Ejercicios

5.1 Sea f(x,y) = xy x2 y2. Calcule ∂f ∂y, ∂f ∂x y fy(2,1).
Usando la regla para la derivada del cociente,

∂f y = ∂y [xy] (x2 y2) ∂y [x2 y2] xy (x2 y2)2 = x (x2 y2) + 2y xy (x2 y2)2

∂f x = ∂x [xy] (x2 y2) ∂x [x2 y2] xy (x2 y2)2 = y (x2 y2) 2x xy (x2 y2)2

fy(2,1) = 10 9 .

5.2 Sea f(x,y) = ln 5(xy + x2 + 2y) Calcule ∂f ∂y, ∂f ∂x.
Se debe usar la regla de la cadena para funciones de una variable, ∂f y = 5ln 4(xy + x2 + 2y) ∂y [ln (xy + x2 + 2y)] = 5ln 4(xy + x2 + 2y) 1 xy + x2 + 2y (xy ln x + 2y ln 2) = ∂f x = 5ln 4(xy + x2 + 2y) ∂x [ln (xy + x2 + 2y)] = 5ln 4(xy + x2 + 2y) 1 xy + x2 + 2y (y xy1 + 2x)

5.3 Sea z(x,y) = 2(ax + by)2 (x2 + y2) con a2 + b2 = 1. Verifique que 2z ∂x2 + 2z ∂y2 = 0.
2z ∂x2 = 4a2 2
2z ∂y2 = 4b2 2
2z ∂x2 + 2z ∂y2 = 4(a2 + b2) 4 = 0.

5.4 Sea z = f (x2 y ) con f derivable. Verifique que x∂z ∂x + 2y∂z ∂y = 0.
Sea u = x2 y , entonces z = f(u)
∂z ∂x = f(u) 2x y
∂z ∂y = f(u) x2 y2
x∂z ∂x + 2y∂z ∂y = f(u) [2x2 y 2x2 y ] = 0

5.5 Sea z = xy + arctan (y x). Demuestre que zx∂z ∂x + zy∂z ∂y = xy.

∂z ∂x = y y x2 + y2 2z
∂z ∂x = x + x x2 + y2 2z
Ahora sustituimos, zx∂z ∂x + zy∂z ∂y = zxy y x2 + y2 2z + zyx + x x2 + y2 2z = 2xy xy x2 + y2 + xy x2 + y2 2 = xy

5.6 Sea k una constante y C(x,t) = t12ex2kt . Verifique que esta función satisface la ecuación (de difusión)
k 4 2C x2 = ∂C ∂t

Pongamos C(x,t) = ex2kt t .

∂C ∂t = (t2x kt 1 t)ex2kt t = ex2kt ( x2 kt52 1 2t32)
∂C ∂x = 1 t2x kt ex2kt
2C x2 = ex2kt 1 t ( 4x2 k2t2 2 kt) = ex2kt ( 4x2 k2t52 2 kt32)
Luego, multiplicando 2C x2 por k 4 se obtiene la identidad.

5.7 Sea z = f(x2y + y) x + y2. Calcule ∂f ∂y, ∂f ∂x.

z es una función de dos variables pero f es una función de un solo argumento y como tal, se deriva de la manera ordinaria. Aquí es conveniente hacer el cambio de variable u = x2y + y de tal manera que z = f(u) x + y2.

∂z y = f(u) ∂y [u] x + y2 + f(u) ∂y [x + y2] = f(u) (x2 + 1) x + y2 + f(u) y x + y2 = ∂z x = f(u) ∂x [u] x + y2 + f(u) ∂x [x + y2] = f(u) (2xy) x + y2 + f(u) 1 2x + y2

5.8 Verifique que u(x,y) = ey sen x satisface la ecuación de Laplace 2u x2 + 2u y2 = 0
ux = ey cos x
uy = ey sen x
uxx = ey sen x
uxy = ey sen x
2u x2 + 2u y2 = ey sen x + ey sen x = 0

5.9 Sea a una constante. Verifique que u(x,t) = sen (x at) + ln (x + at) es solución de la ecuación de onda utt = a2uxx.
ut = acos (x at) + a x + at
utt = a2 sen (x at) a2 (x + at)2
ux = cos (x at) + 1 x + at
uxx = sen (x at) 1 (x + at)2
utt = a2 sen (x at) a2 (x + at)2 = a2 (sen (x at) 1 (x + at)2) = a2 uxx.

5.10 Sea a una constante y f y g funciones dos veces derivables. Verifique que u(x,t) = f(x at) + g(x + at) es solución de la ecuación de onda utt = a2uxx.
Sea A = x at y B = x + at, entonces u(x,t) = f(A) + f(B).

ut = af(A) + ag(B)
utt = a2f(A) + a2g(B)
ux = f(A) + g(B)
uxx = f(A) + g(B)
utt = a2f(A) + a2g(B) = a2 uxx.

5.11 Verifique que z = ln (ex + ey) es solución de las ecuación diferencial ∂z ∂x + ∂z ∂y = 1 y de la ecuación diferencial 2z ∂x2 2z ∂y2 ( 2z ∂x∂y)2 = 0.
Satisface ∂z ∂x + ∂z ∂y = 1.
zx = ex ex + ey
zy = ey ex + ey
∂z ∂x + ∂z ∂y = ex ex + ey + ey ex + ey = 1

Satisface 2z ∂x2 2z ∂y2 ( 2z ∂x∂y)2 = 0.

zxx = ex (ex + ey) ex ex (ex + ey)2
zxy = ey (ex + ey) ey ey (ex + ey)2
2z ∂x∂y = ∂x [ ey ex + ey] = ey ex (ex + ey)2.
2z ∂x2 2z ∂y2 ( 2z ∂x∂y)2 = ex (ex + ey) ex ex (ex + ey)2 ey (ex + ey) ey ey (ex + ey)2 ( ey ex (ex + ey)2) 2 = ex ey (ex + ey)2 ey ex (ex + ey)2 ( ey ex (ex + ey)2) 2 = 0

5.12 Sea f una función derivable en todo y sea w(x,y) = f(ysen x). Verifique que cos (x)∂w ∂x + ysen (x)∂w ∂y = yf(ysen x)


Sea u = ysen (x), entonces w = f(u).

wx = f(u) ycos (x)
wy = f(u) sen (x)
cos (x)wx + ysen (x)wy = cos 2(x) y f(u) + sen 2(x) y f(u) = (cos 2x + sen 2x)yf(u) = yf(u)

5.13 Sea g(x,y) = x2 sen (3x 2y). Verifique la identidad x 2g ∂y∂x = 2∂g ∂y + 6x g(x,y).

∂g ∂x = 2xsen (3x 2y) + 3x2 cos (3x 2y), ∂g ∂y = 2x2 cos (3x 2y) y 2g ∂y∂x = 4xcos (3x 2y) 6x2 sen (3x 2y). La identidad se verifica de manera directa.

5.14 La resistencia total R producida por tres conductores con resistencias R1,R2 y R3 conectadas en paralelo en un circuito eléctrico está dado por la fórmula 1 R = 1 R1 + 1 R2 + 1 R3. Calcule ∂R R1. Sugerencia: derive a ambos lados respecto a R1.
Derivamos a ambos lados respecto a R1,

R1 [ 1 R] = R1 [ 1 R1 + 1 R2 + 1 R3] 1 ∂R R1 R2 = 1 R12 ∂R R1 = R2 R12.

5.15 La ley de gases para un gas ideal de masa fija m, temperatura absoluta T, presión P y volumen V es PV = mRT donde R es la constante universal de los gases ideales. Verifique que ∂P ∂V ∂V ∂T ∂T ∂P = 1.
∂P ∂V = P V
∂V ∂T = mR P
∂T ∂P = V mR
∂P ∂V ∂V ∂T ∂T ∂P = P V mR P V mR = 1.

5.16 La energía cinética de un cuerpo de masa m y velocidad v es K = 1 2mv2. Verifique que ∂K ∂m2K ∂v2 = K.
∂K ∂m2K ∂v2 = 1 2v2 m = K.

5.17 Sea f y g funciones dos veces derivables. Sea u = x2 + y2 y w(x,y) = f(u) g(y). Calcule ∂w ∂x ,2w ∂x2 , 2w ∂y∂x y ∂w ∂y .
∂w ∂x = f(u) 2x g(y)
2w ∂x2 = 2g(y) [f(u) 2x2 + f(u)]
2w ∂y∂x = 2x[f(u) 2y g(y) + g(y) f(u)]
∂w ∂y = f(u) 2y g(y) + g(y) f(u)

5.18 Sea f y g funciones dos veces derivables. Sea w(x,y) = f(u) + g(v) donde u = x y y v = y x. Calcule ∂w ∂x , 2w ∂y∂x.
∂w ∂x = f(u) 1 y + g(v) y x2
2w ∂y∂x = f(u) x y2 1 y 1 y2 f(u) + g(v) 1 x y x2 1 x2 g(v).

5.19 Sea w = e3x f(x2 4y2), donde f es una función dos veces diferenciable. Calcule 2w ∂x∂y.
Sea u = x2 4y2,
∂w ∂y = e3xf(u) 8y
2w ∂x∂y = 8y [3e3xf(u) e3xf(u) 2x]

5.20Sea u(r,𝜃) = rn cos (n𝜃) con n una constante. Verfique que u satisface la ecuacón urr + ur r + u𝜃𝜃 r2 = 0

∂u rr = n(n 1)rn2 cos (n𝜃) y  ∂u 𝜃𝜃 = n2rn cos (n𝜃). Sustituyendo y simplificando se verifica la ecuación.