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Matemática (61) · Unidad 5 — Derivadas y regla de L'Hôpital

La regla de la cadena

Cuando una función está adentro de otra, se deriva la de afuera sin tocar lo de adentro, y se multiplica por la derivada de lo de adentro. Si adentro hay otra función, se repite: la cadena se encadena.

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La explicación

Cuándo hace falta

La tabla sabe derivar sen x, eˣ, ln x, xn. Pero casi nunca aparecen solas: aparecen sen(3x), ex² + x, ln(x² + 5), (2x + 1)7. En todas hay una función de afuera aplicada a una expresión de adentro que no es una x sola. Eso es una composición, y se deriva con la cadena:

[ f(g(x)) ]′ = f ′(g(x)) · g′(x)

En palabras: derivás la de afuera dejando lo de adentro escrito tal cual, y multiplicás por la derivada de lo de adentro.

Cómo darse cuenta de quién está afuera

Preguntate cuál sería la última tecla si calcularas f(2) con la calculadora. En e3x − 1 primero hacés 3·2 − 1 y al final exponenciás: la de afuera es la exponencial. En (x² + 1)4 al final elevás a la cuarta. En sen²x, que se lee (sen x)², primero sacás el seno y al final elevás al cuadrado: la de afuera es el cuadrado, y la de adentro el seno. Con sen(x²) es al revés.

Las cuatro que más se usan

[ un ]′ = n·un−1·u′
[ eu ]′ = eu·u′
[ ln u ]′ = u′ / u
[ sen u ]′ = cos u·u′ · [ cos u ]′ = −sen u·u′

Las raíces son potencias: √u = u1/2, así que (√u)′ = u′/(2√u). Y las potencias de funciones son la primera fila con u = sen x, u = ln x o lo que venga:

(cos²x)′ = 2cos x·(−sen x)
(ln²x)′ = 2 ln x · (1/x)

La cadena doble

Si lo de adentro es también una composición, se aplica la regla otra vez. Se va de afuera hacia adentro, y cada capa deja su factor multiplicando:

[ cos(sen x) ]′ = −sen(sen x) · cos x
[ e1/sen x ]′ = e1/sen x · (−cos x / sen²x)
1. Identificá las capas, de afuera hacia adentro. Escribilas si hace falta: afuera, en el medio, adentro.
2. Derivá la capa de afuera y copiá lo de adentro sin tocarlo.
3. Multiplicá por la derivada de la capa siguiente, también con su adentro copiado.
4. Seguí hasta llegar a una x sola, cuya derivada es 1.
5. Contá los factores: tiene que haber uno por capa.

Romper el logaritmo antes de derivar

Si te dan el logaritmo de un producto, de un cociente, de una potencia o de una raíz, usá las propiedades primero. La cuenta se vuelve una suma de logaritmos simples y la regla del cociente desaparece:

ln( A·B ) = ln A + ln B
ln( A/B ) = ln A − ln B
ln( An ) = n·ln A · ln √A = ½ ln A

Por ejemplo, ln((3x + 1)/x) = ln(3x + 1) − ln x, cuya derivada es 3/(3x + 1) − 1/x. Una constante que multiplica adentro, como en ln(5x), no cambia nada: ln(5x) = ln 5 + ln x y el ln 5 se va al derivar.

Cadena con producto o cociente

En ((x + 1)/x)·e−2x la última operación es multiplicar: se usa la regla del producto, y cuando toca derivar e−2x se usa la cadena adentro. El orden de ataque es siempre el mismo: la regla de la última operación primero, y cada derivada pendiente con la suya.

El control que conviene hacer siempre

Contá los factores de la cadena: ecos(2x) tiene tres capas (exponencial, coseno, 2x) y su derivada tiene que tener tres factores. Si falta uno, se nota sin hacer ninguna cuenta. Y el control numérico de siempre: f ′(x0) contra [f(x0 + 0,001) − f(x0)] / 0,001.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Hallar la derivada de f(x) = sen³(2x) y calcular f′(π/8).

Planteo: sen³(2x) es (sen(2x))³. Tres capas, de afuera hacia adentro: el cubo, el seno y el 2x.

afuera: u³ · en el medio: sen v · adentro: 2x

Capa por capa:

cubo → 3·sen²(2x)
seno → cos(2x)
2x → 2

Se multiplican los tres factores:

f ′(x) = 3 sen²(2x) · cos(2x) · 2 = 6 sen²(2x)·cos(2x)

El valor: en x = π/8, el argumento es 2x = π/4, y sen(π/4) = cos(π/4) = √2/2.

f ′(π/8) = 6 · (1/2) · (√2/2) = 3√2/2 ≈ 2,12

Control de factores: tres capas, tres factores (3 sen², cos, 2) ✔

Control numérico: f(π/8) = (√2/2)³ ≈ 0,35355 y f(π/8 + 0,001) ≈ 0,35567; la diferencia sobre 0,001 da ≈ 2,12 ✔

Dónde se pierde el punto: escribir 3 sen²(2x)·cos(2x) y olvidarse del 2 de la capa de adentro. Da la mitad del valor correcto, y es el error más común del tema.

Y uno del nivel del parcial

Sea f(x) = ln( (x² + 1)/(x + 3)² ), para x > −3. Hallar f′(x) y los x donde se anula.

Planteo: atacarlo con la cadena del ln y adentro la regla del cociente es posible, pero largo. Conviene romper el logaritmo primero:

f(x) = ln(x² + 1) − 2 ln(x + 3)

El cuadrado del denominador bajó como un 2 que multiplica. Ahora cada término es un logaritmo simple.

Derivo cada uno con [ln u]′ = u′/u:

[ln(x² + 1)]′ = 2x/(x² + 1)
[2 ln(x + 3)]′ = 2/(x + 3)
f ′(x) = 2x/(x² + 1) − 2/(x + 3)

Una sola fracción, para ver dónde se anula:

f ′(x) = [2x(x + 3) − 2(x² + 1)] / [(x² + 1)(x + 3)]
= (6x − 2) / [(x² + 1)(x + 3)]

Los x² se cancelaron. El denominador no se anula en el dominio (x² + 1 > 0 y x + 3 > 0), así que f ′ = 0 sólo cuando 6x − 2 = 0: x = 1/3.

Control: 2(1/3)/(1/9 + 1) = (2/3)/(10/9) = 3/5, y 2/(1/3 + 3) = 2/(10/3) = 3/5. La resta da 0 ✔

Dónde se pierde el punto: romper el logaritmo como ln(x² + 1)/ln(x + 3)². El logaritmo de un cociente es una resta de logaritmos, no un cociente.

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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