El Teorema de la función implícita (parte 2)

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Teorema de la Función Implícita (f:RR

Teorema. Considere la función y=f(x). Sea (x0,y0)R2 un punto tal que F(x0,y0)=0. Suponga que la función F tiene derivadas parciales continuas en alguna bola con centro (x0,y0) y que Fy(x0,y0)0. Entonces F(x,y)=0 se puede resolver para y en términos de x y definir así una función y=f(x) con dominio en una vecindad de (x0,y0), tal que y0=f(x0), lo cual tiene derivadas continuas en V que pueden calcularse como y=f(x)=Fx(x,y)Fy(x,y), xV.

Ejercicio. Si y=f(x)=Fx(x,y)Fy(x,y) calcular y»

Solución. En este caso
y»=(Fy)[2Fx2dxdx+2Fyxdydx](Fx)[2Fxydxdx+2Fy2dydx](Fy)2
=(Fy)[2Fx2+2Fyx(FxFy)](Fx)[2Fxydxdx+2Fy2(FxFy)](Fy)2
=(Fy)2(2Fx2)(2Fyx)(Fx)(Fy)(Fx)(Fy)(2Fxy)+(Fx)2(2Fy2)(Fy)3
=(Fy)2(2Fx2)2(2Fyx)(Fx)(Fy)+(Fx)2(2Fy2)(Fy)3

Teorema de la Función Implícita (f:R2R)

Teorema. Considere la función F(x,y,z). Sea (x0,y0,z0)R3 un punto tal que F(x0,y0,z0)=0. Suponga que la
función F tiene derivadas parciales Fx, Fy, Fz continuas en alguna bola con
centro (x0,y0,z0) y que Fz(x0,y0,z0)0.
Entonces F(x,y,z)=0 se puede resolver para z en términos de x,y
y definir así una función z=f(x,y) con dominio en una vecindad de
(x0,y0,z0), tal que z0=f(x0,y0), lo cual tiene derivadas continuas
en V que pueden calcularse como dzdx(x,y)=Fx(x,y)Fz(x,y)   dzdy(x,y)=Fy(x,y)Fz(x,y)

Ejercicio. Si
dzdx(x,y)=Fx(x,y)Fz(x,y) calcular 2Fx2

Solución. Tenemos que
2Fx2=x(Fx(x,y)Fz(x,y))=(Fz)[2Fx2dxdx+2Fyxdydx+2Fzxdzdx](Fx)[2Fxzdxdx+2Fyzdydx+2Fz2dzdx](Fz)2
=(Fz)[2Fx2+2Fzxdzdx](Fx)[2Fxz+2Fz2dzdx](Fz)2
=(Fz)[2Fx2+2Fzx(FxFz)](Fx)[2Fxz+2Fz2(FxFz)](Fz)2
=(Fz)22Fx222FzxFxFz+(Fx)22Fz2(Fz)3

Ejercicio. Si
dzdy(x,y)=Fy(x,y)Fz(x,y) calcular 2Fy2

Solución. tenemos que
2Fy2=y(Fy(x,y)Fz(x,y))=(Fz)[2Fyxdxdy+2Fy2dydy+2Fzydzdy](Fy)[2Fxzdxdy+2Fyzdydy+2Fz2dzdy](Fz)2
=(Fz)[2Fy2+2Fzydzdy](Fy)[2Fyz+2Fz2dzdy](Fz)2
=(Fz)[2Fy2+2Fzy(FyFz)](Fy)[2Fyz+2Fz2(FyFz)](Fz)2
=(Fz)22Fy222FzyFyFz+(Fy)22Fz2(Fz)3

Ejercicio. Si
dzdy(x,y)=FyFz calcular 2Fyx

Solución. tenemos que
2Fyx=y(Fx)=y(FxFz)=
(Fz)[2Fyx+2Fzxzy](Fx)[2Fyz+2Fz2zy](Fz)2
(Fz)[2Fyx+2Fzx(FyFz)](Fx)[2Fyz+2Fz2(FyFz)](Fz)2
=(Fz)22Fyx2FzxFyFz2FyzFxFz+2Fz2FxFy(Fz)3

Teorema de la Función Implicita (version sistemas de ecuaciones)

Consideremos ahora el sistema

au+bvk1x=0
cu+dvk2y=0

con a,b,c,d,k1,k2 constantes. Nos preguntamos cuando
podemos resolver el sistema para u y v en términos de x y y.
Si escribimos el sistema como

au+bv=k1x
cu+dv=k2y

y sabemos que este sistema tiene solución si det|abcd|0 en tal caso escribimos

u=1det|abcd|(k1dxk2by),~~v=1det|abcd|(k2ayk1cx).

Esta solución no cambiaría si consideramos


au+bv=f1(x,y)
cu+dy=f2(x,y)


donde f1 y f2 son funciones dadas de x y y. La posibilidad de despejar las variables u y v en términos de x y y recae sobre los coeficientes de estas variables en las ecuaciones dadas.

Ahora si consideramos ecuaciones no lineales en u y v escribimos el sistema como

g1(u,v)=f1(x,y)
g2(u,v)=f2(x,y)

nos preguntamos cuando del sistema podemos despejar a uy v en términos de x y y. Mas generalmente, consideramos el problema siguiente, 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|,    vx=det|FuFxGuGx|det|FuFvFuGv|      (con los dos det Jacobianos).

Análogamente si derivamos con respecto a y obtenemos

Fuuy+Fvvy=Fy

Guuy+Gvvy=Gy

de donde
uy=det|FyFvGyGv|det|FuFvFuGv|,    vy=det|FuFyGuGy|det|FuFvFuGv|      (con los dos det Jacobianos).

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

Teorema de la Función Implícita (sistemas de ecuaciones)

Teorema 3. 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 que se pueden calcular como se menciona arriba.

Demostración. Dado que det|FuFvFuGv|0 entonces Fu(p), Fv(p), Gu(p), Gv(p) no son cero al mismo tiempo, podemos suponer sin perdida de generalidad que Gv(p)0. Entonces la función z1=G(x,y,u,v) satisface las hipótesis del T.F.I y en una bola abierta con centro p, v se puede escribir como v=ψ(x,y,u).

Hacemos ahora
H(x,y,u)=F(x,y,u,ψ(x,y,u)) y tenemos que
Hu=Fxxu+Fyyu+Fuuu+Fvψu=Fu+Fvψu

por otro lado
ψu=GuGv
por lo tanto
Hu=Fu+Fvψu=Fu+Fv(GuGv)=FuGvFvGuGv0por lo tanto para H(x,y,u)=0 tenemos que existe una función u=φ1(x,y) y por lo tanto v=ψ(x,y,u)=ψ(x,y,φ1(x,y,u))=φ2(x,y) y por tanto u,v se pueden expresar en términos de x,y en una vecindad de p. ◻

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