4. Derivadas parciales.

Definición 9 ((Derivadas parciales).).

Sea U n un conjunto abierto y sea f : U. Entonces la derivada parcial ∂f xi de f respecto a la variable xi en el punto x = (x1,...,xn), se define como

∂f xi = lim h0f(x1,x2,...,xi + h,...,xn) f(x1,...,xn) h = lim h0f(x + hei) f(x) h

siempre y cuando este límite exista. Aquí ei = (0,...,1,...0) con un 1 en la iésima posición. El dominio de ∂f xi es el subconjunto de n en el que este límite existe.

Caso de dos variables Cuando z = f(x,y), es común denotar las derivadas parciales con ∂f ∂x,∂z ∂x, zx o fx. Según la definición,

∂f x = lim h0f(x + h,y) f(x,y) h  y ∂f y = lim h0f(x,y + h) f(x,y) h

Es decir, para calcular ∂f ∂x derivamos de manera ordinaria f respecto a x pensando en y como una constante y para calcular ∂f ∂y derivamos de manera oridinaria f respecto a y pensando en x como una constante. Esto es válido siempre y cuando apliquen los teoremas de derivadas en una variable.

En tres o más variables, la situación es similar: Derivamos respecto a la variable de turno, pensado en las otras variables como "constantes".

Notación. Se usan distintas notaciones para las derivadas parciales. Por ejemplo, para hablar de la derivada parcial de f respecto a x, se usan la notaciones df dx, fx, xf, etc.

La notación para evaluar una derivada parcial en un punto también puede tener variaciones. Por ejemplo, para evaluar una derivada parcial de f (respecto a x) en P se usa fx(P) o también ∂f ∂x|P

Ejemplo68

Recordemos que en una variable, si k es una constante, { d du (k f(u)) = k df du

1.
Si z = x2y2 + y, calcular ∂z ∂x y ∂z ∂y.

Solución.

z = x2y2 + y∂z x = d dx (x2)y2 + d dx (y) = 2xy2 + 0

z = x2y2 + y∂z y = x2 d dy (y2) + d dy (y) = x22y + 1

2.
Si z = x3 y5 , calcular ∂z ∂x y ∂z ∂y.

Solución.

z = x3 y5 ∂z x = x ( 1 y5 x3) = 1 y5 d dx (x3) = 1 y5 3x2

z = x3 y5 ∂z y = y (x3 y5 ) = x3 d dy (y5) y10 = x3 5y4 y10

Ejemplo69

Recordemos que, { d dx (f(u)) = df du du dx, en particular  d dx (fn(u)) = nfn1(u) df du du dx d dx (f(x)g(x)) = df dx g(x) + f(x) dg dx d dx (f(x) g(x)) = df dx g(x)f(x) dg dx g2(x)

Si w = y + z2 cos 4(zx3) 1 + y2 , calcule ∂w ∂x , ∂w ∂y y ∂w ∂z

Solución.

∂w ∂x = 1 1 + y2 ∂x (y + z2 cos 4(zx3)) = 0 + 4z2 cos 3(zx3) sen (zx3) 3x2z 1 + y2

∂w ∂y = ∂y (y + z2 cos 4(zx3)) (1 + y2) ∂y (1 + y2) (y + z2 cos 4(zx3)) (1 + y2)2

∂w ∂z = 1 1 + y2 ∂z (y + z2 cos 4(zx3)) = 0 + ∂z (z2) cos 4(zx3) + z2 ∂z (cos 4(zx3)) 1 + y2

Ejemplo70(Evaluando derivadas)

El volumen de un cono es V = πr2h 3 , calcule ∂V ∂r |r=2,h=4 y ∂V ∂h |r=2,h=4

Solución.

∂V ∂r |r=2,h=4 = 2πrh 3 |r=2,h=4 = 16π 3

∂V ∂h |r=2,h=4 = πr2 3 |r=2,h=4 = 4π 3

Ejemplo71

Verifique que si z = arctan (yx), entonces x∂z ∂x + y∂z ∂y = 0.

Solución.

{ ∂z x = 1 1 + (yx)2 d dx (y x) = x2 x2 + y2 y x2 = y x2 + y2

x∂z ∂x + y∂z ∂y = x y x2 + y2 + y x x2 + y2 = 0

Ejemplo72

Si w = z2 ln (x2)cos (y2), determine g(z) tal que xln (x2)∂w ∂x + g(z)∂w ∂z = 4w

Solución.

{ ∂w x = z2 cos (y2) d dx (ln (x2)) = z2 cos (y2) 2 x

Ahora,

xln (x2)∂w ∂x + g(z)∂w ∂z = xln (x2)z2 cos (y2) 2 x + g(z) 2zln (x2)cos (y2)


Por lo tanto, si g(z) = z tendríamos lo que se pide:

xln (x2)∂w ∂x + z∂w ∂z = 2z2 ln (x2)cos (y2) + z 2zln (x2)cos (y2) = 4z2 ln (x2)cos (y2) = 4w

Ejemplo73

Si f(t,𝜃) = e2𝜃ϕ(t,𝜃), calcule ∂f ∂t y ∂f ∂𝜃

Solución. : En este caso, como ϕ no es conocida, sus derivadas parciales solo se dejan indicadas.

∂f ∂t = e2𝜃∂ϕ ∂t

∂f ∂𝜃 = ∂𝜃 (e2𝜃) ϕ(t,𝜃) + e2𝜃∂ϕ ∂𝜃 = 2e2𝜃 ϕ(t,𝜃) + e2𝜃∂ϕ ∂𝜃

Ejemplo74

Sean f,g : funciones derivables y u = x5 + y3. Si z = x2g(u) + f4(u), calcule ∂z ∂x y ∂z ∂y.

Solución. : Como f y g no son conocidas, sus derivadas solo se dejan indicadas.

∂z ∂x = 2x g(u) + x2 dg du du dx + 4f3(u) df du du dx

∂z ∂y = x2 dg du du dy + 4f3(u) df du du dy

Ejemplo75

Recordemos que en una variable, si a > 0 y, f y g son derivables, entonces aplicando regla de la cadena,

{ d dx (ag(u)) = ag(u) ln a dg du du dx

Si z = (sen x)y2 , calcular ∂z ∂x y ∂z ∂y.

Solución.

∂z x = x ([sen x]y2 ) = y2 [sen x]y21 d dx (sen x) = y2 [sen x]y21 cos x

∂z y = y ([sen x]y2 ) = [sen x]y2 ln (sen x) d dy (y2) = [sen x]y2 ln (sen x) 2y

Ejemplo76(Cálculo directo y por definición).

Sea f(x,y) = x3y3. Cuando derivamos respecto a x, el factor y3 lo podemos ver como una "constante" y cuando derivamos respecto a y, el factor x3 lo podemos ver como una "constante".

Aplicando la regla: d du (k f(u)) = k df du, con k constante, tenemos

∂f x = x (x3y3) = d dx (x3)y3 = 1 3x23y3

∂f y = y (x3y3) = x3 d dy (y3) = x31 3y23

Esta es la manera de derivar f respecto a x y respecto a y usando teoremas de derivadas. Sin embargo esto no decide si la función es derivable o no en (0,0). Para saber si estas derivadas parciales existen en (0,0), se debe calcular usando la definición,

∂f ∂x(0,0) = lim h0f(0 + h,0) f(0,0) h = lim h00 0 h = 0,

∂f ∂y(0,0) = lim h0f(0,0 + h) f(0,0) h = lim h00 0 h = 0,

es decir, en este caso la derivada parcial ∂f ∂x existe en (0,0)y es cero y también ∂f ∂y(0,0) = 0.