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Apunte "en Criollo" de Funcion Inversa

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Bueno, este es un intento de Apunte que hice yo.. en realidad es para ver como cae la siguiente idea: la de hacer apuntes de los temas teoricos con un idioma lo mas light posible, sacando conclusiones de las definiciones y demostraciones que puedan llegar a derivar en posibles preguntas de examen.
Espero que:

  • Se copen[/*:m]
  • Me corrijan lo que vean que puede estar mejor (una suerte de apuntes OpenSource)[/*:m]
  • Hagan apuntes propios y los cuelguen aca[/*:m]
  • Me digan que les parece la idea, si vale la pena o no[/*:m]

Empiezo:

Teorema de la Funcion Inversa:

¿Que necesita el Teorema para funcionar?:

  • Una funcion que sea de \(\mathbb{R}^n\) en \(\mathbb{R}^n\) en algun entorno abierto.
    [/*:m]
  • Que sea de clase \(C^1\)
    [/*:m]
  • Que el Jacobiano en el punto a analizar (de ahora en mas \(X_0\)) no se anule (recuerdo, el Jacobiano es el determinante de la matriz diferencial de la funcion en \(X_0\))(esto es, sacar todas las parciales evaluadas en \(X_0\), ponerlas como matriz, y sacarle determinante)[/*:m]

¿Que te dice el Teorema?:

Agarro un \(f(X_0) = Y_0\) entonces:

  • \(X_0 \in U\) y \(Y_0 \in V\), U y V siendo entornitos abiertos en Rn que no se sabe en principio el tamaño
    [/*:m]
  • \(f:U\rightarrow V\) es biyectiva. (en otras palabras, en esos entornos existe inversa)
    [/*:m]
  • \(f^{-1}\) es de clase \(C^1\) en V
    [/*:m]
  • Se puede calcular la Diferencial de la inversa: \(Df^{-1}(y) = Df( f^{-1}(y) )^{-1}\)
    [/*:m]
  • Y en particular: \(Df^{-1}(Y_0) = Df( X_0 )^{-1}\) ( lo cual es obvio porq \(f^{-1}(Y_0) = X_0\) )[/*:m]

¿Que puedo saber con esto?:

  • Primero que nada, como aprendimos a fuego en el parcial anterior, que no se cumpla alguna de las condiciones, no implica que la funcion no tenga inversa, solo que no podes usar el teorema, vas a tener que arremangarte y hacer todo a mano
    [/*:m]
  • Para probar que la funcion inversa es de clase \(C^1\) cerca de \(Y_0\) solo basta con saber que la f(x0) va de \(\mathbb{R}^n\) en \(\mathbb{R}^n\) (esto piensen que, si no fuera asi, no podria ser biyectiva, y no podrias tener inversa), que es de clase C1 en x0 y que el Jacobiano en x0 no es 0... en definitiva, solamente decir que se puede usar el teorema ya resuelve el problema...
    [/*:m]
  • El teorema permite calcular de forma facil la Diferencial de la funcion inversa en \(Y_0\) y puntos cerquita.. Ojo, no les da la funcion inversa, solo la diferencial.
    [/*:m]
  • Fijense bien en algo.. en ningun lado dice que la funcion original tiene que ser biyectiva. Y no es ningun error ni nada, esto es asi, porq podrias partir tu funcion en entornos donde si sea biyectiva y el teorema funciona lo mas bien. Conclusion: que la funcion no sea biyectiva, no implica que el teorema no sirva.[/*:m]

Posibles preguntas:

  • Probar que \(f^{-1}\) es de clase \(C^1\) en algun entorno
    [/*:m]
  • Calcular Diferencial de \(f^{-1}\)
    [/*:m]
  • Aproximar valores cercanos a \(f^{-1}(y_0)\) (recuerden que todo esto labura con diferenciales, y la diferenciales de cierta forma eso mismo: lo que le pasa a la funcion cuando te alejas poquitito del punto.Tonces:
    $$f^{-1}(y_0 + h) \approx f^{-1}(y_0) + Df^{-1}(h) = X_0 + Df^{-1}(h)$$
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  • Podrian obviamente, hacer la misma maldad, y preguntar algo donde no valga el teorema, entonces habria que invertir a mano.
    [/*:m]
  • Probar que cierta funcion no biyectiva es inversible. Es mas teorico, pero sale si podes partir a la funcion en partes que si son biyectivas (piensen en el coseno en una variable.. no es biyectiva ni a palos, pero si la partis en partes que si sean biyectivas, se puede invertir y seria la funcion arccos() )[/*:m]

Bueno, eso es todo, espero que les sirva, y se copen y aporten.. si tienen cualquier cosa (algo de la teoria o mas preguntas) diganme y las agrego, en resumen comenten..

Muy buen post bastante entendible y útil gracias.
Yo agregaría que si te piden demostrar que el jacobiano es igual cero sabiendo que se cumple las demás hipótesis, probarlo por el absurdo usando este teorema y llegar a una contradicción.
Saludos!!.

Me vino barbaro, realmente excelente!

Parte de las cosas que decis vos son el teorema, pero otras son mas generales.
Lo que te dice inversa es que si tenes una funcion \(C^k\) en un entorno de \(x_0\) entonces en un entorno mas chiquito es biyectiva y la inversa es \(C^k\)
Lo de la diferencial sale con la regla de la cadena:

$$Id=f^{-1} f \Rightarrow D_{x_0}(Id)=D_{x_0}(f^{-1} f )=D_{f}(x_0)}(f^{-1}) D_{x_0}f^{-1}$$
Esta cuenta quiza te sirve en un contexto mas general que el de funcion inversa y tambien te permite obtener las derivadas de ordenes superiores, simplemente seguis derivando esta igualdad.
Firma

Quimey

Excelente aporte, ¿sería mucho pedir una explicación así para implícita y aplicaciones del teorema del valor medio?. 🙂