La Regla de la Cadena - … · Para funciones de varias variables, la regla de la cadena tiene...

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La Regla de la Cadena

Tomado de UNIMET Prof. Antonio Syers

Introducción

Recordemos que la regla de la cadena para una función y = f(x) ; y x = g(t,), ambas funciones derivable, entonces y es una función derivable con respecto a t y se cumple:

dt

dx

dx

dy

dt

dy

Para funciones de varias variables, la regla de la cadena tiene varias versiones

Caso 1

Supongamos que z = f(x,y) es una función diferenciable de x y de y, donde x=g(t) y y=h(t) son funciones derivables de t ; entonces z es una función derivable de t y se cumple que:

dt

dy

y

f

dt

dx

x

f

dt

dz

Veamos esta fórmula de manera

esquemática

Caso 1

Z =f (x,y)

x y

t t

x

y

dt

d

dt

d x

f

dt

dz

dt

dx

y

f

+

dt

dy

Ejemplo

Si representa la temperatura en el punto (x,y) y

son las ecuaciones paramétricas de una curva C , calcule la razón de cambio de la temperatura T a lo largo de la curva cuando t=0

42 xy3yx)y,x(T

senty;ex t

T

x

y

t

t

x

T

dt

dT

dt

dx

y

T

+

dt

dy

y

T

x

T

dt

dx

dt

dy

Si queremos saber cual es la razón de cambio de T cuando t = 0,

entonces

0 ( (0), (0)) 0 0( (0), (0))t x y t tx y

dT f dx f dy

dt x dt y dt

0

0

0 1cos0 1t

dTe

dt

Caso 1 ( General)

Suponga que z es una función derivable de las n variables x1 , x2 , x3 ,…, xn , en donde cada xj es una función de t. Por consiguiente z es una función derivable de t y se cumple:

dt

dx

x

z...

dt

dx

x

z

dt

dx

x

z

dt

dx

x

z

dt

dz n

n

3

3

2

2

1

1

Caso 2

Supongamos que z = f(x,y) es una función derivable de x y de y, donde x = g(s,t), y =h(s,t) y las derivadas parciales de g y h existen . Entonces:

s

y

y

f

s

x

x

f

s

z

t

y

y

f

t

x

x

f

t

z

Caso 2

x y

t t

x

y

t

t

s s

s

s

s

z

x

f

s

x

+

y

f

s

y

t

z

x

f

t

x

+

y

f

t

y

Z =f (x,y)

Supongamos que w = f(x,y,z) es una función derivable de x, y de z, donde x = g(s,t),

y =h(s,t), z =k(s,t) y las derivadas parciales de g, h, k existen . Entonces

s

z

z

f

s

y

y

f

s

x

x

f

s

w

t

z

z

f

t

y

y

f

t

x

x

f

t

w

x y

t t

x

y

t

t

s s

s

s

z

t

t

s

s

z

w=f (x,y,z)

s

z

z

f

s

y

y

f

s

x

x

f

s

w

t

z

z

f

t

y

y

f

t

x

x

f

t

w

Ejemplo

Demuestre que

rseny ,rcos xdonde y),f(x,z Si

222

2

2

y

f

x

fz

r

1

r

z

x y

x

y

r r

r

r

Z =f (x,y)

ejemplo…

r

y

y

f

r

x

x

f

r

z

sen

y

fcos

x

f

y

y

fx

x

fz

cosr

y

frsen

x

f

ejemplo…

222

cosx

f

r

z

2

2

2 seny

fsencos

y

f

x

f

2222

cosry

fz

22

222 senr

x

fsencosr

y

f

x

f

ejemplo…

222

2

1cos

x

fz

r

2

2

2 seny

fsencos

y

f

x

f

Por lo tanto

22222

2

21

sencosy

f

x

fz

rr

z

22

y

f

x

f

Segunda derivada

La segunda derivada de una función es análoga a la primera, es decir, depende de las mismas variables que depende la función original.

Por ejemplo, supongamos que z = f(x,y) es una función derivable de x y de y, donde x = g(s,t), y=h(s,t). Entonces la función derivada fx(x,y) también depende de x y de y, y además x,y dependen de s y t ( esto también se cumple para fy(x,y)).

Veamos el siguiente ejemplo:

Ejemplo…

Muestre que cualquier función de la forma

)atx(g)atx(fz

Donde a es una constante, cumple con la ecuación:

2

22

2

2

x

za

t

z

Solución: Sea u = x + at, v = x – at, ;entonces

)v(g)u(fz

x

v)v(g

x

u)u(f

x

)v(g

x

)u(f

x

z

)v(g)u(f

)v(g)u(fxx

z

2

2

x

v

dv

)v(gd

x

u

du

)u(fd

)v(g)u(f

Calculemos ahora 2

2

t

z

t

v)v(g

t

u)u(f

t

)v(g

t

)u(f

t

z

)v(g)u(faa)v(ga)u(f

)v(g)u(ft

at

z

2

2

t

v

dv

)v(gd

t

u

du

)u(fda

)v(g)u(faa)v(ga)u(fa 2

2

222

2

2

x

za)v(g)u(fa

t

z

Ejemplo

rseny ,rcos xdonde y),f(x,z Si

Demuestre que: 22

2

2

22

2

y

f

x

f

r

z

r

1z

r

1

r

z

sen

y

fcos

x

f

r

z

Del ejemplo anterior, tenemos que

cosr

y

frsen

x

fz

ejemplo…

sen

y

fcos

x

f

rr

z2

2

sen

r

fcos

r

f yx

cossen

y

fcos

x

f xx

sensen

y

fcos

x

f yy

ejemplo…

yy2

xyxx2 fsenfsencos2fcos

cosr

y

frsen

x

fz2

2

Por otra parte,

x

frsen

x

fcosr

y

fcosr

y

frsen

ejemplo…

x

fcosr

cosrfrsenfrsen xyxx

x

f

y

frsen

rsenfcosrfcosr yxyy

y

f

ejemplo…

Simplificando resulta,

xx22

yx2

2

fsenrfrsenfcosrz

yy22

yx fcosrfsencosr2

Así,

22

2

2

22

2

y

f

x

f

r

z

r

1z

r

1

r

z

COMPRUEBELO!!

Ecuación de Laplace

Definición:Sea f una función, f:IRnIR, diferenciable, se define el Laplaciano de f

Y se denomina la ecuación de Laplace a:

2

2

2

22

y

f

x

ff

0y

f

x

f0f

2

2

2

22

Ejemplo

Supongamos f(x,y) satisface la ecuación de laplace, esto es,

0y

f

x

f2

2

2

2

Demuestre que la función z= f(x – 2y, 2x + y), también satisface la ecuación de laplace.

Demostración: Lo que queremos probar es que:

0y

z

x

z2

2

2

2

Sea u = x- 2y, v = 2x + y, entonces

u v

y y

u

v

y

y

x x

x

x

Z =f (u,v)

v

f2

u

f

x

v

v

f

x

u

u

f

x

z

x

v

uv

f

x

u

u

f

x

z 2

2

2

2

2

x

v

v

f

x

u

vu

f2

2

22

2

22

2

2

2

2

v

f4

vu

f4

u

f

x

z

v

f

u

f2

y

v

v

f

y

u

u

f

y

z

y

v

uv

f

y

u

u

f2

y

z 2

2

2

2

2

y

v

v

f

y

u

vu

f2

22

2

22

2

2

2

2

v

f

vu

f4

u

f4

y

z

Entonces,

2

2

2

2

2

2

2

2

v

f5

u

f5

y

z

x

z

0v

f

u

f5

2

2

2

2

Ecuación de Laplace para f

Derivación Implícita

Supongamos que una ecuación de la forma F(x,y) = 0 define a y de manera implícita como una función de x, esto es y = f(x), para todo x en el dominio de f(x). Si F es diferenciable podemos calcular dy/dx. En efecto:

Tenemos la ecuación

0)y,x(F

dx

)0(d

dx

)y,x(dF

Supongamos que una ecuación de la forma F(x,y,z) = 0 define a z de manera implícita como una función de x y de y, entonces si F es diferenciable podemos calcular z/ x, z/ y

0dx

dy

y

F

x

F0

dx

dy

y

F

dx

dx

x

F

0)F( F

F

y

Fx

F

dx

dyy

y

x

Supongamos que queremos calcular z/ x

0)z,y,x(F

x

)0(

x

)z,y,x(F

0

dx

dz

z

F

dx

dy

y

F

dx

dx

x

F

0dx

dz

z

F

x

F

0)F( F

F

z

Fx

F

x

zz

z

x

Ejercicio: Supongamos que una ecuación de la forma F(x,y,z) = 0 define a z de manera implícita como una función de x y de y. Demuestre que:

0)F( F

F

z

F

y

F

y

zz

z

y

Ejemplo

Supongamos que una ecuación de la forma F(xy,z/y) = 0 define a z de manera implícita como una función de x y de y.Calcular z/ x.

Solución:

Sea u=xy, v = z/y

0yx

z

v

Fy

u

F0

dx

dv

v

F

x

u

u

F

)0v

F (

v

Fu

Fy

v

Fu

Fy

x

z22