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CALC2-03

3. Derivadas Parciais

Atualizado em: 13 de fevereiro de 2024

 

Por: Nelson H. Koshoji

3.1. Função de Uma Variável e Sua Derivada

Representação: \[y=f(x)\]

Seja a função:

\[f(x) = 2x^3+5x+1\]

ou

\[y = 2x^3+5x+1\]

A sua derivada é representada da seguinte forma: 

\[y’ = f'(x) = \frac{dy}{dx} = 6x^2+5\]

 

3.2. Derivadas de Funções Multivariáveis

Uma função multivariável é uma função que tem mais de uma variável independente. Por exemplo, \(z=f(x, y)\) é uma função de duas variáveis independentes \(x\) e \(y\). No contexto de funções de várias variáveis, surge a necessidade de entender como a função muda em relação a cada uma das suas variáveis, mantendo as outras constantes. Isso nos leva ao conceito de derivada parcial.

A derivada parcial de uma função \(f(x,y)\) em relação à variável \(x\), denotada por \[ \frac{\partial f}{\partial x} = f_x \] … é a taxa de variação da função em relação a \(x\) quando \(y\) é mantida constante.

Analogamente, a derivada parcial de \(f(x,y)\) em relação a \(y\) é \[\frac{\partial f}{\partial y} = f_y \] … que mede a taxa de variação da função em relação a \(y\) enquanto \(x\) é mantido constante.

 

3.3. Cálculo da Derivada Parcial

Para calcular uma derivada parcial, tratamos todas as outras variáveis exceto a que estamos derivando como constantes e aplicamos as regras de derivação da mesma maneira que faríamos para funções de uma única variável.

Por exemplo, se temos uma função:  \[f(x,y) = 16 – 4x^2 – y^2\] … as derivadas parciais seriam:

Em relação a  \(x\):

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -8x\]

Em relação a  \(y\):

\[\frac{\partial f}{\partial y} = -2y\]

 

Outro exemplo, se temos uma função:  \[f(x,y) = x^2 + y^3-3x^3y^2+3^3\] … as derivadas parciais seriam:

Em relação a  \(x\):

\[\frac{\partial f}{\partial x} = 2x-9x^2y^2\]

Em relação a  \(y\):

\[\frac{\partial f}{\partial y} = 3y^2-6x^3y\]

 

3.4. Interpretação Geométrica

A interpretação geométrica de uma derivada parcial é a inclinação da tangente à curva que se obtém ao cortar a superfície definida pela função \(f(x,y)\) com um plano paralelo a um dos eixos de coordenadas.

Por exemplo:

Seja: \[f(x,y) = 16 – 4x^2 – y^2\] Encontre a derivada parcial da função quando \(x = 0,5\) e um plano fixo em \(y=2\).

\[\frac{\partial f}{\partial x}\] dá a inclinação da tangente à curva de interseção do plano que mantém \(y\) constante.

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -8x\]

Substituindo \(x=0,5\), temos:

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -8x = -8(0,5) = -4\]

Figura 3.1: Derivada Parcial da Função em relação a x – geogebra.org

Figura 3.2: Derivada Parcial da Função em relação a x – Vista Frontal – geogebra.org

Se substituir \(x=-0,5\), temos:

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -8x = -8(-0,5) = 4\]

Figura 2.3: Derivada Parcial da Função em relação a x – geogebra.org

Figura 2.4: Derivada Parcial da Função em relação a x – Vista Frontal  geogebra.org

De forma análoga, seja: \[f(x,y) = 16 – 4x^2 – y^2\] 

Encontre a derivada parcial da função quando \(y = 1,5\) e um plano fixo em \(x=1\).

\[\frac{\partial f}{\partial x}\] dá a inclinação da tangente à curva de interseção do plano que mantém \(x\) constante.

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -2y\]

Substituindo \(y=1,5\), temos:

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -2y = -2(1,5) = -3\]

Figura 2.5: Derivada Parcial da Função em relação a y – geogebra.org

Figura 2.6: Derivada Parcial da Função em relação a y – Vista Frontal  geogebra.org

Se substituir \(y=-1,5\), temos:

\[\frac{\partial f}{\partial x} = -2y = -2(-1,5) = 3\]

Figura 2.7:  Derivada Parcial da Função em relação a y  geogebra.org

Figura 2.8:  Derivada Parcial da Função em relação a y  Vista Frontal – geogebra.org

3.5. Exercícios

1. Seja a função \[f(x,y) = 9 – x^2 – y^2\] … ao fixar y = 1 e fazer a variação de x, encontre a derivada parcial e sua declividade quando x = 1, 2 e 3, respectivamente.

 

2. De forma análoga, seja a função \[f(x,y) = 9 – x^2 – y^2\] … ao fixar x = 1 e fazer a variação de y, encontre a derivada parcial e sua declividade quando y = 1, 2 e 3, respectivamente.

 

3. Encontre a declividade da reta tangente a curva abaixo, resultante da intersecção da função f(x,y) com o plano y = 2, no ponto P(2,2,8)

\[f(x,y) = x^2 + y^2\]

 

4. Encontre a declividade da reta tangente a curva abaixo, resultante da intersecção da função f(x,y) com o plano x = 1, no ponto P(1,1,2)

\[f(x,y) = 4 – x^2 – y^2 \]

 

5. Encontre a declividade da reta tangente a curva abaixo, resultante da intersecção da função f(x,y) com o plano x = -1, no ponto P(-1,1,-2)

\[f(x,y) = x^2 + y^2 -2x^3y+5xy^4 – 1\]

 

3.6. Derivadas de Várias Variáveis Independentes

\[w=f(x,y,z)\]

 

Encontre as derivadas parciais da seguinte função:

\[f(x,y,z) = x^2z+yz^2\]

\(\large\frac{\partial w}{\partial x} = 2xz\)

\(\large\frac{\partial w}{\partial y} = z^2\)

\(\large\frac{\partial w}{\partial z} = x^2 + 2yz\)

 

Exercício: Encontre as derivadas parciais da seguinte função:

\[f(x,y,z) = x^2z+ye^{3z}\]

Figura 2.9: Curva de Nível – geogebra.org

3.7. Exercícios

1. Encontre as Derivadas Parciais das seguintes funções:

a) \(f(x,y) = xy^2\)

b) \(f(x,y) = 3x^4y^5\)

c) \(f(x,y) = 3x^3y^2\)

d) \(f(x,y) = 6x^2y – 5x^3y^2 – 6y\)

e) \(f(x,y) = 4xy – 2x^2y^2 + 3x^3y^2\)

f) \(f(x,y) = x^5 + 3x^3y^2 + 3xy^4\)

g) \(f(x,y) = 3x^4y^5 + y^2 + 3\)

h) \(f(x,y) = 2x^2y^3 – 3x + 4y\)

i) \(f(x,y) = x^3 + y^3 – 2x + 2y\)

j) \(f(x,y) = 4x^3y^{-2} – 2xy – 3x – 4y – 7\)

k) \(f(x,y) = x^2 + 2xy^2 + \frac{2y}{3x}\)

l) \(f(x,y,z) = x^2yz – xz\)

m) \(f(x,y,z) = \sqrt{x^2+y^2+z^2}\)

n) \(f(x,y) = \sqrt{x^3+y^4+4}\)

o) \(f(x,y) = \ln{(x^2+y^2)}\)

p) \(f(x,y) = e^{x^2y}\)

q) \(f(x,y) = sen{(x^2y)}\)

r) \(f(x,y) = cos{(5x-3y)}\)

 

Resposta:

a)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = y^2\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 2xy\)

b)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 12x^3y^5\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 15x^4y^4\)

c)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 9^2y^2\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 6x^3y\)

d)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 12xy-15x^2y^2\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 6x^2-10x^3y-6\)

e)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 4y-4xy^2+9x^2y^2\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 4x-4x^2y+6x^3y\)

f)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 5x^4+9x^2y^2+3y^4\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 6x^3y+12xy^3\)

g)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 12x^3y^5\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 15x^4y^4+2y\)

h)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 4xy^3-3\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 6x^2y^2+4\)

i)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 3x^2-2\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 3y^2+2\)

j)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{12x^2}{y^2}-2y-3\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = -\frac{8x^3}{y^3}-2x-4\)

k)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 2x+2y^2-\frac{2y}{3x^2}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 4xy+\frac{2}{3x}\)

l)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 2xyz-z\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = x^2z\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial z} = x^2y-x\)

m)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial z} = \frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\)

m)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{3x^2}{2\sqrt{x^3+y^4+4}}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = \frac{2y^3}{\sqrt{x^3+y^4+4}}\)

o)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{2x}{x^2+y^2}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = \frac{2y}{x^2+y^2}\)

p)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 2xy \cdot e^{x^2y}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = x^2 \cdot e^{x^2y}\)

q)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = 2xy \cdot cos{(x^2y)}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = x^2 \cdot cos{(x^2y)}\)

r)

\(\large\frac{\partial f}{\partial x} = -5 \cdot sen{(5x-3y)}\)

\(\large\frac{\partial f}{\partial y} = 3 \cdot sen{(5x-3y)}\)