Cálculo Vectorial — Actividad 3

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE  ·  Resolución analítica completa

Estudiante: Gabriel Haro  |  NRC: 30177

Entrega
29 / 06 / 2026
EJ 1 Derivadas parciales iguales — hallar α y β

Dada \( f(x,y)=e^{xy}+\alpha x^2 y+\beta y^3 \), se pide que \(\dfrac{\partial f}{\partial x}=\dfrac{\partial f}{\partial y}\) para todo \((x,y)\in\mathbb{R}^2\).

Paso 1 — Calcular ∂f/∂x
\[ \frac{\partial f}{\partial x} = ye^{xy} + 2\alpha xy \]
Paso 2 — Calcular ∂f/∂y
\[ \frac{\partial f}{\partial y} = xe^{xy} + \alpha x^2 + 3\beta y^2 \]
Paso 3 — Igualar y comparar término a término

Se requiere:

\[ ye^{xy} + 2\alpha xy \;=\; xe^{xy} + \alpha x^2 + 3\beta y^2 \quad \forall\,(x,y) \]

Reorganizando:

\[ (y-x)e^{xy} + 2\alpha xy - \alpha x^2 - 3\beta y^2 = 0 \]

Para que esto sea cero para todo \((x,y)\), cada parte independiente debe anularse:

  • El término \((y-x)e^{xy}\) nunca es cero para todo \((x,y)\), pero debemos anular los términos polinomiales por separado.
  • Evalúa en \(x=0\): \(\;ye^{0}+0 = 0+0+3\beta y^2 \Rightarrow y = 3\beta y^2\) — esto solo vale para \(y=0\), contradicción.

La identidad \( (y-x)e^{xy}=0\;\forall(x,y) \) es imposible (p.ej. en \((1,2)\) vale \(e^2\neq 0\)).

Conclusión

No existen valores de \(\alpha\) y \(\beta\) que hagan que \(\dfrac{\partial f}{\partial x}=\dfrac{\partial f}{\partial y}\) para todo \((x,y)\in\mathbb{R}^2\), porque los términos exponenciales \(ye^{xy}\) y \(xe^{xy}\) son distintos y ningún valor de los parámetros puede compensarlos globalmente.

Nota: Si el ejercicio pide que la igualdad valga solo en ciertos puntos (por ejemplo en el origen), entonces en \((0,0)\): \(\partial f/\partial x = 0\) y \(\partial f/\partial y = 0\), lo cual se cumple para cualquier \(\alpha,\beta\). Pero para todo \(\mathbb{R}^2\) no hay solución.
EJ 2 Continuidad y diferenciabilidad en el origen

Sea \( f(x,y)=\begin{cases}\dfrac{x^2 y}{x^2+y^2}, & (x,y)\neq(0,0)\\[4pt] 0, & (x,y)=(0,0)\end{cases} \)

a) Continuidad en (0,0)
Verificar el límite cuando (x,y)→(0,0)

Usamos la desigualdad: para todo \((x,y)\neq(0,0)\)

\[ |f(x,y)| = \frac{x^2|y|}{x^2+y^2} \]

Como \(x^2 \leq x^2+y^2\), se tiene \(\dfrac{x^2}{x^2+y^2}\leq 1\), luego:

\[ |f(x,y)| \leq |y| \]

Cuando \((x,y)\to(0,0)\), claramente \(|y|\to 0\), entonces por el Teorema del Sandwich:

\[ \lim_{(x,y)\to(0,0)} f(x,y) = 0 = f(0,0) \]
Resultado

\(f\) es continua en \((0,0)\). ✓

b) Diferenciabilidad en (0,0)
Paso 1 — Calcular las derivadas parciales en (0,0) por definición
\[ f_x(0,0)=\lim_{h\to 0}\frac{f(h,0)-f(0,0)}{h}=\lim_{h\to 0}\frac{0}{h}=0 \]
\[ f_y(0,0)=\lim_{k\to 0}\frac{f(0,k)-f(0,0)}{k}=\lim_{k\to 0}\frac{0}{k}=0 \]
Paso 2 — Aplicar definición de diferenciabilidad

Se dice que \(f\) es diferenciable en \((0,0)\) si:

\[ \lim_{(h,k)\to(0,0)} \frac{f(h,k)-f(0,0)-f_x(0,0)\,h-f_y(0,0)\,k}{\sqrt{h^2+k^2}} = 0 \]

Con \(f_x=f_y=0\) y \(f(0,0)=0\), el límite a verificar es:

\[ \lim_{(h,k)\to(0,0)} \frac{\dfrac{h^2 k}{h^2+k^2}}{\sqrt{h^2+k^2}} = \lim_{(h,k)\to(0,0)} \frac{h^2 k}{(h^2+k^2)^{3/2}} \]
Paso 3 — Analizar el límite por la trayectoria k = h

Sobre la recta \(k=h\) (con \(h\to 0\)):

\[ \frac{h^2\cdot h}{(h^2+h^2)^{3/2}} = \frac{h^3}{(2h^2)^{3/2}} = \frac{h^3}{2\sqrt{2}\,|h|^3} = \frac{1}{2\sqrt{2}}\cdot\frac{h^3}{|h|^3} \]

Cuando \(h\to 0^+\): el resultado es \(\dfrac{1}{2\sqrt{2}} \neq 0\).

Resultado

\(f\) no es diferenciable en \((0,0)\) porque el límite de la definición no es cero (depende de la dirección de aproximación). Las derivadas parciales existen pero la función no cumple la condición de diferenciabilidad.

EJ 3 Integral doble — región y evaluación

Se tiene: \(\displaystyle I=\int_0^1\int_{x^2}^{\sqrt{x}}(x^2+y^2)\,dy\,dx\)

a) Región de integración

Para \(x\in[0,1]\), \(y\) va de \(x^2\) a \(\sqrt{x}\). La región está acotada por:

  • Curva inferior: \(y=x^2\) (parábola)
  • Curva superior: \(y=\sqrt{x}\) (raíz cuadrada)
  • Se intersectan en \((0,0)\) y \((1,1)\).
x y 1 1 (1,1) (0,0) y = √x y = x² Región R
b) Evaluación de la integral
Paso 1 — Integral interior (respecto a y)
\[ \int_{x^2}^{\sqrt{x}}(x^2+y^2)\,dy = \left[x^2 y + \frac{y^3}{3}\right]_{y=x^2}^{y=\sqrt{x}} \]
\[ = \left(x^2\sqrt{x}+\frac{x^{3/2}}{3}\right)-\left(x^2\cdot x^2+\frac{x^6}{3}\right) \]
\[ = x^{5/2}+\frac{x^{3/2}}{3} - x^4 - \frac{x^6}{3} \]
Paso 2 — Integral exterior (respecto a x)
\[ I = \int_0^1\left(x^{5/2}+\frac{x^{3/2}}{3}-x^4-\frac{x^6}{3}\right)dx \]
\[ = \left[\frac{x^{7/2}}{7/2}+\frac{1}{3}\cdot\frac{x^{5/2}}{5/2}-\frac{x^5}{5}-\frac{x^7}{21}\right]_0^1 \]
\[ = \frac{2}{7}+\frac{2}{15}-\frac{1}{5}-\frac{1}{21} \]
Paso 3 — Aritmética con denominador común 105
\[ \frac{2}{7}=\frac{30}{105},\quad \frac{2}{15}=\frac{14}{105},\quad \frac{1}{5}=\frac{21}{105},\quad \frac{1}{21}=\frac{5}{105} \]
\[ I = \frac{30+14-21-5}{105} = \frac{18}{105} = \frac{6}{35} \]
Resultado

\(\displaystyle I = \dfrac{6}{35} \approx 0.1714\)

EJ 4 Plano tangente y aproximación lineal

Sea \(f(x,y)=\ln(2+x^2+y^2)\).

a) Plano tangente en (1,−1)
Derivadas parciales
\[ f_x(x,y)=\frac{2x}{2+x^2+y^2}, \qquad f_y(x,y)=\frac{2y}{2+x^2+y^2} \]

Evaluando en \((1,-1)\): \(2+1+1=4\)

\[ f_x(1,-1)=\frac{2}{4}=\frac{1}{2}, \qquad f_y(1,-1)=\frac{-2}{4}=-\frac{1}{2} \]
\[ f(1,-1)=\ln(4) \]
Ecuación del plano tangente
\[ z = f(1,-1)+f_x(1,-1)(x-1)+f_y(1,-1)(y+1) \]
\[ z = \ln 4 + \tfrac{1}{2}(x-1) - \tfrac{1}{2}(y+1) \]
\[ \boxed{z = \ln 4 + \tfrac{1}{2}(x-1) - \tfrac{1}{2}(y+1)} \]
b) Aproximación lineal en (1.05, −0.95)
Usar L(x,y) — la linealización
\[ L(x,y)=\ln 4+\tfrac{1}{2}(x-1)-\tfrac{1}{2}(y+1) \]

Con \(x=1.05\), \(y=-0.95\):

\[ L(1.05,-0.95)=\ln 4+\tfrac{1}{2}(0.05)-\tfrac{1}{2}(0.05) \]
\[ = \ln 4 + 0.025 - 0.025 = \ln 4 \]
Aproximación lineal

\(f(1.05,-0.95)\approx \ln 4 \approx 1.3863\)

c) Comparación con el valor real
Valor exacto
\[ f(1.05,-0.95)=\ln(2+(1.05)^2+(0.95)^2)=\ln(2+1.1025+0.9025)=\ln(4.005) \]
\[ \ln(4.005)\approx\ln 4+\frac{0.005}{4}=1.38629+0.00125=1.38754 \]
ValorResultado
Aproximación Lln 4 ≈ 1.38629
Valor realln(4.005) ≈ 1.38754
Error absoluto≈ 0.00125
Conclusión

La aproximación lineal es excelente: error de apenas \(\approx 0.09\%\), lo que confirma que la linealización funciona muy bien para puntos cercanos a \((1,-1)\).

EJ 5 Gradiente y derivada direccional máxima

Sea \(f(x,y,z)=x^2y+yz^2+e^{xz}\).

a) Gradiente de f
Derivadas parciales
\[ f_x = 2xy + ze^{xz} \]
\[ f_y = x^2 + z^2 \]
\[ f_z = 2yz + xe^{xz} \]
\[ \nabla f = \langle\, 2xy+ze^{xz},\; x^2+z^2,\; 2yz+xe^{xz}\,\rangle \]
b) Dirección de máximo crecimiento en (1, 0, 1)
Evaluar ∇f en (1,0,1)
\[ f_x(1,0,1)=2(1)(0)+(1)e^{1\cdot1}=0+e=e \]
\[ f_y(1,0,1)=1^2+1^2=2 \]
\[ f_z(1,0,1)=2(0)(1)+(1)e^{1}=0+e=e \]
\[ \nabla f(1,0,1) = \langle e,\,2,\,e\rangle \]
Vector unitario
\[ \|\nabla f\| = \sqrt{e^2+4+e^2}=\sqrt{2e^2+4} \]
\[ \hat{u} = \frac{\langle e,2,e\rangle}{\sqrt{2e^2+4}} \]
c) Valor máximo de la derivada direccional
Resultado
\[ D_{\hat{u}}f(1,0,1)_{\max} = \|\nabla f(1,0,1)\| = \sqrt{2e^2+4} \approx \sqrt{2(7.389)+4}=\sqrt{18.778}\approx 4.333 \]
EJ 6 Integral doble sobre región acotada por y=x² e y=x

Evaluar \(\displaystyle\iint_R(x-y)\,dA\) donde \(R\) es el primer cuadrante entre \(y=x^2\) e \(y=x\).

Intersecciones de las curvas

\(x^2=x \Rightarrow x(x-1)=0 \Rightarrow x=0,\;x=1\). Para \(x\in(0,1)\): \(x^2 < x\) (la parábola está debajo).

x y 1 1 y = x y = x² (1,1)
Plantear la integral
\[ I=\int_0^1\int_{x^2}^{x}(x-y)\,dy\,dx \]
Integral interior
\[ \int_{x^2}^{x}(x-y)\,dy = \left[xy-\frac{y^2}{2}\right]_{x^2}^{x} \]
\[ = \left(x^2-\frac{x^2}{2}\right)-\left(x^3-\frac{x^4}{2}\right) = \frac{x^2}{2}-x^3+\frac{x^4}{2} \]
Integral exterior
\[ I=\int_0^1\left(\frac{x^2}{2}-x^3+\frac{x^4}{2}\right)dx = \left[\frac{x^3}{6}-\frac{x^4}{4}+\frac{x^5}{10}\right]_0^1 \]
\[ = \frac{1}{6}-\frac{1}{4}+\frac{1}{10} \]

Denominador común 60:

\[ = \frac{10}{60}-\frac{15}{60}+\frac{6}{60} = \frac{1}{60} \]
Resultado

\(\displaystyle I = \dfrac{1}{60}\)

EJ 7 Integral doble sobre disco — simetría

Sea \(R: x^2+y^2\leq 4\). Calcular \(\displaystyle I=\iint_R(x^2-xy)\,dA\).

Argumento de simetría

Separamos: \(I=\iint_R x^2\,dA - \iint_R xy\,dA\)

El disco \(R\) es simétrico respecto al eje \(y\) (y también al eje \(x\)). La función \(g(x,y)=xy\) es impar en \(x\) (pues \(g(-x,y)=-g(x,y)\)), por lo tanto:

\[ \iint_R xy\,dA = 0 \]

Entonces: \(I = \displaystyle\iint_R x^2\,dA\)

Coordenadas polares para ∬x²dA

\(x=r\cos\theta,\;y=r\sin\theta,\;dA=r\,dr\,d\theta\), con \(r\in[0,2],\;\theta\in[0,2\pi]\).

\[ I=\int_0^{2\pi}\int_0^2 r^2\cos^2\theta\cdot r\,dr\,d\theta = \int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta\cdot\int_0^2 r^3\,dr \]
Evaluación
\[ \int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta = \pi \]
\[ \int_0^2 r^3\,dr = \left[\frac{r^4}{4}\right]_0^2 = \frac{16}{4} = 4 \]
\[ I = \pi \cdot 4 = 4\pi \]
Resultado

\(\displaystyle I = 4\pi \approx 12.566\)

EJ 8 Cambio de orden de integración

Se tiene: \(\displaystyle I=\int_0^1\int_{y^2}^{y}\sqrt{\frac{x}{y}}\,dx\,dy\)

a) Región de integración

Para \(y\in[0,1]\): \(x\) va de \(x=y^2\) (parábola) a \(x=y\) (recta). Intersección en \((0,0)\) y \((1,1)\).

La región es la misma que en el Ej. 6 pero con los roles invertidos: entre \(x=y^2\) y \(x=y\) — equivalente a entre \(y=x\) e \(y=\sqrt{x}\) en el plano.

x y 1 1 x = y (y=x) x = y² (1,1)
b) Cambio de orden de integración
Describir la región en términos de x

La región satisface \(0\leq x\leq 1\) y \(x\leq y\leq\sqrt{x}\) (porque \(x=y^2\Rightarrow y=\sqrt{x}\) superior e \(x=y\) inferior reordenado). Cambiando orden:

\[ I = \int_0^1\int_{x}^{\sqrt{x}} \sqrt{\frac{x}{y}}\,dy\,dx \]
c) Evaluación de la integral
Integral interior (orden original es más fácil — usar el original)

Trabajamos con el orden original \(\int_0^1\int_{y^2}^{y}\sqrt{x/y}\,dx\,dy\):

\[ \int_{y^2}^{y}\sqrt{\frac{x}{y}}\,dx = \frac{1}{\sqrt{y}}\int_{y^2}^{y}x^{1/2}\,dx = \frac{1}{\sqrt{y}}\cdot\frac{2}{3}\left[x^{3/2}\right]_{y^2}^{y} \]
\[ = \frac{2}{3\sqrt{y}}\left(y^{3/2}-y^3\right) = \frac{2}{3}\left(y-y^{5/2}\right) \]
Integral exterior
\[ I=\frac{2}{3}\int_0^1(y-y^{5/2})\,dy = \frac{2}{3}\left[\frac{y^2}{2}-\frac{y^{7/2}}{7/2}\right]_0^1 \]
\[ = \frac{2}{3}\left(\frac{1}{2}-\frac{2}{7}\right) = \frac{2}{3}\cdot\frac{7-4}{14} = \frac{2}{3}\cdot\frac{3}{14} = \frac{1}{7} \]
Resultado

\(\displaystyle I = \dfrac{1}{7}\)

EJ 9 Derivadas mixtas y Teorema de Clairaut

Sea \(f(x,y)=x^3y^2\sin(xy)\).

a) Calcular f_{xy} y f_{yx}
Paso 1 — Calcular f_x

Aplicar regla del producto: \(f = x^3y^2\sin(xy)\)

\[ f_x = 3x^2y^2\sin(xy) + x^3y^2\cdot\cos(xy)\cdot y = 3x^2y^2\sin(xy)+x^3y^3\cos(xy) \]
Paso 2 — Calcular f_{xy} = (f_x)_y
\[ f_{xy} = \frac{\partial}{\partial y}\left[3x^2y^2\sin(xy)+x^3y^3\cos(xy)\right] \]
\[ = 6x^2y\sin(xy)+3x^2y^2\cdot x\cos(xy)+3x^3y^2\cos(xy)+x^3y^3\cdot(-\sin(xy))\cdot x \]
\[ = 6x^2y\sin(xy)+3x^3y^2\cos(xy)+3x^3y^2\cos(xy)-x^4y^3\sin(xy) \]
\[ \boxed{f_{xy} = (6x^2y - x^4y^3)\sin(xy)+6x^3y^2\cos(xy)} \]
Paso 3 — Calcular f_y
\[ f_y = 2x^3y\sin(xy)+x^3y^2\cdot\cos(xy)\cdot x = 2x^3y\sin(xy)+x^4y^2\cos(xy) \]
Paso 4 — Calcular f_{yx} = (f_y)_x
\[ f_{yx} = \frac{\partial}{\partial x}\left[2x^3y\sin(xy)+x^4y^2\cos(xy)\right] \]
\[ = 6x^2y\sin(xy)+2x^3y\cdot y\cos(xy)+4x^3y^2\cos(xy)+x^4y^2\cdot(-\sin(xy))\cdot y \]
\[ = 6x^2y\sin(xy)+2x^3y^2\cos(xy)+4x^3y^2\cos(xy)-x^4y^3\sin(xy) \]
\[ \boxed{f_{yx} = (6x^2y-x^4y^3)\sin(xy)+6x^3y^2\cos(xy)} \]
b) Verificación del Teorema de Clairaut
Verificación

Se comprueba directamente que \(f_{xy} = f_{yx}\). Ambas expresiones son idénticas: \((6x^2y - x^4y^3)\sin(xy)+6x^3y^2\cos(xy)\). ✓

c) Hipótesis del Teorema de Clairaut
Condición suficiente

El Teorema de Clairaut establece: si \(f_{xy}\) y \(f_{yx}\) son continuas en un entorno del punto, entonces \(f_{xy}=f_{yx}\) en ese punto.

La función \(f(x,y)=x^3y^2\sin(xy)\) es composición y producto de funciones \(C^\infty\) (infinitamente diferenciables) para todo \((x,y)\in\mathbb{R}^2\). Por lo tanto \(f_{xy}\) y \(f_{yx}\) son continuas en todo \(\mathbb{R}^2\), y las hipótesis se cumplen en cualquier punto.

EJ 10 Integral doble con cambio de variables

Evaluar \(\displaystyle\iint_R(x+y)\,dA\) donde \(R: 1\leq x+y\leq 2,\; 0\leq x-y\leq 1\).

a) Cambio de variables
Definir u, v

Sea \(u = x+y\) y \(v = x-y\). Entonces la región se convierte en:

\[ R': \quad 1\leq u\leq 2, \quad 0\leq v\leq 1 \]

Que es simplemente un cuadrado. Expresando \(x,y\) en función de \(u,v\):

\[ x = \frac{u+v}{2}, \qquad y = \frac{u-v}{2} \]
b) Jacobiano
Calcular el Jacobiano de la transformación
\[ J = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \partial x/\partial u & \partial x/\partial v \\ \partial y/\partial u & \partial y/\partial v \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 1/2 & 1/2 \\ 1/2 & -1/2 \end{vmatrix} \]
\[ = \frac{1}{2}\cdot\left(-\frac{1}{2}\right)-\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2} = -\frac{1}{4}-\frac{1}{4} = -\frac{1}{2} \]
\[ |J| = \frac{1}{2} \]
c) Evaluación de la integral
Integral en las nuevas variables

El integrando es \(x+y=u\), entonces:

\[ I = \int_0^1\int_1^2 u\cdot |J|\,du\,dv = \int_0^1\int_1^2 \frac{u}{2}\,du\,dv \]
Evaluar
\[ \int_1^2\frac{u}{2}\,du = \frac{1}{2}\cdot\left[\frac{u^2}{2}\right]_1^2 = \frac{1}{2}\cdot\frac{4-1}{2} = \frac{3}{4} \]
\[ I = \int_0^1\frac{3}{4}\,dv = \frac{3}{4}\cdot 1 = \frac{3}{4} \]
Resultado

\(\displaystyle I = \dfrac{3}{4}\)

Resumen de resultados
EjResultado
1No existen α, β que satisfagan la condición para todo ℝ²
2af es continua en (0,0) — por Teorema del Sandwich
2bf NO es diferenciable en (0,0)
3I = 6/35
4Plano: z = ln4 + ½(x−1) − ½(y+1); Aprox. ≈ 1.38629; Error ≈ 0.09%
5∇f(1,0,1) = ⟨e, 2, e⟩; D_max = √(2e²+4) ≈ 4.333
6I = 1/60
7I = 4π
8I = 1/7
9f_xy = f_yx — Teorema de Clairaut verificado ✓
10I = 3/4