josé r. narro introducción al cálculo infinitesimal tema 4: diferenciabilidad de funciones reales...

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Tema 4

1. Derivadas parciales2. Plano tangente y recta normal3. Derivadas parciales sucesivas (o de orden superior)4. Diferenciabilidad (para una y dos variables)5. Plano tangente y diferenciabilidad6. Derivada de la función compuesta (Regla de la cadena)7. Derivación en forma implicita8. Derivada según un vector9. Derivada direccional10.Vector gradiente11.Fórmula de Taylor para funciones de dos variables

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Sea z = f(x, y) una función de dos variables con dominio D. Si mantenemos la va-riable y fija: y = b, siendo b una constante, y suponemos que solo la x varía, la fun-ción f se convierte entonces en función de solo la variable x: g(x) = f(x, b). Si g tiene derivada en a, entonces esta se llama derivada parcial de f respecto de x en(a, b), que denotamos por fx(a, b). Luego por definición se tiene:

fx(a, b) = g´(a) = 0

g(a+h)-g(a)lim

hh, por tanto

fx(a, b) = 0

f(a+h, b)-f(a, b)lim

hh

Análogamente se define la derivada parcial de f respecta de y en (a, b), y que deno-tamos por fy(a, b), que se obtiene fijando x = a, y obteniendo la derivada en b de la función h(y) = f(a, y)

0y

f(a, b+h)-f(a, b)f (a, b) lim

hh

Derivadas parciales

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José R. Narro y=b

z=f(x, y)

y

x

z

z=f(x, b)

P(a, b, f(a, b))

Corte de z = f(x, y) con y = b

b

x = a

x

z

z=f(x, b)

Proyección del corte de z=f(x, y) con y = b sobre el plano ZX

tg b = fx(a, b)

Si consideramos la superficie que tiene por ecuación z = f(x, y), el plano y = b, corta a la superficie en la curva z = f(x, b), que tiene por pendiente en el punto x = a, el valor de su derivada en dicho punto, que es precisamente:

fx(a, b) = 0

f(a+h, b)-f(a, b)lim

hh

Interpretación geométrica de la derivada parcial

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Análogamente, si cortamos la superficie por el plano x = a, se obtiene la curva z =f(a,y), que tiene por pendiente en el punto y = b, el valor de su derivada en dicho punto:

0y

f(a, b+h)-f(a, b)f (a, b) lim

hh .

Interpretación geométrica de la derivada parcial

x=a

y=b

z=f(a, y)

z=f(x,y)

z

x

y

P(a, b, f(a,b))

Corte de z=f(x, y) con x=a

z

y

a

fy (a, b)=tg a

y=b

Proyección del corte de z = f(x, y) con x = a sobre el plano ZY

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Suponiendo que el plano tangente a la superficie z = f(x, y) en el punto P(a, b, f(a,

b)) existe obtengamos su ecuación. Dicho plano debe contener a las rectas tangen-

tes a la curvas contenidas en la superficie y que pasan por P(a, b, f(a, b)); en parti-

cular contendrá a las rectas tangentes a las curvas que resultan de cortar a la su-

perficie por los planos x = a, y = b.

Al cortar por x = a, se obtiene la curva z = f(a, y) en el plano ZY, y cuya recta tan-

gente en el punto P(a ,b, f(a, b)) tiene por pendiente fy(a, b), luego un vector direc-

tor de esta recta será de la forma (0, u, v) , siendo y

v=f (a, b)

u, tomando u = 1, se

obtiene: v = fy(a, b)

es decir, un vector en la dirección de la recta tangente es (0, 1, fy(a, b)).

Plano tangente

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x=a

y=b

z=f(a, y)

z=f(x,y)

z

x

y

P(a, b, f(a,b))

Corte de z=f(x, y) con x=a

a

Vector director = (1, fy(a, b))

Vector director = (0, 1, fy(a, b))

tg a = fy(a, b)

Plano tangente

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José R. Narroy=b

z=f(x, y)

y

x

z z=f(x, y)

P(a, b, f(a, b))

Corte de z = f(x, y) con y = b

b

tg b = fx(a, b)

Vector director = (1, 0, fx(a, b))

Vector director = (1, fx(a, b))

z = f(x, b)

Plano tangente

Análogamente, al cortar por y = b, se obtiene la curva z = f(x, b) en el plano ZX, y cuya recta tangente en el punto P(a ,b, f(a, b)) tiene por pendiente fx(a, b), luego un

vector director de esta recta será de la forma (u, 0, v), siendo x

v=f (a, b)

u, tomando

u = 1, se obtiene v = fx(a, b), es decir, un vector en la dirección de la recta tangente es (1, 0, fx(a, b)).

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Plano tangente y recta normal

En consecuencia dos vectores directores del plano tangente en el punto :

P(a ,b, f(a, b)) son p

= (0, 1, fy(a, b)) y q

= (1, 0, fx(a, b), luego un vector perpendicu-lar al plano se obtendrá multiplicándolos vectorialmente

p×q

= 0 1

1 0

y

x

f (a, b)

f (a, b)

i j k��

= x yf (a, b)i+f (a, b)j-k��

Por lo tanto el plano tangente queda definido por el punto P(a ,b, f(a, b)) y tiene por vector característico x y(f (a, b),f (a, b),-1) , por lo que su ecuación será:

fx(a, b)(x - a) + fy(a, b)(y - b) – (z – f(a, b)) = 0. La recta perpendicular al plano tangente en el punto P(a ,b, f(a, b)) se llama recta normal a la superficie en dicho punto, por lo que su ecuación, en forma paramétri-ca, será

x

y

x=a+tf (a, b)

y=b+tf (a, b)

z=f(a, b)-t

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Ejemplo Obtener la ecuación del plano tangente a la superficie z = 3x2-y2, en el punto P(1, 1, 2),así como la ecuación de la recta normal en dicho punto. En este caso: fx(x, y) = 6x, fy(x, y) = -2y, (a, b) = (1, 1) fx(1, 1) = 6, fy(1, 1) = -2, f(1, 1) = 2. Luego la ecuación del plano tangente es: 6(x-1)-2(y-1)-(z-2) = 0 6x-2y –z = 2. La recta normal tiene por ecuación:

x=1+6t

y=1-2t

z=2-t


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Plano tangenteen P(a, b, f(a, b))

x = a

y = b

Recta normal

P(a, b, f(a, b))


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Si (a, b), es un punto variable lo representaremos por (x, y) y obtendremos el con-cepto de funciones derivadas parciales: La derivada parcial de f con respecto de x, la denotamos por fx, y se define así

0x

f(x+h, y)-f(x, y)f (x, y) lim

hh

para todos los puntos (x, y) donde este límite exista. La derivada parcial de f con respecto de y, la denotamos por fy, y se define así

0y

f(x, y+h)-f(x, y)f (x, y) lim

hh

para todos los puntos (x, y) donde este límite exista. Si z = f(x, y), otras notaciones usuales para las derivadas parciales son

fx(x, y) = zx = f z

(x, y)=x x

fy(x, y) = zy = f z

(x, y)=y y

Función derivada parcial

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Como en el cálculo de derivadas parciales una de las variables se mantiene cons-tante, se podrán aplicar las reglas de derivación para funciones de una variable, siempre que esté clara la existencia de esta derivada. Ejemplo Siendo f(x, y) = (x2 + y)exy, calcular sus derivadas parciales y evaluarlas en el punto (1,1):

fx(x, y) = 2xexy + (x2 + y)yexy fx(1, 1) = 2e + 2e = 4e

fy(x, y) = exy + (x2 + y)xexy fy(1, 1) = e + 2e = 3e Se han aplicado directamente las reglas de derivación de funciones de una varia-ble, ya que al fijar una variable la función se convierte en una función derivable por ser el resultado de operar funciones derivables. Esta función admite derivadas parciales en todo punto de R2.

Derivadas parciales

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Ejemplo Estudiar la existencia de derivadas parciales, para cualquier punto, de la función

f(x, y) = |x+y|= x+y si x+y>0

-x-y si x+y 0

calculándolas en su caso

Si x+y 0, existen ambas derivadas parciales, ya que al fijar una variable se obtie-ne un polinomio que siempre es derivable, siendo

fx(x, y) = 1, fy(x, y) = 1, si x+y>0 fx(x, y) = -1, fy(x, y) = -1, si x+y 0

Queda por estudiar cuando el punto P(a, b) si x+y = 0, es decir, b = -a P(a, -a)

0 0x

f(a+h, -a)-f(a, -a) |h|f (a, -a) lim lim

h hh h , que no existe, ya que vale 1 o -1

según que h tienda acero por la derecha o por la izquierda.

0 0y

f(a, -a+h)-f(a, -a) |h|f (a, -a) lim lim

h hh h , que no existe, ya que vale 1 o -1

según que h tienda acero por la derecha o por la izquierda. Luego la función admite derivadas parciales en todos los puntos, salvo en la recta x + y = 0.

Derivadas parciales

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Ejercicio Estudiar la existencia de derivadas parciales, para cualquier punto, de la fun-ción:

2 2

xysi (x, y) (0, 0)

( , ) x +y

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

f x y

Derivadas parciales

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Al calcular las derivadas parciales de una función de dos variables se obtienen también funciones de dos variables, a las que se les puede calcular sus derivadas parciales, a las que llamamos derivadas parciales segundas. Este proceso puede seguir obteniéndose las derivadas sucesivas (o de orden superior). Las notaciones mas usuales son: Derivadas parciales segundas:

1) derivando dos veces respecto de x

2

xx2

f f( )= =f

x x x

2) derivando dos veces respecto d e y

2

yy2

f f( )= =f

y y y

3) derivando primero respecto de x y luego respecto de y 2

xy

f f( )= =f

y x y x

4) derivando primero respecto de y y luego respecto de x

2

yx

f f( )= =f

x y x y

En las dos notaciones utilizadas se deriva primero respecto a la variable más cer-cana a f.

Derivadas parciales sucesivas

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Ejemplo Calcular las derivadas parciales segundas de:

f(x, y) = 2 x xy e +cos(xy)+

y

2 xx

1f (x, y)=y e -ysen(xy)+

y

xy 2

xf (x, y)=2ye -xsen(xy)-

y

xxy 2

1f (x, y)=2ye -sen(xy)-yxcos(xy)-

y

xyx 2

1f (x, y)=2ye -sen(xy)-xycos(xy)-

y

2 x 2xxf (x, y)=y e -y cos(xy)

x 2yy 3

2xf (x, y)=2e -x cos(xy)+

y


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Ejercicio Calcular las derivadas parciales segundas de:

3 2 2 2 2yf(x, y)=x y - x + x tg( ) + x +y

x.


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En el último ejemplo se verificaba que xy yxf =f , igualdad que en general no es cier-

ta, aunque si lo será para la mayoría de funciones que manejemos. Una condición suficiente para que xy yxf =f , la da el:

Teorema (de Schwarz, sobre la permutabilidad de orden de derivación) Si f está definida en un entorno U de (a, b), y si existen las derivadas parciales fx, fy, fxy en el mismo U, siendo también fxy continua en (a, b) , entonces existe fyx(a, b) y se cumple xy yxf (a, b)=f (a, b) .

Para más de dos variables el concepto de derivada parcial es análogo. Veamos un ejemplo para tres variables Ejemplo Calcular la derivadas parciales primeras de f(x, y, z) = x2+y2+z2+exyz

xyzx

xyzy

xyzz

f (x,y,z)=2x+yze

f (x,y,z)=2y+xze

f (x,y,z)=2z+xye


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Diferenciabilidad. Diferencial. Recordemos el concepto para una función de una variable: Sea y = f(x),una tal función, y a un punto de su dominio, se quiere establecer una relación entre el incremento de la variable x, al tomar valores próximos a a, y que representamos por Δx = x-a, con el correspondiente incremento de la función , y que simbolizamos por Δy=f(a+Δx)-f(a) . Supongamos que f está definida en un cierto intervalo I, si a es un punto fijo de I, decimos que f es diferenciable en a, si su incremento en a, es decir, si Δy=f(a+Δx)-f(a), siendo a+Δx I , se puede escribir en la forma:

0ΔxΔy=kΔx+ε(Δx)Δx siendo k R y lim ε(Δx)=0

.

Si esto se verifica, entonces se llama diferencial de f en a, a la función de Δx , que representamos por dy(Δx)=kΔx , y que abreviadamente ponemos dy=kΔx . Luego se tiene: Δy=dy+o(Δx) , donde o(Δx)=ε(Δx)Δx, siendo o( Δx ) un infinité-simo de orden superior a Δx cuando Δx 0 .

Diferenciabilidad

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Ejemplo

Comprobar que la función f(x) = x2+3x-1 es diferenciable en cualquier punto x = a.

Calculemos el incremento de la función en dicho punto:

2 2 2 2

2

Δy=f(a+Δx)-f(a)=(a+Δx) +3(a+Δx)-1-f(a)=a +Δx +2aΔx+3a+3Δx-1-a -3a+1=

Δx +2aΔx+3Δx=(2a+3)Δx+ΔxΔx

Luego se cumple la definición de diferenciabilidad tomando k = 2a+3, ε(Δx)=Δx .

Nótese que k = f´(a), veremos que esto es un resultado cierto en general.

Diferenciabilidad

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Para una función de una variable los conceptos de diferenciabilidad y deriva-bilidad en un punto son equivalentes. Precisando, se verifica el: Teorema La función f es derivable en a si y solo si es diferenciable en a. Demostrémoslo en un sentido: Suponiendo que f es derivable en a

existe 0 0Δx Δx

Δy Δy Δylim =f´(a) lim ( -f´(a))=0, llamando ε(Δx)= -f´(a)

Δx Δx Δx

ε(Δx) es un infinitésimo para Δx 0 , luego Δy=f´(a)Δx+ε(Δx)Δx , por tanto f es diferenciable en a, siendo k = f´(a). En sentido contrario la demostración es análoga. Si consideramos la función y = x dy=Δx dy=dx=Δx , por lo que la dife-

rencial de f se suele escribir dy = f´(a)dx,dy

f´(a)=dx

, que es otra notación pa-

ra la derivada.

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a a+ Δx

Δ x

PM

N

Q

f(a)

f(a+ Dx)

a

tg a = f´(a) = MN

PM MN = f´(a)PM = f´(a)dx = dy

y = f(x)

dy

Dy = MQ

y

x

Interpretación geometrica de la diferencial

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Ejemplo Calcular la diferencial de f(x) = x3-x2, en un punto arbitrario x, y luego en el punto x = 1: Se tiene f´(x) = 3x2-2x, luego dy = (3x2-2x)dx. Tomando x = 1 dy = dx. Ejercicio Estudiar la diferenciabilidad de la función f(x) = log (x2+x), calculando su diferencial para todos los valores posibles.

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José R. Narro

Estudiemos ahora la diferenciabilidad para una función de dos variables. Sea z = f(x, y) definida en un cierto entorno del punto P(a , b); si incrementamos la abscisa en Δx , y la ordenada en Δy , se obtiene el punto Q(a + Δx , b + Δy ), a la diferencia entre el valor de la función en Q y el valor de la función en P le llama-mos incremento de la función al pasar del punto P al Q, que puede ser positivo o negativo y que representamos por Δz=f(a+Δx, b+Δy)-f(a, b) . Se quiere establecer una relación entre los incrementos de las variables x, y en los valores a y b, con el incremento de la función. Si P y Q pertenecen al dominio de f, la función se dice diferenciable en P(a, b), si existen dos números M y N, tales que 1 2Δz=MΔx+NΔy+ε (Δx, Δy)Δx+ε (Δx, Δy)Δy,

siendo 1 2ε y ε , dos funciones de las variables Δx e Δy , e infinitésimos cuando

( Δx , Δy ) (0, 0) , es decir se cumple

10 0(Δx,Δy) ( , )lim ( , )x y

20 0(Δx,Δy) ( , )

lim ( , )x y

0

Diferenciabilidad

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José R. Narro

Se puede demostrar que la anterior definición de diferenciabilidad es equiva-lente a esta otra: La función se dice diferenciable en P(a, b), si existen dos números M y N, ta-les que

2 2Δz=MΔx+NΔy+ε (Δx, Δy) Δx +Δy

siendo ε , función de las variables Δx e Δy , e infinitésimo cuando ( Δx , Δy ) (0, 0) , es decir se cumple

0 0(Δx,Δy) ( , )lim ( , )x y

0

En el caso en que f sea diferenciable en (a, b), se llama diferencial de f en el punto (a, b) a la función lineal respecto de las variables Δx e Δy : MΔx+NΔy , que se designa así: dz = MΔx+NΔy .

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Ejemplo Dada la función z = f(x, y) = x2-xy+y, y el punto (a, b), calculemos su incre-mento, para incrementos Δx e Δy de a y b: Δz=f(a+Δx, b+Δy)-f(a, b) = 2 2(a+Δx) -(a+Δx)(b+Δy)+b+Δy-a +ab-b =

= 2 2 2a +Δx +2aΔx-ab-aΔy-bΔx-ΔxΔy+b+Δy-a +ab-b = (-b+2a)Δx+(-a+1)Δy+ΔxΔx-ΔxΔy . Como x y x yf (x, y)=2x-y, f (x, y)=-x+1 f (a, b)=2a-b, f (a, b)=-a+1 ,

luego Δz = x y 1 2f (a, b)Δx+f (a, b)Δy+ε Δx+ε Δy , siendo 1ε =Δx , y 2ε =-Δx ,

cumpliéndose que:

10 0(Δx,Δy) ( , )lim ( , )x y

20 0(Δx,Δy) ( , )

lim ( , )x y

0.

Como consecuencia se cumple la definición de diferenciabilidad en el punto (a, b), poniendo M = fx(a, b) y N = fy(a, b). Las relaciones obtenidas en el ejemplo, para M y N, son ciertas en general, aunque el procedimiento aquí empleado, de cálculo directo, se hace complicado en la mayoría de los casos.

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Se verifica el siguiente: Teorema Si f es diferenciable en (a, b) y dz=MΔx+NΔy es su diferencial en ese punto, en-tonces existen la derivadas parciales zx(a, b), zy(a, b) y coinciden con M y N respec-tivamente: M = zx(a, b), N = zy(a, b) Considerando la función z = x x yf =1, f =0 dz=dx=1Δx dx=Δx .

Análogamente si z = y x yf =0, f =1 dz=dy=1Δy dy=Δy .

Por lo tanto dz se puede escribir en la forma dz = x yf (a, b)dx+f (a, b)dy

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Ejercicio Obtener la diferencial de la función z = f(x, y) = x2y2+xy-3y en el punto (a,

b), por dos procedimientos:

1) Aplicando la fórmula anterior.

2) Calculando el incremento de la función

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Como en el caso de una variable: diferenciabilidad implica continuidad. Teorema Si f es diferenciable en (a, b) entonces es continua en (a, b). Para una variable los conceptos de derivabilidad y diferenciabilidad son equivalentes. Para más de una variable esto, en general no es cierto.

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José R. Narro

Ejemplo

La función 2 2

2 2

2 2

xysi x +y 0

x +yf(x, y)=

0 si x +y =0

Estudiemos sus derivadas parciales en (0, 0)

2

x h 0 h 0 h 0

h0-0

f(h, 0)-f(0, 0) 0hf (0, 0)= lim = lim = lim =0h h h

2

y h 0 h 0 h 0

h0-0

f(0, )-f(0, 0) 0hf (0, 0)= lim = lim = lim =0h h h

h

Luego las dos derivadas parciales existen y valen 0. ¿ Que ocurre para el resto de los puntos ? Estudiemos la continuidad en (0, 0):

0 0 0 0

2

2 2 2 2 2( , ) ( , )y=mx

mx m mlim f(x, y) lim lim =

x +m x 1+m 1+mx y x x

Como los límites direccionales calculados dependen de m, se deduce que no existe el límite en el origen, luego la función no es continua en (0, 0).

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José R. Narro

Ejemplo La función

es continua en R2 (¿por qué ?) Estudiemos la diferenciabilidad en (0, 0). Calculamos las derivadas parciales

0 0 0x h h h

0-0

f(h, 0)-f(0, 0) 0|h|f (0, 0) lim lim lim =0

h h h

0 0 0y h h h

0-0

f(0, h)-f(0, 0) 0|h|f (0, 0) lim lim lim =0

h h h

Si fuese diferenciable se tendria

2 2f(0+Δx, 0+Δy)-f(0, 0)=0Δx+0Δy+ε Δx +Δy 2 2

f(Δx, Δy)ε=

Δx +Δy

Comprobemos si ( , )x y es un infinitésimo

2 2

2 22 2(Δx,Δy) (0,0) (Δx,Δy) (0,0)

ΔxΔy

Δx +Δy ΔxΔylim = lim

Δx +ΔyΔx +Δy , este límite no existe (ya visto en un ejem-

plo anterior, poniendo x ,y en lugar de Δx, Δy ). Luego ε(Δx, Δy) no es un infinitésimo y, por lo tanto la función no es diferenciable.

2 2

xysi (x,y) (0,0)

f(x, y)= x +y

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

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Con estos ejemplos se ha comprobado que la continuidad o la existencia de deriva-das parciales no son condiciones suficientes para la diferenciabilidad (aunque los resultados teóricos confirman que si son condiciones necesarias). Ejemplo Estudiar la continuidad y diferenciabilidad en el origen de la función

2 2xylog(x +y ) si (x, y) (0, 0)f(x, y)

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

Estudiemos la existencia de derivadas parciales

0 0 0

2

x h h h

f(h, 0)-f(0,0) h0log(h )-0 0f (0, 0) lim lim lim =0

h h h

0 0 0

2

y h h h

f(0, )-f(0,0) h0log(h )-0 0f (0, 0) lim lim lim =0

h h h

h

Por existir las derivadas parciales es posible que sea diferenciable. Intentamos de-mostrarlo aplicando la definición. Despejando ε de la condición de diferenciabili-dad

2 2f(Δx,Δy)-f(0,0)=0Δx+0Δy Δx +Δy

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0 0(Δx,Δy) ( , )lim

ε =

0 0 0 0

2 2

2 2 2 2(Δx,Δy) ( , ) (Δx,Δy) ( , )

f(Δx,Δy)-f(0,0)-0Δx-0Δy ΔxΔylog(Δx +Δy )lim lim

Δx +Δy Δx +Δy , para

ver si existe este límite calculemos los límites según las direcciones Δy=mΔx

0 0

2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2Δx Δx

mΔx log(Δx +m Δx ) mΔx log(Δx (1+m ))lim lim

Δx +m Δx |Δx| 1+m

0 0 0

2 2 2 2

2 2Δx Δx Δx

m mlim |Δx|(logΔx +log(1+m )) [ lim |Δx|logΔx lim |Δx|log(1+m )]

1+m 1+m

Se tiene evidentemente

0

2

Δxlim |Δx|log(1+m )=0

.

El otro límite es una indeterminación de la forma 0 , para calcularlo, y como in-terviene un valor absoluto, se debe estudiar, por separado, a la izquierda y a la derecha de 0.

+ + + +

2 22 2

Δx 0 Δx 0 Δx 0 Δx 0

2

2ΔxlogΔx Δxlim |Δx|logΔx lim lim lim -2Δx =0

1 -1

Δx Δx

, analogamente se obten-

dría el mismo resultado para -Δx 0 , luego los límites direccionales existen y va-len todos 0, por tanto es posible que el límite que estudiamos valga 0.

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Intentemos probarlo aplicando el criterio de la función mayorante, para lo cual pasamos a polares

2 2 2 2 2 2 2

2 2

ΔxΔylog(Δx +Δy ) ρcos θ ρsenθlog(ρ (cos θ+sen θ)) ρ cosθ senθlog(ρ )| -0|=| =| |

ρ ρΔx +Δy

ρ2|logρ| , llamando F( ρ ) = ρ2|logρ| , queda por probar que

+ρ 0lim F(ρ)=0

+ + +ρ 0 ρ 0 ρ 0

2

1

logρ ρ2 lim ρ|logρ| 0( ) -2 lim =-2 lim =-2.0=0

1 -1

ρ ρ

.

Se ha probado que ε es un infinitésimo, por tanto la función estudiada es dife-renciable en el origen y, como consecuencia continua en el mismo punto.

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Ejercicio Estudiar la diferenciabilidad en el origen de la función:

2 2

-1

2 2x +y

2 2

e si x +y 0f(x,y)0 si x +y =0

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El comprobar la diferenciabilidad de una función a partir de la defini-

ción es, en general, complicado, sin embargo existen condiciones suficien-

tes que garantizan la diferenciabilidad y pueden simplificar el trabajo.

La más usual la da el siguiente

Teorema

Sea z = f(x, y) definida en un cierto entorno del punto (a, b) y, al menos

una de sus derivadas parciales: zx o zy es continua en (a, b), entonces la

función es diferenciable en (a,b)

Condición suficiente de diferenciabilidad

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Ejemplo. Estudiar la continuidad y diferenciabilidad en cualquier punto de la fun-ción

2 2xylog(x +y ) si (x, y) (0, 0)f(x, y)

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

En el ejemplo anterior se comprobó que esta función es diferenciable en (0, 0). Para los puntos (x, y) distintos del (0, 0), se pueden calcular las derivadas parciales utilizando las formulas de derivación para una variable, pues al fijar una variable resulta una función de una variable que es derivable por estar compuesta de funciones derivables.

22 2 2 2

x 2 2 2 2

2x 2x yf (x,y)=ylog(x +y )+xy =ylog(x +y )+

x +y x +y

22 2 2 2

y 2 2 2 2

2y 2xyf (x,y)=xlog(x +y )+xy =xlog(x +y )+

x +y x +y

Estas derivadas parciales son continuas para cualquier (x, y) (0, 0), por estar compuestas de funciones continuas. Concluimos que la función estudiada es diferenciable en todo punto de R2 y, por lo tanto continua en R2.

Condición suficiente de diferenciabilidad

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Para una variable, la existencia de derivada en un punto, equivale a la existencia de recta tangente en el mismo punto. Veremos que para dos variables, la diferenciabilidad en un punto, equiva-le a la existencia de plano tangente, a la superficie que representa la fun-ción, en el mismo punto. En general, la existencia de derivadas parciales no garantiza la existencia de plano tangente. Se tiene el siguiente resultado fundamental: Teorema La superficie z = f(x, y) admite plano tangente en el punto P(a, b, f(a, b)) si y solo si la función f es diferenciable en el punto (a, b), y en este caso su ecuación es fx(a, b)(x - a) + fy(a, b)(y - b) – (z – f(a, b)) = 0

Plano tangente y diferenciabilidad

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Supongamos ahora que f es diferenciable en el punto P(a, b), y llamemos x = a+ Δ x, y = b+ Δ y, c = f(a, b) por lo que debe verificarse, por definición de dife-renciabilidad:

f(x,y) = c + fx(a, b)(x - a) + fy(a, b)(y - b) + 2 2ε (x-a) +(y-b)

El plano que tiene por ecuación z = c + fx(a, b)(x - a) + fy(a, b)(y - b) , tiene la pro-piedad de que la diferencia entre la “z” de la función y la “z” del plano es un infini-

tésimo de orden superior a 2 2(x-a) +(y-b) cuando ( Δ x, Δ y) (0, 0), ya que se

tiene

f(x,y) –( c + fx(a, b)(x - a) + fy(a, b)(y - b)) = 2 2ε (x-a) +(y-b)

luego z(de la función)-z(del plano) = 2 2ε (x-a) +(y-b) , además se cumple:

2 2

z(de la función)-z(del plano)=ε

(x-a) +(y-b), siendo

0 0(Δx,Δy) ( , )lim ε=0

, con lo que se prueba lo afir-

mado anteriormente. El plano considerado antes es el plano tangente a la superficie z = f(x, y) en el pun-to P(a ,b, f(a, b)), y la condición que verifica se toma como definición de plano tan-gente a una superficie en un punto.

Plano tangente y diferenciabilidad

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José R. Narro

P

(a, b)

M

N

Q

(x, y)

MN = z( del plano) - f(a, b) = fx(a, b)(x-a) + fy(a, b)(y-b)=dz

dz

z

x

y

z = f(x, y)

MQ = Dz

Interpretación geométrica de la diferencial

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Regla de la cadena

Estudiemos ahora la regla de la cadena o la derivada de la función compuesta para funciones de dos variables. Regla de la cadena para el caso: z = f(x, y), x = g(t), y = h(t). Teorema Sea z = f(x, y) diferenciable en (x, y). Si x = g(t), y = h(t), siendo g y h funciones de-rivables en t, entonces f es derivable en t, y su derivada es z´(t) = zxx´(t) + zyy´(t). Ejemplo Siendo z = xy2 – x2, con x = cos t, y = sen t verificamos el resultado anterior calcu-lando z´(t) de dos formas distintas: directamente sustituyendo x, y en función de t y, aplicando el teorema anterior: z = cos t sen2 t – cos2 t z´ = -sen t sen2 t + 2cos t cos t sen t + 2sen t cos t = = -sen3 t + 2cos2 t sen t + 2sen t cos t z´(t) = zxx´(t) + zyy´(t) = (y2 – 2x)(- sen t) + 2xy cos t = (sen2 t – 2 cos t)(- sen t) + + 2 cos2 t sen t, que coincide con el resultado anterior.

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z

zxzy

x y

t t

x´(t) y´(t)

Regla de la cadena

z = f(x, y), x = g(t), y = h(t).

z´(t) = zxx´(t) + zyy´(t)

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Regla de la cadena

Regla de la cadena para el caso: z = f(x, y), x = g(u, v), y = h(u, v)): Teorema Si f es diferenciable en (x, y), existen las derivadas parciales xu, xv, yu, yv en (u, v), entonces existen zu, zv en (u, v) y se verifica: zu = zxxu + zyyu

zv = zxxv + zyyv Para funciones de mas de dos variables se obtienen resultados análogos. Ejercicio

Siendo 2 2x y

z=2

, x = u + v, y = u-v, calcular zu, zv de dos formas distintas:

a) Sustituyendo x e y en función de u y v. b) Aplicando el teorema anterior.

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x y

z

zx zy

u v u v

xu xv yu yv

Regla de la cadena

z = f(x, y), x = g(u, v), y = h(u, v))

zu = zxxu + zyyu

zv = zxxv

+ zyyv

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Derivación en forma implicita

El modo de escribir la función de dos variables, hasta ahora, ha sido z = f(x, y), y decimos que z está dada en forma explicita, es decir, despejada en fun-ción de x, y. Otra forma, mas general, de definir z como función de x, y es F(x, y, z) = 0, que se llama forma implícita de definir z como función de x, y (la z no está despejada). El pasar de la forma explicita a la implcita es inmediato: z = f(x, y) z – f(x, y) = 0, llamando F(x, y, z) = z – f(x, y) F(x, y, z) = 0 El pasar de la forma implícita a la explicita, en general, es mas complicado, y a veces, es imposible como se ve con el ejemplo z5x2 + z3y – sen xy = 0.

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s.

José R. Narro

Supongamos que z está definida implícitamente como función de x e y: F(x, y, z) = 0, considerando F como una función de tres variables: x, y, z, si aplicamos la regla de la cadena a la igualdad F(x, y, z) = 0 , se obtiene: derivando respecto de x :

Fxxx+Fyyx+Fzzx = 0, siendo xx=1, yx=0 xx

z

-Fz =

F

derivando respecto de y :

Fxxy+Fyyy+Fzzy = 0, siendo yy=1, xy=0 y

yz

-Fz =

F

Ejemplo Siendo z3sen x + zexy – xy = 0, obtener zx, zy aplicando el resultado anterior. En este caso F(x, y, z) = z3sen x + zexy – xy, luego Fx = z3cos x + zyexy – y, Fy = zxexy – x, Fz = 3z2sen x + exy. Por lo que sustituyendo queda:

3 xy

x 2 xy

-z cosx-zye +yz =

3z sen x+e,

xy

y 2 xy

-xze +xz =

3z sen x+e


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José R. Narro

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nes r

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les

reale

s.

José R. Narro

Ejercicio

Con el mismo dato del ejemplo anterior, obtener zx, zy derivando

directamente la igualdad z3sen x + zexy – xy = 0 , y considerando que

z es función de x e y. Comprobar que el resultado obtenido coincide

con el anterior.


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José R. Narro

Como otra aplicación de la derivación implícita, obtengamos la ecuación de plano tangente a al superficie z = f(x, y) en el punto P(a, b, c) cuando esta viene dada en forma implícita F(x, y, z) = 0. Se obtuvo que esta es: zx(a, b)(x-a)+zy(a, b)(y-b)-(z-c) = 0

y siendo xx

z

-Fz =

F, y

yz

-Fz =

F sustituyendo queda:

yx

z z

x y z

F (a,b,c)-F (a,b,c)(x-a)- (y-b)-(z-c)=0

F (a,b,c) F (a,b,c)

F (a,b,c)(x-a)+F (a,b,c)(y-b)+F (a,b,c)(z-c)=0

Luego la recta normal en el punto P(a, b, c) tiene como vector director (Fx(a, b, c), Fy(a, b, c), Fz(a, b, c)), por lo que su ecuación en forma paramétrica es

x

y

z

x=a+tF (a,b,c)

y=b+tF (a,b,c)

z=c+tF (a,b,c)


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José R. Narro

Ejemplo

Obtener la ecuación del plano tangente y de la normal a la superficie x y

z z2 +2 =8 , en el punto P(2, 2, 1).

En este caso es F(x, y, z) = x y

z z2 +2 - 8 , calculamos las derivadas parciales:

x y x y

z z z zx y z 2 2

1 1 x yF =log2 2 , F =log2 2 , F =-log2 2 -log2 2

z z z z.

Tomando valores en P:

x y zF (2,2,1)=4log2, F (2,2,1)=4log2, F (2,2,1)=-8log2-8log2=-16log2 .

Como consecuencia la ecuación del plano tangente en P es 4log2(x-2)+4log2(y-2)-16log2(z-1) = 0 x-2+y-2-4z+4 = 0 x+y-4z = 0. La ecuación de la recta normal es

x=2+t

y=2+t

z=1-4t


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José R. Narro

Ejercicio Obtener las ecuaciones del plano tangente y de la recta normal a la superficie:

z2+4z+x2 = 0, en los puntos de intersección con el eje OZ.

Derivación en forma implícita

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José R. Narro

Estudiemos ahora un concepto más general que el de derivada parcial: la deri-vada según un vector. Al definir la derivada parcial en un punto una coordenada permanece fija y la otra varía siguiendo la dirección de uno de los ejes coordenados, con el nuevo concepto podrán variar las dos coordenadas siguiendo una dirección arbitra-ria. Consideremos la función z = f(x, y), cuyo dominio es una región abierta y P(a, b) un punto de su dominio. Sea u

1 2(u ,u ) , un vector arbitrario no nulo, se define la derivada según el

vector u

, en el punto (a, b), de la función f, como el siguiente límite, si existe y es finito

0 0

1 2 1 2

u h h

f((a,b)+h(u ,u ))-f(a,b) f(a+hu ,b+hu )-f(a,b)D f(a,b) lim lim

h h

Nótese que Q(a+hu1, b+hu2) es un punto de la recta que pasa por el punto P, y tiene como dirección el vector u

.

Derivada según un vector

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José R. Narro

Ejemplo

Obtener la derivada de z = f(x, y) = x+2xy-3y2 en el punto (1, 2) según el vector (-1, 1).

0 0(-1,1) h h

f((1,2)+h(-1,1))-f(1,2) f(1-h,2+h)-f(1,2)D f(1,2) lim lim

h h

2 2f(1-h,2+h)=1-h+2(1-h)(2+h)-3(2+h) =...=-5h -15h-7

f(1,2)=1+4-12=-7

Sustituyendo queda 0 0

2

(-1,1) h h

-5h -15h-7+7D f(1,2)= lim lim(-5h-15)=-15

h .

Derivada según un vector

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José R. Narro

En el caso en que u

sea unitario, |u

|=1, la derivada se llama direccional, y tiene particular interés teórico. Las derivadas parciales son casos particulares de derivadas direccionales:

fx se obtiene tomando u

= (1, 0).

fy se obtiene tomando u

= (0, 1).

Para dar un significado geométrico a la derivada direccional, definimos prime-ro el concepto de pendiente en un punto de una superficie según la dirección

definida por un vector unitario u

.

Derivada direccional

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José R. Narro

P

Q

M

N

u

A

Plano

0utg α=D f(a,b)= limt

tg

z = f(x, y)

1 2 1 2 1 2

2 2 2 2 21 2 1 2

1 2

f(a+tu ,b+tu )-f(a,b) f(a+tu ,b+tu )-f(a,b) f(a+tu ,b+tu )-f(a,b)= =

PQ (a+tu -a) +(b+tu -b) t (u +u )

f(a+tu ,b+tu )-f(a,b)

t

ANtg

AM

Interpretación geométrica de la derivada direccional

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José R. Narro

Consideremos la superficie z = f(x, y), P(a, b) un punto del dominio de f y u

un

vector unitario; tomemos un plano vertical que pase por P y sea paralelo a u

, que cortará a la superficie en una curva C, que contendrá al punto M(a, b, f(a, b)) cuya proyección sobre el plano OXY es P; entonces definimos la pendiente en el

punto M, según la dirección u

, como la pendiente de la curva C en M, es decir co-

mo la pendiente de la tangente a la curva en M según la dirección u

.

El plano corta al plano OXY según una recta r cuyas ecuaciones paramétricas son:

1

2

x=a+tu

y=b+tu

Si Q es un punto arbitrario de la recta r tendrá la forma Q(a+tu1, b+tu2), que es la proyección del punto N(a+tu1, b+tu2, f(a+tu1, b+tu2)) de la superficie sobre el plano OXY. La recta MN es una secante a la curva C, cuya pendiente según la dirección

u

es:

1 2 1 2 1 2

2 2 2 2 21 2 1 2

1 2

f(a+tu ,b+tu )-f(a,b) f(a+tu ,b+tu )-f(a,b) f(a+tu ,b+tu )-f(a,b)= =

PQ (a+tu -a) +(b+tu -b) t (u +u )

f(a+tu ,b+tu )-f(a,b)

t

Interpretación geométrica de la derivada direccional

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José R. Narro

Cuando t tiende a 0, el punto N tiende al punto M, por lo que la secante tien-

de a la recta tangente en M, que tiene por pendiente, según la dirección u

:

0

1 2

t

f(a+tu ,b+tu )-f(a,b)lim

t, que es precisamente la derivada direccional de la

función f, en el punto P(a, b), según el vector u

.

La expresión 1 2f(a+tu ,b+tu )-f(a,b)

tse puede interpretar como el cociente

entre el incremento de la función f al pasar del punto P al punto Q, y la dis-tancia entre dichos puntos; que también se suele expresar como la razón del cambio de la función respecto a la distancia entre los puntos; por este motivo a la derivada direccional se le llama también razón o ritmo instantáneo del cambio.

Interpretación geometrica de la derivada direccional

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José R. Narro

Si f es diferenciable en (a, b) existe una forma alternativa para calcular la deri-vada direccional, pues se verifica el:

Teorema

Si f es diferenciable en (a,b) y u

= 1 2(u ,u ) un vector unitario cualquiera, enton-

ces existe la derivada direccional en el punto (a, b) según el vector u

y se verifi-ca

u x 1 y 2D f(a,b)=f (a,b)u +f (a,b)u

El anterior teorema permite, si f es diferenciable, el cálculo de la derivada di-reccional a partir de las derivadas parciales.


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José R. Narro

Comprobemos el resultado anterior con un: Ejemplo

Obtener la derivada direccional de 2 2f(x,y)=log x +y en el punto (1, 0) según la

dirección (1, 1), aplicando la definición. Estudiar si es posible la aplicación del teo-rema anterior, aplicándolo en su caso.

Como el vector (1, 1) no es unitario, hay que covertirlo en unitario conservando el sentido y la dirección, es decir, hay que dividirlo por su módulo: |(1, 1)| =

2 21 +1 2 ,obteniéndose u

= 1 1

( , )2, 2

.

Apliquemos la definición

0 0

0 0

20

2 2

1 2

2 2

u h h

22

h h 2

h

h hh hlog (1+ ) +( ) -log1f(1+ , )-f(1,0)

2 22 2D f(1,0) lim limh h

log 1+h + 2h 1 2h+ 2... lim lim : 1+h + 2h

h 2 1+h + 2h

1 1 1lim 2=

2 2 2

h

h h


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José R. Narro

Las derivadas parciales de 2 2f(x,y)=log x +y son:

2 2x y2 2

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

x xy y

que son continuas en (1, 0), por ser cociente de funciones continuas y no anu-larse el denominador en el punto; luego f es diferenciable en (1, 0). Se puede aplicar, por tanto, el teorema anterior:

u x y

1 1 1 1 1D f(1,0)=f (1,0) +f (1,0) =1 +0 =

2 2 2 2 2 .


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José R. Narro

Ejercicio Estudiar la existencia de derivadas direccionales en el punto (0, 0), en los casos:

a) 2 2

xysi (x,y) (0,0)

f(x,y)= x +y

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

b)

2

2 2

x ysi (x,y) (0,0)

g(x,y)= x +y

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


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José R. Narro

Según el teorema anterior, si f es diferenciable en (a, b), tiene infinitas derivadas direccionales en (a, b), es decir, una derivada direccional para cada vector unitario u

= (u1, u2), y su valor es u x 1 y 2D =f (a,b)u +f (a,b)u , que se puede escribir como un

producto escalar de dos vectores: u x y 1 2D f(a,b)=(f (a,b),f (a,b)).(u ,u ) .

Al vector cuyas componentes son las derivadas parciales de f en el punto (a, b) se le

llama vector gradiente de f en (a, b) y se simboliza por f(a,b)

= x y(f (a,b),f (a,b)) .

Por lo tanto se verifica el siguiente: Teorema Si f es diferenciable en (x, y), y u

= (u1, u2) es un vector unitario cualquiera, enton-

ces

uD f(x,y) f(x,y).u


Vector gradiente

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José R. Narro

Fijando un punto (x, y), y haciendo variar el vector unitario u

, se obtienen valores distintos para la derivada direccional, verificándose el siguiente Teorema Si f es una función, diferenciable en (a,b), entonces:

1) La derivada direccional (también llamada velocidad o ritmo de cambio) de f en (a, b), toma el valor máximo en la dirección del gradiente, siendo su va-

lor | f(a,b)|

, y el vector u= f(a,b)

| f(a,b)|

.

2) La derivada direccional (también llamada velocidad o ritmo de cambio) de f en (a, b), toma el valor mínimo en la dirección opuesta a la del gradiente,

siendo su valor - | f(a,b)|

, y el vector u= f(a,b)

| f(a,b)|

.

La demostración se basa en la expresión del producto escalar de dos vectores como el producto de sus módulos por el coseno del ángulo que forman, y se propone como ejercicio.


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José R. Narro

Ejemplo Obtener las direcciones de máximo ritmo de crecimiento y de decrecimiento, y sus valores respectivos, para la función f(x, y) = x2+y2-3, en el punto P(1, 2). Calculemos el gradiente en el punto P:

fx = 2x, fy = 2y x yf(1,2)=(f (1,2),f (1,2))=(2,4)

Lo que se pide son las direcciones donde la derivada direccional toma los valores máximos o mínimos. Luego para el valor máximo se tiene

u= f(1,2) (2,4) (2,4) 2 4 1 2

= =( , )=( , )|(2,4)|| f(1,2)| 20 2 5 2 5 5 5

, siendo el valor máximo

en esta dirección | f(1,2)|

|(2,4)|=2 5 . La dirección de mayor ritmo de decrecimiento será la opuesta, es decir

-1 -2( , )

5 5, siendo su valor - 2 5 .


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José R. Narro

Estudiemos ahora la fórmula de Taylor para funciones de dos variables. Se verifica el siguiente Teorema Sea z = f(x, y) definida en un entorno de P(a, b), con derivadas parciales conti-nuas hasta el orden n en el mismo entorno y, existiendo todas las derivadas parciales de orden n+1 en dicho entorno. Entonces f(x, y) se puede escribir en la forma f(x, y) = Pn(x, y) + Rn(x, y), (fórmula de Taylor) siendo Pn(x, y) un polinomio de grado n en (x-a) e (y-b). Rn(x, y) representa un

infinitésimo de orden superior a 2 2 n( (x-a) +(y-b) ) cuando (x, y) (a, b).

La expresión concreta de Pn(x, y) es

n

kn

k=1

1P (x,y)=f(a,b)+ ((x-a) +(y-b) ) f(a,b)

k! x y

donde las potencias se entienden de manera simbólica, es decir, al actuar el ex-ponente sobre los símbolos de derivada parcial representarán derivación suce-siva, y al actuar sobre (x-a) o (y-b) representarán potencias.

Fórmula de Taylor para funciones de dos variables

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José R. Narro

Aclaremos esto obteniendo Pn(x, y) para algunos valores de n: n = 1, P1(x,y) = f(a, b)+(x-a)fx(a, b)+(y-b)fy(a, b)

n = 2, P2(x, y) = f(a, b)+(x-a)fx(a, b)+(y-b)fy(a, b)+ 1

2((x-a)2fxx(a, b)+

+2(x-a)(y-b)fxy(a, b)+(y-b)2fyy(a, b))

n = 3, P3(x, y) = f(a, b)+(x-a)fx(a, b)+(y-b)fy(a, b)+ 1

2((x-a)2fxx(a, b)+

+2(x-a)(y-b)fxy(a, b)+(y-b)2fyy(a, b))+1

6((x-a)3fxxx(a, b)+3(x-a)2(y-b)fxxy(a, b)+

+3(x-a)(y-b)2fxyy(a, b)+(y-b)3fyyy(a, b)). Pn(x, y) recibe el nombre de polinomio de Taylor de la función f, de grado n, en el punto (a, b). Cuando a=b=0, la fórmula de Taylor se llama de McLaurin.


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José R. Narro

Ejemplo Obtener la fórmula de McLaurin de orden dos para la función f(x, y) = excos y. En este caso a = b = 0. Necesitamos calcular las derivadas parciales primeras y segundas: fx(x, y) = excos y, fy(x, y) = -exsen y, fxx(x, y) = excos y, fyy(x, y) = -excos y fxy(x, y) = -exsen y. Sus valores en el punto (0, 0) son: fx(0, 0) = 1, fy(0,0) = 0, fxx(0, 0) = 1, fyy(0, 0) = -1, fxy(0, 0) = 0, f(0, 0) = 1. Por lo tanto

excos y = 1+x+1

2(x2-y2)+R2(x, y)

donde R2(x, y) es un infinitésimo de orden superior a 2 2 2( )x y , para

(x, y) (a, b).


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José R. Narro


Ejemplo Obtener el desarrollo de Taylor de orden dos de la función f(x, y) = yx, en un entorno del punto (1,1). Calculemos las derivadas parciales de primer y segundo orden.

x x-1 x x 2 x-2x y xx yy

x-1 x x-1 x-1 x-1xy

f (x,y)=y lny, f (x,y)=xy , f (x,y)=lnyy lny=y ln y, f (x,y)=x(x-1)y

1f (x,y)=xy lny+y =xy lny+y =y (xlny+1)

y

Sus valores en el punto (1, 1) son

x y xx yy xyf (1,1)=0, f (1,1)=1, f (1,1)=0, f (1,1)=0, f (1,1)=1 .Además f(1,1) = 1 .

Luego se tiene

x2

1y =1+(y-1)+ 2(x-1)(y-1)+R (x,y)

2

x2y =1+(y-1)+(x-1)(y-1)+R (x,y)

Donde R2(x, y) es un infinitésimo de orden superior a 2 2 2( (x-1) +(y-1) )

josé r. narro introducción al cálculo infinitesimal tema 4: diferenciabilidad de funciones reales...

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