CÁLCULO DIFERENCIAL EN VARIAS VARIABLES

La presente obra tiene como objetivo introducir a los estudiantes en el análisis y el cálculo con funciones reales de varias variables y funciones vectoriales de una y varias variables. Pretende ser un apoyo para que adquieran conocimientos en la materia tratada y desarrollen tanto destrezas en los razonamientos analíticos como habilidades en los cálculos que involucran este tipo de funciones. Con esta finalidad, y teniendo presente nuestra dilatada experiencia docente con alumnado universitario en esta disciplina, se ha optado por demostrar la mayoría de los resultados expuestos realizando gran parte de las pruebas para funciones de dos variables, pues permiten visualizar, comprender y asimilar mejor las teorías que se van construyendo; asimismo, a modo de ejemplos u observaciones, se resuelven alrededor de doscientos ejercicios de manera minuciosa, incluyendo aspectos de modelización. En la presentación de los contenidos se ha puesto especial cuidado en mantener un equilibrio entre el lenguaje formal y el lenguaje cotidiano de modo que la exposición resulte asequible al lector, incluso sirva de utilidad para el aprendizaje autónomo, y en numerosas ocasiones se han incorporado figuras para reforzar la comprensión y desarrollar la intuición. Este libro permite dos tipos de lectura. Por una parte, una lectura más ágil que proporciona un conocimiento intuitivo y práctico del cálculo diferencial en varias variables y sus aplicaciones, para lo cual se han destacado, con tablas, diagramas y numerosas y elaboradas gráficas, los resultados más importantes que uno debe conocer de la materia. Por otra parte, una lectura más profunda y con rigor, adentrándose en las demostraciones de los teoremas más relevantes del cálculo diferencial de un nivel más avanzado que, junto con su motivación y una cuidada formalización, proporcionan al alumno una buena y rigurosa formación matemática en esta disciplina. El texto va dirigido a estudiantes universitarios de Ciencias e Ingenierías en general y, en particular, a los alumnos de los Grados en Matemáticas e Informática, Ciencia de Datos e Inteligencia Artificial, Ingeniería Informática y Doble Grado en Ingeniería Informática y Administración y Dirección de Empresas de la Universidad Politécnica de Madrid. En el desarrollo de la obra se presupone el conocimiento de los principales resultados del cálculo diferencial de una variable y dominio en el manejo de las funciones elementales. No obstante, en muchas ocasiones, se introducen definiciones, propiedades y teoremas recordando previamente los correspondientes al ámbito de una variable con un doble propósito, por una parte, motivar y familiarizar al alumno con el método matemático que extiende teorías de la forma más natural posible, por otra parte y con una clara intención práctica, que el material del libro sea autocontenido.
Se estructura la materia en seis capítulos donde se exponen los contenidos principales del cálculo diferencial de varias variables más un apéndice con material adicional que profundiza en determinados aspectos. Cada capítulo finaliza con una colección de ejercicios propuestos de diferente complejidad, diseñada para reforzar el aprendizaje y profundizar en los conceptos. El primer capítulo se ocupa del espacio en el que se definen, o toman valores, las funciones a tratar: el espacio euclídeo Rn. Tras un somero repaso a su estructura de espacio vectorial normado, se introduce su topología usual. Se demuestra el teorema de Bolzano-Weierstrass y se introducen las sucesiones de Cauchy demostrando la completitud de Rn. Se dedica un pequeño capítulo a introducir las funciones reales de varias variables y las funciones vectoriales. Se definen la gráfica y los conjuntos de nivel de una función real. Se trata la representación gráfica de las funciones reales de dos variables y las funciones vectoriales de una variable con valores en R2 o R3.
En el capítulo tercero se define el límite de una función en un punto y en el infinito y se estudian sus propiedades, que junto con los límites por subconjuntos y los límites iterados proporcionan herramientas para el cálculo de límites. Especial atención se dedica al caso de funciones de dos variables incluyendo además el uso de coordenadas polares entre dichas técnicas. Una segunda parte de este capítulo se destina a la continuidad. Se analizan los casos particulares de aplicaciones lineales y curvas. Se demuestran las versiones en varias variables de los teoremas de acotación, Weierstrass y Bolzano. El estudio de la diferenciabilidad se comienza introduciendo la derivada según un vector y, en particular, las derivadas direccionales y parciales, haciendo énfasis en su interpretación geométrica. La diferenciabilidad se introduce para una función de dos variables como la existencia de un plano tangente a su gráfica, después se generaliza a n variables y se estudian sus propiedades básicas. Se define el vector gradiente que permite calcular derivadas según un vector mediante un producto escalar si la función es diferenciable. Finalmente se estudia la diferenciabilidad de funciones vectoriales destacando las que dependen de una variable. En el capítulo quinto se exponen los principales teorema del cálculo diferencial. Se comienza con la regla de la cadena demostrando el caso de la composición de una función vectorial de una variable con una función de varias variables. Haciendo uso de este resultado se prueba el teorema del valor medio y algunas de sus consecuencias. A continuación se tratan los teoremas de la función implícita y de la función inversa. Se exponen distintos casos del primero, incluyendo su forma general, y se demuestra en el caso de funciones de dos variables; se destacan sus aplicaciones geométricas en el plano y el espacio. Se continúa definiendo derivadas parciales de orden superior para finalizar con el teorema de Taylor. Este se demuestra para funciones de dos variables en los casos de primer y segundo orden. El último capítulo se dedica a la aplicación del cálculo diferencial al estudio de extremos relativos y absolutos de funciones de varias variables. La optimización de funciones, es decir, la obtención de sus extremos absolutos, es un problema especialmente relevante y una de las principales aplicaciones del cálculo diferencial. Cabe destacar la importancia de los resulta-dos teóricos de los capítulos anteriores a la hora de abordar y de establecer técnicas para la resolución de este tipo de problemas, siendo esenciales para demostrar la existencia de solución en los problemas de optimización. En primer lugar, se tratan los extremos relativos encontrando condiciones necesarias y suficiente para su existencia. Después se analizan técnicas de optimización introduciendo entre ellas el método de los multiplicadores de Lagrange y demostrando el teorema homónimo para funciones de dos variables como consecuencia del teorema de la función implícita. Finalmente, queremos manifestar que este trabajo ha sido fruto de años de labor docente en el aula, interactuando con nuestros alumnos a los que agradecemos su interés e implicación que, sin duda, han contribuido enriqueciéndolo.
Las autoras
Madrid, 2023