background image

 

 

2

nd

  

 

 

P

 

A

d

Clas

Part

Adva

s

Uni

 

Electro

 

 

tial 

anc

iversity of
omechani

Energy 

 

 

Dif

ced 

f Technolo

cal Depar

Branch

ffer

Ma

ogy

tment

rent

athe

tiat

ema

 

tion

atic

 

1

st

  Le

 

n

cs

cture


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Partial Derivatives

 
Recall that given a function of one variable, 

( )

f x

, the derivative, 

( )

f x

¢

, represents the rate of 

change of the function as x changes.  This is an important interpretation of derivatives and we are 
not going to want to lose it with functions of more than one variable.  The problem with functions 
of more than one variable is that there is more than one variable.  In other words, what do we do 
if we only want one of the variables to change, or if we want more than one of them to change?  
In fact, if we’re going to allow more than one of the variables to change there are then going to be 
an infinite amount of ways for them to change.  For instance, one variable could be changing 
faster than the other variable(s) in the function.  Notice as well that it will be completely possible 
for the function to be changing differently depending on how we allow one or more of the 
variables to change. 
 

Let’s start with the function 

( )

2 3

,

2

f x y

x y

=

 

the partial derivatives from above will 

more commonly be written as, 

 

( )

( )

3

2

2

,

4

and

,

6

x

y

f x y

xy

f x y

x y

=

=

 

 

 
Since we can think of the two partial derivatives above as derivatives of single variable functions 
it shouldn’t be too surprising that the definition of each is very similar to the definition of the 
derivative for single variable functions.  Here are the formal definitions of the two partial 
derivatives we looked at above. 

 

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

0

0

,

,

,

,

,

lim

,

lim

x

y

h

h

f x h y

f x y

f x y h

f x y

f x y

f x y

h

h

®

®

+

-

+

-

=

=

 

 
Now let’s take a quick look at some of the possible alternate notations for partial derivatives.  
Given the function 

( )

,

z

f x y

=

 the following are all equivalent notations, 

 

( )

( )

(

)

( )

( )

(

)

,

,

,

,

x

x

x

x

y

y

y

y

f

z

f x y

f

f x y

z

D f

x

x

x

f

z

f x y

f

f x y

z

D f

y

y

y

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

 

 
For the fractional notation for the partial derivative notice the difference between the partial 
derivative and the ordinary derivative from single variable calculus. 

 

( )

( )

( )

( )

( )

,

,

&

,

x

y

df

f x

f x

dx

f

f

f x y

f x y

f x y

x

y

¢

Þ

=

Þ

=

=

 

 

Example 1  

Find all of the first order partial derivatives for the following functions. 

(a) 

( )

4

,

6

10

f x y

x

y

=

+

-

   

(b) 

( )

2

2 3

10

43

7 tan 4

w x y

y z

x

y

=

-

+

-

   

(c) 

( )

( )

7

7

2

4

3

9

,

ln

h s t

t

s

s

t

=

+ -

(d) 

( )

2

3

5

4

,

cos

x y

y

f x y

x

-

æ ö

=

ç ÷

è ø

e

   

1


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Solution 

a) 

( )

4

,

6

10

f x y

x

y

=

+

-

 

( )

3

,

4

x

f x y

x

=

 

( )

3

,

y

f x y

y

=

 

 
(b) 

( )

2

2 3

10

43

7 tan 4

w x y

y z

x

y

=

-

+

-

 

 

2

43

w

xy

x

=

+

 

( )

2

3

2

20

28sec 4

w

x

yz

y

y

=

-

-

 

 

2 2

30

w

y z

z

= -

 

t

 

(c) 

( )

( )

7

7

2

4

3

9

,

ln

h s t

t

s

s

=

+ -

 

( )

( )

4

7

2

3

7

,

ln

9

h s t

t

s

t

s

-

=

+

-

 

=

 

( )

( )

( )

3

3

7

7

7

7

2

6

2

4

2

4

2

4

,

7

7

,

7 ln

27

s

t

h

s

t

h s t

t

s

s

s

s

s

h

h s t

t

s

t

t

-

-

-

æ

ö

=

=

-

=

-

ç

÷

è

ø

=

=

-

 

 
Remember how to differentiate natural logarithms. 

 

( )

(

)

( )

( )

ln

g x

d

g x

dx

g x

¢

=

 

 

(d) 

( )

2

3

5

4

,

cos

x y

y

f x y

x

-

æ ö

=

ç ÷

è ø

e

 

 

 

 

 

 

( )

(

)

2

3

2

3

2

3

2

3

2

2

5

5

5

5

4

4

4

,

sin

cos

2

4

4

4

sin

2 cos

x

x y

y

x y

y

x y

y

x y

y

f x y

xy

x

x

x

xy

x

x

x

-

-

-

-

æ öæ

ö

æ ö

= -

-

+

ç ÷ç

÷

ç ÷

è øè

ø

è ø

æ ö

æ ö

=

+

ç ÷

ç ÷

è ø

è ø

e

e

e

e

 

 
Also, don’t forget how to differentiate exponential functions, 

 

( )

( )

( )

( )

f x

f x

d

f x

dx

¢

=

e

e

 

.  

 

 

 

( )

(

)

2

3

2

2

5

4

,

15

cos

y

x y

y

f x y

x

y

x

-

æ ö

=

-

ç ÷

è ø

e

 

Example 2  

Find all of the first order partial derivatives for the following functions. 

(a) 

2

9

5

u

z

u

v

=

+

   

(b) 

(

)

( )

2

sin

, ,

x

y

g x y z

z

=

   

(c) 

(

)

2

2

ln 5

3

z

x

x

y

=

+

-

Solution 

(a) 

2

9

5

u

z

u

v

=

+

 

 

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

( )

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

9

5

9 2

9

45

5

5

0

5

9 5

45

5

5

u

v

u

v

u u

u

v

z

u

v

u

v

u

v

u

u

z

u

v

u

v

+

-

-

+

=

=

+

+

+

-

-

=

=

+

+

 

2


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

(b) 

(

)

( )

2

sin

, ,

x

y

g x y z

=

 

(

)

( )

(

)

( )

2

2

sin

cos

, ,

, ,

x

y

y

x

y

g x y z

g x y z

z

z

=

=

 

(

)

( )

(

)

( )

( )

2

3

3

, ,

sin

2 sin

, ,

2 sin

z

g x y z

x

y z

x

y

g x y z

x

y z

z

-

-

=

= -

= -

 

z

x

y

(c) 

(

)

2

2

ln 5

3

z

x

x

y

=

+

-

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

1

2

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

ln 5

3

ln 5

3

2
1

5

ln 5

3

2

2

5

3

5

ln 5

3

2 5

3

x

z

x

x

y

x

x

y

x

x

x

y

x

x

y

x

x

x

y

x

y

-

-

-

=

+

-

+

-

æ

ö

=

+

-

+

ç

÷

-

è

ø

æ

ö

ç

÷

=

+

+

-

ç

÷

-

è

ø

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

1

2

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

ln 5

3

ln 5

3

2

1

6

ln 5

3

2

5

3

3

ln 5

3

5

3

y

z

x

x

y

x

x

y

y

y

x

x

y

x

y

y

x

x

y

-

-

-

=

+

-

+

-

æ

ö

-

=

+

-

ç

÷

-

è

ø

= -

+

-

-

 

Example 3  

Find 

dy
dx

 for 

4

7

3

5

y

x

x

+

=

Solution 

The first step is to differentiate both sides with respect to x

3

6

12

7

5

dy

y

x

dx

+

=  

6

3

5 7

12

dy

x

dx

y

-

=

 

Example 4  

Find 

z
x


 and 

z
y

 for each of the following functions. 

(a) 

3 2

5

2

3

5

x z

xy z x

y

-

=

+

   

(b) 

(

)

( )

2

sin 2

5

1

cos 6

x

y

z

y

zx

-

= +

   

 
Solution 
(a) 

3 2

5

2

3

5

x z

xy z x

y

-

=

+

 

Let’s start with finding 

z
x


.  We first will differentiate both sides with respect to x and remember 

to add on a 

z

x


 whenever we differentiate a z

 

2 2

3

5

5

3

2

5

5

2

z

z

x z

x z

y z

xy

x

x

x

+

-

-

=

 

Remember that since we are assuming 

( )

,

z z x y

=

 then any product of x’s and z’s will be a 

product and so will need the product rule!   
 

Now, solve for 

z
x


 

3


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

w we’ll do the same thing for 

z
y

 except this time we’ll need to remember to add on a 

z
y

 

henever we differentiate a z

(

)

3

5

2 2

5

2 2

5

3

5

2

5

2

3

5

2

3

5

2

5

z

x z

xy

x

x z

y z

x
z

x

x z

y z

x

x z

xy

-

=

-

+


-

+

=

-

 

(

)

3

4

5

2

3

5

2

4

2

4

3

5

2

25

5

3

2

5

3

25

3

25

2

5

z

z

x z

xy z

xy

y

y

y
z

x z

xy

y

xy z

y

z

y

xy z

y

x z

xy

-

-

=

-

=

+

+

=

-

 

 
(b) 

(

)

( )

2

sin 2

5

1

cos 6

x

y

z

y

zx

-

= +

 

We’ll do the same thing for this function as we did in the previous part.  First let’s find 

z

x


 

(

)

(

)

( )

2

2 sin 2

5

cos 2

5

5

sin 6

6

6

z

z

x

y

z

x

y

z

y

zx

z

x

x

x

æ

ö

æ

ö

-

+

-

-

= -

+

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

 

Don’t forget to do the chain rule on each of the trig functions and when we are differentiating the 

inside function on the cosine we will need to also use the product rule.  Now let’s solve for 

z

x


 

(

)

(

)

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

( )

2

2

2

2 sin 2

5

5

cos 2

5

6 sin 6

6

sin 6

2 sin 2

5

6 sin 6

5 cos 2

5

6

sin 6

2 sin 2

5

6 sin 6

5 cos 2

5

6

sin 6

z

z

x

y

z

x

y

z

zy

zx

yx

zx

x

x

z

x

y

z

zy

zx

x

y

z

yx

zx

x

x

y

z

zy

zx

z
x

x

y

z

yx

zx

-

-

-

= -

-

-

+

=

-

-

-

+

=

-

-

 

 

Now let’s take care of 

z
y

.  This one will be slightly easier than the first one. 

(

)

( )

( )

2

cos 2

5

2 5

cos 6

sin 6

6

z

z

x

y

z

zx

y

zx

x

y

y

æ

ö

æ

ö

-

-

=

-

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

(

)

(

)

( )

( )

( )

(

)

(

)

( )

(

)

( )

(

)

( )

(

)

2

2

2

2

2

2

2 cos 2

5

5 cos 2

5

cos 6

6 sin 6

6 sin 6

5 cos 2

5

cos 6

2 cos 2

5

cos 6

2 cos 2

5

6 sin 6

5 cos 2

5

z

z

x

y

z

x

y

z

zx

xy

zx

y

y

z

xy

zx

x

y

z

zx

x

y

z

y

zx

x

y

z

z

y

xy

zx

x

y

z

-

-

-

=

-

-

-

=

-

-

-

-

=

-

-

 

4


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Interpretations of Partial Derivatives 

This is a fairly short section and is here so we can acknowledge that the two main interpretations 
of derivatives of functions of a single variable still hold for partial derivatives, with small 
modifications of course to account of the fact that we now have more than one variable. 
 
The first interpretation we’ve already seen and is the more important of the two.  As with 
functions of single variables partial derivatives represent the rates of change of the functions as 
the variables change.  As we saw in the previous section, 

( )

,

x

f x y

 represents the rate of change 

of the function 

( )

,

f x y

 as we change x and hold y fixed while 

( )

,

y

f x y

 represents the rate of 

change of 

( )

,

f x y

 as we change y and hold x fixed. 

Example 1  

Determine if 

( )

2

3

,

x

f x y

y

=

 is increasing or decreasing at 

( )

2,5

(a) if we allow x to vary and hold y fixed. 
(b) if we allow y to vary and hold x fixed. 

Solution 
(a) If we allow x to vary and hold y fixed. 

In this case we will first need 

( )

,

x

f x y

 and its value at the point. 

( )

( )

3

2

4

,

2,5

0

125

x

x

x

f x y

f

y

=

Þ

=

>  

So, the partial derivative with respect to x is positive and so if we hold y fixed the function is 
increasing at 

( )

2,5

 as we vary x

(b) If we allow y to vary and hold x fixed. 

For this part we will need 

( )

,

y

f x y

 and its value at the point. 

( )

( )

2

4

3

12

,

2,5

0

625

y

y

x

f x y

f

y

= -

Þ

= -

<  

Here the partial derivative with respect to y is negative and so the function is decreasing at 

( )

2,5

 

as we vary y and hold fixed

5


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Example 2  

Find the slopes of the traces to 

2

2

10 4

z

x

y

=

-

-

 at the point 

( )

1, 2

Solution 
We sketched the traces for the planes 

1

x

=

 and 

2

y

=

 in a previous 

section

 and these are the two 

traces for this point.  For reference purposes here are the graphs of the traces. 

op

    

 

Next we’ll need the two partial derivatives so we can get the slopes. 

 

( )

( )

,

8

,

2

x

y

f x y

x

f x y

y

= -

= -

 

 
To get the slopes all we need to do is evaluate the partial derivatives at the point in question. 

 

( )

( )

1, 2

8

1, 2

4

x

y

f

f

= -

= -  

 
So, the tangent line at 

( )

1, 2

 for the trace to 

2

2

10 4

z

x

y

=

-

-

 for the plane 

2

y

=

 has a slope of 

-8.  Also the tangent line at 

( )

1, 2

 for the trace to 

2

2

10 4

z

x

y

=

-

-

 for the plane 

1

x

=

 has a 

sl e of -4.   

6


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

Higher Order Partial Derivatives 

Just as we had higher order derivatives with functions of one variable we will also have higher 
order derivatives of functions of more than one variable.  However, this time we will have more 
options since we do have more than one variable.. 
 
Consider the case of a function of two variables, 

( )

,

f x y

 since both of the first order partial 

derivatives are also functions of x and y we could in turn differentiate each with respect to x or y.  
This means that for the case of a function of two variables there will be a total of four possible 
second order derivatives.  Here they are and the notations that we’ll use to denote them. 
 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

x

x x

x

x

x y

y

y

y x

x

y

y y

y

f

f

f

f

x

x

x

f

f

f

f

y

x

y x

f

f

f

f

x

y

x y

f

f

f

f

y

y

y

¶ ¶

æ

ö

=

=

=

ç

÷

è

ø

¶ ¶

æ

ö

=

=

=

ç

÷

¶ ¶

è

ø

æ

ö

¶ ¶

=

=

=

ç

÷

¶ ¶

è

ø

æ

ö

¶ ¶

=

=

=

ç

÷

è

ø

 

 

Example 1  

Find all the second order derivatives for 

( )

( )

2

2

5

,

cos 2

3

y

f x y

x

x

y

=

-

+

e

 
Solution 
We’ll first need the first order derivatives so here they are. 

 

( )

( )

( )

2

5

5

,

2sin 2

2

,

5

6

x

y

y

y

f x y

x

x

f x y

x

y

= -

-

= -

+

e

e

 

 
Now, let’s get the second order derivatives. 

( )

2

5

5

5

5

4cos 2

2

10

10

25

6

xx

xy

yx

yy

y

y

y

y

f

x

f

x

f

x

f

x

= -

-

= -
= -

= -

+

e

e

e

e

 

Clairaut’s Theorem 
Suppose that f is defined on a disk D that contains the point 

( )

,

a b

.  If the functions 

xy

f

 and 

yx

f

 

are continuous on this disk then, 

 

( )

( )

,

,

xy

yx

f

a b

f

a b

=

 

Example 2  

Verify Clairaut’s Theorem for 

( )

2 2

,

x y

f x y

x

-

e

 
Solution 
We’ll first need the two first order derivatives. 

 

( )

( )

2 2

2 2

2 2

2

2

3

,

2

,

2

x

y

x y

x y

x y

f x y

x y

f x y

yx

-

-

-

=

-

= -

e

e

e

 

7


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Now, compute the two fixed second order partial derivatives. 

 

( )
( )

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2

2

4 3

2

4 3

2

3 4

,

2

4

4

6

4

,

6

4

xy

yx

x y

x y

x y

x y

x y

x y

x y

f

x y

yx

x y

x y

x y

x y

f

x y

yx

y x

-

-

-

-

-

-

-

= -

-

+

= -

+

= -

+

e

e

e

e

e

e

e

 

 
Sure enough they are the same

( )

( )

2

3

2

3

2

x y x

xy x

y x x

yx x

f

f

f

f

x

y x

x y x

f

f

f

f

x

x y

x y

æ

ö

¶ ¶

=

=

=

ç

÷

¶ ¶ ¶

¶ ¶ ¶

è

ø

æ

ö

¶ ¶

=

=

=

ç

÷

¶ ¶ ¶

¶ ¶

è

ø

 

an extension to Clairaut’s Theorem that says if all three of these are continuous then they should 
all be equal, 

 

x x y

x y x

y x x

f

f

f

=

=

 

Example 3  

Find the indicated derivative for each of the following functions. 

(a) Find 

x x y z z

f

 for 

(

)

( )

3 2

, ,

ln

f x y z

z y

x

=

   

(b) Find 

3

2

f

y x

¶ ¶

 for 

( )

,

xy

f x y

e

 
Solution 
(a) Find 

x x y z z

f

 for 

(

)

( )

3 2

, ,

ln

f x y z

z y

x

=

 

 
In this case remember that we differentiate from left to right.  Here are the derivatives for this 
part. 

 

3 2

x

z y

f

x

=

 

 

3 2

2

xx

z y

f

x

= -

 

 

3

2

2

xxy

z y

f

x

= -

 

 

2

2

6

xxyz

z y

f

x

= -

 

 

2

12

xxyzz

zy

f

x

= -

 

 

(b) Find 

3

2

f

y x

¶ ¶

 for 

( )

,

xy

f x y

e

 

 
Here we differentiate from right to left.  Here are the derivatives for this function. 

 

xy

f

y

x

=

 

 

2

2

2

xy

f

y

x

=

 

 

3

2

2

2

xy

xy

f

y

xy

y x

=

+

¶ ¶

e

 

8


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Differentials 

This is a very short section and is here simply to acknowledge that just like we had 

differentials

 

for functions of one variable we also have them for functions of more than one variable.  Also, as 
we’ve already seen in previous sections, when we move up to more than one variable things work 
pretty much the same, but there are some small differences. 
 
Given the function 

( )

,

z

f x y

=

 the differential dz or df is given by, 

 

or

x

y

x

y

dz

f dx f dy

df

f dx f dy

=

+

=

+

 

 
There is a natural extension to functions of three or more variables.  For instance, given the 
function 

(

)

, ,

w g x y z

=

 the differential is given by, 

x

y

z

dw g dx g dy g dz

=

+

+

 

 
Let’s do a couple of quick examples. 
 

Example 1  

Compute the differentials for each of the following functions. 

(a) 

( )

2

2

tan 2

x

y

z

x

+

e

 

(b) 

3 6

2

t r

u

s

=

 

 
Solution
 
(a) 

( )

2

2

tan 2

x

y

z

x

+

e

 

 
There really isn’t a whole lot to these outside of some quick differentiation.  Here is the 
differential for the function. 

 

( )

( )

(

)

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

tan 2

2

sec 2

2

tan 2

x

y

x

y

x

y

dz

x

x

x dx

y

x dy

+

+

+

=

+

+

e

e

e

 

 

(b) 

3 6

2

t r

u

s

=

 

 
Here is the differential for this function. 

 

2 6

3 5

3 6

2

2

3

3

6

2

t r

t r

t r

du

dt

dr

ds

s

s

s

=

+

-

 

 

9


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Chain Rule 

We’ve been using the standard chain rule for functions of one variable throughout the last couple 
of sections.  It’s now time to extend the chain rule out to more complicated situations.  Before we 
actually do that let’s first review the notation for the chain rule for functions of one variable. 
 
The notation that’s probably familiar to most people is the following. 

 

( )

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

F x

f g x

F x

f g x g x

¢

¢

¢

=

=

 

 

we are going to be using in this section.  Here it is. 

 

( )

( )

If

and 

then 

dy

dy dx

y

f x

x g t

dt

dx dt

=

=

=

 

  
Case 1 : 

( )

,

z

f x y

=

( )

x g t

=

( )

y h t

=

 and compute 

dz

dt

This case is analogous to the standard chain rule from Calculus I that we looked at above.  In this 
case we are going to compute an ordinary derivative since z really would be a function of t only if 
we were to substitute in for x and y
 
The chain rule for this case is, 

 

dz

f dx

f dy

dt

x dt

y dt

=

+

 

 

Example 1  

Compute 

dz

dt

 for each of the following. 

(a) 

xy

z x

e

2

x t

=

1

y t

-

=

(b) 

2 3

cos

z x y

y

x

=

+

( )

2

ln

x

t

=

( )

sin 4

y

t

=

 
Solution 
(a) 

xy

z x

e

2

x t

=

1

y t

-

=

 

 
There really isn’t all that much to do here other than using the formula. 

 

(

)

( )

( )

(

)

2

2

2 2

2

2

xy

xy

xy

xy

xy

xy

dz

f dx

f dy

dt

x dt

y dt

yx

t

x

t

t

yx

t x

-

-

=

+

=

+

+

-

=

+

-

e

e

e

e

e

e

 

So, technically we’ve computed the derivative.  However, we should probably go ahead and 
substitute in for x and y as well at this point since we’ve already got t’s in the derivative.  Doing 
this gives, 
  

 

(

)

2 4

2

2

2

t

t

t

t

t

dz

t

t

t t

t

t

dt

-

=

+

-

=

+

e

e

e

e

 

10


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

2

2

2

t

t

t

dz

z t

t

t

dt

=

Þ

=

+

e

e

 

 
The same result for less work.  Note however, that often it will actually be more work to do the 
substitution first. 

(b) 

2 3

cos

z x y

y

x

=

+

( )

2

ln

x

t

=

( )

sin 4

y

t

=

 

 
Okay, in this case it would almost definitely be more work to do the substitution first so we’ll use 
the chain rule first and then substitute. 

 

(

)

(

)

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

3

2

2

3

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

3

cos

4cos 4

4sin 4 ln

2sin 4 sin ln

4cos 4

3sin 4

ln

cos ln

dz

xy

y

x

x y

x

t

dt

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

æ ö

=

-

+

+

ç ÷

è ø

-

é

ù

=

+

+

ë

û

 

 
Now, there is a special case that we should take a quick look at before moving on to the next case.  
Let’s suppose that we have the following situation, 

 

( )

( )

,

z

f x y

y g x

=

=

 

 

In this case the chain rule for 

dz
dx

 becomes, 

 

dz

f dx

f dy

f

f dy

dx

x dx

y dx

x

y dx

=

+

=

+

 

 
In the first term we are using the fact that, 

 

( )

1

dx

d

x

dx

dx

=

=  

 

Example 2  

Compute 

dz
dx

 for 

( )

3

ln

z x

xy

y

=

+

(

)

2

cos

1

y

x

=

+

 

Solution 
We’ll just plug into the formula. 

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

ln

3

2 sin

1

ln

cos

1

1 2 sin

1

3cos

1

cos

1

ln

cos

1

1 2 tan

1

6 sin

1 cos

1

dz

y

x

xy

x

x

y

x

x

dx

xy

xy

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

æ

ö æ

ö

=

+

+

+

-

+

ç

÷ ç

÷

è

ø è

ø

æ

ö

ç

÷

=

+

+ -

+

+

+

ç

÷

+

è

ø

=

+

+ -

+ -

+

+

 

 
Now let’s take a look at the second case. 
 

Case 2 : 

( )

,

z

f x y

=

( )

,

x g s t

=

( )

,

y h s t

=

 and compute 

z
s


 and 

z

t

 
In this case if we were to substitute in for x and y we would get that z is a function of s and t and 
so it makes sense that we would be computing partial derivatives here and that there would be 
two of them. 
 
Here is the chain rule for both of these cases. 
 

 

z

f x

f y

z

f x

f y

s

x s

y s

t

x t

y t

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

=

+

=

+

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

 

 

11


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 3  

Find 

z
s


 and 

z

t

 for 

( )

2

sin 3

r

z

q

e

2

r st t

= -

,  

2

2

s

t

=

+

Solution 

Here is the chain rule for 

z
s


( )

(

)

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin 3

3

cos 3

3

cos 3

2

sin 3

r

r

st t

st t

z

s

t

s

s

t

s

s

t

t

s

t

s

t

q

q

-

-

=

+

+

+

æ

ö

=

+

+

ç

÷

è

ø

+

e

e

e

e

 

Now the chain rule for 

z

t

( )

(

)

(

)

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin 3

2

3

cos 3

3

cos 3

2

2

sin 3

r

r

st t

st t

z

t

s

t

t

s

t

t

s

t

s

t

s

t

s

t

q

q

-

-

=

-

+

+

+

æ

ö

= -

+

+

ç

÷

è

ø

+

e

e

e

e

 

Example 4  

Use a tree diagram to write down the chain rule for the given derivatives. 

(a) 

dw

dt

 for 

(

)

, ,

w

f x y z

=

( )

1

x g t

=

( )

2

y g t

=

, and 

( )

3

z g t

=

   

(b) 

w

r

 for 

(

)

, ,

w

f x y z

=

(

)

1

, ,

x g s t r

=

(

)

2

, ,

y g s t r

=

, and 

(

)

3

, ,

z g s t r

=

    

 
Solution
 

(a) 

dw

dt

 for 

(

)

, ,

w

f x y z

=

( )

1

x g t

=

( )

2

y g t

=

, and 

( )

3

z g t

=

 

 
So, we’ll first need the tree diagram so let’s get that. 
 

 

dw

f dx

f dy

f dz

dt

x dt

y dt

z dt

=

+

+

 

which is really just a natural extension to the two variable case that we saw above. 

 

(b) 

w

r

 for 

(

)

, ,

w

f x y z

=

(

)

1

, ,

x g s t r

=

(

)

2

, ,

y g s t r

=

, and 

(

)

3

, ,

z g s t r

=

 

 
Here is the tree diagram for this situation. 

 

 
From this it looks like the derivative will be, 

 

w

f x

f y

f z

r

x r

y r

z r

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

=

+

+

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

 

Return to Problems

 

12


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Example 5  

Compute 

2

2

f

q


 for 

( )

,

f x y

 if 

cos

x r

q

=

 and 

sin

y r

q

=

Solution 
We will need the first derivative before we can even think about finding the second derivative so 
let’s get that.  This situation falls into the second case that we looked at above so we don’t need a 
new tree diagram.  Here is the first derivative. 

( )

( )

sin

cos

f

f x

f y

x

y

f

f

r

r

x

y

q

q

q

q

q

¶ ¶

¶ ¶

=

+

¶ ¶

¶ ¶

= -

+

 

Okay, now we know that the second derivative is, 

( )

( )

2

2

sin

cos

f

f

f

f

r

r

x

y

q

q

q

q

q

q

æ

ö

¶ ¶

æ

ö

=

=

-

+

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

 

The issue here is to correctly deal with this derivative.  Since the two first order derivatives, 

f

x

 

and 

f

y


, are both functions of x and y which are in turn functions of r and 

q

 both of these terms 

are products.  So, the using the product rule gives the following, 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

cos

sin

sin

cos

f

f

f

f

f

r

r

r

r

x

x

y

y

q

q

q

q

q

q

q

æ

ö

¶ ¶

¶ ¶

æ

ö

= -

-

-

+

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

 

 

We now need to determine what 

f

x

q

¶ ¶

æ

ö

ç

÷

è

ø

 and 

f
y

q

æ

ö

¶ ¶

ç

÷

è

ø

 will be.  These are both chain rule 

problems again since both of the derivatives are functions of x and y and we want to take the 
derivative with respect to 

q

 
Before we do these let’s rewrite the first chain rule that we did above a little. 

 

 

 

( )

( ) ( )

( ) ( )

sin

cos

f

r

f

r

f

x

y

q

q

q

= -

+

 

(1) 

 
Note that all we’ve done is change the notation for the derivative a little.  With the first chain rule 
written in this way we can think of (1) as a formula for differentiating any function of x and y 
with respect to 

q

 provided we have 

cos

x r

q

=

 and 

sin

y r

q

=

.   

 
This however is exactly what we need to do the two new derivatives we need above.  Both of the 

first order partial derivatives, 

f
x

 and 

f
y


, are functions of x and y and 

cos

x r

q

=

 and 

sin

y r

q

=

 so we can use (1) to compute these derivatives.   

 

Here is the use of (1) to compute 

f

x

q

¶ ¶

æ

ö

ç

÷

è

ø

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

sin

cos

sin

cos

f

f

f

r

r

x

x

x

y

x

f

f

r

r

x

y x

q

q

q

q

q

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

æ

ö

æ

ö

æ

ö

= -

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

= -

+

¶ ¶

 

 

Here is the computation for 

f
y

q

æ

ö

¶ ¶

ç

÷

è

ø

13


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

sin

cos

sin

cos

f

f

f

r

r

y

x

y

y

y

f

f

r

r

x y

y

q

q

q

q

q

æ

ö

æ

ö

æ

ö

¶ ¶

¶ ¶

¶ ¶

= -

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

= -

+

¶ ¶

 

 
The final step is to plug these back into the second derivative and do some simplifying. 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

sin

sin

cos

sin

cos

sin

cos

cos

sin

sin

cos

sin

sin

cos

cos

cos

s

f

f

f

f

r

r

r

r

x

x

y x

f

f

f

r

r

r

r

y

x y

y

f

f

f

r

r

r

x

x

y x

f

f

f

r

r

r

y

x y

y

f

r

r

x

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

æ

ö

= -

-

-

+

-

ç

÷

¶ ¶

è

ø

æ

ö

+

-

+

ç

÷

¶ ¶

è

ø

= -

+

-

-

¶ ¶

-

+

¶ ¶

= -

-

( )

( )

( ) ( )

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

in

sin

2 sin

cos

cos

f

f

r

y

x

f

f

r

r

y x

y

q

q

q

q

q

+

-

+

¶ ¶

 

implicit differentiation 

0

x

x

y

y

F

dy

dy

F

F

dx

dx

F

+

=

Þ

= -

 

Example 6  

Find 

dy
dx

 for 

( )

3 5

cos 3

3

xy

x

y

x y

x

+

=

e

 
Solution 
The first step is to get a zero on one side of the equal sign and that’s easy enough to do. 

 

( )

3 5

cos 3

3

0

xy

x

y

x y

x

+

-

+

=

e

 

Now, the function on the left is 

( )

,

F x y

 in our formula so all we need to do is use the formula to 

find the derivative. 

 

( )

( )

2 5

3 4

cos 3

3

3

3 sin 3

5

xy

xy

y

x y

y

dy
dx

x

y

x y

x

+

- +

= -

-

+

+

e

e

 

Example 7  

Find 

z
x


 and 

z
y

 for 

(

)

( )

2

sin 2

5

1

cos 6

x

y

z

y

zx

-

= +

Solution 
This was one of the functions that we used the old implicit differentiation on back in the 

Partial 

Derivatives

 section.  You might want to go back and see the difference between the two. 

 
First let’s get everything on one side. 

 

(

)

( )

2

sin 2

5

1

cos 6

0

x

y

z

y

zx

-

- -

=  

Now, the function on the left is 

(

)

, ,

F x y z

 and so all that we need to do is use the formulas 

developed above to find the derivatives. 

 

(

)

( )

(

)

( )

2

2 sin 2

5

6 sin 6

5 cos 2

5

6

sin 6

x

y

z

yz

zx

z
x

x

y

z

yx

zx

-

+

= -

-

-

+

 

 

(

)

( )

(

)

( )

2

2

2 cos 2

5

cos 6

5 cos 2

5

6

sin 6

x

y

z

zx

z
y

x

y

z

yx

zx

-

-

= -

-

-

+

 

14


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Directional Derivatives 

To this point we’ve only looked at the two partial derivatives 

( )

,

x

f x y

 and 

( )

,

y

f x y

.  Recall 

that these derivatives represent the rate of change of f as we vary x (holding y fixed) and as we 
vary y (holding x fixed) respectively.  We now need to discuss how to find the rate of change of f 
if we allow both x and y to change simultaneously.  The problem here is that there are many ways 
to allow both x and y to change.  For instance one could be changing faster than the other and 
then there is also the issue of whether or not each is increasing or decreasing.  So, before we get 
into finding the rate of change we need to get a couple of preliminary ideas taken care of first.  
The main idea that we need to look at is just how are we going to define the changing of x and/or 
y.   

 
Definition 
The rate of change of 

( )

,

f x y

 in the direction of the unit vector 

,

u

a b

=

r

 is called the 

directional derivative and is denoted by 

( )

,

u

D f x y

r

.  The definition of the directional 

derivative is, 

 

( )

(

)

( )

0

,

,

,

lim

h

u

f x ah y bh

f x y

D f x y

h

®

+

+

-

=

r

 

 
If we now go back to allowing x and y to be any number we get the following formula for 
computing directional derivatives. 
 

( )

( )

( )

,

,

,

x

y

u

D f x y

f x y a

f x y b

=

+

r

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

, ,

, ,

, ,

, ,

x

y

z

u

D f x y z

f x y z a

f x y z b f x y z c

=

+

+

r

 

 

Example 1  

Find each of the directional derivatives. 

(a) 

( )

2,0

u

D f

r

 where 

( )

,

xy

f x y

x

y

=

+

e

 and 

ur

 is the unit vector in the direction  

                  of 

2

3

p

=

.   

(b) 

(

)

, ,

u

D f x y z

r

 where 

(

)

2

3 2

, ,

f x y z

x z y z

xyz

=

+

-

 in the direction of  

       

1,0,3

v

= -

r

.   

 
 

Solution 
(a) 

( )

2,0

u

D f

r

 where 

( )

,

xy

f x y

x

y

=

+

e

 and 

ur

 is the unit vector in the direction of 

2

3

p

=

. 

 
We’ll first find 

( )

,

u

D f x y

r

 and then use this a formula for finding 

( )

2,0

u

D f

r

.  The unit vector 

giving the direction is, 

 

2

2

1

3

cos

,sin

,

3

3

2 2

u

p

p

æ

ö

æ

ö

=

= -

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

r

 

 
So, the directional derivative is, 

 

( )

(

)

(

)

2

1

3

,

1

2

2

xy

xy

xy

u

D f x y

xy

x

æ

ö

æ

ö

= -

+

+

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

e

e

e

r

 

è

ø

15


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Now, plugging in the point in question gives, 

 

( )

( )

( )

1

3

5 3 1

2,0

1

5

2

2

2

u

D f

æ

ö

-

æ

ö

= -

+

=

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

r

 

 
(b) 

(

)

, ,

u

D f x y z

r

 where 

(

)

2

3 2

, ,

f x y z

x z y z

xyz

=

+

-

 in the direction of 

1,0,3

v

= -

r

. 

 
In this case let’s first check to see if the direction vector is a unit vector or not and if it isn’t 
convert it into one.  To do this all we need to do is compute its magnitude. 

 

1 0 9

10 1

v

=

+ + =

¹

r

 

So, it’s not a unit vector.  Recall that we can convert any vector into a unit vector that points in 
the same direction by dividing the vector by its magnitude.  So, the unit vector that we need is, 

 

1

1

3

1,0,3

,0,

10

10

10

u

=

-

= -

r

 

 
The directional derivative is then, 

 

(

)

(

) ( )

(

)

(

)

(

)

2 2

2

3

2

3

1

3

, ,

2

0 3

2

10

10

1

3

6

3

2

10

u

D f x y z

xz yz

y z

xz

x

y z xy

x

y z

xy

xz yz

æ

ö

æ

ö

= -

-

+

-

+

+

-

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

=

+

-

-

+

r

 

(

)

(

)

(

)

(

)

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

x

y

z

x

y

z

u

D f x y z

f x y z a

f x y z b f x y z c

f f f

a b c

=

+

+

=

r

g

 

 
Now let’s give a name and notation to the first vector in the dot product since this vector will 
show up fairly regularly throughout this course (and in other courses).  The gradient of f or 
gradient vector of f is defined to be, 
 

 

, ,

or

,

x

y

z

x

y

f

f f f

f

f f

Ñ =

Ñ =

 

 
Or, if we want to use the standard basis vectors the gradient is, 
 

 

or

x

y

z

x

y

f

f i

f j

f k

f

f i

f j

Ñ =

+

+

Ñ =

+

r

r

r

r

r

 

 
The definition is only shown for functions of two or three variables, however there is a natural 
extension to functions of any number of variables that we’d like. 
 
With the definition of the gradient we can now say that the directional derivative is given by, 

 

u

D f

f u

= Ñ

r

r

g  

where we will no longer show the variable and use this formula for any number of variables.  
Note as well that we will sometimes use the following notation, 
 

 

( )

u

D f x

f u

= Ñ

r

r

r

g  

 

Example 2  

Find each of the directional derivative. 

(a) 

( )

u

D f x

r

r

 for 

( )

( )

,

cos

f x y

x

y

=

 in the direction of 

2,1

v

=

r

.   

(b) 

( )

u

D f x

r

r

 for 

(

)

( )

( )

2

, ,

sin

ln

f x y z

yz

x

=

+

 at 

(

)

1,1,

p

 in the direction of  

       

1,1, 1

v

=

-

r

.   

 

16


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Solution 
(a) 

( )

u

D f x

r

r

 for 

( )

( )

,

cos

f x y

x

y

=

 in the direction of 

2,1

v

=

r

. 

 
Let’s first compute the gradient for this function. 

 

( )

( )

cos

,

sin

f

y

x

y

Ñ =

-

 

Also, as we saw earlier in this section the unit vector for this direction is, 

 

2

1

,

5

5

u

=

r

 

 
The directional derivative is then, 

 

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

2

1

cos

,

sin

,

5

5

1

2cos

sin

5

u

D f x

y

x

y

y

x

y

=

-

=

-

r

r

g

 

 
(b) 

( )

u

D f x

r

r

for 

(

)

( )

( )

2

, ,

sin

ln

f x y z

yz

x

=

+

 at 

(

)

1,1,

p

 in the direction of 

1,1, 1

v

=

-

r

 
In this case are asking for the directional derivative at a particular point.  To do this we will first 
compute the gradient, evaluate it at the point in question and then do the dot product.  So, let’s get 
the gradient. 

 

(

)

( )

( )

(

)

( )

( )

2

, ,

, cos

, cos

2

1,1,

, cos

,cos

2,

, 1

1

f x y z

z

yz y

yz

x

f

p

p

p

p

p

Ñ

=

Ñ

=

=

- -

 

 
Next, we need the unit vector for the direction, 

 

1

1

1

3

,

,

3

3

3

v

u

=

=

-

r

r

 

 
Finally, the directional derivative at the point in question is, 

 

(

)

(

)

1

1

1

1,1,

2,

, 1

,

,

3

3

3

1

2

1

3

3

3

u

D f

p

p

p

p

=

- -

-

=

- +

-

=

r

g

 

Theorem 
The maximum value of 

( )

u

D f x

r

r

 (and hence then the maximum rate of change of the function 

( )

f xr

) is given by 

( )

f x

Ñ r

  and will occur in the direction given by 

( )

f x

Ñ r

 
The maximum rate of change of the elevation will then occur in the direction of 

 

(

)

60,100

1.2, 4

f

Ñ

= -

-  

 

Example 3  

Suppose that the height of a hill above sea level is given by 

2

2

1000 0.01

0.02

z

x

y

=

-

-

.  If you are at the point 

(

)

60,100

 in what direction is the elevation 

changing fastest?  What is the maximum rate of change of the elevation at this point?   
 
Solution 

 
Now on to the problem.  There are a couple of questions to answer here, but using the theorem 
makes answering them very simple.  We’ll first need the gradient vector. 

 

( )

0.02 , 0.04

f x

x

y

Ñ

= -

-

r

 

 
The maximum rate of change of the elevation will then occur in the direction of 

 

(

)

60,100

1.2, 4

f

Ñ

= -

-  

The maximum rate of change of the elevation at this point is, 
 

 

(

)

(

) ( )

2

2

60,100

1.2

4

17.44 4.176

f

Ñ

=

-

+

=

=

 

17


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

Applications of Partial Derivatives 

 

 

 

18


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
The equation of the tangent plane to the surface given by 

( )

,

z

f x y

=

 at 

(

)

0

0

,

x y

 is then, 

 

(

)(

)

(

)(

)

0

0

0

0

0

0

0

,

,

x

y

z z

f x y

x x

f x y

y y

-

=

-

+

-

 

 
Also, if we use the fact that 

(

)

0

0

0

,

z

f x y

=

 we can rewrite the equation of the tangent plane as, 

 

(

)

(

)(

)

(

)(

)

(

)

(

)(

)

(

)(

)

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

,

,

,

,

,

,

x

y

x

y

z

f x y

f x y

x x

f x y

y y

z

f x y

f x y

x x

f x y

y y

-

=

-

+

-

=

+

-

+

-

 

Example 1  

Find the equation of the tangent plane to 

(

)

ln 2

z

x y

=

+

 at 

(

)

1,3

-

Solution 

Tangent Planes and Linear Approximations

 

( )

(

)

(

)

( )

( )

(

)

( )

(

)

0

,

ln 2

1,3

ln 1

0

2

,

1,3

2

2

1

,

1,3

1

2

x

x

y

y

f x y

x y

z

f

f x y

f

x y

f x y

f

x y

=

+

=

-

=

=

=

-

=

+

=

-

=

+

 

 
The equation of the plane is then, 

 

(

) ( )(

)

0 2

1

1

3

z

x

y

- =

+ +

-

 

2

1

z

x y

=

+ -

linear approximation to be, 

One nice use of tangent planes is they give us a way to approximate a surface near a point.  As 
long as we are near to the point 

(

)

0

0

,

x y

 then the tangent plane should nearly approximate the 

function at that point.  Because of this 

defi

li ear app

im i

b

 

 

( )

(

)

(

)(

)

(

)(

)

0

0

0

0

0

0

0

0

,

,

,

,

x

y

L x y

f x y

f x y

x x

f x y

y y

=

+

-

+

-

 

 
and as long as we are “near” 

(

)

0

0

,

x y

 then we should have that, 

 

 

( )

( )

(

)

(

)(

)

(

)(

)

0

0

0

0

0

0

0

0

,

,

,

,

,

x

y

f x y

L x y

f x y

f x y

x x

f x y

y y

»

=

+

-

+

-

 

we 

ne t e  n

rox

at on to  e, 

19


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Example 2  

Find the linear approximation to 

2

2

3

16

9

x

y

z

= +

+

 at 

(

)

4,3

-

Solution 
So, we’re really asking for the tangent plane so let’s find that. 

( )

(

)

( )

(

)

( )

(

)

2

2

,

3

4,3

3 1 1 5

16

9

1

,

4,3

8

2

2

2

,

4,3

9

3

x

x

y

y

x

y

f x y

f

x

f x y

f

y

f x y

f

= +

+

-

= + + =

=

-

= -

=

-

=

 

The tangent plane, or linear approximation, is then, 

( )

(

)

(

)

1

2

,

5

4

3

2

3

L x y

x

y

= -

+ +

-  

 

Gradient Vector, Tangent Planes and Normal Lines 

 
The equation of the tangent plane is then, 

 

(

)(

)

(

)(

) (

)

0

0

0

0

0

0

0

,

,

0

x

y

f x y

x x

f x y

y y

z z

-

+

-

- -

=  

 
Or, upon solving for z, we get, 

 

(

)

(

)(

)

(

)(

)

0

0

0

0

0

0

0

0

,

,

,

x

y

z

f x y

f x y

x x

f x y

y y

=

+

-

+

-

 

the equation of the normal line is, 

 

( )

(

)

0

0

0

0

0

0

, ,

, ,

r t

x y z

t f x y z

=

+ Ñ

r

 

Example 1  

Find the tangent plane and normal line to 

2

2

2

30

x

y

z

+

+

=

 at the point 

(

)

1, 2,5

-

 
Solution 
For this case the function that we’re going to be working with is, 

 

(

)

2

2

2

, ,

F x y z

x

y

z

=

+

+  

and note that we don’t have to have a zero on one side of the equal sign.  All that we need is a 
constant.  To finish this problem out we simply need the gradient evaluated at the point. 

 

(

)

2 , 2 , 2

1, 2,5

2, 4,10

F

x y z

F

Ñ =

Ñ

-

=

-

 

The tan ent  lane is the

g

p

n, 

 

(

) (

)

(

)

2

1

4

2

10

5

0

x

y

z

- -

+ +

- =  

 The normal line is, 

 

( )

1, 2,5

2, 4,10

1 2 , 2 4 ,5 10

r t

t

t

t

t

=

-

+

-

= +

- -

+

r

 

20


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Relative Minimums and Maximums 

Definition 
1.  A function 

( )

,

f x y

 has a relative minimum at the point 

( )

,

a b

 if 

( )

( )

,

,

f x y

f a b

³

 for 

all points

( )

,

x y

 in some region around 

( )

,

a b

 

2.  A function 

( )

,

f x y

 has a relative maximum at the point 

( )

,

a b

 if 

( )

( )

,

,

f x y

f a b

£

 for 

all points

( )

,

x y

 in some region around 

( )

,

a b

 
Definition 
The point 

( )

,

a b

 is a critical point (or a stationary point) of 

( )

,

f x y

 provided one of the 

following is true, 

1. 

( )

,

0

f a b

Ñ

=

r

 (this is equivalent to saying that 

( )

,

0

x

f a b

=

 and 

( )

,

0

y

f a b

=

)

2. 

( )

,

x

f a b

 and/or 

( )

,

y

f a b

 doesn’t exist. 

  

Fact 
If the point 

( )

,

a b

 is a relative extrema of the function 

( )

,

f x y

 then 

( )

,

a b

 is also a critical 

point of 

( )

,

f x y

and in fact we’ll have 

( )

,

0

f a b

Ñ

=

r

. 

Fact 
Suppose that 

( )

,

a b

 is a critical point of 

( )

,

f x y

 and that the second order partial derivatives are 

continuous in some region that contains 

( )

,

a b

.  Next define, 

 

( )

( ) ( )

( )

2

,

,

,

,

x x

y y

x y

D D a b

f

a b f

a b

f

a b

é

ù

=

=

- ë

û  

 
We then have the following classifications of the critical point. 

1.  If 

0

D

>

 and 

( )

,

0

x x

f

a b

>

 then there is a relative minimum at 

( )

,

a b

2.  If 

0

D

>

 and 

( )

,

0

x x

f

a b

<

 then there is a relative maximum at 

( )

,

a b

3.  If 

0

D

<

 then the point 

( )

,

a b

 is a saddle point. 

4.  If 

0

D

=

 then the point 

( )

,

a b

 may be a relative minimum, relative maximum or a 

saddle point.  Other techniques would need to be used to classify the critical point. 

21


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 1  

Find and classify all the critical points of 

( )

3

3

,

4

3

f x y

x

y

xy

= +

+

-

 
Solution 
We first need all the first order (to find the critical points) and second order (to classify the 
critical points) partial derivatives so let’s get those. 
 

 

2

2

3

3

3

3

6

6

3

x

y

x x

y y

x y

f

x

y

f

y

x

f

x

f

y

f

=

-

=

-

=

=

= -

 

 
Let’s first find the critical points.  Critical points will be solutions to the system of equations, 

 

2

2

3

3

0

3

3

0

x

y

f

x

y

f

y

x

=

-

=

=

-

=

 

 
This is a non-linear system of equations and these can, on occasion, be difficult to solve.  
However, in this case it’s not too bad.  We can solve the first equation for y as follows, 

 

2

2

3

3

0

x

y

y x

-

=

Þ

=

 

 
Plugging this into the second equation gives, 

 

( )

(

)

2

2

3

3

3

3

1

0

x

x

x x

-

=

- =  

 
From this we can see that we must have 

0

x

=

 or 

1

x

=

.  Now use the fact that 

2

y x

=

 to get the 

critical points. 

 

( )
( )

2

2

0 :

0

0

0,0

1:

1

1

1,1

x

y

x

y

=

=

=

Þ

=

= =

Þ

 

 
So, we get two critical points.  All we need to do now is classify them.  To do this we will need 
D.  Here is the general formula for D

 

( )

( ) ( )

( )

( )( ) ( )

2

2

,

,

,

,

6

6

3

36

9

x x

y y

x y

D x y

f

x y f

x y

f

x y

x

y

xy

é

ù

=

- ë

û

=

- -

=

-

 

 
To classify the critical points all that we need to do is plug in the critical points and use the fact 
above to classify them. 
 

( )

0,0

 

( )

0,0

9 0

D D

=

= - <  

 
So, for 

( )

0,0

 D is negative and so this must be a saddle point. 

p

g ph o

( )

1,1

 

( )

( )

1,1

36 9 27 0

1,1

6 0

x x

D D

f

=

=

- =

>

= >  

 
For 

( )

1,1

 D is positive and 

x x

f

 is positive and so we must have a relative minimum. 

 
For the sake of com leteness here is a  ra

f this function. 

22


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Notice that in order to get a better visual we used a somewhat nonstandard orientation.  We can 

ee that there is a relative minimum at 

( )

1,1

 and (hopefully) it’s clear that at 

( )

0,0

 we do get a 

addle point. 

s

s

Example 2  

Find and classify all the critical points for 

( )

2

3

2

2

,

3

3

3

2

f x y

x y y

x

y

=

+

-

-

+

 

 
Solution 
As with the first example we will first need to get all the first and second order derivatives. 

 

2

2

6

6

3

3

6

6

6

6

6

6

x

y

x x

y y

x y

f

xy

x

f

x

y

y

f

y

f

y

f

x

=

-

=

+

-

=

-

=

-

=

 

 
We’ll first need the critical points.  The equations that we’ll need to solve this time are, 

 

2

2

6

6

0

3

3

6

0

xy

x

x

y

y

-

=

+

-

=

 

 
These equations are a little trickier to solve than the first set, but once you see what to do they 
really aren’t terribly bad. 
 
First, let’s notice that we can factor out a 6x from the first equation to get, 

 

(

)

6

1

0

x y

- =  

So, we can see that the first equation will be zero if 

0

x

=

 or 

1

y

=

.  Be careful to not just cancel 

the x from both sides.  If we had done that we would have missed 

0

x

=

 
To find the critical points we can plug these (individually) into the second equation and solve for 
the

 

remaining

 

variable

 

0

x

=

 : 

 

(

)

3

6

3

2

0

0,

2

y

y

y y

y

y

-

=

-

=

Þ

=

=  

1

y

=

 : 

 

(

)

2

2

3

3 3

1

0

1,

1

x

x

x

x

- =

- =

Þ

= -

=  

 
So, if 

0

x

=

 we have the following critical points, 

 

( ) ( )

0,0

0, 2  

and if 

1

y

=

 the critical points are, 

 

( ) (

)

1,1

1,1

-

 

 

Now all we need to do is classify the critical points.  To do this we’ll need the general formula for 
D

 

( ) (

)(

) ( ) (

)

2

2

2

,

6

6 6

6

6

6

6

36

D x y

y

y

x

y

x

=

-

- -

=

-

-

 

 

( )

0,0

23


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

( )

( )

0,0

36 0

0,0

6 0

x x

D D

f

=

=

>

= - <  

( )

0, 2

 

( )

( )

0, 2

36 0

0, 2

6 0

x x

D D

f

=

=

>

= >  

( )

1,1

 

( )

1,1

36 0

D D

=

= - <  

(

)

1,1

-

 

(

)

1,1

36 0

D D

=

-

= - <  

 
So, it looks like we have the following classification of each of these critical points. 

 

( )
( )
( )
(

)

0,0

: Relative Maximum

0, 2

: Relative Minimum

1,1

: Saddle Point

1,1 : Saddle Point

-

 

 
Here is a graph of the surface for the sake of completeness. 

 

Example 3  

Determine the point on the plane 

4

2

1

x

y z

-

+ =

 that is closest to the point 

(

)

2, 1,5

- -

 
Solution 

 
First, let’s suppose that 

(

)

, ,

x y z

 is any point on the plane.  The distance between this point and 

the point in question, 

(

)

2, 1,5

- -

, is given by the formula, 

 

(

) (

) (

)

2

2

2

2

1

5

d

x

y

z

=

+

+

+

+ -

 

equation of the plane to see that, 

 

1 4

2

z

x

y

= -

+

 

 
Plugging this into the distance formula gives, 

 

(

) (

) (

)

(

) (

) (

)

2

2

2

2

2

2

2

1

1 4

2

5

2

1

4 4

2

d

x

y

x

y

x

y

x

y

=

+

+

+

+ -

+

-

=

+

+

+

+ - -

+

 

24


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
So, let’s instead find the minimum value of  

 

( )

(

) (

) (

)

2

2

2

2

,

2

1

4 4

2

f x y

d

x

y

x

y

=

=

+

+

+

+ - -

+

 

that is closest to 

(

)

2, 1,5

- -

 
We’ll need the derivatives first. 

 

(

) ( )(

)

(

) ( )(

)

2

2

2 4

4 4

2

36 34

16

2

1

2 2

4 4

2

14 16

10

34
10

16

x

y

x x

y y

x y

f

x

x

y

x

y

f

y

x

y

x

y

f
f
f

=

+ + -

- -

+

=

+

-

=

+ +

- -

+

= - -

+

=

=

= -

 

Now, before we get into finding the critical point let’s compute D quickly. 

 

( ) (

)

2

34 10

16

84 0

D

=

- -

=

>  

 
So, in this case D will always be positive and also notice that 

34 0

x x

f

=

>

 is always positive a

so any critical points that we get will be guaranteed to be relative minimums. 
 
Now let’s find the critical point(s).  This will mean solving the system. 

 

36 34

16

0

14 16

10

0

x

y

x

y

+

-

=

- -

+

=

 

 
To do this we can solve the first equation for x

 

(

)

(

)

1

1

16

36

8

18

34

17

x

y

y

=

-

=

-

 

 
Now, plug this into the second equation and solve for y

 

(

)

16

25

14

8

18

10

0

17

21

y

y

y

- -

-

+

=

Þ

= -

 

 
Back substituting this into the equation for x gives 

34

21

x

= -

 
So, it looks like we get a single critical point : 

(

)

34

25

21

21

,

-

-

.  

nd 

  

 

34

25

107

1 4

2

21

21

21

z

æ

ö

æ

ö

= -

-

+

-

=

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

 

 
So, the point on the plane that is closest to 

(

)

2, 1,5

- -

 is 

(

)

34

25 107

21

21

21

,

,

-

-

 

25


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Absolute Minimums and Maximums 

In this section we are going to extend the work from the previous section.  In the previous section 
we were asked to find and classify all critical points as relative minimums, relative maximums 
and/or saddle points.  In this section we want to optimize a function, that is identify the absolute 
minimum and/or the absolute maximum of the function, on a given region in 

2

¡

.  Note that 

when we say we are going to be working on a region in 

2

¡

 we mean that we’re going to be 

looking at some region in the xy-plane. 
 

In order to optimize a function in a region we are going to need to get a couple of definitions out 
of the way and a fact.  Let’s first get the definitions out of the way. 
 

Definitions 
1.  A region in 

2

¡

 is called closed if it includes its boundary.  A region is called open if it 

doesn’t include any of its boundary points. 

2.  A region in 

2

¡

 is called bounded if it can be completely contained in a disk.  In other 

words, a region will be bounded if it is finite. 

 
Let’s think a little more about the definition of closed.  We said a region is closed if it includes its 
boundary.  Just what does this mean?  Let’s think of a rectangle.  Below are two definitions of a 
rectangle, one is closed and the other is open. 
 

 

Open

Closed

5

3

5

3

1

6

1

6

x

x

y

y

- < <

- £ £

< <

£ £

 

 
In this first case we don’t allow the ranges to include the endpoints (i.e. we aren’t including the 
edges of the rectangle) and so we aren’t allowing the region to include any points on the edge of 
the rectangle.  In other words, we aren’t allowing the region to include its boundary and so it’s 
open.   
 
In the second case we are allowing the region to contain points on the edges and so will contain 
its entire boundary and hence will be closed. 
 
This is an important idea because of the following fact. 
 
Extreme Value Theorem 
If 

( )

,

f x y

 is continuous in some closed, bounded set D in 

2

¡

 then there are points in D

(

)

1

1

,

x y

 and 

(

)

2

2

,

x y

 so that 

(

)

1

1

,

f x y

 is the absolute maximum and 

(

)

2

2

,

f x y

 is the absolute 

minimum of the function in D
 
Note that this theorem does NOT tell us where the absolute minimum or absolute maximum will 
occur.  It only tells us that they will exist.  Note as well that the absolute minimum and/or 
absolute maximum may occur in the interior of the region or it may occur on the boundary of the 
region. 
 

26


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 
Finding Absolute Extrema 

 

1.  Find all the critical points of the function that lie in the region D and determine the function 

value at each of these points. 
 

2.  Find all extrema of the function on the boundary.  

 

3.  The largest and smallest values found in the first two steps are the absolute minimum and the 

absolute maximum of the function. 
 

 
The main difference between this process and the process that we used in Calculus I is that the 
“boundary” in Calculus I was just two points and so there really wasn’t a lot to do in the second 
step.  For these problems the majority of the work is often in the second step as we will often end 
up doing a Calculus I absolute extrema problem one or more times. 
  

Example 1  

Find the absolute minimum and absolute maximum of 

( )

2

2

2

,

4

2

4

f x y

x

y

x y

=

+

-

+

 on the rectangle given by 

1

1

x

- £ £

 and 

1

1

y

- £ £

 
Solution 
Let’s first get a quick picture of the rectangle for reference purposes. 

 

 
The boundary of this rectangle is given by the following conditions

 

right side :

1, 1

1

left side :

1, 1

1

upper side :

1, 1

1

lower side :

1, 1

1

x

y

x

y

y

x

y

x

= - £ £
= - - £ £

= - £ £
= - - £ £

 

These will be important in the second step of our process. 
 
We’ll start this off by finding all the critical points that lie inside the given rectangle.  To do this 
we’ll need the two first order derivatives. 

 

2

2

4

8

2

x

y

f

x

xy

f

y

x

=

-

=

-

 

 
Note that since we aren’t going to be classifying the critical points we don’t need the second 
order derivatives.  To find the critical points we will need to solve the system, 
 

 

2

2

4

0

8

2

0

x

xy

y

x

-

=

-

=

 

 
We can solve the second equation for y to get, 

 

2

4

x

y

=

 

27


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Plugging this into the first equation gives us, 

 

(

)

2

3

2

2

4

2

2

0

4

x

x

x

x x

x

x

æ

ö

-

=

-

=

-

=

ç

÷

è

ø

 

 
This tells us that we must have 

0

x

=

 or 

2

1.414...

x

= ±

= ±

.  Now, recall that we only want 

critical points in the region that we’re given.  That means that we only want critical points for 
which 

1

1

x

- £ £

.  The only value of x that will satisfy this is the first one so we can ignore the 

last two for this problem.  Note however that a simple change to the boundary would include 
these two so don’t forget to always check if the critical points are in the region (or on the 
boundary since that can also happen). 
 
Plugging 

0

x

=

 into the equation for y gives us, 

 

2

0

0

4

y

=

=  

 
The single critical point, in the region (and again, that’s important), is 

( )

0,0

.  We now need to 

get the value of the function at the critical point. 

 

( )

0,0

4

f

=  

Eventually we will compare this to values of the function found in the next step and take the 
largest and smallest as the absolute extrema of the function in the rectangle. 
 
Now we have reached the long part of this problem.  We need to find the absolute extrema of the 
function along the boundary of the rectangle.  What this means is that we’re going to need to look 
at what the function is doing along each of the sides of the rectangle listed above.  

Let’s first take a look at the right side.  As noted above the right side is defined by  

 

1, 1

1

x

y

= - £ £  

 
Notice that along the right side we know that 

1

x

=

.  Let’s take advantage of this by defining a 

new function as follows, 

 

( )

( )

( )

2

2

2

2

1,

1

4

2 1

4 5 4

2

g y

f

y

y

y

y

y

=

= +

-

+ = +

-

 

 
Now, finding the absolute extrema of 

( )

,

f x y

 along the right side will be equivalent to finding 

the absolute extrema of 

( )

g y

 in the range 

1

1

y

- £ £

.  Hopefully you 

recall

 how to do this from 

Calculus I.  We find the critical points of 

( )

g y

 in the range 

1

1

y

- £ £

 and then evaluate 

( )

g y

 

at the critical points and the end points of the range of y’s. 
 
Let’s do that for this problem. 

 

( )

1

8

2

4

g y

y

y

¢

=

-

Þ

=  

 
 This is in the range and so we will need the following function evaluations. 

 

( )

( )

1

19

1

11

1

7

4.75

4

4

g

g

g

æ ö

- =

=

=

=

ç ÷

è ø

 

 
Notice that, using the definition of 

( )

g y

 these are also function values for 

( )

,

f x y

28


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

( )

(

)

( )

( )

1

1, 1

11

1

1,1

7

1

1

19

1,

4.75

4

4

4

g

f

g

f

g

f

- =

- =

=

=

æ ö

æ

ö

=

=

=

ç ÷

ç

÷

è ø

è

ø

 

 
We can now do the left side of the rectangle which is defined by, 

 

1, 1

1

x

y

= - - £ £  

 
Again, we’ll define a new function as follows, 

 

( )

(

) ( )

( )

2

2

2

2

1,

1

4

2 1

4 5 4

2

g y

f

y

y

y

y

y

=

-

= -

+

- -

+ = +

-

 

 
Notice however that, for this boundary, this is the same function as we looked at for the right 
side.  This will not always happen, but since it has let’s take advantage of the fact that we’ve 
already done the work for this function.  We know that the critical point is 

1

4

y

=

 and we know 

that the function value at the critical point and the end points are, 

 

( )

( )

1

19

1

11

1

7

4.75

4

4

g

g

g

æ ö

- =

=

=

=

ç ÷

è ø

 

 
The only real difference here is that these will correspond to values of 

,

f x y

 at different points 

( )

than for the right side.  In this case these will correspond to the following function values for 

( )

,

f x y

 

( )

(

)

( )

(

)

1

1, 1

11

1

1,1

7

1

1

19

1,

4.75

4

4

4

g

f

g

f

g

f

- =

- - =

=

-

=

æ ö

æ

ö

=

-

=

=

ç ÷

ç

÷

è ø

è

ø

 

 
We can now look at the upper side defined by, 

1, 1

1

y

x

= - £ £

 

 
We’ll again define a new function except this time it will be a function of x

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

,1

4 1

2

1

4 8

h x

f x

x

x

x

=

=

+

-

+ = -  

 
We need to find the absolute extrema of 

( )

h x

 on the range 

1

1

x

- £ £

.  First find the critical 

point(s). 

 

( )

2

0

h x

x

x

¢

= -

Þ

=  

 
The value of this function at the critical point and the end points is, 

 

( )

( )

( )

1

7

1

7

0

8

h

h

h

- =

=

=  

and these in turn correspond to the following function values for 

( )

,

f x y

 

 

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

1

1,1

7

1

1,1

7

0

0,1

8

h

f

h

f

h

f

- =

-

=

=

=

=

=

 

 
Note that there are several “repeats” here.  The first two function values have already been 
computed when we looked at the right and left side.  This will often happen. 
 
Finally, we need to take care of the lower side.  This side is defined by, 

 

1, 1

1

y

x

= - - £ £  

29


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
The new function we’ll define in this case is, 

 

( )

(

)

( )

( )

2

2

2

2

, 1

4 1

2

1

4 8 3

h x

f x

x

x

x

=

- =

+ -

-

- + = +

 

 
The critical point for this function is, 

 

( )

6

0

h x

x

x

¢

=

Þ

=  

 
The function values at the critical point and the endpoint are, 

 

( )

( )

( )

1

11

1

11

0

8

h

h

h

- =

=

=  

and the corresponding values for 

( )

,

f x y

 are, 

 

( )

(

)

( )

(

)

( )

(

)

1

1, 1

11

1

1, 1

11

0

0, 1

8

h

f

h

f

h

f

- =

- - =

=

- =

=

- =

 

 
The final step to this (long…) process is to collect up all the function values for 

( )

,

f x y

 that 

we’ve computed in this problem.  Here they are, 
 

 

( )

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

0,0

4

1, 1

11

1,1

7

1

1,

4.75

1,1

7

1, 1

11

4
1

1,

4.75

0,1

8

0, 1

8

4

f

f

f

f

f

f

f

f

f

=

- =

=

æ

ö =

-

=

- - =

ç

÷

è

ø

æ

ö

-

=

=

- =

ç

÷

è

ø

 

 
The absolute minimum is at 

( )

0,0

 since gives the smallest function value and the absolute 

maximum occurs at 

(

)

1, 1

-

 and 

(

)

1, 1

- -

 since these two points give the largest function value. 

 
Here is a sketch of the function on the rectangle for reference purposes. 

      

 

 

30


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

equ

y

g

qu

g

g

Example 2  

Find the absolute minimum and absolute maximum of  

( )

2

2

,

2

6

f x y

x

y

y

=

-

+

 

on the disk of radius 4, 

2

2

16

x

y

+

£

 

 
Solution 
First note that a disk of radius 4 is given by the inequality in the problem statement.  The “less 
than” in

alit  is included to  et the interior of the disk and the e al si n is included to  et the 

 
As this example has shown these can be very long problems.  Let’s take a look at an easier 
problem with a different kind of boundary. 

boundary.  Of course, this also means that the boundary of the disk is a circle of radius 4. 
 
Let’s first find the critical points of the function that lies inside the disk.  This will require the 
following two first order partial derivatives. 

 

4

2

6

x

y

f

x

f

y

=

= -

+  

 
 To find the critical points we’ll need to solve the following system. 

 

4

0

2

6 0

x

y

=

-

+ =

 

 
This is actually a fairly simple system to solve however.  The first equation tells us that 

0

x

=

 

and the second tells us that 

3

y

=

.  So the only critical point for this function is 

( )

0,3

 and this is 

inside the disk of radius 4.  The function value at this critical point is, 

 

( )

0,3

9

f

=  

 
Now we need to look at the boundary.  This one will be somewhat different from the previous 
example.  In this case we don’t have fixed values of x and y on the boundary.  Instead we have, 

 

2

2

16

x

y

+

=

 

 
We can solve this for 

2

x

 and plug this into the 

2

x

 in 

( )

,

f x y

 to get a function of y as follows. 

 

2

2

16

x

y

=

-

 

 

( )

(

)

2

2

2

2 16

6

32 3

6

g y

y

y

y

y

y

=

-

-

+

=

-

+

 

 
We will need to find the absolute extrema of this function on the range 

4

4

y

- £ £

 (this is the 

range of y’s for the disk….).  We’ll first need the critical points of this function. 

 

( )

6

6

1

g y

y

y

¢

= -

+

Þ

=  

31


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
The value of this function at the critical point and the endpoints are, 

 

( )

( )

( )

4

40

4

8

1

35

g

g

g

- = -

=

=

 

 
Unlike the first example we will still need to find the values of x that correspond to these.  We 
can do this by plugging the value of y into our equation for the circle and solving for y

 

2

2

2

4 :

16 16 0

0

4 :

16 16 0

0

1 :

16 1 15

15

3.87

y

x

x

y

x

x

y

x

x

= -

=

-

=

Þ

=

=

=

-

=

Þ

=

=

=

- = Þ

= ±

= ±

 

 
The function values for 

( )

g y

 then correspond to the following function values for 

( )

,

f x y

 

( )

(

)

( )

( )

( )

4

40

0, 4

40

4

8

0, 4

8

1

35

15,1

35 and

15,1

35

g

f

g

f

g

f

f

- = -

Þ

- = -

=

Þ

=

=

Þ

-

=

=

 

(

)

(

)

 
Note that the third one actually corresponded to two different values for 

( )

,

f x y

 since that y also 

produced two different values of x
 
So, comparing these values to the value of the function at the critical point of 

( )

,

f x y

 that we 

found earlier we can see that the absolute minimum occurs at 

(

)

0, 4

-

 while the absolute 

maximum occurs twice at 

(

)

15,1

-

 and 

(

)

15,1

 
Here is a sketch of the region for reference purposes. 
 

  

 

 

In both of these examples one of the absolute extrema actually occurred at more than one place.  
Sometimes this will happen and sometimes it won’t so don’t read too much into the fact that it 
happened in both examples given here. 
 
Also note that, as we’ve seen, absolute extrema will often occur on the boundaries of these 
regions, although they don’t have to occur at the boundaries.  Had we given much more 
complicated examples with multiple critical points we would have seen examples where the 
absolute extrema occurred interior to the region and not on the boundary. 
 
 

32


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Small  changes 

If is a function of x, i.e. y

(x), and the approxi-

mate change in corresponding to a small change
δx

in is required, then:

δy

δx

dy

dx

and δy

dy

dx

· δx or δy ≈ f

(x)

· δx

Example1.Given

y

= 4x

2

− x, determine the

approximate change in if changes from 1 to
1.02.

Since y

= 4x

2

− x, then

dy

dx

= 8− 1

Approximate change in y,

δy

dy

dx

· δx ≈ (8− 1)δx

When x

= 1 and δx = 0.02, δy ≈ [8(1) − 1](0.02)

≈ 0.14

[Obviously, in this case, the exact value of dy

may be obtained by evaluating when x

= 1.02,

i.e. y

= 4(1.02)

2

− 1.02 = 3.1416 and then sub-

tracting from it the value of when x

= 1, i.e.

y

= 4(1)

2

− 1 = 3, giving δy = 3.1416 − 3 = 0.1416.

Using δy

=

dy

dx

· δx above gave 0.14, which shows

that the formula gives the approximate change in y
for a small change in x.]

Example2.The  time of swing

of a pendu-

lum is given by T

k

l, where is a constant.

Determine the percentage change in the time of
swing if the length of the pendulum changes
from 32.1 cm to 32.0 cm.

If T

k

l

kl

1
2

, then

dT

dl

k

1

2

l

−1

2

=

k

2

l

Approximate change in ,

δt

dT

dl

δl

k

2

l

δl

k

2

l

(

−0.1)

33


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

small changes

1. Determine the change in if changes from

2.50 to 2.51 when

(a) y

= 2− x

2

(b) y

=

5

x

[(a)

−0.03 (b) −0.008]

2. The pressure and volume of a mass of

gas are related by the equation pv

= 50. If the

pressure increases from 25.0 to 25.4, deter-
mine the approximate change in the volume
of the gas. Find also the percentage change
in the volume of the gas. [

−0.032, −1.6%]

3. Determine the approximate increase in (a) the

volume, and (b) the surface area of a cube
of side cm if increases from 20.0 cm to
20.05 cm.

[(a) 60 cm

3

(b) 12 cm

2

]

4. The radius of a sphere decreases from 6.0 cm

to 5.96 cm. Determine the approximate
change in (a) the surface area, and (b) the
volume.

[(a)

−6.03 cm

2

(b)

−18.10 cm

3

]

5. The rate of flow of a liquid through a

tube is given by Poiseuilles’s equation as:

Q

=

pπr

4

8ηL

where is the rate of flow, p

is the pressure difference between the ends
of the tube, is the radius of the tube, L
is the length of the tube and η is the coef-
ficient of viscosity of the liquid. η is obtained
by measuring Qpand L. If can be
measured accurate to

±0.5%, accurate to

±3%, accurate to ±2% and accurate

to

±1%, calculate the maximum possible

percentage error in the value of η.

[12.5%]

rates of change

1. An alternating current, amperes, is given by

i

= 10 sin 2πft, where is the frequency in

hertz and the time in seconds. Determine
the rate of change of current when t

= 20 ms,

given that f

= 150 Hz.

[3000π A/s]

2. The luminous intensity, candelas, of a lamp

is given by I

= 6 × 10

−4

V

2

, where is

the voltage. Find (a) the rate of change of
luminous intensity with voltage when V

=

200 volts, and (b) the voltage at which the
light is increasing at a rate of 0.3 candelas
per volt.

[(a) 0.24 cd/V (b) 250 V]

3. The voltage across the plates of a capacitor at

any time seconds is given by v

Ve

t/CR

,

where and are constants.

Given V

= 300 volts, = 0.12 × 10

−6

F and

R

= 4 × 10

6

find (a) the initial rate of

change of voltage, and (b) the rate of change
of voltage after 0.5 s.

[(a)

−625V/s (b) −220.5V/s]

4. The pressure of the atmosphere at height h

above ground level is given by p

p

0

e

h/c

,

where p

0

is the pressure at ground level

and is a constant. Determine the rate
of change of pressure with height when
p

0

= 1.013 × 10

5

pascals and c

= 6.05 × 10

4

at 1450 metres.

[

−1.635 Pa/m]

tangents and normals

For the curves in problems 1 to 5, at the points
given, find (a) the equation of the tangent, and
(b) the equation of the normal.

1. y

= 2x

2

at the point (1, 2)

(a) y

= 4− 2

(b) 4y

= 9

2. y

= 3x

2

− 2at the point (2, 8)

(a) y

= 10− 12

(b) 10y

= 82

3. y

=

x

3

2

at the point

−1, −

1

2

(a) y

=

3
2

x

+ 1

(b) 6y

+ 4+ 7 = 0

4. y

= 1 + − x

2

at the point (

−2, −5)

(a) y

= 5+ 5

(b) 5y

+ 27 = 0

5. θ

=

1

t

at the point

3,

1

3

(a) 9θ

= 6

(b) θ

= 9− 26

2
3

or 3θ

= 27− 80

Further Problem

34


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

maximum and minimum

9. Resistance to motion, F, of a moving vehi-

cle, is given by F

=

5
x

+ 100x. Determine the

minimum value of resistance.

[44.72]

10. An electrical voltage is given by

E

= (15 sin 50πt + 40 cos 50πt) volts,

where is the time in seconds. Determine
the maximum value of voltage.

[42.72 volts]

11. The fuel economy of a car, in miles per

gallon, is given by:

E

= 21 + 2.10 × 10

−2

v

2

− 3.80 × 10

−6

v

4

where is the speed of the car in miles per
hour.
Determine, correct to 3 significant figures,
the most economical fuel consumption, and
the speed at which it is achieved.

[50.0 miles/gallon, 52.6 miles/hour]

1. y

= 3x

2

− 4+ 2

Minimum at

2
3

,

2
3

2. x

θ(6 − θ)

[Maximum at (3, 9)]

3. y

= 4x

3

+ 3x

2

− 60− 12

Minimum (2,

−88);

Maximum(

− 2.5, 94.25)

4. y

= 5− 2 ln x

[Minimum at (0.4000, 3.8326)]

5. y

= 2− e

x

[Maximum at (0.6931,

−0.6136)]

6. y

t

3

t

2

2

− 2+ 4


Minimum at (1, 2.5);

Maximum at

2

3

, 4

22

27


7. x

= 8+

1

2t

2

[Minimum at (0.5, 6)]

8. Determine the maximum and minimum val-

ues on the graph y

= 12 cos θ − 5 sin θ in the

range θ

= 0 to θ = 360

. Sketch the graph

over one cycle showing relevant points.

Maximum of 13 at 337

23

,

Minimum of

−13 at 157

23

9. Show that the curve y

=

2
3

(t

− 1)

3

+ 2t(− 2)

has a maximum value of

2
3

and a minimum

value of

−2.

35

maximum and minimum

1. The speed, v, of a car (in m/s) is related to

time t s by the equation v

= 3 + 12− 3t

2

.

Determine the maximum speed of the car
in km/h.

[54 km/h]

2. Determine the maximum area of a rectangu-

lar piece of land that can be enclosed by
1200 m of fencing.

[90000 m

2

]

3. A shell is fired vertically upwards and

its vertical height, metres, is given by
x

= 24− 3t

2

, where is the time in seconds.

Determine the maximum height reached.

[48 m]

4. A lidless box with square ends is to be made

from a thin sheet of metal. Determine the
least area of the metal for which the volume
of the box is 3.5 m

3

.

[11.42 m

2

]

5. A closed cylindrical container has a surface

area of 400 cm

2

. Determine the dimensions

for maximum volume.

radius

= 4.607 cm;

height

= 9.212 cm

7. The power developed in a resistor by a

battery of emf and internal resistance is

2

given by P

E R

(R

r)

2

. Differentiate with

respect to and show that the power is a
maximum when R

r.

8. Find the height and radius of a closed cylin-

der of volume 125 cm

3

which has the least

surface area.

height

= 5.42 cm;

radius

= 2.71 cm

6. Calculate the height of a cylinder of max-

imum volume which can be cut from a cone
of height 20 cm and base radius 80 cm.

[6.67 cm]




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 181 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل