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Análisis Matemático (72) · Unidad 4 — Derivadas

Reglas de derivación y regla de la cadena

La definición se hace una vez por cada función básica y queda una tabla; con ella y cuatro reglas (suma, producto, cociente y cadena) se deriva cualquier fórmula. La cadena es la que más se usa: se deriva la capa de afuera, se deja intacto lo de adentro, y se multiplica por la derivada de lo de adentro.

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La explicación

La tabla: la definición hecha una vez

Cada renglón de la tabla es el límite del cociente incremental calculado una sola vez, para siempre. Lo que conviene saber de memoria:

(c)′ = 0 · (xn)′ = n·xn−1
(ex)′ = ex · (ln x)′ = 1/x
(sen x)′ = cos x · (cos x)′ = −sen x

La de la potencia vale para cualquier exponente, entero o no, positivo o negativo, siempre que primero escribas todo como potencia de x:

∛x = x1/3 → (1/3)·x−2/3
4/x² = 4x−2 → −8x−3 = −8/x³
1/√x = x−1/2 → −(1/2)·x−3/2

Los números sueltos —π, e², ln 5— son constantes: su derivada es 0. La e sola no es eˣ.

Suma, producto y cociente

(f + g)′ = f ′ + g′ · (k·f)′ = k·f ′
(f·g)′ = f ′·g + f·g′
(f/g)′ = (f ′·g − f·g′) / g²

La suma se deriva término a término; el producto y el cociente no: (f·g)′ no es f ′·g′. Del cociente se olvidan dos cosas: que arriba hay una resta —y el orden importa, primero la derivada del de arriba— y que el denominador va al cuadrado. Si el denominador es un monomio (como en (x² + 3)/x), conviene repartirlo antes: x + 3x−1 se deriva sin la regla del cociente.

La regla de la cadena

Una función compuesta tiene capas: en h(x) = √(x² + 5), la de adentro es u = x² + 5 y la de afuera es √u. La regla dice:

[ f(u(x)) ]′ = f ′(u(x)) · u′(x)

En palabras: se deriva la de afuera dejando intacto lo de adentro, y se multiplica por la derivada de lo de adentro. Para √(x² + 5): la de afuera da 1/(2√(x² + 5)) y la de adentro 2x, así que h′(x) = x/√(x² + 5).

Con la tabla y la cadena salen las versiones «generales» que más se usan:

(un)′ = n·un−1·u′ · (√u)′ = u′/(2√u)
(eu)′ = eu·u′ · (ln u)′ = u′/u
(sen u)′ = cos u · u′ · (cos u)′ = −sen u · u′

Si hay tres capas, como en ln(1 + e3x)², se multiplican tres derivadas, de afuera hacia adentro: 2·ln(1 + e3x) · [1/(1 + e3x)] · 3e3x.

La derivada de una composición en un punto

Cuando piden (g∘f)′(x0), la cadena se lee así:

(g∘f)′(x0) = g′( f(x0) ) · f ′(x0)

La g′ se evalúa en f(x0), no en x0. Es el error más común: con f(x) = 2x − 1 y x0 = 3, la g′ va en f(3) = 5.

1. Mirá cuál es la última operación de la fórmula (suma, producto, cociente o una función aplicada a algo): ésa decide la regla.
2. Reescribí raíces y denominadores monomios como potencias.
3. Si hay una composición, marcá la capa de adentro u y calculá u′ aparte.
4. Derivá y recién después reemplazá el punto, siempre en la derivada.
5. Para (g∘f)′(x0): primero f(x0) y f ′(x0), después g′ en f(x0).

Una derivada escrita de otra forma igual está bien: la app compara por valor. Lo que no se puede es cambiar la regla.

El control que conviene hacer siempre

El cociente incremental numérico: [h(x0 + 0,001) − h(x0)]/0,001 tiene que parecerse a h′(x0). Con h(x) = √(x² + 5) en 2: h(2,001) ≈ 3,000667 y h(2) = 3, así que la pendiente es ≈ 0,667, y la fórmula da 2/3 ✔. Si la cadena se olvidó de lo de adentro, el control lo delata enseguida.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Calcular f′(1) para f(x) = (2x² − 1)⁵ y g′(0) para g(x) = √(1 + e^(3x)).

Planteo: las dos son composiciones. En f la capa de afuera es una potencia quinta; en g, una raíz, y adentro de la raíz hay otra composición (e3x).

La derivada de f: u = 2x² − 1, u′ = 4x.

f ′(x) = 5·(2x² − 1)4 · 4x = 20x·(2x² − 1)4
f ′(1) = 20·1·14 = 20

La derivada de g: la de afuera es √u, con u = 1 + e3x; y u′ = 3e3x (otra cadena, porque el exponente es 3x).

g′(x) = 3e3x / (2√(1 + e3x))
g′(0) = 3·1/(2√2) = 3/(2√2) = 3√2/4 ≈ 1,06

Control numérico: g(0) = √2 ≈ 1,414214 y g(0,001) ≈ 1,415275, así que la pendiente es ≈ 1,061 ✔. Para f: f(1,001) = (1,004002)5 ≈ 1,02017, y (1,02017 − 1)/0,001 ≈ 20,2 ✔.

Dónde se pierde el punto: en f, escribir 5(2x² − 1)4 y parar: falta el 4x de adentro, y el resultado da 5 en vez de 20. En g, derivar e3x como e3x, sin el 3.

Y uno del nivel del parcial

Sean f(x) = 2x − 1 y g(x) = x/(x² + 3). a) Hallar g′(x). b) Calcular (g∘f)′(1) con la regla de la cadena. c) Controlar el resultado con un cociente incremental.

a) La derivada de g, con la regla del cociente:

g′(x) = [1·(x² + 3) − x·2x] / (x² + 3)²
= (3 − x²)/(x² + 3)²

b) La cadena en el punto. Primero lo de adentro: f(1) = 1 y f ′(x) = 2, así que f ′(1) = 2. Después la de afuera, en f(1):

g′(f(1)) = g′(1) = (3 − 1)/16 = 1/8
(g∘f)′(1) = g′(1)·f ′(1) = (1/8)·2 = 1/4

Acá f(1) = 1 coincide con el punto, así que evaluar g′ en 1 no se nota. En x0 = 2 sí: f(2) = 3, g′(3) = −6/144 = −1/24 y (g∘f)′(2) = −1/12. Si se evaluara g′ en 2 daría g′(2)·2 = −2/49, que es otro número.

c) Control: (g∘f)(x) = (2x − 1)/((2x − 1)² + 3). En 1 vale 1/4 = 0,25 y en 1,001 vale ≈ 0,2502495: la pendiente es ≈ 0,2495 ✔, casi 1/4.

Dónde se pierde el punto: olvidarse del factor f ′(1) = 2 y contestar 1/8. La cadena siempre multiplica por la derivada de lo de adentro, también cuando se trabaja con números.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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