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Curso: Engenharia Mecânica Disciplina: Cálculo II Prof.: Ailton Durigon ailton.durigon@ifsc.edu.br 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica INTRODUÇÃO: Veremos como estudar taxas de variação que envolvem 2 ou mais variáveis independentes. Seja z = f(x,y). O que ocorre com z se os valores de x variarem e y for fixo, e vice-versa? Na lei dos gases ideais da física (V=nRT/P), o que ocorre se T varia e P for constante, e se P varia mantendo-se T constante? 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica Fonte: Cálculo II - Anton 2 4 x y Ex.: Dado f (x, y) 3x y 5x 3y,encontre : f (2,1) e f (2,1) 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica NOTAÇÃO DE DERIVADA PARCIAL Se z = f (x, y), então as derivadas parciais f x e f y são também denotadas pelos símbolos: Outras notações no ponto (x 0 ,y 0 ): Ex.: f z f z , e , x x y y 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA No cálculo I vimos que se y = f(x) então a derivada y’ = f’(x) representa a taxa de variação ou a inclinação da reta tangente em um determinado ponto. Aqui a interpretação é análoga. Seja z = f(x,y) uma superfície e as curvas C1 e C2. As derivadas parciais representam as taxas de variação de z em relação a x e a y respectivamente, conforme figuras a seguir. Em particular, é destacado nas figuras o comportamento no ponto (x 0 ,y 0 ). 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA Fonte: Cálculo II - Anton 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA Fonte: Cálculo II - Anton 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.1 Definição, notação e interpretação geométrica Exemplos: 1) Seja z = f(x,y) = x2y + 5y3. Determine: a) a inclinação de z na direção x em A(1,-2). b) a inclinação de z na direção y em A(1,-2). 2) Seja z = f(x,y) = 4 – x2 - y2. Determine: a) a equação da reta tangente à curva na direção x em P(1,1,2). b) a equação da reta tangente à curva na direção y em P(1,1,2). c) a equação do plano tangente à curva no ponto P(1,1,2). 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.2 Cálculo de derivadas parciais Para calcularmos uma derivada parcial em relação a uma variável, basta mantermos as demais variáveis constantes. Exemplos: 3 2 41) Se w f (x, y, z) x y z 2xy z. w w w Determine , e x y z 22) Se w f ( , , ) cos( )sen( ) w w w Determine , e 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.3 Derivadas parciais de função implícita Procedemos analogamente ao que fazíamos no Cálculo I. Exemplos: 4 3 21) Seja x y y z z 6. Determine : z z a) b) x y 2 2 2 2) Determine a inclinação da esfera x y z 1, na direção y nos pontos : 2 1 2 2 1 2 a) A , , b) B , , 3 3 3 3 3 3 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.4 Derivadas parciais sucessivas(ordem superior) Fonte: Cálculo II - Anton 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.4 Derivadas parciais sucessivas(ordem superior) Exemplos 2 3 4 2 2 2 2 2 2 1) Seja f (x, y) x y x y. Determine : z z z z a) b) c) d) x y x y y x 2 x 3 xyy 2 2) Seja f (x, y) y e y. Determine : z a) f b) y x 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES 4.5 Teorema das derivadas mistas Exemplos Verifique os casos anteriores. Fonte: Cálculo II - Anton 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES A equação da onda Note que a posição da corda das figuras depende de x e t, ou seja u(x,t). Equação da onda unidimensional Ex.: Mostre que u(x,t) = sen(x-ct) é solução da equação da onda. 2 2 2 2 2 u u c t x 4 DERIVADAS PARCIAIS E APLICAÇÕES Exercícios Livro Cálculo II do Anton Página 936. Números, 1, 2, 5, 9, 11, 15, 23, 25, 26, 27,, 28, 33, 41, 47, 48, 59, 81, 85, 86, 97, 101, 111. 4.6 DIFERENCIABILIDADE No Cálculo I, vimos a definição de diferencial. ● Acréscimos:variando-se x de x1 para x2 temos um acréscimo esta diferença gera o acréscimo Dessa forma, temos: 2 1y f x f x 1 1y f x x f x 2 1x x x 2 1y f x f x . 4.6 DIFERENCIABILIDADE Ainda do Cálculo I: ● Definição(diferencial): Seja y = f(x) uma função derivável e um acréscimo de x. Define-se: (i) a diferencial da variável independente x, denotada por dx como (ii) a diferencial da variável dependente y, denotada por dy como OBS.: Da definição, segue que: ou dy f '(x).dx x dy f '(x). x dx x. dy f '(x) dx dy é o quociente de duas diferenciais. dx 4.6 DIFERENCIABILIDADE Mais uma página do Cálculo I: ● Interpretação geométrica: Seja y, derivável e que passa por P e Q. A reta t, tangente a f(x) em P, corta a reta x = x2 em R. Do triângulo PMR, temos: Se for pequeno a diferença também é, e na prática, fazemos x PM y MQ MR dy f '(x) tg dxPM x y dy y dy 4.6 DIFERENCIABILIDADE Estendendo a ideia para 2 ou mais variáveis. Note que representa um incremento de f(x,y) dado por: <= uma variável OBS.: ∆f = ∆z f 0 0 0 0f f x x, y y f x , y 1 1y f x x f x Fonte: Cálculo II - Anton 4.6 DIFERENCIABILIDADE Considerando: ∆x e ∆y próximos de zero; que dx = ∆x e dy = ∆y, segue que dz ≈ ∆z. Se fx(x,y) e fy(x,y) analogamente a uma variável, temos, para duas e três variáveis a denominada diferencial total: <= para uma variável. x ydz f x, y dx f x, y dy dy f '(x).dx x y zdw f x, y, z dx f x, y,z dy f x, y, z dz 4.6 DIFERENCIABILIDADE Exemplos: 1) Seja z = f(x,y) = xy2. Calcule o erro fazendo-se ∆z e dz(diferencial total), de seu valor passando do ponto (0,5;1) para o ponto de coordenadas (0,503;1,004). 2) Considere numa lata cilíndrica fechada com 8 cm de diâmetro e 12 cm de altura, se a espessura da folha de estanho for de 0,04 cm: a) Usando diferencias calcule a quantidade estimada de estanho; b) Determine o erro. 4.6 DIFERENCIABILIDADE Exemplos: 3) O comprimento e a largura de um retângulo foram medidos como 30 cm e 24 cm, respectivamente, com um erro de medida de 2%. Use diferenciais para estimar o erro máximo cometido no cálculo da área do retângulo. 4) As dimensões de uma caixa retangular variam de 9; 6 e 4 para 9,02; 5,97 e 4,01: a) usando diferenciais obtenha uma aproximação da variação do volume. b) ache a variação exata do volume. 4.6 DIFERENCIABILIDADE ➔ Aproximação linear local. Se uma função é contínua em um ponto (x0,y0) então ela pode ser aproximada por uma função linear na vizinhança deste ponto, conforme: Se temos: 0 0 0 0 x 0 0 y 0 0 f x x, y y f x , y f x , y x f x , y y 0 0x x x e y y y 0 0 x 0 0 0 y 0 0 0 f x, y f x , y f x , y x x f x , y y y 4.6 DIFERENCIABILIDADE ➔ Aproximação linear local. Se (x,y) estiver perto de (x0,y0) o erro da aproximação anterior é menor que a distância entre estes pontos. Quando f é diferenciável em (x0,y0), obtemos: e dizemos que L(x,y) é a aproximação linear local de f em (x0,yo). 0 0 x 0 0 0 y 0 0 0 L x, y f x , y f x , y x x f x , y y y 4.6 DIFERENCIABILIDADE Exemplo: Seja 1) Encontre a aproximação linear L(x,y) no ponto P(3,4). 2) Compare o erro da aproximação de f por L no ponto Q(3,04;3,98) com a distância de P a Q. Exercícios: Página 947 do livro Cálculo 2 do Anton Números: 9, 11, 17, 19, 21, 23, 25, 31, 33, 35, 37, 39, 53, 56, 61. 2 2f x, y x y . 4.7 REGRA DA CADEIA ➢ Regra da cadeia para derivadas: Vejamos a regra da cadeia de funções de uma variável independente. Se y = g(u) e u = f(x) e as derivadas dy/du e du/dx existem, então a função composta y = g[f(x)] te a derivada dada por: Exemplo: Encontre a derivada das funções: dy dy du . ou y '(x) g '(x).f '(x) dx du dx 821) y x 2x 4 2)y sen x 4.7 REGRA DA CADEIA ➢ Regra da cadeia para derivadas: Vejamos a regra da cadeia de funções de mais de uma variável independente. Sejam x = x(t) e y = y(t) com x e y diferenciáveis em t e se z = f(x,y) for diferenciável no ponto (x,y) = (x(t),y(t)), então z = f(x(t),y(t)) será diferenciável em t e Exemplo: Seja z = x2y, x = t2 e y = t3. Use a regra da cadeia para encontrar dz z dx z dy . . dt x dt y dt dz dt 4.7 REGRA DA CADEIA ➢ Regra da cadeia para derivadas: Para funções de e variáveis segue que: Exemplo: Seja com: Use a regra da cadeia e encontre dw w dx w dy w dz . . . dt x dt y dt z dt dz se . d 4 2 2 2w x y z x cos , y sen , z tg 4.7 REGRA DA CADEIA ➢ Regra da cadeia para derivadas parciais: Se x = x(u,v) e y = y(u,v) tiverem derivadas parciais de primeira ordem no ponto (u,v), e se z = f(x,y) for diferenciável no ponto (x,y) = (x(u,v),y(u,v)), então z = f(x(u,v),y(u,v)) terá derivadas parciais no ponto (u,v) dadas por Exemplo: Seja z = exy, x = 2u+v e y = u/v. Use a regra da cadeia para encontrar z z x z y . . u x u y u z z a) b) u v z z x z y . . v x v y v 4.7 REGRA DA CADEIA ➢ Regra da cadeia para derivadas parciais: Se x = x(u,v), y = y(u,v) e z = z(u,v) e se w = f(x,y,z) temos: Exemplo1: Sejam as funções w = exyz, x = 3u+v e y = 3u-v, z = u2v. Encontre(regra da cadeia): w w x w y w z . . . u x u y u z u w w a) b) u v w w x w y w z . . . v x v y v z v 4.7 REGRA DA CADEIA ➢ Regra da cadeia para derivadas parciais: Exemplo2: Sejam as funções e Usando a regra da cadeia, determine: Exercícios: Página 956, números 1,3,5,7,9,17, 21,23 e 27 w w a) b) 2 2 2w x y z x sen cos , y sen sen e z cos 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE Seja f(x,y) a temperatura de uma chapa de metal plana no ponto P(x,y) de um plano xy, então as derivadas parciais fx(x,y) e fy(x,y) representam as taxas de variação da temperatura em relação à distância nas direções vertical e horizontal, respectivamente. Agora, este fato será generalizado para a taxa de variação de f(x,y) em qualquer direção. Teremos assim o conceito de derivada direcional. 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE Para encontrarmos as derivadas em qualquer direção, usaremos o vetor unitário com origem em (x0,y0) e apontando para a direção desejada. 1 2u u i u j ou 1 2u u i u j Fonte: Cálculo II, Anton 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE O vetor u determina uma reta l no plano xy de equação: onde s é o parâmetro Note que z = f(x0+su1,y0+su2) é uma função de s na reta l, e dz/ds em s = 0 é a variação instantânea de f(x,y) em relação a (x0,y0) na direção u. 0 1 0 2 x x su y y su 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE Definição: Se f(x,y) for uma função de x e y e se u = u1i + u2j é um vetor unitário, então a derivada direcional de f na direção e sentido de u em (x0,y0) será denotada e definida por: u 0 0 0 1 0 2 s 0 d D f x , y f x su , y su ds Fonte: Cálculo II, Anton 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE ➔ Geometricamente Duf(x0,y0) é a inclinação da superfície z = f(x,y) na direção u em (x0,y0,f(x0,y0)). ➔ Analiticamente é a taxa de variação instantânea de f(x,y) em relação à distância na direção e sentido de u no ponto (x0,y0). Fonte: Cálculo II, Anton 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE Exemplo Seja f(x,y) = xy. Encontre Duf(1,2) com o vetor unitário 3 1u i j 2 2 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE Definição: Seja u =u1i + u2j + u3k for um vetor unitário, e a função f(x,y,z), então a derivada direcional de f na direção e sentido de u em (x0,y0,z0) é definida por: desde que o limite exista. u 0 0 0 0 1 0 2 0 3 s 0 D f x , y , z d f x su , y su , z su ds 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE OBS.: se u faz um ângulo θ com o eixo positivo x, então u = (cosθ, senθ) = icosθ + jsenθ Fonte: Cálculo II, Anton 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE Exemplos: 1)Obtenha a derivada direcional da função f(x,y) = exy em (-2,0) na direção e no sentido do vetor unitário que faz um ângulo de π/3 com o eixo x positivo. 2) Obtenha a derivada direcional da função f(x,y,z) = x2y – yz3 + z no ponto (1,-2,0) na direção e no sentido do vetor a = 2i + j – 2k. 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE GRADIENTE A derivada direcional pode ser dada como o produto escalar de dois vetores Atividade: escreva para 3 variáveis. u 0 0 x 0 0 1 y 0 0 2 x 0 0 y 0 0 1 2 x 0 0 y 0 0 D f x , y f x , y u f x , y u f x , y i f x , y j u i u j f x , y i f x , y j u 4.8 DERIVADAS DIRECIONAIS E VETOR GRADIENTE O GRADIENTE O GRADIENTE Observações: (i) A derivada direcional pode ser escrita como: (ii) O operador (nabla, del, delta invertido) é um operador diferencial vetorial, definido como u 0 0 0 0 u 0 0 0 0 0 0 D f x , y f x , y u D f x , y , z f x , y , z u x y i j x y f x, y f i f j O GRADIENTE Exemplo: Use o gradiente para encontrar a derivada direcional da função f(x,y,z) = xy2 + 3xz – yz no ponto (-1,1,3) na direção e sentido do vetor a = i + 2j – 2k. O GRADIENTE Propriedades do gradiente: Em geometria analítica foi visto que Assim, temos onde θ é o ângulo entre u.v u . v .cos uD f x, y f x, y u f x, y u .cos f x, y cos u e f x, y . O GRADIENTE ➔ Em (x,y), a superfície z = f(x,y) tem sua inclinação máxima na direção do gradiente, e a inclinação máxima é O máximo ocorre para θ = 0. ➔ Em (x,y), a superfície z = f(x,y) tem sua inclinação mínima na direção do gradiente, e a inclinação mínima é O mínimo ocorre para θ = π. f x, y . f x, y . O GRADIENTE ➔ Se então Duf(x,y) = 0 em todas as direções no ponto (x,y). Isso ocorre quando z = f(x,y) tem um “máximo relativo”, um “mínimo relativo” ou um “ponto de sela”. Exemplo 1) Seja f(x,y) = x2ey. Encontre o valor máximo de uma derivada direcional em (-2,0) e o vetor unitário na direção e sentido do qual o valor máximo ocorre. f x, y 0 O GRADIENTE 2) Se f(x,y) = xey, determine: a) a taxa de variação de f no ponto P(2,0) na direção de P para Q(1/2,2); b) a direção em que f(x,y) tem a máxima variação; c) a máxima taxa de variação. O GRADIENTE ➔ Gradientes são normais às curvas de nível Teorema: Se z = f(x,y) tem derivadas parciais contínuas de primeira ordem em um disco aberto com centro em (x0,y0) e se Então, será normal à curva de nível de f por (x0,y0). Se o gradiente indica a direção de maior crescimento da função f, então quando se move numa direção perpendicular a curva de nível, temos um maior aumento. 0 0f x , y 0. 0 0f x , y O GRADIENTE Exemplo 1: Fonte: Cálculo II, Anton O GRADIENTE Exemplo 2: Suponha que a temperatura num ponto (x,y,z) do espaço seja dada por onde T é medido em ºC e x, y, z em metros. Em que direção no ponto (1,1,-2) a temperatura aumenta mais rapidamente? Qual é a taxa máxima de aumento? 2 2 2 80 T x, y, z 1 x 2y 3z O GRADIENTE Exemplo 3: Uma partícula que procura o calor está localizada no ponto (2,3) de uma placa lisa de metal, cuja temperatura em um ponto (x,y) é T(x,y) = 10 - 8x2 – 2y2. Determine uma equação para a trajetória da partícula se ela mover-se continuamente na direção do aumento máximo da temperatura. Obs.: ver no geogebra. O GRADIENTE Exercícios: Página 968 do livro Cálculo II do Anton Números 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 17, 19, 21, 23, 31, 35, 39, 45, 49, 55, 59, 63, 67. ... 4.9 APLICAÇÕES DAS DERIVADAS PARCIAIS ➔ Máximos e mínimos de funções de duas variáveis Fonte: Cálculo 2 Anton Fonte: Cálculo 2 Anton MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Fonte: Cálculo 2 Anton MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Exemplo: Indique os máximos relativos e absolutos da função 2 21 x y 2z xye MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Se f tiver um máximo ou mínimo relativo em (x0,y0), dizemos que f tem um extremo relativo em (x0,y0), e se f tiver um máximo ou mínimo absoluto em (x0,y0), dizemos que f tem um extremo absoluto em (x0,y0). Vejamos os extremos das funções no software. 2 2 2 2 y ) 2 ( x 1) z sen(x+y), com -1 x 1 e -1 y 1. 2)z com -2 x 2 e -2 y 2. 3) y xe x , z 9 MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Teorema (do Valor Extremo): Se f (x, y) for contínua em um conjunto fechado e limitado R, então f terá máximo e mínimo absolutos em R. R é limitado por: pelo teorema temos máximo e mínimo em R. Conjunto fechado: é o conjunto de pontos do interior de uma região mais os pontos do contorno. 0 x 1 e 0 y 1 MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Encontrando extremos relativos: Lembre-se que se uma função g de uma variável tiver um extremo relativo em um ponto x0 em que g é diferenciável, então g’(x0) = 0. Analogamente, suponha que f(x,y) tenha um máximo relativo em (x0,y0) e que as derivadas parciais de f existam em (x0,y0). Geometricamente, os traços da superfície z = f(x,y) sobre os planos x = x0 e y = y0 tenham tangentes horizontais em (x0,y0), logo fx(x0,y0) = 0 e fy (x0,y0) = 0 (Vejamos gráfico a seguir.) O mesmo é válido para mínimo relativo. MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Encontrando extremos relativos: MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Encontrando extremos relativos: Porém, a função ter derivadas parciais nulas em um ponto não garante que este seja um extremo relativo. É o caso do ponto de sela. MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS Exemplos: Verifique algebricamente os casos a seguir. MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS TESTE DA DERIVADA SEGUNDA: OBS.: D é um determinante. Verifique! MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS TESTE DA DERIVADA SEGUNDA: Exemplos: Localize todos os extremos relativos e pontos de sela de: OBS.: Estabelecer a relação com as curvas de nível 2 2 4 4 4 2 1) f x, y 3x 2xy y 8y 2) f x, y 4xy x y 3) f x, y 2x y 2y MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS ENCONTRANDO EXTREMOS ABSOLUTOS EM REGIÕES FECHADAS E LIMITADAS Vimos que uma Região limitada e fechada é o conjunto de pontos do interior de uma região juntamente com os pontos do contorno. Lembre-se que esta é uma região do domínio da função. MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS ENCONTRANDO EXTREMOS ABSOLUTOS EM REGIÕES FECHADAS E LIMITADAS Exemplo: Considerando a região triangular fechada R de vértices (0,0), (3,0) e (0,5), encontre os valores máximo e mínimo absolutos de f x, y 3xy 6x 3y 7 Exercícios Livro Cálculo II do Anton Página 985 Números 1, 3, 5, 7, 9, 13, 19, ... Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 22 Slide 23 Slide 24 Slide 25 Slide 26 Slide 27 Slide 28 Slide 29 Slide 30 Slide 31 Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Slide 40 Slide 41 Slide 42 Slide 43 Slide 44 Slide 45 Slide 46 Slide 47 Slide 48 Slide 49 Slide 50 Slide 51 Slide 52 Slide 53 Slide 54 Slide 55 Slide 56 Slide 57 Slide 58 Slide 59 Slide 60 Slide 61 Slide 62 Slide 63 Slide 64 Slide 65 Slide 66 Slide 67
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