〉

11. Determine la recta que pasa por el punto (2, 3, 4 y es paralela al plano xz y al plano yz

12. Determine la ecuación de la recta que pasa por el punto 5, 3, 4) y es paralela al vector 2, 1, 3〉

13. Determine si las rectas x 4 2, y 3, 1 y 2 2, y 2 3, 1 se cortan. Si es así, halle el punto de intersección

Índice analítico

En esta edición se incluye un índice analítico para referir con mayor facilidad cualquier tema de interés.

x 2 y nxy

bcx bd 2 d b d b d

a b a b a b c d ad bc bd ab ac a b c

b c b b bc b d b d ad bc

a

a a a b a b

a b a b a a ab a b a

Formularios

Dada la utilidad del clásico formulario de nuestros autores, en esta edición se incluye al final de la obra como páginas recortables y también en formato digital a través del código QR mostrado.

De manera adicional, en el apéndice B se proporciona un formulario completo de integrales.

de dirección de un vector, 23 de incidencia, 72 de inclinación de un plano, 265 de reflexión, 72 dirigido, 103 entre dos planos, 39 entre dos vectores distintos de cero, 21 Antiderivada, 156 de una función vectorial, 156, 157 Apogeo, 74, 82 Aproximación lineal, 236 Área de la superficie S 345 de un rectángulo, 311 de una elipse, 75, 76, 545 de una región en el plano, 310, 332 de una región entre dos curvas, 116 de una superficie de revolución, 98, 118 en coordenadas polares, 118 en forma paramétrica, 98 en coordenadas polares, 113 en el plano xy 345 integral de línea para hallar el, 420 Área de una superficie del sólido, 344 en coordenadas polares, 350

Arquímedes, espiral de, 105, 121 Asíntota(s), 77 de una hipérbola, 77 horizontal, 77, 190 vertical, 77 Asteroide Apolo, 126 Astroide, 101 Axiomas del espacio vectorial, 5 B Bernoulli, James (1654-1705), 90 Braquistocrona, problema de la, 90 Bruja de Agnesi, 151 C Cambio de variables a la forma polar, 330 en integrales dobles, 378 usando un jacobiano, 376, 382

Campo cuadrático inverso, 401 Campo de fuerza, 400 central, 401 eléctrica, 401 trabajo de, 416 Campo de velocidades, 400, 401 incompresible, 408 Campos gravitatorios, 401 Campo(s) vectoriale(s), 400 continuo, 400 divergencia de un, 408 función potencial para, 403 integrales de línea de, 416 irrotacional, 406 libre de divergencia, 408 rotacional de un, 406 sobre una región plana R 400 sobre una región sólida Q en el espacio, 400 solenoidal, 408

Campos vectoriales conservativos, 403, 425 criterio para, 404, 407

independencia de la trayectoria, 428

Cardioide, 108, 109 Cassini, Giovanni Domenico (1625-1712), 112

Centro de curvatura, 184

Centro de la elipse, 73

Centro de la hipérbola, 77

Centro de masa de una lámina plana de densidad variable, 338 de una región sólida, 356 Centro de una cónica, 122 Centroide, 338 de una región plana simple, 338 Cicloide, 89, 93 alargada, 96 corta o acortada, 92 Cilindro(s), 48 curva generadora del, 48 directriz del, 48 ecuaciones de, 48 rectos, 48 soluciones de, 49 Círculo(s), 70, 109 de curvatura, 182, 184 Clasificación de las cónicas de acuerdo con la excentricidad, 122 Combinación

y Prefacio ix Reg. 403 VITALSOURCE © D.R. 2023 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS.06/09/2023

CARACTERÍSTICA RELEVANTE

La nueva edición de Cálculo de varias variables cuenta con una nueva característica que estamos seguros resultará muy atractiva y práctica a los estudiantes y profesores.

Podrán identificar las imágenes que se pueden visualizar en Realidad Aumentada porque estarán indicadas con un recuadro.

En la mayoría de las imágenes tridimensionales incluidas en las unidades de Cálculo de varias variables, se proporciona una función en forma explícita de modo que pueda utilizarse alguna aplicación de Realidad Aumentada para visualizarla.

gráfica de f (x, y) 5 16 4 x 2 y 2 es la parte superior de un elipsoide.

Para visualizar esta gráfica con REALIDAD AUMENTADA puede introducir la ecuación en alguna aplicación de AR, como GeoGebra.

Para visualizar esta gráfica con REALIDAD AUMENTADA puede introducir la ecuación en alguna aplicación de AR, como GeoGebra.

Las gráficas en tres dimensiones pueden visualizarse mejor utilizando alguna aplicación de Realidad Aumentada (AR, por sus siglas en inglés), por ejemplo, GeoGebra.

Para visualizar esta gráfica con REALIDAD AUMENTADA puede introducir la ecuación en alguna aplicación de AR, como GeoGebra.

Las unidades que incluyen esta nueva característica (unidades 4 y 5) podrán ser identificadas porque en el contenido aparecerá este diferenciador

En esta unidad de Cálculo de varias variables es posible visualizar algunas gráficas en REALIDAD AUMENTADA

Los invitamos a probar este nuevo recurso en el estudio del Cálculo de varias variables.

Reconocimientos

Queremos agradecer a todas las personas que nos han ayudado en las diferentes etapas de la producción de nuestro libro Cálculo de varias variables. Su aliento, críticas y sugerencias han sido muy valiosas.

Revisores

Stan Adamski, Owens Community College; Tilak de Alwis; Darry Andrews; Alexander Arhangelskii, Ohio University; Seth G. Armstrong, Southern Utah University; Jim Ball, Indiana State University; Denis Bell, University of Northern Florida; Marcelle Bessman, Jacksonville University; Abraham Biggs, Broward Community College; Jesse Blosser, Eastern Mennonite School; Linda A. Bolte, Eastern Washington University; James Braselton, Georgia Southern University; Harvey Braverman, Middlesex County College; Mark Brittenham, University of Nebraska; Tim Chappell, Penn Valley Community College; Fan Chen, El Paso Community College; Mingxiang Chen, North Carolina A&T State University; Oiyin Pauline Chow, Harrisburg Area Community College; Julie M. Clark, Hollins University; P.S. Crooke, Vanderbilt University; Jim Dotzler, Nassau Community College; Murray Eisenberg, University of Massachusetts at Amherst; Donna Flint, South Dakota State University; Michael Frantz, University of La Verne; David French, Tidewater Community College; Sudhir Goel, Valdosta State University; Arek Goetz, San Francisco State University; Donna J. Gorton, Butler County Community College; John Gosselin, University of Georgia; Arran Hamm; Shahryar Heydari, Piedmont College; Guy Hogan, Norfolk State University; Dr. Enayat Kalantarian, El Paso Community College; Marcia Kleinz, Atlantic Cape Community College; Ashok Kumar, Valdosta State University; Kevin J. Leith, Albuquerque Community College; Maxine Lifshitz, Friends Academy; Douglas B. Meade, University of South Carolina; Bill Meisel, Florida State College at Jacksonville; Shahrooz Moosavizadeh; Teri Murphy, University of Oklahoma; Darren Narayan, Rochester Institute of Technology; Susan A. Natale, The Ursuline School, NY; Martha Nega, Georgia Perimeter College; Francis Nkansah, Bunker Hill Community College; Sam Pearsall, Los Angeles Pierce College; Terence H. Perciante, Wheaton College; James Pommersheim, Reed College; Laura Ritter, Southern Polytechnic State University; Carson Rogers, Boston College; Leland E. Rogers, Pepperdine University; Paul Seeburger, Monroe Community College; Edith A. Silver, Mercer County Community College; Howard Speier, Chandler-Gilbert Community College; Desmond Stephens, Florida A&M University; Jianzhong Su, University of Texas at Arlington; James K. Vallade, Monroe County Community College; Patrick Ward, Illinois Central College; Chia-Lin Wu, Richard Stockton College of New Jersey; Diane M. Zych, Erie Community College.

Nuestro agradecimiento especial a Robert Hostetler y David Heyd, compañeros profesores de The Behrend College y The Pennsylvania State University, por sus importantes contribuciones al libro.

También agradecemos al equipo de Larson Texts, Inc., quienes nos ayudaron en la producción, composición e ilustración del libro y sus complementos. Además, les agradecemos por su ayuda en el desarrollo y mantenimiento de los sitios CalcChat.com, CalcView.com, LarsonCalculus.com, MathArticles.com y MathGraphs.com

A nivel personal, agradecemos a nuestras esposas Deanna Gilbert Larson y Consuelo Edwards por su amor, paciencia y apoyo. Asimismo, una nota especial de agradecimiento para R. Scott O’Neill.

Si usted tiene sugerencias para mejorar esta obra, siéntase libre de escribirnos. En nuestra labor académica hemos recibido numerosos comentarios tanto de profesores como de estudiantes y los valoramos muchísimo.

Revisores de la edición en español

Agradecemos el apoyo y colaboración en la revisión de esta obra a los profesores:

Instituto Politécnico Nacional

CECyT 9 Juan de Dios Bátiz

Jonathan Reyes González

Instituto Tecnológico de Nuevo León, campus Guadalupe

Pedro Castillo Castañón

Tecnológico Nacional de México, campus Aguascalientes

José Cruz Muñoz Esparza

Tecnológico Nacional de México, campus Ciudad Juárez

Francisco Cuevas Machado

Luis Arturo Hernández Portillo

Tecnológico Nacional de México, campus León

Joel Rico Pérez

Tecnológico Nacional de México, campus Saltillo

Alicia Guadalupe Del Bosque Martínez

Tecnológico Nacional de México, campus Toluca

Arizbeth Millán Millán

Con el propósito de repasar los temas que serán de utilidad para el desarrollo satisfactorio del presente curso, se presenta a manera de evaluación diagnóstica la siguiente lista de ejercicios-actividades. Observe que en la mayoría de los casos, los problemas se plantean de un modo general para que el lector realice un estudio profundo de los temas. Queda a libre elección plantear problemas particulares, si el estudiante lo considera necesario, para cubrir los temas propuestos. ¡Mucho trabajo y éxito!

Aritmética

1. Defina los diferentes conjuntos de números (naturales, enteros, racionales, irracionales, reales y complejos).

2. Escriba los números primos menores que 200.

3. Describa los criterios de divisibilidad.

4. Describa el proceso para calcular el mínimo común múltiplo y el máximo común divisor de un conjunto de números.

5. Racionalice la expresión a b x c d x

Álgebra

1. Escriba las leyes de los exponentes y los radicales.

2. Desarrolle los siguientes productos notables.

a) Binomio al cuadrado.

b) Producto de binomios conjugados.

c) Producto de dos binomios con un término común.

d) Binomio al cubo.

e) Trinomio al cuadrado.

3. Desarrolle el triángulo de Pascal.

4. Desarrolle el binomio de Newton.

5. Factorice en general un trinomio cuadrado perfecto, una diferencia de cuadrados, una suma de cubos y una diferencia de cubos.

6. Resuelva la ecuación ax2 bx c 0 por completación de cuadrados.

7. Resuelva un sistema de dos ecuaciones lineales en dos variables por los métodos de suma y resta, igualación, sustitución y determinantes.

8. Resuelva un sistema de tres ecuaciones lineales en tres variables de manera algebraica y por determinantes.

Trigonometría

1. Clasifique los diferentes tipos de ángulos.

2. Defina ángulos suplementarios y complementarios.

3. Clasifique los triángulos con base en sus lados.

4. Clasifique los triángulos con base en sus ángulos.

5. Para cada uno de los diferentes tipos de triángulos, trace el circuncentro, incentro, baricentro y ortocentro.

6. Enuncie el teorema de Pitágoras.

7. Trace la gráfica de las seis funciones trigonométricas.

8. Escriba la definición de las seis funciones trigonométricas para un ángulo en posición normal.

9. Escriba la definición de las seis funciones trigonométricas para un triángulo rectángulo.

10. Determine los valores exactos de las funciones trigonométricas para los ángulos 0

11. Determine los signos de las funciones trigonométricas en los diferentes cuadrantes.

12. Resuelva un problema aplicando la ley de senos.

, 30

, 45

13. Resuelva un problema aplicando la ley de cosenos.

14. Enuncie las identidades fundamentales de recíprocos, de cociente y de cuadrados.

15. Enuncie las identidades de suma y diferencia de dos ángulos.

16. Enuncie las identidades de argumento doble.

17. Enuncie las identidades de argumento mitad.

18. Enuncie las propiedades de los logaritmos.

Geometría

1. Determine en general la distancia entre dos puntos.

2. Escriba la definición de pendiente de una recta.

3. Describa las condiciones de paralelismo y perpendicularidad.

4. Describa la ecuación de una recta en sus formas punto-pendiente, pendiente-ordenada, simétrica y general.

5. Determine la ecuación de la recta que pasa por dos puntos.

6. Dado un triángulo con vértices P(x1, y1), Q (x2, y2) y R(x3, y3), determine su área de tres maneras diferentes.

7. Determine de manera analítica el circuncentro, incentro, baricentro y ortocentro de un triángulo con vértices dados P(x1, y1), Q (x2, y2) y R(x3, y3).

8. Escriba las ecuaciones de las cónicas (circunferencia, parábola, elipse e hipérbola) en forma canónica y en forma ordinaria Grafique cada una de ellas.

9. Determine la ecuación de una circunferencia que pasa por tres puntos fijos P(x1, y1), Q(x2, y2) y R(x3, y3).

10. Describa las condiciones que deben cumplirse para que la ecuación general de segundo grado Ax 2 Cy 2 Dx Ey F 0 represente una recta, una circunferencia, una parábola, una elipse o una hipérbola.

Cálculo diferencial

En los problemas 1 a 4 resuelva las desigualdades indicadas.

1. ∣ 2 x 17∣ 10

2. ∣ 5x 8∣ 10

3. x 2 2 x 8 0

4. Enuncie la definición de límite de una función.

En los problemas 5 a 10 calcule los límites indicados.

5. lím x → 1

6. lím x → 0

x 3 6 x 2 1 11x 6 x 2 4 x 5

sen 4 x 6 x

7. lím x → ∞ 6 x 2 1 x 6 x 2 8 x 5

8. lím x → ∞ x 1 5 4 x 2 8 x 5

9. Enuncie la definición de continuidad de una función.

10. Enuncie la definición de derivada.

En los problemas 11 a 15 calcule la derivada de las funciones dadas.

11. f (x) (x 3 2 x 2 3 x )3(x 2 3 x 1)2

13. f (x) x 3 1 x 2 1 2 x 2 3x 12 1 2

14. g(x) (x 2)x 2 2 x 1

15. f (x) (cos 3 x)(1 tan x)(x 2 3x 1)

En los problemas 16 y 17 evalúe la derivada implícita de las funciones.

16. 4 x 3y 2 5x 2 y 3 2 x 2 y 2 x 2y 3xy 2 3xy 2 x 5y 1

17. tan xy 3xe xy 2 x ln y y ln x

18. Grafique la función f (x) x 3 6 x 2 11 x 6

19. Dada la función f (x) x 4 3x 3 15 x 2 19x 30, determine (a) los máximos y mínimos locales, (b) puntos de inflexión, (c) intervalos de monotonía y (d) grafique.

20. Determine el área del mayor cuadrilátero que se puede inscribir en un círculo de radio r

Cálculo integral

En los problemas 21 a 27, calcule las integrales indefinidas.

21. 3 x x 2 3 dx

22. dx 1 sen x

23. x 3 ln 4 x dx

24. e ax cos bx dx

25. 2 x 1 1 (x 1)(x 2)(x 5) dx

26. 1 1 x 2 dx

27. x 1 1 (x 1)(x 2 2 x 4) dx

28. Enuncie la definición de antiderivada de una función.

29. Enuncie el primer teorema fundamental del cálculo.

30. Enuncie el segundo teorema fundamental del cálculo.

31. Utilice sumas de Riemann para calcular b 0 x 4 dx y b a x 4 dx

En los problemas 32 y 33, evalúe las integrales impropias.

32. ∞ 0 xe x dx

33. 4 0

1 x 2 x 6 dx

34. Calcule el área de la región limitada por las funciones y sen x, y cos x, x 0 y x 2.

35. Halle la longitud de arco de la curva y x 2 3 del punto (1, 1) al punto (8, 4).

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1.1 Vectores en el plano

Expresar un vector mediante sus componentes. Realizar operaciones vectoriales e interpretar los resultados geométricamente. Expresar un vector como combinación lineal de vectores unitarios canónicos.

Las componentes de un vector

Muchas cantidades en geometría y física, como el área, el volumen, la temperatura, la masa y el tiempo, se pueden caracterizar por medio de un solo número real en unidades de medición apropiadas. Estas cantidades se llaman escalares, y al número real se le llama escalar

Un segmento de recta dirigido.

1.1

Segmentos de recta dirigidos equivalentes. Figura 1.2

Grandes ideas del cálculo

Los vectores son importantes en muchas áreas de las matemáticas y sus aplicaciones. La fuerza, el momento, la velocidad y el trabajo son cantidades vectoriales comunes. Algunos conceptos como la electricidad y el magnetismo, son imposibles de entender sin los vectores. Adicionalmente, los vectores se utilizan para describir líneas y planos en el espacio (el sistema de coordenadas tridimensional).

Además de los vectores, se estudiarán superficies en el espacio y sistemas de coordenadas alternativos. Estos conceptos se utilizarán en la unidad 3 para estudiar cálculo vectorial y el cálculo en el espacio.

Otras cantidades, como la fuerza, la velocidad y la aceleración, tienen magnitud y dirección y no pueden caracterizarse completamente por medio de un solo número real. Para representar estas cantidades se usa un segmento de recta dirigido, como se muestra en la figura 1.1. El segmento de recta dirigido PQ tiene como punto inicial P y como punto final Q, y su longitud (o magnitud) se denota por PQ . Segmentos de recta dirigidos que tienen la misma longitud y dirección son equivalentes, como se muestra en la figura 1.2. El conjunto de todos los segmentos de recta dirigidos que son equivalentes a un segmento de recta dirigido dado PQ es un vector en el plano y se denota por v PQ

En los libros, los vectores se denotan normalmente con letras minúsculas, en negritas, como u, v y w. Cuando se escriben a mano, se suelen denotar por medio de letras con una flecha sobre ellas, como → u , → v y → w Es importante notar que un vector en el plano se puede representar por medio de un conjunto de segmentos de recta dirigidos diferentes, todos apuntando en la misma dirección y todos de la misma longitud.

EJEMPLO 1 Representación vectorial: segmentos de recta dirigidos

Sea v el vector representado por el segmento de recta dirigido que va de (0, 0) a (3, 2), y sea u el vector representado por el segmento de recta dirigido que va de (1, 2) a (4, 4). Demuestre que v y u son equivalentes.

Solución Sean P (0, 0) y Q (3, 2) los puntos inicial y final de v, y sean R(1, 2) y S (4, 4) los puntos inicial y final de u, como se muestra en la figura 1.3. Para demostrar que PQ y RS tienen la misma longitud se usa la fórmula de la distancia.

Los dos segmentos tienen la misma dirección, porque ambos están dirigidos hacia la derecha y hacia arriba sobre rectas que tienen la misma pendiente.

Como PQ y RS tienen la misma longitud y la misma dirección, se puede concluir que los dos vectores son equivalentes. Es decir, v y u son equivalentes.

Posición estándar de un vector.

Figura 1.4

El segmento de recta dirigido cuyo punto inicial está en el origen a menudo se considera el representante más adecuado de un conjunto de segmentos de recta dirigidos equivalentes como los que se muestran en la figura 1.3. Se dice que esta representación de v está en la posición estándar. Un segmento de recta dirigido cuyo punto inicial es el origen puede representarse de manera única por medio de las coordenadas de su punto final Q(v1, v2), como se muestra en la figura 1.4. En la siguiente definición, note la diferencia entre cómo se representa un vector en la forma de componentes v 〈v1, v2 〉 y el punto (v1, v2 ).

Definición de un vector en el plano mediante sus componentes

Si v es un vector en el plano cuyo punto inicial es el origen y cuyo punto final es (v1, v2), entonces el vector v en términos de sus componentes es v 〈v1, v2〉 Las coordenadas v1 y v2 son las componentes de v. Si el punto inicial y el punto final están en el origen, entonces v es el vector cero y se denota por 0 〈0, 0〉.

Esta definición implica que dos vectores u 〈u1, u2 〉 y v 〈v1, v2 〉 son iguales si y solo si u1 v1 y u2 v2.

Los procedimientos siguientes pueden usarse para convertir un segmento de recta dirigido en un vector mediante sus componentes o viceversa.

1. Si P ( p1, p2 ) y Q (q1, q2 ) son los puntos inicial y final de un segmento de recta dirigido, el vector v representado por PQ , dado mediante sus componentes, es

Además, a partir de la fórmula de la distancia es posible ver que la longitud (o magnitud) dev es v

Longitud de un vector.

2. Si v 〈v1, v2 〉, el vector v puede representarse por el segmento de recta dirigido, en la posición estándar, que va de P (0, 0) a Q (v1, v2).

A la longitud de v también se le llama norma de v. Si v 1, v es un vector unitario. Y v 0 si y solo si v es el vector 0.

EJEMPLO 2

Forma de componentes y longitud de un vector

Determine las componentes y la longitud del vector v que tiene el punto inicial (3, 7) y el punto final ( 2, 5).

Solución Sean P (3, 7) ( p1, p2 ) y Q ( 2, 5) (q1, q2 ). Entonces las componentes de v 〈v1, v2 〉 son

v1 q1 p1 2 3 5 y

Así, como se muestra en la figura 1.5, v 〈 5, 12 〉, y la longitud de v es

Vector v dado por medio de sus componentes:

Para ver las figuras a color, acceda al código

La multiplicación escalar por un vector v Figura 1.6

Operaciones con vectores

Definición de la suma de vectores y de la multiplicación por un escalar

Sean u 〈 u1, u2 〉 y v 〈 v1, v2 〉 vectores y sea c un escalar.

1. La suma vectorial de u y v es el vector u v 〈u1 v1, u2 v2 〉

2. El múltiplo escalar de c y u es el vector

c u 〈 cu1, cu2 〉

3. El negativo de v es el vector

v ( l) v 〈 v1, v2 〉

4. La diferencia de u y v es

u v u ( v) 〈 u1 v1, u2 v2 〉

Geométricamente, el múltiplo escalar de un vector v y un escalar c es el vector que tiene ∣c∣ veces la longitud de v, como se muestra en la figura 1.6. Si c es positivo, c v tiene la misma dirección que v. Si c es negativo, c v tiene dirección opuesta.

La suma de dos vectores puede representarse geométricamente colocando los vectores (sin cambiar sus magnitudes o sus direcciones), de manera que el punto inicial de uno coincida con el punto final del otro, como se muestra en la figura 1.7. El vector u v, llamado el vector resultante, es la diagonal de un paralelogramo que tiene u y v como lados adyacentes.

WILLIAM

Algunos de los primeros trabajos con vectores fueron realizados por el matemático irlandés

William Rowan Hamilton. Hamilton dedicó muchos años a desarrollar un sistema de cantidades semejantes a vectores llamados cuaterniones. No fue sino hasta la segunda mitad del siglo XIX cuando el físico escocés James Maxwell (1831-1879) reestructuró la teoría de los cuaterniones de Hamilton, dándole una forma útil para la representación de cantidades como fuerza, velocidad y aceleración.

Vea LarsonCalculus.com (disponible solo en inglés) para leer más acerca de esta biografía.

Para hallar u v, (1) hacer coincidir el punto (2) hacer coincidir el punto inicial de v con el inicial de u con el punto final de u, o, punto final de v.

Figura

La figura 1.8 muestra la equivalencia de las definiciones geométricas y algebraicas de la suma de vectores y la multiplicación por un escalar, y presenta (en el extremo derecho) una interpretación geométrica de u v

Suma vectorial Multiplicación escalar Sustracción de vectores

Figura 1.8

EMMY NOETHER (1882-1935)

La matemática alemana Emmy Noether contribuyó a nuestro conocimiento de los sistemas axiomáticos. Noether es reconocida generalmente como la principal matemática de la historia reciente.

EJEMPLO 3 Operaciones con vectores

Dados v 〈 2, 5 〉 y w 〈 3, 4 〉, encuentre cada uno de los vectores.

a. 1 2 v b.w v c.v 2w Solución a.

PARA INFORMACIÓN ADICIONAL

Para más información acerca de Emmy Noether, consulte el artículo “Emmy Noether, Greatest Woman Mathematician” de Clark Kimberling en Mathematics

Teacher. Para ver este artículo vaya a MathArticles.com (disponible solo en inglés).

c.

, se tiene

La suma de vectores y la multiplicación por un escalar comparten muchas propiedades con la aritmética ordinaria, como se muestra en el siguiente teorema.

TEOREMA 1.1 Propiedades de las operaciones con vectores

Sean u, v y w vectores en el plano, y sean c y d escalares.

1.u v v u

2. (u v) w u (v w)

3.u 0 u

Propiedad conmutativa.

Propiedad asociativa.

Propiedad de la identidad aditiva.

4.u ( u) 0 Propiedad del inverso aditivo.

5. c(d u) (cd ) u

6. (c d ) u c u d u

Propiedad distributiva.

7. c(u v) c u c v Propiedad distributiva.

8. 1(u) u, 0(u) 0

Demostración La demostración de la propiedad asociativa de la suma de vectores utiliza la propiedad asociativa de la suma de números reales.

v2 w2 〉 u (v w)

Las otras propiedades pueden demostrarse de manera similar (vea el ejercicio 81).

Cualquier conjunto de vectores (junto con un conjunto de escalares) que satisfaga las ocho propiedades dadas en el teorema 1.1 es un espacio vectorial.* Las ocho propiedades son los axiomas de espacio vectorial. Por tanto, este teorema establece que el conjunto de vectores en el plano (con el conjunto de los números reales) forma un espacio vectorial.

Sarin Images/GRANGER

TEOREMA 1.2 Longitud de un múltiplo escalar

Sea v un vector y sea c un escalar. Entonces

es el valor absoluto de c

Demostración Como c v 〈cv1, cv2〉, se tiene que

En muchas aplicaciones de los vectores es útil encontrar un vector unitario que tenga la misma dirección que un vector dado. El siguiente teorema da un procedimiento para hacer esto.

TEOREMA 1.3 Vector unitario en la dirección de v Si v es un vector distinto de cero en el plano, entonces el vector

tiene longitud 1 y tiene la misma dirección que v.

Demostración Como 1 v es positivo y u (1 v )v, se puede concluir que u tiene la misma dirección que v. Para ver que u 1, se observa que u 1 v v

v 1 v v 1

Por tanto, u tiene longitud 1 y la misma dirección que v.

Al vector u del teorema 1.3, se le llama vector unitario en la dirección de v El proceso de multiplicar v por 1 v para obtener un vector unitario se llama normalización de v

EJEMPLO 4 Hallar un vector unitario

Halle un vector unitario en la dirección de v 〈 2, 5 〉 y verifique que tiene longitud 1.

Solución Por el teorema 1.3, el vector unitario en la dirección de v es

Este vector tiene longitud 1, porque

Generalmente, la longitud de la suma de dos vectores no es igual a la suma de sus longitudes. Para ver esto, basta tomar los vectores u y v de la figura 1.9. Considerando a u y v como dos de los lados de un triángulo, se puede ver que la longitud del tercer lado es u v , y

u v u v

La igualdad solo se da si los vectores u y v tienen la misma dirección. A este resultado se le llama desigualdad del triángulo para vectores (en el ejercicio 73, sección 1.3, se pide demostrar esto).

Vectores unitarios canónicos

A los vectores unitarios 〈 1, 0 〉 y 〈 0, 1 〉 se les llama vectores unitarios canónicos en el plano y se denotan por

i 〈 1, 0 〉 y j 〈 0, 1〉 Vectores unitarios canónicos. como se muestra en la figura 1.10. Estos vectores pueden usarse para representar cualquier vector de manera única, como sigue.

Al vector v v1i v2 j se le llama combinación lineal de i y j. A los escalares v1 y v2 se les llama componentes horizontal y vertical dev.

EJEMPLO 5 Expresar un vector como combinación lineal de vectores unitarios

Sea u el vector con punto inicial (2, 5) y punto final ( 1, 3) y sea v 2 i j. Exprese cada vector como combinación lineal de i y j

Si u es un vector unitario y θ es el ángulo (medido en sentido contrario a las manecillas del reloj) desde el eje x positivo hasta u, el punto final de u está en el círculo unitario, y se tiene u 〈cos θ, sen θ 〉 cos θ i sen θ j Vector unitario.

como se muestra en la figura 1.11. Además, cualquier vector distinto de cero v que forma un ángulo θ con el eje x positivo tiene la misma dirección que u y se puede escribir v v 〈 cos θ, sen θ 〉 v cos θ i + v sen

EJEMPLO 6 Escribir un vector de magnitud y dirección dadas

El vector v tiene una magnitud de 3 y forma un ángulo de 30° 6 con el eje x positivo. Exprese v como combinación lineal de los vectores unitarios i y j. Solución Como el ángulo entre v y el eje x positivo es θ 6, puede escribir lo siguiente

Unidad

Vectores y la geometría del espacio

Los vectores tienen muchas aplicaciones en física e ingeniería. Un ejemplo es la fuerza. Un vector puede usarse para representar una fuerza, porque la fuerza tiene magnitud y dirección. Si dos o más fuerzas están actuando sobre un objeto, entonces la fuerza resultante sobre el objeto es la suma vectorial de los vectores fuerza.

EJEMPLO 7 Hallar la fuerza resultante

Dos botes remolcadores están empujando un barco, como se muestra en la figura 1.12. Cada bote remolcador está ejerciendo una fuerza de 400 libras. ¿Cuál es la fuerza resultante sobre el barco?

Solución Usando la figura 1.12, puede representar las fuerzas ejercidas por el primer y segundo botes remolcadores como

F1 400〈 cos 20°, sen 20°〉 400 cos(20°) i 400 sen(20°) j

F2 400〈 cos( 20°), sen( 20°)〉 400 cos(20°) i 400 sen(20°) j

La fuerza resultante sobre el barco es

F F1 F2

[400 cos(20°) i 400 sen(20°) j] [400 cos(20°) i 400 sen(20°) j ]

800 cos(20°) i

752 i

Por tanto, la fuerza resultante sobre el barco es aproximadamente 752 libras en la dirección del eje x positivo.

En levantamientos topográficos y en la navegación, un rumbo es una dirección que mide el ángulo agudo que una trayectoria o línea de mira forma con una recta fija norte-sur. En la navegación aérea los rumbos se miden en el sentido de las manecillas del reloj en grados desde el norte.

EJEMPLO 8 Hallar una velocidad

Consulte LarsonCalculus.com (disponible solo en inglés) para una versión interactiva de este tipo de ejemplo.

Un avión viaja a una altitud fija con un factor de viento despreciable y mantiene una velocidad de 500 millas por hora con un rumbo de 330°, como se muestra en la figura 1.13(a). Cuando alcanza cierto punto, el avión encuentra un viento con una velocidad de 70 millas por hora en dirección 45° NE (45° noreste), como se muestra en la figura 1.13(b). ¿Cuáles son la velocidad y la dirección resultantes del avión?

Solución Usando la figura 1.13(a), represente la velocidad del avión (solo) como v1 500 cos(120°) i 500 sen(120°) j

La velocidad del viento se representa por el vector v2 70 cos(45°) i 70 sen(45°) j

La velocidad resultante del avión (en el viento) es v v1 v2

500 cos(120°) i 500 sen(120°) j 70 cos(45°) i 70 sen(45°) j

≈ 200.5 i 482.5 j

Para encontrar la velocidad y la dirección resultantes se escribe v v (cos θ i sen θ j ).

Ya que v ≈ ( 200.5)2 1 (482.5)2 522.5, se puede escribir v ≈

522.5 i 482.5 522.5 j ≈ 522.5[cos(112.6°) i sen(112.6°) j]

La nueva velocidad del avión, alterada por el viento, es aproximadamente 522.5 millas por hora en una trayectoria que forma un ángulo de 112.6° con el eje x positivo.

1.1 Ejercicios

Repaso de conceptos

1. Describa la diferencia entre un escalar y un vector. Dé ejemplos de cada uno.

2. Se dan dos puntos y un vector. Determine qué punto es el punto inicial y cuál es el punto terminal. Explique. P(2, 1), Q( 4, 6) y v 〈6, 7〉

Representar un vector En los ejercicios 3 y 4, (a) encuentre el vector v mediante sus componentes y (b) dibuje el vector con su punto inicial en el origen.

Hallar una magnitud de un vector En los ejercicios 19 a 24, encuentre la magnitud de v.

19.v 4 i 20.v 9 j

21.v 〈 8, 15〉 22.v 〈 24, 7〉

23.v i 5 j

24.v 3 i 3 j

Representar múltiplos escalares En los ejercicios 25 y 26, dibuje cada uno de los múltiplos escalares de v.

25.v 〈 3, 5 〉 (a) 2v (b) 3v (c) 7 2 v (d) 2 3 v

26.v 〈 2, 3 〉 (a) 4v (b) 1 2 v (c) 0 v (d) 6 v

Uso de operaciones vectoriales En los ejercicios 27 y 28, halle (a) 2 3 u, (b) 3v (c) v u y (d) 2u 5v.

27.u 〈 4, 9 〉, v 〈 2, 5 〉

28.u 〈 3, 8 〉, v 〈 8, 7 〉

Vectores equivalentes En los ejercicios 5 a 8, halle los vectores u y v cuyos puntos inicial y final se dan. Demuestre que u y v son equivalentes.

Punto Punto Punto Punto inicial final inicial final

Representar un vector En los ejercicios 29 a 34, use la figura para representar gráficamente el vector. Para imprimir una copia ampliada de la gráfica, vaya a MathGraphs.com (disponible solo en inglés).

Escribir un vector en diferentes formas En los ejercicios 9 a 16 se dan los puntos inicial y final de un vector v.

(a) Dibuje el segmento de recta dirigido dado, (b) exprese el vector mediante sus componentes, (c) exprese el vector como la combinación lineal de los vectores unitarios estándares i y j, y

(d) dibuje el vector con el punto inicial en el origen.

PuntoPunto Punto Punto inicial final inicial final

9. (2, 0)(5, 5) 10. (4, 6)(3, 6)

11. (8, 3)(6, 1) 12. (0, 4)( 5, 1)

13. (6, 2)(6, 6) 14. (7, 1)( 3, 1)

15. ( 3 2 , 4 3 ) ( 1 2 , 3) 16. (0.12, 0.60)(0.84, 1.25)

Hallar un punto final En los ejercicios 17 y 18, se dan el vector v y su punto inicial. Encuentre el punto terminal.

17. v 〈 1, 3〉; punto inicial: (4, 2)

18.v 〈4, 9〉; punto inicial: (5, 3)

30. 2 u

31. v

32. 1 2 v

33.u v

34.u 2v

y

u v

29. u x

Encontrar un vector unitario En los ejercicios 35 a 38, halle el vector unitario en la dirección de v y verifique que tiene longitud 1.

35.v 〈 3, 12 〉 36.v 〈 5, 15 〉

37.v 〈 3 2 , 5 2 〉 38.v 〈 6.2, 3.4 〉

Encontrar magnitudes En los ejercicios 39 a 42, encuentre lo siguiente.

(a) u (b) v (c) u v

(d) u u (e) v v (f ) u v u v

39.u 〈 1, 1 〉, v 〈 1, 2 〉

40.u 〈 0, 1 〉, v 〈 3, 3 〉

41.u 〈 1, 1 2 〉, v 〈 2, 3 〉

42.u 〈 2, 4 〉, v 〈 5, 5 〉

Usar la desigualdad del triángulo En los ejercicios 43 y 44, represente gráficamente u, v y u v. Después demuestre la desigualdad del triángulo usando los vectores u y v.

43. u 〈 2, 1 〉, v 〈 5, 4 〉

44.u 〈 3, 2 〉, v 〈 1, 2 〉

10

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

Encontrar un vector En los ejercicios 45 a 48, halle el vector v de la magnitud dada en la misma dirección que u.

Magnitud Dirección

45. v 6 u 〈 0, 3 〉

46. v 4 u 〈 1, 1 〉

47. v 5 u 〈 1, 2 〉

48. v 2 u 〈 3 , 3 〉

Encontrar un vector En los ejercicios 49 a 52, halle las componentes de v dadas su magnitud y el ángulo que forman con el eje x positivo.

49. v 3, θ 0°

50. v 5, θ 120°

51. v 2, θ 150°

52. v 4, θ 3.5°

Encontrar un vector En los ejercicios 53 a 56, halle las componentes de u v dadas las longitudes de u y v, y los ángulos que u y v forman con el eje x positivo.

53. u 1, θ u 0° 54. u 4, θ u 0° v 3, θ v 45° v 2, θ v 60° 55. u

v 2 v 5, θ v 0.5

Exploración de conceptos

En los ejercicios 57 y 58, considere dos fuerzas de igual magnitud actuando sobre un punto.

57. Haga una conjetura sobre el ángulo entre las fuerzas cuando la magnitud de la resultante es la suma de las magnitudes de las dos fuerzas.

58. Haga una conjetura sobre el ángulo entre las fuerzas cuando la resultante de las fuerzas es 0.

59. Considere un triángulo con vértices X, Y y Z. ¿Qué es XY YZ ZX ? Explique.

Encontrar valores En los ejercicios 61 a 66, determine a y b tales que v a u b w, donde u 〈1, 2〉 y w 〈1, 1〉.

61.v 〈 4, 5 〉 62.v 〈 7, 2 〉

63. v 〈 6, 0 〉 64.v 〈 0, 6 〉

65. v 〈 1, 3 〉 66.v 〈 1, 8 〉

Encontrar vectores unitarios En los ejercicios 67 a 72, determine un vector unitario (a) paralelo y (b) perpendicular a la gráfica de f en el punto dado. A continuación, represente gráficamente los vectores y la función en el punto dado.

67. f (x ) x 2 , (3, 9) 68. f (x ) x 2 5, (1, 4)

69. f (x ) x 3 , (1, 1) 70. f (x ) x 3 , ( 2, 8)

71. f (x ) 25 x 2 , (3, 4)

72. f (x ) tan x, 4 , 1

Encontrar un vector En los ejercicios 73 y 74, exprese v mediante sus componentes, dadas las magnitudes de u y de u v, y los ángulos que u y u v forman con el eje x positivo.

73. u 1, θ 45° 74. u 4, θ 30° u v 2 , θ 90° u v 6, θ 120°

75. Fuerza resultante Fuerzas con magnitudes de 500 libras y 200 libras actúan sobre una pieza de la máquina a ángulos de 30° y 45°, respectivamente, con el eje x (vea la figura). Halle la dirección y la magnitud de la fuerza resultante.

60. ¿CÓMO LO VE? Use la figura para determinar si cada enunciado es verdadero o falso. Justifique su respuesta. a cs d w

b u

t v

(a) a d (b) c s

76. Análisis numérico y gráfico Fuerzas con magnitudes de 180 newtons y 275 newtons actúan sobre un gancho (vea la figura). El ángulo entre las dos fuerzas es de θ grados.

(a) Si θ 30°, halle la dirección y la magnitud de la fuerza resultante.

(b) Exprese la magnitud M y la dirección α de la fuerza resultante en funciones de θ, donde 0° θ 180°

(c) Use una herramienta de graficación para completar la tabla.

Para ver las figuras a color, acceda al código

(c) a u c (d) v w s

(d) Use una herramienta de graficación para representar las dos funciones M y α

(e) Explique por qué una de las funciones disminuye cuando θ, aumenta mientras que la otra no.

77. Fuerza resultante Tres fuerzas con magnitudes de 75 libras, 100 libras y 125 libras actúan sobre un objeto en ángulos de 30°, 45° y 120°, respectivamente, con el eje x positivo. Halle la dirección y la magnitud de la fuerza resultante.

78. Fuerza resultante Tres fuerzas con magnitudes de 400 newtons, 280 newtons y 350 newtons, actúan sobre un objeto en ángulos de 30°, 45° y 135°, respectivamente, con el eje x positivo. Halle la dirección y la magnitud de la fuerza resultante.

Tensión de un cable En los ejercicios 79 y 80, determine la tensión en los cables CB y CA debido a la carga soportada.

79. 50° 30° AB C 3000 libras

80.

10 pulg20 pulg

AB

84. Navegación

Un avión vuela a una velocidad constante de 400 millas por hora hacia el Este, respecto al suelo, y se encuentra con un viento de 50 millas por hora proveniente del noroeste. Encuentre la velocidad relativa al aire y el rumbo que permitirán al avión mantener su velocidad respecto al suelo y su dirección hacia el Este.

¿Verdadero o falso? En los ejercicios 85 a 94, determine si el enunciado es verdadero o falso. Si es falso, explique por qué o dé un ejemplo que demuestre que es falso.

85. El peso de un automóvil es un escalar.

86. La masa de un libro es un escalar.

87. La temperatura de tu sangre es un escalar.

88. La velocidad de una bicicleta es un vector.

81. Demostración La propiedad asociativa de las operaciones con vectores en el teorema 1.1 se demostró anteriormente. Demuestre las propiedades restantes enumeradas en el teorema 1.1.

82. Carga compartida Para llevar una pesa cilíndrica de 100 libras, dos trabajadores sostienen los extremos de unas sogas cortas atadas a un aro en el centro de la parte superior del cilindro. Una soga forma un ángulo de 20° con la vertical y la otra forma un ángulo de 30° (vea la figura).

(a) Halle la tensión de cada soga si la fuerza resultante es vertical.

(b) Halle la componente vertical de la fuerza de cada trabajador.

20° 30° 100 libras

83. Navegación Un avión vuela en una dirección de 302°. Su velocidad respecto al aire es de 900 kilómetros por hora. El viento a la altitud del avión viene del suroeste a 100 kilómetros por hora (vea la figura). ¿Cuál es la verdadera dirección del avión y cuál es su velocidad respecto al suelo?

89. Si u y v tienen la misma magnitud y dirección, entonces u y v son equivalentes.

90. Si u es un vector unitario en la dirección de v, entonces v v u

91. Si u a i b j es un vector unitario, entonces a 2 b 2 1.

92. Si v a i b j 0, entonces a b.

93. Si a b, entonces a i b j 2 a.

94. Si u y v tienen la misma magnitud pero direcciones opuestas, entonces u v 0

95. Demostración Demuestre que u (cos θ ) i (sen θ ) j y v (sen θ ) i (cos θ ) j son vectores unitarios para todo ángulo θ

96. Geometría Usando vectores, demuestre que el segmento de recta que une los puntos medios de dos lados de un triángulo es paralelo y mide la mitad de longitud del tercer lado.

97. Geometría Usando vectores, demuestre que las diagonales de un paralelogramo se cortan a la mitad.

98. Demostración Demuestre que el vector w u v v u corta a la mitad el ángulo entre u y v

99. Usar un vector Considere el vector u 〈x, y〉. Describa el conjunto de todos los puntos (x, y) tales que u 5.

DESAFÍO DEL EXAMEN PUTNAM

100. Un arma de artillería de costa puede ser disparada a cualquier ángulo de elevación entre 0° y 90° en un plano vertical fijo. Si se desprecia la resistencia del aire y la velocidad en la boca de cañón es constante ( v0), determine el conjunto H de puntos en el plano y sobre la horizontal que puede ser golpeado. Este problema fue preparado por el Committee on the Putnam Prize Competition. © The Mathematical Association of America. Todos los derechos reservados.

1.2 Coordenadas y vectores en el espacio

Describir el sistema de coordenadas rectangulares tridimensional. Analizar vectores en el espacio.

Coordenadas en el espacio

Hasta este punto del texto se ha utilizado principalmente el sistema de coordenadas bidimensional. En buena parte de lo que resta del estudio del cálculo se emplea el sistema de coordenadas tridimensional.

Sistema de coordenadas tridimensional.

Antes de extender el concepto de vector a tres dimensiones se debe poder identificar puntos en el sistema de coordenadas tridimensional. Se puede construir este sistema trazando un eje z perpendicular al eje x y al eje y en el origen, como se muestra en la figura 1.14. Tomados por pares, los ejes determinan tres planos coordenados:el plano xy, el plano xz y el plano yz. Estos tres planos coordenados dividen el espacio tridimensional en ocho octantes. El primer octante es en el que todas las coordenadas son positivas. En este sistema tridimensional un punto P en el espacio está determinado por una terna ordenada (x, y, z) donde x, y y z están dadas por x distancia dirigida que va del plano yz a P y distancia dirigida que va del plano xz a P z distancia dirigida que va del plano xy a P En la figura 1.15 se muestran varios puntos.

COMENTARIO Las gráficas rotativas tridimensionales que están disponibles en LarsonCalculus.com (solo en inglés) pueden ayudarle a visualizar puntos u objetos en un sistema de coordenadas tridimensional.

Los puntos en el sistema de coordenadas tridimensional se representan por medio de ternas ordenadas.

Figura 1.15

Un sistema de coordenadas tridimensional puede tener orientación levógira o dextrógira Para determinar la orientación de un sistema se puede imaginar de pie en el origen, con los brazos apuntando en dirección de los ejes x y y positivo, y el eje z apuntando hacia arriba, como se muestra en la figura 1.16. El sistema es dextrógiro o levógiro, dependiendo de qué mano queda apuntando a lo largo del eje x. En este texto se trabaja exclusivamente con el sistema dextrógiro.

Coordenadas y vectores en el espacio

Muchas de las fórmulas establecidas para el sistema de coordenadas bidimensional pueden extenderse a tres dimensiones. Por ejemplo, para encontrar la distancia entre dos puntos en el espacio, se usa dos veces el teorema de Pitágoras, como se muestra en la figura 1.17. Haciendo esto se obtiene la fórmula de la distancia entre los puntos

EJEMPLO 1 Encontrar la distancia entre dos puntos en el espacio Encuentre la distancia entre los puntos (2, 1, 3) y

Una esfera con centro en (x0 , y0 , z0 ) y radio r está definida como el conjunto de todos los puntos tales que la distancia entre ( x, y, z ) y (x0 , y0 , z0 ) es r. Puede usar la fórmula de la distancia para encontrar la ecuación ordinaria de una esfera de radio r, con centro en (x0 , y0 , z0 ). Si ( x, y, z ) es un punto arbitrario en la esfera, la ecuación de la esfera es

como se muestra en la figura 1.18. El punto medio del segmento de recta que une a los puntos

EJEMPLO 2 Encontrar la ecuación de una esfera

Determine la ecuación ordinaria de la esfera que tiene los puntos

3) y (0, 4, 3) como extremos de un diámetro.

Solución

la

del punto medio, el centro de la esfera es

Según la fórmula de la distancia, el radio es

Por consiguiente, la ecuación ordinaria de la esfera es

de la esfera.

Vectores y la geometría del espacio

Vectores en el espacio

En el espacio los vectores se denotan mediante ternas ordenadas v 〈v1, v2, v3 〉. El vector cero se denota por 0 〈0, 0, 0〉. Usando los vectores unitarios

i 〈1, 0, 0〉, j 〈0, 1, 0〉 y k 〈0, 0, 1〉 la notación de vectores unitarios canónicos para v es

v v1i v2 j v3 k como se muestra en la figura 1.19. Si v se representa por el segmento de recta dirigido de P ( p1, p2, p3) a Q( q1, q2, q3), como se muestra en la figura 1.20, las componentes de v se obtienen restando las coordenadas del punto inicial de las coordenadas del punto final como sigue.

v

Vectores en el espacio

2. Representación mediante componentes: Si v se representa por el segmento de recta dirigido de P (

4.

5.

6. Multiplicación por un escalar

Observe que las propiedades de la suma de vectores y de la multiplicación por un escalar dadas en el teorema 1.1 (vea la sección 1.1) son también válidas para vectores en el espacio.

EJEMPLO 3 Hallar las componentes de un vector en el espacio Consulte LarsonCalculus.com (disponible solo en inglés) para una versión interactiva de este tipo de ejemplo.

Encuentre las componentes y la longitud del vector v que tiene punto inicial ( 2, 3, 1) y punto final (0, 4, 4). Después, halle un vector unitario en la dirección de v

El vector v dado mediante sus componentes es

Coordenadas y vectores en el espacio

Recuerde que en la definición de la multiplicación por un escalar vio que múltiplos escalares positivos de un vector v distinto de cero tienen la misma dirección que v, mientras que múltiplos negativos tienen dirección opuesta a la de v. En general, dos vectores distintos de cero u y v son paralelos si existe algún escalar c tal que u c v. Por ejemplo, en la figura 1.21 los vectores u, v y w son paralelos, porque u 2 v y w v

Definición de vectores paralelos

Dos vectores distintos de cero u y v son paralelos si hay algún escalar c tal que u c v

EJEMPLO 4 Vectores paralelos

El vector w tiene punto inicial (2, 1, 3) y punto final (−4, 7, 5). ¿Cuál de los siguientes vectores es paralelo a w?

a.u 〈 3, 4, 1 〉

b.v 〈 12, 16, 4 〉

Solución Comience expresando w mediante sus componentes w 〈 4 2, 7 ( 1), 5 3 〉 〈 6, 8, 2 〉

a. Como u 〈 3, 4, 1 〉 1

puede concluir que u es paralelo

b. En este caso, se quiere encontrar un escalar c tal que

Para encontrar c, iguale los componentes correspondientes y resuelva como se muestra.

Observe que c 2 para las primeras dos componentes y c 2 para el tercer componente. Esto significa que la ecuación 〈 12, 16, 4 〉 c 〈 6, 8, 2 〉 no tiene solución y los vectores no son paralelos.

EJEMPLO 5 Usar vectores para determinar puntos colineales

Determine si los puntos P (1, 2, 3), Q (2, 1, 0) y R (4, 7, 6) son colineales.

Solución Los componentes de PQ y PR son

Estos dos vectores tienen un punto inicial común. Por tanto, P, Q y R están en la misma recta si y solo si PQ y PR son paralelos, ya que PR 3 PQ como se muestra en la figura 1.22.

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

EJEMPLO 6 Notación empleando los vectores unitarios canónicos

a. Exprese el vector v 4 i 5 k por medio de sus componentes.

b. Encuentre el punto final del vector v 7 i j 3 k, dado que el punto inicial es P ( 2, 3, 5).

c. Encuentre la magnitud del vector v 6 i 2 j 3 k. A continuación, encuentre un vector unitario en la dirección de v.

Solución

a. Como falta j, su componente es 0 y v 4 i 5 k 〈 4, 0, 5 〉

b. Necesita encontrar Q(q1, q2, q3) tal que v PQ 7 i j 3 k Esto implica que q1 ( 2) 7, q2 3 1 y q3 5 3. La solución de estas tres ecuaciones es q1 5, q2 2 y q3 8. Por tanto, Q es (5, 2, 8)

c. Observe que v1 6, v2 2 y v3 3. Por consiguiente, la longitud de v es v ( 6)2 1 22 1 ( 3)2 49 7

El vector unitario en la dirección de v es 1 7 ( 6 i 2 j 3 k) − 6 7 i 2 7 j 3 7 k

EJEMPLO 7 Magnitud de una fuerza

Una cámara de video profesional de 9 libras está colocada en un trípode, como se muestra en la figura 1.23. Represente la fuerza ejercida en cada pata del trípode como un vector.

Solución Sean los vectores F1, F2 y F3 las fuerzas ejercidas en las tres patas. A partir de la figura 1.23 puede determinar que las direcciones de F1, F2 y F3 son las siguientes.

Como cada pata tiene la misma longitud, y la fuerza total se distribuye igualmente entre las tres patas, usted sabe que F1 F2 F3 . Por tanto, existe una constante c tal que

Sea la fuerza total ejercida por el objeto dada por F 〈 0, 0, 9 〉. Entonces, usando el hecho de que

F1 F2 F3

puede concluir que F1, F2 y F3 tienen todas una componente vertical de 3. Esto implica que c ( 4) 3 y c 3 4. Por tanto, las fuerzas ejercidas sobre las patas pueden representarse por

1.2 Ejercicios Las respuestas a los ejercicios seleccionados pueden

Repaso de conceptos

1. Un punto en el sistema de coordenadas tridimensional tiene coordenadas (x 0 , y 0 , z 0 ). Describa qué mide cada coordenada.

2. Explique por qué la coordenada y de cualquier punto en el plano es 0.

3. Describa la gráfica de x 4 sobre (a) la recta numérica, (b) el sistema de coordenadas bidimensional, y (c) el sistema de coordenadas tridimensional.

4. Explique cómo determinar si dos vectores distintos de cero u y v son paralelos.

Representar puntos En los ejercicios 5 a 8, represente los puntos en el mismo sistema de coordenadas tridimensional.

5. (a) (2, 1, 3) (b) (−1, 2, 1)

6. (a) (3, −2, 5) (b) ( 3 2 , 4, 2)

7. (a) (5, −2, 2) (b) (5, 2, 2)

8. (a) (0, 4, 5) (b) (4, 0, 5)

Encontrar coordenadas de un punto En los ejercicios 9 a 12, halle las coordenadas del punto.

9. El punto se localiza tres unidades detrás del plano yz, cuatro unidades a la derecha del plano xz y cinco unidades arriba del plano xy

10. El punto se localiza siete unidades adelante del plano yz, dos unidades a la izquierda del plano xz y una unidad debajo del plano xy

11. El punto se localiza en el eje x, 12 unidades adelante del plano yz

12. El punto se localiza en el plano yz, tres unidades a la derecha del plano xz y dos unidades arriba del plano xy

Usar el sistema de coordenada tridimensional En los ejercicios 13 a 24, determine la localización de un punto (x, y, z) que satisfaga la(s) condición(es).

13. z 1

x 3

y 0

y 6

z 5

0

Clasificar un triángulo En los ejercicios 29 a 32, encuentre las longitudes de los lados del triángulo con los vértices que se indican, y determine si el triángulo es rectángulo, isósceles o ninguno de los dos.

29. (0, 0, 4), (2, 6, 7), (6, 4, 8)

30. (3, 4, 1), (0, 6, 2), (3, 5, 6)

31. ( 1, 0, 2), ( 1, 5, 2), ( 3, 1, 1)

32. (4, 1, 1), (2, 0, 4), (3, 5, 1)

Encontrar el punto medio En los ejercicios 33 a 36, halle las coordenadas del punto medio del segmento de recta que une los puntos.

33. (4, 0, 6), (8, 8, 20)

34. (7, 2, 2), ( 5, 2, 3)

35. (3, 4, 6), (1, 8, 0)

36. (5, 9, 7), ( 2, 3, 3)

Encontrar la ecuación de una esfera En los ejercicios 37 a 42, halle la ecuación de la esfera con las características dadas.

37. Centro: (7, 1, 2); radio: 1

38. Centro: ( 1, 5, 8); radio: 5

39. Puntos finales de un diámetro: (2, 1, 3), (1, 3, 1)

40. Puntos finales de un diámetro: ( 2, 4, 5), ( 4, 0, 3)

41. Centro: ( 7, 7, 6), tangente al plano xy

42. Centro: ( 4, 0, 0), tangente al plano yz

Encontrar la ecuación de una esfera En los ejercicios 43 a 46, complete el cuadrado para dar la ecuación de la esfera en forma ordinaria. Halle el centro y el radio.

Determinar la distancia entre dos puntos en el espacio En los ejercicios 25 a 28, halle la distancia entre los puntos.

Encontrar un vector en el espacio en términos de sus componentes En los ejercicios 47 y 48, (a) encuentre las componentes del vector v, (b) escriba el vector utilizando la notación vectores unitarios y (c) dibuje el vector con su punto inicial en el origen.

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

Expresar un vector en formas diferentes En los ejercicios 49 y 50 se dan los puntos inicial y final de un vector v. (a) Dibuje el segmento de recta dirigido, (b) encuentre las componentes del vector, (c) escriba el vector usando la notación del vector unitario estándar y (d) dibuje el vector con su punto inicial en el origen.

49. Punto inicial: ( 1, 2, 3)

Punto final: (3, 3, 4)

50. Punto inicial: (2, 1, 2)

Punto final: ( 4, 3, 7)

Expresar un vector en el espacio en términos de sus componentes En los ejercicios 51 a 54, halle las componentes y la magnitud del vector v dados sus puntos inicial y final. Después, encuentre un vector unitario en la dirección de v.

51. Punto inicial: (3, 2, 0) 52. Punto inicial: (1, 2, 4)

Punto final: (4, 1, 6) Punto final: (2, 4, 2)

53. Punto inicial: (4, 2, 0) 54. Punto inicial: (1, 2, 0)

Punto final: (0, 5, 2) Punto final: (1, 2, 3)

Hallar un punto terminal En los ejercicios 55 y 56, se dan el vector v y su punto inicial. Encuentre el punto final.

55. v 〈 3, 5, 6 〉

Punto inicial: (0, 6, 2)

56. v 〈 1, 2 3 , 1 2 〉

Punto inicial: (0, 2, 5 2 )

Encontrar múltiplos escalares En los ejercicios 57 y 58, halle cada uno de los múltiplos escalares de v y represente su gráfica.

57. v 〈 1, 2, 2 〉

(a) 2 v (b) v

(c) 3 2 v (d) 0 v

58. v 〈 2, 2, 1 〉

(a) v (b) 2 v

(c) 1 2 v (d) 5 2 v

Para ver las figuras a color, de la página 19 acceda al código

Hallar un vector En los ejercicios 59 a 62, encuentre el vector z, dado que u 〈1, 2, 3〉, v 〈2, 2, 1〉 y w 〈4, 0, 4〉.

59. z u v w 60. z 5 u 3 v 1 2 w

61. 1 3 z 3 u w

62. 2 u v w 3 z 0

Vectores paralelos En los ejercicios 63 a 66, determine cuáles de los vectores son paralelos a z. Use una herramienta de graficación para confirmar sus resultados.

65. z tiene el punto inicial (1, 1, 3) y el punto final ( 2, 3, 5)

(a) 6 i 8 j 4 k (b) 4 j 2 k

66. z tiene el punto inicial (5, 4, 1) y el punto final ( 2, 4, 4).

(a) 〈 7, 6, 2 〉 (b) 〈 14, 16, 6 〉

Utilizar vectores para determinar puntos colineales En los ejercicios 67 a 70, use vectores para determinar si los puntos son colineales.

Verificar un paralelogramo En los ejercicios 71 y 72, use vectores para demostrar que los puntos son vértices de un paralelogramo.

Encontrar la magnitud En los ejercicios 73 a 78, halle la longitud de v.

Encontrar vectores unitarios En los ejercicios 79 a 82, halle un vector unitario (a) en la dirección de v y (b) en la dirección opuesta a v.

v 〈 2, 1, 2 〉 80. v 〈 6, 0, 8 〉

81. v 4 i 5 j 3 k 82. v 5 i 3 j k

Hallar un vector En los ejercicios 83 a 86, encuentre el vector v con la magnitud dada y en dirección de u.

Magnitud Dirección

83. v 10 u 〈 0, 3, 3〉

84. v 3 u 〈 1, 1, 1 〉

85. v 3 2 u 〈 2, 2, 1 〉

86. v 7 u 〈 4, 6, 2 〉

Representar un vector En los ejercicios 87 y 88, dibuje el vector v y dé sus componentes.

87. v está en el plano yz, tiene magnitud 2 y forma un ángulo de 30° con el eje y positivo.

88. v está en el plano xz, tiene magnitud 5 y forma un ángulo de 45° con el eje z positivo.

Hallar un punto usando vectores En los ejercicios 89 y 90, use vectores para encontrar el punto que se encuentra a dos tercios del camino de P a Q.

89. P (4, 3, 0), Q (1, 3, 3) 90. P (1, 2, 5), Q (6, 8, 2)

Exploración de conceptos

91. Los puntos inicial y final del vector v son (x1, y1, z1 ) y (x, y, z). Describa el conjunto de todos los puntos (x, y, z) tales que v 4.

92. Sean r 〈 x, y, z 〉 y r0 〈 1, 1, 1 〉. Describa el conjunto de todos los puntos (x, y, z) tales que r r0 2.

93. Sea r 〈 x, y, z 〉. Describa el conjunto de todos los puntos (x, y, z) tales que r 1.

99. Focos del auditorio

Los focos en un auditorio son discos de 24 libras y 18 pulgadas de radio. Cada disco está sostenido por tres cables igualmente espaciados de L pulgadas de longitud (vea la figura). 18 pulg

94. ¿CÓMO LO VE? Determine (x, y, z) para cada figura. Después, encuentre la forma en componentes del vector desde el punto en el eje x al punto (x, y, z)

95. Usar vectores Considere dos vectores distintos de cero u y v, y sean s y t números reales. Describa la figura geométrica generada por los puntos finales de los tres vectores t v, u t v y s u t v.

96. Uso de vectores Sean u i j, v j k y w a u b v

(a) Dibuje u y v

(b) Si w 0, demuestre que tanto a como b deben ser cero.

(c) Halle a y b tales que w i 2 j k

(d) Demuestre que ninguna elección de a y b produce w i 2 j 3 k.

97. Diagonal de un cubo Halle las componentes del vector unitario v en la dirección de la diagonal del cubo que se muestra en la figura. y

Figura para 97

Figura para 98

98. Cable de sujeción El cable de sujeción de una torre de 100 pies tiene una tensión de 550 libras. Use las distancias mostradas en la figura y determine las componentes del vector F que representa la tensión del cable.

(a) Exprese la tensión T de cada cable en función de L. Determine el dominio de la función.

(b) Use una herramienta de graficación y la función del inciso (a) para completar la tabla.

L 20253035404550

(c) Represente en la herramienta de graficación el modelo del inciso (a) y determine las asíntotas de su gráfica.

(d) Compruebe analíticamente las asíntotas obtenidas en el inciso (c).

(e) Calcule la longitud mínima que debe tener cada cable, si un cable está diseñado para llevar una carga máxima de 10 libras.

100. Piénselo Suponga que cada cable en el ejercicio 99 tiene una longitud fija L a y que el radio de cada disco es r0 pulgadas. Haga una conjetura acerca del límite lím r0 → a T y justifique su respuesta.

101. Soportes de cargas Determine la tensión en cada uno de los cables de soporte mostrados en la figura si el peso de la caja es de 500 newtons.

Figura para 101

Figura para 102

102. Construcción Un muro de hormigón es sostenido temporalmente en posición vertical por medio de cuerdas (vea la figura). Halle la fuerza total ejercida sobre la clavija en posición A. Las tensiones en AB y AC son 420 libras y 650 libras, respectivamente.

103. Geometría Escriba una ecuación cuya gráfica consista en el conjunto de puntos P (x, y, z) que distan el doble de A(0, 1, 1) que de B (1, 2, 0). Describa la figura geométrica representada por la ecuación.

1.3 El producto punto (o escalar) de dos vectores

Usar las propiedades del producto punto de dos vectores. Hallar el ángulo entre dos vectores usando el producto punto. Hallar los cosenos directores de un vector en el espacio. Hallar la proyección de un vector sobre otro vector. Usar vectores para calcular el trabajo realizado por una fuerza constante.

El producto punto (o escalar)

COMENTARIO El producto escalar de dos vectores recibe este nombre debido a que da como resultado un escalar; también se le llama producto punto (o interno) de los dos vectores.

Exploración

Interpretación de un producto punto

En la figura se muestran varios vectores en el círculo unitario. Halle los productos punto de varios pares de vectores. Después encuentre el ángulo entre cada par usado. Haga una conjetura sobre la relación entre el producto punto de dos vectores y el ángulo entre los vectores.

Definición de producto punto (o escalar)

El producto punto de u

es

TEOREMA 1.4 Propiedades del producto punto

Sean u, v y w vectores en el plano o en el espacio, y sea c un escalar.

1.u ∙ v v ∙ u Propiedad conmutativa.

2.u ∙ (v w) u ∙ v u ∙ w Propiedad distributiva.

3. c (u ∙ v) c u ∙ v u ∙ c v Propiedad asociativa.

4.0 ∙ v 0

5.v ∙ v v 2

Hasta ahora se han estudiado dos operaciones con vectores, la suma de vectores y el producto de un vector por un escalar, cada una de las cuales da como resultado otro vector. En esta sección se presenta una tercera operación con vectores llamada producto punto (o escalar). Este producto da como resultado un escalar y no un vector. Demostración Para demostrar la primera propiedad, considere

demostraciones de las otras propiedades se dejan como ejercicio para el lector.

EJEMPLO

1 Calcular productos punto

Observe que el resultado del inciso (b) es una cantidad vectorial, mientras que los resultados de los otros tres incisos son cantidades escalares.

1.3 El producto punto (o escalar) de dos vectores

Ángulo entre dos vectores

El ángulo entre dos vectores distintos de cero es el ángulo θ, 0 θ , entre sus respectivos vectores en posición canónica como se muestra en la figura 1.24. El siguiente teorema muestra cómo encontrar este ángulo usando el producto punto (observe que el ángulo entre el vector cero y otro vector no está definido aquí).

TEOREMA

1.5

Ángulo entre dos vectores

Si θ es el ángulo entre dos vectores distintos de cero u y v, donde 0 θ ,

Demostración Considere el triángulo determinado por los vectores u, v y v u, como se muestra en la figura 1.24. Por la ley de los cosenos (vea la figura 1.25), v u 2 u 2 v 2 2 u v cos θ

Usando las propiedades del producto escalar, el lado izquierdo puede reescribirse como

sustituyendo en la ley de los cosenos se obtiene

Observe en el teorema 1.5 que debido a que u y v son siempre positivas, u ∙ v y cos θ siempre tendrán el mismo signo. La figura 1.26 muestra las orientaciones posibles de los dos vectores.

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

De acuerdo con el teorema 1.5, se puede ver que dos vectores distintos de cero forman un ángulo recto si y solo si su producto punto es cero, y en tal caso se dice que los dos vectores son ortogonales

Definición de vectores ortogonales

Los vectores u y v son ortogonales si u ∙ v 0

COMENTARIO Los términos “perpendicular”, “ortogonal” y “normal” significan esencialmente lo mismo, formar ángulos rectos. Sin embargo, es común decir que dos vectores son ortogonales, dos rectas o planos son perpendiculares, y que un vector es normal a una recta o plano dado.

De esta definición se deduce que el vector cero es ortogonal a todo vector u, ya que 0 ∙ u 0. Si 0 θ , entonces se sabe que θ 0 si y solo si θ 2. Por tanto, se puede usar el teorema 1.5 para concluir que dos vectores distintos de cero son ortogonales si y solo si el ángulo entre ellos es 2.

EJEMPLO 2 Hallar el ángulo entre dos vectores

Consulte LarsonCalculus.com (disponible solo en inglés) para una versión interactiva de este tipo de ejemplo.

cada uno de los siguientes pares de vectores.

a.u y v b.u y w c.v y z

COMENTARIO El ángulo entre u y v en el ejemplo 2(a) también se puede escribir aproximadamente como 118.561° .

Cuando se conoce el ángulo entre dos vectores, el teorema 1.5 se puede reescribir en la forma

escalar. que es una manera alternativa de calcular el producto punto.

EJEMPLO 3 Forma alternativa del producto punto

Dado que u 10, v 7, y el ángulo entre u y v es 4, halle u ∙ v.

Solución Use la forma alternativa del producto escalar como se muestra.

u ∙ v u v cos θ (10)(7) cos 4 35 2

COMENTARIO Recuerde que α, β y γ son las letras griegas alfa, beta y gamma, respectivamente.

1.3 El producto punto (o escalar) de dos vectores

Cosenos directores

Para un vector en el plano se ha visto que es conveniente medir su dirección en términos del ángulo, medido en sentido contrario a las manecillas del reloj, desde el eje x positivo hasta el vector. En el espacio es más conveniente medir la dirección en términos de los ángulos entre el vector v distinto de cero y los tres vectores unitarios i, j y k, como se muestra en la figura de la derecha. Los ángulos α, β y γ son los ángulos de dirección dev, y cos α, cos β y cos γ son los cosenos directores dev. Como

v ∙ i v i cos α v cos α y

v ∙ i 〈 v1, v2, v3 〉 ∙ 〈 1, 0, 0 〉 v1 se deduce que cos α v1 v . Mediante un razonamiento similar con los vectores unitarios j y k, se tiene

cos α v1 v α es el ángulo entre v e i

cos β v2 v β es el ángulo entre v y j

cos γ v3 v γ es el ángulo entre v y k

Por consiguiente, cualquier vector v distinto de cero en el espacio tiene la forma normalizada

v v v1 v i v2 v j v3 v k cos α i cos β j cos γ k

y como v v es un vector unitario, se deduce que

cos2 α cos2 β cos2 γ 1

EJEMPLO 4 Calcular los ángulos de dirección

Encuentre los cosenos y los ángulos directores del vector v 2 i 3 j 4 k, y demuestre que cos2 α cos2 β cos2 γ 1.

Solución Como v 22 1 32 1 42 29 puede escribir lo siguiente

cos

68.2° Ángulo entre v e i

cos

Además, la suma de los cuadrados de los cosenos directores es

La fuerza debida a la gravedad empuja la lancha contra la rampa y hacia abajo por la rampa.

Figura 1.28

Proyecciones y componentes vectoriales

Ya ha visto aplicaciones en las que se suman dos vectores para obtener un vector resultante. Muchas aplicaciones en la física o en la ingeniería plantean el problema inverso, descomponer un vector dado en la suma de dos componentes vectoriales. El siguiente ejemplo físico permitirá comprender la utilidad de este procedimiento. Considere una lancha sobre una rampa inclinada, como se muestra en la figura 1.28. La fuerza F debida a la gravedad empuja la lancha hacia abajo de la rampa y contra la rampa. Estas dos fuerzas, w1 y w2, son ortogonales y reciben el nombre de componentes vectoriales de F.

F w1 w2 Componentes vectoriales de F

Las fuerzas w1 y w2 ayudan a analizar el efecto de la gravedad sobre la lancha. Por ejemplo, w1 representa la fuerza necesaria para impedir que la lancha se deslice hacia abajo por la rampa, mientras que w2 representa la fuerza que deben soportar los neumáticos.

Definiciones de proyección y componentes vectoriales

Sean u y v vectores distintos de cero. Además, sea u w1 w2 donde w1 es paralelo a v y w2 es ortogonal a v, como se muestra en la figura 1.29.

1. A w1 se le llama proyección de u en v o componente vectorial de u a lo largo de v, y se denota por w1 proyvu

2. A w2 u w1 se le llama componente vectorial de u ortogonal a v.

w1 proyvu la proyección de u en v componente vectorial de u en dirección de v w2 componente vectorial de u ortogonal a v

Figura 1.29

EJEMPLO 5 Hallar la componente vectorial de u ortogonal a v

Encuentre la componente del vector de u 〈 5, 10 〉 que es ortogonal a v 〈 4, 3 〉, dado que w1 proyvu 〈 8, 6 〉 y

u 〈 5, 10 〉 w1 w2

Solución Como u w1 w2, donde w1 es paralelo a v, se deduce que w2 es la componente vectorial de u ortogonal a v. Por tanto, se tiene

w2 u w1

〈 5, 10 〉 〈 8, 6 〉

3, 4 〉

Verifique que w2 es ortogonal a v, como se muestra en la figura 1.30.

COMENTARIO Observe la diferencia entre los términos “componente” y “componente vectorial”. Por ejemplo, usando los vectores unitarios canónicos con u u 1 i u 2 j, u1 es la componente de u en la dirección de i y u 1 i es la componente vectorial en la dirección de i

1.3 El producto punto (o escalar) de dos vectores 25

En el ejemplo 5 se proporcionó la proyección de u sobre v. En general, para encontrar esta proyección se utiliza el siguiente teorema. La demostración de este teorema se deja como ejercicio al lector (vea el ejercicio 74).

TEOREMA 1.6 Proyección usando el producto punto

Si u y v son vectores distintos de cero, entonces la proyección de u sobre v está dada por proyvu u ∙ v v 2 v

La proyección de u sobre v puede expresarse como un múltiplo escalar de un vector unitario en la dirección de v. Es decir

k se le llama componente de u en la dirección dev. Por tanto

EJEMPLO 6 Descomponer un vector en componentes vectoriales

Determine la proyección de u sobre v y la componente vectorial de u ortogonal a v de los vectores

EJEMPLO 7 Calcular una fuerza

Una lancha de 600 libras se encuentra sobre una rampa inclinada 30°, como se muestra en la figura 1.32. ¿Qué fuerza se requiere para impedir que la lancha resbale cuesta abajo por la rampa?

Solución Como la fuerza debida a la gravedad es vertical y hacia abajo, se puede representar la fuerza de la gravedad mediante el vector F 600 j. Para encontrar la fuerza requerida para impedir que la lancha resbale por la rampa, proyecte F sobre un vector unitario v en la dirección de la rampa, como sigue.

j Vector unitario en la dirección de la rampa. Por tanto, la proyección de F sobre v está dada por

i

La magnitud de esta fuerza es 300, y por consiguiente se requiere una fuerza de 300 libras para impedir que la lancha resbale por la rampa.

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

Trabajo

El trabajo W realizado por una fuerza constante F que actúa a lo largo de la recta de movimiento de un objeto está dado por

W (magnitud de fuerza)(distancia) F PQ como se muestra en la figura 1.33(a). Si la fuerza constante F no está dirigida a lo largo de la recta de movimiento, se puede ver en la figura 1.33(b) que el trabajo realizado W por la fuerza es

W proyPQ F PQ (cos θ ) F PQ F ∙ PQ

Para ver las figuras a color, acceda al código

F F P Q

proy θ

Trabajo = || proy PQ F || || PQ ||

(a) La fuerza actúa a lo largo de la recta (b) La fuerza actúa formando un ángulo θ de movimiento. con la recta de movimiento.

Esta noción de trabajo se resume en la definición siguiente.

El trabajo W realizado por una fuerza constante F a medida que su punto de aplicación se mueve a lo largo del vector PQ está dado por las siguientes expresiones

1. W proyPQ F PQ En forma de proyección.

2. W F ∙ PQ En forma de producto punto.

EJEMPLO 8 Calcular el trabajo

Para cerrar una puerta corrediza, una persona tira de una cuerda con una fuerza constante de 50 libras y un ángulo constante de 60° como se muestra en la figura 1.34. Encuentre el trabajo realizado al mover la puerta 12 pies hacia la posición en que queda cerrada.

F 60° proy PQ F

Q

Figura 1.34

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1.3 Ejercicios Las respuestas a los ejercicios seleccionados

Repaso de conceptos

1. Dos vectores distintos de cero tienen un producto punto cero. ¿Qué es verdad sobre la posición relativa de los vectores?

2. Considere el vector v 〈 v1, v2, v3 〉

¿Cuál es el significado de arccos v2 v 30°?

Encontrar productos punto En los ejercicios 3 a 10, encuentre (a) u ∙ v, (b) u ∙ u, (c) v 2, (d) (u ∙ v) v y (e) u ∙ ( 3v ).

3.u 〈 3, 4 〉, v 〈 1, 5 〉 4. u 〈 4,10 〉, v 〈 2, 3 〉

5.u 〈 6, 4 〉, v 〈 3, 2 〉

6. u 〈 7, 1 〉, v 〈 4, 1 〉

7.u 〈 2, 3, 4 〉, v 〈 0, 6, 5 〉

8.u 〈 5, 0, 5 〉, v 〈 1, 2, 1 〉

9. u 2 i j k10. u 2 i j 2 k v i kv i 3 j 2 k

Hallar el ángulo entre dos vectores En los ejercicios 11 a 18, calcule el ángulo θ entre los vectores (a) en radianes y (b) en grados.

11. u 〈 1, 1 〉, v 〈 2, 2 〉

12.u 〈 3, 1 〉, v 〈 2, 1 〉

13.u 3 i j, v 2 i 4 j

14.u cos 6 i sen 6 j, v cos 3 4 i sen 3 4 j

15.u 〈 1, 1, 1 〉, v 〈 2, 1, 1 〉

16.u 3 i 2 j k, v 2 i 3 j

17. u 3 i 4 j, v 2 j 3 k

18.u 2 i 3 j k,v i 2 j k

Forma alternativa del producto punto En los ejercicios 19 y 20, utilice la forma alternativa del producto punto para encontrar u ∙ v.

19. u 8, v 5, y el ángulo entre u y v es 3.

20. u 40, v 25, y el ángulo entre u y v es 5 6.

Comparar vectores En los ejercicios 21 a 26, determine si u y v son ortogonales, paralelos o ninguna de las dos cosas. 21.u 〈 4, 3〉 22. u 1 3 ( i 2 j )

〈 1 2 , 2 3 〉 v 2 i 4 j 23.u j 6 k24. u 2 i 3 j k v i 2 j k v 2 i j k 25.u 〈 2, 3, 1 〉 26. u 〈 cos θ,

Clasificar un triángulo En los ejercicios 27 a 30, se dan los vértices de un triángulo. Determine si el triángulo es acutángulo, obtusángulo o rectángulo. Explique su razonamiento.

27. (1, 2, 0), (0, 0, 0), ( 2, 1, 0)

28. ( 3, 0, 0), (0, 0, 0), (1, 2, 3)

29. (2, 0, 1), (0, 1, 2), ( 0.5, 1.5, 0)

30. (2, 7, 3), ( 1, 5, 8), (4, 6, 1)

Hallar ángulos de dirección En los ejercicios 31 a 36, encuentre los cosenos directores de u y muestre que cos2 α cos2 β cos2 γ 1.

31.u i 2 j 2 k32.u 5 i 3 j k

33.u 7 i j k34.u 4 i 3 j 5 k

35.u 〈 0, 6, 4 〉 36.u 〈 1, 5, 2 〉

Hallar la proyección de u sobre v En los ejercicios 37 a 44, (a) encuentre la proyección de u sobre v, y (b) encuentre la componente vectorial de u ortogonal a v.

37.u 〈 6, 7 〉, v 〈 1, 4 〉 38.u 〈 9, 7 〉, v 〈 1, 3 〉

39.u 2 i 3 j, v 5 i j

40.u 2 i 3 j, v 3 i 2 j

41. u 〈 0, 3, 3 〉, v 〈 1, 1, 1 〉

42.u 〈 8, 2, 0 〉, v 〈 2, 1, 1 〉

43.u 9 i 2 j 4 k, v 4 j 4 k

44.u 5 i j k, v i 5 j 8 k

Exploración de conceptos

Para ver la figura a color, acceda al código

45. Explique por qué u v ∙ w no está definido, donde u, v y w son vectores no cero.

46. ¿Qué puede decir acerca de los vectores u y v la proyección de u sobre v es igual a u?

47. Si la proyección de u sobre v tiene la misma magnitud que la proyección de v sobre u, ¿se puede concluir que u v ? Explique.

48. ¿CÓMO LO VE? ¿Qué se sabe acerca de θ, el ángulo entre dos vectores u y v distintos de cero, cuando (a) u ∙ v 0? (b) u ∙ v 0? (c) u ∙ v 0?

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

49. Ingresos El vector u 〈 3240, 1450, 2235 〉 da el número de hamburguesas, sándwiches de pollo y hamburguesas con queso, respectivamente, vendidas en una semana en un restaurante de comida rápida. El vector v 〈 2.25, 2.95, 2.65 〉 da los precios (en dólares) por unidad de los tres artículos alimenticios. Encuentre el producto escalar u ∙ v y explique qué información proporciona.

50. Ingresos Repita el ejercicio 49 después de reducir los precios 2%. Identifique la operación vectorial usada para reducir los precios 2%.

Vectores ortogonales En los ejercicios 51 a 54, encuentre dos vectores en direcciones opuestas que sean ortogonales al vector u (las respuestas no son únicas).

51.u 1 4 i 3 2 j 52.u 9 i 4 j

53.u 〈 3, 1, 2 〉 54.u 〈 4, 3, 6 〉

55. Hallar un ángulo Encuentre el ángulo entre la diagonal de un cubo y una de sus aristas.

56. Hallar un ángulo Encuentre el ángulo entre la diagonal de un cubo y la diagonal de uno de sus lados.

57. Fuerza de frenado Un camión de 48 000 libras está estacionado sobre una pendiente de 10° (vea la figura). Si supone que la única fuerza a vencer es la de la gravedad, determine (a) la fuerza requerida para evitar que el camión ruede cuesta abajo y (b) la fuerza perpendicular a la pendiente.

61. Trabajo Un carro se remolca usando una fuerza de 1 600 newtons. La cadena que se usa para jalar el carro forma un ángulo de 25° con la horizontal. Encuentre el trabajo que se realiza al remolcar el carro 2 kilómetros.

62. Trabajo

Se tira de una transpaleta ejerciendo una fuerza de 400 newtons en una jaladera que hace un ángulo de 25° con la horizontal. Encuentre el trabajo efectuado al jalar la transpaleta 40 metros.

¿Verdadero o falso? En los ejercicios 63 y 64, determine si el enunciado es verdadero o falso. Si es falso, explique por qué o dé un ejemplo que demuestre que es falso.

63. Si u ∙ v u ∙ w y u 0, entonces v w

64. Si u y v son ortogonales a w, entonces u v es ortogonal a w Usar puntos de intersección En los ejercicios 65 a 68, (a) encuentre todos los puntos de intersección de las gráficas de las dos ecuaciones, (b) encuentre los vectores unitarios tangentes a cada curva en los puntos de intersección y (c) determine los ángulos (0° θ 90°) entre las curvas en sus puntos de intersección.

10°

Peso = 48000 lb

58. Fuerza de frenado Una camioneta deportiva de 5 400 libras está estacionada sobre una pendiente de 18°. Si supone que la única fuerza a vencer es la debida a la gravedad. Determine (a) la fuerza requerida para evitar que la camioneta ruede cuesta abajo y (b) la fuerza perpendicular a la pendiente.

59. Trabajo Un objeto es jalado 10 pies por el suelo usando una fuerza de 85 libras. La dirección de la fuerza es 60° sobre la horizontal (vea la figura). Calcule el trabajo realizado.

69. Demostración Use vectores para demostrar que las diagonales de un rombo son perpendiculares.

70. Demostración Use vectores para demostrar que un paralelogramo es un rectángulo si y solo si sus diagonales son iguales en longitud.

71. Ángulo de enlace Considere un tetraedro regular con los vértices (0, 0, 0), (k, k, 0), (k, 0, k) y (0, k, k), donde k es un número real positivo.

(a) Dibuje la gráfica del tetraedro.

(b) Encuentre la longitud de cada arista.

(c) Encuentre el ángulo entre cada dos aristas.

(d) Encuentre el ángulo entre los segmentos de recta desde el centroide (k 2, k 2, k 2) a dos de los vértices. Este es el ángulo de enlace en una molécula como CH4 (metano) o PbCl4 (tetracloruro de plomo), cuya estructura es un tetraedro.

20°

60° 10 pies

85 libras No está dibujado a escala

Figura para 59 Figura para 60

60. Trabajo Un coche de juguete se jala ejerciendo una fuerza de 65 libras sobre una manivela que forma un ángulo de 20° con la horizontal (vea la figura). Calcule el trabajo realizado al jalar el coche 50 pies.

72. Demostración Considere los vectores u 〈 cos α, sen α, 0 〉 y v 〈 cos β, sen β, 0 〉 donde α β. Calcule el producto punto de los vectores y use el resultado para demostrar la identidad

cos(α β ) cos α cos β sen α sen β

73. Demostración Demuestre la desigualdad del triángulo

u v u v

74. Demostración Demuestre el teorema 1.6.

75. Demostración Demuestre la desigualdad de CauchySchwarz

u ∙ v u v

1.4 El producto cruz (o vectorial) de dos vectores en el espacio

Hallar el producto cruz (o vectorial) de dos vectores en el espacio. Usar el triple producto escalar de tres vectores en el espacio.

El producto cruz (o vectorial)

Exploración

Propiedad geométrica del producto cruz Abajo se muestran tres pares de vectores. Use la definición para encontrar el producto vectorial de cada par. Dibuje los tres vectores en un sistema tridimensional. Describa

entre los tres vectores. Use esta descripción

En muchas aplicaciones en física, ingeniería y geometría es necesario encontrar un vector en el espacio que sea a dos vectores dados. En esta sección se estudiará un producto que da como resultado ese vector. Se llama producto cruz y se define y calcula de manera más adecuada utilizando los vectores unitarios canónicos. Debido a que el producto cruz da como resultado un vector también se le conoce como producto vectorial

Definición de producto cruz de dos vectores en el espacio

Sean u y v vectores en el espacio, donde

cruz de u y v es el vector

Es importante notar que esta definición solo aplica a vectores tridimensionales. El producto vectorial no está definido para vectores bidimensionales.

Una manera adecuada para calcular u v es usar determinantes con expansión de cofactores, como se muestra a continuación (esta forma determinante 3 3 se usa solo para ayudar a recordar la fórmula del producto vectorial, pero técnicamente no es un determinante porque las entradas de la matriz correspondiente no son todas números reales).

Poner “u” en la fila 2.

“v” en la fila 3.

Observe el signo menos delante de la componente j. Cada uno de los tres determinantes de orden 2 2 se puede evaluar usando el siguiente modelo diagonal

un par de ejemplos

Para ver las figuras a color, de las páginas 28 y 29, acceda al código

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

EJEMPLO 1 Hallar el producto vectorial

Dados u i 2 j k y v 3 i j 2 k, determine cada uno de los siguientes productos.

COMENTARIO Observe que este resultado es el negativo del obtenido en el inciso (a).

NOTACIÓN PARA LOS PRODUCTOS PUNTO Y CRUZ

La notación para el producto punto y para el producto cruz la introdujo el físico estadounidense Josiah Willard Gibbs (1839-1903). A comienzos de la década de 1880, Gibbs construyó un sistema para representar cantidades físicas llamado “análisis vectorial”. El sistema fue una variante de la teoría de los cuaterniones de Hamilton.

Los resultados obtenidos en el ejemplo 1 sugieren algunas propiedades algebraicas interesantes del producto cruz. Por ejemplo, u v (v u) y v v 0. Estas propiedades, y algunas otras, se presentan en forma resumida en el siguiente teorema.

TEOREMA 1.7 Propiedades algebraicas del producto cruz

Sean u, v y w vectores en el espacio, y sea c un escalar. 1.u

w) (u v) ∙ w

Demostración Para demostrar la propiedad 1, sean u u1 i u2 j u3 k y v v1 i v2 j v3 k. Entonces

la cual implica que u v (v u). Las demostraciones de las propiedades 2, 3, 5 y 6 se dejan como ejercicios (vea los ejercicios 49 a 52).

COMENTARIO De las propiedades 1 y 2 presentadas en el teorema 1.8 se desprende que si n es un vector unitario ortogonal a u y v, entonces u v ( u v sen θ ) n

1.4 El producto cruz (o vectorial) de dos vectores en el espacio 31

Observe que la propiedad 1 del teorema 1.7 indica que el producto cruz no es conmutativo. En particular, esta propiedad indica que los vectores u v y v u tienen longitudes iguales pero direcciones opuestas. El teorema siguiente da una lista de algunas otras de las propiedades geométricas del producto cruz de dos vectores.

TEOREMA 1.8 Propiedades geométricas del producto cruz

Sean u y v vectores distintos de cero en el espacio, y sea θ el ángulo entre u y v

1.u v es ortogonal, tanto a u como a v

2. u v u v sen θ

3. u v 0 si y solo si u y v son múltiplos escalares uno de otro.

4. u v área del paralelogramo que tiene a u y v como lados adyacentes.

Demostración Para demostrar la propiedad 2, utilice cos θ (

se tiene

Los vectores u y v son los lados adyacentes de un paralelogramo.

Figura 1.35

Para demostrar la propiedad 4, vea la figura 1.35, que es un paralelogramo que tiene a v y u como lados adyacentes. Como la altura del paralelogramo es v sen θ, el área es

Área (base)(altura)

u v sen θ

u v

Las demostraciones de las propiedades 1 y 3 se dejan como ejercicios (vea los ejercicios 53 y 54).

Tanto u v como v u son perpendiculares al plano determinado por u y v. Una manera de recordar las orientaciones de los vectores u, v y u v es compararlos con los vectores unitarios i, j y k i j, como se muestra en la figura 1.36. Los tres vectores u, v y u v forman un sistema dextrógiro, mientras que los tres vectores u, v y v u forman un sistema levógiro.

Sistemas dextrógiros.

Figura 1.36

El vector u v es ortogonal tanto a u como

EJEMPLO 2 Utilizar el producto vectorial

Consulte LarsonCalculus.com (disponible solo en inglés) para una versión interactiva de este tipo de ejemplo.

Encuentre un vector unitario que es ortogonal tanto a u i 4 j k y v 2 i 3 j

Solución El producto vectorial u v, como se muestra en la figura 1.37, es ortogonal tanto a u como a v.

u v

ijk 1 4 1 2 3 0 ∣ Producto vectorial. 3 i 2 j 11 k

Como u v ( 3)2 1 22 1 112 134 un vector unitario ortogonal tanto a u como a v es u v u v 3 134 i 2 134 j 11 134 k

En el ejemplo 2, se observa que se pudo haber usado el producto cruz v u para formar un vector unitario ortogonal tanto a u como a v. Con esa opción, se habría obtenido el negativo del vector unitario encontrado en el ejemplo.

Para

ver las figuras a color, acceda

EJEMPLO 3 Aplicación geométrica del producto cruz

Demuestre que el cuadrilátero con vértices en los puntos siguientes es un paralelogramo y encuentre su área.

A (5, 2, 0) B (2, 6, 1)

C (2, 4, 7) D (5, 0, 6)

Solución En la figura 1.38 se puede ver que los lados del cuadrilátero corresponden a los siguientes cuatro vectores.

AB 3 i 4 j k CD 3 i 4 j k AB

AD 0 i 2 j 6 k CB 0 i 2 j 6 k AD

Por tanto, AB es paralelo a CD y AD es paralelo a CB , y se puede concluir que el cuadrilátero es un paralelogramo con AB y AD como lados adyacentes. Además, como AB

el área del paralelogramo es

AB AD 1036 ≈ 32.19

¿Es el paralelogramo un rectángulo? Para decidir si lo es o no, se puede calcular el ángulo entre los vectores AB y AD .

1.4 El producto cruz (o vectorial) de dos vectores en el espacio

En física, el producto cruz se puede utilizar para medir el momento (torque) M de una fuerza F respecto a un punto P, como se muestra en la figura 1.39. Si el punto de aplicación de la fuerza es Q el momento de F respecto a P está dado por

M PQ F

Momento de F respecto a P

La magnitud del momento M mide la tendencia del vector PQ al girar en sentido contrario al de las manecillas del reloj (usando la regla de la mano derecha) respecto a un eje en dirección del vector M.

EJEMPLO 4 Una aplicación del producto cruz

Se aplica una fuerza vertical de 50 libras al extremo de una palanca de 1 pie de longitud unida a un eje en el punto P, como se muestra en la figura 1.40. Calcule el momento de esta fuerza respecto al punto P cuando θ 60°.

Solución Se puede representar la fuerza de 50 libras como F 50 k y la

(60°)

El momento de F respecto a P está dado por

La magnitud de este momento es 25 pies-libras.

En el ejemplo 4, note que el momento (la tendencia de la palanca a girar sobre su eje) depende del ángulo θ. Cuando θ 2, el momento es 0. El momento es máximo cuando θ 0.

El triple producto escalar

Dados los vectores u, v y w en el espacio, al producto escalar de u y v w

se le llama triple producto escalar, como se define en el teorema 1.9. La demostración de este teorema se deja como ejercicio (vea el ejercicio 57).

TEOREMA

1.9 El triple producto escalar

el triple producto escalar está dado por

E1 valor de un determinante se multiplica por 1 si se intercambian dos de sus filas. Después de estos dos intercambios, el valor del determinante queda inalterado. Por tanto, los siguientes triples productos escalares son equivalentes.

Unidad 1 Vectores y la geometría del espacio

Si los vectores u, v y w no están en el mismo plano, el triple producto escalar u ∙ (v w) puede usarse para determinar el volumen del paralelepípedo (un poliedro en el que todas sus caras son paralelogramos) con u, v y w como aristas adyacentes, como se muestra en la figura 1.41. Esto se establece en el siguiente teorema.

TEOREMA 1.10 Interpretación geométrica del triple producto escalar

El volumen V de un paralelepípedo con vectores u, v y w como aristas adyacentes está dado por

Demostración En la figura 1.41 se observa que el área de la base es v w y la altura del paralelepípedo es proyv w u . Por consiguiente, el volumen es V

de la base)

EJEMPLO 5 Calcular un volumen por medio del triple producto escalar

Calcule el volumen del paralelepípedo mostrado en la figura 1.42 que tiene

3 i 5 j k

w 3 i j k como aristas adyacentes. Solución Por el teorema 1.10, se tiene

producto escalar.

tiene un volumen de 36.

El

Una consecuencia natural del teorema 1.10 es que el volumen del paralelepípedo es 0 si y solo si los tres vectores son coplanares. Dicho de otra manera, una condición necesaria y suficiente para que tres vectores u 〈u

con el mismo punto inicial se encuentren en el mismo plano es que

1.4 Ejercicios

Repaso de conceptos

1. Explique qué representa geométricamente u v

2. Explique cómo encontrar el área de un paralelogramo usando vectores.

3. Determine qué debe cumplirse para que el producto cruz de dos vectores distintos de cero sea 0.

4. Explique cómo se relaciona un torque y los momentos.

Producto cruz de vectores unitarios En los ejercicios 5 a 8, calcule el producto cruz de los vectores unitarios y dibuje su resultado.

5.j i 6. j k

7. i k 8.k i

Hallar productos cruz En los ejercicios 9 a 12, calcule (a) u v, (b) v u y (c) v v.

9.u 2 i 4 j10.u 3 i 5 k

v 3 i 2 j 5 k v 2 i 3 j 2 k

11.u 〈 7, 3, 2 〉 12.u 〈 2, 1, 9 〉

v 〈 1, 1, 5 〉 v 〈 6, 2, 1 〉

Hallar productos cruz En los ejercicios 13 a 16, calcule u v y demuestre que es ortogonal tanto a u como a v.

13.u 〈 4, 1, 0 〉 14.u 〈 5, 2, 2 〉

v 〈 6, 3, 0 〉 v 〈 0, 1, 8 〉

15.u i j k16.u i 6 j

v 2 i j k v 2 i j k

Hallar un vector unitario En los ejercicios 17 a 20, encuentre un vector unitario que sea ortogonal tanto a u como a v.

17.u 〈 4, 3, 1 〉 18.u 〈 8, 6, 4 〉

v 〈 2, 5, 3 〉 v 〈 10, 12, 2 〉

19.u 3 i 2 j 5 k20.u 2 k

v i j 4 k v 4 i 6 k

Área En los ejercicios 21 a 24, calcule el área del paralelogramo que tienen los vectores dados como lados adyacentes. Use una herramienta de graficación para verificar el resultado. 21.u j 22.u i j k

v j k v j k

Área En los ejercicios 27 y 28, calcule el área del triángulo con los vértices dados (sugerencia: 1 2 u v es el área del triángulo que tiene u y v como lados adyacentes).

27. A(0, 0, 0), B (1, 0, 3), C ( 3, 2, 0)

28. A(2, −3, 4), B (0, 1, 2), C ( 1, 2, 0)

29. Momento Los frenos de una bicicleta se aplican usando una fuerza dirigida hacia abajo de 20 libras sobre el pedal cuando la manivela forma un ángulo de 40° con la horizontal (vea la figura). La manivela tiene 6 pulgadas de longitud. Calcule el momento respecto a P

Figura para 29

Figura para 30

30. Momento La magnitud y la dirección de la fuerza sobre un cigüeñal cambian cuando este gira. Calcule el momento sobre el cigüeñal usando la posición y los datos mostrados en la figura.

31. Optimización Una fuerza de 180 libras actúa sobre el soporte mostrado en la figura.

Área En los ejercicios 25 y 26, verifique que los puntos son los vértices de un paralelogramo y calcule su área.

(a) Determine el vector AB y el vector F que representa la fuerza (F estará en términos de θ ).

(b) Calcule la magnitud del momento respecto a A evaluando AB F .

(c) Use el resultado del inciso (b) para determinar la magnitud del momento cuando θ 30° .

(d) Use el resultado del inciso (b) para determinar el ángulo θ cuando la magnitud del momento es máxima. A ese ángulo, ¿cuál es la relación entre los vectores F y AB . ¿Es lo que esperaba? ¿Por qué sí o por qué no?

(e) Use una herramienta de graficación para representar la función de la magnitud del momento respecto a A para 0° θ 180°. Encuentre el cero de la función en el dominio dado. Interprete el significado del cero en el contexto del problema.

32. Optimización Una fuerza de 56 libras actúa sobre la llave inglesa mostrada en la figura.

Exploración de conceptos

41. Identifique los productos punto que son iguales. Explique su razonamiento (suponga que u, v y w son vectores no cero).

A

θ F

(b) Use el resultado del inciso (a) para determinar la magnitud del momento cuando θ 45°

(c) Use el resultado del inciso (a) para determinar el ángulo θ cuando la magnitud del momento es máxima. ¿Es la respuesta que esperaba? ¿Por qué sí o por qué no?

Hallar un triple producto escalar En los ejercicios 33 a 36, calcule u ∙ (v w).

33.u i34.u 〈 1, 1, 1 〉

v j v 〈 2, 1, 0 〉

w k w 〈 0, 0, 1 〉

35.u 〈 2, 0, 1 〉 36.u 〈 2, 0, 0 〉 v 〈 0, 3, 0 〉 v 〈 1, 1, 1 〉

w 〈 0, 0, 1 〉 w 〈 0, 2, 2 〉

Volumen En los ejercicios 37 y 38, use el triple producto escalar para encontrar el volumen del paralelepípedo con aristas adyacentes u, v y w.

37.u i j 38.u 〈 1, 3, 1 〉

z y

y x 2 2 2 1 v w u

5

(a) u ∙ (v w) (b) (v w) ∙ u

(c) (u v) ∙ w (d) (u w) ∙ v

(e) u ∙ (w v) (f ) w ∙ (v u)

(g) ( u v) ∙ w (h) (w u) ∙ v

42. Cuando u v 0 y u ∙ v 0 ¿qué puede concluir acerca de u y v?

43. Dos vectores no cero están en el plano yz. ¿Dónde está el producto cruz de estos vectores? Explique su respuesta.

x1, y1, z1 ), (x2 , y2 , z2 ) y (x3, y3 , z3 )

Explique cómo encontrar un vector perpendicular al triángulo.

45. Es posible encontrar el producto vectorial de dos vectores en un sistema de coordenadas bidimensional.

46. El producto cruz de dos vectores no cero es un vector no cero.

47. Si u 0 y u v u w, entonces v w

48. Si u 0, u ∙ v u ∙ w y u v u w, entonces v w.

Demostración En los ejercicios 49 a 54, demuestre la propiedad del producto cruz.

49.u (v w) (u v) (u w)

50. c (u v) (c u) v u (c v)

51.u u 052.u ∙ (v w) (u v) ∙ w

53.u v es ortogonal tanto a u como a v.

54. u v 0 si y solo si u y v son múltiplos escalares uno del otro.

55. Demostración Demuestre que u v u v si u y v son ortogonales.

56. Demostración Demuestre que u (v w) (u ∙ w) v (u ∙ v) w.

57. Demostración Demuestre el teorema 1.9.

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