#LyX 2.3 created this file. For more info see http://www.lyx.org/ \lyxformat 544 \begin_document \begin_header \save_transient_properties true \origin unavailable \textclass book \use_default_options true \maintain_unincluded_children false \language spanish \language_package default \inputencoding auto \fontencoding global \font_roman "default" "default" \font_sans "default" "default" \font_typewriter "default" "default" \font_math "auto" "auto" \font_default_family default \use_non_tex_fonts false \font_sc false \font_osf false \font_sf_scale 100 100 \font_tt_scale 100 100 \use_microtype false \use_dash_ligatures true \graphics default \default_output_format default \output_sync 0 \bibtex_command default \index_command default \paperfontsize default \spacing single \use_hyperref false \papersize default \use_geometry false \use_package amsmath 1 \use_package amssymb 1 \use_package cancel 1 \use_package esint 1 \use_package mathdots 1 \use_package mathtools 1 \use_package mhchem 1 \use_package stackrel 1 \use_package stmaryrd 1 \use_package undertilde 1 \cite_engine basic \cite_engine_type default \biblio_style plain \use_bibtopic false \use_indices false \paperorientation portrait \suppress_date false \justification true \use_refstyle 1 \use_minted 0 \index Index \shortcut idx \color #008000 \end_index \secnumdepth 3 \tocdepth 3 \paragraph_separation indent \paragraph_indentation default \is_math_indent 0 \math_numbering_side default \quotes_style french \dynamic_quotes 0 \papercolumns 1 \papersides 1 \paperpagestyle default \tracking_changes false \output_changes false \html_math_output 0 \html_css_as_file 0 \html_be_strict false \end_header \begin_body \begin_layout Section Derivadas \end_layout \begin_layout Standard Sean \begin_inset Formula $E$ \end_inset y \begin_inset Formula $F$ \end_inset normados, \begin_inset Formula $\Omega\subseteq E$ \end_inset abierto y \begin_inset Formula $f:\Omega\rightarrow F$ \end_inset , dados \begin_inset Formula $a\in\Omega$ \end_inset y \begin_inset Formula $u\in E$ \end_inset , \begin_inset Formula $f$ \end_inset es \series bold derivable \series default en \begin_inset Formula $a$ \end_inset según \begin_inset Formula $u$ \end_inset si existe la \series bold derivada direccional \series default de \begin_inset Formula $f$ \end_inset en \begin_inset Formula $x$ \end_inset según \begin_inset Formula $u$ \end_inset , dada por \begin_inset Formula \[ d_{u}f(x_{0}):=\lim_{t\rightarrow0}\frac{f(a+tu)-f(a)}{t} \] \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Si \begin_inset Formula $u=\vec{e}_{i}$ \end_inset es el vector \begin_inset Formula $i$ \end_inset -ésimo de la base canónica hablamos de la \series bold derivada parcial \series default \begin_inset Formula $i$ \end_inset -ésima, que denotamos \begin_inset Formula \[ \frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a):=d_{i}f(a):=d_{\vec{e}_{i}}f(a) \] \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Si \begin_inset Formula $\vec{u}=\lambda\vec{v}$ \end_inset con \begin_inset Formula $\lambda\in\mathbb{R}$ \end_inset , \begin_inset Formula $d_{\vec{u}}f(t)$ \end_inset existe si y sólo si existe \begin_inset Formula $d_{\vec{v}}f(t)$ \end_inset \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout , pues \begin_inset Formula \[ d_{\vec{u}}f(t)=\lim_{t\rightarrow0}\frac{f(a+t\lambda\vec{v})-f(a)}{t}=\lim_{t\rightarrow0}\frac{f(a+t\lambda\vec{v})-f(a)}{t\lambda}\lambda\overset{t\lambda\rightarrow0}{=}\lambda d_{\vec{v}}f(t) \] \end_inset \end_layout \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard \begin_inset Formula $f:(a,b)\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ \end_inset es derivable en \begin_inset Formula $x_{0}$ \end_inset si cada una de sus coordenadas lo es, y entonces \begin_inset Formula $f'(x_{0})=(f'_{1}(x_{0}),\dots,f'_{n}(x_{0}))$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Section Diferenciales \end_layout \begin_layout Standard Sea \begin_inset Formula $\Omega\subseteq E$ \end_inset abierto, \begin_inset Formula $f:\Omega\rightarrow F$ \end_inset y \begin_inset Formula $a\in\Omega$ \end_inset , \begin_inset Formula $f$ \end_inset es \series bold diferenciable \series default en \begin_inset Formula $a$ \end_inset si existe una aplicación lineal \begin_inset Formula $L:E\rightarrow F$ \end_inset tal que \begin_inset Formula \[ \lim_{h\rightarrow0}\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}=0 \] \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Esta aplicación es la \series bold diferencial \series default de \begin_inset Formula $f$ \end_inset en \begin_inset Formula $a$ \end_inset , denotada por \begin_inset Formula $df(a)$ \end_inset , y si existe es única. \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout \series bold Demostración: \series default Sean \begin_inset Formula $L,M:E\rightarrow F$ \end_inset dos diferenciales de \begin_inset Formula $f$ \end_inset en \begin_inset Formula $a$ \end_inset . Entonces \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}\frac{L(h)-M(h)}{\Vert h\Vert}=\lim_{h\rightarrow0}\left(\frac{f(a+h)-f(a)-M(h)}{\Vert h\Vert}-\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}\right)=0-0=0$ \end_inset , pero entonces, dado \begin_inset Formula $v\neq0$ \end_inset arbitrario, \begin_inset Formula $0=\lim_{t\rightarrow0^{+}}\frac{L(tv)-M(tv)}{\Vert tv\Vert}=\lim_{t\rightarrow0^{+}}\frac{L(v)-M(v)}{\Vert v\Vert}$ \end_inset , con lo que \begin_inset Formula $L(v)=M(v)$ \end_inset y \begin_inset Formula $L=M$ \end_inset . \end_layout \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Escribimos \begin_inset Formula $L\equiv M$ \end_inset si \begin_inset Formula $M$ \end_inset es la matriz asociada a la aplicación lineal \begin_inset Formula $L$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard \begin_inset Formula $f:\Omega\subseteq\mathbb{R}^{m}\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ \end_inset es diferenciable en \begin_inset Formula $a\in\Omega$ \end_inset con diferencial \begin_inset Formula $L$ \end_inset si y sólo si cada \begin_inset Formula $f_{i}:\mathbb{R}^{m}\rightarrow\mathbb{R}$ \end_inset , \begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,n\}$ \end_inset , es diferenciable con diferencial \begin_inset Formula $L_{i}$ \end_inset \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout , pues \begin_inset Formula $\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}\rightarrow0\iff\forall i\in\{1,\dots,n\},\left(\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}\right)_{i}\rightarrow0\iff\frac{f_{i}(a+h)-f_{i}(a)-L_{i}(h)}{\Vert h\Vert}\rightarrow0$ \end_inset \end_layout \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard Si \begin_inset Formula $f:\Omega\subseteq E\rightarrow F$ \end_inset es diferenciable en \begin_inset Formula $a\in\Omega$ \end_inset , también es continua en \begin_inset Formula $a$ \end_inset . \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout \series bold Demostración: \series default \begin_inset Formula $f$ \end_inset es continua en \begin_inset Formula $a$ \end_inset si y sólo si \begin_inset Formula $\lim_{x\rightarrow a}f(x)=f(a)$ \end_inset , si y sólo si \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}f(a+h)-f(a)=0$ \end_inset . Pero si \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}=0$ \end_inset , multiplicando por \begin_inset Formula $\Vert h\Vert$ \end_inset , que tiende a 0, tenemos \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}f(a+h)-f(a)-L(h)=0$ \end_inset , y como \begin_inset Formula $L(h)$ \end_inset tiende a 0 nos queda la expresión de arriba. \end_layout \end_inset \end_layout \begin_layout Standard \begin_inset Formula $f:\Omega\subseteq\mathbb{R}^{m}\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ \end_inset es diferenciable en \begin_inset Formula $a\in\Omega$ \end_inset ( \begin_inset Formula $\Omega$ \end_inset abierto) si para todo \begin_inset Formula $P\in\Omega$ \end_inset existen todas las derivadas parciales \begin_inset Formula $\frac{\partial f_{i}}{\partial x_{j}}(P)$ \end_inset y son continuas en \begin_inset Formula $a$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard \series bold Demostración: \series default Podemos suponer \begin_inset Formula $n=1$ \end_inset , pues de lo contrario basta probar que cada \begin_inset Formula $f_{i}$ \end_inset es diferenciable en \begin_inset Formula $a$ \end_inset . Se trata pues de probar que \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(a+h)-f(a)-\sum_{i=1}^{m}\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)h_{i}}{\Vert h\Vert}=0$ \end_inset , lo que ocurre si y sólo si \begin_inset Formula \begin{eqnarray*} 0 & = & \lim_{h\rightarrow0}\frac{|f(a+h)-f(a)-\sum_{i=1}^{m}\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)h_{i}|}{\Vert h\Vert}=\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(a+\sum_{i=1}^{m}h_{i}\vec{e}_{i})-f(a)-\sum_{i=1}^{m}\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)h_{i}}{\Vert h\Vert}\\ & = & \lim_{h\rightarrow0}\frac{\left|\sum_{i=1}^{m}\left(f(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i}\vec{e}_{i})-f(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i-1}\vec{e}_{i-1})-\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)h_{i}\right)\right|}{\Vert h\Vert} \end{eqnarray*} \end_inset El último sumatorio con sus dos primeros elementos forma una \series bold suma telescópica \series default : todos los elementos se anulan salvo el primero y el último. Sabemos que cada \begin_inset Formula $a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i}\vec{e}_{i}$ \end_inset está en el dominio de \begin_inset Formula $f$ \end_inset porque \begin_inset Formula $\Omega$ \end_inset es abierto y \begin_inset Formula $h$ \end_inset se supone lo suficientemente pequeño. Ahora llamamos \begin_inset Formula $\varphi_{i}(t)\coloneqq f(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i-1}\vec{e}_{i-1}+t\vec{e}_{i})$ \end_inset , con lo que \begin_inset Formula $\varphi'_{i}(t)=\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i-1}\vec{e}_{i-1}+t\vec{e}_{i})$ \end_inset , y \begin_inset Formula $\Delta_{i}\coloneqq \varphi_{i}(h_{i})-\varphi_{i}(0)=f(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i}\vec{e}_{i})-f(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i-1}\vec{e}_{i-1})=\varphi'_{i}(\xi_{i})h_{i}$ \end_inset para algún \begin_inset Formula $\xi_{i}$ \end_inset entre 0 y \begin_inset Formula $h_{i}$ \end_inset , que tiende a 0. Sustituyendo nos queda que lo anterior es igual a \begin_inset Formula \[ \lim_{h\rightarrow0}\frac{\left|\sum_{i=1}^{m}\varphi'_{i}(\xi_{i})h_{i}-\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)h_{i}\right|}{\Vert h\Vert} \] \end_inset Entonces, \begin_inset Formula \begin{eqnarray*} 0 & \leq & \frac{\left|\sum_{i=1}^{m}\varphi'_{i}(\xi_{i})h_{i}-\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)h_{i}\right|}{\Vert h\Vert_{\infty}}\\ & \leq & \left|\sum_{i=1}^{m}\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a+h_{1}\vec{e}_{1}+\dots+h_{i-1}\vec{e}_{i-1}+\xi_{i}\vec{e}_{i})-\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a)\right|\frac{\left|h_{i}\right|}{\Vert h\Vert_{\infty}}\rightarrow0 \end{eqnarray*} \end_inset Que esta última expresión tienda a 0 se debe a que \begin_inset Formula $0\leq\frac{|h_{i}|}{\Vert h\Vert_{\infty}}\leq1$ \end_inset y a que las derivadas parciales de \begin_inset Formula $f$ \end_inset sean continuas y por tanto \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(a+\dots)=\frac{\partial f}{\partial x_{i}}(\lim_{h\rightarrow0}(a+\dots))$ \end_inset . Entonces, por la regla del sandwich, el límite inicial tiende a 0. Hemos utilizado la norma \begin_inset Formula $\Vert\cdot\Vert_{\infty}$ \end_inset , pero como dada una norma \begin_inset Formula $\Vert\cdot\Vert$ \end_inset \begin_inset Formula $\exists\alpha,\beta>0:\forall h,\alpha\leq\frac{\Vert h\Vert_{\infty}}{\Vert h\Vert}\leq\beta$ \end_inset , la convergencia a 0 no depende de la norma que tomemos. \end_layout \begin_layout Section Regla de la cadena \end_layout \begin_layout Standard La \series bold regla de la cadena \series default afirma que si \begin_inset Formula ${\cal U}\subseteq\mathbb{R}^{m}$ \end_inset y \begin_inset Formula ${\cal V}\subseteq\mathbb{R}^{n}$ \end_inset son abiertos, \begin_inset Formula $a\in{\cal U}$ \end_inset y \begin_inset Formula ${\cal U}\overset{f}{\rightarrow}{\cal V}\overset{g}{\rightarrow}\mathbb{R}^{k}$ \end_inset son diferenciables en \begin_inset Formula $a$ \end_inset y en \begin_inset Formula $f(a)$ \end_inset , respectivamente, entonces \begin_inset Formula $g\circ f$ \end_inset es diferenciable en \begin_inset Formula $a$ \end_inset y \begin_inset Formula $d(g\circ f)(a)=dg(f(a))\circ df(a)$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard \series bold Demostración: \series default Sean \begin_inset Formula $L\coloneqq df(a):\mathbb{R}^{m}\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ \end_inset y \begin_inset Formula $S\coloneqq dg(f(a)):\mathbb{R}^{n}\rightarrow\mathbb{R}^{k}$ \end_inset , tenemos que \begin_inset Formula \[ \lim_{h\rightarrow0}\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}=\lim_{\eta\rightarrow0}\frac{g(f(a)+\eta)-g(f(a))-S(\eta)}{\Vert\eta\Vert}=0 \] \end_inset y queremos ver que \begin_inset Formula \[ \lim_{h\rightarrow0}\frac{g(f(a+h))-g(f(a))-S(L(h))}{\Vert h\Vert}=0 \] \end_inset Si llamamos \begin_inset Formula $\eta\coloneqq f(a+h)-f(a)$ \end_inset , que tiende a 0 por la continuidad de \begin_inset Formula $f$ \end_inset en \begin_inset Formula $a$ \end_inset , entonces \begin_inset Formula \begin{multline*} \lim_{h\rightarrow0}\frac{g(f(a+h))-g(f(a))-S(L(h))}{\Vert h\Vert}=\lim_{h\rightarrow0}\frac{g(f(a)+\eta)-g(f(a))-S(\eta)}{\Vert h\Vert}+\frac{S(\eta)-S(L(h))}{\Vert h\Vert}\\ =\lim_{h\rightarrow0}\frac{g(f(a)+\eta)-g(f(a))-S(\eta)}{\Vert\eta\Vert}\frac{\Vert\eta\Vert}{\Vert h\Vert}-S\left(\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}\right) \end{multline*} \end_inset Como \begin_inset Formula $S\left(\frac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\Vert h\Vert}\right)\rightarrow0$ \end_inset usando la linealidad de \begin_inset Formula $S$ \end_inset y su continuidad (que se deduce de su linealidad), y como \begin_inset Formula $\frac{g(f(a)+\eta)-g(f(a))-S(\eta)}{\Vert\eta\Vert}\rightarrow0$ \end_inset , el límite tenderá a 0 si y sólo si \begin_inset Formula $\frac{\Vert\eta\Vert}{\Vert h\Vert}$ \end_inset es acotado, pero \begin_inset Formula \begin{eqnarray*} 0 & \leq & \frac{\Vert\eta\Vert}{\Vert h\Vert}=\frac{\Vert f(a+h)-f(a)-L(h)+L(h)\Vert}{\Vert h\Vert}\\ & \leq & \frac{\Vert f(a+h)-f(a)-L(h)\Vert}{\Vert h\Vert}+\frac{\Vert L(h)\Vert}{\Vert h\Vert}\rightarrow0+\frac{\Vert L(h)\Vert}{\Vert h\Vert}\leq\frac{\Vert L\Vert\Vert h\Vert}{\Vert h\Vert}<+\infty \end{eqnarray*} \end_inset por la continuidad de \begin_inset Formula $L$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Section Incremento finito \end_layout \begin_layout Standard El \series bold teorema del incremento finito \series default afirma que, sean \begin_inset Formula $f:\Omega\subseteq\mathbb{R}^{m}\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ \end_inset , \begin_inset Formula $a,b\in\Omega$ \end_inset con el segmento \begin_inset Formula $[a,b]\subseteq\Omega$ \end_inset y \begin_inset Formula $M>0$ \end_inset , si \begin_inset Formula $\Vert df(x)\Vert\leq M$ \end_inset para todo \begin_inset Formula $x\in[a,b]$ \end_inset se tiene \begin_inset Formula $\Vert f(b)-f(a)\Vert\leq M\Vert b-a\Vert$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard \series bold Demostración: \series default Fijado \begin_inset Formula $\varepsilon>0$ \end_inset , sabemos que para \begin_inset Formula $x\in[a,b]$ \end_inset , \begin_inset Formula $\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(x+h)-f(x)-df(x)(h)}{\Vert h\Vert}=0$ \end_inset y por tanto existe \begin_inset Formula $\delta_{x}>0$ \end_inset tal que para \begin_inset Formula $\Vert h\Vert<\delta_{x}$ \end_inset se tiene \begin_inset Formula \[ \Vert f(x+h)-f(x)-df(x)(h)\Vert<\varepsilon\Vert h\Vert \] \end_inset con lo que \begin_inset Formula \[ \Vert f(x+h)-f(x)\Vert-\Vert df(x)(h)\Vert\leq\Vert f(x+h)-f(x)-df(x)(h)\Vert<\varepsilon\Vert h\Vert \] \end_inset y por tanto \begin_inset Formula \[ \Vert f(x+h)-f(x)\Vert<\varepsilon\Vert h\Vert+\Vert df(x)(h)\Vert\leq\varepsilon\Vert h\Vert+\Vert df(x)\Vert\Vert h\Vert\leq(\varepsilon+M)\Vert h\Vert \] \end_inset Esta desigualdad depende de \begin_inset Formula $\delta_{x}$ \end_inset y por tanto de \begin_inset Formula $x$ \end_inset . Sea entonces \begin_inset Formula $\{B(x,\frac{\delta_{x}}{2})\}_{x\in[a,b]}$ \end_inset un re \begin_inset ERT status open \begin_layout Plain Layout \backslash - \end_layout \end_inset cu \begin_inset ERT status open \begin_layout Plain Layout \backslash - \end_layout \end_inset bri \begin_inset ERT status open \begin_layout Plain Layout \backslash - \end_layout \end_inset mien \begin_inset ERT status open \begin_layout Plain Layout \backslash - \end_layout \end_inset to por abiertos de \begin_inset Formula $[a,b]$ \end_inset y \begin_inset Formula $\{B_{i}\}_{i=1}^{k}\coloneqq \{B(x_{i},\frac{\delta_{x_{i}}}{2})\}_{i=1}^{k}$ \end_inset un subrecubrimiento finito del que suponemos que no podemos quitar ninguna bola. Ahora llamamos \begin_inset Formula $x_{0}\coloneqq a$ \end_inset y \begin_inset Formula $x_{k+1}\coloneqq b$ \end_inset y suponemos \begin_inset Formula $a=x_{0}x_{i+1}$ \end_inset y entonces \begin_inset Formula $B_{i+1}\subseteq B_{j}$ \end_inset , pero entonces podríamos quitar una bola del recubrimiento \begin_inset Formula $\#$ \end_inset . Por tanto \begin_inset Formula $\Vert x_{i+1}-x_{i}\Vert<\frac{\delta_{x_{i}}}{2}+\frac{\delta_{x_{i+1}}}{2}\leq\max\{\delta_{x_{i}},\delta_{x_{i+1}}\}$ \end_inset . Finalmente tenemos que \begin_inset Formula $\Vert f(b)-f(a)\Vert=\Vert f(x_{k+1})-f(x_{k})+\dots+f(x_{1})-f(x_{0})\Vert\leq\sum_{i=0}^{k}\Vert f(x_{i+1})-f(x_{i})\Vert\leq\sum_{i=0}^{k}\Vert x_{i+1}-x_{i}\Vert(M+\varepsilon)$ \end_inset y, como todos los \begin_inset Formula $x_{i+1}-x_{i}$ \end_inset tienen la forma \begin_inset Formula $\lambda(b-a)$ \end_inset con \begin_inset Formula $\lambda>0$ \end_inset , entonces \begin_inset Formula $\sum_{i=0}^{k}\Vert x_{i+1}-x_{i}\Vert(M+\varepsilon)=\Vert b-a\Vert(M+\varepsilon)$ \end_inset . Como esto se da para todo \begin_inset Formula $\varepsilon>0$ \end_inset , el resultado queda probado. \end_layout \end_body \end_document