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LibreTexts Español

11.9: Cambio de Variables

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

Preguntas Motivadoras
  • ¿Qué es un cambio de variables?
  • ¿Qué es el jacobiano y cómo se relaciona con un cambio de variables?

En el cálculo de una sola variable, encontramos la idea de un cambio de variable en una integral definida a través del método de sustitución. Por ejemplo, dada la integral definitiva

202x(x2+1)3dx,

naturalmente consideramos el cambio de variableu=x2+1. A partir de esta sustitución, se deduce quedu=2xdx,u=1 y desdex=0x=2 implica e implicau=5, hemos transformado la integral originalx en una nueva integral enu. En particular,

202x(x2+1)3dx=51u3du.

Esta última integral, por supuesto, es mucho más fácil de evaluar.

A través de nuestro trabajo con coordenadas polares, cilíndricas y esféricas, ya hemos visto implícitamente algunos de los problemas que surgen al usar un cambio de variables con dos o tres variables presentes. En lo que sigue, se busca comprender las ideas generales detrás de cualquier cambio de variables en una integral múltiple.

Vista previa de Actividad 11.9.1

Considera la doble integral

I=Dx2+y2dA,

dondeD está la mitad superior del disco de la unidad.

    1. Escribe la doble integralI dada en la Ecuación (11.9.1) como una integral iterada en coordenadas rectangulares.
    2. Escribe la doble integralI dada en la Ecuación (11.9.1) como una integral iterada en coordenadas polares.
  1. Cuando escribimos la doble integral (11.9.1) como una integral iterada en coordenadas polares hacemos un cambio de variables, a saber
    x=rcos(θ)      and      y=rsin(θ).

    También entonces tenemos que cambiardA ardrdθ. Este proceso también identifica un “rectángulo polar”[r1,r2]×[θ1,θ2] con el rectángulo cartesiano original, bajo la transformación 1 en la Ecuación (11.9.2). Los vértices del rectángulo polar se transforman en los vértices de una región cerrada y delimitada en coordenadas rectangulares.

    Para trabajar con un ejemplo numérico, consideremos ahora el rectángulo polarP dado por[1,2]×[π6,π4], para quer1=1,r2=2,θ1=π6, yθ2=π4.

    1. Utilice la transformación determinada por las ecuaciones en (11.9.2) para encontrar los vértices rectangulares que corresponden a los vértices polares en el rectángulo polarP. En otras palabras, sustituyendo los valores apropiados der yθ en las dos ecuaciones en (11.9.2), encuentre los valores de la correspondientesx yy coordenadas para los vértices del rectángulo polarP. Etiquetar el punto que corresponde al vértice polar(r1,θ1) como(x1,y1), el punto correspondiente al vértice polar(r2,θ1) como(x2,y2), el punto correspondiente al vértice polar(r1,θ2) as(x3,y3), y el punto correspondiente al vértice polar(r2,θ2) como(x4,y4).
    2. Dibuja una imagen de la figura en coordenadas rectangulares que tenga los puntos(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3), y(x4,y4) como vértices. (Observe cuidadosamente que debido a las funciones trigonométricas en la transformación, esta región no se verá como un rectángulo cartesiano). ¿Cuál es el área de esta región en coordenadas rectangulares? ¿Cómo se compara esta área con el área del rectángulo polar original?
Una transformación es otro nombre para la función: aquí, las ecuacionesx=rcos(θ) yy=rsin(θ) definen una funciónT porT(r,θ)=(rcos(θ),rsin(θ)) lo queT es una función (transformación) deR2 aR2. Vemos esta transformación como mapear una versión delxy -plano donde los ejes son vistos como representativosr yθ (elrθ plano) alxy plano familiar.

11.9.1 Cambio de Variables en Coordenadas Polares

La idea general detrás de un cambio de variables es sugerida por Preview Activity 11.9.1. Allí, vimos que en un cambio de variables de coordenadas rectangulares a coordenadas polares, un rectángulo polar[r1,r2]×[θ1,θ2] se mapea a un rectángulo cartesiano bajo la transformación

x=rcos(θ)      and      y=rsin(θ).

Los vértices del rectángulo polarP se transforman en los vértices de una región cerrada y delimitadaP en coordenadas rectangulares. Si vemos que el sistema de coordenadas estándar tiene el eje horizontal representador y el eje vertical representaθ, entonces el rectángulo polar nosP aparece a la izquierda en la Figura 11.9.1. La imagenP del rectángulo polarP bajo la transformación dada por (11.9.2) se muestra a la derecha en la Figura 11.9.1. Así vemos que existe una correspondencia entre una región simple (un rectángulo tradicional, en ángulo recto) y una región más complicada (una fracción de un anillo) bajo la funciónT dada porT(r,θ)=(rcos(θ),rsin(θ)).

Figura 11.9.1. Un rectánguloP y su imagenP.

Además, como sugiere la Actividad Preview 11.9.1, se deduce generalmente que para un rectángulo polar originalP=[r1,r2]×[θ1,θ2], el área del rectángulo transformadoP viene dada porr2+r12ΔrΔθ. Por lo tanto, comoΔr eΔθ ir a 0 esta área se convierte en el elemento de área familiardA=rdrdθ en polar coordenadas. Cuando se procede a trabajar con otras transformaciones para diferentes cambios en las coordenadas, tenemos que entender cómo afecta la transformación al área para que podamos usar el elemento área correcta en el nuevo sistema de variables.

11.9.2 Cambio General de Coordenadas

Primero nos enfocamos en dobles integrales. Al igual que con las integrales simples, podemos simplificar una doble integral de la forma

Df(x,y)dA

haciendo un cambio de variables (es decir, una sustitución) de la forma

x=x(s,t)      and      y=y(s,t)

dondex yy son funciones de nuevas variabless yt. Esta transformación introduce una correspondencia entre un problema en elxy plano -y uno en elst plano -. Las ecuacionesx=x(s,t) yy=y(s,t) convertirs yt ax yy; llamamos a estas fórmulas el cambio de fórmulas variables. Para completar el cambio a las nuevass,t variables, necesitamos entender el elemento área,dA, en este nuevo sistema. La siguiente actividad ayuda a ilustrar la idea.

Actividad 11.9.2

Considerar el cambio de variables

x=s+2t      and      y=2s+t.

Veamos qué pasa con el rectánguloT=[0,1]×[1,4] en elst plano -bajo este cambio de variable.

  1. Dibuja una imagen etiquetada deT en elst plano.
  2. Encuentra la imagen delst -vértice(0,1) en elxy plano. Así mismo, encontrar las respectivas imágenes de los otros tres vértices del rectánguloT:(0,4),(1,1), y(1,4).
  3. En elxy plano -plano, dibuja una imagen etiquetadaT, de la imagen, delst -rectángulo originalT. Lo que parece ser la forma de la imagen,T?
  4. Para transformar una integral con un cambio de variables, necesitamos determinar el elemento áreadA para la imagen del rectángulo transformado. Tenga en cuenta que noT es exactamente un paralelogramo ya que las ecuaciones que definen la transformación no son lineales. Pero podemos aproximar el área deT con el área de un paralelogramo. ¿Cómo encontraríamos el área de un paralelogramo que se aproxima al área de laxy -figuraT? (Pista: Recuerda lo que nos dice el producto cruzado de dos vectores.)

La actividad 11.9.2 presenta la idea general de cómo funciona un cambio de variables. Particionamos un dominio rectangular en elst sistema en subrectángulos. T=[a,b]×[a+Δs,b+Δt]Déjese ser uno de estos subrectángulos. Luego transformamos esto en una regiónT en el sistema de coordenadasxy cartesianas estándar. La regiónT se llama la imagen deT; la regiónT es la pre-imagen deT. Aunque los lados de estaxy regiónT no son necesariamente rectos (lineales), aproximaremos el elemento de áreadA para esta región con el área del paralelogramo cuyos lados están dados por los vectoresv yw, dondev es el vector de(x(a,b),y(a,b)) a(x(a+Δs,b),y(a+Δs,b)), yw es el vector de(x(a,b),y(a,b)) a(x(a,b+Δt),y(a,b+Δt)).

TEn la Figura 11.9.2 se muestra un ejemplo de una imagen en elxy planost -que resulta de una transformación de un rectánguloT en el plano -plano.

Figura 11.9.2. Aproximación a un área de una imagen resultante de una transformación.

Los componentes del vectorv son

\ begin {align*}\ mathbf {v} & =\ izquierda\ langle x (a+\ Delta s, b) - x (a, b), y (a+\ Delta s, b) - y (a, b), 0\ derecha\ rangle\ end {align*}

y de manera similar aquellos paraw son

\ begin {align*}\ mathbf {w} & =\ izquierda\ langle x (a, b+\ Delta t) - x (a, b), y (a, b+\ Delta s) - y (a, b), 0\ derecha\ rangle. \ end {align*}

Ligeramente reescribiendov yw, tenemos

\ begin {align*}\ mathbf {v} & =\ izquierda\ langle\ frac {x (a+\ Delta s, b) - x (a, b)} {\ Delta s},\ frac {y (a+\ Delta s, b) - y (a, b)} {\ Delta s}, 0\ derecha\ rangle\ Delta s,\\ mbox {y}\\ [4pt]\ mathbf {w} & =\ izquierda\ langle\ frac {x (a, b+\ Delta t) - x (a, b)} {\ Delta t},\ frac {y (a, b+\ Delta s) - y (a, b)} {\ Delta t}, 0\ derecha\ rangle\ Delta t.\ final {alinear*}

Para pequeñosΔs yΔt, la definición de la derivada parcial nos dice que

vxs(a,b),ys(a,b),0Δs      and      wxt(a,b),yt(a,b),0Δt.

Recordemos que el área del paralelogramo con ladosv yw es la longitud del producto cruzado de los dos vectores,|v×w|. A partir de esto, observamos que

\ begin {align*}\ mathbf {v}\ times\ mathbf {w} &\ approx\ izquierda\ langle\ frac {\ parcial x} {\ parcial s} (a, b),\ frac {\ parcial y} {\ parcial s} (a, b), 0\ derecha\ rangle\ Delta s\ veces\ izquierda\ langle\ frac {\ parcial x} {parcial\ t} (a, b),\ frac {\ parcial y} {\ t parcial} (a, b), 0\ derecha\ rangle\ delta t\ [4pt] & =\ izquierda\ langle 0 ,\ 0,\\ frac {\ parcial x} {\ parcial s} (a, b)\ frac {\ parcial y} {\ parcial t} (a, b) -\ frac {\ parcial x} {\ parcial t} (a, b)\ frac {\ parcial y} {\ parcial s} (a, b)\ derecha\ rangle\ s\,\ delta.\ final {alinear*}

Finalmente, al calcular la magnitud del producto cruzado, vemos que

\ begin {align*} |\ mathbf {v}\ times\ mathbf {w} | &\ approx\ izquierda|\ izquierda\ langle 0,0,\ frac {\ parcial x} {\ parcial s} (a, b)\ frac {\ parcial y} {\ t parcial} (a, b) -\ frac {\ x parcial} {\ t parcial} (a, b)\ frac {\ parcial x} {\ parcial t} (a, b)\ frac ac {\ parcial y} {\ parcial s} (a, b)\ derecha\ rangle\ Delta s\,\ Delta t\ derecha|\\ [4pt] & =\ izquierda|\ frac {\ parcial x} {\ parcial s} (a, b)\ frac {\ parcial y} {\ t parcial} (a, b) -\ frac {\ parcial x} {\ t parcial} (a, b)\ frac {\ parcial y} {\ parcial s} (a, b)\ derecha|\ Delta s\,\ Delta t.\ final {aline*}

Por lo tanto, a medida que aumenta el número de subdivisiones sin límite en cada dirección,Δs yΔt ambas van a cero, y tenemos

dA=|xsytxtys|dsdt.

Por lo tanto, la ecuación (11.9.3) determina el cambio general de fórmula variable en una doble integral, y ahora podemos decir que

Tf(x,y)dydx=Tf(x(s,t),y(s,t))|xsytxtys|dsdt.

La cantidad

xsytxtys

se llama jacobiano, y denotamos el jacobiano usando la notación taquigráfica

(x,y)(s,t)=xsytxtys.

Recordemos de la Sección 9.4 que también podemos escribir este jacobiano como el determinante de la2×2 matriz[xsxtysyt]. Obsérvese que, como se discute en la Sección 9.4, el valor absoluto del determinante de[xsxtysyt] es el área del paralelogramo determinada por los vectoresv yw, y así el área elementodA enxy -coordenadas también está representado por el elemento area|(x,y)(s,t)|dsdt enst -coordenadas, y|(x,y)(s,t)| es el factor por el cual la transformación magnifica el área.

Para resumir, sigue el cambio precedente de fórmula variable que hemos derivado ahora.

Cambio de Variables en una Doble Integral

Supongamos un cambio de variablesx=x(s,t) yy=y(s,t) transforma una región cerrada y delimitadaR en elst plano -en una región cerrada y delimitadaR en elxy plano. En condiciones modestas (que se estudian en cálculo avanzado), se deduce que

Rf(x,y)dA=Rf(x(s,t),y(s,t))|(x,y)(s,t)|dsdt.

Actividad 11.9.3

Encuentra al jacobiano al cambiar de coordenadas rectangulares a polares. Es decir, para la transformación dada porx=rcos(θ),y=rsin(θ), determinar una expresión simplificada para la cantidad

xryθxθyr.

¿Qué observas de tu resultado? ¿Cómo se relaciona esto con nuestro trabajo anterior con dobles integrales en coordenadas polares?

Actividad 11.9.4

DejemosD ser la región en elxy -plano delimitado por las líneasy=0,x=0, yx+y=1. evaluaremos la doble integral

Dx+y(xy)2dA

con un cambio de variables.

  1. Esboce la regiónD en elxy plano.
  2. Nos gustaría hacer una sustitución que haga que el integrando sea más fácil de antidiferenciar. Dejars=x+y yt=xy. explicar por qué esto debería facilitar la antidiferenciación haciendo las sustituciones correspondientes y escribiendo el nuevo integrando en términos des yt.
  3. Resolver las ecuacioness=x+yx yt=xy para yy. (Hacerlo determina la forma estándar de la transformación, ya que tendremosx como una función des yt, yy como una función des yt.)
  4. Para ejecutar realmente este cambio de variables, necesitamos conocer last -regionD que corresponde a laxy -regionD.
    1. Quést ecuación corresponde a laxy ecuaciónx+y=1?
    2. Quést ecuación corresponde a laxy ecuaciónx=0?
    3. Quést ecuación corresponde a laxy ecuacióny=0?
    4. Esbozar last regiónD que corresponde alxy dominioD.
  5. Realizar el cambio de las variables indicadas pors=x+y yt=xy en la doble integral (11.9.4) y configurar una integral iterada enst variables cuyo valor es la integral doble original dada. Finalmente, evaluar la integral iterada.

11.9.3 Cambio de Variables en una Triple Integral

El argumento a favor del cambio de fórmula variable para las triples integrales es complicado, y no entraremos en los detalles. El proceso general, sin embargo, es el mismo que el caso bidimensional. Dado un sólidoS en el sistema dexyz coordenadas -enR3, un cambio de transformación de variablesx=x(s,t,u),y=y(s,t,u), yz=z(s,t,u) seS transforma en una regiónS enstu -coordenadas. Cualquier funciónf=f(x,y,z) definida enS puede considerarse como una funciónf=f(x(s,t,u),y(s,y,u),z(s,t,u)) enstu -coordenadas definidas enS. El elemento de volumendV enxyz -coordenadas responde a un elemento de volumen escalado enstu -coordenadas, donde el factor de escala viene dado por el valor absoluto del jacobiano,(x,y,z)(s,t,u), que es el determinante de la3×3 matriz

[xsxtxuysytyuzsztzu].

(Recordemos que este determinante se introdujo en la Sección 9.4.) Es decir,(x,y,z)(s,t,u) viene dado por

xs[ytzuyuzt]xt[yszuyuzs]+xu[ysztytzs].

Para resumir,

Cambio de Variables en una Triple Integral

Supongamos un cambio de variablesx=x(s,t,u),y=y(s,t,u), yz=z(s,t,u) transforma una regiónS cerrada y delimitada enstu coordenadas en una región cerrada yxyz delimitadaS en coordenadas. En condiciones modestas (que se estudian en cálculo avanzado), la triple integralSf(x,y,z)dV es igual a

Sf(x(s,t,u),y(s,t,u),z(s,t,u)) |(x,y,z)(s,t,u)|dsdtdu.

Actividad 11.9.5

Encuentra al jacobiano al cambiar de coordenadas cartesianas a cilíndricas. Es decir, para la transformación dada porx=rcos(θ),y=rsin(θ), yz=z, determinar una expresión simplificada para la cantidad

(x,y,z)(r,θ,z).

¿Qué observas de tu resultado? ¿Cómo se relaciona esto con nuestro trabajo anterior con integrales triples en coordenadas cilíndricas?

Actividad 11.9.6

Considerar el sólidoS definido por las desigualdades0x2,x2yx2+1, y0z6. Considerar la transformación definida pors=x2,t=x2y2, yu=z3. Letf(x,y,x)=x2y+z.

  1. La transformación convierte el sólidoS enxyz coordenadas en una cajaS enstu -coordenadas. Aplicar la transformación a los límites del sólidoS para encontrar descripcionesstu -coordinatte de la cajaS.
  2. Encuentra al jacobiano(x,y,z)(s,t,u).
  3. Utilizar la transformación para realizar un cambio de variables y evaluarSf(x,y,z)dV evaluando
    Sf(x(s,t,u),y(s,t,u),z(s,t,u)) |(x,y,z)(s,t,u)|dsdtdu.

11.9.4 Resumen

  • Si se describe una integral en términos de un conjunto de variables, podemos escribir ese conjunto de variables en términos de otro conjunto del mismo número de variables. Si las nuevas variables se eligen apropiadamente, la integral transformada puede ser más fácil de evaluar.
  • El jacobiano es una función escalar que relaciona el elemento área o volumen en un sistema de coordenadas con el elemento correspondiente en un nuevo sistema determinado por un cambio de variables.

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