62. Material en revisión: miércoles 23 de octubre

Por Mariana Perez

Teorema

Sea f:UR2R tal que existen las segundas derivadas parciales.

Si son continuas, entonces el polinomio de Taylor de 2° grado es el único p(x,y) tal que

lim(h,k)(0,0)f(x0+h,y0+k)p(x0+h,y0+k)(h,k)2=0

Observación: si NO son continuas la demostración no sería válida.

Demostración:

p(x0+h,y0+k)=Ah2+Bhk+Ck2+Dh+Ek+F para algunas A,B,C,D,E,FR constantes.

F=f(h,k) ya que lim(h,k)(0,0)f(x0+h,y0+k)p(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)F=0

Tenemos que D=fx(x0,y0), y E=fy(x0,y0) porque

lim(h,k)(0,0)|f(x0+h,y0+k)p(x0+h,y0+k)|(h,k)=0

En particular, si tomamos el límite con puntos de la forma (h,0) y (0,k) entonces

limh0|f(x0+h,y0)p(x0+h,y0)||(h,k)|=0

limh0|f(x0+h,y0)f(x0,y0)DhAh2||h|=0

limh0f(x0+h,y0)f(x0,y0)hDAlimh0|h|0=0

limh0f(x0+h,y0)f(x0,y0)h=D

D=fx(x0,y0)

Análogamente E=fy(x0,y0)

Ahora bien,

lim(h,k)(0,0)f(x0+h,y0+k)p(x0+h,y0+k)(h,k)2=lim(h,k)(0,0)|f(x0+h,y0)f(x0,y0)fx(x0,y0)hfy(x0,y0)kAh22BhkCk2|(h,k)2

En particular, si tomamos puntos de la forma (h,0)

limh0|f(x0+h,y0)f(x0,y0)fx(x0,y0)hAh2||h|2=0

limh0f(x0+h,y0)f(x0,y0)fx(x0,y0)hAh2h2=0

limh0f(x0+h,y0)f(x0,y0)fx(x0,y0)hh2=A

Aplicando la regla de L’Hôpital

limh0f(x0+h,y0)f(x0,y0)fx(x0,y0)hh2=limh0fx(x0+h,y0)fy(x0,y0)2h=limh0G(h)2h . . . (*)

Aplicaremos L’Hôpital por segunda vez a la expresión anterior (*), entonces tenemos

limh0G(h)2

Necesitamos que limh0G(h)=0 , es decir ,

limh0fx(x0+h,y0)fy(x0,y0)=0

Esto lo garantizamos si fx(x,y) es continua en (x0,y0).

Luego

G(h)=2fx2(x0+h,y0) por continuidad, entonces cuando h0,G(0)=2fx2(x0,y0)

Por lo tanto, A=122fx2(x0,y0)

Análogamente usando trayectorias x0,y0+k), cuando k0 tenemos que C=122fy2(x0,y0)

Reuniendo la información anterior , tenemos que

lim(h,k)(0,0)|f(x0+h,y0+k)f(x0,y0)fx(x0,y0)hfy(x0,y0)k122fx2(x0,y0)h22Bhk122fy2(x0,y0)k2|(h,k)2=0

En particular cuando tomamos h=k

lim(h,h)(0,0)|f(x0+h,y0+h)f(x0,y0)fx(x0,y0)hfy(x0,y0)h122fx2(x0,y0)h22Bh2122fy2(x0,y0)h2|2h2=0

limh0f(x0+h,y0+h)f(x0,y0)h(fx(x0,y0)fy(x0,y0))12h2(2fx2(x0,y0)2fy2(x0,y0))2h2=2B

Aplicando L’Hôpital

limh0fx(x0+h,y0+h).1fy(x0,y0).1fx(x0,y0)fy(x0,y0)h2fy2(x0,y0)h4h=B

Aplicamos L’Hôpital nuevamente, entonces tenemos que:

limh02fx2(x0+h,y0+h)+2fyx(x0+h,y0+h)+2fxy(x0+h,y0+h)+2fy2(x0+h,y0+h)2fx2(x0,y0)2fy2(x0,y0)h4=B

Si las segundas derivadas parciales son continuas, el último límite es igual a

2fyx(x0,y0)4=B

y por tanto

B=122fxy(x0,y0)

Decir que p(x,y) es la mejor aproximación de 2° grado de f(x,y) cerca del punto (x0,y0), es decir que

lim(h,k)(0,0)|f(x0+h,y0+k)p(x0+h,y0+k)|(h,k)2=0◼

Regresando al ejemplo de derivadas parciales NO continuas. (puedes hacer click en el siguiente enlace para acceder a esa entrada)

https://blog.nekomath.com/?p=101015&preview=true

Dada la función

f(x,y)={xy(x2y2)x2+y2 si (x,y)(0,0)0 si (x,y)=(0,0)

https://www.geogebra.org/classic/cgm64kqa

¿Cuál será el polinomio de Taylor de 2° grado de f alrededor del origen?

f(0,0)=0

fx(0,0)=limh0f(h,0)f(0,0)h=limh00h=0

Análogamente

fy(0,0)=0

2fx2(0,0)=limh0fx(h,0)fx(0,0)h=0h=0

Análogamente

2fy2(0,0)=0

2fxy(0,0)=1

2fyx(0,0)=1

Podemos examinar que pasa si tomamos un polinomio de la forma

p(x,y)=Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F

F=0

D=E=f(0,0)=0 por lo tanto D=0=E

Si lim(h,k)(0,0)|f(h,k)p(h,k)|(h,k)2=0, entonces

Para k=0

limh0|f(h,0)p(h,0)|h2=limh00Ah2h=A=0

Análogamente, para h=0 tenemos que C=0

luego

lim(h,k)(0,0)|f(h,k)2Bhk|(h,k)2=0

En particular, para cuando limh0f(h,h)2Bh22h2=0

f(h,h)=0

limh02Bh22h2=limh02B=0

Por lo tanto B=0

Sea f(x,y)=(y3x2)(yx2)

¿Cómo son las curvas de nivel de f?

¿Cómo es la gráfica de f?

«Curva» de nivel 0

{(x,y)R2|f(x,y)=0}=f1(0)={(x,y)R2|(y3x2)(yx2)=0}

Entonces

y3x2=0y=3x2 o

yx2=0y=x2

Si (x,y) cumple que x2<y<3x2 entonces

0<yx2 pero y3x2<0 por lo tanto f(x,y)<0

Si (x,y) cumple que y>3x2 entonces f(x,y)>0 ya que y>x2

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.