59. Material en revisión: (miércoles 16 de octubre)

Por Mariana Perez

(*) Sobre las derivadas de g(t)=f(x0+th,y0+tk)

Proposición:

g(n)(t)=i=0n(ni)nfxiyni(x0+th,y0+tk)hikni

Demostración (por inducción)

Base inductiva:

Para n=1,2 lo trabajamos en la entrada anterior. https://blog.nekomath.com/?p=101046&preview=true

Paso inductivo:

Supongamos la proposición válida para n.

[ por demostrar: que es válida para n+1]

Entonces

g(n+1)(t)=ddti=0n(ni)nfxiyni(x0+th,y0+tk)hikni=i=0n(ni)hikniddtnfxiyni(x0+th,y0+tk)

Podemos ver a la nfxiyni(x,y)=G(x,y)

Entonces, derivando G(x0+th,y0+tk)=G(α(t)) respecto a t se tiene que

ddtnfxiyni(x0+th,y0+tk)=n+1fxi+1yni(x0+th,y0+tk)h+n+1fxiyni+1(x0+th,y0+tk)k

Entonces

g(n+1)(t)=i=0n(ni)hikni(n+1fxi+1yni(x0+th,y0+tk)h+n+1fxiyni+1(x0+th,y0+tk)k)…(1)

[ por demostrar: g(n+1)(t)=i=0n+1(n+1i)hikn+1in+1fxiyn+1i(x0+th,y0+tk)]

De (1) tenemos que

g(n+1)(t)=i=0n(ni)hiknin+1fxi+1yni+i=0n(ni)hikn+1in+1fxiyn+1i

haciendo j=i+1

g(n+1)(t)=j=1n+1(nj1)hikn+1in+1fxjyn+1j+i=0n(ni)hikn+1in+1fxiyn+1i

con i=0, j=n+1

g(n+1)(t)=(n0)h0kn+1n+1fyn+1+(nn)hn+1k0n+1fxn+1+i=1n[(ni1),+(ni)]hikn+1in+1fxiyn+1i

entonces

g(n+1)(t)=(n0)h0kn+1n+1fyn+1+(nn)hn+1k0n+1fxn+1+i=1n(n+1i)hikn+1in+1fxiyn+1i

(*) Aplicamos el teorema de Taylor a la función g(t)=f(x0+th,y0+tk) en [0,1]

Teorema de Taylor en una variable

f(x)=f(a)+f(a)(xa)+f(a)2(xa)2+R2(x)

Fórmulas para R2(x)

(1) Lagrange: R2(x)=f(3)(t)3!(xa)3 para algún t(a,x).

(2) Integral: R2(x)=axf(3)(t)2!(xa)2dt

Si [a,x]=[0,1] entonces xa=1, por lo que

g(1)=g(0)+g(0)+g(0)2!+R2(1)

Si (x0,y0) es un punto crítico, entonces

f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+fx(x0,y0)h+fy(x0,y0)k+12[2fx2(x0,y0)h2+22fxy(x0,y0)hk+2fy2(x0,y0)k2]+R2(1)

La expresión resaltada de color se conoce como Formacuadra´tica.

Calculamos el error con cualquiera de las dos fórmulas vistas, de modo que:

(1) g(3)(t)3!=13!(f(3)x3h3+33fx2yh2k+33fxy2hk2+f(3)y3k3) en t(0,1)

(2) 01g(3)(t)2(1t)2dt

(*) Un acercamiento a las formas cuadráticas.

Sea H:R2R, donde

H(x,y)=(xy)(abbc)(xy)

H(x,y)=ax2+2bxy+cy2

Definición: H es definida positiva ( o positivamente) si

{H(x,y)>0(x,y)(0,0)H(x,y)=0si(x,y)=(0,0)

Análogamente,

H es definida negativa ( o negativamente) si

H(x,y)<0(x,y)(0,0)

Además

H es semi definida positiva, si H(x,y)0(x,y)

H es semi definida negativa, si H(x,y)0(x,y)

Las formas cuadráticas más fáciles de estudiar son las que tienen asociada una matriz diagonal (λ100λ2)

Entonces

H(x,y)=(xy)(λ100λ2)(xy)

H(x,y)=λ1x2+λ2y2

H es definida positiva si {λ1>0λ2>0

H es definida negativa si {λ1<0λ2<0

H es semi definida positiva si {λ10λ20

H es semi definida negativa si {λ10λ20

H tiene un punto silla en el origen si λ1<0<λ2

Veamos un ejemplo:

H(x,y)=2xy

Consideremos composiciones HT , con T:R2R2 lineal invertible.

(xy)(xy)

T(x,y)=(x,y)

(abbc)(xy)=(xy)

{x=ax+byy=cx+dy

H(T(x,y))=H(x,y)

H(T(x,y))=2(ax+by)(cx+dy)=2ac(x)2+2(ad+bc)xy+2bd(y)2

Buscamos elegir T tal que ad+bc=0

HT tiene asociada la matriz

(2acad+bcad+bc2bd)…(1)

Ahora bien, si v=(xy) y w=(xy)

Aw=v

H(v)=vtMv, donde M=(0110)

Entonces

H(v)=vtMAw=(Aw)tMAw=wtAtMAw=AtMA

Comprobamos que (1) =AtMA

AtMA=(acbd)(0110)(abcd)=(acbd)(cdab)AtMA=(2acad+bcad+bc2bd)

Buscamos T tal que AtMA sea diagonal.

Si A=(cosθsinθsinθcosθ) matriz de rotación de ejes.

At=(cosθsinθsinθcosθ)=(cos(θ)sin(θ)sin(θ)cos(θ))=A1

Luego AtMA=A1MA … (2)

Sabemos entonces que A es inyectiva, invertible y su determinante det(A)=10

Si v1=(cosθsinθ)

v2=(sinθcosθ)

Entonces Ae1=v1 y también Ae2=v2, si además v1, v2 son eigenvectores ( o vectores propios) de M, entonces

Mv1=λ1v1

Mv2=λ2v2

A1MAe1=A1Mv1=A1λ1v1=λ1A1v1=λ1e1

Análogamente

A1MAe2=A1Mv2=A1λ2v2=λ2A1v2=λ2e2

Luego (2) es igual a (λ100λ2)

En nuestro ejemplo:

v1=(1212)

v2=(1212)

Además λ1=1 y λ2=1

Luego (x)2(y)2=2xy=H(x,y)

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