funções de várias variáveis -...
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GOVERNO FEDERAL
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
CÂMPUS JUAZEIRO/BA COLEG. DE ENG. ELÉTRICA
PROF. PEDRO MACÁRIO DE MOURA
CÁLCULO II – 2015.2
Funções de várias variáveis 1. Ilustração
A área de um retângulo depende de duas quantidades - comprimento e largura.
Se um objeto está localizado no espaço, a temperatura em um ponto P do objeto
depende de três coordenadas retangulares de P.
Se a temperatura de um objeto no espaço varia com o tempo , então depende de
quatro variáveis e .
O número de indivíduos de uma certa colônia de fungos depende essencialmente da
quantidade de nutrientes ( ), da quantidade de água ( ), da temperatura
( ) e da presença de uma certa proteína ( ). Experimentalmente foi obtida a
seguinte tabela:
possivelmente não tem uma formulação matemática explícita, mas é uma função
bem definida por
Definições
Suponha que seja um conjunto de -uplas de números reais . Uma função
a valores reais em é uma regra que associa um único número real
a cada elemento em . O conjunto é o domínio da função. O conjunto de valores de
assumidos por é a imagem da função. O símbolo é a variável dependente de , e
dizemos que é uma função de variáveis independentes a . Também chamamos os
de variáveis de entrada da função, e denominamos a variável de saída da função.
Se é uma função de duas variáveis independentes, normalmente denominamos essas
variáveis independentes por e , e a variável dependente , e representamos o domínio de
como a região no plano (Figura 1). Se é uma função de três variáveis independentes,
denominamos as variáveis independentes e , e a variável dependente w, e representamos
o domínio como uma região no espaço (figura 2).
2. Curvas de Nível
Gráficos gerados por computador e curvas de nível de funções de duas variáveis típicas.
Exemplo 1 Seja
a) Esboce o domínio de .
b) Represente os números , e em um eixo .
Exemplo 2 Seja uma função com domínio dado por
e
Esboce o gráfico de f e exiba os traços nos planos e .
Exemplo 3 Esboce algumas curvas de nível da função do Exemplo 2.
Exemplo 4 Se , esboce algumas curvas de nível de .
Exemplo 5 Determine o domínio D e a imagem e a imagem w para cada função dada abaixo.
a) ; b) c)
;
d)
e)
; f)
3. Limites e continuidade
Se os valores de estão arbitrariamente próximo de um número real fixado
para todos os pontos suficientemente próximo de um ponto . Para se estimar o
limite de uma função de duas variáveis no ponto é necessário calcular esse valor
por todas as trajetórias que passem por . Se em todos os casos o resultado for sempre
o mesmo, ou seja, , diz-se que o limite existe e seu valor é . Caso o limite não exista em
alguma trajetória ou dê um valor diferente para trajetórias diferentes, dizemos que o limite
não existe.
Definição Dizemos que uma função se aproxima do limite á medida que se
aproxima de e escrevemos
Se, para todo número existe um número correspondente tal que, para todo
no domínio de (Figura 3)
sempre que
Propriedades dos Limites
Exemplo 1 Calcule os limites:
a)
; b)
; c)
d)
; e)
; f)
Teste dos dois caminhos para a não existência de um limite
Se uma função tem limites diferentes ao longo de dois caminhos diferentes no
domínio de quando se aproxima de , então
não existe.
4. Continuidade
Assim como para funções de uma variável, a continuidade é definida em termos de
limites.
Definição Uma função é contínua no ponto se:
1. F for definida em
2.
existe;
3.
Uma função é contínua se for contínua em todos os pontos de seu domínio.
Exemplo 01 Mostre que
é contínua em todo ponto, exceto
na origem.
5. Derivadas parciais
Se for um ponto do domínio de uma função , o plano vertical
cortará a superfície na curva (Figura 4). Essa curva é o gráfico da
função no plano . A coordenada horizontal nesse plano é ; a coordenada
vertical é . O valor de se mantém constante em , portanto não é uma variável.
Definimos a derivada parcial de em relação à no ponto como a derivada
ordinária de em relação à no ponto . Para distinguir as derivadas parciais
das derivadas ordinárias, utilizamos o símbolo no lugar da letra empregada anteriormente.
Na definição, representa um número real, positivo ou negativo.
Definição A derivada parcial de em relação a no ponto é
Dede que o limite exista.
O coeficiente angular da curva no ponto no plano
é o valor da derivada parcial de em relação a em . Na (Figura 4) temos o
coeficiente angular negativo.
Definição A derivada parcial de em relação a no ponto é
Dede que o limite exista.
O coeficiente angular da curva no ponto no plano
é o valor da derivada parcial de em relação a em . Na (Figura 5) temos o
coeficiente angular negativo.
Notações para derivadas parciais
,
, ,
, ,
,
,
Figura 4
Interseção do plano y = y0 com a superfície
z = ƒ(x, y) vista de um ponto acima do
primeiro quadrante do plano xy.
Figura 5
Interseção do plano x = x0 com a superfície
z = ƒ(x, y), vista de cima do primeiro
quadrante no plano xy.
As figuras 4 e 5 combinadas. As retas tangentes no ponto (x0, y0, ƒ(x0, y0)) determinam um
plano que, nesta figura, pelo menos, parece ser tangente à superfície.
Teorema Sejam o gráfico de e um ponto de onde e
existem. Sejam e os traços de nos planos e , respectivamente, e sejam
e as tangentes a e e (Ver Figura 6).
(i) O coeficiente angular de no plano é
(ii) O coeficiente angular de no plano é .
Teorema Seja uma função de duas variáveis e . Se e são contínuas em
uma região aberta , então em .
Exemplo ache as derivadas parciais de se
Incrementos e diferenciais
Se é uma função de duas variáveis e , então os símbolos e denotam incremento de
e . Em termos desta notação, podemos escrever
Define-se como segue o incremento a variável dependente
Definição Seja , e sejam e incrementos de e , respectivamente. O
incremento de é
Vide Figura 7
Exercícios
Funções
Problema 01 De acordo com uma das leis de Poiseuille, a velocidade do sangue ( ) a
uma distância (em cm) do eixo de um vaso sanguíneo de raio (em cm) e comprimento
( ) é dado por
. Onde ( ) é a pressão no interior do
vaso. Suponha que um certo vaso tem de raio e de comprimento.
a) Com que velocidade o sangue está circulando a uma distância de do vaso se a
pressão no vaso é ?
b) Com que velocidade o sangue está circulando no eixo do vaso sanguíneo se a pressão no
vaso é ?
Problema 02 Dada a função e , ache a
função e seu domínio.
Problema 03 Descreva o domínio da função . Represente
num gráfico a região espacial que contém todos os pontos do domínio de . Calcule os
valores de indicados abaixo, se possível.
a) b) c)
Problema 04 Em cada parte descreva o gráfico da função num sistema de coordenadas .
a)
b) c)
Problema 05 Encontre o domínio e a imagem da função
.
Limite
Nos Problemas 06 – 17. Determine se o limite existe. Se existir, determine seu valor.
Coordenadas Esféricas e
06.
07.
08.
09.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Nos Problemas 18 – 27. Determine as derivadas parciais das funções a seguir.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
Problema 28 Mostre que
satisfaz a Equação do Calor
Uma função é dita harmônica se ela satisfaz a Equação de Laplace. Para duas dimensões é
dada por
. Para três dimensões é dada por
Nos Problemas 29 – 36. Verifique que as funções dadas são harmônicas.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
http://www.univasf.edu.br/~pedro.macario/ Página 10
Se ficarmos em uma praia e tiramos uma fotografia das ondas, essa foto mostrará um padrão
regular de picos e depressões em dado instantes. Veremos o movimento vertical periódico no
espaço em relação à distância. Se ficarmos na água, poderemos sentir a subida e descida da
água com o passar das ondas. Veremos movimentos periódicos no tempo. Na física, essa bela
simetria é expressa pela Equação de Onda Unidimensional.
Nos Problemas 37 – 40 verifique que as funções são solução da equação da onda.
37. 38.
39. 40.
Regra da Cadeia de Duas Variáveis
Teorema se e forem diferenciáveis em e se for diferençável
no ponto , então é diferencial em e
Onde as derivadas comuns são calculadas em e as derivadas parciais são calculadas em
.
Problema 41 Sendo , encontre .
Problema 42 Sendo , use a regra da cadeia para encontrar
quando .
Problema 43 Encontre para
Regra da Cadeia de Três Variáveis
Teorema se e forem diferenciáveis em e se for
diferençável no ponto , então é
diferencial em e
Onde as derivadas comuns são calculadas em e as derivadas parciais são calculadas em
.
[Digite o título do documento] Prof. Pedro Macário de Moura
http://www.univasf.edu.br/~pedro.macario/ Página 11
Problema 44 Sendo . Encontre .
Regra da Cadeia de Duas Variáveis
Teorema se e tiverem derivadas parciais de primeira ordem no ponto
e se for diferençável no ponto , então
tem derivadas parciais de primeira ordem no ponto dadas por
Problema 44 Encontre e se
Regra da Cadeia de Duas Variáveis
Teorema se e tiverem derivadas parciais de primeira
ordem no ponto e se for diferençável no ponto ,
então tem derivadas parciais de primeira ordem em
dadas por
Nos Problemas 45 – 46 encontre e .
45. .
46. e .
Problema 47 Encontre
e
para
Uma função é denominada homogênea de grau se para todo
.
Nos Problemas 48 – 50 mostre que a função é homogênea e determine seu grau
48. 49. 50.
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