Cálculo vectorial

1.- DATOS DE LA ASIGNATURA

Nombre de la asignatura: Cálculo Vectorial

Carrera: Todas las Carreras

Clave de la asignatura: ACF-0904

(Créditos) SATCA1 3 - 2 - 5

2.- PRESENTACIÓN

Caracterización de la asignatura.

En diversas aplicaciones de la ingeniería, la concurrencia de variables espaciales y
temporales, hace necesario el análisis de fenómenos naturales cuyos modelos
originan funciones vectoriales o escalares de varias variables. Se diseña esta
asignatura con el fin de proveer al alumno de herramientas para analizar estas
funciones de tal manera que se pueda predecir o estimar su comportamiento, y
estudiar conceptos relacionados con ellas; haciendo hincapié en la interpretación
geométrica siempre que sea posible.

El curso está diseñado de manera que posibilite al estudiante para representar
conceptos, que aparecen en el campo de la ingeniería, por medio de vectores;
resolver problemas en los que intervienen variaciones continuas; resolver problemas
geométricos en forma vectorial; graficar funciones de varias variables; calcular
derivadas parciales; resolver integrales dobles y triples; aplicar las integrales en el
cálculo de áreas y volúmenes.

Con el diseño de este curso se pretende que al mismo tiempo que el alumno
aprende el lenguaje de las matemáticas, adquiera estrategias para resolver
problemas; elabore desarrollos analíticos para la adquisición de un concepto; piense
conceptualmente, desarrolle actitudes para la integración a grupos interdisciplinarios
y aproveche los recursos que la tecnología ofrece, como el uso de software de
álgebra simbólica, calculadora gráfica y computadora.

Intención didáctica.

La característica más relevante de la materia es el tratamiento a nivel intuitivo de los
Campos escalares y vectoriales desde el inicio del curso, con el fin de dotar de
significado a muchos de los conceptos que se estudiarán más adelante en el curso.
El examinar y retomar, a lo largo de todo el curso, la importancia geométrica y física
1
Sistema de asignación y transferencia de créditos académicos

de campos, como flujo de calor, flujo de energía, el gravitatorio o el asociado con
cargas; análisis que servirá para dar significado a diversos subtemas del curso como
álgebra vectorial, superficies de nivel, longitud de arco, vector tangente, etc. Esto
permitirá que el alumno se sensibilice de la importancia del concepto “Campo” en el
desarrollo de las bases conceptuales de la física y la ingeniería, así como en la
consolidación del pensamiento científico.
La propuesta es llegar a las formalizaciones a partir de lo concreto; por ejemplo,
primero se estudia la geometría de las operaciones vectoriales y después estas
operaciones.
En la última unidad se aborda el concepto Integral de Riemann de funciones de
varias variables y el concepto de coordenadas esféricas y cilíndricas, cuya intención
es mostrar el potencial del cálculo en las aplicaciones donde se calcula un volumen;
es decir, no se pretende ser exhaustivo en la resolución de distintos problemas sólo
sensibilizar al alumno, del potencial que tiene el uso de estas coordenadas.
En la sección “Unidades de aprendizaje” se recomiendan actividades dirigidas a los
estudiantes que pretenden servir de ejemplo para activar competencias al mismo
tiempo que se adquieren conocimientos

3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR

Competencias específicas Competencias genéricas
Interpretar, reconstruir y aplicar modelos • Identificar las variables presentes en
que representan fenómenos de la un problema.
naturaleza en los cuales interviene más • Relacionar varias fuentes de
de una variable continua, en diferentes información a la vez.
contextos de la ingeniería. • Reconocer y definir un problema.
• Analizar fenómenos naturales
• Sintetizar información.
• Descubrir los datos relevantes.
• Combinar diferentes enfoques o
puntos de vista.
• Proyectar imágenes en el espacio.
• Inferir y deducir principios.
• Razonar analógicamente.
• Generar hipótesis.
• Diseñar medios para verificar
hipótesis.
• Establecer relaciones virtuales
• Pensar críticamente.
• Desarrollar pensamiento lógico
matemático.

• Usar tecnologías computacionales y
software para la graficación de
funciones.
• Buscar y analizar información
proveniente de fuentes diversas.
• Comunicar con precisión y claridad y
de manera explícita sus ideas
• Organizar y planificar.
• Tomar decisiones.
• Explorar sistemáticamente la
información.
• Trabajar en equipo.
• Aplicar los conocimientos a la
práctica.
• Codificar y decodificar información de
una modalidad a otra.
• Generalizar principios.
• Tomar conciencia de sus propias
estrategias de aprendizaje.
• Aprender en forma autónoma
• Buscar estrategias para lograr sus
objetivos.

4.- HISTORIA DEL PROGRAMA

Lugar y fecha de Observaciones
Participantes
elaboración o revisión (cambios y justificación)
Cd. de Matamoros, Representantes de los Definición de los temarios.
Tamaulipas del 9 al 13 Institutos Tecnológicos
de Marzo de 2009. de León, Matamoros,
Mérida y Milpa Alta.
Cd. de Puebla, Puebla Representantes de los Consolidación de los
del 8 al 12 de junio del Institutos Tecnológicos temarios.
2009 de León, Matamoros,
Mérida y Milpa Alta.

5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO (competencia específica a
desarrollar en el curso)

Conocer los principios y técnicas básicas del Cálculo en Varias Variables para
interpretar y resolver modelos que representan fenómenos de la naturaleza en los
cuales interviene más de una variable continua.

6.- COMPETENCIAS PREVIAS

Habilidad para abstraer, analizar y sintetizar problemas al lenguaje algebraico, que
involucren el cálculo diferencial, integral y operaciones de álgebra lineal.

• Dominio de:
o Álgebra intermedia, Trigonometría y Geometría Analítica.
o Determinantes de 2X2 Y 3X3.
o Funciones y sus diferentes representaciones.
o Límites.
o Continuidad.
o Cálculo Diferencial.
o Sumas de Riemann.
o Cálculo Integral.
o Conocimiento de algunas de las aplicaciones de la integral de Riemann.
o Conocimiento de la relación entre derivada e integral de una función.

• Habilidades:
o Usar el vocabulario propio de las matemáticas.
o Uso de tecnologías de información y comunicación, como: calculadora,
computadora, Windows, internet.
o Representar puntos, rectas, planos y cónicas en el plano y en el
espacio.
o Interpretar el comportamiento de funciones.
o Interpretación y análisis de problemas.
o Identificar las variables importantes de un problema.
o Derivar funciones algebraicas y trascendentes.
o Diferenciar.
o Mostrar geométricamente el Teorema Fundamental del Cálculo.
o Emplear el teorema del valor medio.
o Determinar el área comprendida entre dos curvas.
o Calcular volúmenes de sólidos de revolución.
o Resolver problemas usando las diferentes técnicas de integración.
o Resolver integrales impropias.
o Resolver problemas prácticos donde se requiere la utilización del
cálculo diferencial e integral.
o Habilidad para codificar al lenguaje algebraico, problemas que
involucran el cálculo diferencial e integral.

7.- TEMARIO

Unidad Temas Subtemas
1 Algebra de vectores. 1.1 Definición de un vector en R2, R3 y su
Interpretación geométrica.
1.2 Introducción a los campos escalares y
vectoriales.
1.3 La geometría de las operaciones
vectoriales.
1.4 Operaciones con vectores y sus
propiedades.
1.5 Descomposición vectorial en 3
dimensiones.
1.6 Ecuaciones de rectas y planos.
1.7 Aplicaciones físicas y geométricas.

2 Curvas en R2 y 2.1 Ecuación paramétrica de la línea recta.
ecuaciones 2.2 Curvas planas.
paramétricas. 2.3 Ecuaciones paramétricas de algunas curvas
y su representación gráfica.
2.4 Derivada de una función dada
paramétricamente.
2.5 Coordenadas polares.
2.6 Graficación de curvas planas en
coordenadas polares.

3 Funciones vectoriales 3.1 Definición de función vectorial de una
de una variable real. variable real.
3.2 Graficación de curvas en función del
parámetro t.
3.3 Derivación de funciones vectoriales y sus
propiedades.
3.4 Integración de funciones vectoriales.
3.5 Longitud de arco.
3.6 Vector tangente, normal y binormal.
3.7 Curvatura.
3.8 Aplicaciones.

TEMARIO (continuación)

Unidad Temas Subtemas
4 Funciones reales de 4.1 Definición de una función de varias
varias variables. variables.
4.2 Gráfica de una función de varias variables.
4.3 Curvas y superficies de nivel.
4.4 Derivadas parciales de funciones de varias
variables y su interpretación geométrica.
4.5 Derivada direccional.
4.6 Derivadas parciales de orden superior.
4.7 Incrementos, diferenciales y regla de la
cadena.
4.8 Derivación parcial implícita.
4.9 Gradiente.
4.10 Campos vectoriales.
4.11 Divergencia, rotacional, interpretación
geométrica y física.
4.12 Valores extremos de funciones de varias
variables.

5 Integración. 5.1 Introducción.
5.2 Integral de línea.
5.3 Integrales iteradas dobles y triples.
5.4 Aplicaciones a áreas y solución de
problema.
5.5 Integral doble en coordenadas polares.
5.6 Coordenadas cilíndricas y esféricas.
5.7 Aplicación de la integral triple en
coordenadas cartesianas, cilíndricas y
esféricas.

8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS (desarrollo de competencias genéricas)

• Los ejemplos de actividades sugeridas están dirigidas a los estudiantes, el
papel del profesor será el de mediador para lograr la co-reconstrucción del
conocimiento.
• Investigar el origen histórico, el desarrollo y definiciones planteadas en los
conceptos involucrados en el tema.
• Analizar y discutir, sobre la aplicación de los conceptos, en problemas reales
relacionados con la ingeniería en que se imparta esta materia.
• Presentar siempre el concepto antes de su expresión matemática,
posteriormente se podrán hacer problemas numéricos.
• Propiciar el uso de Software de matemáticas (Derive, Mathcad, Mathematica,
Maple, Matlab) o la calculadora graficadora como herramientas que faciliten la
comprensión de los conceptos, la resolución de problemas e interpretación de
los resultados.
• Abordar el concepto de integral de funciones de varias variables como
generalización de la integral de funciones de una variable.
• Usar algunas de las aplicaciones de la integral de Riemann.
• Promover grupos de discusión y análisis sobre conceptos previamente
investigados, después establecer definiciones necesarias y suficientes para el
desarrollo del tema.
• Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en
distintas fuentes.
• Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura
(procesador de texto, hoja de cálculo, base de datos, graficador, Internet, etc.).
• Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio
argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre
los estudiantes.
• Propiciar, en el estudiante, el desarrollo de actividades intelectuales de
inducción-deducción y análisis-síntesis, las cuales encaminan al alumno hacia
la investigación.
• Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de
habilidades para la experimentación, tales como: identificación manejo y
control de variables y datos relevantes, planteamiento de hipótesis y trabajo
en equipo.
• Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los
conceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollo
de la asignatura.
• Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de contenidos
de la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución.
• Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente;
así como con las prácticas de una agricultura sustentable.
• Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo
ocupacional.

• Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de
estudios para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante.
• Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejor
comprensión del estudiante.

9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN

La evaluación debe ser continua y cotidiana por lo que se debe considerar el
desempeño en cada una de las actividades de aprendizaje, poniendo énfasis en:

• El avance personal de cada estudiante.
• Reportes escritos de las conclusiones hechas durante las actividades.
• Información obtenida durante las investigaciones solicitadas, plasmadas en
documentos escritos.
• Exámenes escritos para comprobar el manejo de contenidos teóricos y
procedimentales.

10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE

Unidad 1: Álgebra de vectores.

Competencia específica a
Actividades de Aprendizaje
desarrollar
• Hacer una reseña histórica del nacimiento
• Analizar de manera intuitiva del Cálculo de varias variables, haciendo
campos escalares y vectoriales hincapié en la situación económica, política
del entorno. y cultural del ambiente en el que se
• Identificar la manifestación de desarrolló, así como la cognitiva, en cuanto
un vector en distintos contextos. al requisito particular del ritmo instantáneo
• Resolver con soltura de cambio de variables, haciendo notar
operaciones entre vectores. que en la actualidad las funciones de
• Determinar ecuaciones de varias variables tienen muchas
rectas y planos dados, así como aplicaciones ya que se pueden describir
asociar gráficas de planos y fenómenos mediante la interdependencia
rectas a ecuaciones dadas. de varias variables.
• Mediar para que los alumnos llenen las
líneas intercaladas en la introducción a los
Sistemas R2 y R3, y hacer las figuras
mencionadas (Ver práctica #1).

• Proponer la elaboración gráfica de una
situación que implique suma de vectores y
posteriormente pedir que se permuten los
vectores, solicitar que el alumno arroje un
principio (el de conmutación de vectores).
• Graficar los vectores de un campo vectorial
a partir de una expresión de la física.
• Mostrar diversas gráficas de campos
escalares y vectoriales pidiendo al alumno
que identifique las diferencias e iniciar la
construcción de las operaciones
vectoriales.
• A partir de la geometría de las operaciones
vectoriales, inducir la construcción de las
propiedades de las operaciones.

Unidad 2: Curvas en R2 y ecuaciones paramétricas.

Competencia específica a Actividades de Aprendizaje
desarrollar

Construir la gráfica de una curva • Elige un punto y un director de tu campo.
plana en forma paramétrica • Escribe la ecuación de la línea recta.
eligiendo la técnica más apropiada. • Extiéndela a una forma vectorial.
• Interprétala geométricamente.
• Realiza las operaciones indicadas.
• Las ecuaciones obtenidas se llaman
ecuaciones paramétricas de la recta.
• Desdobla la igualdad en dos igualdades
escalares.
• Una recta pasa por el punto A(-1,3) y tiene
un vector director V = (2,5), escribe sus
ecuaciones paramétricas.
• Da valores al parámetro t y grafica el
conjunto de vectores de posición que
obtienes.
• Introduce tus datos en un graficador.
• Compara tu gráfica con las gráficas
examinadas en la unidad 1, identifica
semejanzas y diferencias.
• Visualizar, con ayuda del software, gráficas
de curvas planas.

Unidad 3: Funciones vectoriales de una variable real.

desarrollar

• Reconocer una función vectorial • Introducir la problemática relativa al
en distintos contextos y movimiento en el espacio y al análisis de
manejarla como un vector. curvas.
• Manejar con soltura ecuaciones • Abordar los conceptos con ejemplos de la
paramétricas y el software para cinemática, mencionando el movimiento.
graficar curvas. • A partir de analogías extender el concepto
• Analizar gráficas de curvas de de función real de variable real a función
funciones vectoriales en el vectorial de variable real.
espacio. • Visualizar, con ayuda del software, gráficas
• Determinar los parámetros que relativas a funciones vectoriales.
definen una curva en el
espacio.

Unidad 4: Funciones reales de varias variables.

desarrollar
• Proponer la identificación del dominio de
• Analizar de manera formal una función, hacer representaciones
campos escalares y vectoriales. gráficas.
• Calcular derivadas parciales y • Siempre proponer aplicaciones físicas de
direccionales, determinar este tipo de funciones.
gradientes, planos tangentes y • Utilizar software que ayude a visualizar las
valores extremos de una gráficas y a realizar operaciones.
función.
• Resolver problemas que
involucran varias variables.

Unidad 5: Integración.

desarrollar

• Plantear y resolver integrales a • Partiendo de los conceptos de integral de
partir de una situación Riemann vistos en Matemáticas 2, hacer
propuesta, eligiendo el sistema una generalización al concepto de integral
de coordenadas más adecuado. de funciones de varias variables,
• Usar software para hallar la interpretándola primero como un área y
representación gráfica de un solicitar que los alumnos la generalicen y
campo vectorial. lleguen a su interpretación como volumen.
• Iniciar la unidad con ejemplos de masas y
cargas eléctricas.
• Formalizar el concepto de campo vectorial
como una generalización del concepto de
gradiente.

11.- FUENTES DE INFORMACIÓN

1. Aleksandrov, A. D., Kolmogorov A. N., Laurentiev M. A. La matemática: su
contenido, métodos y significado. Madrid, Alianza Universidad, 1985.
2. Boyer C. B. (1959). The history of the Claculus and its conceptual
development. New York, Dover Publications Inc.
3. Bressoud
4. Crowe M. J. (1985). A history of Vector Analysis (The evolution of the Idea of a
Vectorial System). New York, Dover Publications Inc.
5. Kline M. (1977). Calculus: an intuitive and physical approach. 2nd edition, New
York, Dover Publications Inx.
6. Marsden J. E. & Tromba A. J. (2004). Cálculo vectorial, 5ª. edición,
Wilmington, Addison-Wesley Iberoamericana.
7. Stewart J. (1999). Cálculo multivariable. México, Thomson.
8. Swokowsky E. (1989). Cálculo con geometría analítica, 2ª. edición, México,
Grupo Editorial Iberoamérica.

Software:

DERIVE
DPGRAPH
GYROGRAPHICS
MATHEMATICA
MATHCAD
MAPLE

12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS

Práctica # 1:

Los científicos utilizan el término vector para indicar una cantidad que tiene magnitud
y dirección (por ejemplo, ___________, ___________________). Un vector suele
representarse por una flecha o un segmento de recta. La longitud de la flecha
representa la magnitud (________________) del vector y la flecha representa la
_______________ del vector. Por ejemplo, la figura 1 muestra una partícula
moviéndose a lo largo de una trayectoria en el plano y su vector de velocidad v en
una ubicación específica de la trayectoria.

Actividad: Haz la figura 1.

Aquí, la longitud de la flecha representa la velocidad de la partícula y apunta en la
dirección en que se mueve. La figura 2 muestra la trayectoria de una partícula que se
mueve en el espacio. Aquí el vector de velocidad v es un vector tridimensional.

Actividad: Haz la figura 2.

Práctica # 2
Considera un conjunto de funciones y resuelve un problema del curso usando todos
los paquetes de software disponibles.
o ¿Cuál es más “amigable”?
o ¿Con cuál resolviste el problema más rápidamente?
o ¿Cuál da soluciones más fáciles de interpretar?
o ¿Cuál da a solución más confiable?
o ¿Cuál escogerías para trabajar de manera cotidiana?
Escribe un reporte con las respuestas a las preguntas anteriores y agrega las
dificultades que encontraste en el proceso y las formas en que las resolviste.
Compara tus experiencias con tus compañeros

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