El Teorea de la Función Implícita (parte 3)

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Introducción

Teorema de la Función Implícita (sistemas de ecuaciones

Teorema 1. Considere las funciones z1=F(x,y,u,v) y z2=G(x,y,u,v). Sea P=(x,y,u,v)R4 un punto tal que F(P)=G(P)=0. Suponga que en una bola BR4 de centro P las funciones F y G tienen (sus cuatro) derivadas parciales continuas. Si el Jacobiano (F,G)(u,v)(P)0 entonces las expresiones F(x,y,u,v)=0 y G(x,y,u,v)=0 definen funciones (implícitas) u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) definidas en una vecindad v de (x,y) las cuales tienen derivadas parciales continuas en v

Dadas las funciones F y G de las variables u,v,x,y nos preguntamos cuando de las expresiones

F(x,y,u,v)=0
G(x,y,u,v)=0

podemos despejar a u y v en términos de x y y en caso de ser posible diremos que las funciones u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) son funciones implícitas dadas. Se espera que n funciones u=φ1(x,y) y
v=φ2(x,y) en

F(x,y,φ1(x,y),φ2(x,y)
G(x,y,φ1(x,y),φ2(x,y)

con (x,y) en alguna vecindad V

Suponiendo que existen φ1 y φ2 veamos sus derivadas

Fxxx+Fyyx+Fuux+Fvvx=0       Fuux+Fvvx=Fx

Gxxx+Gyyx+Guux+Gvvx=0       Guux+Gvvx=Gx

Lo anterior se puede ver como un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas ux y vx. Aquí se ve que para que el sistema tenga solución.

det|FuFvFuGv|0 en (P) (el det Jacobiano) y según la regla de Cramer

ux=det|FxFvGxGv|det|FuFvFuGv|=(F,G)(x,v)(F,G)(u,v), vx=det|FuFxGuGx|det|FuFvFuGv|=(F,G)(u,x)(F,G)(u,v).

Análogamente si derivamos con respecto a y obtenemos

Fuuy+Fvvy=Fy

Guuy+Gvvy=Gy

de donde

uy=det|FyFvGyGv|det|FuFvFuGv|=(F,G)(y,v)(F,G)(u,v), vy=det|FuFyGuGy|det|FuFvFuGv|=(F,G)(u,y)(F,G)(u,v).

Al determinante det|FuFvGuGv| lo llamamos Jacobiano y lo denotamos por (F,G)(u,v).

Ejemplo. Analizar la solubilidad del sistema
eu+ev=x+ye
ueu+vev=xye
Solución En este caso definimos
F(x,y,u,v)=eu+evxye=0
G(x,y,u,v)=ueu+vevxye=0
por lo que el sistema tendra solución si det|FuFvFuGv|0

En este caso
det|FuFvFuGv|=det|euevueu+eeuvev+ev|=eu(vev+ev)ev(ueu+eu)=veu+vuev+u0
por lo tanto u y v se pueden ver en términos de x,y se pueden calcular sus parciales en u=0, v=1, x=1, y=1 que es este caso dan
ux=det|1yeevvev+ev|veu+vuev+u=(vev+ev)+evyeveu+vuev+u|(0,1,1,1)=2ee2e=2e vx=det|euueu+eu1ye|veu+vuev+u=yeue+ueu+euveu+vuev+u|(0,1,1,1)=e1e=1e1
uy=det|exeevvev+ev|veu+vuev+u=e(vev+ev)+evxeveu+vuev+u|(0,1,1,1)=e2+e2e2e=e vy=det|euueu+euexe|veu+vuev+u=euxe+e(ueu+eu)veu+vuev+u|(0,1,1,1)=eee=0

Teorema de la Función Implícita (n-sistemas de ecuaciones

Considere las n-funciones
ui=Fi(x1,,xm,y1,,yn), i=1,,n Sea P=(x1,,xm,y1,,yn)Rn+m un punto tal que Fi(P)=0. Suponga que en una bola BRn+m de centro P las funciones Fi tienen (sus m+n) derivadas parciales continuas. Si el Jacobiano (F1,F2,,Fn)(y1,y2,,yn)=|F1y1F1y2F1ynF2y1F2y2F2ynFny1Fny2Fnyn|0 en  P

entonces las expresiones
Fi(x1,,xm,y1,,yn)=0 y G(x,y,u,v)=0 definen funciones (implícitas)
yi=φi(x1,,xm), i=1,,n definidas en una vecindad v de (x1,,xm) las cuales tienen derivadas parciales
continuas en v que se pueden calcular como
yixj=(F1,F2,,Fn)(y1,,yi1,xj,yi+1,,yn)(F1,F2,,Fn)(y1,y2,,yn)

Ejemplo. Considere las ecuaciones
F(x,y,u,v,w)=x+y+u+v+w=0G(x,y,u,v,w)=x2y2+u22v2+w2+1=0H(x,y,u,v,w)=x3+y3+u43v4+8w4+2=0

En el punto P=(1,1,1,1,0), se tiene F(P)=G(P)=H(P)=0. Todas las derivadas parciales de F, G, H son continuas. Se tiene además que
(F,G,H)(u,v,w)=det|1112u4v2w4u312v332w2|u=1v=1w=0=80
Entonces el teorema asegura que en torno a P podemos despejar u,v,w en términos de x,y y establecer funciones
u=u(x,y), v=v(x,y), w=w(x,y)
las cuales tienen derivadas parciales continuas en una vecindad de (1,1) que se pueden calcular

ux=(F,G,H)(x,v,w)(F,G,H)(u,v,w),uy=(F,G,H)(y,v,w)(F,G,H)(u,v,w)

vx=(F,G,H)(u,x,w)(F,G,H)(u,v,w),vy=(F,G,H)(u,y,w)(F,G,H)(u,v,w)

wx=(F,G,H)(u,v,x)(F,G,H)(u,v,w),  wy=(F,G,H)(u,v,y)(F,G,H)(u,v,w)

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