2.5.1 Regras da Cadeia

Teorema 13 (Regras da Cadeia). Se $w=f(u,v)$, $u=g(x,y)$ e $v=h(x,y)$ e se $f$, $g$ e $h$ são diferenciáveis então

  \[  \dfrac {\partial w}{\partial x}=\dfrac {\partial w}{\partial u}\dfrac {\partial u}{\partial x}+\dfrac {\partial w}{\partial v}\dfrac {\partial v}{\partial x}; \]    
  \[  \dfrac {\partial w}{\partial y}=\dfrac {\partial w}{\partial u}\dfrac {\partial u}{\partial y}+\dfrac {\partial w}{\partial v}\dfrac {\partial v}{\partial y}.  \]    

Prova: Incrementando $x$ e mantendo $y$ constante temos

  \[  \Delta u=g(x+\Delta x, y)-g(x,y) \]    
  \[  \Delta v=h(x+\Delta x, y)-h(x,y) \]    
  \[  \Delta w=\dfrac {\partial w}{\partial u}\Delta u+\dfrac {\partial w}{\partial v}\Delta v+\varepsilon _1 \Delta u+\varepsilon _2 \Delta v  \]    

onde $\lim _{(\Delta u, \Delta v)\to (0,0)} \varepsilon _ i=0.$

  \[  \dfrac {\Delta w}{\Delta x}=\dfrac {\partial w}{\partial u}\dfrac {\Delta u}{\Delta x}+\dfrac {\partial w}{\partial v}\dfrac {\Delta v}{\Delta x}+\varepsilon _1 \dfrac {\Delta u}{\Delta x}+\varepsilon _2 \dfrac {\Delta v}{\Delta x}  \]    

mas

  \[  \dfrac {\partial w}{\partial x}=lim_{\Delta x \to 0}\dfrac {\Delta w}{\Delta x}, \,  \dfrac {\partial u}{\partial x}=lim_{\Delta x \to 0}\dfrac {\Delta u}{\Delta x},\,  \dfrac {\partial v}{\partial x}=lim_{\Delta x \to 0}\dfrac {\Delta v}{\Delta x} \]    

temos que

  \[  \Delta u \to 0 \quad \text {quando} \quad \Delta x \to 0 \]    
  \[  \Delta v \to 0 \quad \text {quando} \quad \Delta x \to 0 \]    

com isso, concluimos que

  \[  \dfrac {\partial w}{\partial x}=\dfrac {\partial w}{\partial u}\dfrac {\partial u}{\partial x}+\dfrac {\partial w}{\partial v}\dfrac {\partial v}{\partial x}. \]    

de modo análogo se prova a outra parte do teorema.

Exemplo 34. Ache $\dfrac {\partial w}{\partial p}$ e $\dfrac {\partial w}{\partial q}$ se

  \[  w=r^3+s^2, \quad r=pq^2, \quad s=p^2 \operatorname{sen}q. \]    

Solução: Temos que

  \[ \dfrac {\partial w}{\partial p}=\dfrac {\partial w}{\partial r}\dfrac {\partial r}{\partial p}+\dfrac {\partial w}{\partial s}\dfrac {\partial s}{\partial p} \]    
  \[  =3r^2q^2+2s2p\operatorname{sen}q=3p^2q^6+4p^3\operatorname{sen}^2 q \]    
  \[  \dfrac {\partial w}{\partial q}=\dfrac {\partial w}{\partial r}\dfrac {\partial r}{\partial q}+\dfrac {\partial w}{\partial s}\dfrac {\partial s}{\partial q} \]    
  \[  =3r^2 2pq+2sp^2 \cos q=3(pq^2)2pq+2(p^2 \operatorname{sen}q) p^2 \cos q \]    
  \[  =6p^2q^3+2p^4\operatorname{sen}q \cos q. \]    

Exemplo 35. Use a regra da cadeia para achar $\dfrac {\partial w}{\partial z}$ se

  \[  w=r^2+sv+t^3,  \]    
com $r=x^2+y^2+z^2$, $s=xyz$, $v=x e^ y$ e $t=y z^2.$

Solução:

  \[  \dfrac {\partial w}{\partial z}=\dfrac {\partial w}{\partial r}\dfrac {\partial r}{\partial z}+\dfrac {\partial w}{\partial s}\dfrac {\partial s}{\partial z}+\dfrac {\partial w}{\partial v}\dfrac {\partial v}{\partial z}+\dfrac {\partial w}{\partial t}\dfrac {\partial t}{\partial z}  \]    
  \[  =2r(2z)+vxy+s0+3t^22yz \]    
  \[  4z(x^2+y^2+z^2)+x^2y e^ y+ 6y^3z^5.  \]    

Se $w$ é função de duas variáveis e cada uma delas é função de uma variável $t$, então $w$ é função de $t$.

Exemplo 36. Seja $w=x^2+yz$, onde $x=3t^2+1$, $y=2t-4$, $z=t^3$, ache $dfrac{dw}{dt}.$

Temos pela regra da cadeia que

  \[  \dfrac {dw}{dt}=\dfrac {\partial w}{\partial x}\dfrac {\partial x}{\partial t}+\dfrac {\partial w}{\partial y}\dfrac {\partial y}{\partial t}+\dfrac {\partial w}{\partial z}\dfrac {\partial z}{\partial t}  \]    
  \[  \dfrac {dw}{dt}=2x(6t)+z(2)+y(3t^2)=2(3t^2+1)+2t^3+3(2t-4)t^2.  \]    

Exemplo 37.

Um circuito elétrico simples consiste em um resistor $R$ e uma força eletromotriz $V.$ Em certo instante, $V$ é de $80$ volts e aumenta à taxa de $5$ volts/min, enquanto $R$ é de $40$ ohms e decresce à razão de $2$ ohms/min. Use a lei de Ohm, $I=V/R$, e uma regra da cadeia, para achar a taxa à qual a corrente $I$ (em ampéres) varia.

Solução: Como $I$ é função de $V$ e $R$ e ambos $V$ e $R$ são funções do tempo $t$ (em minutos) e aplicando a regra da cadeia,

  \[  \dfrac {dI}{dt}=\dfrac {\partial I}{\partial V}\dfrac {dV}{dt}+\dfrac {\partial I}{\partial R}\dfrac {dR}{dt}  \]    
  \[  =\left(\dfrac {1}{R}\right)\dfrac {dV}{dt}+\left(-\dfrac {V}{R^2}\right)\dfrac {dR}{dt}  \]    

substituindo

  \[  V=80, \quad \dfrac {dV}{dt}=5, \quad R=40, \dfrac {dR}{dt}=-2 \]    

assim

  \[  \dfrac {dI}{dt}=\left(\dfrac {1}{40}\right)5-\dfrac {80}{1600}(-2)=0,225  \]    

ampére por minuto.