52 13. TEOREMA DELLA FUNZIONE IMPLICITA E INVERSA sono (h, k)) sia tangente a tale insieme in (x, y). Nel punto (2, 1) si ha che tale retta è C + 2h − k = 0. Essa deve passare per (2, 1), quindi posto h = 2, k = 1 si ha C = −3. L’equazione della tangente in (2, 1) è quindi k = 2h − 3, pertanto ϕ ′ (2) = 2, ovvero il coefficiente angolare della tangente. Esercizio 13.5. Mostrare che l’equazione: xe y − y + 1 = 0, definisce, in un intorno del punto x = 0, una ed una sola funzione continua implic<strong>it</strong>a y = ϕ(x), che per x = 0 assume il valore 1. Calcolarne derivata prima e seconda. Svolgimento. Poniamo f(x, y) = xe y − y + 1, f ∈ C ∞ (R 2 ). Si ha f(0, 1) = 0. Calcoliamone le derivate ∂xf(x, y) = e y , ∂yf(x, y) = xe y − 1. Si ha ∂yf(0, 1) = −1 = 0, pertanto è possibile applicare il teorema di Dini e concludere l’esistenza di una funzione ϕ implic<strong>it</strong>amente defin<strong>it</strong>a da f(x, y) = 0 in un intorno di (0, 1) con ϕ(0) = 1. Tale funzione risulta C 1 perché f ∈ C 1 . Si ha: Si ricava ϕ ′ (0) = e. Derivando si ottiene: ϕ ′ (x) = − ∂xf(x, ϕ(x)) xe y − 1 = − eϕ(x) xe ϕ(x) − 1 ϕ ′′ (x) = − eϕ(x) ϕ ′ (x)(xe ϕ(x) − 1) − e ϕ(x) (e ϕ(x) + xe ϕ(x) ϕ ′ (x)) (xe ϕ(x) − 1) 2 da cui sost<strong>it</strong>uendo si ha ϕ ′′ (0) = e 2 . Esercizio 13.6. Provare che l’equazione x 2 y − z 3 + 4xy 3 z + x 3 z + 30 = 0 = e2ϕ(x) (1 − xϕ ′ (x)) (xeϕ(x) − 1) 2 , definisce, in un intorno del punto (1, 2), una funzione continua e parzialmente derivabile z = ϕ(x, y) che per x = 1, y = 2 assume il valore −1. Calcolare le derivate parziali di ϕ. Svolgimento. Poniamo f(x, y, z) = x 2 y − z 3 + 4xy 3 z + x 3 z + 30, osserviamo che f(1, 2, −1) = 2 + 1 − 32 − 1 + 30 = 0. Calcoliamo le derivate parziali di f: ∂xf(x, y, z) = 2xy + 4xy 3 + 3x 2 z ∂yf(x, y, z) = x 2 + 12xy 2 z ∂zf(x, y, z) = −3z 2 + 4xy 3 + x 3 Si ha ∂zf(1, 2, −1) = −3 + 32 + 1 = 30 = 0, pertanto è possibile applicare il teorema di Dini ed ottenere così una funzione z = ϕ(x, y) defin<strong>it</strong>a in un intorno di (1, 2) con ϕ(1, 2) = −1. Tale funzione è C 1 perché f ∈ C 1 . Calcoliamone le derivate parziali: ∂xϕ(x, y) = − ∂xf(x, y, ϕ(x, y)) ∂zf(x, y, ϕ(x, y)) = −2xy + 4xy3 + 3x2ϕ(x, y) −3ϕ2 (x, y) + 4xy3 + x3 ∂yϕ(x, y) = − ∂xf(x, y, ϕ(x, y)) ∂zf(x, y, ϕ(x, y)) = − x2 + 12xy 2 ϕ(x, y) −3ϕ 2 (x, y) + 4xy 3 + x 3 In particolare si ha ∂xϕ(1, 2) = 31/30 e ∂yϕ(1, 2) = 47/30. Esercizio 13.7. Il sistema: f1(x, y, z) = x 2 + y 2 − z 2 + 2 = 0 f2(x, y, z) = xy + 2yz − xz + 7 = 0, è verificato per x = 1, y = −1, z = 2. Far vedere che esso definisce y e z come funzioni implic<strong>it</strong>e della x in un intorno di x = 1 e che y(x) e z(x) assumono per x = 1 rispettivamente i valori −1 e 2. Calcolare poi y ′ (1) e z ′ (1). Svolgimento. Poniamo F (x, y, z) := (f1(x, y, z), f2(x, y, z)). Si ha F : R3 → R2 . Calcoliamo la matrice Jacobiana di F : 2x 2y −2z Jac(F )(x, y, z) = y − z x + 2z 2y − x .
13. TEOREMA DELLA FUNZIONE IMPLICITA E INVERSA 53 Per poter esplic<strong>it</strong>are y e z come funzioni della x, è necessario vedere se lo Jacobiano parziale fatto rispetto a y e z, calcolato nel punto (1, −1, 2), sia o meno degenere. Tale Jacobiano parziale è la matrice formata dalla seconda e terza colonna di Jac(F ) (che corrisponde alle derivate di f1, f2 rispetto a y e a z). Si ha Jac(F )(1, −1, 2) = 2 −2 −4 −3 5 −3 , Jacy,z(F )(1, −1, 2) = −2 −4 5 −3 Lo Jacobiano parziale in (1, −1, 2) è non degenere perché si ha det Jacy,z(F )(1, −1, 2) = <strong>26</strong> = 0. E’ possibile pertanto applicare il teorema di Dini ed esplic<strong>it</strong>are localmente in un intorno di x = 1 la y e la z ottenendo due funzioni y = y(x), z = z(y) con y(1) = −1 e z(1) = 2, si ponga quindi ϕ(x) = (y(x), z(x)). Calcoliamo ora l’inversa della matrice Jacy,z(F )(1, −1, 2): [Jacy,z(F )(1, −1, 2)] −1 = 1 <strong>26</strong> −3 4 −5 −2 Il differenziale parziale rispetto alla x di F nel punto (1, −1, 2) è dato dalla prima colonna della matrice Jacobiana 2 di F , quindi Jacx(F )(1, −1, 2) = . Per il Teorema di Dini si ha: −3 ϕ ′ ′ y (x) (1) = z ′ = −[Jacy,z(F )(1, −1, 2)] (x) −1 Jacx(F )(1, −1, 2) = − 1 −3 4 2 = − <strong>26</strong> −5 −2 −3 1 −18 <strong>26</strong> −4 Quindi y ′ (1) = 9/13 e z ′ (1) = 2/13. . .