Ejercicios

7.1 Sea z = xy2 + x con x = sen t y y = tan (t). Calcule dz dt.
dz dt = ∂z ∂x dx dt + ∂z ∂y dy dt = (y2 + 1) cos t + 2xy sec 2t

7.2 Sea w = x2 + 2xy + y2 con x = tcos t y y = tsen t. Calcule dw dt .
dw dt = 2t + 2tsen 2t + 2t2 cos 2t

7.3 Sea z = uu + v2 con u = xy y v = arctan (yx). Calcule ∂z ∂x y ∂z ∂y.

∂z ∂x = ∂z ∂u ∂u ∂x + ∂z ∂v ∂v ∂x = [u + v2 + u 2u + v2] y + [ uv u + v2] yx2 1 + (y x)2

∂z ∂y = ∂z ∂u ∂u ∂y + ∂z ∂v ∂v ∂y = [u + v2 + u 2u + v2] x + [ uv u + v2] 1x 1 + (y x)2

7.4 Sea z = g(y) f(x,y) con f y g funciones con derivadas de segundo orden.
1
Calcule ∂z ∂x
∂z ∂x = g(y) [∂f ∂x]
2
Calcule ∂z ∂y
∂z ∂y = g(y) f(x,y) + g(y) [∂f ∂y]
3
Si x = t2 y y = u2 + t3, calcule ∂z ∂t y ∂z ∂u

∂z ∂t = g(y) 3t2 f(x,y) + g(y) [∂f ∂x 2t + ∂f ∂y 3t2]

∂z ∂u = g(y) 2u f(x,y) + g(y) [∂f ∂x 0 + ∂f ∂y 2u]

7.5 Sea z = f(xy,x). Si f tiene derivadas parciales de segundo orden, calcular 2z ∂y∂x.
∂z ∂x = ∂f ∂u y + ∂f ∂v
Aplicamos regla del producto,
2z ∂y∂x = ∂y [∂f ∂u y] + ∂y [∂f ∂v] = 1 ∂f ∂u + y [2f ∂u2 x] + [ 2f ∂u∂v x]

7.6 Sea z = ln 3(xy) + f(xy,x). Si f tiene derivadas parciales de segundo orden, calcular 2z ∂y∂x.
∂z ∂x = 3ln 2(xy) 1 x + ∂f ∂u y + ∂f ∂v
Aplicamos regla del producto,

2z ∂y∂x = 6ln (xy) 1 xy + ∂y [∂f ∂u y] + ∂y [∂f ∂v] = 6ln (xy) 1 xy + 1 ∂f ∂u + y [2f ∂u2 x] + [ 2f ∂u∂v x]

7.7 Sea g derivable y f una función con derivadas parciales de segundo orden continuas. Determine 2z ∂x∂y si z = f(xsen(y),g(x))
Primero hacemos un cambio de variable: z = f(U,V ) con U = xsen(y) V = g(x).

∂z ∂y = ∂f ∂U Uy + ∂f ∂V V y = ∂f ∂U xcos y + ∂f ∂V 0 y 2z ∂x∂y = ∂x (∂f(U,V ) ∂U xcos y) = ( 2f U2 Ux + 2f ∂V ∂U V x) xcos y + cos y ∂f ∂U = ( 2f U2 sen y + 2f ∂V ∂U g(x))xcos y + cos y ∂f ∂U

7.8 Sea T(x,t) = e3x sen (2t 3x). Determine una constante K tal que 6∂T ∂t + 3 2T ∂x∂t 2∂T ∂x = K T(x,t)

∂T ∂t = 2e3x sen (2t 3x)

2T ∂x∂t = 6e3x cos (2t 3x) + 6e3x sen (2t 3x)

∂T ∂x = 3e3x sen (2t 3x) 3e3x cos (2t 3x)

K = 24.

7.9 Sea z definida mediante z = xf(y) + yg(x), con f y g funciones dos veces derivables. Calcule K de tal manera que se verifique la identidad 2xy 2z ∂x∂y Kx∂z ∂x Ky∂z ∂y + 2z = 0.

∂z ∂x = f(y) + yg(x) ∂z ∂y = xf(y) + g(x) 2z ∂x∂y = f(y) + g(x)

Si K = 2, entonces

2xy(f(y) + g(x)) 2x(f(y) + yg(x)) 2y(xf(y) + g(x)) + 2z = 2xyf(y) + 2xyg(x) 2xf(y) 2xyg(x) 2yxf(y) 2yg(x) + 2z = 2xf(y) 2yg(x) + 2z = 0 pues 2z = 2xf(y) + 2yg(x)

7.10 Sea z = ∂f ∂x + ∂f ∂y, donde f = f(x,y) es una función con derivadas de segundo orden. Si x = u2 + v y y = u + v2, calcule ∂z ∂u y ∂z ∂v. Sugerencia: ∂z ∂u = ∂u (∂f ∂x(x,y) + ∂f ∂y (x,y))

∂z ∂u = 2f ∂x2 ∂x ∂u + 2f ∂y∂x ∂y ∂u + 2f ∂x∂y ∂x ∂u + 2f ∂y2 ∂y ∂u = 2f ∂x2 2u + 2f ∂y∂x 1 + 2f ∂x∂y 2u + 2f ∂y2 1

∂z ∂v = 2f ∂x2 ∂x ∂v + 2f ∂y∂x ∂y ∂v + 2f ∂x∂y ∂x ∂u + 2f ∂y2 ∂y ∂u = 2f ∂x2 1 + 2f ∂y∂x 2v + 2f ∂x∂y 1 + 2f ∂y2 2v

7.11Sea w = g(x) + f(x,y) con x = rcos 𝜃 y y = rsen 𝜃. Calcule ∂w ∂𝜃
∂w ∂𝜃 = g(x) rsen 𝜃 ∂f ∂x rsen 𝜃 + ∂f ∂y rcos 𝜃

7.12 Sea z = f(u,v), donde u = x2 + y2, v = xy. Si f tiene derivadas parciales de segundo orden fu,fuv,fuu y fvv continuas (es decir, fuv = fvu). Verifique que: 2z x2 = 2∂f ∂u + 4x22f ∂u2 + 4xy 2f ∂u∂v + y22f ∂v2

∂z ∂x = 2x∂f ∂u + y∂f ∂v
Aplicamos la regla del producto,
2z x2 = ∂x [2x∂f ∂u] + ∂x [y∂f ∂v] = 2∂f ∂u + 2x [2x2f ∂u2 + y 2f ∂v∂u] + y [2x 2f ∂u∂v + y2f ∂v2 ]

Simplificando se obtiene el resultado.

7.13Sea z = f(x2 + cos y,x2 1) g(3xy2) con g derivable y f con derivadas parciales continuas y de segundo orden. Calcule zxy
Primero debemos hacer un cambio de variable para poder aplicar la regla de la cadena. Sea z = f(u,v) g(w). Entonces,
zy = fu sen y g(w) 6xy.

zxy = sen y(fuu 2x + fuv 2x) g (w) 3y2 6xy + 6y g(w)

7.14Sea z = x2f4(xy,y2) con f con derivadas parciales continuas. Calcule zy y zx
Primero debemos hacer un cambio de variable para poder aplicar la regla de la cadena. Sea z = x2f4(u,v). Entonces,

zx = 2xf4(u,v) + x2(4f3(u,v) (fu y + fv 0))

zy = x2(4f3(u,v) (fu x + fv 2y))

7.15Considere z = x f (y x,e3x + 3x) + h (x2y2), donde f es una función con derivadas parciales de segundo orden continuas y h una función con derivadas de segundo orden continuas, calcule: 2z ∂x∂y.
Sea u = y x, v = e3x + 3x y w = x2y2. Entonces z = x f (u,v) + h (w)

∂z ∂y = x ∂f ∂y + ∂h ∂y = x ∂f ∂y + ∂h ∂y = x (∂f ∂u ∂u ∂y + ∂f ∂v ∂v ∂y ) + h (w) ∂w ∂y = x (∂f ∂u 1 x + ∂f ∂v 0) + h (w) 2x2y = ∂f ∂u + h (w) 2x2y

Ahora

2z ∂x∂y = (∂z ∂y ) ∂x = (∂f ∂u + h (w) 2x2y) ∂x = 2f u2 ∂u ∂x + 2f ∂v∂u ∂v ∂x + h′′ (w) ∂w ∂x 2x2y + h (w) 4xy = 2f u2 y x2 + 2f ∂v∂u (3e3x + 3) + h′′ (w) 2xy2 2x2y + h (w) 4xy = 2f u2 y x2 + 2f ∂v∂u (3e3x + 3) + h′′ (w) 4x3y3 + h (w) 4xy

7.16Considere z = f(2x2y y,x2) + g(x2 xy), donde f es una función con derivadas parciales de segundo orden continuas y g una función con derivadas de segundo orden continuas, calcule: 2z ∂x∂y.
Cambio de variable: z = f(u,v) + g(w)
∂z ∂y = ∂f ∂u (2x2 1) x dg dw

2z ∂x∂y = 4x∂f ∂u + (2x2 1) (2f u24xy + 2f ∂v∂u2x) g(w) x g(w) (2x y)

7.17 Sea z = f(x2 y,xy) donde s = x2 y y t = xy. Calcule ∂f ∂t y ∂f ∂s ( Sugerencia: Calcule zx y zy y resuelva el sistema pensando en ∂f ∂t y ∂f ∂s como incognitas).
Las derivadas parciales que se piden aparecen cuando calculamos ∂z ∂x y ∂z ∂y. La idea es despejar a partir de estos dos cálculos.

{ ∂z ∂x = ∂f ∂s 2x + ∂f ∂t y ∂f ∂t = 1 y + 2x2 [ ∂z ∂x + 2x ∂z ∂y] ∂z ∂y = ∂f ∂s 1 + ∂f ∂t x

De manera análoga, ∂f ∂s = 1 y + 2x2 [ ∂z ∂x y ∂z ∂y]

7.18 Verifique que si f es diferenciable, la función z = f(xy) satisface la ecuación x∂z ∂x y∂z ∂y = 0
Sea u = xy. Con un cálculo directo obtenemos ∂z ∂x = yf(u) y ∂z ∂y = xf(u) Sustituyendo en la ecuación diferencial se obtiene el resultado.

7.19Sea u = f(r) con f derivable y r2 = x2 + y2 + z2. Mostrar que x∂u ∂x + y∂u ∂y + z∂u ∂z = rf(r)

Observe que

∂x (r2) = ∂x (x2 + y2 + z2) 2r∂r ∂x = 2x, es decir, ∂r ∂x = x r. De manera análoga,

∂r ∂y = y r

∂r ∂z = z r

Entonces

x∂u ∂x + y∂u ∂y + z∂u ∂z = x f(r) x r + y f(r) y r + z f(r)z r = f(r) x2 + y2 + z2 r = rf(r)

7.20Supongamos que f es una función con derivadas parciales de segundo orden continuas. Calcule 2z ∂x∂y si z(x,y) = f(u,v) x con u = x3 y v = 3y 2
2z ∂x∂y = 3 x2 fv + 3xfvu

7.21 (*) Supongamos que se sabe que x∂z ∂x + y∂z ∂y = 2x2 sen (xy) con x > 0 y y > 0. Verifique que aplicando un cambio de variable de (x,y) a (u,v) donde u = xy y v = xy; entonces la ecuación (∗) se convierte en la ecuación ∂z ∂u = vsen u. Sugerencia: Como z = z(u,v); calcule las derivadas parciales y luego despeje x y y en el cambio de variable. Al sustituir, obtiene el resultado.
Al aplicar el cambio de variable, z es una función de u y v, es decir, z = z(u,v). Por tanto

∂z ∂x = ∂z ∂uux + ∂z ∂vvy = y∂z ∂u + 1 y∂z ∂v y ∂z ∂y = x∂z ∂u x y2∂z ∂v

Sustituyendo ∂z ∂x, ∂z ∂y, x = uv y y = uven (∗), nos queda

∂z ∂u = vsen u