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Calculus · real student question

Calcular el gradiente y la derivada direccional en la dirección del vector (0, -1) de la función f(x, y) = x^2 y + x e^(-xy).

Question

Calcular el gradiente y la derivada direccional en la dirección v=(0,−1)T\mathbf{v}=(0,-1)^{T} de

f(x,y)=x2y+xe−xy.f(x,y)=x^{2}y+x e^{-xy}.

Step-by-step solution

  1. Recordar la regla y comprobar el vector dirección. Para un vector unitario v\mathbf v, la derivada direccional es el producto escalar Dvf=∇f⋅vD_{\mathbf v}f=\nabla f\cdot \mathbf v. Aquí ∥(0,−1)∥=02+(−1)2=1\|(0,-1)\|=\sqrt{0^2+(-1)^2}=1, así que v\mathbf v ya es unitario y no hace falta normalizarlo. Si no lo fuera, habría que dividir primero entre su norma.

  2. Derivar respecto de xx. El término x2yx^2y da 2xy2xy. El término xe−xyxe^{-xy} requiere la regla del producto junto con la regla de la cadena, ya que ∂xe−xy=−ye−xy\partial_x e^{-xy}=-y e^{-xy}:

    ∂∂x(xe−xy)=e−xy−xy e−xy.\frac{\partial}{\partial x}\left(xe^{-xy}\right)=e^{-xy}-xy\,e^{-xy}.

    Por tanto

    fx=2xy+(1−xy)e−xy.f_x=2xy+(1-xy)e^{-xy}.

  3. Derivar respecto de yy. Ahora xx actúa como constante, así que x2yx^2y da x2x^2, y ∂ye−xy=−xe−xy\partial_y e^{-xy}=-x e^{-xy} convierte el segundo término en −x2e−xy-x^2 e^{-xy}:

    fy=x2−x2e−xy=x2(1−e−xy).f_y=x^{2}-x^{2}e^{-xy}=x^{2}\left(1-e^{-xy}\right).

  4. Ensamblar el gradiente.

    ∇f(x,y)=(2xy+(1−xy)e−xyx2(1−e−xy)).\nabla f(x,y)=\begin{pmatrix}2xy+(1-xy)e^{-xy}\\[2pt] x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)\end{pmatrix}.

  5. Multiplicar escalarmente por la dirección. Como v=(0,−1)\mathbf v=(0,-1) anula la primera componente, solo sobrevive la parcial respecto de yy, con el signo cambiado:

    Dvf=∇f⋅(0,−1)=−fy=−x2(1−e−xy)=x2(e−xy−1).D_{\mathbf v}f=\nabla f\cdot(0,-1)=-f_y=-x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)=x^{2}\left(e^{-xy}-1\right).

    Eso es exactamente lo que dice la geometría: moverse en la dirección −y-y es avanzar en sentido contrario al eje yy, de modo que la razón de cambio es la opuesta de fyf_y.

  6. Comprobar numéricamente. En (x,y)=(1.3,0.7)(x,y)=(1.3,0.7) una diferencia central da fx≈1.856227f_x\approx 1.856227 y fy≈1.009734f_y\approx 1.009734, en concordancia con las fórmulas, y Dvf≈−1.009734D_{\mathbf v}f\approx-1.009734. En (−2,1.5)(-2,1.5) la fórmula da Dvf≈76.342D_{\mathbf v}f\approx 76.342, que de nuevo coincide con la derivada numérica.

Answer

∇f=(2xy+(1−xy)e−xy, x2(1−e−xy)),D(0,−1)f=−x2(1−e−xy)\nabla f=\left(2xy+(1-xy)e^{-xy},\ x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)\right),\qquad D_{(0,-1)}f=-x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)

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