10 Derivadas de funciones de varias variables
Ejercicio 10.1 Emparejar las siguientes funciones de dos variables con sus curvas de nivel.
La gráfica A corresponde a
La gráfica B corresponde a
La gráfica C corresponde a
La gráfica D corresponde a
Ejercicio 10.2 La ecuación de los gases perfectos relaciona la presión, el volumen y la temperatura de un gas perfecto. Esta ecuación se suele escribir de la forma
donde
¿Cómo varía la presión de un gas perfecto cuando se aumenta la temperatura, manteniendo constante el volumen?
¿Cómo varía la presión de un gas perfecto cuando se aumenta el volumen, manteniendo constante la temperatura?
Podemos expresar la presión en función del volumen y la temperatura del gas perfecto mediante la función
La variación de la presión con respecto a la temperatura, manteniendo constante el volumen es la derivada parcial de la presión con respecto a la temperatura, que vale
Como el volumen siempre es positivo, esto quiere decir que al aumentar la temperatura, manteniendo constante el volumen, la presión aumenta.
La variación de la presión con respecto al volumen, manteniendo constante la temperatura es la derivada parcial de la presión con respecto al volumen, que vale
Como el volumen y la temperatura son siempre positivos, esto quiere decir que al aumentar el volumen, manteniendo constante la temperatura, la presión disminuye.
Ejercicio 10.3 La asimilación de CO
donde
Estudiar cómo evoluciona la asimilación de CO
La variación de la asimilación de CO
y la variación de la asimilación de CO
Ejercicio 10.4 La función de producción de Cobb-Douglas
se utiliza en Econometría para modelizar, de manera simplificada, la producción económica de un país, es decir, el valor monetario de los bienes que se producen en un año, en función de la cantidad de trabajo
Tomando
y , ¿cómo son las curvas de nivel de esta función de producción?¿Cómo varía la producción cuando aumenta la cantidad de trabajo y se mantiene constante el capital?
¿Cómo varía la producción cuando disminuye el capital?
Para
y se tiene la función . Los puntos de la curva de nivel cumplirán que , de donde se deduce que y, por tanto, se trata de una función inversa. En la siguiente gráfica aparecen algunas curvas de nivel de esta función de producción.La variación de la producción con respecto a al trabajo, manteniendo constante el capital, lo da la derivada parcial con respecto al trabajo, que vale
En el caso particular de
y se tieneEsto quiere decir que al aumentar el trabajo la producción económica aumenta a razón de esta cantidad. Se observa que la cantidad de trabajo aparece en el denominador, por lo que cuando la cantidad del trabajo es grande, el incremento de producción es pequeño.
La variación de la producción con respecto a al capital, manteniendo constante el trabajo, lo da la derivada parcial con respecto al capital, que vale
En el caso particular de
y se tieneEsto quiere decir que al aumentar el capital la producción económica aumenta a razón de esta cantidad. Al igual que antes, se observa que el capital aparece en el denominador, por lo que cuando el capital es grande, el incremento de producción es pequeño.
Ejercicio 10.5 Se tiene un cilindro de radio
El volumen de un cilindro depende de su radio y de su altura según la función
La tasa de variación del volumen con respecto al radio es la derivada parcial del volumen con respecto al radio, es decir,
que para un cilindro de radio
Del mismo modo, la tasa de variación del volumen con respecto a la altura es la derivada parcial del volumen con respecto a la altura, es decir,
que para un cilindro de radio
Así pues, el volumen de este cilindro es más sensible a una pequeña variación del radio que de la altura.
Para que fuese igualmente sensible a la variación del radio y de la altura, ambas derivadas parciales deberían ser iguales, es decir,
Ejercicio 10.6 Una empresa fabrica helados de tres sabores. El coste total de producción viene dada por la función
donde
El coste marginal es la derivada parcial del coste total con respecto al número de helados producidos de cada tipo. Así, el coste marginal de los helados de chocolate es
El coste marginal de los helados de fresa es
Y el coste marginal de los helados de vainilla es
Ejercicio 10.7 La gráfica de una función
¿Qué signo tienen las derivadas parciales en el punto
En el punto
En el punto
Ejercicio 10.8 Obtener la ecuación del plano tangente y de la recta normal las siguientes superficies en los puntos indicados.
en el punto . en el punto .
Tomando la función
, se trata de calcular la ecuación de la recta normal y el plano tangente a la superficie de nivel en el punto . Por este teorema sabemos que el vector gradiente es perpendicular a la superficie de nivel en el punto por lo que basta tomar este vector como vector director de la recta normal.y en el punto
valeAsí pues, la ecuación vectorial de la recta normal es
Y la ecuación del plano tangente
La ecuación de la recta tangente a la superficie de
en el punto esLas derivadas parciales de
sony en el punto
valenAsí pues, sustituyendo en la ecuación de la recta tangente a
en se tieneY la ecuación del plano normal es
Ejercicio 10.9 Calcular el gradiente de la función
Para que la temperatura decrezca lo más rápidamente posible la nave debe moverse en la dirección opuesta al vector gradiente.
Como el gradiente de
en el punto
Ejercicio 10.11 Supongamos que la cantidad de agua almacenada en un pantano al final del año hidrológico,
donde
Calcular el gradiente de la cantidad de agua almacenada.
Suponiendo que hubiese algún año en el que el consumo fuese nulo, ¿qué condición tendría que cumplir la temperatura para que la derivada del agua almacenada con respecto a la temperatura fuese igual a la derivada con respecto a la precipitación?
- Las derivadas parciales de la función
son
Así pues, el gradiente de
- Suponiendo
las derivadas parciales con respecto a la precipitación y la temperatura valen
Así pues,
Ejercicio 10.12 La variable aleatoria bidimensional
se conoce como normal bidimensional con
Calcular el gradiente de
El gradiente
Por otro lado, este vector se anula cuando
Finalmente, si fijamos
Como en el numerador tenemos un polinomio en
Ejercicio 10.13 Tenemos dos objetos de masas
Si
siendo
Demostrar que se cumple la ecuación
¿Qué ecuación cumplirán las fuerzas que se aplican sobre estos objetos?
Calculamos las derivadas parciales de la aceleración con respecto a las masas
Sustituyendo ahora en la ecuación es inmediato ver que se cumple,
Por el funcionamiento de la polea, si
Por tanto la ecuación que relaciona las fuerzas es
Ejercicio 10.14 Utilizar la regla de la cadena para funciones de varias variables para demostrar las reglas de derivación de funciones de una variable real
donde
Sean
Aplicando el mismo procedimiento, si se toma
Del igual modo, si se toma
Y finalmente, si se toma
Ejercicio 10.15 En un equilibrio químico, la concentración de una sustancia
Despejando
Las derivadas parciales de
Estas funciones son continuas en un entorno del punto
Así pues, para variaciones de las concentraciones
Ejercicio 10.16 Un cilindro metálico de radio 30cm y altura 50cm se dilata de manera que la tasa de variación de su radio es 1 cm/s y la tasa de variación de su altura es 2 cm/s. ¿Cuál es la tasa de variación de su volumen?
La fórmula del volumen de un cilindro de radio
Y en el instante en que
Ejercicio 10.17 Dos planetas se mueven en un mismo plano describiendo órbitas dadas por las funciones vectoriales
La distancia euclídea entre dos puntos
Como en el instante
sustituyendo en la expresión anterior se tiene
Como la derivada es nula, en el instante
Ejercicio 10.18 Para calcular el caudal de una fuente se ha llenado un depósito de base cuadrada
El caudal de la fuente es el volumen dividido por el tiempo, pero el volumen del depósito depende de sus dimensiones, la función que da el caudal de la fuente es
Para calcular el error en la medición del caudal de manera aproximada usando el diferencial del caudal,
que para unos errores
Así pues, la expresión del caudal, incluyendo el error en la medida, es
Ejercicio 10.19 La potencia eléctrica
Usando el diferencial como una aproximación del error en la medición de las magnitudes, se tiene que el error relativo en la medición del potencial es
Y como
es decir, un
Ejercicio 10.20 La Quimiotaxis es el movimiento de los organismos dirigido por un gradiente de concentración, es decir, en la dirección en la que la concentración aumenta con más rapidez. El moho del cieno Dictyoselium discoideum muestra este comportamiento. En esta caso, las amebas unicelulares de esta especie se mueven según el gradiente de concentración de una sustancia química denominada adenosina monofosfato (AMP cíclico). Si suponemos que la expresión que da la concentración de AMP cíclico en un punto de coordenadas
y se sitúa una ameba de moho del cieno en el punto
La dirección en la que más rápidamente aumenta la concentración de AMP es la dirección del gradiente de
y en el punto
Ejercicio 10.21 Se sabe que un gas perfecto a una presión de
¿En qué dirección deben cambiarse la presión y la temperatura para conseguir el mayor aumento del volumen?
¿Cómo varía el volumen si comenzamos a incrementar la temperatura a razón del doble del incremento de la presión?
¿Cuánto tendría que aumentar la temperatura por cada atmósfera de presión que se aumente para que el volumen permanezca constante?
La ecuación de los gases perfectos es
Si de la ecuación de los gases perfectos despejamos el volumen, se tiene la función de dos variables
La dirección en la que hay que cambiar la temperatura y la presión para que el volumen aumente lo más rápidamente posible, es la dirección el vector gradiente,
que para la temperatura y la presión dadas vale
Para incrementar la temperatura a razón del doble del incremento de la presión, debemos cambiar la presión y la temperatura en la dirección del vector
, y la variación que experimenta el volumen en esta dirección viene dado por la derivada direccional del volumen en la dirección de , que valeTomemos un vector unitario cualquiera
. Como es unitario, se cumple que , por lo que, , y el vector tiene componentes . Para que el volumen permanezca constante, al cambiar la presión y la temperatura en la dirección de , la derivada direccional del volumen en esa dirección debe ser nula, es decir,Por tanto, habrá que cambiar la presión y la temperatura en la dirección del vector
.Podríamos haber resuelto el problema de manera más sencillas usando la propiedad de que el vector gradiente es ortogonal a la curva de nivel, y por tanto, para obtener la dirección en la que el volumen permanece constante bastaría con tomar un vector ortogonal al vector gradiente, como por ejemplo
.
Ejercicio 10.22 Se han diseñado unas cápsulas con forma piramidal con base un rectángulo de lados a=3 cm, b=4 cm, y altura h=6 cm.
¿Cómo deben cambiar las dimensiones de la cápsula para que el volumen aumente lo más rápidamente posible? ¿Cuál sería la tasa de variación del volumen si cambian las dimensiones de la cápsula en la proporciones anteriores?
Si se empiezan a cambiar las dimensiones de la cápsula de manera que el lado mayor del rectángulo disminuye la mitad de lo que aumenta el lado menor, y la altura aumenta el doble de lo que aumenta el lado menor, ¿cuál sería la tasa de variación del volumen de la cápsula en las condiciones anteriores?
El volumen de la cápsula viene dado por la función
La dirección de máximo crecimiento del volumen es la dirección del vector gradiente,
que en el punto
vale . La tasa de variación del volumen si se cambian sus dimensiones en la dirección del vector gradiente esLa derivada direccional de
en siguiendo la dirección del vector es
Ejercicio 10.23 ¿En qué direcciones se anulará la derivada direccional de la función
en el punto
Tomemos un vector unitario cualquiera
que en el punto
Así pues, la derivada direccional de
Por tanto, la derivada direccional será nula en la dirección del vector
Ejercicio 10.24 ¿Existe alguna dirección en la que la derivada direccional en el punto
El gradiente de
que en el punto
Como el máximo crecimiento de una función se da en la dirección del vector gradiente, se tiene que el máximo crecimiento de
Por tanto, no existe ninguna dirección en la que la derivada direccional de
Ejercicio 10.25 La derivada direccional de una función
La derivada direccional de una función es máxima en la dirección del vector gradiente, por lo que el vector
de donde se deduce que
Así pues, la derivada direccional de
Ejercicio 10.26 Dado el campo escalar
Calcular la derivada direccional de
en a lo largo del vector unitario .¿En qué dirección es máxima la derivada direccional de
en el punto anterior? Obtener el valor de dicha derivada direccional.
El gradiente de
esque en el punto
valePor tanto, la derivada direccional de
en la dirección del vector esLa derivada direccional es máxima en la dirección del gradiente
y vale .
Ejercicio 10.27 Sea
Consideremos una función vectorial
En particular en
de donde se deduce que los vectores
Ejercicio 10.28 Un cuerpo se mueve en el plano a través de los puntos de coordenadas
Veamos primero cuáles son las coordenadas del punto donde hay que calcular las rectas tangente y normal a la trayectoria. Sustituyendo
y, por tanto, se trata del punto
Sabemos que la ecuación de la recta tangente a la gráfica de la función
En nuestro caso, no tenemos la expresión explícita de la función
que define a
. .
.
Son continuas en un entorno de . .
Así pues, la derivada de
Por lo tanto, la ecuación de la recta tangente es
y la ecuación de la recta normal es
Podríamos haber llegado al mismo resultado sabiendo que
y la ecuación vectorial de la recta tangente es
que son las mismas rectas calculadas antes.
Ejercicio 10.29 Hallar la ecuación de la recta tangente y normal a la curva
Consideremos
Resolviendo la ecuación obtenemos dos soluciones
Para calcular las ecuaciones de las rectas tangente y normal en estos puntos, necesitamos calcular la derivada
define a
y . y , que son continuas en todo su dominio, en particular en y . y .
Así pues,
Así pues, la ecuación de la recta tangente en el punto
y la ecuación de la recta normal es
mientras que la ecuación de la recta tangente en el punto
y la ecuación de la recta normal es
Por otro lado, para calcular los extremos relativos, primero calculamos los puntos críticos, que son los que anulan la primera derivada.
Pero además deben pertenecer a la curva de la función, y por tanto deben satisfacer la ecuación de la función.
Así pues, existen dos puntos críticos que son el
En el punto,
que al ser positiva, indica que el punto
En el punto,
que al ser negativa, indica que el punto
Ejercicio 10.30 En una reacción química se cumple la ecuación
donde
Consideremos la función
.Las derivadas parciales de
sonque son continuas en un entorno del punto
. .
Así pues, se cumplen la condiciones del teorema de la función implícita y
Las derivadas parciales de
por lo que el vector gradiente de
Finalmente, la derivada parcial de
lo que quiere decir que por cada unidad que cambiemos las concentraciones de
Ejercicio 10.31 Una función
En primer lugar, veamos que una función homogénea de grado
por lo que
Veamos ahora que se cumple la primera ecuación. Consideremos la función vectorial
Como esto es cierto para cualquier
La segunda ecuación se prueba de forma análoga.
Ejercicio 10.32 Demostrar que si
Dado un campo escalar
Para calcular
Del mismo modo, para calcular
Supongamos ahora que
aplicando el resultado anterior se tiene
Ejercicio 10.33 La relación que modeliza el potencial eléctrico
Calcular el gradiente de
.Hallar la dirección de máxima variación del potencial eléctrico en el punto
.Calcular la matriz Hessiana y el Hessiano de
en el punto anterior.Aplicar el ejercicio anterior para calcular el gradiente y el Hessiano en coordenadas polares.
Si nos movemos a lo largo de la curva
, cuál será el máximo potencial alcanzado?
. .y
Tomando las funciones de cambio a coordenadas polares
e , por el ejercicio anterior se tienePodríamos haber llegado a este mismo resultado haciendo el cambio a coordenadas polares directamente en la función del potencial ya que
.A partir de aquí, obtener la matriz hessiana resulta más sencillo.
Sustituyendo
en la función del potencial se tiene queque en realidad es una función de una variable. Si calculamos su derivada se tiene
por lo que el único punto crítico está en
. Estudiando el signo de la derivada a la izquierda y la derecha de este punto se observa fácilmente que se trata de un máximo relativo, por lo que el potencial máximo vale .
Ejercicio 10.34 Una barra de metal de un metro de largo se calienta de manera irregular y de forma tal que a
Calcular
y ¿Cuál es la interpretación práctica (en términos de temperatura) de estas derivadas parciales? Explicar por qué cada una tiene el signo que tiene.Calcular la matriz hessiana de
.
La derivada parcial de
con respecto a esy en los puntos que nos piden vale
La derivada parcial
indica la variación instantánea que experimenta la temperatura con respecto a la variación de la distancia al extremo izquierdo en el punto. El signo de la derivada parcial indica si la variación de la temperatura es creciente (aumenta la temperatura) o decreciente (disminuye). Así en el punto la temperatura aumentará a razón de grados centígrados por cada metro que nos alejemos del extremo izquierdo de la barra de metal, mientras que en el la temperatura disminuirá a razón de grados centígrados por cada metro que nos alejemos del extremo izquierdo de la barra de metal.Para calcular la matriz Hessiana necesitamos las derivadas parciales de segundo orden:
Así pues, la matriz Hessiana es
Ejercicio 10.35 La ecuación diferencial parcial
se conoce como ecuación de Laplace y se aplica a multitud de fenómenos relacionadas con la conducción de calor, el flujo de fluidos o el potencial eléctrico.
Comprobar que la función
satisface la ecuación de Laplace.¿Existe algún punto en el que el crecimiento de la función sea nulo?
Si fijamos
, calcular .
Para comprobar que
satisface la ecuación de Laplace calculamos las tres derivadas parciales segundas que intervienen en la ecuación. Comenzando con las derivadas parciales con respecto a la variable , obtenemos:Por lo tanto,
Una condición necesaria para que el crecimiento de una función de varias variables en un punto sea nulo es que el gradiente en dicho punto se anule, y el gradiente se anula si se anulan sus tres componentes:
Por lo tanto, tenemos un sistema no lineal de tres ecuaciones con tres incógnitas:
Y teniendo en cuenta que el término
, por tratarse de una suma de cuadrados, únicamente puede ser 0 si ; y a igual conclusión llegamos si suponemos que es distinto de 0, ya que entonces la primera ecuación implica que necesariamente , la segunda implica que , y la tercera implica que . Por lo tanto, concluimos que el único punto en el que el crecimiento puede ser nulo es , pero dicho punto no pertenece al dominio de definición de la función (tendríamos un cero como denominador de una fracción), por lo que no hay ningún punto en el que la función presente un crecimiento nulo.Suponiendo
, la función resultante presenta únicamente dos variables:La derivada propuesta es:
Operando como ya hicimos en los cálculos previos de las derivadas segundas, obtenemos:
Ejercicio 10.36 Hallar los extremos relativos y los puntos de silla de la función
No tiene máximos relativos.
Mínimos relativos en
Punto de silla en
Ejercicio 10.37 Determinar los extremos relativos y los puntos de silla del campo escalar
Máximo relativo en
No tiene mínimos relativos.
Puntos de silla en
Ejercicio 10.38 El rendimiento de una cosecha,
Se trata de un problema de optimización, así que, primero calculamos los puntos donde se anula el gradiente
Así pues, existen dos puntos críticos, que son
El hessiano en el punto
por lo que en el punto
El hessiano en el punto
por lo que en el punto
Ejercicio 10.39 Una empresa fabrica ordenadores portátiles y de sobremesa. El precio de los ordenadores portátiles es de 1200€ y el de los de sobremesa 800€. Si el coste de producir
Los ingresos obtenidos por la venta de
Para obtener el máximo de esta función primero calculamos los puntos críticos.
Resolviendo la primera ecuación se tiene
A continuación calculamos el hessiano en cada uno de ellos.
En el punto
En el punto
En el punto
En el punto
Así pues, para maximizar el beneficio deben fabricarse semanalmente
Ejercicio 10.40 En el ajuste de regresión de una recta
donde el sumatorio abarca a todos los pares de la muestra
Demostrar que esta función alcanza el mínimo en el punto
Ejercicio 10.41 Una empresa que fabrica cajas de cartón quiere construir una caja rectangular sin tapa con un volumen de 25 litros. ¿Qué dimensiones debe tener la caja para emplear la menor cantidad de cartón posible?
El volumen de una caja de base rectangular se obtiene multiplicando sus dimensiones
Por otro lado, el area de su superficie es
Si calculamos los gradientes de
de manera que se deben cumplir las ecuaciones
Para resolver el sistema, multiplicamos la primera ecuación por
De la primera ecuación se deduce fácilmente que
por lo que las dimensiones de la caja son
Ejercicio 10.42 Un cometa sigue la órbita dada por la función
La distancia del cualquier punto
Calculando los gradientes de
se tienen que cumplir las ecuaciones
de donde se deduce que
Como además tiene que cumplirse la ecuación de la trayectoria del cometa, se tiene que
y, por tanto,
Ejercicio 10.43 La función de producción de un determinado producto es
La función de coste, para
Si calculamos los gradientes de
de manera que deben cumplirse las ecuaciones
de donde se deduce que
Finalmente, sustituyendo en la restricción se tiene
y
Ejercicio 10.44 Calcular los polinomios de Maclaurin de segundo grado para las siguientes funciones.
. . .
. . .
Ejercicio 10.45 Un modelo ecológico explica el número de individuos de una población mediante la función
donde
Calcular el número aproximado de individuos en la población para
La fórmula del polinomio de Taylor de grado 2 para la función
Calculando las primeras derivadas parciales obtenemos fácilmente el gradiente
que en el punto
Calculando las segundas derivadas parciales obtenemos la matriz hessiana
que en el punto
Sustituyendo en la fórmula del polinomio de Taylor de segundo grado se tiene
Finalmente, sustituyendo