Càlcul de la matriu Jacobiana d’una funció vectorial

Càlcul de la matriu Jacobiana d’una funció vectorial
25 d'abril de 2025 No hi ha comentaris General Oscar Alex Fernandez Mora

Per determinar la matriu Jacobiana de la funció vectorial $\mathbf{f}(x, y, z) = \left( z \tan(x^2 – y^2), xy \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right)$ en el punt $(2, -2, 2)$, seguim els passos següents. La matriu Jacobiana d’una funció vectorial $\mathbf{f}: \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^2$ es construeix a partir de les derivades parcials de les seves components respecte a les variables d’entrada.


Definició de la matriu Jacobiana

La funció donada és:

$$\mathbf{f}(x, y, z) = \left( f_1(x, y, z), f_2(x, y, z) \right),$$

on:

$$f_1(x, y, z) = z \tan(x^2 – y^2),$$

$$f_2(x, y, z) = xy \ln\left(\frac{z}{2}\right).$$

La matriu Jacobiana $J_{\mathbf{f}}$ d’una funció $\mathbf{f}: \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^2$ és una matriu $2 \times 3$ les files de la qual són els gradients de les components $f_1$ i $f_2$:

$$J_{\mathbf{f}} = \begin{bmatrix}
\frac{\partial f_1}{\partial x} & \frac{\partial f_1}{\partial y} & \frac{\partial f_1}{\partial z} \\
\frac{\partial f_2}{\partial x} & \frac{\partial f_2}{\partial y} & \frac{\partial f_2}{\partial z}
\end{bmatrix}.$$

Calculem cada derivada parcial i les avaluem en el punt $(x, y, z) = (2, -2, 2)$.


Pas 1: Calcular les derivades parcials de $f_1$

La primera component és:

$$f_1(x, y, z) = z \tan(x^2 – y^2).$$

  • Derivada parcial respecte a $x$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} \left[ z \tan(x^2 – y^2) \right].$$

Com que $z$ i $y$ són constants respecte a $x$, apliquem la regla del producte i la regla de la cadena:

$$\frac{\partial f_1}{\partial x} = z \cdot \frac{\partial}{\partial x} \left[ \tan(x^2 – y^2) \right].$$

La derivada de $\tan(u)$ és $\sec^2(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial x}$, amb $u = x^2 – y^2$. Llavors:

$$\frac{\partial}{\partial x} \left[ \tan(x^2 – y^2) \right] = \sec^2(x^2 – y^2) \cdot \frac{\partial}{\partial x} (x^2 – y^2).$$

$$\frac{\partial}{\partial x} (x^2 – y^2) = 2x.$$

Per tant:

$$\frac{\partial f_1}{\partial x} = z \sec^2(x^2 – y^2) \cdot 2x = 2xz \sec^2(x^2 – y^2).$$

  • Derivada parcial respecte a $y$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left[ z \tan(x^2 – y^2) \right].$$

Ara $x$ i $z$ són constants:

$$\frac{\partial f_1}{\partial y} = z \cdot \frac{\partial}{\partial y} \left[ \tan(x^2 – y^2) \right].$$

$$\frac{\partial}{\partial y} \left[ \tan(x^2 – y^2) \right] = \sec^2(x^2 – y^2) \cdot \frac{\partial}{\partial y} (x^2 – y^2).$$

$$\frac{\partial}{\partial y} (x^2 – y^2) = -2y.$$

Per tant:

$$\frac{\partial f_1}{\partial y} = z \sec^2(x^2 – y^2) \cdot (-2y) = -2yz \sec^2(x^2 – y^2).$$

  • Derivada parcial respecte a $z$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial z} = \frac{\partial}{\partial z} \left[ z \tan(x^2 – y^2) \right].$$

Com que $\tan(x^2 – y^2)$ no depèn de $z$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial z} = \tan(x^2 – y^2) \cdot 1 = \tan(x^2 – y^2).$$


Pas 2: Calcular les derivades parcials de $f_2$

La segona component és:

$$f_2(x, y, z) = xy \ln\left(\frac{z}{2}\right).$$

  • Derivada parcial respecte a $x$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} \left[ xy \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right].$$

Com que ( y ) i ( \ln\left(\frac{z}{2}\right) ) són constants respecte a $x$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial x} = y \ln\left(\frac{z}{2}\right) \cdot 1 = y \ln\left(\frac{z}{2}\right).$$

  • Derivada parcial respecte a $y$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left[ xy \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right].$$

Ara $x$ i $\ln\left(\frac{z}{2}\right)$ són constants:

$$\frac{\partial f_2}{\partial y} = x \ln\left(\frac{z}{2}\right) \cdot 1 = x \ln\left(\frac{z}{2}\right).$$

  • Derivada parcial respecte a $z$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial z} = \frac{\partial}{\partial z} \left[ xy \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right].$$

Com que $xy$ és constant respecte a $z$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial z} = xy \cdot \frac{\partial}{\partial z} \left[ \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right].$$

Sabem que:

$$\ln\left(\frac{z}{2}\right) = \ln(z) – \ln(2).$$

Llavors:

$$\frac{\partial}{\partial z} \left[ \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right] = \frac{\partial}{\partial z} \left[ \ln(z) – \ln(2) \right] = \frac{1}{z}.$$

Per tant:

$$\frac{\partial f_2}{\partial z} = xy \cdot \frac{1}{z} = \frac{xy}{z}.$$


Pas 3: Construir la matriu Jacobiana

La matriu Jacobiana és:

$$J_{\mathbf{f}} = \begin{bmatrix}
2xz \sec^2(x^2 – y^2) & -2yz \sec^2(x^2 – y^2) & \tan(x^2 – y^2) \\
y \ln\left(\frac{z}{2}\right) & x \ln\left(\frac{z}{2}\right) & \frac{xy}{z}
\end{bmatrix}.$$


Pas 4: Avaluar la matriu en el punt $(2, -2, 2)$

Substituïm $x = 2$, $y = -2$, $z = 2$.

Primera fila ($f_1$)

  • Component $\frac{\partial f_1}{\partial x}$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial x} = 2xz \sec^2(x^2 – y^2).$$

Calculem $x^2 – y^2$:

$$x^2 – y^2 = 2^2 – (-2)^2 = 4 – 4 = 0.$$

Llavors:

$$\sec^2(x^2 – y^2) = \sec^2(0) = \frac{1}{\cos^2(0)} = \frac{1}{1} = 1.$$

Substituïm:

$$\frac{\partial f_1}{\partial x} = 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 1 = 8.$$

  • Component $\frac{\partial f_1}{\partial y}$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial y} = -2yz \sec^2(x^2 – y^2).$$

Ja tenim $\sec^2(0) = 1$. Substituïm:

$$\frac{\partial f_1}{\partial y} = -2 \cdot (-2) \cdot 2 \cdot 1 = 8.$$

  • Component $\frac{\partial f_1}{\partial z}$:

$$\frac{\partial f_1}{\partial z} = \tan(x^2 – y^2).$$

$$\tan(x^2 – y^2) = \tan(0) = 0.$$

Segona fila ($f_2$)

  • Component $\frac{\partial f_2}{\partial x}$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial x} = y \ln\left(\frac{z}{2}\right).$$

$$\frac{z}{2} = \frac{2}{2} = 1, \quad \ln(1) = 0.$$

$$\frac{\partial f_2}{\partial x} = (-2) \cdot 0 = 0.$$

  • Component $\frac{\partial f_2}{\partial y}$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial y} = x \ln\left(\frac{z}{2}\right).$$

$$\frac{\partial f_2}{\partial y} = 2 \cdot 0 = 0.$$

  • Component $\frac{\partial f_2}{\partial z}$:

$$\frac{\partial f_2}{\partial z} = \frac{xy}{z}.$$

$$\frac{\partial f_2}{\partial z} = \frac{2 \cdot (-2)}{2} = \frac{-4}{2} = -2.$$


Pas 5: Escriure la matriu Jacobiana avaluada

La matriu Jacobiana en $(2, -2, 2)$ és:

$$J_{\mathbf{f}}(2, -2, 2) = \begin{bmatrix}
8 & 8 & 0 \\
0 & 0 & -2
\end{bmatrix}.$$


Resposta final

La matriu Jacobiana de la funció $\mathbf{f}(x, y, z) = \left( z \tan(x^2 – y^2), xy \ln\left(\frac{z}{2}\right) \right)$ en el punt $(2, -2, 2)$ és:

$$\boxed{\begin{bmatrix}
8 & 8 & 0 \\
0 & 0 & -2
\end{bmatrix}}$$

Sobre l'autor
Oscar Alex Fernandez Mora Etern estudiant de la Rússia tsarista. Gran aficionat als destil·lats i als fermentats. Malaltís de llibres de la MIR i entusiasta del #LaTeX. Soci de l’ACBC. Important actiu del projecte Campana de Gauss www.campanadegauss.cat

Leave a reply

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *