7. Regla de la cadena.

Recordemos que en una variable, si f(u) y u(x) son derivables, entonces la regla de la cadena establece

df dx = df dudu dx

La regla de la cadena nos indica como varía f conforme recorremos la trayectoria u(x). Formalmente es la derivada de f en presencia de un cambio de variable u. En funciones de varias variables la relación persiste en el siguiente sentido

Ya conocemos que si f es diferenciable en (x0,y0) entonces hay entorno alrededor de (x0,y0) en el que

Δf = fx(x0,y0)dx + fy(x0,y0)dy + E(x,y) con  lim (x,y)(x0,y0) E(x,y) ||(x,y) (x0,y0)|| = 0

En presencia de una composición de funciones (o mejor "un cambio de variable"), tenemos

Teorema 7 — (Regla de la cadena – Caso I)..

Sean x = x(t) y y = y(t) derivables y z = f(x,y) diferenciable en (x,y) = (x(t),y(t)), entonces si z = f(x(t),y(t)) es derivable,

 d z  d t = ∂f ∂xx(t) + ∂f ∂yy(t)

Teorema 8 — (Regla de la cadena – Caso II.).

Sean u = u(x,y) y v = v(x,y) con derivadas parciales en (x,y). Si z = f(u,v) es diferenciable en (u,v) = (u(x,y),v(x,y)) entonces z = f(u,v) tiene derivadas parciales de primer orden en (x,y) y

∂z ∂x = ∂f ∂u∂u ∂x + ∂f ∂v∂v ∂x ∂z ∂y = ∂f ∂u∂u ∂y + ∂f ∂v∂v ∂y

Ejemplo84

Sea z(x,y) = arctan (yx) + tan (xy). Podemos hacer un cambio de variable y calcular ∂z ∂x usando la regla de la cadena. Sea u(x,y) = arctan (yx) y v(x,y) = tan (xy), entonces z = u + v.

∂z x = ∂z ∂u∂u x + ∂z ∂v∂v x = 1 2u + v 1 1 + (yx)2 y 1 x2 + 1 2u + vysec 2(xy)

Al sustituir u y v obtenemos el resultado completo, si fuera necesario.

Ejemplo85

Sea z(x,y) = x2 + 3y2, donde x = et y y = cos (t) entonces

dz dt = ∂z xdx dt + ∂z ydy dt = 2xet 6ysen (t) = 2e2t 6cos (t)sen (t)

Ejemplo86

Sea z(u,v) = x2ey3 , donde x = uv y y = u2 v3 entonces

∂z u = ∂z xx u + ∂z yy u = 2xey3 ∂x u + 3x2y2ey3 ∂y u = 2xey3 v + 3x2y2ey3 2u

∂z v = ∂z xx v + ∂z yy v = 2xey3 ∂x v + 3x2y2ey3 ∂y v = 2xey3 u + 3x2y2ey3 3v2
Ejemplo87

Sea f una función diferenciable y z(x,y) = f(x2,xy2). Para derivar usando la regla de la cadena usamos el cambio de variable u = x2 y v = xy2, entonces z(x,y) = f(u,v) y

∂z x = ∂f ∂u ∂u x + ∂f ∂v ∂v x = ∂f ∂u 2x + ∂f ∂v y2

∂z y = ∂f ∂u ∂u y + ∂f ∂v ∂v y = ∂f ∂u 0 + ∂f ∂v 2xy
Ejemplo88

Sea f una función derivable y z = f(x,y) con x = rcos 𝜃,y = rsen 𝜃, entonces

∂z r = ∂f ∂x∂x r + ∂f ∂y∂y r = ∂f ∂xcos 𝜃 + ∂f ∂ysen 𝜃
∂z 𝜃 = ∂f ∂x∂x 𝜃 + ∂f ∂y∂y 𝜃 = ∂f ∂x rsen 𝜃 + ∂f ∂yrcos 𝜃
Ejemplo89

Sea V = V (P,T). Si P(V b)eRV = RT, con b,R constantes, calcule ∂V ∂T .

Solución. V es función de P y T. Derivamos a ambos lados respecto a T,

∂T [P(V b)eRV ] = ∂T [RT ] P [V TeRV + (V b)eRV RV T] = R V T = R PeRV (1 + (V b)R).

Regla de la cadena y segundas derivadas parciales. Si z = f(u,v) tiene segundas derivadas parciales continuas, entonces las derivadas parciales de f siguen siendo funciones de u y v.

Si z = f(u,v), entonces ∂x (∂f ∂u(u,v)) = 2f u2 ∂u ∂x + 2f ∂v∂u ∂v ∂x

Esquematicamente se podría ver así:

PIC

PIC       PIC

Ejemplo90

Si z = g(x2) + f(arctan x,tan y), calcule ∂f ∂x, ∂f ∂y, 2z ∂x∂y y 2z ∂x2

Solución. : Primero un cambio de variable z = g(u) + f(v,w) con { u = x2 v = arctan x

1.
∂z ∂x = g(u) 2x + ∂f ∂v 1 1 + x2 + ∂f ∂w 0

2.
2z ∂x2 = ∂x (2x g(u) + 1 1 + x2 ∂f ∂v(v,w))

3.
∂z ∂y = 0 + ∂f ∂v 0 + ∂f ∂w sec 2y

4.
2z ∂x∂y = ∂x (sec 2y ∂f ∂w(v,w))
Ejemplo91

Si z(x,y) = g(y) f(x 2y,y3). Calcule zx y zxy.

Solución. Cambio de variable: Sea u = x 2y, v = y3. Entonces z(x,y) = g(y)f(u,v).

zx = g(y) [fu 1 + fv 0] = g(y)fu(u,v)

zxy = g(y) 1 fu + g(y) [2fuu + 3y2fuv]

Ejemplo92

Cambio de variable: Sea z(x,y) = g(u,v) con u = x2y2 y v = xy. Calcule 2z ∂y∂x.

Solución.

∂z x = ∂g ∂u∂u x + ∂g ∂v∂v x = ∂g ∂u 2xy2 + ∂g ∂v y

2z y∂x = y [∂g(u,v) ∂u ] 2xy2 + y [2xy2] ∂g ∂u + ∂g(u,v) ∂v + y y [∂g(u,v) ∂v ] = [2g u2 uy + 2g ∂v∂u vy] 2xy2 + 4xy ∂g ∂u + ∂g(u,v) ∂v + y [ 2g ∂u∂v uy + 2g v2 vy] = [2g u2 2yx2 + 2g ∂v∂u x] 2xy2 + 4xy ∂g ∂u + ∂g(u,v) ∂v + y [ 2g ∂u∂v 2yx2 + 2g v2 x]

Ejemplo93

Sea F(u,v) = u v con u2 = x y y v2 = x + y. Si u0 y v0, verifique

a.)
Fx = u + v 2uv .
b.)
Fy = v u 2uv .

Solución. Primero veamos que 2uux = 1, 2vvx = 1, 2uuy = 1 y 2vvy = 1. Por lo tanto

a.)
Fx = Fuux + Fvvx = 1 1 2u 1 1 2v = u + v 2uv .
b.)
Fy = Fuuy + Fvvy = 1 ( 1 2u) 1 1 2v = v u 2uv .