Diferenciabilidade em Rⁿ
Diferenciabilidade em Rⁿ
Recordando a definição de diferenciabilidade em R \R R , tínhamos que f f f é diferenciável em a a a
se existe lim h → 0 f ( a + h ) − f ( a ) h \displaystyle \lim_{h\to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h} h → 0 lim h f ( a + h ) − f ( a ) .
No entanto, este limite envolve a divisão e a divisão não está definida em d i m > 1 dim > 1 d im > 1 .
Deste modo, temos de reformular esta definição.
f ′ ( a ) = lim h → 0 f ( a + h ) − f ( a ) h ⇔ ⇔ 0 = lim h → 0 f ( a + h ) − f ( a ) h − f ′ ( a ) ⇔ ⇔ 0 = lim h → 0 f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) h h ⇔ ⇔ f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) h = o ( h ) , h → 0 \begin{darray}{l}
f'( a) =\lim _{h\rightarrow 0}\frac{f( a+h) -f( a)}{h} \Leftrightarrow\\
\Leftrightarrow 0=\lim _{h\rightarrow 0}\frac{f( a+h) -f( a)}{h} -f'( a) \Leftrightarrow \\
\Leftrightarrow 0=\lim _{h\rightarrow 0}\frac{f( a+h) -f( a) -f'( a) h}{h} \Leftrightarrow \\
\Leftrightarrow f( a+h) -f( a) -f'( a) h=o( h) ,\ \quad h\rightarrow 0
\end{darray} f ′ ( a ) = h → 0 lim h f ( a + h ) − f ( a ) ⇔ ⇔ 0 = h → 0 lim h f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) ⇔ ⇔ 0 = h → 0 lim h f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) h ⇔ ⇔ f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) h = o ( h ) , h → 0
"o" pequeno de h
Esta nova definição contém o ( h ) o(h) o ( h ) , uma nova função ao qual que chama "o pequeno de h".
Isto é simplesmente uma função de x x x que dividida por x x x tende para 0 0 0 quando x → 0 x \to 0 x → 0 .
Exemplos Quando x → 0 x \to 0 x → 0 :
f ( x ) = 0 f(x) = 0 f ( x ) = 0 , f ( x ) x = 0 x = 0 → 0 \frac{f(x)}{x}=\frac{0}{x}=0\to 0 x f ( x ) = x 0 = 0 → 0
f ( x ) = x 2 f(x) = x^2 f ( x ) = x 2 , f ( x ) x = x 2 x = x → 0 \frac{f(x)}{x}=\frac{x^2}{x}=x\to 0 x f ( x ) = x x 2 = x → 0
f ( x ) = x sin x f(x) = x\sin x f ( x ) = x sin x , f ( x ) x = x sin x x = sin x → 0 \frac{f(x)}{x}=\frac{x\sin x}{x}=\sin x \to 0 x f ( x ) = x x s i n x = sin x → 0
g ( x ) = x g(x) = x g ( x ) = x , g ( x ) x = x x = 1 ↛ 0 \frac{g(x)}{x}=\frac{x}{x}=1 \not\to 0 x g ( x ) = x x = 1 → 0 logo, esta não é o ( x ) o(x) o ( x )
Se continuarmos a desenvolver a equação obtida acima, obtemos:
f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) h = o ( h ) ⇔ ⇔ f ( a + h ) − f ( a ) = f ′ ( a ) h + o ( h ) f(a+h)-f(a)-f'(a)h=o(h)\Leftrightarrow \\
\Leftrightarrow f(a+h)-f(a)=f'(a)h+o(h) f ( a + h ) − f ( a ) − f ′ ( a ) h = o ( h ) ⇔ ⇔ f ( a + h ) − f ( a ) = f ′ ( a ) h + o ( h )
No contexto deste problema, f f f e a a a são constantes e h h h é variável.
Então, temos a função D f ( a ) ( h ) = f ′ ( a ) h Df(a)\ (h)=f'(a)h D f ( a ) ( h ) = f ′ ( a ) h , que é uma transformação linear D f ( a ) : R → R Df(a): \R\to \R D f ( a ) : R → R .
Assim, chegamos à definição em d i m > 1 dim > 1 d im > 1 :
DEFINIÇÃO
Seja f : D ⊆ R n → R m f: D \subseteq \R^n \to \R^m f : D ⊆ R n → R m é diferencial em a ∈ D a\in D a ∈ D se existir uma transformação linear D f ( a ) : R n → R m Df(a): \R^n \to \R^m D f ( a ) : R n → R m
(chamada transformação linear derivada de f f f em a a a ), tal que
f ( a + h ) − f ( a ) = D f ( a ) ( h ) + o ( h ) , quando h → 0 f(a+h)-f(a)=Df(a)\ (h)+o(h), \quad \text{quando}\quad h \to 0 f ( a + h ) − f ( a ) = D f ( a ) ( h ) + o ( h ) , quando h → 0 Também podemos reescrever esta definição como
lim h → 0 ⃗ f ( a + h ) − f ( a ) − D f ( a ) ( h ) ∣ ∣ h ∣ ∣ = 0 ⃗ \lim_{h\to \vec 0} \frac{f(a+h)-f(a)-Df(a)(h)}{||h||}=\vec 0 h → 0 lim ∣∣ h ∣∣ f ( a + h ) − f ( a ) − D f ( a ) ( h ) = 0
Relembrando da Álgebra Linear:
Uma transformação linear T : R n → R m T:\R^n \to \R^m T : R n → R m é univocamente representada
por uma matriz (m × n m\times n m × n ) uma vez que se fixem bases em R n \R^n R n e R m \R^m R m .
Quais são as bases preferidas?
A base canónica e 1 → = ( 1 0 ⋮ 0 ) , e 2 → = ( 0 1 ⋮ 0 ) , e n → = ( 0 0 ⋮ 1 ) \overrightarrow{e_{1}} =\begin{pmatrix}1\\0\\\vdots \\0\end{pmatrix} ,\overrightarrow{e_{2}} =\begin{pmatrix}0\\1\\\vdots \\0\end{pmatrix} ,\overrightarrow{e_{n}} =\begin{pmatrix}0\\0\\\vdots \\1\end{pmatrix} e 1 = 1 0 ⋮ 0 , e 2 = 0 1 ⋮ 0 , e n = 0 0 ⋮ 1
Alguma base que torne a matriz diagonal (ou "quase" diagonal)
Por defeito, usamos a base canónica.
T : R → R T:\R \to \R T : R → R é representada pela matriz [ c ] [c] [ c ] onde c c c é constante.
Exemplos de funções diferenciáveis
Função constante
f : R n → R m x ⟶ ( 2 2 ⋮ 2 ) \begin{array}{ c c }
f: & \mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}^{m}\\
& x\longrightarrow \begin{pmatrix}
2\\
2\\
\vdots \\
2
\end{pmatrix}
\end{array} f : R n → R m x ⟶ 2 2 ⋮ 2
Seja a ∈ R n a \in \R^n a ∈ R n a = ( a 1 a 2 ⋮ a n ) a=\begin{pmatrix}a_{1}\\a_{2}\\\vdots \\a_{n}\end{pmatrix} a = a 1 a 2 ⋮ a n , h ⃗ ∈ R n \vec h \in \R^n h ∈ R n h ⃗ = ( h 1 h 2 ⋮ h n ) \vec h=\begin{pmatrix}h_{1}\\h_{2}\\\vdots \\h_{n}\end{pmatrix} h = h 1 h 2 ⋮ h n
f ( a + h ) − f ( a ) = ( 2 2 ⋮ 2 ) − ( 2 2 ⋮ 2 ) = ( 2 − 2 2 − 2 ⋮ 2 − 2 ) = ( 0 0 ⋮ 0 ) = = [ 0 0 … 0 0 0 … 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 … 0 ] ⏞ matriz m × n ( h 1 h 2 ⋮ h n ) ⏟ L a ( h ) + ( 0 0 ⋮ 0 ) ⏟ o ( h ) f(a+h)-f(a)=\begin{pmatrix}
2\\
2\\
\vdots \\
2
\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}
2\\
2\\
\vdots \\
2
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
2-2\\
2-2\\
\vdots \\
2-2
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
0\\
0\\
\vdots \\
0
\end{pmatrix} =\\
=\underbrace{\overbrace{\begin{bmatrix}
0 & 0 & \dotsc & 0\\
0 & 0 & \dotsc & 0\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & \dotsc & 0
\end{bmatrix}}^{\text{matriz } m\times n}\begin{pmatrix}
h_{1}\\
h_{2}\\
\vdots \\
h_{n}
\end{pmatrix}}_{L_{a}( h)} +\underbrace{\begin{pmatrix}
0\\
0\\
\vdots \\
0
\end{pmatrix}}_{o( h)} f ( a + h ) − f ( a ) = 2 2 ⋮ 2 − 2 2 ⋮ 2 = 2 − 2 2 − 2 ⋮ 2 − 2 = 0 0 ⋮ 0 = = L a ( h ) 0 0 ⋮ 0 0 0 ⋮ 0 … … ⋱ … 0 0 ⋮ 0 matriz m × n h 1 h 2 ⋮ h n + o ( h ) 0 0 ⋮ 0
Portanto como a ∈ R n a \in \R^n a ∈ R n é genérico, então f f f é diferenciável e a derivada em a a a é D f ( a ) = 0 ⃗ Df(a) = \vec 0 D f ( a ) = 0
Função identidade
f : R n → R m x ⟶ x \begin{array}{ c c }
f: & \mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}^{m}\\
& x\longrightarrow x
\end{array} f : R n → R m x ⟶ x
Seja a ∈ R n a \in \R^n a ∈ R n , h ⃗ ∈ R n \vec h \in \R^n h ∈ R n ,
f ( a + h ) − f ( a ) = a + h − a = h = ( h 1 h 2 ⋮ h n ) = = [ 1 0 … 0 0 1 … 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 … 1 ] ⏞ matriz m × n ( h 1 h 2 ⋮ h n ) ⏟ L a ( h ) + ( 0 0 ⋮ 0 ) ⏟ o ( h ) f(a+h)-f(a)=a+h-a=h=\begin{pmatrix}
h_{1}\\
h_{2}\\
\vdots \\
h_{n}
\end{pmatrix} =\\
=\underbrace{\overbrace{\begin{bmatrix}
1 & 0 & \dotsc & 0\\
0 & 1 & \dotsc & 0\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & \dotsc & 1
\end{bmatrix}}^{\text{matriz } m\times n}\begin{pmatrix}
h_{1}\\
h_{2}\\
\vdots \\
h_{n}
\end{pmatrix}}_{L_{a}( h)} +\underbrace{\begin{pmatrix}
0\\
0\\
\vdots \\
0
\end{pmatrix}}_{o( h)} f ( a + h ) − f ( a ) = a + h − a = h = h 1 h 2 ⋮ h n = = L a ( h ) 1 0 ⋮ 0 0 1 ⋮ 0 … … ⋱ … 0 0 ⋮ 1 matriz m × n h 1 h 2 ⋮ h n + o ( h ) 0 0 ⋮ 0
Portanto f f f é diferenciável em R n \R^n R n e a derivada em qualquer a ∈ R n a \in \R^n a ∈ R n é a identidade.
Função projeção
p i : R n ⟶ R x = ( x 1 x 2 ⋮ x n ) ⟶ x i \begin{array}{ c c }
p_{i} : & \mathbb{R}^{n} \longrightarrow \mathbb{R}\\
& x=\begin{pmatrix}
x_{1}\\
x_{2}\\
\vdots \\
x_{n}
\end{pmatrix} \longrightarrow x_{i}
\end{array} p i : R n ⟶ R x = x 1 x 2 ⋮ x n ⟶ x i
Seja a ∈ R n , h ∈ R n a \in \R^n, h\in \R^n a ∈ R n , h ∈ R n ,
p i ( a + h ) − p i ( a ) = a i + h i − a i = h i = [ 0 … 1 … 0 ] ⏞ matriz 1 × n ( h 1 h 2 ⋮ h i ⋮ h n ) ⏟ L a ( h ) + ( 0 0 ⋮ 0 ⋮ 0 ) ⏟ o ( h ) p_{i} (a+h)-p_{i} (a)=a_{i} +h_{i} -a_{i} =h_{i}\\
=\underbrace{\overbrace{\begin{bmatrix}
0 & \dotsc & 1 & \dotsc & 0
\end{bmatrix}}^{\text{matriz } 1\times n}\begin{pmatrix}
h_{1}\\
h_{2}\\
\vdots \\
h_{i}\\
\vdots \\
h_{n}
\end{pmatrix}}_{L_{a}( h)} +\underbrace{\begin{pmatrix}
0\\
0\\
\vdots \\
0\\
\vdots \\
0
\end{pmatrix}}_{o( h)} p i ( a + h ) − p i ( a ) = a i + h i − a i = h i = L a ( h ) [ 0 … 1 … 0 ] matriz 1 × n h 1 h 2 ⋮ h i ⋮ h n + o ( h ) 0 0 ⋮ 0 ⋮ 0 Portanto as funções projeção são diferenciáveis
Derivadas Parciais
No entanto, por vezes poderá ser importante calcular derivadas segundo direções especiais - ou saber quais são essas direções especiais.
Por exemplo, dada uma função f f f e um ponto a a a do seu domínio, ao longo de que direção e sentido me devo afastar de a a a de forma a sentir a variação máxima ou mínima da função?
DEFINIÇÃO
A derivada de f : R n → R f: \R^n \to \R f : R n → R no ponto a ∈ R n a \in \R^n a ∈ R n segundo o vetor v ∈ R n v \in\R^n v ∈ R n é o limite, se existir,
∂ f ∂ v ( a ) = lim t → 0 f ( a + t v ) − f ( a ) t \frac{\partial f}{\partial v}(a)= \lim_{t\to 0} \frac{f(a+tv)-f(a)}{t} ∂ v ∂ f ( a ) = t → 0 lim t f ( a + t v ) − f ( a )
Observações:
Convém, por vezes, que ∣ ∣ v ∣ ∣ = 1 ||v|| = 1 ∣∣ v ∣∣ = 1
Se v = e i → = ( 0 ⋮ 1 ⋮ 0 ) v=\overrightarrow{e_{i}} =\begin{pmatrix}0\\\vdots \\1\\\vdots \\0\end{pmatrix} v = e i = 0 ⋮ 1 ⋮ 0
então ∂ f ∂ v ( a ) = ∂ f ∂ x i ( a ) \displaystyle \frac{\partial f}{\partial v}( a) =\frac{\partial f}{\partial x_{i}}( a) ∂ v ∂ f ( a ) = ∂ x i ∂ f ( a ) ,
a que se chama derivada parcial em ordem a x i x_i x i em a a a .
Exemplos f ( x , y ) = x 2 y , v = ( 1 , 2 ) f( x,y) =x^{2} y\quad ,\quad v=( 1,2) f ( x , y ) = x 2 y , v = ( 1 , 2 ) Qual o valor de ∂ f ∂ v ( 1 , 1 ) \frac{\partial f}{\partial v}( 1,1) ∂ v ∂ f ( 1 , 1 ) ?
∂ f ∂ v ( 1 , 1 ) = lim t → 0 f ( ( 1 , 1 ) + t ( 1 , 2 ) ) − f ( 1 , 1 ) t = lim t → 0 f ( 1 + t , 1 + 2 t ) − 1 2 ⋅ 1 t = lim t → 0 ( 1 + t ) 2 ( 1 + 2 t ) − 1 t = lim t → 0 1 + 2 t + 2 t + 4 t 2 + t 2 + 2 t 3 − 1 t = lim t → 0 t ( 4 + 5 t + 2 t 2 ) t = lim t → 0 ( 4 + 5 t + 2 t 2 ) = 4 + 0 + 0 = 4 \begin{aligned}
\frac{\partial f}{\partial v}( 1,1) & =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{f(( 1,1) +t( 1,2)) -f( 1,1)}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{f( 1+t,1+2t) -1^{2} \cdot 1}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{( 1+t)^{2}( 1+2t) -1}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{1+2t+2t+4t^{2} +t^{2} +2t^{3} -1}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0} \frac{t \left(4+5t+2t^{2}\right)}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\left( 4+5t+2t^{2}\right)\\
& =4+0+0\\
& =4
\end{aligned} ∂ v ∂ f ( 1 , 1 ) = t → 0 lim t f (( 1 , 1 ) + t ( 1 , 2 )) − f ( 1 , 1 ) = t → 0 lim t f ( 1 + t , 1 + 2 t ) − 1 2 ⋅ 1 = t → 0 lim t ( 1 + t ) 2 ( 1 + 2 t ) − 1 = t → 0 lim t 1 + 2 t + 2 t + 4 t 2 + t 2 + 2 t 3 − 1 = t → 0 lim t t ( 4 + 5 t + 2 t 2 ) = t → 0 lim ( 4 + 5 t + 2 t 2 ) = 4 + 0 + 0 = 4
Propriedades de uma função diferenciável
Se f f f é diferenciável em a a a , isto é, se existe transformação linear D f ( a ) : R n → R m Df(a): \R^n\to \R^m D f ( a ) : R n → R m tal que f ( a + h ) − f ( a ) = D f ( a ) ( h ) + o ( h ) f(a+h)-f(a)=Df(a)\ (h)+o(h) f ( a + h ) − f ( a ) = D f ( a ) ( h ) + o ( h ) , então:
f f f é contínua em a a a
Para todo o v ∈ R n \ { 0 ⃗ } v \in \R^n\backslash \{\vec 0 \} v ∈ R n \ { 0 } existe ∂ f ∂ v ( a ) = D f ( a ) ( v ) \displaystyle \frac{\partial f}{\partial v}( a) = Df(a)\ (v) ∂ v ∂ f ( a ) = D f ( a ) ( v )
(transformação linear derivada de f f f em a a a calculada em v v v ).
Sejam f , g : D ⊆ R n → R m f, g: D \subseteq \R^n \to \R^m f , g : D ⊆ R n → R m , λ ∈ R , a ∈ D , h ∈ R n \lambda \in \R, a \in D, h \in \R^n λ ∈ R , a ∈ D , h ∈ R n ,
em que f f f e g g g são diferenciáveis em a a a .
Então,
f + g f+g f + g é diferenciável em a a a
λ f \lambda f λ f é diferenciável em a a a
f g fg f g é diferenciável em a a a , sendo D ( f g ) ( a ) = g ( a ) D f ( a ) + f ( a ) D f ( a ) D( fg)( a) =g( a) Df( a) +f( a) Df( a) D ( f g ) ( a ) = g ( a ) D f ( a ) + f ( a ) D f ( a )
f g \frac fg g f é diferenciável em a a a se g ( a ) ≠ 0 g(a)\ne 0 g ( a ) = 0 , sendo D ( f g ) ( a ) = g ( a ) D f ( a ) − f ( a ) D g ( a ) g ( a ) 2 D\left(\frac{f}{g}\right)( a) =\frac{g( a) Df( a) -f( a) Dg( a)}{g( a)^{2}} D ( g f ) ( a ) = g ( a ) 2 g ( a ) D f ( a ) − f ( a ) D g ( a )
Seja f : D ⊂ R n → R m f: D \subset \R^n \to \R^m f : D ⊂ R n → R m e D D D conjunto aberto
Se f f f é C 1 C^1 C 1 em D D D então f f f é diferenciável em D D D .
Matriz Jacobiana
Se a função f f f é diferenciável em a a a então a transformação linear derivada é única.
Fixadas as bases canónicas, a matriz que a transformação linear representa é chamada jacobiana e tem por entradas as derivadas parciais em a a a .
Temos então a matriz jacobiana de f f f em a a a :
J a f = [ ∂ f 1 ∂ x 1 ( a ) ∂ f 1 ∂ x 2 ( a ) … ∂ f 1 ∂ x n ( a ) ∂ f 2 ∂ x 1 ( a ) ∂ f 2 ∂ x 2 ( a ) … ∂ f 2 ∂ x n ( a ) ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ f m ∂ x 1 ( a ) ∂ f m ∂ x 2 ( a ) … ∂ f m ∂ x n ( a ) ] J^{f}_{a} =\begin{bmatrix}
\frac{\partial f_{1}}{\partial x_{1}}( a) & \frac{\partial f_{1}}{\partial x_{2}}( a) & \dotsc & \frac{\partial f_{1}}{\partial x_{n}}( a)\\
\frac{\partial f_{2}}{\partial x_{1}}( a) & \frac{\partial f_{2}}{\partial x_{2}}( a) & \dotsc & \frac{\partial f_{2}}{\partial x_{n}}( a)\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
\frac{\partial f_{m}}{\partial x_{1}}( a) & \frac{\partial f_{m}}{\partial x_{2}}( a) & \dotsc & \frac{\partial f_{m}}{\partial x_{n}}( a)
\end{bmatrix} J a f = ∂ x 1 ∂ f 1 ( a ) ∂ x 1 ∂ f 2 ( a ) ⋮ ∂ x 1 ∂ f m ( a ) ∂ x 2 ∂ f 1 ( a ) ∂ x 2 ∂ f 2 ( a ) ⋮ ∂ x 2 ∂ f m ( a ) … … ⋱ … ∂ x n ∂ f 1 ( a ) ∂ x n ∂ f 2 ( a ) ⋮ ∂ x n ∂ f m ( a )
Exemplos de matrizes jacobianas f : R → R , f ( x ) = x e x f:\R \to \R\quad, \quad f(x)=xe^x f : R → R , f ( x ) = x e x d f d x = 1 e x + x ⋅ e x = ( 1 + x ) e x \frac{df}{dx}=1e^x+x\cdot e^x=(1+x)e^x d x df = 1 e x + x ⋅ e x = ( 1 + x ) e x J x f = [ ( 1 + x ) e x ] J^f_x=\begin{bmatrix}(1+x) e^x\end{bmatrix} J x f = [ ( 1 + x ) e x ] f : R 2 → R , f ( x , y ) = x 2 y f: \R^2\to \R\quad,\quad f(x,y)=x^2y f : R 2 → R , f ( x , y ) = x 2 y ∂ f ∂ x ( x , y ) = 2 x y ∂ f ∂ y ( x , y ) = x 2 ⋅ 1 = x 2 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y)=2xy\\
\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)=x^2\cdot 1 = x^2 ∂ x ∂ f ( x , y ) = 2 x y ∂ y ∂ f ( x , y ) = x 2 ⋅ 1 = x 2 J ( x , y ) f = [ 2 x y x 2 ] J^f_{(x,y)}=\begin{bmatrix}2xy& x^2\end{bmatrix} J ( x , y ) f = [ 2 x y x 2 ] f : R → R 2 , f ( x ) = ( cos x , sin x ) f: \R\to \R^2\quad,\quad f(x)=(\cos x, \sin x) f : R → R 2 , f ( x ) = ( cos x , sin x ) J x f = [ − sin x cos x ] J^f_x=\begin{bmatrix} -\sin x \\ \cos x \end{bmatrix} J x f = [ − sin x cos x ] f : R 2 → R 2 , f ( x , y ) = ( x 2 − y 2 ⏞ f 1 , x 2 + y 2 ⏞ f 2 ) f: \R^2\to \R^2\quad,\quad f(x,y)=(\overbrace{x^2-y^2}^{f1}, \overbrace{x^2+y^2}^{f2}) f : R 2 → R 2 , f ( x , y ) = ( x 2 − y 2 f 1 , x 2 + y 2 f 2 ) J ( x , y ) f = [ 2 x − 2 y 2 x 2 y ] J^f_{(x,y)}=\begin{bmatrix}2x & -2y\\ 2x & 2y\end{bmatrix} J ( x , y ) f = [ 2 x 2 x − 2 y 2 y ]
warning
Pode existir a jacobiana de uma função f f f em a a a sem que f f f seja diferenciável em a a a .
Gradiente de uma função
Seja f : D ⊆ R n → R f: D \subseteq \R^n \to \R f : D ⊆ R n → R isto é, seja f f f uma função escalar.
Se f f f é diferenciável em a a a então a matriz jacobiana de f f f em a a a é uma matriz linha que se chama gradiente de f f f em a a a .
∇ f ( a ) = ( ∂ f ∂ x 1 ( a ) , ∂ f ∂ x 2 ( a ) , … , ∂ f ∂ x n ( a ) ) \nabla f( a) =\left(\frac{\partial f}{\partial x_{1}}( a) ,\frac{\partial f}{\partial x_{2}}( a) ,\dotsc ,\frac{\partial f}{\partial x_{n}}( a)\right) ∇ f ( a ) = ( ∂ x 1 ∂ f ( a ) , ∂ x 2 ∂ f ( a ) , … , ∂ x n ∂ f ( a ) )
Exemplos de diferenciabilidade Seja f : R 2 → R f: \R^2 \to \R f : R 2 → R com f ( x , y ) = x 2 y f(x,y) = x^2y f ( x , y ) = x 2 y
Mostre que f f f é diferenciável em ( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 )
f f f é diferenciável em ( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) se por definição:
lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) f ( ( 1 , 1 ) + ( h , k ) ) − f ( 1 , 1 ) − D f ( 1 , 1 ) ( h , k ) ∣ ∣ ( h , k ) ∣ ∣ = 0 \lim_{(h,k)\to (0,0)}\frac{f((1,1)+(h,k))-f(1,1)-Df(1,1)(h,k)}{||(h,k)||}=0 ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim ∣∣ ( h , k ) ∣∣ f (( 1 , 1 ) + ( h , k )) − f ( 1 , 1 ) − D f ( 1 , 1 ) ( h , k ) = 0 J ( 1 , 1 ) f = ( ∂ f ∂ x ( 1 , 1 ) ∂ f ∂ y ( 1 , 1 ) ) = ( 2 x y ∣ ( 1 , 1 ) x 2 ∣ ( 1 , 1 ) ) = ( 2 1 ) J^{f}_{(1,1)} =\begin{pmatrix}
\frac{\partial f}{\partial x}( 1,1) & \frac{\partial f}{\partial y}( 1,1)
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
2xy\Bigl|_{( 1,1)} & x^{2}\Bigl|_{( 1,1)}
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
2 & 1
\end{pmatrix} J ( 1 , 1 ) f = ( ∂ x ∂ f ( 1 , 1 ) ∂ y ∂ f ( 1 , 1 ) ) = ( 2 x y ( 1 , 1 ) x 2 ( 1 , 1 ) ) = ( 2 1 ) lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) f ( 1 + h , 1 + k ) − f ( 1 , 1 ) − ( 2 1 ) ( h k ) h 2 + k 2 = = lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) ( 1 + h ) 2 ( 1 + k ) − 1 2 ⋅ 1 − ( 2 h + k ) h 2 + k 2 = lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) 1 + 2 h + h 2 + k + 2 k h + k h 2 − 1 − 2 h − k h 2 + k 2 = lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) h 2 + 2 k h + k h 2 h 2 + k 2 = lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) h h + 2 k + k h h 2 + k 2 = lim ( h , k ) → ( 0 , 0 ) ( h + 2 k + k h ) h h 2 + k 2 = 0 \begin{darray}{ l }
\lim\limits _{( h,k)\rightarrow ( 0,0)}\frac{f( 1+h,1+k) -f( 1,1) -\begin{pmatrix}
2 & 1
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
h\\
k
\end{pmatrix}}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}} =\\
=\lim\limits _{( h,k)\rightarrow ( 0,0)}\frac{( 1+h)^{2}( 1+k) -1^{2} \cdot 1-( 2h+k)}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}}\\
=\lim\limits _{( h,k)\rightarrow ( 0,0)}\frac{1+2h+h^{2} +k+2kh+kh^{2} -1-2h-k}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}}\\
=\lim\limits _{( h,k)\rightarrow ( 0,0)}\frac{h^{2} +2kh+kh^{2}}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}}\\
=\lim\limits _{( h,k)\rightarrow ( 0,0)} h\frac{h+2k+kh}{\ \sqrt{h^{2} +k^{2}}}\\
=\lim\limits _{( h,k)\rightarrow ( 0,0)}( h+2k+kh)\frac{h}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}}\\
=0
\end{darray} ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim h 2 + k 2 f ( 1 + h , 1 + k ) − f ( 1 , 1 ) − ( 2 1 ) ( h k ) = = ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim h 2 + k 2 ( 1 + h ) 2 ( 1 + k ) − 1 2 ⋅ 1 − ( 2 h + k ) = ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim h 2 + k 2 1 + 2 h + h 2 + k + 2 kh + k h 2 − 1 − 2 h − k = ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim h 2 + k 2 h 2 + 2 kh + k h 2 = ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim h h 2 + k 2 h + 2 k + kh = ( h , k ) → ( 0 , 0 ) lim ( h + 2 k + kh ) h 2 + k 2 h = 0 c.a. ∣ h h 2 + k 2 ∣ = ∣ h ∣ h 2 + k 2 = h 2 h 2 + k 2 ⩽ h 2 + k 2 h 2 + k 2 = 1 \text{c.a.}\\
\left| \frac{h}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}}\right| =\frac{|h|}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}} =\frac{\sqrt{h^{2}}}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}} \leqslant \frac{\sqrt{h^{2} +k^{2}}}{\sqrt{h^{2} +k^{2}}} =1 c.a. h 2 + k 2 h = h 2 + k 2 ∣ h ∣ = h 2 + k 2 h 2 ⩽ h 2 + k 2 h 2 + k 2 = 1 Logo, f f f é diferenciável em a a a .
Calcule ∂ f ∂ v ( 1 , 1 ) \frac{\partial f}{\partial v}(1,1) ∂ v ∂ f ( 1 , 1 ) para v = ( 1 , 2 ) v=(1,2) v = ( 1 , 2 )
∂ f ∂ v ( 1 , 1 ) = J a f ( 1 2 ) = ( 2 1 ) ( 1 2 ) = ( 2 ⋅ 1 + 1 ⋅ 2 ) = ( 4 ) \frac{\partial f}{\partial v}( 1,1) =J^{f}_{a}\begin{pmatrix}
1\\
2
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
2 & 1
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
1\\
2
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
2\cdot 1+1\cdot 2
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
4
\end{pmatrix} ∂ v ∂ f ( 1 , 1 ) = J a f ( 1 2 ) = ( 2 1 ) ( 1 2 ) = ( 2 ⋅ 1 + 1 ⋅ 2 ) = ( 4 ) Seja f : R n → R m f: \R^n \to \R^m f : R n → R m , f ( x ) = A x f(x)=Ax f ( x ) = A x , uma transformação linear com A A A a matriz que a representa, fixadas as bases canónicas.
Seja a ∈ R n , h ∈ R n a\in\R^n, h \in \R^n a ∈ R n , h ∈ R n ,
f ( a + h ) − f ( a ) = A ( a + h ) − A a = A a + A h − A a = A h + 0 ⃗ f(a+h)-f(a)=A(a+h)-Aa=Aa+Ah-Aa=Ah+\vec 0 f ( a + h ) − f ( a ) = A ( a + h ) − A a = A a + A h − A a = A h + 0 A h Ah A h é a transformação linear calculada em h h h
0 ⃗ \vec 0 0 é o o ( h ) , h → 0 ⃗ o(h), h\to \vec 0 o ( h ) , h → 0
Portanto f f f é diferenciável em qualquer a ∈ R n a\in\R^n a ∈ R n e D f ( a ) = A Df(a)=A D f ( a ) = A (A A A é uma matriz)
Sendo, f : R 3 → R , f ( x , y , z ) = x y z , v = ( − 1 , 0 , 1 ) f:\R^3 \to \R\quad, \quad f(x,y,z)=xyz\quad,\quad v=(-1,0,1) f : R 3 → R , f ( x , y , z ) = x yz , v = ( − 1 , 0 , 1 )
Calcular ∂ f ∂ v ( 2 , 1 , 1 ) \frac{\partial f}{\partial v}(2,1,1) ∂ v ∂ f ( 2 , 1 , 1 ) :
Pela definição
∂ f ∂ v ( 2 , 1 , 1 ) = lim t → 0 f ( ( 2 , 1 , 1 ) + t v ) − f ( 2 , 1 , 1 ) t = lim t → 0 f ( ( 2 , 1 , 1 ) + t ( − 1 , 0 , 1 ) ) − f ( 2 , 1 , 1 ) t = lim t → 0 f ( 2 − t , 1 , 1 + t ) − f ( 2 , 1 , 1 ) t = = lim t → 0 ( 2 − t ) ⋅ 1 ⋅ ( 1 + t ) − 2 ⋅ 1 ⋅ 1 t = = lim t → 0 2 + 2 t − t − t 2 − 2 t = = lim t → 0 t ( 1 − t ) t = lim t → 0 ( 1 − t ) = 1 \begin{aligned}
\frac{\partial f}{\partial v}(2,1,1) &= \lim_{t\to 0}\frac{f((2,1,1)+tv)-f(2,1,1)}{t}\\
&= \lim_{t\to 0}\frac{f((2,1,1)+t(-1,0,1))-f(2,1,1)}{t}\\
&= \lim_{t\to 0}\frac{f(2-t,1,1+t)-f(2,1,1)}{t}=\\
&=\lim_{t \to 0}\frac{(2-t)\cdot 1 \cdot (1+t) - 2\cdot 1 \cdot 1}{t}=\\
&= \lim_{t \to 0}\frac{2+2t-t-t^2-2}{t}=\\
&=\lim_{t \to 0}\frac{t(1-t)}{t}\\
&=\lim_{t\to 0}(1-t)\\
&=1
\end{aligned} ∂ v ∂ f ( 2 , 1 , 1 ) = t → 0 lim t f (( 2 , 1 , 1 ) + t v ) − f ( 2 , 1 , 1 ) = t → 0 lim t f (( 2 , 1 , 1 ) + t ( − 1 , 0 , 1 )) − f ( 2 , 1 , 1 ) = t → 0 lim t f ( 2 − t , 1 , 1 + t ) − f ( 2 , 1 , 1 ) = = t → 0 lim t ( 2 − t ) ⋅ 1 ⋅ ( 1 + t ) − 2 ⋅ 1 ⋅ 1 = = t → 0 lim t 2 + 2 t − t − t 2 − 2 = = t → 0 lim t t ( 1 − t ) = t → 0 lim ( 1 − t ) = 1 ou seja ∂ f ∂ v ( 2 , 1 , 1 ) = 1 \frac{\partial f}{\partial v}(2,1,1) = 1 ∂ v ∂ f ( 2 , 1 , 1 ) = 1
Através da Matriz Jacobiana
f ( x , y , z ) = x y z = p 1 ( x , y , z ) ⋅ p 2 ( x , y , z ) ⋅ p 3 ( x , y , z ) f(x,y,z) = xyz = p_1(x,y,z) \cdot p_2(x,y,z)\cdot p_3(x,y,z) f ( x , y , z ) = x yz = p 1 ( x , y , z ) ⋅ p 2 ( x , y , z ) ⋅ p 3 ( x , y , z )
Como p i p_i p i 's são diferenciáveis e produto de funções diferenciáveis é diferenciável,
então f f f é diferenciável em qualquer ponto e existe a transformação linear derivada em qualquer ponto do domínio de f f f .
J ( 2 , 1 , 1 ) f = [ ∂ f ∂ x ( 2 , 1 , 1 ) ∂ f ∂ y ( 2 , 1 , 1 ) ∂ f ∂ z ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ d ( x y z ) d x ∣ ( 2 , 1 , 1 ) d ( x y z ) d y ∣ ( 2 , 1 , 1 ) d ( x y z ) d z ∣ ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ y z d x d x ∣ ( 2 , 1 , 1 ) x z d y d y ∣ ( 2 , 1 , 1 ) x y d z d z ∣ ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ y z ⋅ 1 ∣ ( 2 , 1 , 1 ) x z ⋅ 1 ∣ ( 2 , 1 , 1 ) x y ⋅ 1 ∣ ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ 1 2 2 ] \begin{aligned}
J^{f}_{(2,1,1)} & =\begin{bmatrix}
\frac{\partial f}{\partial x} (2,1,1) & \frac{\partial f}{\partial y} (2,1,1) & \frac{\partial f}{\partial z} (2,1,1)
\end{bmatrix}\\
& =\begin{bmatrix}
\frac{\mathrm{d} (xyz)}{\ \mathrm{d} x}\Bigl|_{(2,1,1)} & \frac{\mathrm{d} (xyz)}{\mathrm{d} y}\Bigl|_{(2,1,1)} & \frac{\mathrm{d} (xyz)}{\mathrm{d} z}\Bigl|_{(2,1,1)}
\end{bmatrix}\\
& =\begin{bmatrix}
yz\frac{\mathrm{d} x}{\mathrm{d} x}\Bigl|_{(2,1,1)} & xz\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} y}\Bigl|_{(2,1,1)} & xy\frac{\mathrm{d} z}{\mathrm{d} z}\Bigl|_{(2,1,1)}
\end{bmatrix}\\
& =\begin{bmatrix}
yz\cdot 1\Bigl|_{(2,1,1)} & xz\cdot 1\Bigl|_{(2,1,1)} & xy\cdot 1\Bigl|_{(2,1,1)}
\end{bmatrix}\\
& =\begin{bmatrix}
1 & 2 & 2
\end{bmatrix}
\end{aligned} J ( 2 , 1 , 1 ) f = [ ∂ x ∂ f ( 2 , 1 , 1 ) ∂ y ∂ f ( 2 , 1 , 1 ) ∂ z ∂ f ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ d x d ( x yz ) ( 2 , 1 , 1 ) d y d ( x yz ) ( 2 , 1 , 1 ) d z d ( x yz ) ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ yz d x d x ( 2 , 1 , 1 ) x z d y d y ( 2 , 1 , 1 ) x y d z d z ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ yz ⋅ 1 ( 2 , 1 , 1 ) x z ⋅ 1 ( 2 , 1 , 1 ) x y ⋅ 1 ( 2 , 1 , 1 ) ] = [ 1 2 2 ] Como f f f é diferenciável, em particular em (2,1,1) tem-se
∂ t ∂ v ( 2 , 1 , 1 ) = J ( 2 , 1 , 1 ) f v = [ 1 2 2 ] [ − 1 0 1 ] = = 1 ⋅ ( − 1 ) + 2 ⋅ 0 + 1 ⋅ 2 = − 1 + 2 = 1 \frac{\partial t}{\partial v}( 2,1,1) =J^{f}_{( 2,1,1)} v=\begin{bmatrix}
1 & 2 & 2
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
-1\\
0\\
1
\end{bmatrix} =\\
=1\cdot ( -1) +2\cdot 0+1\cdot 2=-1+2=1 ∂ v ∂ t ( 2 , 1 , 1 ) = J ( 2 , 1 , 1 ) f v = [ 1 2 2 ] − 1 0 1 = = 1 ⋅ ( − 1 ) + 2 ⋅ 0 + 1 ⋅ 2 = − 1 + 2 = 1 f ( x , y ) = { x 2 y x 2 + y 2 se ( x , y ) ≠ 0 0 se ( x , y ) = 0 f( x,y) =\begin{cases}
\frac{x^{2} y}{x^{2} +y^{2}} \ & \text{se } (x,y) \neq 0\\
0 & \text{se }( x,y) =0
\end{cases} f ( x , y ) = { x 2 + y 2 x 2 y 0 se ( x , y ) = 0 se ( x , y ) = 0
Será que f é diferenciável em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) ?
Para f f f ser diferenciável em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) , o seguinte tem de ser verdade.
f ( ( a 1 , a 2 ) + ( h 1 , h 2 ) ) − f ( a 1 , a 2 ) − D f ( a 1 , a 2 ) ( h 1 , h 2 ) ∣ ∣ ( h 1 , h 2 ) ∣ ∣ ⟶ ( h 1 , h 2 ) → ( 0 , 0 ) 0 \frac{f((a_1, a_2) + (h_1,h_2))-f(a_1,a_2)-Df(a_1,a_2)(h_1,h_2)}{||(h_1,h_2)||} \underset{(h_1,h_2)\to (0,0)}{\longrightarrow} 0 ∣∣ ( h 1 , h 2 ) ∣∣ f (( a 1 , a 2 ) + ( h 1 , h 2 )) − f ( a 1 , a 2 ) − D f ( a 1 , a 2 ) ( h 1 , h 2 ) ( h 1 , h 2 ) → ( 0 , 0 ) ⟶ 0 Se existir D f ( 0 , 0 ) Df(0,0) D f ( 0 , 0 ) a jacobiana é J ( 0 , 0 ) f = [ ∂ f ∂ x ( 0 , 0 ) ∂ f ∂ y ( 0 , 0 ) ] J^{f}_{(0,0)} =\begin{bmatrix}\frac{\partial f}{\partial x} (0,0) & \frac{\partial f}{\partial y} (0,0)\end{bmatrix} J ( 0 , 0 ) f = [ ∂ x ∂ f ( 0 , 0 ) ∂ y ∂ f ( 0 , 0 ) ]
∂ f ∂ x ( 0 , 0 ) = ∂ f ∂ e 1 → ( 0 , 0 ) = lim t → 0 f ( ( 0 , 0 ) + t ( 1 , 0 ) ) − f ( 0 , 0 ) t = lim t → 0 f ( t , 0 ) − 0 t = lim t → 0 t 2 ⋅ 0 t 2 + 0 2 t = lim t → 0 0 t 3 = 0 \begin{aligned}
\frac{\partial f}{\partial x}( 0,0) & =\frac{\partial f}{\partial \overrightarrow{e_{1}}}( 0,0)\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{f(( 0,0) +t( 1,0)) -f( 0,0)}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{f( t,0) -0}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{\frac{t^{2} \cdot 0}{t^{2} +0^{2}}}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{0}{t^{3}}\\
& =0
\end{aligned} ∂ x ∂ f ( 0 , 0 ) = ∂ e 1 ∂ f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f (( 0 , 0 ) + t ( 1 , 0 )) − f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f ( t , 0 ) − 0 = t → 0 lim t t 2 + 0 2 t 2 ⋅ 0 = t → 0 lim t 3 0 = 0 ∂ f ∂ y ( 0 , 0 ) = ∂ f ∂ e 2 → ( 0 , 0 ) = lim t → 0 f ( ( 0 , 0 ) + t ( 0 , 1 ) ) − f ( 0 , 0 ) t = lim t → 0 f ( 0 , t ) − 0 t = lim t → 0 0 ⋅ t 0 2 + t 2 t = lim t → 0 0 t 2 = 0 \begin{aligned}
\frac{\partial f}{\partial y}( 0,0) & =\frac{\partial f}{\partial \overrightarrow{e_{2}}}( 0,0)\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{f(( 0,0) +t( 0,1)) -f( 0,0)}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{f( 0,t) -0}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{\frac{0\cdot t}{0^{2} +t^{2}}}{t}\\
& =\lim _{t\rightarrow 0}\frac{0}{t^{2}}\\
& =0
\end{aligned} ∂ y ∂ f ( 0 , 0 ) = ∂ e 2 ∂ f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f (( 0 , 0 ) + t ( 0 , 1 )) − f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f ( 0 , t ) − 0 = t → 0 lim t 0 2 + t 2 0 ⋅ t = t → 0 lim t 2 0 = 0 Portanto se f f f for diferenciável em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) a D f ( 0 , 0 ) Df(0,0) D f ( 0 , 0 ) é representada pela jacobiana J ( 0 , 0 ) f = [ 0 0 ] J^{f}_{(0,0)} =\begin{bmatrix}0 & 0\end{bmatrix} J ( 0 , 0 ) f = [ 0 0 ]
f ( ( 0 , 0 ) + ( h 1 , h 2 ) ) − f ( 0 , 0 ) − D f ( 0 , 0 ) ( h 1 , h 2 ) ∣ ∣ ( h 1 , h 2 ) ∣ ∣ = = f ( h 1 , h 2 ) − 0 − ( 0 0 ) ( h 1 h 2 ) h 1 2 + h 2 2 = = h 1 2 ⋅ h 2 h 1 2 + h 2 2 − 0 h 1 − 0 h 2 h 1 2 + h 2 2 = = h 1 2 ⋅ h 2 ( h 1 2 + h 2 2 ) 3 2 \begin{array}{ c }
\frac{f(( 0,0) +( h_{1} ,h_{2})) -f( 0,0) -Df( 0,0)( h_{1} ,h_{2})}{||( h_{1} ,h_{2}) ||} =\\
=\frac{f( h_{1} ,h_{2}) -0-\begin{pmatrix}
0 & 0
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
h_{1}\\
h_{2}
\end{pmatrix}}{\sqrt{h^{2}_{1} +h^{2}_{2}}} =\\
=\frac{\frac{h^{2}_{1} \cdot h_{2}}{h^{2}_{1} +h^{2}_{2}} -0h_{1} -0h_{2}}{\sqrt{h^{2}_{1} +h^{2}_{2}}} =\\
=\frac{h^{2}_{1} \cdot h_{2}}{\left( h^{2}_{1} +h^{2}_{2}\right)^{\frac{3}{2}}}
\end{array} ∣∣ ( h 1 , h 2 ) ∣∣ f (( 0 , 0 ) + ( h 1 , h 2 )) − f ( 0 , 0 ) − D f ( 0 , 0 ) ( h 1 , h 2 ) = = h 1 2 + h 2 2 f ( h 1 , h 2 ) − 0 − ( 0 0 ) ( h 1 h 2 ) = = h 1 2 + h 2 2 h 1 2 + h 2 2 h 1 2 ⋅ h 2 − 0 h 1 − 0 h 2 = = ( h 1 2 + h 2 2 ) 2 3 h 1 2 ⋅ h 2 Não conseguimos determinar o limite, mas podemos tentar provar que não existe através dos limites direcionais h 2 = m h 1 h_2=mh_1 h 2 = m h 1 .
lim ( h 1 , h 2 ) → ( 0 , 0 ) h 1 2 ⋅ h 2 ( h 1 2 + h 2 2 ) 3 2 = lim h 1 → 0 h 1 2 ⋅ m h 1 ( h 1 2 + ( m h 1 ) 2 ) 3 2 = lim h 1 → 0 m h 1 3 h 1 3 ( 1 + m 2 ) 3 2 = lim h 1 → 0 m ( 1 + m ) 3 2 = m ( 1 + m ) 3 2 \begin{aligned}
\lim _{( h_{1} ,h_{2})\rightarrow ( 0,0)}\frac{h^{2}_{1} \cdot h_{2}}{\left( h^{2}_{1} +h^{2}_{2}\right)^{\frac{3}{2}}} & =\lim _{h_{1}\rightarrow 0}\frac{h^{2}_{1} \cdot mh_{1}}{\left( h^{2}_{1} +( mh_{1})^{2}\right)^{\frac{3}{2}}}\\
& =\lim _{h_{1}\rightarrow 0}\frac{mh^{3}_{1}}{h^{3}_{1}\left( 1+m^{2}\right)^{\frac{3}{2}}}\\
& =\lim _{h_{1}\rightarrow 0}\frac{m}{( 1+m)^{\frac{3}{2}}}\\
& =\frac{m}{( 1+m)^{\frac{3}{2}}}
\end{aligned} ( h 1 , h 2 ) → ( 0 , 0 ) lim ( h 1 2 + h 2 2 ) 2 3 h 1 2 ⋅ h 2 = h 1 → 0 lim ( h 1 2 + ( m h 1 ) 2 ) 2 3 h 1 2 ⋅ m h 1 = h 1 → 0 lim h 1 3 ( 1 + m 2 ) 2 3 m h 1 3 = h 1 → 0 lim ( 1 + m ) 2 3 m = ( 1 + m ) 2 3 m Logo, como o limite depende de m m m , este não existe.
Como tal, a função não é diferenciável em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) .
No entanto, existem as derivadas parciais de f f f em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) .
Qual o valor de ∂ f ∂ v ( 0 , 0 ) , v = ( 1 , 1 ) \frac{\partial f}{\partial v}(0,0)\quad, \quad v=(1,1) ∂ v ∂ f ( 0 , 0 ) , v = ( 1 , 1 ) ?
Como a função não é diferenciável em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) , não se pode usar ∂ f ∂ v ( 0 , 0 ) = D f ( 0 , 0 ) v \frac{\partial f}{\partial v}(0,0) = Df(0,0) v ∂ v ∂ f ( 0 , 0 ) = D f ( 0 , 0 ) v .
Tem-se então, de efetuar o cálculo pelo limite.
∂ f ∂ v ( 0 , 0 ) = lim t → 0 f ( ( 0 , 0 ) + t ( 1 , 1 ) ) − f ( 0 , 0 ) t = lim t → 0 f ( t , t ) − 0 t = lim t → 0 t 2 ⋅ t t 2 + t 2 t = lim t → 0 t 3 t ( 2 t 2 ) = lim t → 0 t 3 2 t 3 = lim t → 0 1 2 = 1 2 \begin{aligned}
\frac{\partial f}{\partial v}(0,0) &= \lim_{t\to 0}\frac{f((0,0) + t(1,1))- f(0,0)}{t}\\
& =\lim_{t\to 0}\frac{f(t,t)-0}{t}\\
& =\lim_{t\to 0} \frac{\frac{t^2\cdot t}{t^2+t^2}}{t}\\
& =\lim_{t\to 0} \frac{t^3}{t(2t^2)}\\
& =\lim_{t\to 0} \frac{t^3}{2t^3}\\
& =\lim_{t \to 0} \frac{1}{2} \\
& = \frac{1}{2}
\end{aligned} ∂ v ∂ f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f (( 0 , 0 ) + t ( 1 , 1 )) − f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f ( t , t ) − 0 = t → 0 lim t t 2 + t 2 t 2 ⋅ t = t → 0 lim t ( 2 t 2 ) t 3 = t → 0 lim 2 t 3 t 3 = t → 0 lim 2 1 = 2 1 f : R 2 → R , f ( x , y , ) = ∣ ∣ ( x , y ) ∣ ∣ = x 2 + y 2 f: \R^2\to \R \quad,\quad f(x,y,) = ||(x,y)|| = \sqrt{x^2+y^2} f : R 2 → R , f ( x , y , ) = ∣∣ ( x , y ) ∣∣ = x 2 + y 2 Pretende-se mostrar que f f f não é diferenciável na origem (( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) ),
ou seja, mostrar que o seguinte limite não existe ou que é diferente de zero.
lim ( h 1 , h 2 ) → ( 0 , 0 ) f ( ( 0 , 0 ) + ( h 1 , h 2 ) ) − f ( 0 , 0 ) − D f ( 0 , 0 ) ( h 1 , h 2 ) ∣ ∣ ( h 1 , h 2 ) ∣ ∣ \lim_{(h_1,h_2)\to(0,0)} \frac{f((0,0) + (h_1,h_2)) - f(0,0) - Df(0,0) (h_1,h_2)}{||(h_1,h_2)||} ( h 1 , h 2 ) → ( 0 , 0 ) lim ∣∣ ( h 1 , h 2 ) ∣∣ f (( 0 , 0 ) + ( h 1 , h 2 )) − f ( 0 , 0 ) − D f ( 0 , 0 ) ( h 1 , h 2 ) Se D f ( 0 , 0 ) Df(0,0) D f ( 0 , 0 ) existisse:
∂ f ∂ x ( 0 , 0 ) = lim t → 0 f ( ( 0 , 0 ) + t ( 1 , 0 ) ) − f ( 0 , 0 ) t = = lim t → 0 f ( t , 0 ) − 0 t = = lim t → 0 t 2 + 0 2 t = = lim t → 0 ∣ t ∣ t (n a ˜ o existe) \begin{aligned}
\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &= \lim_{t\to 0} \frac{f((0,0) + t(1,0)) - f(0,0)}{t} = \\
&=\lim_{t \to 0}\frac{f(t,0)-0}{t}=\\
&=\lim_{t\to 0}\frac{\sqrt{t^2+0^2}}{t}=\\
&=\lim_{t\to 0}\frac{|t|}{t} \text{(não existe)}
\end{aligned} ∂ x ∂ f ( 0 , 0 ) = t → 0 lim t f (( 0 , 0 ) + t ( 1 , 0 )) − f ( 0 , 0 ) = = t → 0 lim t f ( t , 0 ) − 0 = = t → 0 lim t t 2 + 0 2 = = t → 0 lim t ∣ t ∣ (n a ˜ o existe) Como não existe ∂ f ∂ x ( 0 , 0 ) \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) ∂ x ∂ f ( 0 , 0 ) , então f f f não é diferenciável em ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) .
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