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Cálculo I

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3.8 Regla de la cadena

Regla de la cadena es el nombre que se da a la técnica de derivación de una función compuesta. Sean f y g, con g derivable en x y f derivable en g(x), entonces (fg) es derivable en x y vale la siguiente regla de derivación

(fg)(x)=[f(g(x))]=f(g(x))g(x), (3.433)

Antes de mostrar la validez de esta regla, estudiemos un ejemplo de su aplicación.

Ejemplo 3.8.1.

La derivada con respecto a x de h(x)=(x+1)2 puede calcularse de las siguientes maneras:

  1. a)

    mediante la regla de la cadena.

    La función h es la composición de la función f(x)=x2 con la función g(x)=x+1, i.e. h(x)=f(g(x)). Tenemos f(x)=2x y g(x)=1. Entonces, se sigue por la regla de la cadena

    h(x)=[f(g(x))] (3.434)
    =f(g(x))g(x) (3.435)
    =2(x+1)1 (3.436)
    =2x+2. (3.437)
  2. b)

    por cálculo directo.

    Observando que h(x)=(x+1)2=x2+2x+1, tenemos

    h(x)=(x2+2x+1) (3.438)
    =(x2)+(2x)+(1) (3.439)
    =2x+2. (3.440)
Código 66: Python
1from sympy import Symbol, diff
2x = Symbol('x')
3h = (x + 1)**2
4print(f'h(x) = {h}')
5print(f'h\’(x) = {diff(h, x)}')
h(x) = (x + 1)**2
h'(x) = 2*x + 2

La validez de la regla de la cadena puede mostrarse como sigue. Sean diferenciables las funciones y=f(u), con u=g(x). Queremos calcular

(fg)(x)=lı´mΔx0ΔyΔx, (3.441)

donde Δy=f(g(x+Δx))f(g(x)). De la ecuación (3.414), tenemos

Δy=f(u)Δu+εfΔu, (3.442)

en la que εf0 cuando Δu0. Por otro lado, como g es diferenciable en x, se sigue que

Δu=g(x+Δx)g(x) (3.443)
=g(x)Δx+εgΔx, (3.444)

en la que εg0 cuando Δx0. Sustituyendo la segunda ecuación en la primera, obtenemos

Δy=f(u)(g(x)Δx+εgΔx)+εf(g(x)Δx+εgΔx) (3.445)
=f(u)g(x)Δx+f(u)εgΔx+εfg(x)Δx+εfεgΔx (3.446)
=[f(u)g(x)+f(u)εg+εfg(x)+εfεg]Δx. (3.447)

Por tanto, se sigue que

(fg)(x)=lı´mΔx0ΔyΔx (3.448)
=lı´mΔx0[f(u)g(x)+f(u)εg+εfg(x)+εfεg] (3.449)
=f(u)g(x)+f(u)0+0g(x)+00 (3.450)
=f(u)g(x). (3.451)
Teorema 3.8.1.(Regla de la cadena)

Sean f y g, con g derivable en x y f derivable en u=g(x). Entonces, (fg) es derivable en x y vale la siguiente regla de derivación

ddxf(u)=f(u)dudx. (3.452)
Observación 3.8.1.(Derivada de función potencia)

En secciones anteriores, ya vimos que

ddxxn=nxn1, (3.453)

para cualquier n entero999Más precisamente, para n0 y n1.. Ahora, si r0 y r1 es un número real, tenemos

y=xr (3.454)
lny=lnxr=rlnx. (3.455)

De ahí, derivando ambos lados de esta última ecuación y observando que y=y(x), obtenemos

ddxlny=ddxrlnx (3.456)
1ydydx=rx (3.457)
dydx=rxy (3.458)
dydx=rxr1. (3.459)

Es decir, la regla de la potencia

ddxxr=rxr1, (3.460)

vale para todo r real, con r0 y r1.

Ejemplo 3.8.2.

Estudiemos los siguientes casos:

  1. a)

    ddxx=(x12) (3.461)
    =12x121 (3.462)
    =12x. (3.463)
  2. b)

    (x2)=2x21. (3.464)
Observación 3.8.2.(Regla de la cadena para función potencia)

La regla de la cadena aplicada a la derivada de una función potencia es

ddxur=rur1dudx. (3.465)
Ejemplo 3.8.3.

Vamos a calcular la derivada con respecto a x de

f(x)=x2+1 (3.466)

Vamos a usar (3.465), con

u=x2+1 (3.467)

y r=1/2. Se sigue que

f(x)=12ududx (3.468)
=12x2+12x (3.469)
=2xx2+1 (3.470)
Código 67: Python
1from sympy import sqrt, diff
2from sympy.abc import x
3diff(sqrt(x**2 + 1), x)
x/sqrt(x**2 + 1)

La regla de la cadena puede extenderse para calcular la derivada de una composición encadenada de tres o más funciones. Por ejemplo,

[f(g(h(x)))]=f(g(h(x)))[g(h(x))] (3.471)
=f(g(h(x)))g(h(x))h(x). (3.472)

En este caso, la regla es válida para todo punto tal que h es derivable en x, g es derivable en h(x) y f es derivable en f(g(h(x))).

Ejemplo 3.8.4.

Vamos a calcular la derivada con respecto a x de f(x)=sen(cos(x2)). Por la regla de la cadena, tenemos

[sen(cos(x2))]=cos(cos(x2))[cos(x2)] (3.473)
=cos(cos(x2))[sen(x2)(x2)] (3.474)
=cos(cos(x2))sen(x2)2x. (3.475)

3.8.1 Lista de derivadas

(ku)=ku (3.476)
(u±v)=u±v (3.477)
(uv)=uv+uv (3.478)
(uv)=uvuvv2 (3.479)
(k)=0 (3.480)
(x)=1 (3.481)
dundx=nun1dudx (3.482)
daudx=aulnadudx (3.483)
deudx=eududx (3.484)
ddxlogau=1ududx (3.485)
ddxsenu=cos(u)dudx (3.486)
ddxcosu=sen(u)dudx (3.487)
ddxtgu=sec2(u)dudx (3.488)
ddxcotgu=cossec2(u)dudx (3.489)
ddxsecu=sec(u)tg(u)dudx (3.490)
ddxcossecu=cossec(u)cotg(u)dudx (3.491)

3.8.2 Ejercicios resueltos

ER 3.8.1.

Calcule la derivada con respecto a x de

f(x)=ex+1. (3.492)
Resolución.

De la regla de la cadena aplicada a la función exponencial, tenemos

ddxeu=eududx. (3.493)

Entonces, con u=x+1, se sigue

f(x)=ddxex+1 (3.494)
=ex+1ddx(x+1). (3.495)

Ahora aplicamos la regla de la cadena para la función raíz cuadrada, i.e.

ddxu=12ududx, (3.496)

con u=x+1. Se sigue, entonces,

ddxx+1=12(x+1)121ddx(x+1) (3.497)
=12x+1. (3.498)

Por tanto, concluimos que

f(x)=12x+1ex+1. (3.499)
Código 68: Python
1from sympy import exp, sqrt, diff
2from sympy.abc import x
3diff(exp(sqrt(x + 1)), x)
exp(sqrt(x + 1))/(2*sqrt(x + 1))
ER 3.8.2.(Función logística)

Demuestre que la función logística

f(x)=11+ex (3.500)

satisface la ecuación diferencial

ddxf(x)=f(x)(1f(x)). (3.501)
Resolución.

Vamos a calcular la derivada con respecto a x de la función logística, i.e.

ddxf(x)=ddx(11+ex) (3.502)
=ddx[(1+ex)1] (3.503)
=1(1+ex)2(1+ex)=ex (3.504)
=ex(1+ex)2. (3.505)

Por otro lado, tenemos

f(x)(1f(x))=11+ex(111+ex) (3.506)
=11+ex(1+ex11+ex) (3.507)
=ex(1+ex)2. (3.508)

Es decir, de hecho tenemos

ddxf(x)=f(x)(1f(x)). (3.509)
Código 69: Python
1from sympy import exp, diff, Eq, simplify
2from sympy.abc import x
3f = 1/(1 + exp(-x))
4dfdx = diff(f, x)
5rhs = f * (1 - f)
6eq = Eq(dfdx, rhs)
7simplify(eq)
True
ER 3.8.3.

Suponga que el costo de producción de una unidad empresarial está modelado por la función

c(x)=x1+ex7, (3.510)

donde c es el costo en función de la producción x. Determine el costo marginal cuando x=3.

Resolución.

El costo marginal es la función derivada del costo con respecto a la producción. Calculando, tenemos

c(x)=(x1+ex7) (3.511)
=(x1)(un)=nun1u+(ex7)(eu)=euu (3.512)
=12x1+ex7. (3.513)

Luego, el costo marginal cuando x=3 es

c(3)=1231+e37 (3.514)
=2+e4. (3.515)
Código 70: Python
1from sympy import sqrt, exp, diff
2from sympy.abc import x
3c = sqrt(x - 1) + exp(x - 7)
4dc_dx = diff(c, x)
5dc_dx_at_3 = dc_dx.subs(x, 3)
6dc_dx_at_3
exp(-4) + sqrt(2)/4
ER 3.8.4.

Muestre que ln(1+x)x para x próximo a 0.

Resolución.

Basta calcular la linealización de f(x)=ln(1+x) en x0=0, es decir,

ln(1+x)l(x)=f(x0)(xx0)+f(x0). (3.516)

Para calcular la derivada f(x), usamos la regla de la cadena, es decir,

ddxlnu=1ududx, (3.517)

con u=1+x. De ello sigue que

f(x)=11+x1 (3.518)
=11+x. (3.519)

Luego, f(0)=1. Por otro lado, f(0)=ln(1)=0. Por lo tanto, la linealización de f en x0=0 es

l(x)=1(x0)+0=x. (3.520)

Es decir, ln(1+x)x para x próximo a 0.

3.8.3 Ejercicios

E. 3.8.1.

Calcule la derivada con respecto a x de las siguientes funciones

  1. a)

    f(x)=(2x3)9

  2. b)

    g(x)=1(2x3)51

  3. c)

    h(x)=x2+1

a) f(x)=18(2x3)8; b) g(x)=102(2x3)52; c) h(x)=xx2+1

E. 3.8.2.

Calcule la derivada con respecto a x de las siguientes funciones

  1. a)

    f(x)=23x1

  2. b)

    g(x)=ex2

a) f(x)=323x1ln2; b) g(x)=2xex2.

E. 3.8.3.

Calcule las siguientes derivadas

  1. a)

    [ln(x21)]

  2. b)

    ddx[log2(x1)+log2(x+1)]

a) 2xx21; b) 2x(x21)ln2

E. 3.8.4.

Calcule la derivada con respecto a x de las siguientes funciones

  1. a)

    f(x)=sen(πx)

  2. b)

    g(x)=cos(x)

  3. c)

    h(x)=tg(2x)

  4. d)

    u(x)=cotg(3x)

  5. e)

    v(x)=sec(1x2)

  6. f)

    z(x)=cossec(5x+x2)

a) f(x)=πcos(πx); b) g(x)=12xsen(x); c) h(x)=2sec2(2x); d) u(x)=cossec2(3x); e) v(x)=2x2sec(1x2)tg(1x2);
f) z(x)=(5+2x)cossec(5x+x2)cotg(5x+x2)

E. 3.8.5.

Encuentre la ecuación de la recta tangente al gráfico de la función

f(x)=ex+1 (3.521)

en el punto x=3.

y=e24x+e24


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Pedro H A Konzen
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