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Teoremas de séries e várias variáveis

Teorema de Clairaut (Schwarz): igualdade das derivadas mistas

Teorema de Clairaut (ou de Schwarz): se as derivadas parciais mistas f_xy e f_yx são contínuas, elas são iguais. Enunciado, contraexemplo e exemplos.

Teoremas de séries e várias variáveis Atualizado 4 min de leitura

Visão geral

f_{xy}(a, b) = f_{yx}(a, b)
Também chamado
Teorema de Schwarz, simetria das derivadas de segunda ordem
Hipóteses
f está definida em um disco em torno de (a, b), e f_{xy} e f_{yx} são ambas contínuas nesse disco
Conclusão
f_{xy}(a, b) = f_{yx}(a, b)
Na prática
Derive na ordem que for mais fácil
Usado para
Verificar se um campo vetorial é conservativo, matriz hessiana
Disciplina
Cálculo 3
Nesta página
  1. Enunciado do teorema de Clairaut
  2. O que o teorema de Clairaut significa
  3. Por que a continuidade importa: o contraexemplo clássico
  4. Exemplos resolvidos
  5. Erros comuns
  6. Teoremas e guias relacionados

O teorema de Clairaut (também conhecido como teorema de Schwarz) diz que, para uma função de duas variáveis bem comportada, a ordem em que você calcula as derivadas parciais mistas não importa: derivar em x e depois em y dá o mesmo resultado que derivar em y e depois em x. É por isso que uma função tem uma única matriz hessiana, e não duas.

Enunciado do teorema de Clairaut

Suponha que f(x, y) esteja definida em um disco aberto D que contém o ponto (a, b). Se as derivadas parciais mistas f_{xy} e f_{yx} são ambas contínuas em D, então

f_{xy}(a, b) = f_{yx}(a, b)

Notação: f_{xy} = (f_x)_y significa derivar primeiro em relação a x e depois em relação a y. Na forma de Leibniz, f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y\,\partial x}. O teorema se estende a mais variáveis e ordens maiores: com derivadas parciais contínuas, só importa quantas vezes cada variável aparece.

O que o teorema de Clairaut significa

f_{xy} mede como a inclinação na direção x da superfície muda quando você se move na direção y. f_{yx} mede como a inclinação na direção y muda quando você se move na direção x. Clairaut diz que essas duas "torções" da superfície são o mesmo número.

Tome f(x, y) = x^2 y. Cortar a superfície com y fixo gera as curvas y = 1: x^2, y = 2: 2x^2, y = 3: 3x^2.

Teorema de Clairaut: cortes de f(x, y) = x²y em y = 1, 2, 3
Em x = 1 os cortes têm inclinações em x iguais a 2, 4 e 6, então f_x cresce 2 por unidade de y: f_{xy}(1, y) = 2. Calcular primeiro f_y = x^2 e depois f_{yx} = 2x = 2 dá o mesmo número.

Por que a continuidade importa: o contraexemplo clássico

Defina

f(x, y) = \begin{cases} \dfrac{xy(x^2 - y^2)}{x^2 + y^2} & (x, y) \ne (0, 0) \\ 0 & (x, y) = (0, 0) \end{cases}

Ao longo dos eixos, um cálculo direto pela definição de limite dá f_x(0, y) = -y e f_y(x, 0) = x. Portanto

f_{xy}(0, 0) = \frac{\partial}{\partial y}(-y) = -1, \qquad f_{yx}(0, 0) = \frac{\partial}{\partial x}(x) = 1

As derivadas mistas são diferentes. Isso não contradiz o teorema de Clairaut: f_{xy} e f_{yx} não são contínuas na origem, então a hipótese falha.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: verifique Clairaut para f(x, y) = x^3 y^2 + \sin(xy).

Passo 1. Derivadas parciais de primeira ordem:

f_x = 3x^2 y^2 + y\cos(xy), \qquad f_y = 2x^3 y + x\cos(xy)

Passo 2. Derive f_x em relação a y (regra do produto em y\cos(xy)):

f_{xy} = 6x^2 y + \cos(xy) - xy\sin(xy)

Passo 3. Derive f_y em relação a x (regra do produto em x\cos(xy)):

f_{yx} = 6x^2 y + \cos(xy) - xy\sin(xy)

Elas coincidem, como Clairaut prevê para uma função construída com polinômios e senos.

Exemplo 2: escolha a ordem mais fácil. Encontre f_{xy} para f(x, y) = y e^{x^2} + x\ln(1 + y^4), em qualquer (x, y).

Derivar primeiro em x significa aplicar a regra da cadeia em e^{x^2} e depois em \ln(1 + y^4). Em vez disso, use f_{xy} = f_{yx}:

f_y = e^{x^2} + \frac{4xy^3}{1 + y^4}, \qquad f_{yx} = 2xe^{x^2} + \frac{4y^3}{1 + y^4}

Todas as derivadas parciais são contínuas em todo o plano, então f_{xy} = 2xe^{x^2} + \frac{4y^3}{1 + y^4}.

Exemplo 3: um teste para campos conservativos. Se \mathbf{F} = \langle P, Q \rangle = \nabla f, então P = f_x e Q = f_y, e Clairaut obriga P_y = f_{xy} = f_{yx} = Q_x.

  • \mathbf{F} = \langle 2xy,\; x^2 + 3y^2 \rangle: P_y = 2x = Q_x, compatível com um gradiente, e de fato \mathbf{F} = \nabla(x^2 y + y^3).
  • \mathbf{F} = \langle y,\; -x \rangle: P_y = 1, mas Q_x = -1, então \mathbf{F} não é o gradiente de nenhuma função.

Erros comuns

  1. Ler a notação de Leibniz na ordem errada. \frac{\partial^2 f}{\partial y\,\partial x} significa derivar primeiro em x. Quando Clairaut se aplica a ordem não importa, mas no contraexemplo ela importa.
  2. Supor a igualdade sem continuidade. Funções definidas por partes, com um valor separado em um ponto, são justamente onde Clairaut pode falhar.
  3. Achar que P_y = Q_x sozinho prova que o campo é conservativo. A condição é necessária; ela só é suficiente em uma região simplesmente conexa, uma sutileza ligada ao teorema de Green.

Teoremas e guias relacionados

Para calcular derivadas parciais, veja derivadas parciais. O teorema de Clairaut está por trás do teste do rotacional para campos conservativos, usado com o teorema de Green e o teorema de Stokes, e torna simétrica a expansão de Taylor em várias variáveis.

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Perguntas frequentes

O que diz o teorema de Clairaut?

Se f(x, y) está definida em um disco que contém (a, b) e as derivadas parciais mistas f_{xy} e f_{yx} são ambas contínuas nesse disco, então f_{xy}(a, b) = f_{yx}(a, b).

As derivadas parciais mistas são sempre iguais?

Não. Elas são iguais quando são contínuas, o que inclui quase todas as funções que aparecem no curso. A função f = \frac{xy(x^2 - y^2)}{x^2 + y^2} com f(0, 0) = 0 tem f_{xy}(0, 0) = -1, mas f_{yx}(0, 0) = 1.

O que significa f_xy?

Significa derivar primeiro em relação a x e depois em relação a y: f_{xy} = (f_x)_y. Na notação de Leibniz isso é \frac{\partial^2 f}{\partial y\,\partial x}, com as variáveis lidas da direita para a esquerda.

O teorema de Clairaut vale para derivadas de terceira ordem?

Sim. Se todas as derivadas parciais envolvidas são contínuas, qualquer derivada mista depende apenas de quantas vezes você deriva em relação a cada variável, e não da ordem. Por exemplo, f_{xyy} = f_{yxy} = f_{yyx}.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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