MAT1052 · 9. hafta · Partial Derivatives, Chain Rule

Kısmi türevler ve zincir kuralı

Çok değişkenli bir fonksiyonun kısmi türevlerini ve ikinci mertebe türevlerini almayı, zincir kuralını ağaç diyagramıyla uygulamayı ve kapalı fonksiyonlarda türevi -F_x/F_y formülüyle bulmayı öğrenirsin.

partial derivativesecond-order partial derivativemixed partial derivativeClairaut's theoremLaplace equationchain ruletree diagramimplicit differentiationrelated rates

Bu hafta türev kavramını çok değişkenli fonksiyonlara taşıyoruz. Fikir basit: diğer bütün değişkenleri sabit tut, tek bir değişkene göre bildiğin türevi al. Buna kısmi türev (partial derivative) denir. Üzerine iki önemli araç kuracağız: değişkenler başka değişkenlere bağlıyken türevi hesaplayan zincir kuralı (chain rule) ve denklemle verilen fonksiyonların türevini veren kapalı türev (implicit differentiation) formülü. Sınavda hemen her zaman bir “find all second-order partials”, bir zincir kuralı ve bir related rates sorusu gelir.

Altın kurallar:

  1. fxf_x hesaplarken yy sayı gibi davranır. y2y^2, sin⁡y\sin y, eye^y hepsi sabit çarpandır.
  2. fxyf_{xy} “önce xx‘e, sonra yy‘ye göre” demektir. Sürekli fonksiyonlarda sıra sonucu değiştirmez (Clairaut).
  3. Zincir kuralında ağaç çiz: bağımlı değişkenden bağımsız değişkene giden her yol için türevleri çarp, yolları topla.
  4. Kapalı türevde formülün başındaki eksi işaretini unutma: dydx=−FxFy\dfrac{dy}{dx} = -\dfrac{F_x}{F_y}.

Kısmi türev

Tanım.

fx(a,b)=lim⁡h→0f(a+h,b)−f(a,b)h,fy(a,b)=lim⁡h→0f(a,b+h)−f(a,b)h.f_x(a,b) = \lim_{h\to0}\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h},\qquad f_y(a,b) = \lim_{h\to0}\frac{f(a,b+h)-f(a,b)}{h}.

Gösterimler: fx=∂f∂x=∂z∂x=Dxff_x = \dfrac{\partial f}{\partial x} = \dfrac{\partial z}{\partial x} = D_xf.

Geometri. z=f(x,y)z = f(x,y) yüzeyini y=by = b düzlemiyle kes. Ortaya çıkan eğrinin (a,b)(a,b) noktasındaki eğimi fx(a,b)f_x(a,b)‘dir. Yani fxf_x, xx yönünde yürürken yüzeyin ne kadar dik çıktığını ölçer. fyf_y aynı şeyi yy yönünde yapar.

Örnek 1. f(x,y)=x3y2+4xy−y3f(x,y) = x^3y^2+4xy-y^3.

fx=3x2y2+4y,fy=2x3y+4x−3y2.f_x = 3x^2y^2+4y,\qquad f_y = 2x^3y+4x-3y^2.

(1,2)(1,2)‘de: fx=12+8=20f_x = 12+8 = 20, fy=4+4−12=−4f_y = 4+4-12 = -4. Yani bu noktada xx yönünde yüzey hızla yükseliyor, yy yönünde alçalıyor.

Örnek 2 (zincir kuralı içeride). f(x,y)=sin⁡(xy2)f(x,y) = \sin(xy^2). fx=cos⁡(xy2)⋅y2f_x = \cos(xy^2)\cdot y^2. Burada y2y^2, iç fonksiyonun xx‘e göre türevi. fy=cos⁡(xy2)⋅2xyf_y = \cos(xy^2)\cdot2xy.

Örnek 3 (bölüm). f(x,y)=xx+yf(x,y) = \dfrac{x}{x+y}. fx=(x+y)−x(x+y)2=y(x+y)2f_x = \dfrac{(x+y)-x}{(x+y)^2} = \dfrac{y}{(x+y)^2}. fy=0−x(x+y)2=−x(x+y)2f_y = \dfrac{0-x}{(x+y)^2} = -\dfrac{x}{(x+y)^2}.

Üç değişkende de aynı: f(x,y,z)f(x,y,z)‘de fzf_z için xx ve yy sabit.

TUZAK · sabit çarpan mı, değişken mi? f=x2eyf = x^2e^y için fx=2xeyf_x = 2xe^y. Çarpım kuralı uygulamaya gerek yok; eye^y, xx‘e göre sabit. Öte yandan fy=x2eyf_y = x^2e^y, burada da x2x^2 sabit. Sınavda çarpım kuralını gereksiz yere uygulayıp hata yapan çok.

İkinci mertebe kısmi türevler

Kısmi türevin tekrar kısmi türevini alırsın. Dört tane var:

fxx=∂2f∂x2,fyy=∂2f∂y2,fxy=∂∂y(∂f∂x)=∂2f∂y ∂x,fyx=∂2f∂x ∂y.f_{xx} = \frac{\partial^2f}{\partial x^2},\quad f_{yy} = \frac{\partial^2f}{\partial y^2},\quad f_{xy} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) = \frac{\partial^2f}{\partial y\,\partial x},\quad f_{yx} = \frac{\partial^2f}{\partial x\,\partial y}.

Gösterim tuzağı: alt indiste sıra soldan sağa (fxyf_{xy}: önce xx), ∂\partial gösteriminde sağdan sola okunur.

Clairaut teoremi. fxyf_{xy} ve fyxf_{yx}, bir noktanın çevresinde sürekliyse o noktada eşittir. Ders kapsamındaki bütün fonksiyonlarda bu sağlanır, yani karışık türevi hangi sırayla alırsan al aynı sonuç çıkmalı. Bu, hesabını kontrol etmenin bedava yolu.

Örnek 4. f(x,y)=xexyf(x,y) = xe^{xy}.

f_x  = e^(xy) + x·y·e^(xy)                 (çarpım kuralı, x iki yerde)
f_xy = x·e^(xy) + [x·e^(xy) + x·y·x·e^(xy)] = 2x e^(xy) + x^2 y e^(xy)
f_y  = x·x·e^(xy) = x^2 e^(xy)
f_yx = 2x e^(xy) + x^2·y·e^(xy)            (aynı, Clairaut ✓)
(1,0) noktasında: f_xy = 2

Laplace denklemi. uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy} = 0 denklemini sağlayan fonksiyonlara harmonik (harmonic) denir; ısı dağılımı ve elektrik potansiyeli bu denklemi sağlar. u=exsin⁡yu = e^x\sin y: uxx=exsin⁡yu_{xx} = e^x\sin y, uyy=−exsin⁡yu_{yy} = -e^x\sin y, toplam 00.

Zincir kuralı

Tek parametre. z=f(x,y)z = f(x,y), x=x(t)x = x(t), y=y(t)y = y(t) ise

dzdt=∂z∂xdxdt+∂z∂ydydt.\frac{dz}{dt} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{dx}{dt}+\frac{\partial z}{\partial y}\frac{dy}{dt}.

İki parametre. x=x(s,t)x = x(s,t), y=y(s,t)y = y(s,t) ise

∂z∂s=∂z∂x∂x∂s+∂z∂y∂y∂s,∂z∂t=∂z∂x∂x∂t+∂z∂y∂y∂t.\frac{\partial z}{\partial s} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial s},\qquad\frac{\partial z}{\partial t} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial t}+\frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial t}.

Ağaç diyagramı. En üste zz, altına ara değişkenler (xx, yy), en alta bağımsız değişkenler (ss, tt). zz‘den ss‘ye giden her yol bir terim: yol üzerindeki türevleri çarp. Sonra bütün yolları topla. Bu kural her sayıda değişken için çalışır.

          z
        /   \
      x       y
     / \     / \
    s   t   s   t
∂z/∂s = (∂z/∂x)(∂x/∂s) + (∂z/∂y)(∂y/∂s)    ← iki yol: z-x-s ve z-y-s

Örnek 5. z=x2+y2z = x^2+y^2, x=t2x = t^2, y=2ty = 2t. dzdt=2x⋅2t+2y⋅2\dfrac{dz}{dt} = 2x\cdot2t+2y\cdot2. t=1t=1‘de x=1x = 1, y=2y = 2: 4+8=124+8 = 12. Kontrol: z=t4+4t2z = t^4+4t^2, z′=4t3+8t=12z' = 4t^3+8t = 12 ✓.

Örnek 6 (üç ara değişken). w=xyzw = xyz, x=u+vx = u+v, y=u−vy = u-v, z=uvz = uv. ∂w∂u=yz⋅1+xz⋅1+xy⋅v\dfrac{\partial w}{\partial u} = yz\cdot1+xz\cdot1+xy\cdot v. (u,v)=(2,1)(u,v) = (2,1): x=3x = 3, y=1y = 1, z=2z = 2, sonuç 2+6+3=112+6+3 = 11.

İPUCU · değerleri ne zaman koyarsın? Önce türev ifadesini genel olarak yaz. Sonra ss, tt değerlerinden xx, yy değerlerini hesapla. En son hepsini birden yerine koy. Ara değişkenlerin değerini hesaplamayı unutmak (xx yerine ss‘yi koymak) en sık hata.

Zincir kuralının fizik yüzü: birkaç büyüklük zamanla değişiyor, bileşik bir büyüklüğün değişim hızı soruluyor. Formülü yaz, tt‘ye göre zincir kuralı uygula, verilen değerleri koy. Azalan bir büyüklüğün türevi negatif girilir.

Kapalı türev (implicit differentiation)

F(x,y)=0F(x,y) = 0 denklemi yy‘yi xx‘in fonksiyonu olarak tanımlıyorsa, zincir kuralından

dydx=−FxFy(Fy≠0).\frac{dy}{dx} = -\frac{F_x}{F_y}\qquad(F_y\neq0).

Üç değişkende F(x,y,z)=0F(x,y,z) = 0, zz‘yi x,yx,y‘nin fonksiyonu olarak tanımlıyorsa

∂z∂x=−FxFz,∂z∂y=−FyFz.\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{F_x}{F_z},\qquad\frac{\partial z}{\partial y} = -\frac{F_y}{F_z}.

Örnek 7. x3+y3=6xyx^3+y^3 = 6xy, (3,3)(3,3) noktasında (Descartes yaprağı). F=x3+y3−6xyF = x^3+y^3-6xy. Fx=3x2−6y=9F_x = 3x^2-6y = 9, Fy=3y2−6x=9F_y = 3y^2-6x = 9. dydx=−1\dfrac{dy}{dx} = -1.

Neden eksi? F(x,y(x))=0F(x,y(x)) = 0 eşitliğinin xx‘e göre türevi Fx+Fydydx=0F_x+F_y\dfrac{dy}{dx} = 0. Çözünce eksi gelir.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
fxf_x‘te yy‘li terimleri 00 yapmakyy sabit çarpan; sadece xx içermeyen toplananlar 00 olur
xyx^y‘nin yy‘ye göre türevine yxy−1yx^{y-1}xyln⁡xx^y\ln x
fxyf_{xy}‘de sırayı ters almakÖnce xx, sonra yy (Clairaut ile zaten aynı çıkmalı)
Zincir kuralında bir yolu atlamakAğaç çiz, bütün yolları topla
s,ts,t değerlerini doğrudan zxz_x‘e koymakÖnce x(s,t)x(s,t), y(s,t)y(s,t) hesapla
Kapalı türevde eksiyi unutmak−Fx/Fy-F_x/F_y
Related rates’te azalanı pozitif almakAzalan: türev negatif
∂z/∂x\partial z/\partial x için Fx/FyF_x/F_y yazmakPaydada FzF_z

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Let f(x,y)=x3y2−4xyf(x,y) = x^3y^2-4xy. Find fx(1,2)f_x(1,2).

Cevabı göster
44

yy'yi sabit tut: fx=3x2y2−4yf_x = 3x^2y^2-4y. (1,2)(1,2)'de 3⋅1⋅4−8=43\cdot1\cdot4-8 = 4.

Soru 2kolay

Let f(x,y)=exysin⁡yf(x,y) = e^{xy}\sin y. Find fy(0,π)f_y(0,\pi).

Cevabı göster
−1-1

xx sabit, yy'ye göre çarpım kuralı: fy=xexysin⁡y+exycos⁡yf_y = xe^{xy}\sin y+e^{xy}\cos y.(0,π)(0,\pi)'de 0+e0cos⁡π=−10+e^0\cos\pi = -1.

Soru 3kolay

Let f(x,y)=ln⁡(x2+y2)f(x,y) = \ln(x^2+y^2). Find fx(1,1)f_x(1,1).

Cevabı göster
11

fx=2xx2+y2f_x = \dfrac{2x}{x^2+y^2}. (1,1)(1,1)'de 22=1\dfrac{2}{2} = 1.

Soru 4orta

Let f(x,y)=x2y3+sin⁡(xy)f(x,y) = x^2y^3+\sin(xy). Find fxy(1,0)f_{xy}(1,0).

Cevabı göster
11

fx=2xy3+ycos⁡(xy)f_x = 2xy^3+y\cos(xy). Şimdi yy'ye göre: fxy=6xy2+cos⁡(xy)−xysin⁡(xy)f_{xy} = 6xy^2+\cos(xy)-xy\sin(xy).(1,0)(1,0)'da 0+1−0=10+1-0 = 1.

Soru 5orta

Let f(x,y)=xyf(x,y) = x^y (x>0x>0). Find fx(2,3)f_x(2,3) and fy(2,3)f_y(2,3).

Cevabı göster
fx=12f_x = 12, fy=8ln⁡2f_y = 8\ln2

xx'e göre yy sabit üs, kuvvet kuralı: fx=yxy−1f_x = yx^{y-1}, (2,3)(2,3)'te 3⋅4=123\cdot4 = 12.yy'ye göre taban sabit, üstel kural: fy=xyln⁡xf_y = x^y\ln x, (2,3)(2,3)'te 8ln⁡2≈5.5458\ln2\approx5.545.

Soru 6kolay

Does u(x,y)=x2−y2+2xyu(x,y) = x^2-y^2+2xy satisfy Laplace's equation uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0?

Cevabı göster
Yes

ux=2x+2yu_x = 2x+2y, uxx=2u_{xx} = 2. uy=−2y+2xu_y = -2y+2x, uyy=−2u_{yy} = -2.uxx+uyy=2−2=0u_{xx}+u_{yy} = 2-2 = 0. Fonksiyon harmoniktir.

Soru 7orta

Let z=x2yz = x^2y with x=cos⁡tx = \cos t, y=sin⁡ty = \sin t. Find dzdt\dfrac{dz}{dt} at t=π/4t = \pi/4.

Cevabı göster
−2/4-\sqrt2/4

dzdt=zxdxdt+zydydt=2xy(−sin⁡t)+x2cos⁡t\dfrac{dz}{dt} = z_x\dfrac{dx}{dt}+z_y\dfrac{dy}{dt} = 2xy(-\sin t)+x^2\cos t.t=π/4t = \pi/4: x=y=22x = y = \frac{\sqrt2}{2}. 2⋅12⋅(−22)+12⋅22=−22+24=−242\cdot\frac12\cdot\left(-\frac{\sqrt2}{2}\right)+\frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} = -\frac{\sqrt2}{2}+\frac{\sqrt2}{4} = -\frac{\sqrt2}{4}.

Soru 8orta

Let z=exyz = e^{x}y with x=stx = st, y=s+ty = s+t. Find ∂z∂s\dfrac{\partial z}{\partial s} at (s,t)=(1,0)(s,t) = (1,0).

Cevabı göster
11

∂z∂s=zx∂x∂s+zy∂y∂s=exy⋅t+ex⋅1\dfrac{\partial z}{\partial s} = z_x\dfrac{\partial x}{\partial s}+z_y\dfrac{\partial y}{\partial s} = e^xy\cdot t+e^x\cdot1.(s,t)=(1,0)(s,t) = (1,0): x=0x = 0, y=1y = 1. 1⋅1⋅0+1=11\cdot1\cdot0+1 = 1.

Soru 9orta

Find dydx\dfrac{dy}{dx} at (1,1)(1,1) if x2+xy+y3=3x^2+xy+y^3 = 3.

Cevabı göster
−3/4-3/4

F(x,y)=x2+xy+y3−3F(x,y) = x^2+xy+y^3-3. dydx=−FxFy=−2x+yx+3y2\dfrac{dy}{dx} = -\dfrac{F_x}{F_y} = -\dfrac{2x+y}{x+3y^2}.(1,1)(1,1)'de −34-\dfrac{3}{4}.

Soru 10zor

If xz+y2z3=2xz+y^2z^3 = 2 defines zz as a function of xx and yy, find ∂z∂x\dfrac{\partial z}{\partial x} at (1,1,1)(1,1,1).

Cevabı göster
−1/4-1/4

F=xz+y2z3−2F = xz+y^2z^3-2. ∂z∂x=−FxFz=−zx+3y2z2\dfrac{\partial z}{\partial x} = -\dfrac{F_x}{F_z} = -\dfrac{z}{x+3y^2z^2}.(1,1,1)(1,1,1)'de −11+3=−14-\dfrac{1}{1+3} = -\dfrac14.

Soru 11zor

The radius of a cylinder increases at 0.10.1 cm/s and its height decreases at 0.20.2 cm/s. How fast is the volume changing when r=5r=5 cm and h=10h=10 cm?

Cevabı göster
5π≈15.715\pi\approx15.71 cm3^3/s

V=πr2hV = \pi r^2h. Zincir kuralı: dVdt=Vrdrdt+Vhdhdt=2πrh⋅r′+πr2⋅h′\dfrac{dV}{dt} = V_r\dfrac{dr}{dt}+V_h\dfrac{dh}{dt} = 2\pi rh\cdot r'+\pi r^2\cdot h'.2π(5)(10)(0.1)+π(25)(−0.2)=10π−5π=5π2\pi(5)(10)(0.1)+\pi(25)(-0.2) = 10\pi-5\pi = 5\pi. Pozitif: hacim artıyor.

Soru 12orta

Let f(x,y)=xey+x2y3f(x,y) = xe^y+x^2y^3. Find fyx(1,1)f_{yx}(1,1) and verify it equals fxy(1,1)f_{xy}(1,1).

Cevabı göster
e+6e+6

fy=xey+3x2y2f_y = xe^y+3x^2y^2, sonra xx'e göre: fyx=ey+6xy2f_{yx} = e^y+6xy^2. (1,1)(1,1): e+6e+6.
Diğer sıra: fx=ey+2xy3f_x = e^y+2xy^3, fxy=ey+6xy2f_{xy} = e^y+6xy^2, aynı. Clairaut teoremi: türevler sürekliyse sıra önemli değil.

Doğrulama: Bütün kısmi türevler merkezi fark ile, karışık türevler iç içe merkezi farkla, zincir kuralı sonuçları bileşke fonksiyonun doğrudan sayısal türeviyle, kapalı türev ayrıca Newton yöntemiyle çözülen z(x)'in fark oranıyla node'da kontrol edildi (verify/MAT1052/09.mjs).

Deftere not kartı

f_x: y'yi SABİT tut, x'e göre türev. f_y: x'i sabit tut Gösterim: f_x = ∂f/∂x. f_xy = (f_x)_y (önce x sonra y) Clairaut: türevler sürekliyse f_xy = f_yx x^y: ∂/∂x = y x^(y-1), ∂/∂y = x^y ln x Zincir (1 parametre): dz/dt = z_x x'(t) + z_y y'(t) Zincir (2 parametre): ∂z/∂s = z_x x_s + z_y y_s Ağaç: z'den t'ye giden HER yol için türevleri çarp, yolları topla Kapalı: F(x,y)=0 → dy/dx = -F_x/F_y F(x,y,z)=0 → ∂z/∂x = -F_x/F_z, ∂z/∂y = -F_y/F_z (EKSİ!) Laplace: u_xx + u_yy = 0 Değerleri en sonda koy; önce genel türevi bul