3.3 Partial Derivatives and Multiple Integrals
Partial derivative:
w = f ( x , y ) ⇒ ∂ f ∂ x ( x 0 , y 0 ) = lim Δ x → 0 f ( x 0 + Δ x , y 0 ) − f ( x 0 , y 0 ) Δ x = f x w=f(x,y)\Rightarrow\frac{\partial f}{\partial x}(x_0,y_0)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x}=f_x w = f ( x , y ) ⇒ ∂ x ∂ f ( x 0 , y 0 ) = Δ x → 0 lim Δ x f ( x 0 + Δ x , y 0 ) − f ( x 0 , y 0 ) = f x
Second order partial derivatives:
∂ 2 f ∂ x 2 = ∂ ∂ x ( ∂ f ∂ x ) , ∂ 2 f ∂ x ∂ y = ∂ ∂ x ( ∂ f ∂ y ) = ∂ ∂ y ( ∂ f ∂ x ) \frac{\partial^2f}{\partial x^2}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right),\quad\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) ∂ x 2 ∂ 2 f = ∂ x ∂ ( ∂ x ∂ f ) , ∂ x ∂ y ∂ 2 f = ∂ x ∂ ( ∂ y ∂ f ) = ∂ y ∂ ( ∂ x ∂ f )
The general chain rule: Suppose that w = f ( x 1 , x 2 , ⋯ , x m ) w=f(x_1,x_2,\cdots,x_m) w = f ( x 1 , x 2 , ⋯ , x m ) and that each of variables x 1 , x 2 , ⋯ , x m x_1,\ x_2,\ \cdots,\ x_m x 1 , x 2 , ⋯ , x m is a function of the variables t 1 , t 2 , ⋯ , t n t_1,\ t_2,\ \cdots,\ t_n t 1 , t 2 , ⋯ , t n . If all these functions have continuous first-order partial derivatives, then
∂ w ∂ t i = ∂ w ∂ x 1 ∂ x 1 ∂ t i + ∂ w ∂ x 2 ∂ x 2 ∂ t i + ⋯ + ∂ w ∂ x m ∂ x m ∂ t i \frac{\partial w}{\partial t_i}=\frac{\partial w}{\partial x_1}\frac{\partial x_1}{\partial t_i}+\frac{\partial w}{\partial x_2}\frac{\partial x_2}{\partial t_i}+\cdots+\frac{\partial w}{\partial x_m}\frac{\partial x_m}{\partial t_i} ∂ t i ∂ w = ∂ x 1 ∂ w ∂ t i ∂ x 1 + ∂ x 2 ∂ w ∂ t i ∂ x 2 + ⋯ + ∂ x m ∂ w ∂ t i ∂ x m
for each i i i , 1 ≤ i ≤ n 1\le i\le n 1 ≤ i ≤ n .
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Changing Cartesian integrals into polar integrals: The variables in two-dimension plane can be mapped into polar coordinates: x = r cos θ x=r\cos\theta x = r cos θ , y = r sin θ y=r\sin\theta y = r sin θ . Tthe integration in a continuous polar region R R R is converted to
∬ R f ( x , y ) d x d y = ∬ R f ( r cos θ , r sin θ ) r d r d θ . \iint_R f(x,y)dxdy=\iint_R f(r\cos\theta,r\sin\theta)r\,dr\,d\theta. ∬ R f ( x , y ) d x d y = ∬ R f ( r cos θ , r sin θ ) r d r d θ .
Calculate ∫ 0 ∞ e − x 2 / 2 d x \displaystyle\int_0^\infty e^{-x^2/2}dx ∫ 0 ∞ e − x 2 /2 d x .
Solution: Hopefully you happen to remember that the probability density function (pdf) of the standard normal distribution is f ( x ) = 1 2 π e − x 2 / 2 \displaystyle f(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2} f ( x ) = 2 π 1 e − x 2 /2 . By definition, we have
∫ − ∞ ∞ f ( x ) d x = ∫ − ∞ ∞ 1 2 π e − x 2 / 2 d x = 2 ∫ 0 ∞ 1 2 π e − x 2 / 2 d x = 1 ⇒ ∫ 0 ∞ e − x 2 / 2 d x = π 2 . \int_{-\infty}^{\infty}f(x)dx=\int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2}dx=2\int_0^\infty\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2}dx=1\Rightarrow\int_0^\infty e^{-x^2/2}dx=\sqrt{\frac{\pi}{2}}. ∫ − ∞ ∞ f ( x ) d x = ∫ − ∞ ∞ 2 π 1 e − x 2 /2 d x = 2 ∫ 0 ∞ 2 π 1 e − x 2 /2 d x = 1 ⇒ ∫ 0 ∞ e − x 2 /2 d x = 2 π .
If you’ve forgotten the pdf of the standard normal distribution or if you are specifically asked to prove ∫ − ∞ ∞ 1 2 π e − x 2 / 2 d x = 1 \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2}dx=1 ∫ − ∞ ∞ 2 π 1 e − x 2 /2 d x = 1 , you will need to use polar integrals to solve the problem:
∫ − ∞ ∞ e − x 2 / 2 d x ∫ − ∞ ∞ e − y 2 / 2 d y = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − ( x 2 + y 2 ) / 2 d x d y = ∫ 0 ∞ ∫ 0 2 π e − ( r 2 cos 2 θ + r 2 sin 2 θ ) / 2 r d r d θ = ∫ 0 ∞ ∫ 0 2 π e − r 2 / 2 r d r d θ = − ∫ 0 ∞ e − r 2 / 2 d ( − r 2 / 2 ) ∫ 0 2 π d θ = − [ e − r 2 / 2 ] 0 ∞ [ θ ] 0 2 π = 2 π \begin{aligned}
\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2/2}dx\int_{-\infty}^{\infty}e^{-y^2/2}dy
&=\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-(x^2+y^2)/2}dxdy\\
&=\int_0^\infty\int_0^{2\pi}e^{-(r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta)/2}r\,dr\,d\theta\\
&=\int_0^\infty\int_0^{2\pi}e^{-r^2/2}r\,dr\,d\theta\\
&=-\int_0^\infty e^{-r^2/2}d(-r^2/2)\int_0^{2\pi}d\theta\\
&=-\left[e^{-r^2/2}\right]_0^\infty[\theta]_0^{2\pi}=2\pi
\end{aligned} ∫ − ∞ ∞ e − x 2 /2 d x ∫ − ∞ ∞ e − y 2 /2 d y = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − ( x 2 + y 2 ) /2 d x d y = ∫ 0 ∞ ∫ 0 2 π e − ( r 2 c o s 2 θ + r 2 s i n 2 θ ) /2 r d r d θ = ∫ 0 ∞ ∫ 0 2 π e − r 2 /2 r d r d θ = − ∫ 0 ∞ e − r 2 /2 d ( − r 2 /2 ) ∫ 0 2 π d θ = − [ e − r 2 /2 ] 0 ∞ [ θ ] 0 2 π = 2 π
Since ∫ − ∞ ∞ e − x 2 / 2 d x = ∫ − ∞ ∞ e − y 2 / 2 d y \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2/2}dx=\int_{-\infty}^{\infty}e^{-y^2/2}dy ∫ − ∞ ∞ e − x 2 /2 d x = ∫ − ∞ ∞ e − y 2 /2 d y , we have ∫ − ∞ ∞ e − x 2 / 2 d x = 2 π ⇒ ∫ 0 ∞ e − x 2 / 2 d x = π 2 \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2/2}dx=\sqrt{2\pi}\Rightarrow\int_0^\infty e^{-x^2/2}dx=\sqrt{\frac{\pi}{2}} ∫ − ∞ ∞ e − x 2 /2 d x = 2 π ⇒ ∫ 0 ∞ e − x 2 /2 d x = 2 π .