Lezione 8 · Canale 2 · lunedì 12 ottobre 2026

Derivate parziali e direzionali

Programmazione Matematica

Restrizione a una semiretta

Una funzione di più variabili si studia meglio lungo un percorso: restringendola a un insieme descritto da un parametro si ottiene una funzione di una sola variabile. Dati un punto P0P_0 e una direzione d≠0d\neq 0, i punti P0+tdP_0+td con t≥0t\ge0 formano la semiretta con origine P0P_0 e direzione dd; con t∈Rt\in\mathbb R si ha tutta la retta. La restrizione di ff all'insieme AA di questi punti dipende solo da tt:

f∣A(t)=φ(t)=f(P0+td)f|_A(t)=\varphi(t)=f(P_0+td)

Per scriverla basta sostituire in ff le coordinate di P0+tdP_0+td. Esempio: la restrizione della funzione

f(x,y)=(4−2,1x2+13x4)x2+xy+(−4+4y2)y2\begin{aligned} f(x,y)&=\bigl(4-2{,}1x^2+\tfrac13x^4\bigr)x^2\\ &\quad+xy+(-4+4y^2)y^2 \end{aligned}

alla retta x=−1+2tx=-1+2t, y=ty=t è

φ(t)=(4−2,1(−1+2t)2+13(−1+2t)4)⋅(−1+2t)2+(−1+2t) t+(−4+4t2) t2\begin{aligned} \varphi(t)&=\bigl(4-2{,}1(-1+2t)^2+\tfrac13(-1+2t)^4\bigr)\\ &\quad\cdot(-1+2t)^2+(-1+2t)\,t\\ &\quad+(-4+4t^2)\,t^2 \end{aligned}

un polinomio di sesto grado in tt.

Se ff è una forma quadratica, la restrizione è un polinomio di grado al più due in tt. Per f(x1,x2)=x12+x22f(x_1,x_2)=x_1^2+x_2^2, il paraboloide con vertice nell'origine, con P0=(1,1)P_0=(1,1) e d=(−2,−2)d=(-2,-2) si ha P0+td=(1−2t, 1−2t)P_0+td=(1-2t,\,1-2t) e

φ(t)=2(1−2t)2=2−8t+8t2\varphi(t)=2(1-2t)^2=2-8t+8t^2

Derivata direzionale

La restrizione porta da nn variabili a una sola, quindi si può fare il rapporto incrementale di φ\varphi in t=0t=0. Si guarda la semiretta, quindi t→0+t\to0^+.

f:Rn→Rf:\mathbb R^n\to\mathbb R ammette derivata direzionale in x∈Rnx\in\mathbb R^n lungo d∈Rnd\in\mathbb R^n quando esiste finito il limite del rapporto incrementale

Df(x,d)=lim⁡t→0+f(x+td)−f(x)tDf(x,d)=\lim_{t\to0^+}\frac{f(x+td)-f(x)}{t}

Un limite uguale a ±∞\pm\infty non dà una derivata direzionale.

Nell'esempio, con x=P0=(1,1)x=P_0=(1,1), si ha φ(0)=f(x)=2\varphi(0)=f(x)=2 e

φ(t)−φ(0)t=−8+8tDf(x,d)=lim⁡t→0+(−8+8t)=−8\begin{gathered} \frac{\varphi(t)-\varphi(0)}{t}=-8+8t\\[0.4em] Df(x,d)=\lim_{t\to0^+}(-8+8t)=-8 \end{gathered}

Restrizione di lungo

Il piano di

−1,5−1−0,500,511,5−1,6−1,4−1,2−1−0,8−0,6−0,4−0,200,20,40,60,811,21,41,6
  • curve di livello di
  • semiretta ,

La restrizione

00,050,10,150,20,250,30,350,40,450,50,550,600,511,52
  • secante per e
  • tangente in
Il rapporto incrementale di è la pendenza della secante. Al ridursi di la secante tende alla tangente in , la cui pendenza è .

Derivate parziali e gradiente

Se si fa variare una sola coordinata, si restringe ff a una retta parallela a un asse. Per

f(x1,x2,x3)=x12+3x1x3+x2x32f(x_1,x_2,x_3)=x_1^2+3x_1x_3+x_2x_3^2

si fissa xx e si incrementa solo la terza coordinata di hh, con A={y: y1=x1, y2=x2, y3=x3+h}A=\{y:\ y_1=x_1,\ y_2=x_2,\ y_3=x_3+h\}. Qui x1,x2,x3x_1,x_2,x_3 sono numeri fissati e solo hh varia:

φ(h)=x12+3x1(x3+h)+x2(x3+h)2=φ(0)+(3x1+2x2x3) h+x2h2\begin{aligned} \varphi(h)&=x_1^2+3x_1(x_3+h)+x_2(x_3+h)^2\\ &=\varphi(0)+(3x_1+2x_2x_3)\,h+x_2h^2 \end{aligned} lim⁡h→0φ(h)−φ(0)h=3x1+2x2x3=ψ(x)\lim_{h\to0}\frac{\varphi(h)-\varphi(0)}{h}=3x_1+2x_2x_3=\psi(x)

Il risultato è una funzione di xx, perché la restrizione contiene ancora x1,x2,x3x_1,x_2,x_3. Nel punto (1,0,1)(1,0,1) vale ψ(1,0,1)=3\psi(1,0,1)=3.

In generale la derivata parziale di ff rispetto a xix_i, se esiste finita, è

∂f(x)∂xi=lim⁡h→0f(x+hei)−f(x)h\frac{\partial f(x)}{\partial x_i}=\lim_{h\to0}\frac{f(x+he_i)-f(x)}{h}

Qui eie_i è l'ii-esimo vettore della base canonica: x+heix+he_i incrementa di hh la sola coordinata ii, le altre restano ferme. Anche questo è un limite di una variabile, e h→0h\to0 da entrambe le parti.

ff è derivabile in xx quando esistono finite tutte le derivate parziali. Se ne manca una, ff non è derivabile in xx. Il vettore colonna delle derivate parziali è il gradiente:

∇f(x)=(∂f(x)∂x1⋮∂f(x)∂xn)\nabla f(x)=\begin{pmatrix} \dfrac{\partial f(x)}{\partial x_1}\\ \vdots\\ \dfrac{\partial f(x)}{\partial x_n} \end{pmatrix}

Legame con le derivate direzionali. Il limite per h→0h\to0 esiste finito se e solo se esistono finiti, e uguali, i limiti da destra e da sinistra. Quello da destra è Df(x,ei)Df(x,e_i). Per quello da sinistra si pone t=−ht=-h:

lim⁡h→0−f(x+hei)−f(x)h=lim⁡t→0+f(x−tei)−f(x)−t=−Df(x,−ei)\begin{aligned} &\lim_{h\to0^-}\frac{f(x+he_i)-f(x)}{h}\\ &=\lim_{t\to0^+}\frac{f(x-te_i)-f(x)}{-t}\\ &=-Df(x,-e_i) \end{aligned}

Quindi, se esiste la derivata parziale,

∂f(x)∂xi=Df(x,ei)=−Df(x,−ei)\begin{aligned} \frac{\partial f(x)}{\partial x_i}&=Df(x,e_i)\\ &=-Df(x,-e_i) \end{aligned}

cioè le derivate direzionali lungo eie_i e −ei-e_i esistono e sono opposte. Viceversa, se esistono e sono opposte, esiste la derivata parziale. I due concetti sono legati ma non coincidono.

Funzioni a valori vettoriali: la matrice Jacobiana

Sia g:Rn→Rmg:\mathbb R^n\to\mathbb R^m con componenti g1,…,gmg_1,\dots,g_m, tutte derivabili. Ci sono m⋅nm\cdot n derivate parziali ∂gi(x)/∂xj\partial g_i(x)/\partial x_j, raccolte nella matrice Jacobiana, con una riga per componente e una colonna per variabile:

J(x)=(∇g1(x)⊤⋮∇gm(x)⊤)∈Rm×nJ(x)=\begin{pmatrix} \nabla g_1(x)^\top\\ \vdots\\ \nabla g_m(x)^\top \end{pmatrix}\in\mathbb R^{m\times n}

I gradienti sono colonne, quindi nelle righe compaiono trasposti. La matrice ∇g(x)\nabla g(x), con i gradienti ∇gi(x)\nabla g_i(x) per colonne, è n×mn\times m, e si ha J(x)=∇g(x)⊤J(x)=\nabla g(x)^\top.

Esempio: gradiente di ex2+y2e^{x^2+y^2}

Per derivare rispetto a xx si tiene yy costante e si deriva l'esponenziale composto: derivata dell'esponenziale per derivata dell'esponente. Per yy è simmetrico.

f(x,y)=ex2+y2∇f(x,y)=(2x ex2+y22y ex2+y2)\begin{gathered} f(x,y)=e^{x^2+y^2}\\[0.4em] \nabla f(x,y)=\begin{pmatrix} 2x\,e^{x^2+y^2}\\ 2y\,e^{x^2+y^2} \end{pmatrix} \end{gathered}

Nel punto (−2,1)(-2,1) l'esponente vale 55:

∇f(−2,1)=(−4e52e5)\nabla f(-2,1)=\begin{pmatrix}-4e^5\\2e^5\end{pmatrix}

Il prodotto scalare con (1,1)(1,1) è la somma delle componenti:

⟨∇f(−2,1),(1,1)⟩=−4e5+2e5=−2e5\langle\nabla f(-2,1),(1,1)\rangle=-4e^5+2e^5=-2e^5

In una variabile: derivabilità e retta tangente

Per f:R→Rf:\mathbb R\to\mathbb R, ff è derivabile in x0x_0 se esiste finito il limite

lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=ℓ\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=\ell

e il suo valore è la derivata f′(x0)f'(x_0). ff è differenziabile in x0x_0 se esiste una costante aa tale che, per x→x0x\to x_0,

f(x)=f(x0)+a(x−x0)+o(x−x0)f(x)=f(x_0)+a(x-x_0)+o(x-x_0)

dove o(x−x0)o(x-x_0) è un infinitesimo di ordine superiore a x−x0x-x_0:

lim⁡x→x0o(x−x0)x−x0=0\lim_{x\to x_0}\frac{o(x-x_0)}{x-x_0}=0

Vicino a x0x_0, ff è la funzione affine f(x0)+a(x−x0)f(x_0)+a(x-x_0) più un errore che tende a zero più in fretta di x−x0x-x_0. In una variabile le due nozioni sono equivalenti e a=f′(x0)a=f'(x_0). Il grafico della funzione affine è la retta tangente al grafico di ff in (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)):

y=f(x0)+f′(x0)(x−x0)y=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)

Il vettore (−f′(x0),1)(-f'(x_0),1) è normale alla tangente, perché è ortogonale alla direzione (1,f′(x0))(1,f'(x_0)). Una funzione derivabile in x0x_0 è continua in x0x_0: il grafico non ha salti, e non ha spigoli, perché in uno spigolo la tangente non esisterebbe.

Con più variabili le derivate non bastano

In una variabile derivabile implica continua. Con più variabili non è così: due funzioni costanti a tratti sono derivabili nell'origine, cioè hanno le derivate parziali, senza essere continue. La seconda ha anche tutte le derivate direzionali.

Prima funzione, uguale a 11 fuori dagli assi e a 00 sugli assi:

f(x,y)={1se xy≠00se xy=0f(x,y)=\begin{cases}1&\text{se }xy\neq0\\0&\text{se }xy=0\end{cases}

Non è continua in (0,0)(0,0): lì vale 00, ma in ogni intorno ci sono punti fuori dagli assi in cui vale 11. Ha però le derivate parziali, perché sull'asse xx la funzione è nulla e il numeratore vale 00, senza forma indeterminata:

∂f(0,0)∂x=lim⁡h→0f(h,0)−f(0,0)h=lim⁡h→00h=0\begin{aligned} \frac{\partial f(0,0)}{\partial x}&=\lim_{h\to0}\frac{f(h,0)-f(0,0)}{h}\\ &=\lim_{h\to0}\frac{0}{h}=0 \end{aligned}

Lo stesso vale per yy. Quindi ff è derivabile in (0,0)(0,0) ma non continua. Le derivate direzionali lungo ±ei\pm e_i esistono e sono 00. Con d=(d1,d2)d=(d_1,d_2) e d1d2≠0d_1d_2\neq0, invece, il punto tdtd con t>0t>0 sta fuori dagli assi e f(td)=1f(td)=1:

f(td)−f(0,0)t=1t→+∞\frac{f(td)-f(0,0)}{t}=\frac1t\to+\infty

Il limite non è finito: lungo queste direzioni non c'è derivata direzionale.

Una funzione che vale fuori dagli assi

Direzione

Il piano di ; sugli assi

−1,5−1−0,500,511,5−1,4−1,2−1−0,8−0,6−0,4−0,200,20,40,60,811,21,4
  • : , assi esclusi
  • semiretta

Rapporto incrementale in lungo

00,20,40,60,811,21,40123456
Lungo gli assi è nulla e il rapporto incrementale vale . In ogni altra direzione la semiretta sta dove : il rapporto vale e diverge. Scegli .

Seconda funzione. Sia SS la regione strettamente compresa fra le parabole y=x2y=x^2 e y=2x2y=2x^2:

S={(x,y): x2<y<2x2}f(x,y)={1(x,y)∈S0(x,y)∉S\begin{gathered} S=\{(x,y):\ x^2<y<2x^2\}\\[0.4em] f(x,y)=\begin{cases}1&(x,y)\in S\\0&(x,y)\notin S\end{cases} \end{gathered}

Le parabole e gli assi non appartengono a SS, e f(0,0)=0f(0,0)=0. Non è continua in (0,0)(0,0): i punti (x, 1,5 x2)(x,\,1{,}5\,x^2) con x≠0x\neq0 stanno in SS e tendono all'origine, ma ff vale 11 in essi e 00 nell'origine. Le derivate parziali sono 00, perché sugli assi ff è nulla.

Per le derivate direzionali sia d=(d1,d2)≠0d=(d_1,d_2)\neq0. Dividendo per t>0t>0, il punto tdtd sta in SS se e solo se d12 t<d2<2d12 td_1^2\,t<d_2<2d_1^2\,t. Serve d1≠0d_1\neq0, d2>0d_2>0 e

d22d12<t<d2d12\frac{d_2}{2d_1^2}<t<\frac{d_2}{d_1^2}

Questo intervallo sta a distanza positiva da 00, quindi per tt abbastanza piccolo f(td)=0f(td)=0. Il rapporto incrementale è nullo e Df((0,0),d)=0Df((0,0),d)=0 per ogni dd.

Una funzione che vale fra due parabole

Il piano di

−0,4−0,200,20,40,60,81−0,100,10,20,30,40,50,60,70,80,91
  • : , bordo escluso
  • semiretta

Rapporto incrementale in lungo

00,10,20,30,40,50,60,70,80,910123456
Ogni semiretta per l'origine incontra la regione dove solo a distanza positiva dall'origine: vicino a il rapporto incrementale è nullo. Cambia l'angolo di .

La funzione ha in (0,0)(0,0) le derivate parziali e le derivate direzionali in ogni direzione, ma non è continua. I rapporti incrementali guardano solo le rette per il punto, e ff può comportarsi in modo diverso lungo altre curve, qui le parabole. Con più variabili l'esistenza di derivate parziali e direzionali non basta a garantire la continuità: serve una nozione più forte.

Formulario

Restrizione a una semiretta

φ(t)=f(P0+td)\varphi(t)=f(P_0+td)

Derivata direzionale

Df(x,d)=lim⁡t→0+f(x+td)−f(x)tDf(x,d)=\lim_{t\to0^+}\frac{f(x+td)-f(x)}{t}

Derivata parziale

∂f(x)∂xi=lim⁡h→0f(x+hei)−f(x)h\begin{aligned} \frac{\partial f(x)}{\partial x_i}&=\\ &\lim_{h\to0}\frac{f(x+he_i)-f(x)}{h} \end{aligned}

Gradiente

∇f(x)=(∂f(x)∂x1⋮∂f(x)∂xn)\nabla f(x)=\begin{pmatrix} \dfrac{\partial f(x)}{\partial x_1}\\ \vdots\\ \dfrac{\partial f(x)}{\partial x_n} \end{pmatrix}

Parziali e direzionali

∂f(x)∂xi=Df(x,ei)=−Df(x,−ei)\begin{aligned} \frac{\partial f(x)}{\partial x_i}&=Df(x,e_i)\\ &=-Df(x,-e_i) \end{aligned}

Matrice Jacobiana

J(x)=∇g(x)⊤∈Rm×nJ(x)=\nabla g(x)^\top\in\mathbb R^{m\times n}

Differenziabile in una variabile

f(x)=f(x0)+a(x−x0)+o(x−x0)\begin{aligned} f(x)&=f(x_0)+a(x-x_0)\\ &\quad+o(x-x_0) \end{aligned}

Retta tangente

y=f(x0)+f′(x0)(x−x0)y=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)

Vettore normale

(−f′(x0),1)(-f'(x_0),1)