Enunciado

Determine as derivadas parciais de segunda ordem

u = e - s   s e n   t

Passo 1

Fala ai galerinha. De boa!

O objetivo da questão é calcular as derivadas parciais de segunda ordem da função

u = e - s   s e n   t

Para resolver, primeiro calculamos as derivadas parciais de primeira ordem u s ​ e u t , que representam as taxas de variação de u em relação a s e t , respectivamente. Em seguida, calculamos as derivadas parciais de segunda ordem z s s , z s t ​, z t t e z t s que indicam como as taxas de variação das derivadas parciais de primeira ordem mudam em relação a cada variável.

Existem três derivadas parciais de segunda ordem e que são iguais a:

u s s , u s t   e   u t t

Lembrando que u s t = u t s

Neste passo vamos lembrar da regra de derivação que vamos utilizar.

Regra da cadeia

d z d x ​ = u ' ( v ( x ) ) ⋅ v ' ( x )

Agora é só analisar quando precisamos utilizar. 😊

Passo 2

Vamos começar calculando as derivadas em relação a s :

Como na questão vimos que pela regra do produto as funções que possuem t não fazem a menor diferença, logo vamos tratá-la como constante por que dá no mesmo.

u s = s e n   t × d d s e - s

Pela regra da cadeia temos:

d d s e - s = - e - s

Então:

u s = - s e n   t   e - s

Passo 3

Agora para a derivada segunda, vamos derivar em relação a s novamente:

u s s = - s e n   t d d s e - s

De novo vamos considerar s e n   t , como uma constante e aplicar a Regra da Cadeia com o termo e - s .

u s s = - s e n   t   e - s . ( - s ) '

u s s = s e n   t   e - s

Passo 4

Podemos resolver também a expressão de u s t , vamos pegar a derivada primeira de s e derivar agora em relação a t .

u s = - s e n   t   e - s

Veja que agora o termo da exponencial será a nossa contante, pois não depende de t .

u s t = - e - s d d t ( s e n   t )

Resultando em

u s t = - e - s cos ⁡ t

Passo 5

Agora vamos para as derivadas em t da função. Vamos pegar a função original e derivar duas vezes em relação a t .

u = e - s   s e n   t

Perceba que agora o termo da exponencial será a nossa contante, pois não depende de t .

u t = e - s d d t ( s e n   t )

u t = e - s cos ⁡ t

Sem complicação né? Derivada de seno é cosseno e derivada de cosseno é menos seno e por aí vai.

Logo a derivada segunda será:

u t t = e - s d d t ( cos ⁡ t ) = - e - s sin ⁡ t

Vamos confirmar as nossas ações fazendo u t s :

Pela Regra da cadeia

u t s = cos ⁡ t d d s e - s

u t s = cos ⁡ t ∙ e - s ∙ - s '

u t s = - e - s cos ⁡ t = u s t

Está tudo ok! Vamos para a próxima

Resposta

u s s = s e n   t   e - s

u s t = - e - s cos ⁡ t

u t t = - e - s sin ⁡ t

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