se llama gradiente a Ejemplo. Para calcular el gradiente de una función se hacen las derivadas parciales, escritas en orden una detrás de otra.

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Departamento de Matemáticas Universidad de Extremadura Departamento de MatemáticasUniversidad de Extremadura

Funciones de varias variables

1

En este tema se van a tratar funciones de dos variables

F : 

2

 

como F x y

(

,

)

= +x y2, y funciones de tres variables F:3  como F x y z

(

, ,

)

= xy+ez. Para estos tipos de funciones se estudiará (aunque no en este orden forzosamente)

a) qué son y cómo se representan b) límites y continuidad

c) derivadas y aplicaciones d) integrales y aplicaciones.

Las expresiones con varias variables, como por ejemplo

x + y

2, suelen escribirse indicando qué función se está utilizando: no es lo mismo F x y

(

,

)

= +x ay2 que F x y a

(

, ,

)

= +x ay2. La primera es una función de dos variables y la segunda es de tres variables.

Se define la derivada parcial con respecto a una de las variables como el resultado de derivar considerando que esa variable es la única y las demás son constantes. Por ejemplo, la derivada parcial con respecto a x es el resultado de derivar como si esa fuese la única variable y las demás son constantes. Se utilizará ¶ ¶F x para esa derivada parcial.

( , , )

2

2

F y

x

F x y z xy z F x

y

F z

z

¶ =

= +  ¶ =

¶ =

Ejemplo: tabla de derivadas parciales

expresión

x

y

z

x 1

y xy

= -

y

-1 x

(

-1

)

y-2 = -xy-2 0

xy z

2 3

y z

2 3

x yz 2

3

= 2 xyz

3

xy

2

3 z

2

= 3 xy z

2 2

(

2

)

sen

x yz sen yz (

2

) xz

2

cos ( yz

2

) 2 xyz cos ( yz

2

)

Para una función de varias variables

F x y ( , ,... )

se llama gradiente a , ,...

F F

F x y

æ¶ ¶ ö÷

 =çççè¶ ¶ ÷÷ø

.

Se suele decir que F es el gradiente de la función potencial

F

.

Ejemplo. Para calcular el gradiente de una función se hacen las derivadas parciales, escritas en orden una detrás de otra.

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

2 2

, 2 , 2

, 1, 0

, ? 1,1 , ? , 0

F x y x y F x y

F x y x F

F x y F

F x y F y

= + ¾¾   =

= ¾¾   =

= ¬¾ ¾  =

= ¬¾ ¾  =

El proceso inverso, calcular el potencial, si existe, se verá más adelante.

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Funciones de varias variables

2

Las derivadas parciales de orden superior (de orden 2 en este caso) son

( )

2 2 2

2

2 2

,

F F

x x

F x

x F F

y x y x

F x y

F F

x y x y

F

y F F

y y y

ì ì ¶ ¶ æ ö ¶

ï ï

ï ï ç ÷ ÷ =

ï ï ç çè ÷ ø

ï ¶ ï ¶ ï ¶ ¶

ï ¾¾ í

ïï ¶ ï ¶ ¶ æ ö ¶

ï ï ÷

ï ï ç ÷ =

ï ï ¶ ç çè ¶ ÷ ø ¶ ¶

ï ïî

¾¾ í ï ï ï ï ï ï ï ï ¶ ï ï ï ï ïî ¶ ¾¾ í ì ï ï ï ï ¶ ï ï ï ï ï ï î ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ æ ç ç ç è æ ç ç ç è ¶ ¶ ö ÷ ÷ ÷ ø ö ÷ ÷ ÷ ø = = ¶ ¶ ¶ ¶ ¶

Ejemplo:

Las cuatro derivadas parciales de orden 2 de la función

(

,

)

x F x y

= y son

( )

2 2 1

2

2

2

2 2

2

3 2

0

,

2

F F

x x

F x

x y F F

y x y x y F x y x

y

F F

x y x y y

F xy

y F F

y y y xy

-

-

- -

-

ì ì

ï ï ¶ ¶ æ ö ¶

ï ï ç ÷ = =

ï ï ç ç ÷ ÷

ï ¶ ï ¶ ï è ¶ ø ¶

ï = ¾¾ 

ï í

ï ¶ ï ¶ ¶ æ ö ¶

ï ï

ï ï ç ÷ ÷ = = -

ï ï ç çè ÷ ø

ï ïî ¶ ¶ ¶ ¶

= ¾¾  í ïïï

ïï ì

ï ï ¶ ¶ æ ö ¶

ï ï ç ÷ = = -

ï ï ç ç ÷ ÷

ï ¶ ï ¶ è ¶ ø ¶ ¶

ï ¶ = - ¾¾  í ï ï ï ï ï ï ¶ ¶ ¶ æ ç ç ç è ¶ ö ÷ ÷ ÷ ø = ¶ ¶ =

î î

ïï ïï ïïï

Una función de dos variables tiene dos derivadas parciales y cuatro derivadas parciales de orden 2.

Una función de tres variables tiene tres derivadas parciales y nueve derivadas parciales de orden 2.

También existen otras derivadas parciales de orden superior, si F x y z

(

, ,

)

= +x yz2, la expresión

( )

4

2 2 2 0

F F

yz z

x z y z x z y z x z y x z x

æ æ æ ööö æ æ öö æ ö

¶ = ¶ ¶ ¶ ¶ ç ç ç è ç ç ç è ç ç ç è ÷÷÷ ÷÷÷ ÷÷÷ øøø = ¶ ¶ ¶ ç ç ç è ç ç ç è ÷÷ ÷÷ ÷÷ øø = ¶ ¶ ç ç ç è ÷ ÷ ÷ ø = ¶ =

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶

es una derivada parcial de orden 4.

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Gráficas y curvas de nivel

1

Una función

f :   

de una variable tiene su gráfica

y = f x ( )

en el plano

2. Una función de dos variables F :2  tiene su gráfica

z = F x y ( , )

en el espacio

3. Las funciones de tres o más variables tienen gráficas que no se pueden dibujar.

Para dibujar la gráfica

y = f x ( )

de una función de una variable se van dando valores a la variable x, se obtienen los valores correspondientes de

y

obteniendo una tabla de valores, que al dibujarlos van enseñando cómo es la gráfica. Además existen otras herramientas, como el cálculo de los puntos de corte con los ejes, asíntotas, máximos y mínimos,…

Para dibujar la gráfica

z = F x y ( , )

de una función de dos variables se debería proceder igual, solo que dibujar en el espacio colocando puntos de una tabla de valores no da casi ningún resultado, como se puede ver en la gráfica de la derecha.

Para hacer el dibujo de la gráfica se suele utilizar el método en el que se

calculan y dibujan las curvas de nivel. Este método consiste en dar cortes horizontales a la gráfica y a partir de esos cortes se reconstruye la gráfica1.

Conviene recordar cómo se dibujan objetos en el espacio

3, como los elementos que se han colocado en el dibujo de la derecha: los puntos

( 1, 1, 2 )

y

( 1, 1, 0 )

y el plano

z = 1

, que es paralelo al plano

XY

y cuya ecuación es z =0.

Ejemplo: gráfica de f x y

(

,

)

= x2+y2.

Hacer cortes de la gráfica con planos horizontales es hacer cortes de la

gráfica

z = x

2

+ y

2 con planos

z = r

donde

r

va variando según sea la altura del corte:

2 2

z x y

z r

ì = +

ïï íï = ïî

dan como resultado circunferencias

x

2

+ y

2

= r

centradas en el origen de radio

r

. Si se dan cortes con planos como el plano

XZ

o paralelos, se obtienen curvas

2 2

z x y

y r

ì = +

ïï íï = ïî

que son parábolas

z = x

2

+ r

2.

Esta gráfica se llama paraboloide de revolución. Es la forma que tienen las antenas parabólicas, y tiene una propiedad muy interesante.

( 1, 1, 2 )

( 1, 1, 0 ) 1

z =

X

Y Z

Cortes con planos horizontales

Cortes con planos paralelos al XZ

Gráfica de la función

( , ) 2 2

f x y =x +y con algunas curvas de nivel

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Gráficas y curvas de nivel

2

Ejemplo: gráfica de

f x y ( , ) = xy

.

Los cortes con planos paralelos al suelo (se llama así al plano de ecuación z =0) dan como resultado las curvas

z xy z r ì = ïï íï = ïî

que son hipérbolas equiláteras, y están dibujadas más abajo.

1 Ver por ejemplo

http://es.wikipedia.org/wiki/Isolínea

Curvas de nivel Gráfica de la función y curvas de nivel

Gráfica de la función y plano z =0

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Derivadas parciales, gradientes y potenciales

1

Para una función de varias variables

F x y ( , ,... )

se llama derivada parcial con respecto a x a

( ) ( ) ( )

0

, , , ,

, , lim

h

F F x h y F x y

x x y

h

¶ + -

¶ =

 

siempre que este límite exista. Análogamente se define la derivada parcial con respecto a

y

como

( ) ( ) ( )

0

, , , ,

, , lim

h

F F x y h F x y

y x y h

¶ = + -

 

.

En el caso de una función

f x ( )

de una sola variable la única derivada parcial se llama derivada

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

lim

0 h

f df f x h f x

x x f x

x dx

h

¶ = = ¢ = + -

¶ .

Las propiedades de las derivadas parciales con respecto a las operaciones habituales de suma y resta, producto y cociente, regla de la cadena,… son idénticas a las propiedades de las derivadas de funciones de una variable:

( )

( )

( )

( )

( ) ( ( ( ) ) ) ( ( ) ) ( )

2

, ,... , ,... , ,... , ,...

F G F G

z z z

F G F G

G F

y y y

F G

G F

F G x x

x G

F G

F G x y F G x y G x y x y

y y y y

¶  =¶ ¶

¶ ¶ ¶

¶ ⋅ =¶ + ¶

¶ ¶ ¶

¶ - ¶

¶ = ¶ ¶

¶ = ¶ =¶ ⋅¶

¶  ¶ ¶ ¶

Para funciones de varias variables, el gradiente es una función vectorial

Función (potencial) Gradiente

( , )

f x y = xy

¾¾

f x y ( , ) ( = y x , )

no hay ¬¾¾

( y , 0 )

(

,

)

2

f x y =xy ¾¾

f x y ( , ) = ( y

2

, 2 xy )

( , ) 16

f x y = + + x y

¬¾¾

f x y ( , ) ( = 1, 1 )

Ya no es tan sencillo el proceso potencial  gradiente y gradiente  potencial. El primero consiste en hacer las derivadas parciales, pero el segundo no es tan simple. Incluso hay expresiones que no tienen potencial.

Ejemplo: para calcular el potencial de la expresión

( 0, 2 y )

hay que encontrar alguna función

( , )

f x y

que cumpla

(

,

) (

,

)

0, 2

f x y f x y

x y y

¶ = ¶ =

¶ ¶

De la primera ecuación se tiene que la función debe ser

f x y ( , ) = + C j ( ) y

, es decir, una constante más una expresión que no contenga a la variable x. Utilizando esto y la segunda igualdad de más arriba se sigue que

(

,

)

2

( )

f x y

y y

y j

¶ = = ¢

¶ y así la función buscada es f x y

(

,

)

= +C y2.

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Derivadas parciales, gradientes y potenciales

2

Ejemplo: para calcular el potencial de la expresión

( y , 0 )

se trata de encontrar alguna función

( , )

f x y

que cumpla

(

,

) (

,

)

, 0

f x y f x y

x y y

¶ = ¶ =

¶ ¶

De la primera ecuación se tiene que la función debe ser

f x y ( , ) = xy + j ( ) y

. Utilizando esto y la segunda igualdad de más arriba se sigue que

(

,

)

0

( )

f x y

x y

y j

¶ = = + ¢

que es imposible (la función

j

sólo depende de la variable

y

). Así pues, la expresión

( y , 0 )

no tiene potencial, es decir, no es un gradiente.

Existe una herramienta que permite saber de forma rápida si una expresión tiene o no potencial, es decir, para saber si es o no un gradiente. Esta herramienta se llama teorema de Schwarz y en ella aparecen las derivadas de orden superior.

Para una función

F

de varias variables, las derivadas parciales son funciones que pueden volver a derivarse, y se obtienen derivadas de orden superior, que suelen escribirse como

2 2 2 2

2 2

F F F F F F F F F F

x x x x x y x y x x y x y y y y

æ ö æ ö æ ö æ ö

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ç ç ç è ¶ ÷ ÷ ÷ ø = ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ç ç ç è ¶ ÷ ÷ ÷ ø = ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ç ç ç è ¶ ÷ ÷ ÷ ø = ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ç ç ç è ¶ ÷ ÷ ÷ ø = ¶ ¶

derivadas parciales derivadas parciales

de orden 2 (de orden 1)

 



...

 

(hay derivadas de órdenes 3, 4,…)

Teorema de Schwarz. Si una función

F x y ( , ,... )

tiene derivadas cruzadas de orden 2 y son continuas entonces coinciden:

2

F

2

F

y x x y

¶ ¶

¶ ¶ = ¶ ¶

(estas derivadas parciales de orden 2 se llaman derivadas parciales cruzadas, y el teorema dice que coinciden en la práctica totalidad de funciones que se utilizan)

Ejemplo: para la función

F x y ( , ) = x sen xy

se obtienen las derivadas parciales siguientes (las derivadas parciales cruzadas se han resaltado, y coinciden tal y como dice el teorema de Schwarz)

( )

2 2

2 2

2

2 2

2

3 2

2

2 cos sen

sen cos

2 cos sen

, sen

2 cos sen

cos

sen

F

F y xy xy xy

F x

xy xy xy

x x xy x y xy

F x y x xy

x xy x y xy

F x xy

y F

x xy y

y x

F x y

ì ì

ï ï ¶

ï ï = -

ï ï

ï ¶ ï ¶

ï = +  ï

ï í

ï ¶ ï

ï ï

ï ï = -

ï ï

ï ïî

=  í ïïï

ïï ì

ï ï

ï ï = -

ï ï

ï ¶ ï

ï ï

ï =  í

ï ¶

¶ ¶

¶ ¶

ï ï ï ¶

ï ï = -

ï ï

ï ï ¶

ïî î

El teorema de Schwarz también puede aplicarse para derivadas de órdenes 3, 4, … La regla es que el proceso de derivación parcial es conmutativo (para las funciones cuyas parciales sean continuas).

Ejemplo: para la función F x y

(

,

)

= +x yz3 se obtiene, haciendo cambios de dos en dos

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Derivadas parciales, gradientes y potenciales

3

4 4 4 4

2 2 2 0

F F F F

x z y z x y z y x z y z x

¶ = ¶ = ¶ = ¶ =

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶

Otra aplicación del teorema de Schwarz es poder decidir si una expresión es o no un gradiente, es decir, si tiene o no potencial. Para ello hay que darse cuenta que si se parte de una función potencial y se calcula su gradiente,

( )

2 2

, ,... ,

y x

F F

F x y F

x y

F F

y x x y

æ¶ ¶ ÷ö

¾¾  = çççè¶ ¶ ÷÷ø

¶ = ¶

¶ ¶ ¶ ¶

 

al hacer las derivadas parciales cruzadas debe salir el mismo resultado. Esta propiedad la tienen las expresiones que son gradientes de alguna función. Por ejemplo, para saber si

( y x , )

es un gradiente basta comprobar cómo son las derivadas parciales cruzadas:

( , )

1 1

y x

y x

=

 

Se trata entonces de una expresión que sí es un gradiente (después de saber que es un gradiente se puede calcular el potencial). En cambio, la expresión

( y , 0 )

no es un gradiente, pues

( , 0 )

1 0

y x

y

¹

 

En este caso ya no hay que continuar los cálculos de un posible potencial, ya que no existe.

Esta consecuencia del teorema de Schwarz se puede resumir así:

(en el caso de dos variables) Para que una expresión

( P Q , )

sea un gradiente se tiene que cumplir

P Q

y x

¶ =¶

¶ ¶

(en el caso de tres variables) Para que una expresión

( P Q R , , )

sea un gradiente se tienen que cumplir las tres condiciones

, ,

P Q P R Q R

y x z x z y

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶

= = =

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶

Ejemplo: para saber si la expresión

( y

2

, 2 xy )

basta hacer las derivadas cruzadas,

(

2

, 2 )

2 2

y x

y xy

y y

=

 

y, como son iguales, se tiene que sí hay función potencial. Esta función se calcula a partir de

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Derivadas parciales, gradientes y potenciales

4

( ) ( )

( )

2

,

2

2 2

y

F y F x y xy y

x

F xy xy y

y

j j

ì ¶ ïï = ¾¾  = +

ï ¶ ï 

í ¶ ïï = ¬¾ ¾ + ¢

ï ¶ ïî

y se obtiene F x y

(

,

)

= xy2.

Ejemplo: para saber si la expresión

( 1, z

2

, 2 yz )

hay que hacer todas las comparaciones por parejas:

2

2

1

1 2

2 z

y x

yz

z x

z yz

z y

¶ = ¶

¶ ¶

¶ = ¶

¶ ¶

¶ ¶

¶ = ¶

Como las tres coinciden (si hubiera fallado alguna la expresión no sería un gradiente) existe una función potencial. Esa función se puede calcular mediante las ecuaciones

2

1

2 F

x F z

y

F yz z

ì ¶ ïï =

ï ¶ ïï

ï ¶ ï =

íï ¶ ïï

ï ¶ ï =

ïï ¶ î

y así F x y z

(

, ,

)

= +x yz2.

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Un ejemplo sobre el teorema de Schwarz–Clairaut Un ejemplo sobre el teorema de Schwarz–Clairaut

Sea f : R2 −→ R definida mediante

f (x, y) =





xy(y2− x2)

y2+ x2 si (x, y) , 0 0 si (x, y)= 0

En cada punto (x, y) ∈ R2existen las derivadas parciales ∂x2f2, ∂y2f2, ∂y∂x2f y ∂x∂y2f , pero

2f

∂y∂x(0, 0) , ∂2f

∂x∂y(0, 0).

Esto no contradice el teorema de Schwarz–Clairaut. Lo que ocurre es que no se cumple la continuidad de las derivadas segundas en (0, 0). En cualquier otro punto (x, y) , (0, 0) las derivadas parciales cruzadas sí coinciden.

Los cálculos son sencillos. Por una parte,

∂f

∂x (0, 0)= lim

t →0

f (t, 0) − f (0, 0)

t = 0, ∂f

∂y (0, 0)= lim

t →0

f (0, t ) − f (0, 0)

t = 0.

Luego, las funciones derivadas primeras son

fx(x, y)= ∂f

∂x (x, y)=







y x2− y2

y2+ x2 + 2x2y

y2+ x2 − 2x2y x2− y2

(y2+ x2)2 si (x, y) , (0, 0)

0 si (x, y)= (0, 0)

y

fy(x, y)= ∂f

∂y (x, y)=







x x2− y2

y2+ x2 − 2xy2

y2+ x2 − 2xy2 x2− y2

(y2+ x2)2 si (x, y) , (0, 0)

0 si (x, y)= (0, 0)

.

Las derivadas segundas cruzadas en (0, 0) son

2f

∂x∂y(0, 0) = lim

t →0

fy(t, 0) − fy(0, 0)

t = lim

t →0

t3 t3 = 1

y ∂2f

∂y∂x(0, 0) = lim

t →0

fx(0, t ) − fx(0, 0)

t = lim

t →0

−t3

t3 = −1.

Un ejemplo sobre el teorema de Schwarz–Clairaut de las derivadas parciales cruzadas

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z - D

ep ar

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ica mát U s -

ve ni id rs ad

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Fernando

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Ejemplos de derivadas parciales

f (x, y) = cos (x sen (y))

∂f

∂x = − sen (x sen (y)) sen (y)

∂f

∂y = −x sen (x sen (y)) cos (y)

2f

∂x2 = ∂

∂x

∂f

∂x



= − sen (y)2cos (x sen (y))

2f

∂y∂x = ∂

∂y

∂f

∂x



= −x sen (y) cos (x sen (y)) cos (y) − sen (x sen (y)) cos (y)

2f

∂x∂y = ∂

∂x

∂f

∂y



= −x sen (y) cos (x sen (y)) cos (y) − sen (x sen (y)) cos (y)

2f

∂y2 = ∂

∂y

∂f

∂y



= −x2cos (x sen (y)) cos (y)2+ x sen (x sen (y)) sen (y)

f (x, y) = xy3+ 1

∂f

∂x = y3

∂f

∂y = 3 xy2

2f

∂x2 = 0

2f

∂y∂x = 3 y2

2f

∂x∂y = 3 y2

2f

∂y2 = 6 xy

f (x, y) = cos (x) sen (y)

∂f

∂x = −sen (x) sen (y)

∂f

∂y = −cos (x) cos (y) sen (y)2

2f

∂x2 = −cos (x) sen (y)

2f

∂y∂x = sen (x) cos (y) sen (y)2

2f

∂x∂y = sen (x) cos (y) sen (y)2

2f

∂y2 = cos (x)

sen (y)+ 2cos (x) cos (y)2 sen (y)3

(11)

Fernando nc he

z - D

ep ar

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Fernando

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Ejemplos de derivadas parciales

f (x, y) = (x− y)3 x2

∂f

∂x = −2(x− y)3

x3 + 3(x− y)2 x2

∂f

∂y = −3(x− y)2 x2

2f

∂x2 = 6(x− y)3

x4 − 12(x− y)2

x3 + 6(x− y) x2

2f

∂y∂x = 6(x− y)2

x3 − 6(x− y) x2

2f

∂x∂y = 6(x− y)2

x3 − 6(x− y) x2

2f

∂y2 = 6(x− y) x2

f (x, y) = yex−y

∂f

∂x = yex−y

∂f

∂y = −yex−y+ ex−y

2f

∂x2 = yex−y

2f

∂y∂x = −yex−y+ ex−y

2f

∂x∂y = −yex−y+ ex−y

2f

∂y2 = yex−y− 2 ex−y

f (x, y) = x22xy

∂f

∂x = x22xy log (2)

y + 2 x2xy

∂f

∂y = −x32xylog (2) y2

2f

∂x2 = 2 2xy +x22xylog (2)2

y2 + 4x2xylog (2) y

2f

∂y∂x = −x32xylog (2)2

y3 − 3x22xy log (2) y2

2f

∂x∂y = −x32xylog (2)2

y3 − 3x22xy log (2) y2

2f

∂y2 = x42xy log (2)2

y4 + 2x32xylog (2) y3

(12)

Fernando nc he

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Ejemplos de derivadas parciales

f (x, y) = cos (y + cos (x))

∂f

∂x = sen (y + cos (x)) sen (x)

∂f

∂y = − sen (y + cos (x))

2f

∂x2 = − sen (x)2cos (y + cos (x)) + sen (y + cos (x)) cos (x)

2f

∂y∂x = sen (x) cos (y + cos (x))

2f

∂x∂y = sen (x) cos (y + cos (x))

2f

∂y2 = − cos (y + cos (x))

f (x, y) =

√x− y y

∂f

∂x = 1 2

√ 1 x− yy

∂f

∂y = −

√x− y y2 −1

2

√x1− yy

2f

∂x2 = −1 4

1 (x− y)(32)y

2f

∂y∂x = −1 2

√ 1

x− yy2 +1 4

1 (x− y)(32)y

2f

∂x∂y = −1 2

√ 1

x− yy2 +1 4

1 (x− y)(32)y

2f

∂y2 = 2

√x− y

y3 + 1

√x− yy2 −1 4

1 (x− y)(32)y f (x, y) =

√x + y (x− y)

∂f

∂x = 1 2

1 (x− y)√

x + y −

√x + y (x− y)2

∂f

∂y = 1 2

1 (x− y)√

x + y +

√x + y (x− y)2

2f

∂x2 = −1 4

1

(x− y)(x + y)(32) −

1 (x− y)2

x + y + 2

√x + y (x− y)3

2f

∂y∂x = ∂2f

∂x∂y = −1 4

1

(x− y)(x + y)(32) −2

√x + y (x− y)3

2f

∂y2 = −1 4

1

(x− y)(x + y)(32) + 1 (x− y)2

x + y + 2

√x + y (x− y)3

En este ´ultimo ejemplo se ha omitido una derivada parcial cruzada s´olo para ahorrar espacio, aunque deben coincidir por el teorema de Schwartz, tal y como se indica

(13)

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Ejemplos de derivadas parciales

f (x, y) = x cos (y) + y sen (x)

∂f

∂x = y cos (x) + cos (y)

∂f

∂y = −x sen (y) + sen (x)

2f

∂x2 = −y sen (x)

2f

∂y∂x = − sen (y) + cos (x)

2f

∂x∂y = − sen (y) + cos (x)

2f

∂y2 = −x cos (y)

f (x, y) = x y − y

x

∂f

∂x = y x2 +1

y

∂f

∂y = −1 x− x

y2

2f

∂x2 = −2 y x3

2f

∂y∂x = 1 x2 − 1

y2

2f

∂x∂y = 1 x2 − 1

y2

2f

∂y2 = 2 x y3

f (x, y) = (y− 1)x + (x − 2)√ y

∂f

∂x = y +√y− 1

∂f

∂y = x + 1 2

(x− 2)

√y

2f

∂x2 = 0

2f

∂y∂x = 1 2

√1y + 1

2f

∂x∂y = 1 2

√1y + 1

2f

∂y2 = −1 4

(x− 2) y(32)

(14)

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Ejemplos de derivadas parciales

Estos ejemplos se han creado con SAGE (www.sagemath.org). Otra forma de hacer derivadas parciales es con WxMAXIMA: cortando y pegando hay que crear un fichero Derivadas.wxm y abrirlo desde WxMAXIMA.

/* [wxMaxima batch file version 1] [ DO NOT EDIT BY HAND! ]*/

/* [ Created with wxMaxima version 0.8.3 ] */

/* [wxMaxima: input start ] */

f:x^2+y^3;

/* [wxMaxima: input end ] */

/* [wxMaxima: input start ] */

’derivative(f,x)=derivative(f,x);’derivative(f,y)=derivative(f,y);

/* [wxMaxima: input end ] */

/* [wxMaxima: input start ] */

’derivative(’derivative(f,x),x)=derivative(derivative(f,x),x);

/* [wxMaxima: input end ] */

/* [wxMaxima: input start ] */

’derivative(’derivative(f,x),y)=derivative(derivative(f,x),y);

/* [wxMaxima: input end ] */

/* Maxima can’t load/batch files which end with a comment! */

"Created with wxMaxima"$

El resultado en el programa WxMAXIMA debe ser similar a esto:

(%i6) f:x^2+y^3;

(%o6) y3+ x2

(%i2) ’derivative(f,x)=derivative(f,x);’derivative(f,y)=derivative(f,y);

(%o2) d

d x y3+ x2

= 2 x

(%o3) d

d y y3+ x2

= 3 y2

(%i4) ’derivative(’derivative(f,x),x)=derivative(derivative(f,x),x);

(%o4) d2

d x2 y3+ x2

= 2

(%i5) ’derivative(’derivative(f,x),y)=derivative(derivative(f,x),y);

(%o5) d2

d x d y y3+ x2

= 0

S´olo se han puesto dos derivadas parciales de orden 2. Con las evidentes modificaciones se hacen las dem´as

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El gradiente como campo de vectores

1

Una función de dos variables

F x y ( , )

se puede representar dibujando su gráfica

z = F x y ( , )

en el espacio

3. Su gradiente es una función vectorial (tiene dos componentes) y para representarla se suele dibujar el campo de vectores asociado. Esta técnica permite hacerse una idea de cómo es la función y qué relación tiene con su función potencial.

Para dibujar una función vectorial

G x y ( , ) = ( P x y Q x y ( , ) ( , , ) )

con dos componentes, en cada punto

( x y , )

del plano se dibuja el vector

G x y ( , )

. Se consigue así un campo vectorial. Por ejemplo, para la función

G x y ( , ) ( = x , 0 )

, hay que dibujar lo siguiente:

en el punto

( 0, 0 )

se dibuja el vector

G ( 0, 0 ) ( = 0, 0 )

, en el punto

( 1, 0 )

se dibuja el vector

G ( 1, 0 ) ( = 1, 0 )

, en el punto

( 0,1 )

se dibuja el vector

G ( 0,1 ) ( = 0, 0 )

, en el punto

( 1,1 )

se dibuja el vector

G ( 1,1 ) ( = 1, 0 )

, en el punto

( 2, 1 - )

se dibuja

G ( 2, 1 - = ) ( 2, 0 )

,…

Dibujando varios vectores va apareciendo qué aspecto tiene el campo de vectores asociado a la función. Esta técnica no tiene demasiada dificultad.

En el caso de una función

F x y ( , )

y su gradiente F se

pueden representar la gráfica de la primera y el campo de vectores de la segunda. ¿Qué relación puede haber entre ambas representaciones? Para tratar de responder a esta pregunta se van a representar algunas funciones y sus gradientes.

Ejemplo. La función

F x y ( , ) = x

tiene como gráfica un plano, de ecuación z =x. Su gráfica

puede verse a la izquierda. Su gradiente es la función

F x y ( , ) ( = 1, 0 )

, cuyo campo de vectores es muy sencillo: todos los vectores apuntan hacia la derecha y tienen módulo igual a

1

.

Ejemplo. La función

F x y ( , ) = y

tiene como gráfica un plano,

z = y

, representada a la

izquierda y su gradiente

F x y ( , ) ( = 0,1 )

es un campo de vectores que está dibujado a la derecha. Los vectores apuntan hacia arriba (en la dirección positiva del eje

Y

) y tienen módulo igual a

1

.

X Y

Z

X

Y

Z

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El gradiente como campo de vectores

2

Ejemplo. Para la función

F x y ( , ) = x

2

+ y

2 y su gradiente

F x y ( , ) ( = 2 , 2 x y )

se obtienen

También se pueden representar campos de vectores de funciones que no tienen potencial, como

G x y ( , ) ( = - y x , )

. Esta función no tiene potencial ya que las parciales cruzadas no coinciden. Aún así, se puede representar como un campo vectorial, como se ve en el gráfico de la derecha.

Máxima ganancia. Una propiedad que tiene el vector gradiente es la siguiente: en cada punto

P

el vector gradiente

( )

F P

indica la dirección en la cual la función aumenta más rápidamente de valor. La dirección contraria

- F P ( )

indica la dirección de máxima pérdida. La dirección perpendicular indica aquella en la que no hay ganancia ni pérdida.

Ejemplo: un objeto está situado en el punto

P ( 1, 2 )

de una placa metálica en la que en cada punto

( x y , )

de la placa la temperatura viene dada por T x y

(

,

)

=100- +x y2. El objeto está a una temperatura de

T ( 1, 2 ) = 100 - + 1 2

2

= 103

. Si quiere ganar temperatura lo antes posible tendrá que seguir la dirección

T ( 1, 2 ) ( = - 1, 4 )

, ya que

T x y ( , ) ( = - 1, 2 y )

. Si quiere perder temperatura lo antes posible, la dirección mejor es

- T ( 1, 2 ) ( = 1, 4 - )

. Una dirección perpendicular

( 4,1 )

o

( - - 4, 1 )

es la que debe seguir para no cambiar su temperatura.

Para un objeto situado en otro punto

Q ( 3,1 )

, cuya temperatura es

T ( 3,1 ) = 100 - + 3 1

2

= 98

, la dirección para perder temperatura lo antes posible es

- T ( 3,1 ) ( = 1, 2 - )

.

F P ( )

( ) - F P ( )

^  F P

P

+

-

( ) - F Q

( )

^  F Q

Q

+

-

( )

F Q

= =

(17)

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El gradiente como perpendicular

1

Hay muchos objetos que pueden representarse con una ecuación

F x y ( , ,... ) = 0

. Por ejemplo, en el plano

2 la ecuación y= x2 es una parábola y

3 x - 2 y = 1

es una recta. En el espacio

3 la ecuación z =x2+y2 es un paraboloide de revolución y

3 x - 2 y = 1

es un plano. Todos estos objetos están definidos por una función

F

. Para la primera parábola es F x y

(

,

)

= -y x2 =0, y el paraboloide es F x y z

(

, ,

)

= x2+y2- =z 0.

Propiedad fundamental del gradiente. En cada punto

P

de un objeto

F x y ( , ,... ) = 0

el vector gradiente

( )

F P

atraviesa al objeto perpendicularmente.

Lógicamente, si se quiere atravesar

F x y ( , ,... ) = 0

perpendicularmente en otro punto

Q

habrá que tomar el vector

F Q ( )

.

Ejemplo. Para atravesar perpendicularmente la pará- bola de ecuación y= x2 hay que proceder así:

se escribe el objeto F x y

(

,

)

= -y x2 =0, cuyo gradiente es

F x y ( , ) ( = - 2 ,1 x )

. En el punto

( 0, 0 )

P

hay que elegir el vector

F ( 0, 0 ) ( = 0,1 )

y en el punto

Q ( 1,1 )

el vector

F ( 1,1 ) ( = - 2,1 )

, como se muestra en el dibujo de la izquierda.

Este proceso permite incluso calcular las rectas perpendicular y tangente en cada punto. Por ejemplo, en el punto

Q ( 1,1 )

la recta perpendicular

r

es aquella que pasa por dicho punto y que tiene como vector director a

( - 2,1 )

. La recta tangente pasa por ese punto pero su vector es perpendicular al vector

( - 2,1 )

, es decir, tiene como vector director al vector

( 1, 2 )

. Así, la recta

r

es

( ) ( )

1 2

1 1

x y

l l

ì = + -

ïï íï = + ïî

y, despejando

l

en ambas ecuaciones, se tiene

x + 2 y = 3

. La recta tangente a la parábola que pasa por el punto

Q

es

( ) ( )

1 1

1 2

x y

l l ì = + ïï íï = + ïî

que se puede escribir como

2 x - = y 1

.

Ejemplo. Una recta en el plano tiene como ecuación

ax + by + = c 0

y es fácil calcular el vector perpendicular: basta hacer el gradiente de

F x y ( , ) = ax + by + c

, que es

F x y ( , ) ( = a b , )

. Por ejemplo, la recta

3 x - 5 y = 23

tiene como vector perpendicular a

( 3, 5 - )

.

Ejemplo. Un plano en el espacio

Ax + By + Cz + D = 0

tiene como vector perpendicular a

F x y z ( , , ) ( = A B C , , )

donde

( , , )

F x y z = Ax + By + Cz + D

.

Esto permite conocer rápidamente la ecuación de un plano conociendo su vector perpendicular y un punto por el que pasa.

Por ejemplo, un plano perpendicular al vector

( 3, 4, 7 - )

tiene como ecuación

3 x - 4 y + 7 z + D = 0

. El valor

D

se calcula si conocemos un punto del plano. Por ejemplo, si el plano contiene al punto

( 1,1, 0 )

entonces

3 1 ⋅ - ⋅ + ⋅ + 4 1 7 0 D = 0

.

( , ,...) 0 F x y =

PF P ( )

Q

( )

F Q

r Q

0 Ax + By + Cz + D =

( A B C , , )

(función diferenciable)

Figure

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References

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