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Second order partial derivatives 06/06

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Academic year: 2021

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Second order partial derivatives 06/06

We have seen that the first partial derivatives of a function f : R2D → R are used to define the tangent plane to its graph at a given point P0. This gives a first approximation to f at P0.

One can define various higher order partial derivatives, that can be used in a similar way. We shall concentrate on

2f

∂x2 =

∂x

∂f

∂x

 = (fx)x = fxx

2f

∂x∂y =

∂x

∂f

∂y

 = (fy)x = fyx

2f

∂y∂x =

∂y

∂f

∂x

 = (fx)y = fxy

2f

∂y2 = fyy.

These are all functions, whose values at a given point are defined by limits such as

fxx(x0, y0) = lim

h→0

fx(x0+h, y0) − fx(x0, y0)

h .

But it is not normally necessary to revert to this definition.

Example. If r = q

x2 +y2 then

f (x, y) = log r = 12 log(x2 +y2), and

fx = rx

r = x

r2, fy = y r2. It was shown that f satisfies Laplace’s equation

fxx +fyy = 0.

1

(2)

If f (x, y) = p(x)q(y) then

fxy = p0(x)q0(y) = fyx.

For functions one normally encounters (at least, those with continuous second derivatives), it is always true that

fxy = fyx. It follows that

(Hf )(x0, y0) = fxx(x0, y0) fxy(x0, y0) fyx(x0, y0) yyy(x0, y0)

!

∈ R2,2

is a symmetric matrix. It is called the Hessian of f at P0.

A more complicated example. Let D = {(x, t) : t > 0}, and f (x, t) = 1

tex24t. Then

ft = (−12t−3/2+ 41x2t−5/2)ex24t, and it was shown that f satisfies the equation

ft = fxx

(similar to that representing the temperature f at time t > 0 and position x along a heated rod). Now fix P0=(0, 1). Since

fxx(0, 1) = −12, fxt(0, 1) = 0, ftt(0, 1) = 34, the Hessian of f at P0 equals

1

2 0 0 34

! .

2

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