Si una fórmula depende de dos entradas, podemos cambiar una y mantener fija la otra. Eso da una derivada parcial. Después moveremos las dos a la vez y preguntaremos cuándo un único modelo lineal predice el cambio desde cualquier dirección; ahí aparecen el diferencial y el gradiente.
Si necesitas repasar:
1. En una parcial solo cambia la coordenada indicada
La letra pasiva se comporta como constante durante esa cuenta, aunque sea variable en la función completa.
El dibujo muestra dos cortes de una función simétrica. Las parciales pueden coincidir en ese ejemplo, pero no tienen por qué hacerlo. Si y cambia con x, ya no estamos recorriendo un corte de y constante: necesitamos la regla de la cadena.
Dos cortes que dan pendientes distintas
Sea f(x,y)=2x²+3xy−y². Calcula fₓ(1,2) y fᵧ(1,2).
Fijar y=2
Queda 2x²+6x−4; su derivada en x=1 es 4+6=10.Fijar x=1
Queda 2+3y−y²; su derivada en y=2 es 3−4=−1.Interpretación
Cambiar x solo produce tasa diez; cambiar y solo produce tasa menos uno.
Las parciales son 10 y −1.
La función tiene una sola salida en (1,2), pero sus tasas dependen de qué entrada cambiamos.
Un recorrido distinto de una parcial
Para f(x,y)=x+y², compara fₓ con la derivada al recorrer y=x.
Parcial
Manteniendo y constante, fₓ=1.Recorrido
g(x)=f(x,x)=x+x².Derivada del recorrido
g′=1+2x; también cambia la segunda coordenada.
No son la misma pregunta.
En x=1, las tasas son uno y tres; la diferencia no es un error de derivación.
2. Derivamos término a término recordando qué factores son constantes
En ∂/∂x, un factor que depende solo de y se conserva como coeficiente; un término entero sin x deriva a cero. En ∂/∂y intercambiamos esos papeles. La notación ∂f/∂x, fₓ o D₁f puede expresar la misma parcial según la convención declarada.
En un punto definido por casos usamos su valor real y el cociente incremental. Una regla algebraica válida fuera de ese punto no calcula automáticamente la parcial allí. Primero fijamos la coordenada pasiva y comprobamos qué fórmula corresponde.
Producto y cadena con una coordenada fija
Calcula las parciales de f(x,y)=xeʸ+sin(xy), en radianes.
Respecto de x
eʸ es constante; sin(xy) deriva a y cos(xy).
Así fₓ=eʸ+y cos(xy).Respecto de y
x es constante; sale xeʸ+x cos(xy).
Evaluar para comprobar
En (0,0), fₓ=1 y fᵧ=0.
El factor interior de seno cambia según la coordenada activa.
No derivamos el factor eʸ respecto de x como si y dependiera de x durante esa parcial.
Volver a la definición en el punto especial
Sea f=xy/(x²+y²) fuera del origen y f(0,0)=0. Calcula las parciales en cero.
Cociente de x
[f(h,0)−f(0,0)]/h=0/h=0 si h≠0.Cociente de y
[f(0,k)−0]/k=0 si k≠0.Límites
Las dos parciales existen y valen cero.
fₓ(0,0)=fᵧ(0,0)=0.
Esto solo ha mirado dos ejes; todavía no demuestra continuidad ni diferenciabilidad.
3. El diferencial es un modelo lineal válido para todos los incrementos pequeños
El diferencial Df(a) es esa aplicación L. Para una salida escalar, L(h,k)=fₓ(a)h+fᵧ(a)k: las parciales fijan los coeficientes, pero hay que justificar el resto.
El gradiente ∇f(a) reúne esos coeficientes como vector y L(h)=∇f(a)·h. El diferencial no incluye el valor base f(a); la linealización completa sí lo suma. La condición sobre el resto debe funcionar aunque cambie la dirección del incremento.
El polinomio deja un resto visible
Para f=2x²+3xy−y² en (1,2), construye y justifica el diferencial.
Datos
f(1,2)=4 y el gradiente es (10,−1).Expandir
f(1+h,2+k)=4+10h−k+(2h²+3hk−k²).Control del resto
Con r=√(h²+k²), su magnitud es ≤6r².Dividir por r da ≤6r→0.
Df(1,2)(h,k)=10h−k; el modelo completo es 4+10h−k.
La expansión justifica todos los incrementos, sin limitarse a h=0 o k=0.
Una función afín tiene error cero
Para f=3x−2y+7 en (1,1), escribe diferencial y linealización.
Valor base
f(1,1)=8.Cambio exacto
f(1+h,1+k)−8=3h−2k.Resto
Es cero para cualquier incremento, así que se cumple la definición.
Diferencial 3h−2k; modelo 8+3h−2k.
El siete influye en el valor base, pero no en el cambio lineal.
4. Parciales continuas bastan; parciales aisladas no bastan
Si las parciales existen en un entorno y son continuas en a, f es diferenciable en a. Es una condición suficiente muy útil: ocurre en las funciones C¹. No es una condición necesaria para cada función diferenciable.
Tener parciales solo en a no controla todo el entorno. La función xy/(x²+y²), con valor cero en el origen, tiene allí parciales nulas pero por la diagonal vale 1/2. Ni siquiera es continua. La diferenciabilidad sí implica continuidad porque L(h)→0 y el resto es pequeño.
Aplicar el criterio suficiente
Justifica diferenciabilidad de f(x,y)=eˣ+y³ en cualquier punto.
Parciales
fₓ=eˣ y fᵧ=3y².Continuidad
Ambas son continuas en todo el plano.
Criterio
f es C¹ y diferenciable; su diferencial en (a,b) es eᵃh+3b²k.
El modelo está justificado en cualquier punto.
No bastaba escribir los coeficientes: el criterio explica por qué aproximan el cambio completo.
Diferenciable aunque una parcial no sea continua
Define f(x,y)=x²sin(1/x) si x≠0 y f(0,y)=0. Estudia el origen.
Resto respecto al modelo cero
|f(h,k)|≤h²≤r²; por tanto |f|/r≤r→0.El diferencial es cero.
Parcial fuera del eje
fₓ=2x sin(1/x)−cos(1/x) para x≠0.No continuidad de esa parcial
En x=1/(2πn), fₓ=−1; en el origen fₓ=0 por definición incremental.
Es diferenciable en cero, pero fₓ no es continua allí.
Esto muestra que el criterio C¹ es suficiente y no necesario; no contradice ese criterio.
5. Una dirección geométrica se normaliza para medir cambio por unidad de distancia
Si f es diferenciable, vale ∇f(a)·u. Como ‖u‖=1, el parámetro t mide distancia orientada recorrida en esa recta.
Si usamos v no unitario, la derivada respecto de t de f(a+tv) es ∇f(a)·v: una tasa por unidad de parámetro, diferente de una tasa por unidad de distancia.
Normalizar antes del producto escalar
Para f=x²+2y² en (1,1), calcula la tasa hacia v=(−3,4) por unidad de distancia.
Gradiente
∇f=(2x,4y); en el punto es (2,4).Dirección unitaria
‖v‖=5 y u=(−3/5,4/5).Producto
(2,4)·u=−6/5+16/5=2.
La tasa direccional es dos.
Sin normalizar saldría diez, la tasa para un parámetro que avanza cinco unidades de distancia por unidad.
Derivar el recorrido para comprobarlo
Desde (1,1), recorre (x,y)=(1−3t,1+4t) en esa misma función.
Componer
g(t)=(1−3t)²+2(1+4t)².Expandir
g(t)=3+10t+41t².Derivar
g′(0)=10.La rapidez espacial es cinco; diez dividido entre cinco da dos.
La cuenta por recorrido confirma ambas convenciones.
No son resultados rivales: cambió la unidad con que medimos el avance.
6. El gradiente no nulo señala el mayor aumento local en la métrica elegida
Si el gradiente no es cero, el máximo aumento se alcanza con u=∇f/‖∇f‖ y el máximo descenso con el opuesto. La magnitud del máximo aumento es la norma del gradiente.
Esto usa la distancia euclídea en las coordenadas elegidas. Si una entrada se mide en metros y otra en segundos, comparar direcciones requiere declarar una escala o métrica. Si ∇f=0 y f es diferenciable, todas las tasas direccionales son cero, pero aún podría haber una silla.
Dirección y valor máximo son datos distintos
En el ejemplo ∇f(1,1)=(2,4), encuentra el mayor aumento.
Magnitud
√(2²+4²)=√20=2√5.Dirección
u=(1/√5,2/√5).Producto
(2,4)·u=10/√5=2√5.
Máxima tasa 2√5 en esa dirección unitaria.
El vector (2,4) apunta correctamente, pero para una tasa por distancia usamos su versión normalizada.
Gradiente cero sin extremo
Estudia f(x,y)=x²−y² en el origen.
Gradiente
(2x,−2y), que vale cero en el origen.
Un eje
f(t,0)=t²>0 para t≠0.Otro eje
f(0,t)=−t²<0.Hay valores mayores y menores que f(0,0).
El origen es un punto de silla.
Todas las derivadas direccionales son cero allí, pero los términos cuadráticos deciden cambios de signo.
7. El plano tangente incluye altura inicial y cambios de ambas coordenadas
La igualdad define el plano; la gráfica de f solo se aproxima a él cerca del punto.
Cada parcial multiplica el incremento de su propia coordenada. Así también se conservan unidades: salida/entrada por incremento de entrada da salida. El valor base es una altura, mientras el diferencial da un cambio de altura.
Predecir y medir el error
Para f=2x²+3xy−y² en (1,2), estima f(1,02;1,97).
Incrementos
h=0,02, k=−0,03.Modelo
4+10h−k=4+0,2+0,03=4,23.Resto exacto
2h²+3hk−k²=0,0008−0,0018−0,0009=−0,0019.Valor exacto 4,2281.
La predicción 4,23 sobreestima en 0,0019.
El descenso de y aporta positivamente porque la parcial respecto de y es negativa.
Una cantidad física con dos entradas
A=b·h es el área de un rectángulo. Cerca de b=5 m, h=3 m, predice el cambio si Δb=0,1 m y Δh=−0,05 m.
Parciales
A_b=3 m, A_h=5 m en ese punto.Diferencial
3·0,1+5(−0,05)=0,05 m².Resto
ΔbΔh=−0,005 m²; cambio exacto 0,045 m².
Área prevista 15,05 m²; exacta 15,045 m².
Las parciales aquí tienen unidades de longitud; multiplicar por el incremento de longitud produce área.
8. En un nivel regular, el gradiente es perpendicular a las tangentes
Si una curva γ(t) permanece en el nivel f=c, la composición f(γ(t)) es constante.
Un gradiente no nulo es entonces un vector normal al nivel.
Para un nivel regular de una función C¹ se exige ∇f≠0 en el punto. Si se anula, la ecuación cero por cualquier tangente no selecciona una normal. El nivel podría tener un cruce, un punto aislado u otra geometría que necesite estudio adicional.
Un círculo y su tangente
Para f=x²+y², encuentra la recta tangente al nivel uno en (1,0).
Gradiente
En el punto es (2,0), no nulo.
Ortogonalidad
Un desplazamiento tangente (h,k) cumple 2h=0.Recta
h=0: la tangente por (1,0) es x=1.
Tangente vertical y normal horizontal.
La gráfica z=f(x,y) y la curva de nivel f=1 son objetos distintos; aquí trabajamos en el plano de entradas.
El gradiente cero no describe un cruce
Para f=x²−y², estudia el nivel cero en el origen.
Ecuación
x²−y²=(x−y)(x+y)=0.Geometría
El nivel es la unión de y=x y y=−x, dos rectas que se cruzan.
Gradiente
Es cero en el cruce y no determina una única normal al nivel.
Es un punto no regular del nivel.
No se aplica la conclusión de normal no nula donde su hipótesis falla.
9. Las derivadas mixtas se intercambian bajo condiciones de regularidad
Volvemos a derivar las parciales. Usaremos fₓᵧ para derivar primero respecto de x y después respecto de y. Si f es C² en un entorno, las mixtas coinciden y la matriz hessiana, que reúne segundas parciales, es simétrica.
Sin la regularidad adecuada no intercambiamos el orden por costumbre. Existencia de parciales, existencia de direccionales y diferenciabilidad son nociones distintas. Las fórmulas del gradiente se justificaron suponiendo diferenciabilidad, no simplemente escribiendo un vector de parciales.
Una hessiana simétrica
Para f=2x²+3xy−y², calcula las segundas parciales.
Primeras
fₓ=4x+3y; fᵧ=3x−2y.Segundas
fₓₓ=4, fₓᵧ=3, fᵧₓ=3, fᵧᵧ=−2.Matriz
H=[[4,3],[3,−2]].Es simétrica porque ambas mixtas son tres.
La función es polinómica y C², así que se cumplen las hipótesis.
La simetría no obliga a que la hessiana sea positiva: este ejemplo tiene curvaturas de signos distintos.
Mixtas distintas cuando no se cumplen esas hipótesis
Define f=xy(x²−y²)/(x²+y²) fuera del origen y f(0,0)=0. Calcula las mixtas en cero.
Primera parcial en el eje vertical
Para y≠0, fₓ(0,y)=lim(h→0)y(h²−y²)/(h²+y²)=−y; en cero también vale cero.
Primera parcial en el eje horizontal
Para x≠0, fᵧ(x,0)=lim(k→0)x(x²−k²)/(x²+k²)=x; en cero vale cero.Derivar a lo largo de esos ejes
fₓᵧ(0,0)=−1 y fᵧₓ(0,0)=1.No puede ser C² en un entorno del origen.
La existencia de ambas mixtas en un punto no obliga a igualdad.
No contradice el teorema: faltan sus condiciones de continuidad de las segundas derivadas.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Cambiar dos variables
f(x,y)=x²+3xy. Calcula su diferencial en (1,2).
Qué se busca
El diferencial es lineal en el incremento (h,k); no incluye todavía el valor base.
Parcial de x
Para f=x²+3xy, mantener y constante da fₓ=2x+3y.Parcial de y
Mantener x constante da fᵧ=3x.Evaluar
En (1,2), las parciales valen ocho y tres; ∇f=(8,3).Aplicar al incremento
Df(1,2)(h,k)=8h+3k.La linealización completa sería 7+8h+3k.
Justificar
Las parciales son continuas. Además la expansión exacta deja resto h²+3hk, cuya magnitud es ≤4r² y dividida por r tiende a cero.
df₍₁,₂₎(h,k)=8h+3k.
Las parciales son polinomios y continuas: la aproximación está justificada.
EJEMPLO RESUELTO 2
Una dirección normalizada
Para f=x²+y², halla la derivada en (1,0) hacia (3,4).
Convención de dirección
(3,4) tiene longitud cinco; queremos tasa por unidad de distancia.
Normalizar
u=(3/5,4/5), de norma uno.Gradiente
Para x²+y², ∇f=(2x,2y).Es diferenciable por ser polinómica.
Punto correcto
En (1,0), ∇f=(2,0).Producto escalar
Dᵤf=(2,0)·(3/5,4/5)=6/5.Revisar
6/5≤‖∇f‖=2.Sin normalizar se obtiene seis, una tasa por otro parámetro.
Derivada direccional 6/5.
El resultado no excede la norma del gradiente, que es 2.
Los símbolos que hemos usado
- ∂f/∂xᵢ
- Derivada respecto de una coordenada, manteniendo las demás constantes.
- h / ‖h‖
- Vector de incrementos / su longitud euclídea.
- Df(a)
- Aplicación lineal que aproxima el cambio de f cerca de a.
- ∇f(a)
- Vector de parciales de una función escalar, cuando está diferenciable.
- Dᵤf(a)
- Tasa de cambio en una dirección unitaria u, según nuestra convención.
- Nivel regular
- Conjunto f=c cerca de un punto donde ∇f no es cero.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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