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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 (f∘g) es derivable en x y vale la siguiente regla de derivación

(f∘g)′⁢(x)=[f⁢(g⁢(x))]′=f′⁢(g⁢(x))⋅g′⁢(x), (3.437)

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)=2⁢x y g′⁢(x)=1. Entonces, se sigue por la regla de la cadena

    h′⁢(x)=[f⁢(g⁢(x))]′ (3.438)
    =f′(g(x))⋅g′(x) (3.439)
    =2(x+1)⋅1 (3.440)
    =2x+2. (3.441)
  2. b)

    por cálculo directo.

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

    h′⁢(x)=(x2+2⁢x+1)′ (3.442)
    =(x2)′+(2x)′+(1)′ (3.443)
    =2x+2. (3.444)
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

(f∘g)′⁢(x)=limΔ⁢x→0Δ⁢yΔ⁢x, (3.445)

donde Δ⁢y=f⁢(g⁢(x+Δ⁢x))−f⁢(g⁢(x)). De la ecuación (3.418), tenemos

Δ⁢y=f′⁢(u)⁢Δ⁢u+εf⁢Δ⁢u, (3.446)

en la que εf→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) (3.447)
=g′(x)Δx+εgΔx, (3.448)

en la que εg→0 cuando Δ⁢x→0. Sustituyendo la segunda ecuación en la primera, obtenemos

Δ⁢y=f′⁢(u)⁢(g′⁢(x)⁢Δ⁢x+εg⁢Δ⁢x)+εf⁢(g′⁢(x)⁢Δ⁢x+εg⁢Δ⁢x) (3.449)
=f′(u)g′(x)Δx+f′(u)εgΔx+εfg′(x)Δx+εfεgΔx (3.450)
=[f′(u)g′(x)+f′(u)εg+εfg′(x)+εfεg]Δx. (3.451)

Por tanto, se sigue que

(f∘g)′⁢(x)=limΔ⁢x→0Δ⁢yΔ⁢x (3.452)
=limΔ⁢x→0[f′(u)g′(x)+f′(u)εg+εfg′(x)+εfεg] (3.453)
=f′(u)g′(x)+f′(u)⋅0+0⋅g′(x)+0⋅0 (3.454)
=f′(u)g′(x). (3.455)
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

dd⁢x⁢f⁢(u)=f′⁢(u)⁢d⁢ud⁢x. (3.456)
Observación 3.8.1.(Derivada de función potencia)

En secciones anteriores, ya vimos que

dd⁢x⁢xn=n⁢xn−1, (3.457)

para cualquier n entero999Más precisamente, para n≠0 y n≠1.. Ahora, si r≠0 y r≠1 es un número real, tenemos

y=xr (3.458)
ln⁡y=ln⁡xr=r⁢ln⁡x. (3.459)

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

dd⁢x⁢ln⁡y=dd⁢x⁢r⁢ln⁡x (3.460)
1y⁢d⁢yd⁢x=rx (3.461)
d⁢yd⁢x=rx⁢y (3.462)
d⁢yd⁢x=r⁢xr−1. (3.463)

Es decir, la regla de la potencia

dd⁢x⁢xr=r⁢xr−1, (3.464)

vale para todo r real, con r≠0 y r≠1.

Ejemplo 3.8.2.

Estudiemos los siguientes casos:

  1. a)

    dd⁢x⁢x=(x12)′ (3.465)
    =12x12−1 (3.466)
    =12⁢x. (3.467)
  2. b)

    (x2)′=2⁢x2−1. (3.468)
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

dd⁢x⁢ur=r⁢ur−1⁢d⁢ud⁢x. (3.469)
Ejemplo 3.8.3.

Vamos a calcular la derivada con respecto a x de

f⁢(x)=x2+1 (3.470)

Vamos a usar (3.469), con

u=x2+1 (3.471)

y r=1/2. Se sigue que

f′⁢(x)=12⁢u⋅d⁢ud⁢x (3.472)
=12⁢x2+1⋅2x (3.473)
=2⁢xx2+1 (3.474)
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))]′ (3.475)
=f′(g(h(x)))⋅g′(h(x))⋅h′(x). (3.476)

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)]′ (3.477)
=cos(cos(x2))⋅[−sen(x2)⋅(x2)′] (3.478)
=−cos(cos(x2))⋅sen(x2)⋅2x. (3.479)

3.8.1 Lista de derivadas

(k⁢u)′=k⁢u′ (3.480)
(u±v)′=u′±v′ (3.481)
(u⁢v)′=u′⁢v+u⁢v′ (3.482)
(uv)′=u′⁢v−u⁢v′v2 (3.483)
(k)′=0 (3.484)
(x)′=1 (3.485)
d⁢und⁢x=n⁢un−1⁢d⁢ud⁢x (3.486)
d⁢aud⁢x=au⁢ln⁡a⁢d⁢ud⁢x (3.487)
d⁢eud⁢x=eu⁢d⁢ud⁢x (3.488)
dd⁢x⁢loga⁡u=1u⁢d⁢ud⁢x (3.489)
dd⁢x⁢senu=cos⁡(u)⁢d⁢ud⁢x (3.490)
dd⁢x⁢cos⁡u=−sen(u)⁢d⁢ud⁢x (3.491)
dd⁢x⁢tgu=sec2⁡(u)⁢d⁢ud⁢x (3.492)
dd⁢x⁢cotgu=−cossec2⁡(u)⁢d⁢ud⁢x (3.493)
dd⁢x⁢sec⁡u=sec⁡(u)⁢tg(u)⁢d⁢ud⁢x (3.494)
dd⁢x⁢cossec⁡u=−cossec⁡(u)⁢cotg(u)⁢d⁢ud⁢x (3.495)

3.8.2 Ejercicios resueltos

ER 3.8.1.

Calcule la derivada con respecto a x de

f⁢(x)=ex+1. (3.496)
Resolución.

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

dd⁢x⁢eu=eu⁢d⁢ud⁢x. (3.497)

Entonces, con u=x+1, se sigue

f′⁢(x)=dd⁢x⁢ex+1 (3.498)
=ex+1dd⁢x(x+1). (3.499)

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

dd⁢x⁢u=12⁢u⁢d⁢ud⁢x, (3.500)

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

dd⁢x⁢x+1=12⁢(x+1)12−1⁢dd⁢x⁢(x+1) (3.501)
=12⁢x+1. (3.502)

Por tanto, concluimos que

f′⁢(x)=12⁢x+1⁢ex+1. (3.503)
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+e−x (3.504)

satisface la ecuación diferencial

dd⁢x⁢f⁢(x)=f⁢(x)⁢(1−f⁢(x)). (3.505)
Resolución.

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

dd⁢x⁢f⁢(x)=dd⁢x⁢(11+e−x) (3.506)
=dd⁢x[(1+e−x)−1] (3.507)
=−1⋅(1+e−x)−2⋅(1+e−x)′⏟=−e−x (3.508)
=e−x(1+e−x)2. (3.509)

Por otro lado, tenemos

f⁢(x)⁢(1−f⁢(x))=11+e−x⋅(1−11+e−x) (3.510)
=11+e−x⋅(1+e−x−11+e−x) (3.511)
=e−x(1+e−x)2. (3.512)

Es decir, de hecho tenemos

dd⁢x⁢f⁢(x)=f⁢(x)⁢(1−f⁢(x)). (3.513)
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)=x−1+ex−7, (3.514)

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+ex−7) (3.515)
=(x−1)′⏟(un)′=n⁢un−1⁢u′+(ex−7)′⏟(eu)′=eu⁢u′ (3.516)
=12⁢x−1+ex−7. (3.517)

Luego, el costo marginal cuando x=3 es

c′⁢(3)=12⁢3−1+e3−7 (3.518)
=2+e−4. (3.519)
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)⁢(x−x0)+f⁢(x0). (3.520)

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

dd⁢x⁢ln⁡u=1u⁢d⁢ud⁢x, (3.521)

con u=1+x. De ello sigue que

f′⁢(x)=11+x⋅1 (3.522)
=11+x. (3.523)

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⋅(x−0)+0=x. (3.524)

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)=(2⁢x−3)9

  2. b)

    g⁢(x)=1(2⁢x−3)51

  3. c)

    h⁢(x)=x2+1


a) f′⁢(x)=18⁢(2⁢x−3)8; b) g′⁢(x)=−102(2⁢x−3)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)=23⁢x−1

  2. b)

    g⁢(x)=e−x2


a) f′⁢(x)=3⋅23⁢x−1⁢ln⁡2; b) g′⁢(x)=−2⁢x⁢e−x2.

E. 3.8.3.

Calcule las siguientes derivadas

  1. a)

    [ln⁡(x2−1)]′

  2. b)

    dd⁢x⁢[log2⁡(x−1)+log2⁡(x+1)]


a) 2⁢xx2−1; b) 2⁢x(x2−1)⁢ln⁡2

E. 3.8.4.

Calcule la derivada con respecto a x de las siguientes funciones

  1. a)

    f⁢(x)=sen(π⁢x)

  2. b)

    g⁢(x)=cos⁡(x)

  3. c)

    h⁢(x)=tg(2⁢x)

  4. d)

    u⁢(x)=cotg(3−x)

  5. e)

    v⁢(x)=sec⁡(1x2)

  6. f)

    z⁢(x)=cossec⁡(5⁢x+x2)


a) f′⁢(x)=π⁢cos⁡(π⁢x); b) g′⁢(x)=−12⁢x⁢sen(x); c) h′⁢(x)=2⁢sec2⁡(2⁢x); d) u′⁢(x)=cossec2⁡(3−x); e) v′⁢(x)=−2x2⁢sec⁡(1x2)⁢tg(1x2);
f) z′⁢(x)=−(5+2⁢x)⁢cossec⁡(5⁢x+x2)⁢cotg(5⁢x+x2)

E. 3.8.5.

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

f⁢(x)=ex+1 (3.525)

en el punto x=3.


y=e24⁢x+e24


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Pedro H A Konzen
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