




























































































Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Asignatura: Calcul diverses variables, Profesor: Lluis Garrido, Carrera: Física, Universidad: UB
Tipo: Apuntes
1 / 113
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!





























































































En oferta
Ll. Garrido
Barcelona, 2010
Versi´o 1.
Objectius d’aprenentage
Referits a coneixements:
seva diferenciabilitat, i del seu desenvolupament de Taylor.
Referits a habilitats, destreses:
actica en l’analisi de funcions de diverses variables, especialment de la sevacontinu¨ıtat.
actica en el calcul d’integrals dobles i triples.Autor:
Llu´ıs Garrido ([email protected])
Departament d’Estructura i Constituents de la Mat`eria &
Institut de Ci`encies del Cosmos
Facultat de F´ısiques
Universitat de Barcelona
Agra¨ıments:
Voldria agrair al meu company Joan Martorell l’acurada detecci´o d’errors, que han estat corregits
en aquesta versi´o, aix´ı com les seves sugger`encies sobre aquest text.
ii
2.7.3 Diverg`encia................................... 35
2.7.4 Laplaciana................................... 36
3 APLICACIONS del C
3.1 Funci´o inversa...................................... 37
3.1.1 Teorema de la funci´o inversa.......................... 38
3.1.2 Canvi de coordenades en R
2 i R
3
....................... 40
3.2 Funci´o impl´ıcita..................................... 43
3.2.1 Teorema de la funci´o impl´ıcita........................ 45
3.2.2 Equaci´o del pla tangent per funcions definides impl´ıcitament....... 48
3.3 M`axims i m´ınims..................................... 50
3.3.1 M`axims i m´ınims absoluts........................... 50
3.3.2 Extrems: m`axims i m´ınims relatius...................... 50
3.3.3 Condici´o necess`aria per ser extrem en una funci´o diferenciable...... 50
3.4 Extrems condicionats. Multiplicadors de Lagrange................. 55
3.4.1 Extrems condicionats per funcions escalars de dues variables....... 55
3.4.2 Teorema de Lagrange per trobar els extrems condicionats de funcions escalars 58
4.1 Recordatori: integraci´o en R.............................. 63
4.2 Integrals dependents d’un par`ametre.......................... 64
4.3 Integrals M´ultiples................................... 66
4.3.1 Integral doble sobre un rectangle....................... 66
4.3.2 Integrals dobles en regions generals...................... 70
4.4 Integrals triples..................................... 75
4.4.1 Integral triple en una capsa.......................... 75
4.5 Canvi de variables.................................... 77
5 SUCCESSIONS i S
5.1 Successions num`eriques................................ 85
5.1.1 Converg`encia.................................. 85
5.1.2 Successions de Cauchy............................. 85
5.1.3 Successions reals divergents cap a ±∞.................... 86
5.1.4 L´ımits superior i inferior............................ 86
5.1.5 Successions mon`otones............................ 87
5.2 Series numeriques.................................... 88
5.2.1 Condici´o de Cauchy per a la convergencia de series............. 88
5.2.2 S`erie alternada................................. 90
5.2.3 Criteris de converg`encia............................ 91
Ap`endix 95
A Canvi de coordenades: bases i operadors 97
INDEX iii
B Corbes i superf´ıcies a R
3 103
Bibliografia 107
n
n ´es conjunt d’elements, anomenats punts, de la forma
n = {(a 1
, a 2
, ...., a n
) = !a | a i
per exemple R
2 ´es el conjunt de punts de la forma (x, y), on x i y s´on nombres reals i que
representa el conjunt dels punts en el pla.
En aquests conjunts es poden definir operacions que els doten d’estructures utilitzades en
l’estudi del mon f´ısic. Passem doncs ara, en les seg¨uents seccions, a veure algunes d’aquestes
estructures.
n
Al conjunt R
n se’l pot dotar d’estructura d’espai vectorial gr`acies a la introducci´o de dues
operacions, una interna i una altra externa i que verifiquen les propietats requerides per a ser
un espai vectorial.
L’operaci´o interna, que designarem per ”+”, es defineix com
n
× R
n
−→ R
n
(1.2)
!a,
b −→ !c = !a +
b = (a 1
, ..., a n
i que dota a R
n d’estructura de grup abeli`a doncs de la definici´o i utilitzant les propietats de la
suma en el reals, ´es f`acil comprovar que compleix:
b) + !c = !a + (
b + !c)
0 = (0, ..., 0), tal que !a +
0 + !a = !a.
n ∃!a
′ = (−a 1 , ..., −an), anomenat element oposat, tal que !a + !a
′ = !a
′
b =
b + !a
2 Chapter 1. Funcions de diverses variables.
Per altra banda definim l’operaci´o externa com
n −→ R
n (1.4)
λ,!a −→ λ!a = (λa 1
, ..., λa n
(on λ ´es un escalar) amb les propietats:
b) = λ!a + λ
b
aquestes propietats juntament amb l’estructura de grup abans esmentada, doten a R
n d’estruc-
tura d’espai vectorial.
Base de l’espai vectorial R
n
Direm que un conjunt de vectors de R
n , {!xi} i = 1, ..., k s´on linealment dependents si podem
trobar un conjunt de valors reals {λi} i = 1, ..., k, amb algun diferent de 0, tal que
k ∑
i=
λ i
!x i
per exemple en R
2 els vectors (1, 0) i (2, 0) s´on linealment dependents
Direm que un conjunt de vectors de R
n , {!xi} i = 1, ..., k ≤ n s´on linealment independents si
k ∑
i=
λ i
!x i
nom´es es pot verificar si λ i
= 0 ∀i. Per exemple en R
2 els vectors (1, 0) i (0, 1) s´on linealment
independents.
Un conjunt de n vectors linealment independents a R
n {!ei} i = 1, ..., n direm que s´on una
base de l’espai vectorial R
n
. Qualsevol vector de R
n es pot expressar com una combinaci´o dels
vectors de la base: ∀!x ∈ R podem escriure
!x =
n ∑
i=
λ i
!e i
on les λ i
s’anomenen components del vector !x en la base {!e i
Canvi de base
En un mateix espai vectorial podem agafar diferents bases i aleshores un mateix vector t´e
components diferents en les diferents bases.
Per exemple en R
2 podem agafar com a bases:
= {!e 1
= (1, 0), !e 2
4 Chapter 1. Funcions de diverses variables.
En un espai vectorial euclidi`a (on tenim definit un producte escalar) podem definir la norma
d’un vector com
‖ !x ‖=
!x · !x (1.17)
que compleix les propietats exigides a una norma:
Les tres primeres propietats tenen una demostraci´o trivial a partir de les propietats del producte
escalar, mentre que la darrera es pot demostrar utilitzant la desigualtat de Cauchy-Schwarz:
‖ !x + !y ‖
2
= (!x + !y) · (!x + !y) = !x · !x + 2!x · !y + !y · !y ≤‖ !x ‖
2
2
+2 | !x · !y |
≤ ‖ !x ‖
2
2
+2 ‖ !x ‖‖ !y ‖= (‖ !x ‖ + ‖ !y ‖)
2
(1.18)
Espai vectorial normat R
n
Prenent la deficinici´o de producte escalar en R
n donada en 1.16, podem dotar a R
n d’estructura
d’espai vectorial normat, on la norma d’un vector en aquest espai ve donada per:
‖ !x ‖=
!x · !x =
√
√
√
√
n ∑
i=
x
2
i
EXEMPLE. En R
2 considerem els vectors
, x 2
) = (‖ !x ‖ cos θ x
, ‖ !x ‖ sin θ x
, y 2
) = (‖ !y ‖ cos θ y
, ‖ !y ‖ sin θ y
el seu producte escalar ve donat per
!x · !y = x 1
y 1
y 2
= ‖ !x ‖‖ !y ‖ cos θ x
cos θ y
sin θ y
= ‖ !x ‖‖ !y ‖ cos(θ y
− θ x
) =‖ !x ‖‖ !y ‖ cos θ (1.20)
De fet en qualsevol espai euclidi`a es defineix l’angle entre dos vectors com aquell que
cos θ =
!x · !y
‖ !x ‖‖ !y ‖
NOTA. | !x · !y |=|‖ !x ‖‖ !y ‖ cos θ |≤‖ !x ‖‖ !y ‖
1.1 El conjunt R
n 5
Un Espai M`etric ´es un conjunt M, no buit, d’objectes x, y, z, ... que anomenarem punts i que
esta dotat d’una funci´o d anomenada m`etrica
d : M × M −→ R (1.22)
x, y −→ d(x, y) (1.23)
que satisf`a
tot espai vectorial euclidi ´es tambe un espai m`etric si definim
d(!x, !y) =‖ !x − !y ‖ (1.24)
Les tres primeres propietas de m`etrica es dedueixen trivialment de les propietats del producte
escalar, mentre la darrera ´es consequ`encia de la desigualtat triangular
‖ !x + !y ‖≤‖ !x ‖ + ‖ !y ‖⇒ d(!x + !y,
si ara prenem !x → !x − !z i !y → !z − !y, aleshores la darrera expressi´o es pot escriure com
d(!x − !y,
Espai M`etric R
n
Com ja hem vist, R
n ´es un espai vectorial euclidia. Per tant, ´es tamb´e un espai metric si definim
la dist`ancia entre dos punts com
d(!x, !y) =‖ !x − !y ‖=
√
√
√
√
n ∑
i=
(x i
− y i
2 (1.26)
EXEMPLE. En R
2 , d(!x, !y) =
√
(x 1
− y 1
2
− y 2
2
La introducci´o de distancia permet tota una riquesa topologica, part de la qual anirem
esbrinant a continuaci´o.
Bola o entorn
En R
n definim bola B n
(!a; r) de centre en el punt !a i de radi r > 0, com el conjunt de punts
n
(!a; r) = {!x ∈ R
n ; d(!x,!a) < r} (1.27)
EXEMPLE. En R, B 1
(a; r) = (a − r, a + r)
EXEMPLE. En R
2 , B 2
(!a, r) = {(x, y) |
√
(x − a 1
2
2 < r}
1.1 El conjunt R
n 7
Punt d’acumulaci´o
Un punt !a ∈ R
n s’anomena punt d’acumulaci´o de S ⊂ R
n , si ∀ bola B n
(!a; r) tenim que B n
(!a; r)∩
(S − !a) *= ∅
Conjunt derivat de S (S
′ )
Es el conjunt format per tots els seus punts d’acumulaci´o.
EXEMPLE. en R tenim S = [a, b) ∪ {c}.
S = [a, b] ∪ {c}
′ = [a, b]
En l’exemple de la figura 1.1, on el conjunt S est`a format pels punts de la figura blava
(incloent-hi els de la l´ınia frontera cont´ınua, per`o no els de la discont´ınua) i el punt aillat
f 3
tenim que el punt
i ´es interior, el punt !e ´es exterior, els punts
f i
, i = 1, 2 , 3 s´on frontera, els
punts
i,
f 1
f 2
f 3
s´on adherents i els punts
i,
f 1
f 2
s´on d’acumulaci´o.
Figura 1.1: Diferents tipus de punts del conjunt S.
Les seg¨uents afirmacions s´on equivalents en R
n
Conjunt fitat o acotat
n ´es fitat si ∃ B n
(!a; r) tal que S ⊂ B n
(!a; r)
En R
n un conjunt tancat i fitat tamb´e es s’anomena com conjunt compacte.
8 Chapter 1. Funcions de diverses variables.
EXEMPLE (en R
2 ). S = {(
1
n
1
m
)|n, m ∈ N }. No ´es obert doncs els seus punts no s´on
interiors. No ´es tancat doncs no cont´e tots els seus punts d’acumulaci´o (el (0,0)).
Es acotat,
per`o no compacte.
EXEMPLE (en R
2 ). S = {(x, y) | x
2
2 = r
2 }. Es acotat i tancat doncs cont´e tots els seus
punts d’acumulaci´o. Aleshores ´es compacte.
Teorema de Bolzano-Weierstrass
Si S ⊂ R
n ´es fitat i cont´e infinits punts, aleshores existeix com a m´ınim un punt d’acumulaci´o.
EXEMPLE (en R). S = {
1
n
|n ∈ N } t´e un punt d’acumulaci´o que ´es el 0.
Reunions i interseccions d’oberts i tancats
La reuni´o d’una col·lecci´o arbitr`aria (finita o infinita) de conjunts oberts ´es oberta
A∈F
on A s´on oberts d’una fam´ılia F. Si x ∈ S aleshores x pertany a algun A de la familia i com x
´es interior a n’aquest A, tamb´e ho ´es de S.
La reuni´o d’un nombre arbitrari de tancats, no sempre es tancada. Per exemple, si agafem
la collecci´o de tancats: T k
1
k
, 2], aleshores ∪ k
k
La intersecci´o d’una col·lecci´o arbitraria (finita o infinita) de conjunts tancats ´es tancada.
La intersecci´o d’un nombre arbitrari d’oberts, no sempre ´es un obert, per exemple ∩ n
1
n
1
n
donar`a el tancat { 0 }.
Les funcions que estudiarem relacionen punts de R
n amb punts de R
m
. De forma general:
f : D ⊂ R
n −→ R
m (1.29)
!x = (x 1 , ..., xn) −→ !y =
y 1
= f 1
(!x)
y 2 = f 2 (!x)
y m
= f m
(!x)
En el cas anterior si
10 Chapter 1. Funcions de diverses variables.
f + !g)(!x) =
f (!x) + !g(!x)
f )(!x) = λ
f (!x)
Sigui
f : D ⊂ R
n −→ R
m i !a un punt d’acumulaci´o de D. Direm que
l ∈ R
m ´es l´ımit de
f
en el punt !a si ∀% > 0 , ∃δ tal que si ‖ !x − !a ‖< δ ⇒‖
f (!x) −
l ‖< %, ( on !x ∈ D − {!a})). Ho
expressarem com:
l = lim !x→!a
f (!x) (1.37)
Una altre forma d’expressar-ho seria ∀% > 0 , ∃δ | ∀!x ∈ B
∗
n
(!a, δ) ∩ D ⇒
f (!x) ∈ Bm(
l, %) (on B
∗
vol indicar que el punt central !a no es considera en aquesta bola) i que es pot veure gr`aficament
en la figura 1.
Figura 1.3: L´ımit de
f en el punt !a.
Exemple. Sigui f (x, y) =
2 x
2 (y+1)+y
2
2 x
2 +y
2
que t´e l´ımit 1 quant (x, y) → (0, 0). Per demostrar-ho
hem de comprovar que
∀% > 0 , ∃δ(%) |
√
x
2
2 < δ
?
⇒| f (x, y) − 1 |< %
| f (x, y) − 1 | = |
2 x
2 (y + 1) + y
2
2 x
2
2
2 x
2 y + 2x
2
2 − 2 x
2 − y
2
2 x
2
2
2 x
2 y
2 x
2
2
2 x
2 | y |
2 x
2
2
≤| y |≤
√
x
2
2 (1.38)
per tant prenent δ(%) = % es satisf`a la definici´o de l´ımit (veure figura 1.4).
El l´ımit, si existeix, ´es ´unic
Siguin
b *= !c dos l´ımits de lim !x→!a
f (!x), aleshores
b − !c ‖=‖
b −
f (!x) − !c +
f (!x) ‖≤‖
b −
f (!x) ‖ + ‖
f (!x) − !c ‖ (1.39)
1.3 L´ımit, l´ımits iterats i continu¨ıtat. 11
Figura 1.4: f (x, y) =
2 x
2 (y+1)+y
2
2 x
2 +y
2 a l’entorn del (0,^ 0)
Com els l´ımits existeixen, ∀% > 0 , ∃δ 1
, δ 2
tal que
f (!x) −
b ‖< %/ 2
f (!x) − !c ‖< %/ 2
Ara si prenem δ = min(δ 1 , δ 2 ) aleshores
b −
f (!x) ‖ + ‖
f (!x) − !c ‖< % ⇒‖
b − !c ‖< % (1.40)
i com aix`o pasa ∀%, aleshores els dos l´ımits han de ser iguals.
Suma de l´ımits
Si lim !x→!a
f (!x) =
b i lim !x→!a
!g(!x) = !c, aleshores lim !x→!a
f (!x) + !g(!x)) =
b + !c.
Demostraci´o. ∀% > 0 , ∃δ 1
, δ 2
tal que
f (!x) −
b ‖< %/ 2
⇒‖ !g(!x) − !c ‖< %/ 2
Ara si prenem δ = min(δ 1 , δ 2 ) aleshores ‖
f (!x) + !g(!x) −
b − !c ‖≤‖
f (!x) −
b ‖ + ‖ !g(!x) − !c ‖<
%/2 + %/2 = % i per tant lim !x→!a
f (!x) + !g(!x)) =
b + !c.
L´ımit del producte d’un escalar per una funci´o
Si lim!x→!a
f (!x) =
b aleshores lim!x→!a(λ
f (!x)) = λ
b.
Demostraci´o. Com lim !x→!a
f (!x) =
b, vol dir ∀% > 0 , ∃δ tal que si ‖ !x −!a ‖< δ ⇒‖
f (!x) −
b ‖<
%/ | λ |. Aleshores ∀% > 0 hem trobat un δ tal que si ‖ !x − !a ‖< δ tenim
‖ λ
f (!x) − λ
b ‖=| λ |‖
f (!x) −
b ‖<| λ |
| λ |
1.3 L´ımit, l´ımits iterats i continu¨ıtat. 13
limx→ 0 (limy→ 0
xy + y
2
x
2
2
) = limx→ 0
x
2
que al ser diferents ens indica que el l´ımit de la funci´o en el (0,0) no existeix.
Una altra forma possible d’acostar-se al punt !a es seguint qualsevol recta que passi per aquest
punt, del tipus !x = !a + λ!u, on !u ´es un vector que ens indica la direccci´o de la recta (exemple
cam´ı (3) de la figura 1.5). Aleshores hem de calcular
limλ→ 0
f (!a + λ!u)
Si el l´ımit depen de !u, el l´ımit de la funci´o no existeix, pero si s´on iguals no ens assegura res.
Exemple. f (x, y) =
xy
2
x
3 +y
3
i volem calcular el l´ımit quan ens apropem al (0,0). Les diferents
rectes que passen pel (0,0) s´on de la forma !x = !a + λ!u = (0, 0) + λ(1, m) = (λ, λm) i per tan
podem calcular
lim λ→ 0
f (λ, λm) = lim λ→ 0
λm
2 λ
2
λ
3
3 λ
3
m
2
1 + m
3
que com que dep`en de la direcci´o ens indica que el l´ımit de la funci´o en el (0,0) no existeix.
Una funci´o ´es cont´ınua en !a si
lim !x→!a
f (!x) =
f (!a) (1.43)
en altres paraules ∀% > 0 , ∃δ tal que si ‖ !x − !a ‖< δ ⇒‖
f (!x) −
f (!a) ‖< % (!x ∈ D − {!a}).
Una funci´o sera discontinua en !a si no esta definida, no existeix el l´ımit o el l´ımit no coincideix
amb el valor de la funci´o. Si el l´ımit existeix i ´es discontinua, aquesta discontinu¨ıtat ´es evitable.
La suma de dos funcions cont´ınues ´es cont´ınua
Per a la seva demostraci´o es procedeix de forma similar a la de suma de l´ımits
Una funci´o vectorial ´es cont´ınua si i tan sols si totes les seves components s´on
cont´ınues
Sigui
f (!x) cont´ınua en !a. Aleshores lim !x→!a
f k
(!x) = lim !x→!a
f (!x) · ˆe k
f (!a) · eˆ k
= f k
(!a) doncs f
´es cont´ınua.
Siguin les f k
cont´ınues, aleshores lim !x→!a
f (!x) = lim !x→!a
∑
f k
(!x) · ˆe k
∑
f k
(!a) · ˆe k
f (!a)
NOTA. Les funcions lineals de R
n → R
m s´on cont´ınues. Efectivament
f (!x) −
f (!a) ‖ = ‖
f (!a +
h) −
f (!a) ‖=‖
f (
h) ‖=‖
f (
∑
h i
eˆ i
∑
h i
f (ˆe i
∑
| hi |‖
f (ˆei) ‖≤‖
h ‖
∑
f (ˆei) ‖≤‖
h ‖ nk ≤ δnk (1.44)
on k ≥ max{‖
f (ˆe i
) ‖, i = 1, ..., n} i agafant δ = %/nk queda demostrat.
14 Chapter 1. Funcions de diverses variables.
Figura 1.6: Composici´o de funcions
Continu¨ıtat de funcions compostes
Considerem les funcions:
f : A ⊂ R
n → R
m i !g : B ⊂ R
m → R
s tals que
f (A) ⊂ B.
Si
f ´es cont´ınua en !a i !g ´es cont´ınua en
b =
f (!a) ∈ B, aleshores la funci´o composta !go
f ´es
tamb´e cont´ınua en !a.
Com es veu en la figura 2.
n
! f
→ B ⊂ R
m
!g
→ R
s
!a
f!
b =
f (!a)
!g
→ !c = !g(
f (!a))
Efectivament, com que !g ´es cont´ınua en el punt
b aleshores ∀% > 0 , ∃ρ tal que si ‖ !z −
b ‖<
ρ ⇒‖ !g(!z) − !g(
b) ‖< %, per`o com que
f ´es cont´ınua el punt !a aleshores ∀ρ > 0 , ∃δ tal que si
‖ !x − !a ‖< δ ⇒‖
f (!x) −
f (!a) ‖< ρ.
Per tant concloem que ∀% > 0 , ∃δ tal que si ‖ !x − !a ‖< δ ⇒‖
f (!x) −
f (!a) ‖< ρ ⇒‖ !z −
b ‖<
ρ ⇒‖ !g(
f (!x)) − !g(
f (!a)) ‖< %.
Per tant, si
f ´es cont´ınua en !a i !g ´es cont´ınua en
b =
f (!a) ∈ D, aleshores
lim !x→!a
!g ◦
f (!x) = lim !x→!a
!g(
f (!x)) = !g(
f (!a)) (1.45)