Derivadas Parciais Capítulo 14
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- Eduardo Maranhão Botelho
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1 Derivadas Parciais Capítulo 14
2 DERIVADAS PARCIAIS 14.5 Regra da Cadeia Nesta seção, aprenderemos sobre: A Regra da Cadeia e sua aplicação em diferenciação.
3 A REGRA DA CADEIA Lembremo-nos de que a Regra da Cadeia para uma função de uma única variável nos dava uma regra para derivar uma função composta.
4 A REGRA DA CADEIA Equação 1 Se y = f(x) e x = g(t), onde f e t são funções diferenciáveis, então y é indiretamente uma função diferenciável de t e dy dt = dy dx dx dt
5 A REGRA DA CADEIA Para as funções de mais de uma variável, a Regra da Cadeia tem muitas versões, cada uma delas fornecendo uma regra de derivação de uma função composta.
6 A REGRA DA CADEIA A primeira versão (Teorema 2) diz respeito ao caso onde z = f(x, y) e cada uma das variáveis x e y é, por sua vez, função de uma variável t. Isso significa que z é indiretamente uma função de t, z = f(g(t), h(t)), e a Regra da Cadeia dá uma fórmula para derivar z como uma função de t.
7 A REGRA DA CADEIA Estamos admitindo que f seja diferenciável (Definição ). Lembremo-nos de que este é o caso quando f x e f y são contínuas (Teorema ).
8 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Teorema 2 Suponha que z = f(x, y) seja uma função diferenciável de x e y, onde x = g(t) e y = h(t) são funções diferenciáveis de t. Então z é uma função diferenciável de t e dz f dx f dy = + dt x dt y dt
9 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Demonstração Uma variação de Δt em t produz uma variação de Δx em x e Δy em y. Isso produz uma variação de Δz em z, e da Definição temos f f Δ z = Δ x+ Δ y+ ε1δ x+ ε2δy y y onde ε 1 0 e ε 2 0 quando ( x, y) (0,0). Se as funções ε 1 e ε 2 não estiverem definidas em (0, 0), poderemos defini-las como 0 lá.
10 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Demonstração Dividindo ambos os lados da equação por Δt, temos z f x f y x y t x t y t 1 t 2 t
11 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Demonstração Se fizermos t 0, então x = g(t + t) g(t) 0 porque g é diferenciável e, portanto, contínua. Da mesma forma, y 0. Por outro lado, isso implica que ε 1 0 e ε 2 0.
12 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Então, Demonstração
13 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Como frequentemente escrevemos z/ x no lugar de f/ x, podemos reescrever a Regra da Cadeia na forma dz z dx z dy = + dt x dt y dt
14 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) EXEMPLO 1 Se z = x 2 y + 3xy 4, onde x = sen 2t e y = cos t, determine dz/dt quando t = 0. A Regra da Cadeia fornece
15 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) EXEMPLO 1 Não é necessário substituir as expressões de x e de y em função de t. Simplesmente observe que, quando t = 0, temos x = sen 0 = 0 e y = cos 0 = 1. Logo,
16 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) A derivada no Exemplo 1 pode ser interpretada como: a taxa de variação de z com relação a t quando o ponto (x, y) se move ao longo da curva C com equações paramétricas x = sen 2t, y = cos t
17 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Em particular, quando t = 0, O ponto (x, y) é (0, 1). dz/dt = 6 é sua taxa de crescimento quando nos movemos ao longo da curva C passando por (0, 1).
18 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Se, por exemplo, z = T(x, y) = x 2 y + 3xy 4 representar a temperatura no ponto (x, y), então a função composta z = T(sen 2t, cos t) representa a temperatura dos pontos da curva C; sua derivada dz/dt responde à taxa de variação de temperatura ao longo da curva C.
19 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) EXEMPLO 2 A pressão P (em quilopascals), o volume V (em litros) e a temperatura T (em kelvins) de um mol de um gás ideal estão relacionados por meio da fórmula PV = 8,31T
20 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) EXEMPLO 2 Determine a taxa de variação da pressão quando a temperatura é 300 K e está aumentando com a taxa de 0,1 K/s; o volume é 100 L e está aumentando com a taxa de 0,2 L/s.
21 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) EXEMPLO 2 Se t representa o tempo decorrido, medido em segundos, então em um dado instante temos T = 300 dt/dt = 0,1 V = 100 dv/dt = 0,2
22 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) EXEMPLO 2 Como P = 8.31, T V, pela Regra da Cadeia: A pressão está decrescendo com a taxa de 0,042 kpa/s.
23 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Vamos considerar agora a situação onde z = f(x, y), mas x e y são funções de outras duas variáveis s e t: x = g(s, t), y = h(s, t). Então z é indiretamente uma função de s e t e desejamos determinar z/ s e z/ t.
24 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Lembre-se de que para calcular z/ t, mantemos s fixo e calculamos a derivada ordinária de z em relação a t. Portanto, aplicando o Teorema 2, obtemos z z x z y = + t x t y t
25 A REGRA DA CADEIA (CASO 1) Argumento análogo serve para z/ s. Assim, demonstramos a seguinte versão da Regra da Cadeia.
26 A REGRA DA CADEIA (CASO 2) Teorema 3 Suponha que z = f(x, y) seja uma função diferenciável de x e y, onde x = g(s, t) e y = h(s, t) são funções diferenciáveis de s e de t. Então, z = z x + z y z = z x + z y s x s y s t x t y t
27 A REGRA DA CADEIA (CASO 2) EXEMPLO 3 Se z = e x sen y, onde x = st 2 e y = s 2 t, determine z/ s e z/ t. Aplicando o Caso 2 da Regra da Cadeia, obtemos os seguintes resultados.
28 A REGRA DA CADEIA (CASO 2) EXEMPLO 3
29 A REGRA DA CADEIA O Caso 2 da Regra da Cadeia contém três tipos de variáveis: s e t, que são variáveis independentes; x e y, chamadas variáveis intermediárias; z, que é a variável dependente.
30 A REGRA DA CADEIA Observe que o Teorema 3 tem um termo para cada variável intermediária e que cada um desses termos se assemelha à Regra da Cadeia unidimensional da Equação 1. Para lembrar a Regra da Cadeia é útil desenhar o diagrama em árvore.
31 DIAGRAMA EM ÁRVORE Desenhamos os ramos da árvore saindo da variável dependente z para as variáveis intermediárias x e y a fim de indicar que z é uma função de x e y.
32 DIAGRAMA EM ÁRVORE Então desenhamos os ramos saindo de x e y para as variáveis independentes s e t. Em cada ramo indicamos a derivada parcial correspondente.
33 DIAGRAMA EM ÁRVORE Para achar z/ s, determinamos o produto das derivadas parciais ao longo de cada caminho de z a s e somamos esses produtos: z z x z y = + s x s y s
34 DIAGRAMA EM ÁRVORE Da mesma forma, para determinar z/ t usamos os caminhos de z a t.
35 A REGRA DA CADEIA Consideremos agora uma situação mais geral na qual a variável dependente u é uma função de n variáveis intermediárias x 1,, x n. Cada uma das quais, por seu turno, é função de m variáveis independentes t 1,..., t m.
36 A REGRA DA CADEIA Observe que existem n termos, um para cada variável intermediária. A demonstração é semelhante à do Caso 1.
37 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) Teorema 4 Suponha que u seja uma função diferenciável de n variáveis x 1, x 2,, x n onde cada x j é uma função diferenciável de m variáveis t 1, t 2..., t m.
38 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) Teorema 4 Então u é uma função diferenciável de t 1, t 2,, t m e u u x u x u x = t x t x t x t i 1 i 2 i n i para cada i = 1, 2,, m. n
39 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 4 Escreva a Regra da Cadeia para o caso onde w = f(x, y, z, t) e x = x(u, v), y = y(u, v), z = z(u, v), t = t(u, v) Aplicamos o Teorema 4 com n = 4 e m = 2.
40 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 4 A figura mostra o diagrama em árvore. Apesar de não termos escrito as derivadas nos ramos, entendemos que em um ramo que liga y a u a derivada parcial omitida é y/ u.
41 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 4 Com a ajuda do diagrama em árvore, podemos escrever as expressões pedidas: w w x w y w z w t = u x u y u z u t u w w x w y w z w t = v x v y v z v t v
42 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 5 Se u = x 4 y + y 2 z 3, onde x = rse t, y = rs 2 e t, z = r 2 s sen t determine o valor de u/ s quando r = 2, s = 1, t = 0
43 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 5 Com o auxílio do diagrama em árvore, obtemos
44 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 5 Quando r = 2, s = 1, e t = 0, temos x = 2, y = 2, z = 0. Portanto, u = (64)(2) + (16)(4) + (0)(0) s = 192
45 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 6 Se g(s, t) = f(s 2 t 2, t 2 s 2 ) e f é diferenciável, mostre que g satisfaz a equação t g s g + s = t 0
46 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 6 Seja x = s 2 t 2 e y = t 2 s 2. Então, g(s, t) = f(x, y), e a Regra da Cadeia nos fornece g f x f y f f = + = (2 s) + ( 2 s) s x s y s x y g f x f y f f = + = ( 2 t) + (2 t) t x t y t x y
47 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 6 Portanto, g g t + s s t f f f f = 2st 2st + 2st + 2st x y x y = 0
48 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 7 Se z = f(x, y) tem derivadas parciais de segunda ordem contínuas e x = r 2 + s 2 e y = 2rs, determine: a. z/ r b. 2 z/ r 2
49 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 7a A Regra da Cadeia fornece z z x z y = + r x r y r z z = (2 r) + (2 s) x y
50 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EX. 7b Eq.5 Aplicando a Regra do Produto na expressão da parte (a), obtemos z z z = 2r 2s 2 + r r x y 2 z z z = 2 + 2r + 2s x r x r y
51 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 7b Mas, usando a Regra da Cadeia novamente, obtemos os resultados que seguem.
52 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 7b
53 A REGRA DA CADEIA (VERSÃO GERAL) EXEMPLO 7b Colocando essas expressões na Equação 5 e usando a igualdade das derivadas parciais de segunda ordem mistas, obtemos
54 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA A Regra da Cadeia pode ser usada para dar uma descrição mais completa do processo de derivação implícita introduzida nas Seções 3.5, no Volume I, e 14.3.
55 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Suponhamos que a equação da forma F(x, y) = 0 defina y implicitamente como uma função diferenciável de x. Ou seja, y = f(x), onde F(x, f(x)) = 0 para todo x no domínio de f.
56 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Se F é diferenciável, podemos aplicar o Caso 1 da Regra de Cadeia para derivar ambos os lados da equação F(x, y) = 0 com relação a x. Como x e y são ambas funções de x, obtemos Fdx xdx Fdy + = ydx 0
57 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Equação 6 No entanto, dx/dx = 1; então, se F/ y 0, isolamos dy/dx para obtermos dy dx F = x = F y F F x y
58 TEOREMA DA FUNÇÃO IMPLÍCITA Para deduzir essa equação, assumimos que F(x, y) = 0 define y implicitamente em função de x. O Teorema da Função Implícita, demonstrado em cálculo avançado, fornece condições sob as quais essa hipótese é válida.
59 TEOREMA DA FUNÇÃO IMPLÍCITA O Teorema afirma que: Suponha que F é definida em uma bola aberta contendo (a, b), onde F(a, b) = 0, F y (a, b) 0, e F x e F y são funções contínuas nessa bola. Então, a equação F(x, y) = 0 define y como uma função de x perto do ponto (a, b) e a derivada dessa função é dada pela Equação 6.
60 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA EXEMPLO 8 Determine y se x 3 + y 3 = 6xy. A equação dada pode ser escrita como F(x, y) = x 3 + y 3 6xy = 0 e, dessa forma, a Equação 6 nos dá dy F x y x y dx F y x y x x 6 2 = = = 2 2 y 3 6 2
61 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Suponha agora que z seja dado implicitamente como uma função z = f(x, y) por uma equação da forma F(x, y, z) = 0 para todo (x, y) no domínio de f.
62 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Se F e f forem diferenciáveis, utilizamos a Regra da Cadeia para derivar a equação F(x, y, z) = 0 da seguinte forma: F x F y F z + + = x x y x z x 0
63 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Mas, portanto, essa equação se torna: F F z + = x z x 0
64 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Equação 7 Se F/ z 0, isolamos z/ x e obtemos a primeira fórmula das Equações 7. F F z x z y = = x F y F z z A fórmula para z/ y é obtida de modo semelhante.
65 TEOREMA DA FUNÇÃO IMPLÍCITA Novamente, uma versão do Teorema da Função Implícita nos dá as condições sob as quais nossa hipótese é válida.
66 TEOREMA DA FUNÇÃO IMPLÍCITA Essa versão nos diz que: Suponha que F é definida dentro de uma esfera contendo (a, b, c), onde F(a, b, c) = 0, F z (a, b, c) 0, e F x, F y, e F z são contínuas dentro da esfera. Então, a equação F(x, y, z) = 0 define z como uma função de x e y perto do ponto (a, b, c), e as derivadas parciais dessa função são dadas por (7).
67 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA EXEMPLO 9 Determine z/ x e z/ y se x 3 + y 3 + z 3 + 6xyz = 1 Seja F(x, y, z) = x 3 + y 3 + z 3 + 6xyz 1.
68 DERIVAÇÃO IMPLÍCITA EXEMPLO 9 Então, das Equações 7, temos F z x 3x 6yz x 2yz = = = 2 2 x Fz 3z 6xy z 2xy z F y + xz y + xz y F z + xy z + xy 2 2 y = = = 2 2 z 3 6 2
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