Regra da cadeia e funções implícitas
Composições escalares e vetoriais, jacobianas, derivação implícita e sistemas.
Uma partícula segue , num campo de temperatura . A temperatura sentida é . Mudar altera as duas coordenadas, por isso a regra da cadeia soma as duas contribuições.
Regra da cadeia em funções escalares
Se e as funções são diferenciáveis, a derivada total soma as contribuições dos dois caminhos,
As parciais de são avaliadas no ponto . Para , e , obtemos
Em dá 9. Confere por substituição: e , também 9.
Se , mantém fixa a outra variável em cada parcial:
Para , e , temos e . Os símbolos significam o produto , não uma derivada de segunda ordem.
Gradiente normal a um nível
Se é diferenciável e percorre o nível , então . A cadeia dá
Por isso é perpendicular à velocidade de qualquer curva do nível. No ponto de , e a reta tangente é . Sem diferenciabilidade, a igualdade da cadeia não está garantida.
Composição de campos vetoriais
Para e diferenciáveis, a jacobiana da composição é o produto das jacobianas, por esta ordem,
A ordem importa: a primeira matriz é , a segunda e o resultado .
Usa e . Em , e
Podes conferir derivando diretamente.
Teorema da função implícita
Uma equação pode definir em função de apenas localmente. Se , é de classe numa vizinhança e , o teorema da função implícita garante uma função diferenciável perto de . Aplicando a cadeia temos
Na circunferência , quando . Em , o declive é . Em , esta fórmula não se aplica: a tangente é vertical. Nesse ponto, permite definir em função de .
Para , com de classe perto do ponto e nesse ponto,
Na esfera , perto de , e . O plano tangente é .
Segundas derivadas implícitas
Com de classe e , volta a derivar em ordem a , lembrando que também varia:
Na circunferência, . Em , e . O fator 2 no termo misto vem dos dois caminhos da cadeia, não de uma convenção arbitrária.
Sistemas de funções implícitas
Se duas equações e definem e , resolve
Com e de classe perto de um ponto que satisfaz ambas as equações, o determinante não nulo da matriz das variáveis dependentes garante a representação local.
Para e , fica e . Assim, e . A matriz tem determinante , por isso a solução local existe em todos os pontos do sistema.
Antes de derivar, identifica as variáveis independentes. Antes de dividir, confirma que o denominador não se anula no ponto pedido.
Exercícios
Dois caminhos de dependência
Se , e , qual é em ?
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Não avalies f em (1,1): o parâmetro t não é a coordenada y.
Derivar numa superfície implícita
Na esfera , calcula e o plano tangente perto de .
Pista
Escreve F igual à expressão menos 9. A parcial Fz vale 4 no ponto.
Mais uma pista
Solução
, e o plano é . A condição Fz não nulo permite a representação local z(x,y).
Confere a tua resposta:
- Verifiquei Fz não nulo.
- Calculei as duas parciais implícitas.
- Escrevi o plano tangente.
Erros frequentes
Na derivação em x, z também varia. Não derives z ao quadrado como se z fosse constante.
A ordem do produto
Usa e . Calcula a jacobiana da composição em .
Pista
Mais uma pista
Fica .
Solução
O produto é . A jacobiana de F é avaliada em (1,1), e a de g em (1,0).
Confere a tua resposta:
- Avaliei F na imagem de g.
- Multipliquei as matrizes pela ordem correta.
- Conferi dimensões.
Erros frequentes
As matrizes não comutam. Não avalies a jacobiana de F no ponto de partida: é o domínio errado.
Quando a hipótese falha
Para , o teorema da função implícita garante uma única função perto da origem? Há ramos diferenciáveis que resolvem a equação?
Pista
Mais uma pista
Solução
, por isso o teorema não dá a garantia. Existem os dois ramos diferenciáveis e , que se cruzam na origem. A equação completa não define uma única função y de x numa vizinhança da origem, pois para próximo de zero admite dois valores de y.
Confere a tua resposta:
- Calculei Fy no ponto.
- Descrevi as soluções perto da origem.
- Distingui falha de hipótese de impossibilidade de um ramo.
Erros frequentes
Uma condição suficiente falhar não prova que nenhum ramo diferenciável exista. Também não autoriza dividir por .
Segunda derivada sem isolar
Na circunferência , calcula em sem isolares .
Pista
Deriva outra vez, sem tratar y’ como constante.
Mais uma pista
Solução
Temos no ponto, logo a função implícita existe. Substituir dá , por isso . O termo vem da regra do produto ao derivar .
Confere a tua resposta:
- Derivei a relação de primeira ordem com a cadeia.
- Substituí y e a primeira derivada no ponto.
- Confirmei a condição Fy não nulo.
Erros frequentes
Derivar dá . Se derivares y’ como constante, perdes o primeiro termo.
Duas variáveis dependentes
As equações e definem localmente e perto de ? Calcula e .
Pista
A matriz das variáveis dependentes tem linhas e .
Mais uma pista
No ponto, o determinante é 2. Derivar dá e .
Solução
O ponto satisfaz as duas equações. As funções são polinomiais e o determinante é , por isso há representação local. Temos e , de onde e .
Confere a tua resposta:
- Confirmei que o ponto satisfaz as equações.
- Verifiquei o determinante para as variáveis y e z.
- Derivei ambas as equações e resolvi o sistema.
Erros frequentes
Como y e z dependem de x, ambas entram na derivação. Se testares o determinante em (x,y), verificas outras variáveis dependentes.