15.7: Cambio de Variables en Integrales Múltiples
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
- Determinar la imagen de una región bajo una transformación dada de variables.
- Calcular el jacobiano de una transformación dada.
- Evaluar una doble integral usando un cambio de variables.
- Evaluar una triple integral utilizando un cambio de variables.
Recordar de Sustitución Regla el método de integración por sustitución. Al evaluar una integral como
∫32x(x2−4)5dx,
sustituimosu=g(x)=x2−4. Entoncesdu=2xdx oxdx=12du y los límites cambian au=g(2)=22−4=0 yu=g(3)=9−4=5. Así la integral se convierte
∫5012u5du
y esta integral es mucho más sencilla de evaluar. Es decir, al resolver problemas de integración, hacemos las sustituciones adecuadas para obtener una integral que se vuelve mucho más simple que la integral original.
También usamos esta idea cuando transformamos integrales dobles en coordenadas rectangulares en coordenadas polares y transformamos integrales triples en coordenadas rectangulares en coordenadas cilíndricas o esféricas para hacer los cálculos más simples. De manera más general,
∫baf(x)dx=∫dcf(g(u))g′(u)du,
Dóndex=g(u),dx=g′(u)du, yu=c yu=d satisfacerc=g(a) yd=g(b).
Un resultado similar ocurre en dobles integrales cuando sustituimos
- x=f(r,θ)=rcosθ
- y=g(r,θ)=rsinθ, y
- dA=dxdy=rdrdθ.
Entonces conseguimos
∬Rf(x,y)dA=∬S(rcosθ,rsinθ)rdrdθ
donde el dominioR es reemplazado por el dominioS en coordenadas polares. Generalmente, la función que utilizamos para cambiar las variables para simplificar la integración se denomina transformación o mapeo.
Transformaciones Planares
Una transformación planaT es una función que transforma una regiónG en un plano en una regiónR en otro plano mediante un cambio de variables. AmbosG yR son subconjuntos deR2. Por ejemplo, Figura15.7.1 muestra una regiónG en eluv -plano transformada en una regiónR en elxy -plano por el cambio de variablesx=g(u,v) yy=h(u,v), o a veces escribimosx=x(u,v) yy=y(u,v). Normalmente asumiremos que cada una de estas funciones tiene primeras derivadas parciales continuas, lo que significagu,gv,hu, yhv existen y también son continuas. Pronto quedará clara la necesidad de este requisito.

Una transformaciónT:G→R, definida comoT(u,v)=(x,y), se dice que es una transformación uno a uno si no hay dos puntos mapeados al mismo punto de imagen.
Para mostrar queT es una transformación uno a uno, asumimosT(u1,v1)=T(u2,v2) y mostramos que como consecuencia obtenemos(u1,v1)=(u2,v2). Si la transformaciónT es uno a uno en el dominioG, entonces la inversaT−1 existe con el dominioR tal queT−1∘T yT∘T−1 son funciones de identidad.
La figura15.7.2 muestra el mapeoT(u,v)=(x,y) dondex yy están relacionados conu yv por las ecuacionesx=g(u,v) yy=h(u,v). La regiónG es el dominio deT y la regiónR es el rango deT, también conocida como la imagen deG bajo la transformaciónT.
Supongamos que una transformaciónT se define comoT(r,θ)=(x,y) dóndex=rcosθ,y=rsinθ. Encuentra la imagen del rectángulo polarG={(r,θ)|0≤r≤1,0≤θ≤π/2} en elrθ plano -a una regiónR en elxy plano. Demostrar queT es una transformación uno a uno enG y encontrarT−1(x,y).
Solución
Ya quer varía de 0 a 1 en elrθ plano -tenemos un disco circular de radio 0 a 1 en elxy plano -plano. Debido a queθ varía de 0 aπ/2 en elrθ plano, terminamos obteniendo un cuarto de círculo de radio1 en el primer cuadrante delxy plano -plano (Figura15.7.2). De ahíR un cuarto de círculo delimitado porx2+y2=1 en el primer cuadrante.

Para mostrar queT es una transformación uno a uno, asumirT(r1,θ1)=T(r2,θ2) y mostrar como consecuencia que(r1,θ1)=(r2,θ2). En este caso, tenemos
T(r1,θ1)=T(r2,θ2),
(x1,y1)=(x1,y1),
(r1cosθ1,r1sinθ1)=(r2cosθ2,r2sinθ2),
r1cosθ1=r2cosθ2,r1sinθ1=r2sinθ2.
Dividiendo, obtenemos
r1cosθ1r1sinθ1=r2cosθ2r2sinθ2
cosθ1sinθ1=cosθ2sinθ2
tanθ1=tanθ2
θ1=θ2
ya que la función tangente es uno-una función en el intervalo0≤θ≤π/2. También, ya que0≤r≤1, tenemosr1=r2,θ1=θ2. Por lo tanto,(r1,θ1)=(r2,θ2) yT es una transformación uno a uno deG aR.
Para encontrarT−1(x,y) solución parar,θ en términos dex,y. Eso ya lo sabemosr2=x2+y2 ytanθ=yx. AsíT−1(x,y)=(r,θ) se define comor=√x2+y2 ytan−1(yx).
Que la transformaciónT se defina porT(u,v)=(x,y) dóndex=u2−v2 yy=uv. Encuentra la imagen del triángulo en eluv plano -con vértices(0,0),(0,1), y(1,1).
Solución
El triángulo y su imagen se muestran en la Figura15.7.3. Para entender cómo se transforman los lados del triángulo, llame al lado que une(0,0) y(0,1) ladoA, el lado que une(0,0) y(1,1) ladoB, y el lado que une(1,1) y(0,1) ladoC.

- Para el ladoA:u=0,0≤v≤1 se transforma ax=−v2,y=0 así que este es el ladoA′ que se une(−1,0) y(0,0).
- Para el ladoB:u=v,0≤u≤1 se transforma ax=0,y=u2 así que este es el ladoB′ que se une(0,0) y(0,1).
- Para el ladoC:0≤u≤1,v=1 se transforma ax=u2−1,y=u (de ahíx=y2−1 así que este es el ladoC′ que hace que la mitad superior del arco parabólico se una(−1,0) y(0,1).
Todos los puntos en toda la región del triángulo en eluv plano -se mapean dentro de la región parabólica en elxy plano.
Que una transformaciónT se defina comoT(u,v)=(x,y) dóndex=u+v,y=3v. Encuentra la imagen del rectánguloG={(u,v):0≤u≤1,0≤v≤2} desde eluv plano -después de la transformación en una regiónR en elxy plano. Demostrar queT es una transformación uno-a-uno y encontrarT−1(x,y).
- Pista
-
Sigue los pasos del Ejemplo15.7.1B.
- Contestar
-
T−1(x,y)=(u,v)dóndeu=3x−y3 yv=y3
Usando la definición, tenemos
\Delta A \approx J(u,v) \Delta u \Delta v = \left|\frac{\partial (x,y)}{\partial (u,v)}\right| \Delta u \Delta v. \nonumber
Tenga en cuenta que el jacobiano se denota con frecuencia simplemente por
J(u,v) = \frac{\partial (x,y)}{\partial (u,v)}. \nonumber
Tenga en cuenta también que
\begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial u} \nonumber \\ \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \left( \frac{\partial x}{\partial u}\frac{\partial y}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial v} \frac{\partial y}{\partial u}\right) = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} \nonumber \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} . \nonumber
De ahí que la notaciónJ(u,v) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} sugiere que podemos escribir el determinante jacobiano con parciales dex en la primera fila y parciales dey en la segunda fila.
Encuentra el jacobiano de la transformación dada en Ejemplo\PageIndex{1A}.
Solución
La transformación en el ejemplo esT(r,\theta) = ( r \, \cos \, \theta, \, r \, \sin \, \theta) dóndex = r \, \cos \, \theta yy = r \, \sin \, \theta. Así el jacobiano es
J(r, \theta) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)} = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial r} & \dfrac{\partial x}{\partial \theta} \\ \dfrac{\partial y}{\partial r} & \dfrac{\partial y}{\partial \theta} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \cos \theta & -r\sin \theta \\ \sin \theta & r\cos\theta \end{vmatrix} = r \, \cos^2\theta + r \, \sin^2\theta = r ( \cos^2\theta + \sin^2\theta) = r. \nonumber
Encuentra el jacobiano de la transformación dada en Ejemplo\PageIndex{1B}.
Solución
La transformación en el ejemplo esT(u,v) = (u^2 - v^2, uv) dóndex = u^2 - v^2 yy = uv. Así el jacobiano es
J(u,v) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 2u & -2v \\ v & u \end{vmatrix} = 2u^2 + 2v^2. \nonumber
Encuentra el jacobiano de la transformación dada en el punto de control anterior:T(u,v) = (u + v, 2v).
- Pista
-
Sigue los pasos de los dos ejemplos anteriores.
- Contestar
-
J(u,v) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} \nonumber \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 1 & 1 \nonumber \\ 0 & 2 \end{vmatrix} = 2 \nonumber
Cambio de Variables para Integrales Dobles
Ya hemos visto que, bajo el cambio de variablesT(u,v) = (x,y) dondex = g(u,v) yy = h(u,v), una pequeña región\Delta A en elxy plano se relaciona con el área formada por el producto\Delta u \Delta v en eluv plano por la aproximación
\Delta A \approx J(u,v) \Delta u, \, \Delta v. \nonumber
Ahora volvamos a la definición de doble integral por un minuto:
\iint_R f(x,y)fA = \lim_{m,n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(x_{ij}, y_{ij}) \Delta A. \nonumber
Refiriéndonos a la Figura\PageIndex{5}, observamos que dividimos la regiónS en eluv plano -en pequeños subrectángulosS_{ij} y dejamos que los subrectángulosR_{ij} en elxy plano sean las imágenes deS_{ij} debajo de la transformaciónT(u,v) = (x,y).

Entonces la doble integral se convierte
\iint_R = f(x,y)dA = \lim_{m,n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(x_{ij}, y_{ij}) \Delta A = \lim_{m,n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(g(u_{ij}, v_{ij}), \, h(u_{ij}, v_{ij})) | J(u_{ij}, v_{ij})| \Delta u \Delta v. \nonumber
Observe que esta es exactamente la suma doble de Riemann para la integral
\iint_S f(g(u,v), \, h(u,v)) \left|\frac{\partial (x,y)}{\partial(u,v)}\right| du \, dv. \nonumber
DejeT(u,v) = (x,y) dóndex = g(u,v) yy = h(u,v) sea unaC^1 transformación uno a uno, con un jacobiano distinto de cero en el interior de la regiónS en eluv plano -plano se mapeaS en la regiónR en elxy plano. Sif es continuo encendidoR, entonces
\iint_R f(x,y) dA = \iint_S f(g(u,v), \, h(u,v)) \left|\frac{\partial (x,y)}{\partial(u,v)}\right| du \, dv. \nonumber
Con este teorema para dobles integrales, podemos cambiar las variables de(x,y) a(u,v) en una doble integral simplemente reemplazando
dA = dx \, dy = \left|\frac{\partial (x,y)}{\partial (u,v)} \right| du \, dv \nonumber
cuando usamos las sustitucionesx = g(u,v)y = h(u,v) y luego cambiamos los límites de integración en consecuencia. Este cambio de variables a menudo hace que cualquier cálculo sea mucho más simple.
Considerar la integral
\int_0^2 \int_0^{\sqrt{2x-x^2}} \sqrt{x^2 + y^2} dy \, dx. \nonumber
Utilizar el cambio de variablesx = r \, \cos \, \theta yy = r \, \sin \, \theta, y encontrar la integral resultante.
Solución
Primero necesitamos encontrar la región de integración. Esta región está delimitada por debajoy = 0 y arriba pory = \sqrt{2x - x^2} (Figura\PageIndex{6}).

Al cuadrar y recolectar términos, encontramos que la región es la mitad superior del círculox^2 + y^2 - 2x = 0, es deciry^2 + ( x - 1)^2 = 1. En coordenadas polares, el círculo esr = 2 \, cos \, \theta así que la región de integración en coordenadas polares está delimitada por0 \leq r \leq \cos \, \theta y0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}.
El jacobiano esJ(r, \theta) = r, como se muestra en Ejemplo\PageIndex{2A}. Ya quer \geq 0, tenemos|J(r,\theta)| = r.
El integrando\sqrt{x^2 + y^2} cambia ar coordenadas polares, por lo que la integral iterada doble es
\int_0^2 \int_0^{\sqrt{2x-x^2}} \sqrt{x^2 + y^2} dy \, dx = \int_0^{\pi/2} \int_0^{2 \, cos \, \theta} r | j(r, \theta)|dr \, d\theta = \int_0^{\pi/2} \int_0^{2 \, cos \, \theta} r^2 dr \, d\theta. \nonumber
Considerando el\int_0^1 \int_0^{\sqrt{1-x^2}} (x^2 + y^2) dy \, dx, uso integral el cambio de variablesx = r \, cos \, \theta yy = r \, sin \, \theta y encontrar la integral resultante.
- Pista
-
Sigue los pasos del ejemplo anterior.
- Contestar
-
\int_0^{\pi/2} \int_0^1 r^3 dr \, d\theta \nonumber
Observe en el siguiente ejemplo que la región sobre la que vamos a integrarnos puede sugerir una transformación adecuada para la integración. Esta es una situación común e importante.
Considere la integral\iint_R (x - y) dy \, dx, \nonumber dondeR está el paralelogramo que une los puntos(1,2), \, (3,4), \, (4,3), y(6,5) (Figura\PageIndex{7}). Hacer los cambios apropiados de las variables, y escribir la integral resultante.

Solución
Primero, tenemos que entender la región sobre la que vamos a integrarnos. Los lados del paralelogramo sonx - y + 1, \, x - y - 1 = 0, \, x - 3y + 5 = 0 yx - 3y + 9 = 0 (Figura\PageIndex{8}). Otra forma de mirarlos esx - y = -1, \, x - y = 1, \, x - 3y = -5, yx - 3y = 9.
Claramente el paralelogramo está delimitado por las líneasy = x + 1, \, y = x - 1, \, y = \frac{1}{3}(x + 5), yy = \frac{1}{3}(x + 9).
Observe que si tuviéramos que haceru = x - y yv = x - 3y, entonces los límites a la integral serían-1 \leq u \leq 1 y-9 \leq v \leq -5.
Para resolver porx yy, multiplicamos la primera ecuación por3 y restamos la segunda ecuación,3u - v = (3x - 3y) - (x - 3y) = 2x. Entonces tenemosx = \frac{3u-v}{2}. Además, si simplemente restamos la segunda ecuación de la primera, obtenemosu - v = (x - y) - (x - 3y) = 2y yy = \frac{u-v}{2}.

Así, podemos elegir la transformación
T(u,v) = \left( \frac{3u - v}{2}, \, \frac{u - v}{2} \right) \nonumber y computar el jacobianoJ(u,v). Tenemos
J(u,v) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 3/2 & -1/2 \nonumber \\ 1/2 & -1/2 \end{vmatrix} = -\frac{3}{4} + \frac{1}{4} = - \frac{1}{2} \nonumber
Por lo tanto,|J(u,v)| = \frac{1}{2}. Además, el integrand original se convierte en
x - y = \frac{1}{2} [3u - v - u + v] = \frac{1}{2} [3u - u] = \frac{1}{2}[2u] = u. \nonumber
Por lo tanto, por el uso de la transformaciónT, la integral cambia a
\iint_R (x - y) dy \, dx = \int_{-9}^{-5} \int_{-1}^1 J (u,v) u \, du \, dv = \int_{-9}^{-5} \int_{-1}^1\left(\frac{1}{2}\right) u \, du \, dv, \nonumber que es mucho más sencillo de calcular.
Hacer los cambios apropiados de las variables en la integral\iint_R \frac{4}{(x - y)^2} dy \, dx, \nonumber dondeR está el trapecio delimitado por las líneasx - y = 2, \, x - y = 4, \, x = 0, yy = 0. Escribe la integral resultante.
- Pista
-
Sigue los pasos del ejemplo anterior.
- Contestar
-
x = \frac{1}{2}(v + u)yy = \frac{1}{2} (v - u)
y
\int_{2}^4 \int_{-u}^u \left(\frac{1}{2}\right)\cdot\frac{4}{u^2} \,dv \, du. \nonumber
Estamos listos para dar una estrategia de resolución de problemas para el cambio de variables.
- Esboza la región dada por el problema en elxy plano -y luego escribe las ecuaciones de las curvas que forman el límite.
- Dependiendo de la región o del integrando, elija las transformacionesx = g(u,v) yy = h(u,v).
- Determinar los nuevos límites de integración en eluv plano.
- Encuentra al jacobianoJ (u,v).
- En el integrando, sustituir las variables para obtener el nuevo integrando.
- Reemplazardy \, dx odx \, dy, lo que ocurra, porJ(u,v) du \, dv.
En el siguiente ejemplo, encontramos una sustitución que hace que el integrando sea mucho más sencillo de calcular.
Utilizando el cambio de variablesu = x - y yv = x + y, evaluar la integral\iint_R (x - y)e^{x^2-y^2} dA, \nonumber dondeR está la región delimitada por las líneasx + y = 1 yx + y = 3 y las curvasx^2 - y^2 = -1 yx^2 - y^2 = 1 (ver la primera región en la Figura\PageIndex{9}).
Solución
Como antes, primero encuentra la regiónR e imagina la transformación para que sea más fácil obtener los límites de integración después de que se realicen las transformaciones (Figura\PageIndex{9}).

Dadou = x - y yv = x + y, tenemosx = \frac{u+v}{2} yy = \frac{v-u}{2} y de ahí la transformación a usar esT(u,v) = \left(\frac{u+v}{2}, \, \frac{v-u}{2}\right). Las líneasx + y = 1 yx + y = 3 se conviertenv = 1 yv = 3, respectivamente. Las curvasx^2 - y^2 = 1 yx^2 - y^2 = -1 se conviertenuv = 1 yuv = -1, respectivamente.
Así podemos describir la regiónS (ver la segunda región Figura\PageIndex{9}) como
S = \left\{ (u,v) | 1 \leq v \leq 3, \, \frac{-1}{v} \leq u \leq \frac{1}{v}\right\}. \nonumber
El jacobiano para esta transformación es
J(u,v) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 1/2 & 1/2 \\ -1/2 & 1/2 \end{vmatrix} = \frac{1}{2}. \nonumber
Por lo tanto, al utilizar la transformaciónT, la integral cambia a
\iint_R (x - y)e^{x^2-y^2} dA = \frac{1}{2} \int_1^3 \int_{-1/v}^{1/v} ue^{uv} du \, dv. \nonumber
Haciendo la evaluación, tenemos
\frac{1}{2} \int_1^3 \int_{-1/v}^{1/v} ue^{uv} du \, dv = \frac{2}{3e} \approx 0.245. \nonumber
Utilizando las sustitucionesx = v yy = \sqrt{u + v}, evaluar la integral\displaystyle\iint_R y \, \sin (y^2 - x) \,dA, dondeR está la región delimitada por las líneasy = \sqrt{x}, \, x = 2 yy = 0.
- Pista
-
Esboza una imagen y encuentra los límites de la integración.
- Contestar
-
\frac{1}{2} (\sin 2 - 2)
Cambio de Variables para Integrales Triples
Cambiar variables en triples integrales funciona exactamente de la misma manera. Las sustituciones de coordenadas cilíndricas y esféricas son casos especiales de este método, que aquí demostramos.
Supongamos queG es una región enuvw -espacio y se mapeaD enxyz -espacio (Figura\PageIndex{10}) por unaC^1 transformación uno a unoT(u,v,w) = (x,y,z) dondex = g(u,v,w), \, y = h(u,v,w), yz = k(u,v,w).

Entonces, cualquier funciónF(x,y,z) definida enD puede considerarse como otra funciónH(u,v,w) que se define enG:
F(x,y,z) = F(g(u,v,w), \, h(u,v,w), \, k(u,v,w)) = H (u,v,w). \nonumber
Ahora necesitamos definir el jacobiano para tres variables.
El determinante jacobianoJ(u,v,w) en tres variables se define de la siguiente manera:
J(u,v,w) = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial z}{\partial u} \\ \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial v} & \dfrac{\partial z}{\partial v} \\ \dfrac{\partial x}{\partial w} & \dfrac{\partial y}{\partial w} & \dfrac{\partial z}{\partial w} \end{vmatrix}. \nonumber
Esto también es lo mismo que
J(u,v,w) = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial x}{\partial w} \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial w} \\ \dfrac{\partial z}{\partial u} & \dfrac{\partial z}{\partial v} & \dfrac{\partial z}{\partial w} \end{vmatrix}. \nonumber
El jacobiano también se puede denotar simplemente como\frac{\partial(x,y,z)}{\partial (u,v,w)}.
Con las transformaciones y la jacobiana para tres variables, estamos listos para establecer el teorema que describe el cambio de variables para triples integrales.
QueT(u,v,w) = (x,y,z) dondex = g(u,v,w), \, y = h(u,v,w), yz = k(u,v,w), ser unaC^1 transformación uno a uno, con un jacobiano distinto de cero, que mapea la regiónG en eluvw espacio en la regiónD en elxyz -espacio. Como en el caso bidimensional, siF es continuo encendidoD, entonces
\begin{align} \iiint_D F(x,y,z) dV = \iiint_G f(g(u,v,w) \, h(u,v,w), \, k(u,v,w)) \left|\frac{\partial (x,y,z)}{\partial (u,v,w)}\right| du \, dv \, dw \\ = \iiint_G H(u,v,w) | J (u,v,w) | du \, dv \, dw. \end{align} \nonumber
Veamos ahora cómo los cambios en las integrales triples para coordenadas cilíndricas y esféricas se ven afectados por este teorema. Esperamos obtener las mismas fórmulas que en Integrales triples en Coordenadas Cilíndricas y Esféricas.
Derivar la fórmula en integrales triples para
- cilíndrico y
- coordenadas esféricas.
Solución
A.
Para las coordenadas cilíndricas, la transformación esT (r, \theta, z) = (x,y,z) del espacio cartesiano alr\theta z espacio cartesianoxyz (Figura\PageIndex{11}). Aquíx = r \, \cos \, \theta, \, y = r \, \sin \theta yz = z. El jacobiano para la transformación es
J(r,\theta,z) = \frac{\partial (x,y,z)}{\partial (r,\theta,z)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \theta} & \frac{\partial x}{\partial z} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \theta} & \frac{\partial y}{\partial z} \\ \frac{\partial z}{\partial r} & \frac{\partial z}{\partial \theta} & \frac{\partial z}{\partial z} \end{vmatrix} \nonumber
\begin{vmatrix} \cos \theta & -r\sin \theta & 0 \\ \sin \theta & r \cos \theta & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} = r \, \cos^2 \theta + r \, \sin^2 \theta = r. \nonumber
Eso lo sabemosr \geq 0, entonces|J(r,\theta,z)| = r. Entonces la triple integral es\iiint_D f(x,y,z)dV = \iiint_G f(r \, \cos \theta, \, r \, \sin \theta, \, z) r \, dr \, d\theta \, dz. \nonumber

B.
Para las coordenadas esféricas, la transformación esT(\rho,\theta,\varphi) del\rho\theta\varphi espacio cartesiano al espacio cartesianoxyz (Figura\PageIndex{12}). Aquíx = \rho \, \sin \varphi \, \cos \theta, \, y = \rho \, \sin \varphi \, \sin \theta, yz = \rho \, \cos \varphi. El jacobiano para la transformación es
J(\rho,\theta,\varphi) = \frac{\partial (x,y,z)}{\partial (\rho,\theta,\varphi)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial \rho} & \frac{\partial x}{\partial \theta} & \frac{\partial x}{\partial \varphi} \\ \frac{\partial y}{\partial \rho} & \frac{\partial y}{\partial \theta} & \frac{\partial y}{\partial \varphi} \\ \frac{\partial z}{\partial \rho} & \frac{\partial z}{\partial \theta} & \frac{\partial z}{\partial \varphi} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \sin \varphi \cos \theta & -\rho \sin \varphi \sin \theta & \rho \cos \varphi \cos \theta \\ \sin \varphi \sin \theta & \rho \sin \varphi \cos \theta & \rho \cos \varphi \sin \theta \\ \cos \varphi & 0 & -\rho \sin \varphi \end{vmatrix}. \nonumber
Ampliando el determinante respecto a la tercera fila:
\ [\ begin {align*} &=\ cos\ varphi\ begin {vmatrix} -\ rho\ sin\ varphi\ sin\ theta &\ rho\ cos\ varphi\ cos\ varphi\ cos\ theta\\ rho\ sin\ varphi\ cos\ theta &\ rho\ cos\ varphi\ sin\ theta\ end {vmatrix} -\ rho\ sin\ varphi\ comenzar {vmatrix}\ sin\ varphi\ cos\ theta & -\ rho\ sin\ varphi\ sin\ theta\\\ sin\ varphi\ sin\ theta &\ rho\ sin\ varphi\ cos\ theta\ end {vmatrix}\\ [4pt]
&=\ cos\ varphi (-\ rho^2\ sin\ varphi\,\ cos\ varphi\,\ sin^2\ theta -\ rho^2\,\ sin\ varphi\,\ cos\ varphi\,\ cos^2 theta\ eta)\\ &\ quad -\ rho\ sin\ varphi (\ rho\ sin^2\ varphi\ cos^2\ theta +\ rho\ sin^2\ varphi\ sin^2\ theta)\\ [4pt]
&=-\ rho^2\ sin\ varphi\ cos^2\ varphi (\ sin^2\ theta +\ cos^2\ theta) -\ rho^2\ sin\ varphi\ sin^2\ varphi (\ sin^2\ theta +\ cos^2\ theta)\\ [4pt]
&= -\ ^2\ sin\ varphi\ cos^2\ varphi -\ rho^2\ sin\ varphi\ sin^2\ varphi\\ [4pt]
&= -\ rho \ sin\ varphi (\ cos^2\ varphi +\ sin^2\ varphi) = -\ rho^2\ sin\ varphi. \ end {alinear*}\]
Ya que0 \leq \varphi \leq \pi, debemos tener\sin \varphi \geq 0. Así|J(\rho,\theta, \varphi)| = |-\rho^2 \sin \varphi| = \rho^2 \sin \varphi.
.png)
Entonces la triple integral se convierte
\iiint_D f(x,y,z) dV = \iiint_G f(\rho \, \sin \varphi \, \cos \theta, \, \rho \, \sin \varphi \, \sin \theta, \rho \, \cos \varphi) \rho^2 \sin \varphi \, d\rho \, d\varphi \, d\theta. \nonumber
Probemos otro ejemplo con una sustitución diferente.
Evaluar la triple integral
\int_0^3 \int_0^4 \int_{y/2}^{(y/2)+1} \left(x + \frac{z}{3}\right) dx \, dy \, dz \nonumber
En elxyz espacio mediante el uso de la transformación
u = (2x - y) /2, \, v = y/2, yw = z/3.
Luego integrar sobre una región apropiada enuvw -espacio.
Solución
Como antes, algún tipo de boceto de la regiónG en elxyz espacio sobre el que tenemos que realizar la integración puede ayudar a identificar la regiónD en eluvw espacio (Figura\PageIndex{13}). ClaramenteG enxyz -espacio está delimitado por los planosx = y/2, \, x = (y/2) + 1, \, y = 0, \, y = 4, \, z = 0, yz = 4. También sabemos que tenemos que usaru = (2x - y) /2, \, v = y/2, yw = z/3 para las transformaciones. Tenemos que resolver parax,y yz. Aquí nos encontramos con esox = u + v, \, y = 2v, yz = 3w.

Utilizando álgebra elemental, podemos encontrar las superficies correspondientes para la regiónG y los límites de integración enuvw -espacio. Es conveniente enumerar estas ecuaciones en una tabla.
Ecuacionesxyz para la regiónD | Ecuaciones correspondientesuvw para la regiónG | Límites para la integración enuvw |
---|---|---|
\ (xyz\) para la regiónD "style="vertical-align:middle;" >x = y/2 | \ (uvw\) para la regiónG "style="vertical-align:middle;" >u + v = 2v/2 = v | \ (uvw\)” style="vertical-align:middle; ">u = 0 |
\ (xyz\) para la regiónD "style="vertical-align:middle;" >x = y/2 | \ (uvw\) para la regiónG "style="vertical-align:middle;" >u + v = (2v/2) + 1 = v + 1 | \ (uvw\)” style="vertical-align:middle; ">u = 1 |
\ (xyz\) para la regiónD "style="vertical-align:middle;" >y = 0 | \ (uvw\) para la regiónG "style="vertical-align:middle;" >2v = 0 | \ (uvw\)” style="vertical-align:middle; ">v = 0 |
\ (xyz\) para la regiónD "style="vertical-align:middle;" >y = 4 | \ (uvw\) para la regiónG "style="vertical-align:middle;" >2v = 4 | \ (uvw\)” style="vertical-align:middle; ">v = 2 |
\ (xyz\) para la regiónD "style="vertical-align:middle;" >z = 0 | \ (uvw\) para la regiónG "style="vertical-align:middle;" >3w = 0 | \ (uvw\)” style="vertical-align:middle; ">w = 0 |
\ (xyz\) para la regiónD "style="vertical-align:middle;" >z = 3 | \ (uvw\) para la regiónG "style="vertical-align:middle;" >3w = 3 | \ (uvw\)” style="vertical-align:middle; ">w = 1 |
Ahora podemos calcular el jacobiano para la transformación:
J(u,v,w) = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial x}{\partial w} \\ \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial w} \\ \dfrac{\partial z}{\partial u} & \dfrac{\partial z}{\partial v} & \dfrac{\partial z}{\partial w} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{vmatrix} = 6. \nonumber
La función a integrar se convierte en
f(x,y,z) = x + \frac{z}{3} = u + v + \frac{3w}{3} = u + v + w. \nonumber
Ya estamos listos para armar todo y completar el problema.
\ [\ begin {align*}\ int_0^3\ int_0^4\ int_ {y/2} ^ {(y/2) +1}\ izquierda (x +\ frac {z} {3}\ derecha) dx\, dy\, dz &=\ int_0^1\ int_0^2\ int_0^1 (u + v + w) |J (u, v, w) |du\, dv\, dw\\ [4pt]
&=\ int_0^1\ int_0^2\ int_0^1 (u + v + w) |6|du\, dv\, dw\\ [4pt]
&= 6\ int_0^1\ int_0^2\ int_ 0^1 (u + v + w)\, du\, dv\, dw\\ [4pt]
&= 6\ int_0^1\ int_0^2\ left [\ frac {u^2} {2} + vu + wu\ derecha] _0^1\, dv\, dw\ [4pt]
&= 6\ int_0^1\ int_0^2\ izquierda (\ frac {1} {2} + v + u\ derecha) dv\, dw\\ [4pt]
&= 6\ int_0^1\ left [\ frac {1} {2} v +\ frac {v^2} {2} + wv\ derecha] _0^2 dw\\ [4pt]
&= 6\ int_0^1 (3 + 2w)\, dw = 6\ Grande [3w + w^2\ Grande] _0^1 = 24. \ end {alinear*}\]
DejarD ser la región enxyz -espacio definida por1 \leq x \leq 2, \, 0 \leq xy \leq 2, y0 \leq z \leq 1.
Evaluar\iiint_D (x^2 y + 3xyz) \, dx \, dy \, dz mediante el uso de la transformaciónu = x, \, v = xy, yw = 3z.
- Pista
-
Hacer una tabla para cada superficie de las regiones y decidir los límites, como se muestra en el ejemplo.
- Contestar
-
\int_0^3 \int_0^2 \int_1^2 \left(\frac{v}{3} + \frac{vw}{3u}\right) du \, dv \, dw = 2 + \ln 8 \nonumber
Conceptos clave
- Una transformaciónT es una función que transforma una regiónG en un plano (espacio) en una regiónR. en otro plano (espacio) por un cambio de variables.
- Una transformaciónT: G \rightarrow R definida comoT(u,v) = (x,y) (oT(u,v,w) = (x,y,z)) se dice que es una transformación uno a uno si no hay dos puntos mapeados al mismo punto de imagen.
- Sif es continuo encendidoR, entonces\iint_R f(x,y) dA = \iint_S f(g(u,v), \, h(u,v)) \left|\frac{\partial(x,y)}{\partial (u,v)}\right| du \, dv. \nonumber
- SiF es continuo encendidoR, entonces\begin{align*}\iiint_R F(x,y,z) \, dV &= \iiint_G F(g(u,v,w), \, h(u,v,w), \, k(u,v,w) \left|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial (u,v,w)}\right| \,du \, dv \, dw \\[4pt] &= \iiint_G H(u,v,w) |J(u,v,w)| \, du \, dv \, dw. \end{align*}
[T] Los óvalos de Lamé (o superelipses) son curvas planas de ecuaciones\left(\frac{x}{a}\right)^n + \left( \frac{y}{b}\right)^n = 1, donde a, b y n son números reales positivos.
a. Utilice un CAS para graficar las regionesR delimitadas por óvalos de Lamé paraa = 1, \, b = 2, \, n = 4 yn = 6 respectivamente.
b. Encuentra las transformaciones que mapean la regiónR delimitada por el óvalo de Laméx^4 + y^4 = 1 también llamado ardilla y graficada en la siguiente figura, en el disco unitario.
c. Usar un CAS para encontrar una aproximación del áreaA (R) of the region R bounded by x^4 + y^4 = 1. Round your answer to two decimal places.
[T] Lamé ovals have been consistently used by designers and architects. For instance, Gerald Robinson, a Canadian architect, has designed a parking garage in a shopping center in Peterborough, Ontario, in the shape of a superellipse of the equation \left(\frac{x}{a}\right)^n + \left( \frac{y}{b}\right)^n = 1 with \frac{a}{b} = \frac{9}{7} and n = e. Use a CAS to find an approximation of the area of the parking garage in the case a = 900 yards, b = 700 yards, and n = 2.72 yards.
[Hide Solution]
A(R) \simeq 83,999.2
Chapter Review Exercises
True or False? Justify your answer with a proof or a counterexample.
\int_a^b \int_c^d f(x,y) \, dy \, dx = \int_c^d \int_a^b f(x,y) \, dy \, dx \nonumber
Fubini’s theorem can be extended to three dimensions, as long as f is continuous in all variables.
[Hide solution]
True.
The integral \int_0^{2\pi} \int_0^1 \int_0^1 dz \, dr \, d\theta \nonumber represents the volume of a right cone.
The Jacobian of the transformation for x = u^2 - 2v, \, y = 3v - 2uv is given by -4u^2 + 6u + 4v.
[Hide Solution]
False.
Evaluate the following integrals.
\iint_R (5x^3y^2 - y^2) \, dA, \, R = \{(x,y)|0 \leq x \leq 2, \, 1 \leq y \leq 4\} \nonumber
\iint_D \frac{y}{3x^2 + 1} dA, \, D = \{(x,y) |0 \leq x \leq 1, \, -x \leq y \leq x\} \nonumber
[Hide Solution]
0
\iint_D \sin (x^2 + y^2) dA \nonumber where D is a disk of radius 2 centered at the origin \int_0^1 \int_0^1 xye^{x^2} dx \, dy \nonumber
[Hide Solution]
\frac{1}{4}
\int_{-1}^1 \int_0^z \int_0^{x-z} 6dy \, dx \, dz \nonumber
\iiint_R 3y \, dV, \nonumber where R = \{(x,y,z) |0 \leq x \leq 1, \, 0 \leq y \leq x, \, 0 \leq z \leq \sqrt{9 - y^2}\}
[Hide Solution]
1.475
\int_0^2 \int_0^{2\pi} \int_r^1 r \, dz \, d\theta \, dr \nonumber
\int_0^{2\pi} \int_0^{\pi/2} \int_1^3 \rho^2 \, \sin(\varphi) d\rho \, d\varphi, \, d\theta \nonumber
[Hide Solution]
\frac{52}{3} \pi
\int_0^1 \int_{-\sqrt{1-x^2}}^{\sqrt{1-x^2}} \int_{-\sqrt{1-x^2-y^2}}^{\sqrt{1-x^2-y^2}} dz \, dy \, sx \nonumber
For the following problems, find the specified area or volume.
The area of region enclosed by one petal of r = \cos (4\theta).
[Hide Solution]
\frac{\pi}{16}
The volume of the solid that lies between the paraboloid z = 2x^2 + 2y^2 and the plane z = 8.
The volume of the solid bounded by the cylinder x^2 + y^2 = 16 and from z = 1 to z + x = 2.
[Hide Solution]
93.291
The volume of the intersection between two spheres of radius 1, the top whose center is (0,0,0.25) and the bottom, which is centered at (0,0,0).
For the following problems, find the center of mass of the region.
\rho(x,y) = xy on the circle with radius 1 in the first quadrant only.
[Hide Solution]
\left(\frac{8}{15}, \frac{8}{15}\right)
\rho(x,y) = (y + 1) \sqrt{x} in the region bounded by y = e^x, \, y = 0, and x = 1.
\rho(x,y,z) = z on the inverted cone with radius 2 and height 2.
\left(0,0,\frac{8}{5}\right)
The volume an ice cream cone that is given by the solid above z = \sqrt{(x^2 + y^2)} and below z^2 + x^2 + y^2 = z.
The following problems examine Mount Holly in the state of Michigan. Mount Holly is a landfill that was converted into a ski resort. The shape of Mount Holly can be approximated by a right circular cone of height 1100 ft and radius 6000 ft.
If the compacted trash used to build Mount Holly on average has a density 400 \, lb/ft^3, find the amount of work required to build the mountain.
[Hide Solution]
1.452 \pi \times 10^{15} ft-lb
In reality, it is very likely that the trash at the bottom of Mount Holly has become more compacted with all the weight of the above trash. Consider a density function with respect to height: the density at the top of the mountain is still density 400 \, lb/ft^3 and the density increases. Every 100 feet deeper, the density doubles. What is the total weight of Mount Holly?
The following problems consider the temperature and density of Earth’s layers.
[T] The temperature of Earth’s layers is exhibited in the table below. Use your calculator to fit a polynomial of degree 3 to the temperature along the radius of the Earth. Then find the average temperature of Earth. (Hint: begin at 0 in the inner core and increase outward toward the surface)
Layer | Depth from center (km) | Temperature ^oC |
Rocky Crust | 0 to 40 | 0 |
Upper Mantle | 40 to 150 | 870 |
Mantle | 400 to 650 | 870 |
Inner Mantel | 650 to 2700 | 870 |
Molten Outer Core | 2890 to 5150 | 4300 |
Inner Core | 5150 to 6378 | 7200 |
Source: http://www.enchantedlearning.com/sub...h/Inside.shtml
[Hide Solution]
y = -1.238 \times 10^{-7} x^3 + 0.001196 x^2 - 3.666x + 7208; average temperature approximately 2800 ^oC
[T] The density of Earth’s layers is displayed in the table below. Using your calculator or a computer program, find the best-fit quadratic equation to the density. Using this equation, find the total mass of Earth.
Layer | Depth from center (km) | Density (g/cm^3) |
Inner Core | 0 | 12.95 |
Outer Core | 1228 | 11.05 |
Mantle | 3488 | 5.00 |
Upper Mantle | 6338 | 3.90 |
Crust | 6378 | 2.55 |
Source: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...rthstruct.html
The following problems concern the Theorem of Pappus (see Moments and Centers of Mass for a refresher), a method for calculating volume using centroids. Assuming a region R, when you revolve around the x-axis the volume is given by V_x = 2\pi A \bar{y}, and when you revolve around the y-axis the volume is given by V_y = 2\pi A \bar{x}, where A is the area of R. Consider the region bounded by x^2 + y^2 = 1 and above y = x + 1.
Find the volume when you revolve the region around the x-axis.
[Hide Solution]
\frac{\pi}{3}
Find the volume when you revolve the region around the y-axis.
Glossary
- Jacobian
-
the Jacobian J (u,v) in two variables is a 2 \times 2 determinant:
J(u,v) = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} \frac{\partial y}{\partial u} \nonumber \\ \frac{\partial x}{\partial v} \frac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix}; \nonumber
the Jacobian J (u,v,w) in three variables is a 3 \times 3 determinant:
J(u,v,w) = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} \frac{\partial y}{\partial u} \frac{\partial z}{\partial u} \nonumber \\ \frac{\partial x}{\partial v} \frac{\partial y}{\partial v} \frac{\partial z}{\partial v} \nonumber \\ \frac{\partial x}{\partial w} \frac{\partial y}{\partial w} \frac{\partial z}{\partial w}\end{vmatrix} \nonumber
- one-to-one transformation
- a transformation T : G \rightarrow R defined as T(u,v) = (x,y) is said to be one-to-one if no two points map to the same image point
- planar transformation
- a function T that transforms a region G in one plane into a region R in another plane by a change of variables
- transformation
- a function that transforms a region GG in one plane into a region RR in another plane by a change of variables
Jacobianos
Recordemos que mencionamos cerca del inicio de esta sección que cada una de las funciones componentes debe tener primeras derivadas parciales continuas, lo que significa quegu,gv,hu yhv existir y también son continuas. Una transformación que tiene esta propiedad se denominaC1 transformación (aquíC denota continua). DejarT(u,v)=(g(u,v),h(u,v)), dóndex=g(u,v) yy=h(u,v) ser unaC1 transformación uno-a-uno. Queremos ver cómo transforma una pequeña región rectangularS,Δu unidades porΔv unidades, en eluv plano -plano (Figura15.7.4).
Desdex=g(u,v) yy=h(u,v), tenemos el vectorr(u,v)=g(u,v)i+h(u,v)j de posición de la imagen del punto(u,v). Supongamos que(u0,v0) es la coordenada del punto en la esquina inferior izquierda que mapeó a(x0,y0)=T(u0,v0) La línea sev=v0 mapea a la curva de imagen con función de vectorr(u,v0), y el vector tangente(x0,y0) a la curva de imagen es
ru=gu(u0,v0)i+hv(u0,v0)j=∂x∂ui+∂y∂uj.
De manera similar, la línea seu=u0 mapea a la curva de imagen con la función de vectorr(u0,v), y el vector tangente(x0,y0) a la curva de imagen es
rv=gv(u0,v0)i+hu(u0,v0)j=∂x∂vi+∂y∂vj.
Ahora, tenga en cuenta que
ru=lim
Del mismo modo,
r_v = \lim_{\Delta v \rightarrow 0} \frac{r (u_0,v_0 + \Delta v) - r ( u_0,v_0)}{\Delta v}\, so \, r (u_0,v_0 + \Delta v) - r(u_0,v_0) \approx \Delta v r_v. \nonumber
Esto nos permite estimar el área\Delta A de la imagenR encontrando el área del paralelogramo formado por los lados\Delta vr_v y\Delta ur_u. Al usar el producto cruzado de estos dos vectores agregando el k ésimo componente como0, el área\Delta A de la imagenR (consulte El producto cruzado) es aproximadamente|\Delta ur_u \times \Delta v r_v| = |r_u \times r_v|\Delta u \Delta v. En forma determinante, el producto cruzado es
r_u \times r_v = \begin{vmatrix} i & j & k \\ \frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial u} & 0 \\ \frac{\partial x}{\partial v} & \frac{\partial y}{\partial v} & 0 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial u} \\ \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} k = \left(\frac{\partial x}{\partial u} \frac{\partial y}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial v} \frac{\partial y}{\partial u}\right)k \nonumber
Ya|k| = 1, que tenemos
\Delta A \approx |r_u \times r_v| \Delta u \Delta v = \left( \frac{\partial x}{\partial u}\frac{\partial y}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial v} \frac{\partial y}{\partial u}\right) \Delta u \Delta v.
Definición: Jacobian
El jacobiano de laC^1 transformaciónT(u,v) = (g(u,v), \, h(u,v)) se denota porJ(u,v) y se define por el2 \times 2 determinante
J(u,v) = \left|\frac{\partial (x,y)}{\partial (u,v)} \right| = \begin{vmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial u} \\ \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \left( \frac{\partial x}{\partial u}\frac{\partial y}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial v} \frac{\partial y}{\partial u}\right). \nonumber