Il teorema di Schwarz

Il teorema di Schwarz 1. Quante sono le derivate parziali seconde, terze,...? Il procedimento di derivazione parziali applicato ad una funzione f(x, y) di due variabili raddoppia il numero di derivate ogni volta: Due derivate parziali prime Quattro derivate parziali seconde Otto derivate parziali terze ecc. Data una funzione di due variabili f(x, y), sufficientemente regolare, esistono quattro derivate parziali seconde: f xx, f xy, f yx, f yy. Molti esempi suggeriscono che possa valere l identità f xy = f yx, cioè che derivare prima rispetto alla x e poi rispetto alla y, sia lo stesso che procedere in ordine inverso, ossia derivare prima rispetto alla y e poi rispetto alla x. Sfortunatamente, e sorprendentemente, questo non è sempre vero! Prima di enunciare e dimostrare il Teorema di Schwarz, che garantisce la possibilità di invertire l ordine di derivazione nel caso in cui le derivate seconde siano funzioni continue, analizziamo più da vicino il tipo di fenomeno che può accadere. 1.1. Una questione di invertibilitá. Partiamo da un esempio, leggermente diverso. Sia g(h, k) una funzione di due variabili. E sempre vero che vale l identità (1) g(h, k) = g(h, k)? Da un punto di vista geometrico, questo corrisponde a chiedere se avvicinarsi a zero prima secondo la direzione delle ordinate e poi secondo quella delle ascisse, sia lo stesso che procedere nell ordine inverso. Nel caso in cui la funzione g sia una funzione continua in (0, 0), le due strade portano allo stesso risultato. Nel caso in cui la funzione g non sia continua non è detto: ad esempio, sia 1

2 IL TEOREMA DI SCHWARZ g(h, k) = h2 k 2 h 2 + k 2, che è definita e continua in R 2 \ {(0, 0)}. Si ha quindi mentre h 2 k 2 h 2 + k = 1, 2 h 2 k 2 h 2 + k = 1 2 h 2 k 2 h 2 + k = +1 = +1, 2 h 2 k 2 h 2 + k = 2 1 = 1. Le due sequenze di iti danno risultati diversi! Questo esempio suggerisce che non sempre è possibile invertire l ordine in cui si compiono due operazioni (in questo caso due iti). Il seguente teorema fornisce una condizione sufficiente alla permutabilitá dei due iti: Teorema 1.1. La funzione g(h, k) sia definita in un disco di centro l origine (0, 0) : se esiste finito il ite allora riesce anche g(h, k) = L (h,k) (0,0) g(h, k) = g(h, k) = L. Dimostrazione. Basta ricordare il significato di stabilizzazione che corrisponde all esistenza del ite: l ipotesi del teorema dice... (h, k) (0, 0) g(h, k) L quindi comunque ci avviciniamo all origine ci troveremo avanti a valori g(h, k) L. 2. Le derivate seconde miste Per semplicità consideriamo il calcolo di f xy e f yx nel punto (0, 0). Per definizione ( ) f f x (0, k) f x (0, 0) (0, 0) = y x k

2. LE DERIVATE SECONDE MISTE 3 [ ( 1 f(h, k) f(0, k) = k h 1 f(h, 0) f(0, 0) h = [f(h, k) f(0, k)] [f(h, 0) f(0, 0)] L altra derivata mista, invece, è data dal procedimento inverso ( ) f f y (h, 0) f y (0, 0) (0, 0) = x y h [ ( )] 1 f(h, k) f(h, 0) f(0, k) f(0, 0) = h k k 1 ( ) = [f(h, k) f(h, 0)] [f(0, k) f(0, 0)]. Indicando l espressione a numeratore con = f(h, k) f(h, 0) f(0, k) + f(0, 0), possiamo dire che le due derivate miste coincidono se e solo se vale l identità =. 2.1. Un contresempio. Consideriamo, ad esempio, la funzione definita da xy(x 2 y 2 ) (x, y) (0, 0) f(x, y) = x 2 + y 2 0 (x, y) = (0, 0) allora = f(h, k) f(h, 0) f(0, k) + f(0, 0) = f(h, k) = (h2 k 2 ) h 2 + k 2. Dato che f xy (0, 0) = = 1 1 = )] = f yx (0, 0), questa funzione ha derivate miste diverse in (0, 0)! Quindi non è sempre possibile scambiare l ordine di derivazione. Questo fatto sconfortante ha comunque una parte rinfrancante, 1 1 Giudizio attribuito al prof. Corrado Mascia.

4 IL TEOREMA DI SCHWARZ lo scambio dell ordine di derivazione è possibile sotto ipotesi ragionevoli! Come si intuisce dal cenno fatto al principio, Teorema 1.1, l ipotesi che garantisce di poter invertire l ordine dei iti, cioé l ordine di derivazione parziale, è un ipotesi di continuità delle derivate seconde miste. 3. Il teorema Teorema 3.1 (Teorema di Schwarz). Sia f una funzione derivabile due volte in un aperto A R 2. Se le funzioni f xy e f yx sono continue in (x 0, y 0 ), allora vale l uguaglianza f xy (x 0, y 0 ) = f yx (x 0, y 0 ). Dimostrazione. Per semplicità, dimostriamo il Teorema supponendo (x 0, y 0 ) = (0, 0). Posto ( ) ( ) = f(h, k) f(h, 0) f(0, k) f(0, 0) come si è visto, basta dimostrare che =. e, per ottenere questo basta riconoscere, tenuto conto del Teorema 1.1, che esiste il (h,k) (0,0) Supponiamo h, k > 0 (le altre possibilitá si trattano allo stesso modo). Posto φ(x) := f(x, k) f(x, 0) può essere riscritta nella forma da cui tenuto conto che si ha = φ(h) φ(0) = φ (η) h φ (x) := f x (x, k) f x (x, 0) = [ ] f x (η, k) f x (η, 0) h avendo calcolato i due addendi fra parentesi tonde mediante il Teorema di Lagrange, unidimensionale. Applicando ora il Teorema di Lagrange, ancora unidimensionale, alla f x (η, k) f x (η, 0), funzione della sola k, otteniamo = f xy (η, θ) η (0, h), θ (0, k).

Quindi (h,k) (0,0) 4. UN PROBLEMA 5 = (h,k) (0,0) f xy(η, θ). Dato che, per ipotesi, la funzione f xy è continua, riesce f xy(η, θ) = f xy (0, 0) (h,k) (0,0) il ite cercato quindi esiste e vale f xy (0, 0). Il Teorema 1.1 garantisce quindi la invertibilitá dei due iti f xy (0, 0) = e quindi l uguaglianza = f xy (0, 0) = f yx (0, 0). = f yx (0, 0) Osservazione 3.2. Leggendo con attenzione la dimostrazione precedente ci si accorge che si é sfruttata solo la continuitá della funzione f xy : le conseguenze di fatto ottenute sono esiste anche la f yx e coincide con la f xy. Il teorema potrebbe essere (inutilmente) rienunciato nella forma (apparentemente) piú generale seguente: Sia f C 1 (A): se esiste ed é continua f xy ed é continua in (x 0, y 0 ), allora esiste anche la derivata f yx (x 0, y 0 ) e vale l uguaglianza f xy (x 0, y 0 ) = f yx (x 0, y 0 ). 4. Un problema Le due funzioni 3x + 5y + 7 e 2x 4y + 13 sono le derivate parziali prime di qualche polinomio? No! Se infatti esistesse un polinomio P (x, y) tale che { Px = 3x + 5y + 7 (2) P y = 2x 4y + 13 Allora dovrebbe riuscire anche, per il teorema di Schwarz, P xy = P yx

6 IL TEOREMA DI SCHWARZ Ma, dalla relazione 2 discende P xy = (3x + 5y + 7) y = 5, P yx = (2x 4y + 13) x = 2 due valori diversi. L unica conclusione che se ne puó trarre é che un polinomio che soddisfi il sistema 2 non esiste! É la prima volta che scopriamo che non é sempre lecito assegnare due funzioni e pretendere che esse siano le due derivate parziali prime di una stessa funzione!