5.6 Derivadas parciales de orden superior

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Derivadas parciales segundas

Si \(f_x \) y \(f_y \) son a su vez derivables, sus derivadas parciales se llaman derivadas parciales segundas de \(f \)

Se denotan \(f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} \), $$f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} $$, $$f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} $$ y \(f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} \)

El subíndice indica el orden de derivación: \(f_{xy} \) significa derivar primero respecto de \(x \) y después respecto de \(y \)

Las derivadas \(f_{xy} \) y \(f_{yx} \) se llaman derivadas cruzadas.

📝 Ejemplo:

Si \(f(x, y) = x^3 y^2 \), entonces \(f_x = 3x^2 y^2 \) y \(f_y = 2x^3 y \)

Derivando de nuevo, \(f_{xx} = 6xy^2 \), \(f_{xy} = 6x^2 y \), \(f_{yx} = 6x^2 y \) y \(f_{yy} = 2x^3 \)

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Derivadas parciales de orden superior

Derivando sucesivamente se obtienen las derivadas parciales de tercer orden \(f_{xxx} \), \(f_{xxy} \), etcétera, y en general las de cualquier orden.

En tres variables aparecen derivadas como $$f_{xyz} = \frac{\partial^3 f}{\partial x \partial y \partial z} $$

El número de derivadas parciales de un orden dado crece rápidamente con el orden y con el número de variables, pero el teorema de Schwarz reduce el trabajo a la mitad.

📝 Ejemplo:

Para \(f(x, y) = e^{xy} \), \(f_x = ye^{xy} \) y \(f_{xy} = e^{xy} + xye^{xy} = e^{xy}(1 + xy) \)

También \(f_y = xe^{xy} \) y \(f_{yx} = e^{xy}(1 + xy) \): las cruzadas coinciden.

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Teorema de Schwarz

📐 Teorema: (Schwarz)

Si existen las derivadas cruzadas \(f_{xy} \) y \(f_{yx} \) y ambas son continuas en un entorno de \((a, b) \), entonces \(f_{xy}(a, b) = f_{yx}(a, b) \)

Es decir: bajo hipótesis de continuidad, el orden de derivación no altera el resultado.

En la práctica, las funciones habituales (polinomios, exponenciales, trigonométricas y sus combinaciones) tienen derivadas parciales continuas de todos los órdenes, luego sus derivadas cruzadas coinciden siempre.

El teorema se extiende a cualquier par de variables y a órdenes superiores:

si las derivadas son continuas, el orden en que se deriva es irrelevante.

📝 Ejemplo:

Para \(f(x, y) = x^2 \operatorname{sen}(xy) \) se comprueba derivando que \(f_{xy} = f_{yx} \), como garantiza el teorema.

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La matriz hessiana es simétrica

Si \(f \) es una función de \(n \) variables con derivadas parciales segundas continuas (se dice que \(f \) es de clase \(C^2 \)), la matriz hessiana de \(f \) en \(\mathbf{a} \) es $$H_f(\mathbf{a}) = \begin{pmatrix} f_{x_1x_1} & \cdots & f_{x_1x_n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ f_{x_nx_1} & \cdots & f_{x_nx_n} \end{pmatrix} $$

⚙️ Corolario: del teorema de Schwarz

si \(f \) es de clase \(C^2 \), su matriz hessiana es simétrica en todo punto.

La hessiana recoge la información de curvatura de la función y es la herramienta para clasificar los puntos críticos (sección 5.7).

📝 Ejemplo:

La hessiana de \(f(x, y) = x^2 + 3xy + 2y^2 \) es la matriz constante \(\begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \), claramente simétrica.

📝 Ejemplo 1:

Calcular todas las derivadas parciales segundas de \(f(x, y) = x^2 y^3 + e^{xy} \) y comprobar el teorema de Schwarz.

Explicación: se calculan primero \(f_x \) y \(f_y \) y después se deriva cada una respecto de \(x \ \text{e}\\y \)

👉 PASO 1

\(f_x = 2xy^3 + ye^{xy} \) y \(f_y = 3x^2 y^2 + xe^{xy} \)

👉 PASO 2

Derivando \(f_x \), \(f_{xx} = 2y^3 + y^2 e^{xy} \) y $$f_{xy} = 6xy^2 + e^{xy} + xye^{xy} = 6xy^2 + e^{xy}(1 + xy) $$

👉 PASO 3

Derivando \(f_y \), $$f_{yx} = 6xy^2 + e^{xy} + xye^{xy} = 6xy^2 + e^{xy}(1 + xy) $$ y \(f_{yy} = 6x^2 y + x^2 e^{xy} \)

👉 PASO 4

Se cumple \(f_{xy} = f_{yx} \), como exige el teorema de Schwarz al ser las derivadas continuas.

Conclusión: las cuatro derivadas segundas son \(f_{xx} = 2y^3 + y^2 e^{xy} \), \(f_{yy} = 6x^2 y + x^2 e^{xy} \) y \(f_{xy} = f_{yx} = 6xy^2 + e^{xy}(1 + xy) \)

📝 Ejemplo 2:

Escribir la matriz hessiana de \(f(x, y, z) = x^2 + 2y^2 + 3z^2 - xy + yz \)

Explicación: se calculan las seis derivadas segundas distintas y se colocan en la matriz simétrica de \(3 \times 3 \)

👉 PASO 1

Las derivadas primeras son \(f_x = 2x - y \), \(f_y = 4y - x + z \) y \(f_z = 6z + y \)

👉 PASO 2

Las segundas puras son \(f_{xx} = 2 \), \(f_{yy} = 4 \) y \(f_{zz} = 6 \)

👉 PASO 3

Las cruzadas son \(f_{xy} = f_{yx} = -1 \), \(f_{yz} = f_{zy} = 1 \) y \(f_{xz} = f_{zx} = 0 \)

Conclusión: $$H_f = \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 4 & 1 \\ 0 & 1 & 6 \end{pmatrix} $$, que es simétrica.

📝 Ejemplo 3:

Comprobar el teorema de Schwarz para \(f(x, y) = x\operatorname{sen}(xy) \)

Explicación: se calculan \(f_{xy} \) y \(f_{yx} \) por los dos órdenes y se comparan.

👉 PASO 1

\(f_x = \operatorname{sen}(xy) + xy\cos(xy) \) y \(f_y = x^2\cos(xy) \)

👉 PASO 2

Derivando \(f_x \) respecto de \(y \), $$f_{xy} = x\cos(xy) + x\cos(xy) - x^2y\operatorname{sen}(xy) = 2x\cos(xy) - x^2y\operatorname{sen}(xy) $$

👉 PASO 3

Derivando \(f_y \) respecto de \(x \), $$f_{yx} = 2x\cos(xy) - x^2y\operatorname{sen}(xy) $$

Conclusión: \(f_{xy} = f_{yx} \), de acuerdo con el teorema de Schwarz.