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14.4: Planos tangentes e aproximações lineares

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    187916
    • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
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    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Objetivos de
    • Determine a equação de um plano tangente a uma determinada superfície em um ponto.
    • Use o plano tangente para aproximar uma função de duas variáveis em um ponto.
    • Explique quando uma função de duas variáveis é diferenciável.
    • Use o diferencial total para aproximar a mudança em uma função de duas variáveis.

    Nesta seção, consideramos o problema de encontrar o plano tangente a uma superfície, que é análogo a encontrar a equação de uma reta tangente a uma curva quando a curva é definida pelo gráfico de uma função de uma variável,\( y=f(x)\). A inclinação da reta tangente no ponto\( x=a\) é dada por\( m=f′(a)\); qual é a inclinação de um plano tangente? Aprendemos sobre a equação de um plano em Equações de Linhas e Planos no Espaço; nesta seção, vemos como ela pode ser aplicada ao problema em questão.

    Planos tangentes

    Intuitivamente, parece claro que, em um plano, apenas uma linha pode ser tangente a uma curva em um ponto. No entanto, no espaço tridimensional, muitas linhas podem ser tangentes a um determinado ponto. Se essas linhas estiverem no mesmo plano, elas determinarão o plano tangente nesse ponto. Uma maneira mais intuitiva de pensar em um plano tangente é assumir que a superfície é lisa nesse ponto (sem cantos). Então, uma linha tangente à superfície nesse ponto em qualquer direção não tem nenhuma mudança abrupta na inclinação porque a direção muda suavemente. Portanto, em uma vizinhança pequena o suficiente ao redor do ponto, um plano tangente toca a superfície somente nesse ponto.

    Definição: linhas tangentes

    \( P_0=(x_0,y_0,z_0)\)Seja um ponto em uma superfície\( S\), e\( C\) seja qualquer curva que passe por ela\( P_0\) e esteja inteiramente nela\( S\). Se as linhas tangentes a todas essas curvas\( P_0\) estiverem\( C\) no mesmo plano, esse plano será chamado de plano tangente a\( S\) at\( P_0\) (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    Uma superfície S é mostrada com um ponto P0 = (x0, y0, z0). Há duas curvas de interseção mostradas em S que passam por P0. Existem tangentes desenhadas para cada uma dessas curvas em P0, e essas linhas tangentes criam um plano, ou seja, o plano tangente em P0.
    Figura\(\PageIndex{1}\): O plano tangente a uma superfície\( S\) em um ponto\( P_0\) contém todas as linhas tangentes às curvas\(S\) nessa passagem\( P_0\).

    Para que um plano tangente a uma superfície exista em um ponto dessa superfície, é suficiente que a função que define a superfície seja diferenciável nesse ponto. Definimos o termo plano tangente aqui e depois exploramos a ideia intuitivamente.

    Definição: planos tangentes

    \( S\)Seja uma superfície definida por uma função diferenciável\( z=f(x,y),\) e\( P_0=(x_0,y_0)\) seja um ponto no domínio de\( f\). Então, a equação do plano tangente a\( S\) at\( P_0\) é dada por

    \[z=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0). \label{tanplane} \]

    Para ver por que essa fórmula está correta, vamos primeiro encontrar duas linhas tangentes à superfície\( S\). A equação da reta tangente à curva que é representada pela interseção de\( S\) com o traço vertical dado por\( x=x_0\) is\( z=f(x_0,y_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)\). Da mesma forma, a equação da reta tangente à curva que é representada pela interseção de\( S\) com o traço vertical dado por\( y=y_0\) é\( z=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)\). Um vetor paralelo à primeira reta tangente é\( \vecs a=\,\hat{\mathbf j}+f_y(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf k}\); um vetor paralelo à segunda reta tangente é\(\vecs b=\hat{\mathbf i}+f_x(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf k}\). Podemos pegar o produto cruzado desses dois vetores:

    \[\begin{align*} \vecs a\times \vecs b &=(\,\hat{\mathbf j}+f_y(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf k})×(\,\hat{\mathbf i}+f_x(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf k})\\[4pt] &=\begin{vmatrix}\hat{\mathbf i} & \hat{\mathbf j} & \hat{\mathbf k}\\[4pt] 0 & 1 & f_y(x_0,y_0)\\[4pt] 1 & 0 & f_x(x_0,y_0)\end{vmatrix} \\[4pt] &=f_x(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf i}+f_y(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf j}−\,\hat{\mathbf k}. \end{align*}\]

    Esse vetor é perpendicular às duas linhas e, portanto, é perpendicular ao plano tangente. Podemos usar esse vetor como um vetor normal ao plano tangente, junto com o ponto\( P_0=(x_0,y_0,f(x_0,y_0))\) na equação de um plano:

    \[ \begin{align*}\vecs n·((x−x_0)\,\hat{\mathbf i}+(y−y_0)\,\hat{\mathbf j}+(z−f(x_0,y_0))\,\hat{\mathbf k}) &=0 \\[4pt] (f_x(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf i}+f_y(x_0,y_0)\,\hat{\mathbf j}-\,\hat{\mathbf k})·((x−x_0)\,\hat{\mathbf i}+(y−y_0)\,\hat{\mathbf j}+(z−f(x_0,y_0))\,\hat{\mathbf k}) &=0 \\[4pt] f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)−(z−f(x_0,y_0)) &=0. \end{align*}\]

    Resolver essa equação para\(z\) fornece a Equação\ ref {tanplane}.

    Exemplo\( \PageIndex{1}\): Finding a Tangent Plane

    Encontre a equação do plano tangente à superfície definida pela função\( f(x,y)=2x^2−3xy+8y^2+2x−4y+4\) no ponto\( (2,−1).\)

    Solução

    Primeiro, devemos calcular\( f_x(x,y)\) e\( f_y(x,y)\), em seguida, usar a Equação com\( x_0=2\) e\( y_0=−1\):

    \[\begin{align*} f_x(x,y) &=4x−3y+2 \\[4pt] f_y(x,y) &=−3x+16y−4 \\[4pt] f(2,−1) &=2(2)^2−3(2)(−1)+8(−1)^2+2(2)−4(−1)+4=34 \\[4pt] f_x(2,−1) &=4(2)−3(−1)+2=13 \\[4pt] f_y(2,−1) &=−3(2)+16(−1)−4=−26.\end{align*}\]

    Então Equation\ ref {tanplane} se torna

    \[\begin{align*} z &=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0) \\[4pt] z &=34+13(x−2)−26(y−(−1)) \\[4pt] z &=34+13x−26−26y−26 \\[4pt] z &=13x−26y−18. \end{align*}\]

    (Veja a figura a seguir).

    Uma superfície curva f (x, y) = 2x2 — 3xy + 8y2 + 2x + 4y + 4 com plano tangente z = 13x — 26y — 18 no ponto (2, —1, 34).
    Figura\(\PageIndex{2}\): Calculando a equação de um plano tangente a uma determinada superfície em um determinado ponto.
    Exercício\( \PageIndex{1}\)

    Encontre a equação do plano tangente à superfície definida pela função\( f(x,y)=x^3−x^2y+y^2−2x+3y−2\) no ponto\( (−1,3)\).

    Dica

    Primeiro,\( f_x(x,y)\) calcule e\( f_y(x,y)\), em seguida, use Equation\ ref {tanplane}.

    Resposta

    \( z=7x+8y−3\)

    Exemplo\( \PageIndex{2}\): Finding Another Tangent Plane

    Encontre a equação do plano tangente à superfície definida pela função\( f(x,y)=\sin(2x)\cos(3y)\) no ponto\( (π/3,π/4).\)

    Solução

    Primeiro,\( f_x(x,y)\) calcule e\( f_y(x,y)\), em seguida, use a Equação\ ref {tanplane} com\( x_0=π/3\) e\( y_0=π/4\):

    \[\begin{align*} f_x(x,y) &=2\cos(2x)\cos(3y) \\[4pt] f_y(x,y) &=−3\sin(2x)\sin(3y) \\[4pt] f\left(\dfrac{π}{3},\dfrac{π}{4}\right) &=\sin\left(2\left(\dfrac{π}{3}\right)\right)\cos\left(3\left(\dfrac{π}{4}\right)\right)=\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(−\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)=−\dfrac{\sqrt{6}}{4} \\[4pt] f_x\left(\dfrac{π}{3},\dfrac{π}{4}\right) &=2\cos\left(2\left(\dfrac{π}{3}\right)\right)\cos\left(3\left(\dfrac{π}{4}\right)\right)=2\left(−\dfrac{1}{2}\right)\left(−\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)=\dfrac{\sqrt{2}}{2} \\[4pt] f_y \left(\dfrac{π}{3},\dfrac{π}{4}\right) &=−3\sin\left(2\left(\dfrac{π}{3}\right)\right)\sin\left(3\left(\dfrac{π}{4}\right)\right)=−3\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)=−\dfrac{3\sqrt{6}}{4}. \end{align*}\]

    Então Equation\ ref {tanplane} se torna

    \[\begin{align*} z &=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0) \\[4pt] &=−\dfrac{\sqrt{6}}{4}+\dfrac{\sqrt{2}}{2}\left(x−\dfrac{π}{3}\right)−\dfrac{3\sqrt{6}}{4}\left(y−\dfrac{π}{4}\right) \\[4pt] &=\dfrac{\sqrt{2}}{2}x−\dfrac{3\sqrt{6}}{4}y−\dfrac{\sqrt{6}}{4}−\dfrac{π\sqrt{2}}{6}+\dfrac{3π\sqrt{6}}{16} \end{align*}\]

    Nem sempre existe um plano tangente a uma superfície em todos os pontos da superfície. Considere a função por partes

    \[f(x,y)=\begin{cases}\dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}, & & (x,y)≠(0,0)\\[4pt] 0, & & (x,y)=(0,0)\end{cases}. \label{oddfunction} \]

    O gráfico dessa função segue.

    Figura\(\PageIndex{3}\): Gráfico de uma função que não tem um plano tangente na origem. Figura dinâmica alimentada por CalcPlot3D.

    Se for um\( x=0\) ou\( y=0\),\( f(x,y)=0,\) então o valor da função não muda no eixo\(x\) - ou\(y\) -. Portanto\( f_x(x,0)=f_y(0,y)=0\), quando um\( x\) ou outro se\( y\) aproxima de zero, essas derivadas parciais permanecem iguais a zero. Substituí-los na Equação\( z=0\) é a equação da reta tangente. No entanto, se abordarmos a origem de uma direção diferente, teremos uma história diferente. Por exemplo, suponha que nos aproximemos da origem ao longo da linha\( y=x\). Se colocarmos\( y=x\) na função original, ela se torna

    \[f(x,x)=\dfrac{x(x)}{\sqrt{x^2+(x)^2}}=\dfrac{x^2}{\sqrt{2x^2}}=\dfrac{|x|}{\sqrt{2}}. \nonumber \]

    Quando\( x>0,\) a inclinação dessa curva é igual a\( \sqrt{2}/2\); quando\( x<0\), a inclinação dessa curva é igual a\( −(\sqrt{2}/2).\) Isso apresenta um problema. Na definição de plano tangente, presumimos que todas as retas tangentes que passam pelo ponto\( P\) (neste caso, a origem) estão no mesmo plano. Isso claramente não é o caso aqui. Quando estudamos funções diferenciáveis, veremos que essa função não é diferenciável na origem.

    Aproximações lineares

    Lembre-se, a partir de Aproximações e Diferenciais Lineares, que a fórmula para a aproximação linear de uma função\( f(x)\) no ponto\( x=a\) é dada por

    \[y≈f(a)+f'(a)(x−a). \nonumber \]

    O diagrama para a aproximação linear de uma função de uma variável aparece no gráfico a seguir.

    Uma curva no plano xy com um ponto e uma tangente a esse ponto. A figura está marcada como aproximação da linha tangente.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Aproximação linear de uma função em uma variável.

    A reta tangente pode ser usada como uma aproximação da função\( f(x)\) para valores\( x\) razoavelmente próximos\( x=a\) a. Ao trabalhar com uma função de duas variáveis, a reta tangente é substituída por um plano tangente, mas a ideia de aproximação é praticamente a mesma.

    Definição: Aproximação linear

    Dada uma função\( z=f(x,y)\) com derivadas parciais contínuas que existem no ponto\( (x_0,y_0)\), a aproximação linear de\(f\) no ponto\( (x_0,y_0)\) é dada pela equação

    \[L(x,y)=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0). \label{approx} \]

    Observe que essa equação também representa o plano tangente à superfície definido por\( z=f(x,y)\) no ponto\( (x_0,y_0)\). A ideia por trás do uso de uma aproximação linear é que, se houver um ponto\( (x_0,y_0)\) no qual o valor preciso de\( f(x,y)\) é conhecido, então, para valores\( (x,y)\) razoavelmente próximos\( (x_0,y_0)\), a aproximação linear (ou seja, plano tangente) produz um valor que também é razoavelmente próximo do valor exato de\( f(x,y)\) (Figura). Além disso, o plano usado para encontrar a aproximação linear também é o plano tangente à superfície no ponto.\( (x_0,y_0).\)

    Um parabolóide com superfície z = f (x, y). Há um ponto dado no parabolóide P (x0, y0) com um plano tangente nesse ponto. Há um ponto no plano que é marcado como a aproximação linear L (x, y) a f (x0, y0), que está próximo ao ponto correspondente no paraboloide.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Usando um plano tangente para aproximação linear em um ponto.
    Exemplo\( \PageIndex{3}\): Using a Tangent Plane Approximation

    Dada a função\( f(x,y)=\sqrt{41−4x^2−y^2}\), aproxime\( f(2.1,2.9)\) o ponto de uso\( (2,3)\) para\( (x_0,y_0).\) Qual é o valor aproximado de\( f(2.1,2.9)\) até quatro casas decimais?

    Solução

    Para aplicar a Equação\ ref {approx}, primeiro devemos calcular\( f(x_0,y_0), f_x(x_0,y_0),\) e\( f_y(x_0,y_0)\) usar\( x_0=2\) e\( y_0=3:\)

    \[\begin{align*} f(x_0,y_0) &=f(2,3)=\sqrt{41−4(2)^2−(3)^2}=\sqrt{41−16−9}=\sqrt{16}=4 \\[4pt] f_x(x,y) &=−\dfrac{4x}{\sqrt{41−4x^2−y^2}} \text{ so} \; f_x(x_0,y_0)=−\dfrac{4(2)}{\sqrt{41−4(2)^2−(3)^2}}=−2 \\[4pt] f_y(x,y) &=−\dfrac{y}{\sqrt{41−4x^2−y^2}} \text{ so}\; f_y(x_0,y_0)=−\dfrac{3}{\sqrt{41−4(2)^2−(3)^2}}=−\dfrac{3}{4}. \end{align*}\]

    Agora substituímos esses valores na Equação\ ref {approx}:

    \[\begin{align*} L(x,y) &=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0) \\[4pt] &=4−2(x−2)−\dfrac{3}{4}(y−3) \\[4pt] &=\dfrac{41}{4}−2x−\dfrac{3}{4}y. \end{align*}\]

    Por último, substituímos\( x=2.1\) e\( y=2.9\) entramos\(L(x,y):\)

    \[ L(2.1,2.9)=\dfrac{41}{4}−2(2.1)−\dfrac{3}{4}(2.9)=10.25−4.2−2.175=3.875. \nonumber \]

    O valor aproximado de\( f(2.1,2.9)\) até quatro casas decimais é

    \[ f(2.1,2.9)=\sqrt{41−4(2.1)^2−(2.9)^2}=\sqrt{14.95}≈3.8665, \nonumber \]

    o que corresponde a um\( 0.2%\) erro na aproximação.

    Exercício\( \PageIndex{2}\)

    Dada a função\( f(x,y)=e^{5−2x+3y},\) aproximada\( f(4.1,0.9)\) usando o ponto\( (4,1)\) para\( (x_0,y_0)\). Qual é o valor aproximado de\( f(4.1,0.9)\) até quatro casas decimais?

    Dica

    Primeiro\( f(x_0,y_0),f_x(x_0,y_0),\) calcule e\( f_y(x_0,y_0)\) use\( x_0=4\) e\( y_0=1\), em seguida, use Equation\ ref {approx}.

    Resposta

    \( L(x,y)=6−2x+3y,\)então\( L(4.1,0.9)=6−2(4.1)+3(0.9)=0.5\)\( f(4.1,0.9)=e^{5−2(4.1)+3(0.9)}=e^{−0.5}≈0.6065.\)

    Diferenciabilidade

    Ao trabalhar com uma função\( y=f(x)\) de uma variável, diz-se que a função é diferenciável em um ponto,\( x=a\) se\( f′(a)\) existir. Além disso, se uma função de uma variável é diferenciável em um ponto, o gráfico é “suave” nesse ponto (ou seja, não existem cantos) e uma reta tangente está bem definida nesse ponto.

    A ideia por trás da diferenciabilidade de uma função de duas variáveis está conectada à ideia de suavidade nesse ponto. Nesse caso, uma superfície é considerada lisa no ponto\( P\) se existir um plano tangente à superfície nesse ponto. Se uma função é diferenciável em um ponto, então existe um plano tangente à superfície nesse ponto. Lembre-se de que a fórmula (Equação\ ref {tanplane}) para um plano tangente em um ponto\( (x_0,y_0)\) é dada por

    \[z=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0) \nonumber \]

    Para que um plano tangente exista no ponto,\( (x_0,y_0),\) as derivadas parciais devem, portanto, existir nesse ponto. No entanto, essa não é uma condição suficiente para a suavidade, conforme ilustrado na Figura. Nesse caso, as derivadas parciais existiam na origem, mas a função também tinha um canto no gráfico na origem.

    Definição: Funções diferenciáveis

    Uma função\( f(x,y)\) é diferenciável em um ponto\( P(x_0,y_0)\) se, para todos os pontos\( (x,y)\) em um\( δ\) disco ao redor\( P\), pudermos escrever

    \[f(x,y)=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)+E(x,y), \label{diff1} \]

    onde o termo de erro é\( E\) satisfatório

    \[\lim_{(x,y)→(x_0,y_0)}\dfrac{E(x,y)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2}}=0. \label{diff2} \]

    O último termo na Equação\ ref {diff1} é to como o termo de erro e representa a proximidade com que o plano tangente chega à superfície em uma pequena vizinhança (\( δ\)disco) do ponto\( P\). Para que\( f\) a função seja diferenciável em\( P\), a função deve ser suave, ou seja, o gráfico de\( f\) deve estar próximo ao plano tangente para pontos próximos\( P\).

    Exemplo\( \PageIndex{4}\): Demonstrating Differentiability

    Mostre que a função\( f(x,y)=2x^2−4y\) é diferenciável no ponto\( (2,−3).\)

    Solução

    Primeiro, calculamos\( f(x_0,y_0),f_x(x_0,y_0),\) e\( f_y(x_0,y_0)\) usamos\( x_0=2\) e\( y_0=−3,\) depois usamos a Equação\ ref {diff1}:

    \[\begin{align*} f(2,−3) &=2(2)^2−4(−3)=8+12=20 \\[4pt] f_x(2,−3) &=4(2)=8 \\[4pt] f_y(2,−3) &=−4. \end{align*}\]

    Portanto,\( m_1=8\) e\( m_2=−4,\) e a Equação\ ref {diff1} se torna

    \[ \begin{align*} f(x,y) &=f(2,−3)+f_x(2,−3)(x−2)+f_y(2,−3)(y+3)+E(x,y) \\[4pt] 2x^2−4y &=20+8(x−2)−4(y+3)+E(x,y) \\[4pt] 2x^2−4y &=20+8x−16−4y−12+E(x,y) \\[4pt] 2x^2−4y &=8x−4y−8+E(x,y) \\[4pt] E(x,y) &=2x^2−8x+8. \end{align*}\]

    Em seguida, calculamos o limite na Equação\ ref {diff2}:

    \ [\ begin {align*}\ lim_ {(x, y) → (x_0, y_0)}\ dfrac {E (x, y)} {\ sqrt {(x−x+0) ^2+ (y−y_0) ^2}} &=\ lim_ {(x, y) → (2, −3)}\ dfrac {2x^2−−8x+8} {\ sqrt {(x−2) ^2+ (y+3) ^2}}\\ [4pt]
    &=\ lim_ {(x, y) → (2, −3)}\ dfrac {2 (x^2−4x+4)} {\ sqrt {(x−2) ^2+ (y+3) ^2}}\\ [4 pt]
    &=\ lim_ {(x, y) → (2, −3)}\ dfrac {2 (x−2) ^2} {\ sqrt {(x −2) ^2+ (y+3) ^2}\\ [4pt]
    &=\ lim_ {(x, y) → (2, −3)}\ dfrac {2 (x−2) ^2+ (y+3) ^2)} {\ sqrt {(x−2) ^2+ (y+3) ^2}}\\ [4pt]
    &=\ lim_ {(x, y) → (2, −3)} 2\ sqrt {(x−2) ^2+ (y+3) ^2}\\ [4pt]
    &=0. \ end {align*}\]

    Já que\( E(x,y)≥0\) para qualquer valor de\( x\) ou\( y\), o limite original deve ser igual a zero. Portanto,\( f(x,y)=2x^2−4y\) é diferenciável em alguns pontos\( (2,−3)\).

    Exercício\( \PageIndex{3}\)

    Mostre que a função\( f(x,y)=3x−4y^2\) é diferenciável no ponto\((−1,2)\).

    Dica

    Primeiro,\( f(x_0,y_0),f_x(x_0,y_0),\) calcule e\( f_y(x_0,y_0)\) use\( x_0=−1\) e\( y_0=2\), em seguida, use a Equação\ ref {diff2} para encontrar\( E(x,y)\). Por último, calcule o limite.

    Resposta

    \ [\ begin {align*} f (−1,2) &=−19,\ quad f_x (−1,2) =3,\ quad f_y (−1,2) =−16,\ quad E (x, y) =−4 (y−2) ^2.\\ [4pt]
    \ lim_ {(x, y) → (x_0, y_0)}\ dfrac {E (x, y)} {\ sqrt {(x−x_0) ^2+ (y−y_0) ^2}} &=\ lim_ {(x, y) → (−1,2)}\ dfrac {−4 (y−2) ^2} {\ sqrt {(x+1) ^2+ (y−2) ^2}}\\ [4pt]
    \ lim_ {(x, y) → (−1,2)}\ dfrac {−4 (x+1) ^2+ (y−2) ^2)} {\ sqrt {(x+1) ^2+ (y−2) ^2}}\\ [4pt]
    &=\ lim_ {(x, y) → (2, −3)} −4\ sqrt {(x+1) ^2+ (y−2) ^2}\\ [4pt]
    &=0. \ end {align*}\]

    Esta função de (Equation\ ref {oddfunction})

    \[ f(x,y)=\begin{cases}\dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}, & & (x,y)≠(0,0)\\[4pt] 0, & & (x,y)=(0,0)\end{cases} \nonumber \]

    não é diferenciável na origem (Figura\(\PageIndex{3}\)). Podemos ver isso calculando as derivadas parciais. Essa função apareceu anteriormente na seção, onde mostramos isso\( f_x(0,0)=f_y(0,0)=0\). Substituindo essas informações nas Equações\ ref {diff1} e\ ref {diff2} usando\( x_0=0\) e\( y_0=0\), obtemos

    \[\begin{align*} f(x,y) &=f(0,0)+f_x(0,0)(x−0)+f_y(0,0)(y−0)+E(x,y) \\[4pt] E(x,y) &=\dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}. \end{align*}\]

    Calculando

    \[ \lim_{(x,y)→(x_0,y_0)}\dfrac{E(x,y)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2}} \nonumber \]

    concede

    \[\begin{align*} \lim_{(x,y)→(x_0,y_0)}\dfrac{E(x,y)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2}} &=\lim_{(x,y)→(0,0)}\dfrac{\dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}}{\sqrt{x^2+y^2}} \\[4pt] &=\lim_{(x,y)→(0,0)}\dfrac{xy}{x^2+y^2}. \end{align*}\]

    Dependendo do caminho percorrido em direção à origem, esse limite assume valores diferentes. Portanto, o limite não existe e a função não\( f\) é diferenciável na origem, conforme mostrado na figura a seguir.

    Uma superfície curva no espaço xyz que permanece constante ao longo do eixo x positivo e se curva para baixo ao longo da linha y = —x no segundo quadrante.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Essa função\( f(x,y)\) (Equação\ ref {oddfunction}) não é diferenciável na origem.

    Diferenciabilidade e continuidade para funções de duas ou mais variáveis estão conectadas, da mesma forma que para funções de uma variável. Na verdade, com alguns ajustes de notação, o teorema básico é o mesmo.

    TEOREMA: Diferenciabilidade implica continuidade

    \( z=f(x,y)\)Seja uma função de duas variáveis com\( (x_0,y_0)\) no domínio de\( f\). Se\( f(x,y)\) é diferenciável em\( (x_0,y_0)\), então\( f(x,y)\) é contínuo em\( (x_0,y_0).\)

    A nota mostra que, se uma função é diferenciável em um ponto, ela é contínua lá. No entanto, se uma função é contínua em um ponto, ela não é necessariamente diferenciável nesse ponto. Por exemplo, a função discutida acima (Equation\ ref {oddfunction})

    \[f(x,y)=\begin{cases}\dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}, & & (x,y)≠(0,0)\\[4pt] 0, & & (x,y)=(0,0)\end{cases} \nonumber \]

    é contínuo na origem, mas não é diferenciável na origem. Essa observação também é semelhante à situação no cálculo de variável única.

    Podemos explorar ainda mais a conexão entre continuidade e diferenciabilidade em um ponto. O próximo teorema diz que se a função e suas derivadas parciais forem contínuas em um ponto, a função é diferenciável.

    Teorema: A continuidade das primeiras parciais implica diferenciabilidade

    \( z=f(x,y)\)Seja uma função de duas variáveis com\( (x_0,y_0)\) no domínio de\( f\). Se\(f(x,y)\)\(f_x(x,y)\), e\(f_y(x,y)\) todos existem em uma vizinhança de\((x_0,y_0)\) e são contínuos em\((x_0,y_0)\), então\(f(x,y)\) é diferenciável lá.

    Lembre-se de que anteriormente mostramos que a função na Equação\ ref {oddfunction} não era diferenciável na origem. Vamos calcular as derivadas parciais\( f_x\) e\( f_y\):

    \[ \dfrac{∂f}{∂x}=\dfrac{y^3}{(x^2+y^2)^{3/2}} \nonumber \]

    e

    \[\dfrac{∂f}{∂y}=\dfrac{x^3}{(x^2+y^2)^{3/2}}. \nonumber \]

    O contrapositivo do teorema anterior afirma que, se uma função não é diferenciável, pelo menos uma das hipóteses deve ser falsa. Vamos explorar a condição que\( f_x(0,0)\) deve ser contínua. Para que isso seja verdade, deve ser verdade que

    \[ \lim_{(x,y)→(0,0)} f_x(x,y)=f_x(0,0) \nonumber \]

    por isso

    \[ \lim_{(x,y)→(0,0)}f_x(x,y)=\lim_{(x,y)→(0,0)}\dfrac{y^3}{(x^2+y^2)^{3/2}}. \nonumber \]

    Deixe\( x=ky\). Então

    \ [\ begin {align*}\ lim_ {(x, y) → (0,0)}\ dfrac {y^3} {(x^2+y^2) ^ {3/2}} &=\ lim_ {y→0}\ dfrac {y^3} {((ky) ^2+y^2) ^ {3/2}}\\ [4pt]
    &=\ lim_ {y→0}\ dfrac {y^3} {(k^2y^2+y^2) ^ {3/2}}\\ [4pt]
    &=\ lim_ {y→0}\ dfrac {y^3} {|y|^3 (k^2+1) ^ {3/2}}\\ [4pt]
    &=\ dfrac {1} {(k ^2+1) ^ {3/2}}\ lim_ {y →0}\ frac {|y|} {y}. \ end {align*}\]

    Se\( y>0\), então essa expressão é igual\( 1/(k^2+1)^{3/2}\); se\( y<0\), então é igual\( −(1/(k^2+1)^{3/2})\). Em ambos os casos, o valor depende de\( k\), portanto, o limite não existe.

    Diferenciais

    Em Aproximações e Diferenciais Lineares, primeiro estudamos o conceito de diferenciais. O diferencial de\( y\), escrito\( dy\), é definido como\( f′(x)dx\). O diferencial é usado para aproximar\( Δy=f(x+Δx)−f(x)\), onde\( Δx=dx\). Estender essa ideia para a aproximação linear de uma função de duas variáveis no ponto\( (x_0,y_0)\) produz a fórmula para o diferencial total de uma função de duas variáveis.

    Definição: Diferencial total

    \( z=f(x,y)\)Seja uma função de duas variáveis com\( (x_0,y_0)\) no domínio de\( f\),\( Δx\) e\( Δy\) seja escolhida de forma que também\( (x_0+Δx,y_0+Δy)\) esteja no domínio de\( f\). Se\( f\) for diferenciável no ponto\( (x_0,y_0)\), então os diferenciais\( dx\) e\( dy\) são definidos como

    \[dx=Δx \nonumber \]

    e

    \[dy=Δy. \nonumber \]

    O diferencial\( dz\), também chamado de diferencial total de\( z=f(x,y)\) at\( (x_0,y_0)\), é definido como

    \[dz=f_x(x_0,y_0)dx+f_y(x_0,y_0)dy. \label{total} \]

    Observe que o símbolo não\( ∂\) é usado para indicar o diferencial total; em vez disso,\( d\) aparece na frente de\( z\). Agora, vamos definir\( Δz=f(x+Δx,y+Δy)−f(x,y).\) Nós usamos\( dz\) para aproximar\( Δz\), então

    \[Δz≈dz=f_x(x_0,y_0)dx+f_y(x_0,y_0)dy. \nonumber \]

    Portanto, o diferencial é usado para aproximar a mudança na função\( z=f(x_0,y_0)\) no ponto\( (x_0,y_0)\) para determinados valores de\( Δx\)\( Δy\) e. Uma vez que\( Δz=f(x+Δx,y+Δy)−f(x,y)\), isso pode ser usado ainda mais para aproximar\( f(x+Δx,y+Δy):\)

    \[ f(x+Δx,y+Δy)=f(x,y)+Δz≈f(x,y)+fx(x_0,y_0)Δx+f_y(x_0,y_0)Δy. \nonumber \]

    Veja a figura a seguir.

    Uma superfície f no plano xyz, com um plano tangente no ponto (x, y, f (x, y)). No plano (x, y), há um ponto marcado (x + Δx, y + Δy). Há uma linha tracejada até o ponto correspondente no gráfico de f e a linha continua até o plano tangente; a distância até o gráfico de f é marcada como f (x + + Δx, y + Δy), e a distância até o plano tangente é marcada como a aproximação linear.
    Figura\(\PageIndex{7}\): A aproximação linear é calculada por meio da fórmula\( f(x+Δx,y+Δy)≈f(x,y)+f_x(x_0,y_0)Δx+f_y(x_0,y_0)Δy.\)

    Uma dessas aplicações dessa ideia é determinar a propagação do erro. Por exemplo, se estivermos fabricando um gadget e estivermos atrasados na medição de uma determinada quantidade, o diferencial pode ser usado para estimar o erro no volume total do dispositivo.

    Exemplo\( \PageIndex{5}\): Approximation by Differentials

    Encontre o diferencial\( dz\) da função\( f(x,y)=3x^2−2xy+y^2\) e use-o para aproximar o\( Δz\) ponto\( (2,−3).\) Use\( Δx=0.1\) e\( Δy=−0.05.\) Qual é o valor exato de\( Δz\)?

    Solução

    Primeiro, devemos calcular\( f(x_0,y_0),f_x(x_0,y_0),\) e\( f_y(x_0,y_0)\) usar\( x_0=2\) e\( y_0=−3:\)

    \[\begin{align*} f(x_0,y_0) &=f(2,−3)=3(2)^2−2(2)(−3)+(−3)^2=12+12+9=33 \\[4pt] f_x(x,y) &=6x−2y \\[10pt] f_y(x,y) &=−2x+2y \\[4pt] f_x(x_0,y_0) &= fx(2,−3) \\[4pt] &=6(2)−2(−3)=12+6=18 \\[10pt] f_y(x_0,y_0) &=f_y(2,−3) \\[4pt] &=−2(2)+2(−3) \\[4pt] &=−4−6=−10. \end{align*}\]

    Em seguida, substituímos essas quantidades na Equação\ ref {total}:

    \[\begin{align*} dz &=f_x(x_0,y_0)dx+f_y(x_0,y_0)dy \\[4pt] dz &=18(0.1)−10(−0.05)=1.8+0.5=2.3. \end{align*}\]

    Esta é a aproximação de\( Δz=f(x_0+Δx,y_0+Δy)−f(x_0,y_0).\) O valor exato de\( Δz\) é dado por

    \[\begin{align*} Δz &=f(x_0+Δx,y_0+Δy)−f(x_0,y_0) \\[4pt] &=f(2+0.1,−3−0.05)−f(2,−3) \\[4pt] &=f(2.1,−3.05)−f(2,−3) \\[4pt] &=2.3425. \end{align*}\]

    Exercício\( \PageIndex{4}\)

    Encontre o diferencial\( dz\) da função\( f(x,y)=4y^2+x^2y−2xy\) e use-o para aproximar o\( Δz\) ponto\( (1,−1)\). Use\( Δx=0.03\)\( Δy=−0.02\) e. Qual é o valor exato de\( Δz\)?

    Dica

    Primeiro,\( f_x(x_0,y_0)\) calcule e\( f_y(x_0,y_0)\) use\( x_0=1\) e\( y_0=−1\), em seguida, use Equation\ ref {total}.

    Resposta

    \( dz=0.18\)

    \( Δz=f(1.03,−1.02)−f(1,−1)=0.180682\)

    Diferenciabilidade de uma função de três variáveis

    Todos os resultados anteriores para diferenciabilidade de funções de duas variáveis podem ser generalizados para funções de três variáveis. Primeiro, a definição:

    Definição: Diferenciabilidade em um ponto

    Uma função\( f(x,y,z)\) é diferenciável em um ponto\( P(x_0,y_0,z_0)\) se, para todos os pontos\( (x,y,z)\) em um\( δ\) disco ao redor,\( P\) pudermos escrever

    \[f(x,y)=f(x_0,y_0,z_0)+f_x(x_0,y_0,z_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0,z_0)(y−y_0)+f_z(x_0,y_0,z_0)(z−z_0)+E(x,y,z), \nonumber \]

    onde o termo de erro E satisfaz

    \[\lim_{(x,y,z)→(x_0,y_0,z_0)}\dfrac{E(x,y,z)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2+(z−z_0)^2}}=0. \nonumber \]

    Se uma função de três variáveis é diferenciável em um ponto\( (x_0,y_0,z_0)\), ela é contínua lá. Além disso, a continuidade das primeiras derivadas parciais nesse ponto garante diferenciabilidade.

    Conceitos-chave

    • O análogo de uma reta tangente a uma curva é um plano tangente a uma superfície para funções de duas variáveis.
    • Planos tangentes podem ser usados para aproximar valores de funções próximos a valores conhecidos.
    • Uma função é diferenciável em um ponto se for “suave” nesse ponto (ou seja, não existem cantos ou descontinuidades nesse ponto).
    • O diferencial total pode ser usado para aproximar a mudança em uma função\( z=f(x_0,y_0)\) no ponto\( (x_0,y_0)\) para determinados valores de\( Δx\)\( Δy\) e.

    Equações-chave

    • Plano tangente

    \( z=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)\)

    • Aproximação linear

    \( L(x,y)=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)\)

    • Diferencial total

    \( dz=f_x(x_0,y_0)dx+f_y(x_0,y_0)dy\).

    • Diferenciabilidade (duas variáveis)

    \( f(x,y)=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)+E(x,y),\)

    onde o termo de erro é\( E\) satisfatório

    \(\displaystyle \lim_{(x,y)→(x_0,y_0)}\dfrac{E(x,y)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2}}=0\).

    • Diferenciabilidade (três variáveis)

    \( f(x,y)=f(x_0,y_0,z_0)+f_x(x_0,y_0,z_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0,z_0)(y−y_0)+f_z(x_0,y_0,z_0)(z−z_0)+E(x,y,z),\)

    onde o termo de erro é\( E\) satisfatório

    \(\displaystyle \lim_{(x,y,z)→(x_0,y_0,z_0)}\dfrac{E(x,y,z)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2+(z−z_0)^2}}=0\).

    Glossário

    diferenciável

    uma função\( f(x,y)\) é diferenciável em\( (x_0,y_0)\) se\( f(x,y)\) puder ser expressa na forma\( f(x,y)=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)+E(x,y),\)

    onde o termo de erro é\( E(x,y)\) satisfatório\( \lim_{(x,y)→(x_0,y_0)}\dfrac{E(x,y)}{\sqrt{(x−x_0)^2+(y−y_0)^2}}=0\)

    aproximação linear
    dada uma função\( f(x,y)\) e um plano tangente à função em um ponto\( (x_0,y_0)\), podemos aproximar os pontos\( f(x,y)\) próximos\( (x_0,y_0)\) usando a fórmula do plano tangente
    plano tangente
    dada uma função\( f(x,y)\) que é diferenciável em um ponto\( (x_0,y_0)\), a equação do plano tangente à superfície\( z=f(x,y)\) é dada por\( z=f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x−x_0)+f_y(x_0,y_0)(y−y_0)\)
    diferencial total
    o diferencial total da função\( f(x,y)\) at\( (x_0,y_0)\) é dado pela fórmula\( dz=f_x(x_0,y_0)dx+fy(x_0,y_0)dy\)