Varias variables: gradiente, jacobiano y hessiano
En una variable, la derivada era un número: la pendiente. En varias variables, , la derivada se vuelve un mapa lineal —una matriz—. Toda la riqueza del capítulo está ahí: el objeto que mejor aproxima localmente a ya no es una recta, sino una transformación lineal. Tres versiones de esa idea organizan todo: gradiente, jacobiano y hessiano.
La derivada como mapa lineal
La derivada total de en es la mejor aproximación lineal:
donde es una matriz que actúa sobre el incremento . Sus entradas son las derivadas parciales (derivar respecto de una variable tratando las otras como constantes). Según la forma de , esa matriz recibe distinto nombre.
Cuidado: tener todas las parciales no es ser diferenciable. Las parciales solo miran las direcciones de los ejes. La función (con ) tiene ambas parciales nulas en el origen —vale sobre los ejes— pero ni siquiera es continua ahí: sobre la recta vale . La diferenciabilidad exige buena aproximación lineal en todas las direcciones a la vez. (Sí alcanza, en cambio, que las parciales sean continuas en un entorno.)
El gradiente — la dirección de máximo ascenso
Para una función escalar , la derivada es un vector, el gradiente:
Su magia: la derivada direccional en una dirección unitaria es , que se maximiza cuando apunta como . O sea, apunta hacia donde crece más rápido, y es perpendicular a las curvas de nivel (moverse a lo largo de una curva de nivel no cambia , así que no tiene componente del gradiente). Movelo:
La derivada direccional en una dirección u es ∇f·u: máxima cuando u apunta como ∇f.
Por eso el descenso por gradiente se mueve en dirección : cuesta abajo, lo más rápido posible. La derivada que en una variable era "la pendiente" acá es "la dirección y la pendiente".
El jacobiano — el mapa lineal local
Para , la derivada es la matriz completa de parciales, el jacobiano:
Es el mapa lineal que mejor imita a cerca del punto: manda un cuadradito a un paralelogramo (en 3D, un cubito a un paralelepípedo). Sus columnas son las imágenes de los vectores base:
[ 0.33 1.00 ]
Dos consecuencias enormes. Primero, es cuánto escala el área (o el volumen) localmente —es el factor del cambio de variable en integrales múltiples, . Segundo, la regla de la cadena se vuelve producto de matrices:
El gradiente es el caso : es el jacobiano de una función escalar (una matriz ). El jacobiano es el corazón de la linealización, de Gauss–Newton (jacobiano de los residuos) y de la propagación de incertidumbre .
Deshacer y despejar: función inversa e implícita
El determinante del jacobiano no solo escala volumen: decide si se puede invertir localmente.
Teorema de la función inversa. Si es y , entonces cerca de la función es biyectiva, su inversa es , y —la versión matricial del de una variable.
La intuición: significa que la aproximación lineal no aplasta el espacio (manda un cubito a un paralelepípedo de volumen positivo, no a algo degenerado), así que localmente se comporta como una transformación lineal invertible. La prueba reduce a un punto fijo y muestra que es una contracción —de ahí la solución única, vía la completitud de —. Es local: en polares tiene , pero y dan el mismo punto: invertible cerca, no globalmente.
Teorema de la función implícita. Dada con de clase , si en un punto, entonces localmente existe de clase con —aunque no haya fórmula explícita—, y .
Es un corolario del anterior (aplicado a , cuyo jacobiano tiene determinante ). El círculo lo ilustra: globalmente no define (dos ramas), pero localmente sí donde ; falla exactamente en , donde la tangente es vertical y las ramas se juntan. Inversa e implícita son hermanas: un determinante (o una derivada) no nulo garantiza que localmente se puede invertir o despejar, porque nada colapsó.
El hessiano — curvatura y óptimos
El gradiente es la primera derivada; la segunda es la matriz de derivadas parciales segundas, el hessiano:
Es simétrico (teorema de Clairaut–Schwarz: el orden de derivación no importa). Aparece en el Taylor de segundo orden:
En un punto crítico () el término lineal se anula y manda el hessiano: la forma cuadrática decide si es mínimo, máximo o silla, según el signo de los autovalores de . Jugá con la forma:
[ 0.5 1.0 ]
En un punto crítico, el Hessiano decide: ambos autovalores > 0 → cuenco (mínimo); ambos < 0 → cúpula (máximo); signos opuestos → silla. El atajo: det H > 0 y a > 0 → mínimo; det H < 0 → silla. Es el test de la segunda derivada, en matriz.
Autovalores ambos positivos ( definida positiva) → mínimo (cuenco); ambos negativos → máximo (cúpula); signos opuestos → silla. En 2D el atajo es el test de la segunda derivada: y mínimo; silla.
El hessiano es el jacobiano del gradiente, , lo que cierra el círculo: gradiente → jacobiano → hessiano son la misma idea aplicada una y otra vez.
Por qué esto es la caja de herramientas de la optimización
Las tres piezas son, literalmente, la optimización moderna:
- Gradiente → descenso por gradiente: .
- Hessiano → método de Newton: , que usa la curvatura para dar el paso óptimo (y converge cuadráticamente cerca del óptimo).
- Convexidad = en todo el dominio: garantiza que el mínimo local es global —la propiedad que vuelve confiable la optimización convexa.
- En estadística, la información de Fisher es de la log-verosimilitud: la curvatura de la verosimilitud mide cuánta información traen los datos, y su inversa es la covarianza asintótica del estimador.
De la pendiente en un punto pasamos a una matriz que codifica dirección, escala y curvatura. La derivada creció hasta volverse álgebra lineal —y ahí vive casi toda la optimización moderna.