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Apéndice A Ejercicios

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Básico

B-1. Cálculo básico de derivadas parciales

Dado \(f(x, y) = x^3 + 2xy^2 - y\), obtén \(\frac{\partial f}{\partial x}\) y \(\frac{\partial f}{\partial y}\).

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B-2. Derivada parcial de \(1/r\)

Dado \(\Phi(x, y, z) = \frac{1}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}}\), calcula \(\frac{\partial \Phi}{\partial x}\). (Pista: si defines \(r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}\), entonces \(\Phi = 1/r\))

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B-3. Conmutatividad de las derivadas parciales mixtas

Dado \(f(x, y) = e^{x}\sin y\), calcula \(\frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y}\) y \(\frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x}\), y verifica que ambas son iguales.

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B-4. Gradiente y curvas de nivel

Calcula el gradiente \(\nabla\Phi\) de \(\Phi(x, y) = x^2 + y^2\) y obtén el vector gradiente en el punto \((1, 2)\). Confirma que este vector es perpendicular a la curva de nivel \(\Phi = \text{const}\).

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B-5. Gradiente de distribución de temperatura

La distribución de temperatura en un plano bidimensional está dada por \(T(x, y) = 100 - x^2 - 4y^2\). Calcula el gradiente de temperatura \(\nabla T\) en el punto \((1, 1)\) e indica la dirección en la que la temperatura aumenta más rápidamente.

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B-6. Divergencia de un campo vectorial lineal

Calcula la divergencia \(\nabla \cdot \mathbf{V}\) de \(\mathbf{V} = (x, y, z)\).

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B-7. Divergencia de un campo vectorial cuadrático

Calcula la divergencia de \(\mathbf{V} = (x^2, y^2, z^2)\).

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B-8. Divergencia de un campo rotacional

Para un campo vectorial arbitrario \(\mathbf{A}\), demuestra que la divergencia del campo rotacional \(\nabla \times \mathbf{A}\) es igual a cero. Es decir, demuestra que:

\[ \nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{A}) = 0 \]

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B-9. Rotacional de un campo rotacional

Calcula el rotacional \(\nabla \times \mathbf{V}\) de \(\mathbf{V} = (-y, x, 0)\). ¿Tiene este campo un "vórtice"?

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B-10. rot de \((yz, xz, xy)\)

Calcula el rot de \(\mathbf{V} = (yz, xz, xy)\).

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B-11. Verificación de \(\nabla \times (\nabla\Phi) = 0\)

Calcula el rot de \(\mathbf{V} = \nabla\Phi\) (con \(\Phi = x^2 + y^2 + z^2\)) y verifica que \(\nabla \times (\nabla\Phi) = 0\).

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B-12. Potencial vectorial de un campo magnético uniforme

Para el potencial vectorial \(\mathbf{A} = \frac{B}{2}(-y,\, x,\, 0)\) correspondiente a un campo magnético uniforme \(\mathbf{B} = B\hat{z}\), calcula el laplaciano de cada componente \(\nabla^2 A_x\), \(\nabla^2 A_y\), \(\nabla^2 A_z\). Además, verifica que se cumple \(\nabla \times \mathbf{A} = \mathbf{B}\).

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B-13. Laplaciano de \(x^2 - y^2\)

Calcula el laplaciano \(\nabla^2\Phi\) de \(\Phi(x, y) = x^2 - y^2\). ¿Satisface esta función la ecuación de Laplace \(\nabla^2\Phi = 0\)?

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B-14. Laplaciano de \(e^x \cos y\)

Verifica que \(\Phi(x, y) = e^x \cos y\) satisface la ecuación de Laplace.

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B-15. Laplaciano de \(\sin(kx)\sin(ly)\)

Para el campo escalar bidimensional \(f(x,y) = \sin(kx)\sin(ly)\), calcula el laplaciano \(\nabla^2 f\).


B-16. \(\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{A}) = 0\)

Para \(\mathbf{A} = (xy, yz, zx)\), calcula \(\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{A})\) y verifica que el resultado es cero.

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B-17. \(\nabla\times(\nabla\Phi) = 0\)(\(\Phi = xyz\))

Para \(\Phi = xyz\), calcula \(\nabla \times (\nabla\Phi)\) y verifica que el resultado es cero.

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B-18. Verificación de que una onda plana satisface la ecuación de ondas

Verifica que \(f(x, t) = A\sin(kx - \omega t)\) satisface la ecuación de ondas \(\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{1}{v^2}\frac{\partial^2 f}{\partial t^2}\) y demuestra que \(v = \omega/k\).

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B-19. La onda exponencial compleja satisface la ecuación de ondas

Verifica que \(f(x, t) = e^{i(kx - \omega t)}\) satisface la ecuación de ondas. (\(i\) es la unidad imaginaria)

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B-20. Clasificación de ecuaciones en derivadas parciales

Clasifica las siguientes ecuaciones en derivadas parciales como hiperbólicas, parabólicas (de difusión) o elípticas.

  • (a) \(\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = 4\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}\)
  • (b) \(\frac{\partial u}{\partial t} = 3\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}\)
  • (c) \(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = -\rho(x,y)\)
  • (d) \(i\hbar\frac{\partial \psi}{\partial t} = -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2 \psi}{\partial x^2}\)

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Intermedio

M-1. Verificación de la solución de la ecuación de difusión

Ecuación de difusión

\[ \frac{\partial u}{\partial t} = D \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} \]

Sustituye la forma de la solución \(u(x, t) = e^{ikx - \alpha t}\) en esta ecuación y expresa \(\alpha\) en términos de \(D\) y \(k\).

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M-2. Gradiente del potencial gravitatorio

Calcula el gradiente de \(\Phi(x, y, z) = -\frac{GM}{r}\) (donde \(r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}\)) y demuestra que \(\nabla\Phi = \frac{GM}{r^3}(x, y, z) = \frac{GM}{r^2}\hat{r}\). (Potencial gravitatorio del Capítulo 1)

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M-3. La divergencia del campo eléctrico de Coulomb es cero

Para \(\mathbf{E} = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0}\frac{\mathbf{r}}{r^3}\) (donde \(\mathbf{r} = (x, y, z)\), \(r = |\mathbf{r}|\)), demuestra que \(\nabla \cdot \mathbf{E} = 0\) en la región donde \(r \neq 0\). (Pista: \(\frac{\partial}{\partial x}\frac{x}{r^3} = \frac{1}{r^3} - \frac{3x^2}{r^5}\))

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M-4. Laplaciano de \(1/r\)

Confirma que \(\Phi(r) = 1/r\) (\(r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}\), \(r \neq 0\)) satisface \(\nabla^2\Phi = 0\), utilizando el laplaciano en coordenadas esféricas \(\nabla^2\Phi = \frac{1}{r^2}\frac{d}{dr}(r^2\frac{d\Phi}{dr})\). (Relacionado con el problema de práctica 1.3 del Capítulo 1)

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M-5. Solución de d'Alembert \(g(x - vt)\)

Demuestra, usando la regla de la cadena, que \(f(x, t) = g(x - vt)\) (donde \(g\) es una función arbitraria dos veces diferenciable) satisface la ecuación de ondas.

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M-6. Descomposición de una onda estacionaria

Confirma que la solución de la ecuación de ondas \(f(x, t) = A\sin(kx)\cos(\omega t)\) es una onda estacionaria (standing wave). Demuestra, utilizando la fórmula de producto a suma de funciones trigonométricas, que esta puede escribirse como la superposición de una onda que se propaga hacia la derecha y otra que se propaga hacia la izquierda.

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M-7. Condiciones de frontera de los modos de vibración de una cuerda

Verifica que la solución \(f_n(x, t) = A_n \sin(n\pi x/L)\cos(\omega_n t)\) (con \(\omega_n = n\pi v/L\)) satisface las condiciones de frontera \(f(0, t) = f(L, t) = 0\) de la ecuación de onda que describe la vibración de una cuerda (de longitud \(L\), con ambos extremos fijos). (Preparación para los modos de vibración de una cuerda del Capítulo 14)

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Avanzado

A-1. Identidad de \(\nabla\times(\nabla\times\mathbf{E})\)

Para el caso en que el campo eléctrico tiene la forma \(\mathbf{E} = (E_x(x,y,z),\, 0,\, 0)\), demuestra directamente que la identidad vectorial

\[ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = \nabla(\nabla \cdot \mathbf{E}) - \nabla^2 \mathbf{E} \]

se cumple, calculando cada lado componente a componente.

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