Capítulo 1 Herramientas Matemáticas 1. Introducción Las leyes de la física, si desean describir el comportamiento de los sistemas naturales, deben ser independientes del observador que las estudia. Esto es, que las particularidades sobre un dado fenómeno, hechas por dos observadores distintos, deben poder reducirse de modo que se pueda concluir una ley de comportamiento del sistema que sirva en igual forma para ambos observadores. Las magnitudes vectoriales y las tensoriales son magnitudes tales que, al sufrir una transformación de coordenadas, se transforman dejando, no obstante, invariante la forma de las ecuaciones de gobierno de los sistemas. Esta es una propiedad importante, ya que las leyes que se expresan en un sistema de referencia siguen siendo válidas aún cuando el mismo se cambie. La forma en que las ecuaciones de gobierno varían ante transformaciones entre sistemas en movimiento relativo, sin embargo, depende de otras consideraciones no sólo geométricas y que no se abordarán por ahora. Para este curso se darán por conocidos los principios básicos del álgebra vectorial. Entonces se asumirá que se tiene una noción geométrica del vector, aquella del segmento orientado: se sabe que para definirlo debemos dar la dirección sobre la que actúa, el sentido de la acción y su intensidad o módulo. Por definición, se dice que dos vectores son iguales si tienen idéntica dirección, intensidad y módulo; esto implica que un vector que se desplaza paralelamente a si mismo no sufre cambios. Sin embargo, para algunas aplicaciones el punto de aplicación del vector o su recta de acción son importantes: esto lleva a diferenciar entre vectores fijos y deslizantes. En los últimos, la definición de igualdad cambia. Con la definición anterior se obtiene lo que usualmente se denomina “vectores libres”. Los “vectores deslizantes” requieren, para ser iguales, que además de módulo, dirección y sentido se verifique que la recta de acción sea la misma. Los “vectores fijos” requieren para la igualdad, que estén aplicados en el mismo punto. Este y los posteriores capítulos utilizarán vectores libres, salvo expresa indicación en contrario. Una consecuencia casi automática es la definición de la operación “suma” o “adición”, que se puede interpretar geométricamente diciendo que el vector resultado o vector suma tiene la dirección definida por la diagonal del paralelogramo que se construye a partir de los vectores sumando o términos de la suma, arreglados con un origen común. Y que tiene como módulo la longitud de dicha diagonal, orientado con el sentido desde el origen común de los vectores término. V:15/05/14 HM - Sección 1 1 de 13 Esta es por cierto una construcción geométrica. Más adelante se dará una definición analítica. Sin embargo la definición geométrica de un vector junto con la definición geométrica del vector suma nos permite deducir algunas propiedades de la suma: i). ii). Conmutatividad Asociatividad iii). Desigualdad triangular a b b a (a b ) c a (b c ) a b a b Otra operación que se define, pero esta vez entre un vector y un escalar es el “producto por un escalar”. Siempre geométricamente hablando, el vector a será un vector con igual dirección que a , pero con módulo a y, si a 0 , tendrá igual sentido, pero si a0 tendrá sentido contrario. A partir de esto se puede ampliar lo dicho antes definiendo la “suma algebraica de vectores”. Otra cosa que se puede notar es que si 0 , a 0 define un vector llamado “vector nulo”. Un vector siempre podrá escribirse como suma de dos o más vectores términos. Estos reciben el nombre de “componentes vectoriales” del vector. Sin embargo el uso frecuente reserva este nombre para el caso en que estos vectores término coincidan en dirección con los versores de un sistema coordenado y para cuando, además, haya tantos vectores término como ejes tenga el sistema coordenado. Por ejemplo en 2 , un sistema coordenado tiene que tener dos ejes (obviamente no coincidentes). Así que, fijado un sistema coordenado cualquiera (y con “cualquiera” se quiere indicar que no tiene porqué ser un sistema de coordenadas ortogonales) se llaman componentes del vector en ese sistema a los dos (por estar momentáneamente trabajando en 2 ) vectores, cada uno paralelo a un eje del sistema cuya suma da como resultado el vector dato. Estas “componentes vectoriales” forman una base y por ende, un vector puede escribirse de una única forma en una base. Del álgebra lineal se puede concluir que un vector a puede escribirse como combinación lineal de los vectores v1, v2 ,..., vn de la base: a 1v1 2 v 2 ... n v n donde los escalares i son las componentes escalares de a (o simplemente sus “componentes”). Un caso importante es cuando esta base de componentes vectoriales es ortonormal (las componentes vectoriales son ortogonales entre sí y todas tienen módulo unitario). Tal base recibe varios nombres equivalentes: base ortonormal, base canónica, base de los versores fundamentales, etc. Obviamente, podemos escribir cualquier vector a como combinación lineal de los vectores de esta base: n a 1eˆ1 2eˆ2 ... neˆn k eˆk 1 (Nota al pie) k 1 3 En 3 , n 3 a k eˆ k y k 1 eˆ1 iˆ , eˆ2 ˆj eˆ3 kˆ con lo que a 1iˆ 2 ˆj 3kˆ 1 Entiéndase que êi se reserva como símbolo de versor para el caso genérico de la base canónica. V:15/05/14 HM - Sección 1 2 de 13 La palabra “componente” está asociada frecuentemente al concepto de proyección ortogonal en una dirección arbitraria. Tomemos una dirección definida por la del versor n̂ (que a la sazón no tiene porqué coincidir con la dirección de las componentes vectoriales). La proyección de a sobre n̂ (o lo que es equivalente, la componente de a según n̂ ) puede calcularse como: an a cos Si se está en 3 y se ha tomado una base ortonormal, las proyecciones de a sobre los vectores de la base eˆ1 , eˆ2 , eˆ3 a1 , a 2 , a3 son las componentes de a , de modo que a3 a1 a2 cos 1 , cos 2 , cos 3 a a a 2 sabiendo que a a12 a 22 a32 y que cos 1 a a1 1 2 2 3 , cos 2 a2 1 2 2 3 , cos 3 a3 a 22 a a12 a 22 a a12 a 22 a 32 Estos son los “cosenos directores” de a respecto del sistema definido por la base a1 , a 2 , a3 . 2 1 1 2 Algunas proposiciones que pueden demostrarse: i). cos 2 1 cos 2 2 cos 2 3 1 a a a ii). a // b 1 2 3 b1 b2 b3 iii). a b a 2 b2 a 3 b3 El coseno del ángulo formado entre a y b es cos 1 1 ab Antes de proseguir, se discutirá en este punto un concepto que acompañará la consecución del curso: el de invarianza. Para estudiar este concepto, al menos en forma elemental, se requiere un vector a y dos bases del espacio usual v1 , v 2 , v3 y v1 ' , v 2 ' , v3 '. Sea cual sea la expresión de estas componentes vectoriales hay algo de a que no cambia: su módulo. V:15/05/14 HM - Sección 1 3 de 13 Una cantidad como esta, que ante cambios de coordenadas no se altera, se denomina invariante. Los vectores tienen asociado un único invariante que es precisamente su módulo (esto se demostrará más adelante). Disponer de las componentes del vector, permite redefinir en forma analítica, las operaciones de “producto por un escalar” y “suma entre vectores”, respectivamente: a a1v1 a 2 v2 ... a n vn a1v1 a 2 v2 ... a n vn a b a1v1 a2v2 ... anvn b1v1 b2v2 ... bnvn a1 b1 v1 a2 b2 v2 ... an bn vn Es decir que el vector a es el que se obtiene de multiplicar las componentes de a por y el vector a b es el que tiene por componentes las sumas de las correspondientes componentes de a y b . Ejemplo: Las rotaciones finitas no son vectores No todas las cantidades que pueden representarse como segmentos orientados son vectoriales. Un ejemplo son las rotaciones finitas de un sólido rígido: estas frecuentemente se indican como flechas orientadas que tienen por dirección el eje de giro, módulo proporcional al ángulo girado y sentido tal que satisfaga la regla del tirabuzón. Pero veamos que sucede en este ejemplo. Supóngase tener una placa plana con vértices (0,0);(0,A);(A, B);(B,0) al que se aplique sucesivamente tres giros: i). ii). iii). 90º alrededor del eje X1 90º alrededor del eje X2 90º alrededor del eje X3 V:15/05/14 HM - Sección 1 4 de 13 Si fueran vectores, la rotación total sería el vector 2 iˆ ˆj kˆ . Sin embargo se ve del gráfico que basta con una rotación de 90º alrededor del eje X2 para alcanzar la configuración final, es decir, basta con hacer ĵ . 2 Claramente, las rotaciones finitas no satisfacen las propiedades de la suma entre vectores, porque NO son vectores. Antes de seguir, conviene detenerse a establecer una convención: en muchas expresiones se encontrará 2 necesario sumar sobre todas las componentes de un vector; por ejemplo a se calcula como: n 2 a a12 a 22 a 32 a k2 k 1 Se enunciará entonces lo que se conoce como Convención de Einstein o de la supresión del símbolo de la suma: “Cuando en una expresión monómica figuren dos índices repetidos, se entenderá que se trata de una suma en la que los índices repetidos van de 1 a n con n dimensión del espacio”. Se verán algunos ejemplos: n aib j ci aib j ci a1b j c1 a2b j c2 ... anb j cn i 1 n aibi aibi a1b1 a2b2 ... anbn i 1 A veces, y por razones que se justificarán más adelante, se utilizarán supraíndices, aplicándose a estos las mismas reglas que a los subíndices: n 1) a b j ci aib j ci a1b j c1 a 2b j c2 ... a nb j cn i i 1 O incluso se encontrarán casos de objetos con más de un sub/supraíndice: n ij ij ij ij ij 2) ak bkl ak bkl a1 b1l a2 b2l ... an bnl k 1 y más de uno repetido: 3) a b c i k jk i n n a i 1 k 1 i k jk i bc Se definirá ahora otras operaciones entre vectores: Producto escalar o producto interno: Se define el producto escalar entre dos vectores como el producto de sus magnitudes por el coseno del ángulo subyacente entre ellos: a b a b cos . Se enuncian pero se dejan sin demostrar algunas propiedades del producto escalar: i). a b a b ii). a b b a iii). a b c a c b c V:15/05/14 HM - Sección 1 5 de 13 iˆ ˆj ˆj kˆ kˆ iˆ 0 iv). iˆ iˆ ˆj ˆj kˆ kˆ 1 n v). a b a k bk a k bk utilizando la convención de Einstein; k 1 2 vi). a a a vii). Desigualdad de Cauchy: ai bi ai ai 1 2 bi bi 2 1 Producto vectorial o externo: Se define el producto vectorial entre dos vectores a b al pseudo vector c que tiene: Módulo igual al producto de los módulos por el seno del ángulo subyacente entre los vectores, Dirección perpendicular al plano definido por ambos vectores, Sentido tal que el triedro a, b , c tenga la misma orientación que el espacio en el que están definidos. Es esta última condición la que le da el carácter de pseudo vector a c , ya que no puede fijarse su sentido si no se conoce la orientación del espacio (es decir, la del triedro fundamental en 3 ) Se enuncian a continuación algunas propiedades, nuevamente sin demostración, para el producto vectorial: i). a b b a ii). a b a b a b iii). a b c a c b c iv). a // b a b 0 iˆ iˆ ˆj ˆj kˆ kˆ 0 v). iˆ ˆj kˆ ˆj kˆ iˆ kˆ iˆ ˆj ˆj iˆ kˆ kˆ ˆj iˆ iˆ kˆ ˆj ˆj kˆ iˆ a 3 vi). a b a1 a 2 a 3 3 b b b b 1 2 3 Una aplicación importante es determinar una dirección normal a otras dos: si se tienen dos direcciones dadas por los vectores a y b , la dirección n̂ , normal a ambas, viene dada por: a b nˆ a b Por cierto, se puede expresar el producto vectorial con notación indicial. Para ello, se debe introducir el símbolo ijk . Su significado preciso será aclarado más adelante, por ahora tómese como una notación conveniente: 123 231 312 1 1 si i, j, k 1,2,3, 2,3,1, 3,1,2 ijk 1 si i, j, k 1,3,2, 2,1,3, 3,2,1 132 213 321 1 0 en cualquier otro caso 111 112 113 ... 0 V:15/05/14 HM - Sección 1 6 de 13 Con este símbolo de permutación se puede expresar la k-ésima componente del vector a b como: a b k klm al bm Esto puede verificarse con sólo escribir las sumas que no aparecen al adoptarse la convención de Einstein, y comparar lo obtenido con lo que surge de desarrollar la expresión en vi. Ejemplo: Utilización de Notación Indicial y de la Densidad de Levi-Civita. Demostrar que a b a 0 . Sea a b v , que en notación indicial sería vi ijk a j bk . Sea además v a vi ai , entonces ijk a j bk ai . Sólo con el objeto de mostrar todos los términos correspondientes a la expresión indicada se hará la expansión de la Convención de Einstein implicada en dicha expresión: 3 3 3 ijk a j bk ai ijk a j bk ai 111 a1b1 a1 112 a1b2 a1 113 a1b3 a1 i 1 j 1 k 1 121 a 2 b1 a1 122 a 2 b2 a1 123 a 2 b3 a1 131 a3 b1 a1 132 a3 b2 a1 133 a3 b3 a1 211 a1b1 a 2 212 a1b2 a 2 213 a1b3 a 2 221 a 2 b1 a 2 222 a 2 b2 a 2 223 a 2 b3 a 2 231 a3 b1 a 2 232 a3 b2 a 2 233 a3 b3 a 2 311 a1b1 a3 312 a1b2 a3 313 a1b3 a3 321 a 2 b1 a3 322 a 2 b2 a3 323 a 2 b3 a3 331 a3 b1 a3 332 a3 b2 a3 333 a3 b3 a3 Al tener en cuenta la definición, se anulan los términos en los que al menos dos subíndices en la Densidad de Levi-Civita se repiten, quedando 123 a 2 b3 a1 132 a3 b2 a1 213 a 2 b3 a1 231 a3 b1 a 2 312 a1b2 a3 321 a 2 b1 a3 Al reemplazar el pseudo-vector por su valor correspondiente a la definición, se tiene a 2 b3 a1 a3 b2 a1 a 2 b3 a1 a3 b1 a 2 a1b2 a3 a 2 b1 a3 Reagrupando, a 2 b3 a1 a 2 b3 a1 a1b2 a3 a3 b2 a1 a3 b1 a 2 a 2 b1 a3 0 V:15/05/14 HM - Sección 1 7 de 13 Problemas de la Sección 1 - Introducción 1) Calcular la magnitud y dirección de los siguientes vectores, que se definen en una base ortonormal: a) v 2eˆ1 2 3eˆ 2 1 / 3eˆ3 b) w 2.5;0;1 c) x v w Tómese por ejemplo el caso a). Para calcular la magnitud o módulo es posible utilizar la fórmula pitagórica 2 2 2 v a12 a 22 a32 2 2 3 1 / 3 145 / 9 145 / 3 12.041 / 3 a Para calcular su dirección nos va a servir su módulo pues, como ya se dijo, cos i i . Con lo que a 1 2 2 3 3 0.083 cos 1 0.498; cos 2 0.863; cos 3 145 145 145 3 3 3 El vector subtiende un ángulo de 60.11º con el eje X1, 30.34º con X2 y 94.74º con X3. Se sugiere comprobar que cos 2 1 cos 2 2 cos 2 3 1 y dibujar el vector en papel milimetrado. 2) ¿Es cierto que a v a v (siendo a un escalar cualquiera)? 3) Demostrar las siguientes relaciones a) a b b a b) a (b c ) (a b ) c c) a b a b d) cos 2 1 cos 2 2 cos 2 3 1 a a a e) a b 1 2 3 b1 b2 b3 a b a b a3b3 f) cos 1 1 2 2 a b i). Tómese por ejemplo el caso c). Para demostrarlo es necesario tener demostrado un teorema posterior entre estos problemas planteados: el que figura para su demostración en 6.d. a b a b Si a 0 b 0 la relación es trivial. Pero para el caso no trivial en el que a 0 y que b 0 . a b a b cos a b a b cos pero cos 1 a b a b cos a b 15-05-14 8 de 13 a b 0 a b 2 a b a b a a 2a b b b a 2a b ii). 2 2 a b a b a 2 ab ab a b 2a b 2a b 2 0 2 a b a b ab ab Uniendo i) y ii) se puede decir que: a b a b a b a b a b 2 2 b 2 b a b a b 2 2 2 a b a b a b a 2 a b b que, por efecto de la desigualdad anterior, es 2 2 2 2 a 2 a b b a 2 a b b De donde puede desprenderse que siempre a b 0 , dejando demostrada la desigualdad. Lo que se ha demostrado en primer término es la llamada Desigualdad de Cauchy-Schwarz, mientras que lo que se ha demostrado en segundo término es denominado en la literatura la Desigualdad del Triángulo: se invita al lector a verificar ambas gráficamente. 4) Dar las componentes de un vector unitario de dirección colineal a u 3i 2 j 2k . 2 2 2 u u i 3 2 2 17 4.123 uˆ u u 3 / 17iˆ 2 / 17 ˆj 2 / 17kˆ 5) Dar las componentes de un vector unitario de dirección colineal a la línea que pasa por P(0,2,-1) y Q(1,4,2) 6) Demostrar las siguientes propiedades del producto escalar a) a b a b b) a b b a c) a b c a c b c d) a b a b i j j k k i 0 e) i i j j k k 1 2 f) a a a 15-05-14 9 de 13 Tómese por ejemplo el caso f). 2 a a a 2 a a12 a 22 ... a n2 a a12 a 22 ... a n2 a1eˆ1 a1eˆ1 a 2 eˆ2 a 2 eˆ2 ... a n eˆn a n eˆn a1eˆ1 a 2 eˆ2 ... a n eˆ n a1eˆ1 a 2 eˆ2 ... a n eˆn a a 7) Hallar la ecuación del lugar geométrico del espacio que ocupan todos los puntos (x, y, z) tales que un vector desde (2,-1,4) a (x, y, z) es perpendicular al vector de (2,-1,4) a (3,3,2). La ecuación buscada va a estar dada a través del producto escalar entre dos vectores, uno fijo dado por los puntos dato y el restante que queda dependiendo de (x, y, z). Por la condición de perpendicularidad 90º cos 0 a1b1 a 2 b2 a3 b3 3 2x 2 3 1 y 1 2 4z 4 x 2 y 14 2z 4 0 8) Hallar el ángulo entre los vectores que naciendo en el origen de coordenadas van a A (3,1,4) y B (-2,2,3) respectivamente. 9) Sea v un vector no nulo y u un vector cualquiera. Mostrar que entonces el vector u v wu 2 v v es ortogonal a v 10) Demostrar las siguientes propiedades del producto vectorial a) a b b a b) (a b ) ( a ) b a ( b ) c) (a b ) c a c b c d) a b a b 0 i i j j k k 0 i j k ( j i ) e) j k i ( k j ) k i j ( k i ) 11) Demostrar que el área de un paralelogramo de lados A y B es A B . 12) Hallar el área de un triángulo cuyos vértices son P(1,3,2); Q(2,-1,1) y R(1,2,3) 13) Para el triángulo de la figura, verificar que sin A sin B sin C a b C 15-05-14 10 de 13 14) Verificar que el producto mixto a b c puede calcularse como: a1 a2 a3 a b c b1 b2 b3 c1 c2 c3 ¿Cómo se interpreta geométricamente este producto? 15) Chequear que si una base a, b , c es linealmente dependiente, entonces a b c 0 Los vectores a, b , c son linealmente dependientes si existen constantes , , no todas cero tales que a b c 0 . En componentes escalares, las ecuaciones del vector son a x b x c x 0 a y b y c y 0 a z b z c z 0 Como todo sistema de ecuaciones con incógnitas , , , la solución no nula ocurre cuando el determinante de los coeficientes se anula, i.e.: ax ay az bx by bz 0 cx cy cz Este determinante es, por definición, a b c . 16) Probar que el vector V ai bj ck es perpendicular al plano ax by cz . 17) Si r xi yj zk es el vector posición del punto P( x, y, z ) y d un vector constante, verificar que r d r 0 y que esta es la ecuación vectorial de una esfera. 18) Escribir explícitamente las componentes cartesianas de las siguientes expresiones, si el espacio sobre el que se definen estos objetos es 3: 15-05-14 11 de 13 a ) t i Tij n j b) e kk c) 2W Tij ij d ) Tij* 2G ij* e) Tsr br a r x s Tómese (a), (c) y (e). a) t i Tij n j utilizando la convención de Einstein, se presupone el símbolo de sumatoria sobre el 3 subíndice que se repite, en este caso j, entonces t i Tij n j Ti1 n1 Ti 2 n 2 Ti 3 n3 con i variando de 1 a j 1 3. t1 T11n1 T12 n2 T13n3 t 2 T21n1 T22 n2 T23n3 t 3 T31n1 T32 n2 T33n3 c) 2W Tij ij utilizando la misma convención de Einstein, los subíndices que se repiten son ij entonces la sumatoria es 3 3 2W Tij ij T11 11 T12 12 T13 13 T21 21 T22 22 T23 23 T31 31 T32 32 T33 33 i 1 j 1 e) Tsr br a r donde debe presuponerse sumatoria en los subíndices que se repiten en los x s monomios. El único presente que repite subíndices es el primer término, por lo tanto: 3 Tsr T br a r sr br a r x s s 1 x s T11 T21 T31 b1 a1 x x x 2 3 1 T12 T22 T32 b2 a 2 x x x 1 2 3 a3 T13 T23 T33 b3 x 2 x3 x1 15-05-14 12 de 13 Josiah Willard Gibbs El estudio de los vectores desde un punto de vista analítico se originó con los cuaterniones de Hamilton. Fueron desarrollados por este como herramienta matemática para la exploración del espacio físico. Pero los resultados fueron una decepción debido a su complicado manejo y aplicación. Los cuaterniones contenían una parte escalar y una vectorial y los problemas de manejo radicaban fundamentalmente en que Hamilton intentaba manejarlos simultáneamente. No fue hasta que Josiah Willard Gibbs (1839-1903), un doctor en física norteamericano de Connecticut que estudió en Yale, París y Berlín, publicó un libro denominado Vector Analysis en 1881, mientras era profesor de física matemática en Yale University (re-editado en 1884) . En realidad el innovador libro era un pequeño folleto impreso que se distribuía en privado, principalmente entre sus alumnos. Sin embargo tuvo gran aceptación cuando llegó a las manos de E. B. Wilson, un matemático que también buscaba una solución a los cuaterniones, quien invitó a Gibbs a convertir el apunte en libro y publicarlo allá por 1901. Todo estudiante de física elemental accede de alguna forma u otra con la obra de Gibbs. En su apunte, un vector se conceptualiza como un segmento orientado o flecha, y se definen las operaciones de igualdad, suma y multiplicación por escalar o por vector. Recuérdese que Gibbs era físico; de hecho utilizó esta herramienta en un problema relativo a lo que el denominaba la “efectividad de una fuerza”, lo que hoy para nosotros podría ser entendido como el producto escalar de una fuerza por una dirección. También explicó el significado del par de fuerzas a través de lo que denotó como producto vectorial. En 1902 Gibbs publicó otro libro, denominado Elementary Principles of Statistical Mechanics. En la Teoría de las Series de Fourier, existe un efecto denominado fenómeno de Gibbs, vinculado. Al estudiar matemáticas en los albores del siglo XXI, no debe perderse de vista que gran parte de las matemáticas modernas fueron desarrolladas con el propósito de resolver problemas reales. Los vectores son un ejemplo exitoso de esta idea. 15-05-14 13 de 13