Derivadas Parciales de Orden Superior.

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Introduccion

Derivadas Parciales de Orden Superior

Si f es una función de doas variables x,y fx,fy son funciones de las mismas variables, cuando derivamos fx y fy obtenemos las derivadas parciales de segundo orden, las derivadas de fx están definidas por:

2fx2(x,y)=limh0fx(x+h,y)fx(x,y)h

2fyx(x,y)=limk0fx(x,y+k)fx(x,y)k

Si f es una función de dos variables entonces hay cuatro derivadas parciales de segundo orden.

Consideremos las diferentes notaciones para las derivadas parciales:

f1,1=2fx2=fxx

f1,2=2fyx=y(fx)=fxy

f2,1=2fxy=x(fy)=fyx

f2,2=2fy2=y(fy)=fyy

Ejemplo. z=x3+3x2y2x2y2y4+3xy hallar zx,zy,2zx2,2zxy,2zyx,2zy2

zx=3x2+6xy4xy2+3y

zy=3x24x2y4y3+3x

2zx2=6x+6y4y2

2zy2=4x212y2

2zyx=6x8xy+3

2zxy=6x8xy+3

Teorema 1.Teorema de schwarz

Sea f:AR2R una función definida en el abierto A de R2. Si las derivadas parciales

2fyx y 2fxy

existen y son continuas en A, entonces

2fyx=2fxy

Demostración. Sea

M=f(x+h1,y+h2)f(x+h1,y)f(x,y+h2)+f(x,y) y definimos φ(x)=f(x,y+h2)f(x,y)de manera que
φ(x+h1)φ(x)=f(x+h1,y+h2)f(x+h1,y)(f(x,y+h2)f(x,y))=M

Aplicando el TVM a φ en el intervalo [x,x+h1] se tiene que existe θ  (x,x+h1) tal que

φ(x+h1)φ(x)=φ(θ)h1

por otro lado
φ(x)=fx(x,y+h2)fx(x,y)
por lo tanto
φ(θ)=fx(θ,y+h2)fx(θ,y)
tenemos entonces que

M=φ(x+h1)φ(x)=φ(θ)h1=(fx(θ,y+h2)fx(θ,y))h1
Consideremos ahora ψ(y)=fx(x,y). Aplicando el TVM a ψ en el intervalo [y,y+h2] se tiene que existe η  (y,y+h2) tal que
ψ(y+h2)ψ(y)=ψ(η)h2
por otro lado

ψ(y)=y(fx)(x,y)=2fyx(x,y)
por lo tanto
ψ(η)=2fyx(x,η)
de esta manera

ψ(y+h2)ψ(y)=ψ(η)h2=(2fyx(x,η))h2
y si θ(x,x+h1) tenemos entonces que

fx(θ,y+h2)fx(θ,y)=(2fyx(θ,η))h2
en consecuencia
M=(fx(θ,y+h2)fx(θ,y))h1=(2fyx(θ,η))h2h1

Consideremos ahora φ(y)=f(x+h1,y)f(x,y)de manera que
φ(y+h2)φ(y)=f(x+h1,y+h2)f(x+h1,y)(f(x,y+h2)f(x,y))=M

Aplicando el TVM a φ en el intervalo [y,y+h2] se tiene que existe η  (y,y+h2) tal que
φ(y+h2)φ(y)=φ(η)h2
por otro lado
φ(y)=fy(x+h1,y)fy(x,y)
por lo tanto

φ(η)=fy(x+h1,η)fy(x,η)
tenemos entonces que
M=φ(y+h2)φ(y)=φ(η)h2=(fy(x+h1,η)fy(x,η))h2

Consideremos ahora ψ(x)=fy(x,y). Aplicando el TVM a ψ en el intervalo [x,x+h1] se tiene que existe θ  (x,x+h1) tal que
ψ(x+h1)ψ(x)=ψ(θ)h1
por otro lado

ψ(x)=x(fy)(x,y)=2fxy(x,y)
por lo tanto
ψ(θ)=2fyx(θ,y)
de esta manera

ψ(x+h1)ψ(x)=ψ(θ)h1=(2fxy(θ,y))h1
es decir
fy(x+h1,y)fy(x,y)=(2fxy(θ,y))h1
y si η(y,y+h2) tenemos entonces que
fy(x+h1,η)fy(x,η)=(2fxy(θ,η))h1
en consecuencia

M=(fy(x+h1,η)fy(x,η))h1h2=(2fxy(θ,η))h2h1
igualando ambas expresiones de M se tiene
(2fyx(θ,η))h2h1=(2fxy(θ,η))h2h1
donde
(2fyx(θ,η))=(2fxy(θ,η))
Tomando limite cuando h1,h20 y usando la continuidad asumida de las parciales mixtas se tiene que θ,θx y η,ηy se concluye
2fyx(x,y)=2fxy(x,y) ◻

Ejemplo. Sea f:R2R dada por f(x,y)=x3+3x2y2x2y2y4+3xy\
En este caso
fx=3x2+6xy4xy2+3y
fy=3x24x2y4y3+3x
2fx2=6x+6y4y2
2fy2=4x212y2
2fxy=6x8xy+3
2fyx=6x8xy+3

Ejemplo. Dada la función

tenemos que para (x,y)(0,0)
fx=yx4+4x2y2y4(x2+y2)2
fy=xx44x2y2y4(x2+y2)2
para el primer caso hacemos x=0 y tenemos
fx=yx4+4x2y2y4(x2+y2)2=x=0y para el segundo caso hacemos y=0 y tenemos fy=xx44x2y2y4(x2+y2)2=y=01
Calculamos ahora
2fyx=2(y)yx=1
2fxy=2(1)xy=1
por lo tanto
2fyx=11=2fxy
En este caso las parciales segundas no son contiuas en (0,0)

Teorema. Caso General

Sea f:ARnR definida en el abierto A de Rn tal que
2fxixj sean continuas en A, entonces
2fxixj=2fxjxi

Mas adelante

Tarea Moral

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