Diferenciales de orden uno, dos,…n

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Introduccion

Diferenciales de funciones f:AR2R

Tenemos que f:AR2R es diferenciable si
f(xo+h1,y0+h2)=f(x0,y0)+fx(x0,y0)h1+fy(x0,y0)h2+r(h1,h2)
cumple
lim(h1,h2)(0,0)r(h1,h2)|(h1,h2)|=0
Esto se puede escribir como
f(xo+h1,y0+h2)f(x0,y0)=fx(x0,y0)h1+fy(x0,y0)h2+r(h1,h2)

tomando
f(xo+h1,y0+h2)f(x0,y0)=z
fx(x0,y0)h1=fx(x0,y0)x
fy(x0,y0)h2=fy(x0,y0)y
tenemos que
z=fx(x0,y0)x+fy(x0,y0)y+r(x,y)
haciendo x, y0 tenemos
dz=fx(x0,y0)dx+fy(x0,y0)dy
Definición.Si z=f(x,y) es una función diferenciable, la diferencial de f denotada dz se define
dz=fx(x0,y0)dx+fy(x0,y0)dy

Ejemplo. Calcular la diferencial de z=4x2xy\En este caso
dz=(4x2xy)xdx+(4x2xy)ydy=(8xy)dxxdy

Ahora bien
f(xo+h1,y0+h2)f(x0,y0)=zfx(x0,y0)x+fy(x0,y0)y
expresa el cambio aproximado de z=f(x,y) cuando (x,y) pasa a (x+x,y+y)

Ejemplo. Aproximar el cambio de z=4x2xy cuando (x,y) pasa de (2,1) a (2.1,1.5)\
En este caso tomamos x0=2, y0=1, x=0.1 y y=.5 y el valor de cambio será
fx(2,1)x+fy(2,1)y=(15)(0.1)2(0.5)=1.5
mientras que
f(2.1,1.5)f(2,1)=14.4914=0.49
por lo tanto en la aproximacion se cometió un error de 0.01

Ejemplo. Usando diferenciales se quiere calcular aproximadamente
A=0.9715.05+0.983

Solución. Considerando la función
f(x,y,z)=xy+z3
con x=1, y=15, z=1, dx=0.03, dy=0.05 y dz=0.02 se tiene
f(x+dx,y+dy,z+dz)=f(x,y,z)+df(x,y,z)
en este caso
f(x,y,z)=f(1,15,1)=14
fx=1y+z3, fy=x2(y+z3)32, fz=x2(y+z3)3213z23
evaluando en (1,15,1) se tiene
fx(1,15,1)=14, fy(1,15,1)=1128, fz(1,15,1)=1384
de modo que
df(1,15,1)=14(0.03)1128(0.05)1384(0.02)=3.01384
por lo que
A=143.01384=0.242161
(el valor es 0.2421726)

Diferencial de orden 2

Si df=fxdx+fydy entonces una diferencial de orden 2 seria:
d2f=d(df)=d(fxdx+fydy)=x(fxdx+fydy)dx+y(fxdx+fydy)dy
=(2fx2dx+2fxydy)dx+(2fyxdx+2fy2dy)dy=2fx2dx2+2fxydxdy+2fyxdydx+2fy2dy2
=2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2
Por lo tanto

d2f=d(df)=2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2

Ejemplo. Hallar la diferencial de orden 2 para f(x,y)=ex2+yy

Solución. En este caso tenemos la fórmula
d2f=d(df)=2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2
vamos a calcular las derivadas parciales correspondientes
(ex2+y2)x=2xex2+y2
(ex2+y2)y=2yex2+y2
2(ex2+y2)x2=x((ex2+y2)x)=(2xex2+y2)x=4x2ex2+y2+2ex2+y2
2(ex2+y2)y2=y((ex2+y2)y)=(2yex2+y2)y=4y2ex2+y2+2ex2+y2
2(ex2+y2)yx=y((ex2+y2)x)=(2xex2+y2)y=4xyex2+y2
2(ex2+y2)xy=x((ex2+y2)y)=(2yex2+y2)x=4xyex2+y2
y la diferencial de orden 2 sería:
d2f=(4x2ex2+y2+2ex2+y2)dx2+8xyex2+y2dxdy+(4y2ex2+y2+2ex2+y2)dy2

Diferencial de orden 3

Si d2f=2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2 entonces una diferencial de orden 3 seria:
d3f=d(d2f)=d(2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2)=
x(2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2)dx+y(2fx2dx2+22fxydxdy+2fy2dy2)dy=

(3fx3dx2+23fx2ydxdy+3fxy2dy2)dx+(3fx2ydx2+23fxy2dxdy+3fy3dy2)dy=

3fx3dx3+23fx2ydx2dy+3fxy2dxdy2+3fx2ydydx2+23fxy2dxdy2+3fy3dy3=

3fx3dx3+33fx2ydx2dy+33fxy2dxdy2+3fy3dy3
Por lo tanto
d3f=d(d2f)=3fx3dx3+33fx2ydx2dy+33fxy2dxdy2+3fy3dy3

Diferencial de orden 3

Si d3f=3fx3dx3+33fx2ydx2dy+33fxy2dxdy2+3fy3dy3 entonces una diferencial de orden 4 seria:
d4f=d(d3f)=4fx4dx4+44fx3ydx3dy+64fx2y2dx2dy2+44fxy3dxdy3+4fy4dy4

Diferencial de orden n

dnf=nfxndxn+(n1)n1fxn1ydxn1dy+(n2)n2fxn2y2dxn2dy2++(nk)nkfxnkykdxnkdyk++nfyndyn

que se puede escribir
dnf=j=0n(nj)nfxnjyjdxnjdyj

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