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Asignatura: Càlcul, Profesor: , Carrera: Enginyeria Mecànica, Universidad: UdL
Tipo: Apuntes
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Representación gráfica de funciones de dos variables
z f ( x , y )
ESCENARIO DE MOTIVACIÓN:
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Figura 20.1 Gráfica parcial de f ( x , y ) = 25 x^2 y^2.
Figura 20.2 Gráfica parcial de f ( x , y ) = 25 x^2 y^2.
Tabla 20.
1 1
2
2
3
3
4
4
5
5
6 7
5
15
10
25 20
30
x
z = f ( x, y )
z = 25 – x^2 – y^2 donde y = 0
y
1 1
2
2
3
3
4
4
5
5
6 7
5
15 10
25 20
30
x
z = f ( x, y )
z = 25 – x^2 – y^2
y
x = 0 y = 0
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f ( x , y ) 25 x^2 3 16 x^2
f ( x , y ) 25 x^2 24 x^2
Figura 20.3 Traza con x 0 vista a lo largo del eje x. 5 4 3 2 1
y
z = f ( x, y )
2
5
15 10
25
20
30
z = 25 – y
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Derivadas parciales
z y o f (^) y
z x o f (^) x
1. f ( x , y ) 16 x^2 y^2 , donde 0 x 4 y 0 y 4 2. f ( x , y ) 9 x^2 y^2 , donde 0 x 3 y 0 y 3 3. f ( x , y ) 4 x^2 y^2 , donde 0 x 2 y 0 y 2 4. f ( x , y ) 25 x^2 /4 y^2 /4, donde 0 x 10 y 0 y 10 5. f ( x , y ) x^2 y^2 , donde 0 x 5 y 0 y 5
fy lím y é 0
f ( x , y y ) f ( x , y ) y
fx lím x é 0
f ( x x, y ) f ( x, y ) x
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Considere la función
Para calcular la derivada parcial respecto de x , se usará el método del límite (explicado en la sección 15.3). Primero se forma el cociente de la diferencia como
que, al simplificarse, da
La derivada parcial es
Nótese que al calcular fx se están examinando los efectos que producen los cambios de x (es decir, x ); la otra variable y independiente se mantiene constante. La derivada parcial tomada respecto de y puede obtenerse de modo similar.
f ( x , y ) y
f ( x , y y ) f ( x , y ) y 3 x^2 5( y y ) 3 (3 x^2 5 y^3 ) y 3 x^2 5( y^3 3 y^2 y 3 y y^2 y^3 ) 3 x^2 5 y^3 y 3 x^2 5 y^3 15 y^2 y 15 y y^2 5 y^3 3 x^2 5 y^3 y y (15 y^2 15 y y 5 y^2 ) y 15 y^2 15 y y 5 y^2
fx lím x é 0
f ( x , y ) x lím x é 0 (6 x 3 x )
6 x
f ( x , y ) x
6 x x 3 x^2 x x (6 x 3 x ) x
6 x 3 x
f ( x , y ) x
f ( x x , y ) f ( x , y ) x 3( x x ) 2 5 y^3 (3 x^2 5 y^3 ) x 3( x^2 2 x x x^2 ) 5 y^3 3 x^2 5 y^3 x
f ( x , y ) 3 x^2 5 y^3
Ejemplo 1
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Encuentre las derivadas parciales respecto de fx y fy para la función
Primero, para determinar la derivada parcial respecto de x se supondrá que y es constante. Al diferen- ciar término por término, se observa que la derivada de 5 x^2 respecto de x es 10 x. Al diferenciar el se- gundo término, no se olvide que se supone que y es constante. Así pues, este término presenta la forma general
6(constante)^3
que es simplemente una constante. Una constante no cambia de valor al hacerlo otras variables (o, como se señaló en el capítulo 15, la derivada de una constante es 0), por lo cual la derivada del se- gundo término es 0. Por consiguiente,
Al encontrar la derivada parcial respecto de y , se supone que se mantiene constante la variable x. Al diferenciar término por término, 5 x^2 se considera como constante, ya que x se supone constan- te y la derivada es 0. La derivada de 6 y^3 respecto de y es 18 y^2. En consecuencia,
f (^) y 0 18 y^2 18 y^2
f (^) x 10 x 0 10 x
f ( x , y ) 5 x^2 6 y^3
Encuentre fx y fy para la función
Para calcular fx se supone que y es constante. El término 4 xy tiene la forma de un producto. Para di- ferenciar tales términos de producto, pueden aplicarse dos métodos. El primero consiste en usar sim- plemente la regla del producto. Al considerar 4 xy como el producto 4 x y y , con la regla de producto se obtiene
o bien
f (^) x (4)( y ) (0)(4 x ) fx 4 y
f ( x , y ) 4 xy
Ejemplo 3
Ejemplo 4
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Otro método consiste en recordar cuál variable se supone que era constante. Cuando y se mantiene constante, puede rearreglarse 4 xy para que tenga la forma
o bien
Al agrupar 4 y y , este término presenta la forma general de una constante 4 y por x. Y la derivada de una constante multiplicada por x es la constante, o
Para calcular fy , se supone que x es constante. Al aplicar la regla del producto se obtiene
o bien
O usando el otro procedimiento, el factor 4 x es constante (al mantener constante x ) y puede conside- rarse que f tiene la forma
La derivada respecto de y es la constante, o bien
f (^) y 4 x
f ( x, y ) constante y (4 x ) y
f (^) y (0)( y ) (1)(4 x ) f (^) y 4 x
f (^) x 4 y
f ( x, y ) constante x f ( x , y ) (4 y ) x
Encuentre fx y fy si
Para calcular fx deberá suponerse que y es constante. Esta función puede rearreglarse (mental o ex- plícitamente) para que tenga la forma
donde 10 y^3 es constante. La derivada es
Para fy puede considerarse que la función tiene la forma
La derivada respecto de y es
o bien (^) f (^) y 30 xy^2 ❑
(constante)(3 y^2 )
(constante) y^3 o ( 10 x ) y^3
f (^) x 10 y^3
f ( x , y ) (constante) x ( 10 y^3 ) x
f ( x , y ) 10 xy^3
Ejemplo 5
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1 1
2
2
3
3
4
4
5
5
6 7
5
25
20
10
15
30
x
z f ( x, y )
z 25 – x^2 – y^2
y
x 0
x 1
y 1
y 0
x 3
y 3
f
f
y
y
f (^) x f (^) x
f (^) x
f (^) y
Figura 20.5 Representación de las derivadas parciales a partir de la pendiente de la tangente.
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(Interrelaciones de la demanda de varios productos) Hasta ahora se ha supuesto que la demanda de un producto depende, exclusivamente, de su precio. Así, las funciones de demanda analizadas pre- sentan la forma q f ( p ) Con frecuencia, la demanda de un producto o servicio recibe el influjo no sólo de su precio, sino tam- bién de los precios de otros productos o servicios. La ecuación (20.5) es una función de demanda que expresa la cantidad demandada del producto 1 ( q 1 ) en términos de su precio ( p 1 ) y también de los pre- cios de otros dos productos ( p 2 y p 3 ), todos ellos expresados en dólares.
Las derivadas parciales de esta función de demanda pueden ofrecer una medida de la respuesta ins- tantánea de la demanda ante los cambios en los precios de los tres productos. Por ejemplo,
sugiere que, si p 2 y p 3 se mantienen constantes, la demanda del producto 1 disminuirá a una tasa ins- tantánea de 2.5 unidades por cada unidad (dólar) que aumente p 1. De modo análogo, las derivadas parciales
indican las tasas instantáneas de cambio en la demanda asociada a los que se producen en los precios de los otros dos productos. f (^) p 2 3 sugiere que la demanda del producto 1 aumentará a una tasa ins- tantánea de tres unidades por cada unidad (dólar) que aumente p 2 (se mantienen constantes p 1 y p 3 y fp 3 1.5 indica que la demanda del producto 1 crecerá a una tasa instantánea de 1.5 unidades por ca- da unidad (dólar) que p 3 aumente (se mantienen constantes p 1 y p 2 ). Haga en seguida un par de observaciones. En primer lugar, esta función de demanda es lineal y las correspondientes derivadas parciales son constantes. Es decir, las tasas instantáneas de cambio son realmente las mismas en cualquier parte del dominio de la función de demanda. En segundo lugar, el hecho de que la demanda del producto 1 aumente al incrementarse los precios de los productos 2 y 3 revela una interdependencia entre los tres productos. Éste es el tipo de relación que cabría esperar que exista entre productos en competencia. Entre los ejemplos de este tipo de bienes conviene citar las di- ferentes marcas de un mismo producto (por ejemplo, las llantas radiales) o los productos que pueden servir para satisfacer una necesidad determinada (como margarina vs. mantequilla, carne de res vs. carne de pollo). En el caso de esta categoría de bienes de consumo cabría esperar que, conforme se incremente el precio de un producto, disminuya su demanda y la de los productos en competencia au- mente. De manera análoga, a medida que descienda el precio de un producto, cabría esperar que su demanda aumente y la de los productos de la competencia disminuya. Éste es el tipo de comporta- miento ejemplificado por la función de demanda en la ecuación (20.5) y sus derivadas parciales. ❑
fp 2 3 y f (^) p 3 1.
f (^) p 1 2.
q 1 f ( p 1 , p 2 , p 3 ) 10 000 2.5 p 1 3 p 2 1.5 p 3
Ejemplo 8
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La diferencia entre los incrementos real y estimado usando f (^) x es de 48 990 49 000 10 unida- des. El signo de menos indica que la derivada parcial sobreestimó el cambio verdadero. Supóngase ahora que se quiere determinar el efecto, si se destinan $1 000 más a la publicidad por radio y no a la publicidad por televisión. La derivada parcial tomada con respecto de y aproxima- rá este cambio:
Al evaluar fy cuando x 40 y cuando y 20, se obtiene
Así pues, un aumento de $1 000 en los gastos de publicidad por radio originará un incremento apro- ximado de 38 800 unidades. Con un aumento de $1 000 en los gastos de este tipo de publicidad, las ventas reales se estiman en
El incremento real en las ventas es
También en este caso, el cambio aproximado estimado empleando fy presenta un error de apenas 20 unidades. Desde el punto de vista comparativo, si se asignan $1 000 a la publicidad por televisión o radio, es evidente que el rendimiento mayor provendrá de la televisión. ❑
f (40, 21) f (40, 20) 2 806 780 2 768 000 38 780 unidades
f (40, 21) 50 000(40) 40 000(21) 10(40) 2 20(21) 2 10(40)(21) 2 000 000 840 000 16 000 8 820 8 400 2 806 780 unidades
fy (40, 20) 40 000 40(20) 10(40) 40 000 800 400 38 800
fy 40 000 40 y 10 x
f (41, 20) f (40, 20) 2 816 990 2 768 000 48 990 unidades
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Determine las derivadas de primero y segundo órdenes para la función
Se empieza con las primeras derivadas:
La derivada parcial pura fxx se calcula al diferenciar fx respecto de x , o sea
f (^) yy se obtiene al diferenciar fy respecto de y , es decir,
La derivada parcial mixta f (^) xy se calcula al diferenciar fx respecto de y , o sea
f (^) yx se obtiene diferenciando f (^) y respecto de x , esto es,
fy 4 x^2 30 y^2 é fyx 8 x ❑
f (^) x 24 x^2 8 xy (^) é fxy 8 x
f (^) y 4 x^2 30 y^2 é f (^) yy 60 y
f (^) x 24 x^2 8 xy (^) é fxx 48 x 8 y
f (^) x 24 x^2 8 xy f (^) y 4 x^2 30 y^2
f ( x , y ) 8 x^3 4 x^2 y 10 y^3
Ejemplo 10
f (^) x
diferenciar respecto de x
diferenciar respecto de y
f (^) y
diferenciar respecto de y
diferenciar respecto de x
Derivadas parciales de primer orden
Derivadas parciales de segundo orden f (^) xx
f (^) xy
f (^) yy
f (^) yx
(derivada parcial pura de segundo orden)
(derivada parcial mixta)
(derivada parcial pura de segundo orden)
(derivada parcial mixta)
Figura 20.6 Determinación de las derivadas de segundo orden.
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b ) Haciendo uso de las derivadas parciales, estime el cambio esperado en f ( x , y ), si x aumenta en una unidad. c ) Compare el cambio real con el cambio estimado. d ) Repita los incisos b ) y c ), suponiendo un posible incremento de una unidad en y.
62. En f ( x , y ) 20 x^3 30 y^3 10 x^2 y : a ) Determine f (20, 10). b ) Haciendo uso de las derivadas parciales, estime el cambio esperado en f ( x , y ), si x aumenta en una unidad. c ) Compare el cambio real con el cambio estimado. d ) Repita los incisos b ) y c ), suponiendo un posible incremento de una unidad en y. 63. Una empresa estima que el número de unidades que vende cada año es una función de los gas- tos de publicidad por radio y televisión. La función que expresa esta relación es
donde z es el número de unidades vendidas, x indica la cantidad destinada a la publicidad por televisión y la y denota la cantidad que se gasta en publicidad por radio (las dos últimas varia- bles se expresan en miles de dólares). En la actualidad, la firma está destinando $50 000 a la pu- blicidad por televisión y $30 000 a la publicidad por radio. a ) ¿Cuáles se espera que sean las ventas anuales? b ) Usando derivadas parciales, estime el efecto en las ventas anuales, si se asignan $1 000 más a la publicidad por televisión. c ) Empleando derivadas parciales, estime el efecto en las ventas anuales si se asignan $1 000 más a la publicidad por radio. d ) ¿En qué tipo de publicidad se obtienen mejores resultados con una inversión de $1 000? 64. En la función de demanda
a ) Determine las derivadas parciales fp 1 y fp 2. b ) Si p 1 20 y p 2 10, evalúe f (^) p 1 y fp 2 e interprete su significado. c ) ¿Cómo se interrelacionan esos tres productos entre sí?
65. En la función de demanda
a ) Determine las derivadas parciales fp 1 , fp 2 y fp 3. b ) Si p 1 30, p 2 10 y p 3 20, evalúe las derivadas parciales e interprete su significado. c ) ¿Cómo se interrelacionan los dos productos entre sí?
q 1 f ( p 1 , p 2 , p 3 ) 250 000 0.5 p (^) 12 p (^) 22 0.4 p^23
q 1 f ( p 1 , p 2 ) 25 000 0.1 p (^) 12 0.5 p^22
z 2 000 x 5 000 y 20 x^2 10 y^2 50 xy
Optimización de las funciones de dos variables
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f = 0
z
x
f (^) y = 0
y
x x f = 0
z
x f (^) y = 0
y
Figura 20.7 Extremos relativos en un espacio tridimensional.
a ) Máximo relativo b ) Mínimo relativo
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