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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 ( f ∘ g ) es derivable en x y vale la siguiente regla de derivación
( f ∘ g ) ′ ( 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:
a)
mediante la regla de la cadena.
La función h es la composición de la función f ( x ) = x 2 con la función g ( x ) = x + 1 , i.e. h ( x ) = f ( g ( x ) ) . Tenemos f ′ ( x ) = 2 x 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)
= 2 x + 2 .
(3.437)
b)
Observando que h ( x ) = ( x + 1 ) 2 = x 2 + 2 x + 1 , tenemos
h ′ ( x ) = ( x 2 + 2 x + 1 ) ′
(3.438)
= ( x 2 ) ′ + ( 2 x ) ′ + ( 1 ) ′
(3.439)
= 2 x + 2 .
(3.440)
Código 66: Python
1 from sympy import Symbol , diff
2 x = Symbol ( 'x' )
3 h = ( x + 1)**2
4 print ( f 'h(x) = {h}' )
5 print ( 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
( f ∘ g ) ′ ( x ) = l ı ´ m Δ x → 0 Δ y Δ x ,
(3.441)
donde Δ y = f ( g ( x + Δ x ) ) − f ( g ( x ) ) . De la ecuación (3.414 ), tenemos
Δ y = f ′ ( u ) Δ u + ε f Δ u ,
(3.442)
en la que ε f → 0 cuando Δ u → 0 . Por otro lado, como g es diferenciable en x , se sigue que
Δ u = g ( x + Δ x ) − g ( x )
(3.443)
= g ′ ( x ) Δ x + ε g Δ x ,
(3.444)
en la que ε g → 0 cuando Δ x → 0 . Sustituyendo la segunda ecuación en la primera, obtenemos
Δ y = f ′ ( u ) ( g ′ ( x ) Δ x + ε g Δ x ) + ε f ( g ′ ( x ) Δ x + ε g Δ x )
(3.445)
= f ′ ( u ) g ′ ( x ) Δ x + f ′ ( u ) ε g Δ x + ε f g ′ ( x ) Δ x + ε f ε g Δ x
(3.446)
= [ f ′ ( u ) g ′ ( x ) + f ′ ( u ) ε g + ε f g ′ ( x ) + ε f ε g ] Δ x .
(3.447)
Por tanto, se sigue que
( f ∘ g ) ′ ( x ) = l ı ´ m Δ x → 0 Δ y Δ x
(3.448)
= l ı ´ m Δ x → 0 [ f ′ ( u ) g ′ ( x ) + f ′ ( u ) ε g + ε f g ′ ( x ) + ε f ε g ]
(3.449)
= f ′ ( u ) g ′ ( x ) + f ′ ( u ) ⋅ 0 + 0 ⋅ g ′ ( x ) + 0 ⋅ 0
(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, ( f ∘ g ) es derivable en x y vale la siguiente regla de derivación
d d x f ( u ) = f ′ ( u ) d u d x .
(3.452)
Observación 3.8.1.(Derivada de función potencia)
En secciones anteriores, ya vimos que
para cualquier n entero. Ahora, si r ≠ 0 y r ≠ 1 es un número real, tenemos
y = x r
(3.454)
ln y = ln x r = r ln x .
(3.455)
De ahí, derivando ambos lados de esta última ecuación y observando que y = y ( x ) , obtenemos
d d x ln y = d d x r ln x
(3.456)
1 y d y d x = r x
(3.457)
d y d x = r x y
(3.458)
d y d x = r x r − 1 .
(3.459)
Es decir, la regla de la potencia
vale para todo r real, con r ≠ 0 y r ≠ 1 .
Ejemplo 3.8.2.
Estudiemos los siguientes casos:
a)
d d x x = ( x 1 2 ) ′
(3.461)
= 1 2 x 1 2 − 1
(3.462)
= 1 2 x .
(3.463)
b)
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
d d x u r = r u r − 1 d u d x .
(3.465)
Ejemplo 3.8.3.
Vamos a calcular la derivada con respecto a x de
Vamos a usar (3.465 ), con
y r = 1 / 2 . Se sigue que
f ′ ( x ) = 1 2 u ⋅ d u d x
(3.468)
= 1 2 x 2 + 1 ⋅ 2 x
(3.469)
= 2 x x 2 + 1
(3.470)
Código 67: Python
1 from sympy import sqrt , diff
2 from sympy . abc import x
3 diff ( sqrt ( x **2 + 1), x )
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 ( x 2 ) ) . Por la regla de la cadena, tenemos
[ sen ( cos ( x 2 ) ) ] = cos ( cos ( x 2 ) ) ⋅ [ cos ( x 2 ) ] ′
(3.473)
= cos ( cos ( x 2 ) ) ⋅ [ − sen ( x 2 ) ⋅ ( x 2 ) ′ ]
(3.474)
= − cos ( cos ( x 2 ) ) ⋅ sen ( x 2 ) ⋅ 2 x .
(3.475)
3.8.1 Lista de derivadas
( k u ) ′ = k u ′
(3.476)
( u ± v ) ′ = u ′ ± v ′
(3.477)
( u v ) ′ = u ′ v + u v ′
(3.478)
( u v ) ′ = u ′ v − u v ′ v 2
(3.479)
( k ) ′ = 0
(3.480)
( x ) ′ = 1
(3.481)
d u n d x = n u n − 1 d u d x
(3.482)
d a u d x = a u ln a d u d x
(3.483)
d e u d x = e u d u d x
(3.484)
d d x log a u = 1 u d u d x
(3.485)
d d x sen u = cos ( u ) d u d x
(3.486)
d d x cos u = − sen ( u ) d u d x
(3.487)
d d x tg u = sec 2 ( u ) d u d x
(3.488)
d d x cotg u = − cossec 2 ( u ) d u d x
(3.489)
d d x sec u = sec ( u ) tg ( u ) d u d x
(3.490)
d d x cossec u = − cossec ( u ) cotg ( u ) d u d x
(3.491)
3.8.2 Ejercicios resueltos
ER 3.8.1.
Calcule la derivada con respecto a x de
Resolución.
De la regla de la cadena aplicada a la función exponencial, tenemos
d d x e u = e u d u d x .
(3.493)
Entonces, con u = x + 1 , se sigue
f ′ ( x ) = d d x e x + 1
(3.494)
= e x + 1 d d x ( x + 1 ) .
(3.495)
Ahora aplicamos la regla de la cadena para la función raíz cuadrada, i.e.
d d x u = 1 2 u d u d x ,
(3.496)
con u = x + 1 . Se sigue, entonces,
d d x x + 1 = 1 2 ( x + 1 ) 1 2 − 1 d d x ( x + 1 )
(3.497)
= 1 2 x + 1 .
(3.498)
Por tanto, concluimos que
f ′ ( x ) = 1 2 x + 1 e x + 1 .
(3.499)
Código 68: Python
1 from sympy import exp , sqrt , diff
2 from sympy . abc import x
3 diff ( exp ( sqrt ( x + 1)), x )
exp ( sqrt ( x + 1))/(2* sqrt ( x + 1))
ER 3.8.2.(Función logística)
Demuestre que la función logística
satisface la ecuación diferencial
d d x f ( x ) = f ( x ) ( 1 − f ( x ) ) .
(3.501)
Resolución.
Vamos a calcular la derivada con respecto a x de la función logística, i.e.
d d x f ( x ) = d d x ( 1 1 + e − x )
(3.502)
= d d x [ ( 1 + e − x ) − 1 ]
(3.503)
= − 1 ⋅ ( 1 + e − x ) − 2 ⋅ ( 1 + e − x ) ′ ⏟ = − e − x
(3.504)
= e − x ( 1 + e − x ) 2 .
(3.505)
Por otro lado, tenemos
f ( x ) ( 1 − f ( x ) ) = 1 1 + e − x ⋅ ( 1 − 1 1 + e − x )
(3.506)
= 1 1 + e − x ⋅ ( 1 + e − x − 1 1 + e − x )
(3.507)
= e − x ( 1 + e − x ) 2 .
(3.508)
Es decir, de hecho tenemos
d d x f ( x ) = f ( x ) ( 1 − f ( x ) ) .
(3.509)
Código 69: Python
1 from sympy import exp , diff , Eq , simplify
2 from sympy . abc import x
3 f = 1/(1 + exp (- x ))
4 dfdx = diff ( f , x )
5 rhs = f * (1 - f )
6 eq = Eq ( dfdx , rhs )
7 simplify ( eq )
ER 3.8.3.
Suponga que el costo de producción de una unidad empresarial está modelado por la función
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 ) = ( x − 1 + e x − 7 )
(3.511)
= ( x − 1 ) ′ ⏟ ( u n ) ′ = n u n − 1 u ′ + ( e x − 7 ) ′ ⏟ ( e u ) ′ = e u u ′
(3.512)
= 1 2 x − 1 + e x − 7 .
(3.513)
Luego, el costo marginal cuando x = 3 es
c ′ ( 3 ) = 1 2 3 − 1 + e 3 − 7
(3.514)
= 2 + e − 4 .
(3.515)
Código 70: Python
1 from sympy import sqrt , exp , diff
2 from sympy . abc import x
3 c = sqrt ( x - 1) + exp ( x - 7)
4 dc_dx = diff ( c , x )
5 dc_dx_at_3 = dc_dx . subs ( x , 3)
6 dc_dx_at_3
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 x 0 = 0 , es decir,
ln ( 1 + x ) ≈ l ( x ) = f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + f ( x 0 ) .
(3.516)
Para calcular la derivada f ′ ( x ) , usamos la regla de la cadena, es decir,
d d x ln u = 1 u d u d x ,
(3.517)
con u = 1 + x . De ello sigue que
f ′ ( x ) = 1 1 + x ⋅ 1
(3.518)
= 1 1 + x .
(3.519)
Luego, f ′ ( 0 ) = 1 . Por otro lado, f ( 0 ) = ln ( 1 ) = 0 . Por lo tanto, la linealización de f en x 0 = 0 es
l ( x ) = 1 ⋅ ( x − 0 ) + 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
a)
b)
c)
Respuesta
a) f ′ ( x ) = 18 ( 2 x − 3 ) 8 ; b) g ′ ( x ) = − 102 ( 2 x − 3 ) 52 ; c) h ′ ( x ) = x x 2 + 1
E. 3.8.2.
Calcule la derivada con respecto a x de las siguientes funciones
a)
b)
Respuesta
a) f ′ ( x ) = 3 ⋅ 2 3 x − 1 ln 2 ; b) g ′ ( x ) = − 2 x e − x 2 .
E. 3.8.3.
Calcule las siguientes derivadas
a)
b)
d d x [ log 2 ( x − 1 ) + log 2 ( x + 1 ) ]
Respuesta
a) 2 x x 2 − 1 ; b) 2 x ( x 2 − 1 ) ln 2
E. 3.8.4.
Calcule la derivada con respecto a x de las siguientes funciones
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Respuesta
a) f ′ ( x ) = π cos ( π x ) ; b) g ′ ( x ) = − 1 2 x sen ( x ) ; c) h ′ ( x ) = 2 sec 2 ( 2 x ) ; d) u ′ ( x ) = cossec 2 ( 3 − x ) ; e) v ′ ( x ) = − 2 x 2 sec ( 1 x 2 ) tg ( 1 x 2 ) ;
f) z ′ ( x ) = − ( 5 + 2 x ) cossec ( 5 x + x 2 ) cotg ( 5 x + x 2 )
E. 3.8.5.
Encuentre la ecuación de la recta tangente al gráfico de la función
en el punto x = 3 .
Respuesta
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