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3.2 Función derivada
La derivada de una función f con respecto a la variable x es la función f ′ = d f d x cuyo valor en x es
f ′ ( x ) = d f d x = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h ,
(3.74)
cuando este límite existe. Decimos que f es derivable (o diferenciable ) en un punto x de su dominio cuando el límite anterior (3.74 ) existe . Si esto ocurre para todo número real x , decimos que f es derivable en todas partes.
Ejemplo 3.2.1.
La derivada de f ( x ) = x 2 es
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h
(3.75)
= l ı ´ m h → 0 ( x + h ) 2 − x 2 h
(3.76)
= l ı ´ m h → 0 x 2 + 2 x h + h 2 − x 2 h
(3.77)
= l ı ´ m h → 0 2 x + h = 2 x .
(3.78)
Observamos que este es el caso de una función derivable en todas partes. La Figura 3.4 muestra los gráficos de f y de su derivada.
Figura 3.4 : Gráficas de la función f ( x ) = x 2 y de su derivada f ′ ( x ) = 2 x .
Código 31: Python
1 from sympy import Symbol , Lambda , diff
2 x = Symbol ( 'x' )
3 f = Lambda ( x , x **2)
4 f_prime = diff ( f ( x ), x )
5 print ( f "Derivada: f' = {f_prime}" )
Observación 3.2.1.(Derivadas laterales)
La derivada lateral por la derecha (por la izquierda) de una función f en un punto x se define por
f ± ′ ( x ) = d f d x ± = l ı ´ m h → 0 ± f ( x + h ) − f ( x ) h .
(3.79)
De este modo, en el caso de puntos extremos del dominio de una función, empleamos la derivada lateral correspondiente.
Ejemplo 3.2.2.(Derivada de la raíz cuadrada en cero)
Vamos a calcular la derivada de f ( x ) = x . Para x = 0 , sólo tiene sentido calcular la derivada lateral por la derecha:
f + ′ ( 0 ) = l ı ´ m h → 0 + 0 + h − 0 h
(3.80)
= l ı ´ m h → 0 + h h
(3.81)
= l ı ´ m h → 0 + 1 h 0 + = + ∞ .
(3.82)
Es decir, f ( x ) = x no es derivable en x = 0 . Ahora, para x > 0 , tenemos
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 x + h − x h
(3.83)
= l ı ´ m h → 0 x + h − x h ⋅ x + h + x x + h + x
(3.84)
= l ı ´ m h → 0 x + h − x h ( x + h + x )
(3.85)
= 1 2 x .
(3.86)
La Figura 3.5 contiene los gráficos de esta función y de su derivada.
Figura 3.5 : Gráficas de la función f ( x ) = x y de su derivada.
Ejemplo 3.2.3.(Diferenciabilidad del valor absoluto)
La función valor absoluto es derivable para todo x ≠ 0 y no es derivable en x = 0 . De hecho, para x < 0 tenemos
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 | x + h | − | x | h
(3.87)
= l ı ´ m h → 0 − ( x + h ) + x h
(3.88)
= l ı ´ m h → 0 − h h = − 1 .
(3.89)
Análogamente, para x > 0 tenemos
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 | x + h | − | x | h
(3.90)
= l ı ´ m h → 0 x + h − x h
(3.91)
= l ı ´ m h → 0 h h = 1 .
(3.92)
Ahora, para x = 0 , debemos verificar las derivadas laterales:
f + ′ ( 0 ) = l ı ´ m h → 0 + | h | − | 0 | h
(3.93)
= l ı ´ m h → 0 + h h = 1 ,
(3.94)
f − ′ ( 0 ) = l ı ´ m h → 0 − | h | − | 0 | h
(3.95)
= l ı ´ m h → 0 − − h h = − 1 .
(3.96)
Como las derivadas laterales son diferentes, y = | x | no es derivable en x = 0 . La Figura 3.6 contiene los gráficos de f ( x ) = | x | y su derivada
f ′ ( x ) = { − 1 , x < 0 , 1 , x > 0
(3.97)
Observamos que f ′ ( x ) = sign ( x ) (función signo) para x ≠ 0 .
Figura 3.6 : Gráficas de la función f ( x ) = | x | y de su derivada.
Código 32: Python
1 from sympy import Symbol , Abs , diff
2 x = Symbol ( 'x' , nonzero = True )
3 f_prime = diff ( Abs ( x ), x )
4 print ( f "Derivada: f' = {f_prime}" )
3.2.1 Diferenciabilidad y continuidad
Toda función y = f ( x ) derivable en x = x 0 es continua en este punto . De hecho, recordamos que f es continua en x = x 0 cuando x 0 es un punto de su dominio y
l ı ´ m x → x 0 f ( x ) = f ( x 0 ) .
(3.98)
Haciendo el cambio de variable h = x − x 0 , esto equivale a
l ı ´ m h → 0 f ( x 0 + h ) = f ( x 0 )
(3.99)
o, equivalentemente,
l ı ´ m h → 0 [ f ( x 0 + h ) − f ( x 0 ) ] = 0 .
(3.100)
Vamos a mostrar que esto ocurre cuando f es derivable en x = x 0 . Tenemos
l ı ´ m h → 0 [ f ( x 0 + h ) − f ( x 0 ) ] = l ı ´ m h → 0 [ f ( x 0 + h ) − f ( x 0 ) ] ⋅ h h
(3.101)
= l ı ´ m h → 0 [ f ( x 0 + h ) − f ( x 0 ) h f ′ ( x 0 ) ] ⋅ h
(3.102)
= l ı ´ m h → 0 f ′ ( x 0 ) ⋅ h
(3.103)
= 0 .
(3.104)
Es decir, si f es derivable en x = x 0 , entonces f es continua en x = x 0 .
Observación 3.2.2.(La continuidad no implica diferenciabilidad)
La recíproca no es verdadera: que una función f sea continua en un punto x = x 0 no garantiza que sea derivable en x = x 0 . En Ejemplo 3.2.3 vimos que la función valor absoluto f ( x ) = | x | no es derivable en x = 0 , mientras que dicha función es continua en todas partes (véase también Ejemplo 2.6.2 ).
3.2.2 Derivadas de orden superior
La derivada de una función y = f ( x ) con respecto a x es la función y = f ′ ( x ) . Cuando ésta es diferenciable, podemos calcular la derivada de la derivada . Ésta es conocida como la segunda derivada de f , y la denotamos
f ′′ ( x ) := ( f ′ ( x ) ) ′
(3.105)
o bien
d 2 f d x 2 := d d x [ d f d x ] .
(3.106)
Ejemplo 3.2.4.
Sea f ( x ) = x 3 . Entonces, la primera derivada de f es
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h
(3.107)
= l ı ´ m h → 0 ( x + h ) 3 − x 3 h
(3.108)
= l ı ´ m h → 0 x 3 + 3 x 2 h + 3 x h 2 + h 3 − x 3 h
(3.109)
= l ı ´ m h → 0 3 x 2 + 3 x h 0 + h 2 0 = 3 x 2 .
(3.110)
Teniendo la primera derivada f ′ ( x ) = 3 x 2 , podemos calcular la segunda derivada de f como sigue:
f ′′ ( x ) = [ f ′ ( x ) ] ′
(3.111)
= l ı ´ m h → 0 f ′ ( x + h ) − f ′ ( x ) h
(3.112)
= l ı ´ m h → 0 3 ( x + h ) 2 − 3 x 2 h
(3.113)
= l ı ´ m h → 0 3 x 2 + 6 x h + h 2 − 3 x 2 h
(3.114)
= l ı ´ m h → 0 6 x + h 0 = 6 x ,
(3.115)
es decir, f ′′ ( x ) = 6 x . La Figura 3.7 contiene los gráficos de f , f ′′ y f ′′′ .
Figura 3.7 : Gráficas de f ( x ) = x 3 y de sus derivadas primera y segunda.
Código 33: Python
1 from sympy import symbols , Lambda , diff
2 x = symbols ( 'x' )
3 f = Lambda ( x , x **3)
4 fll = diff ( f ( x ), x , 2)
5 print ( f "Segunda derivada: f'' = {fll}" )
Segunda derivada : f '' = 6* x
Generalizando, cuando existe, la n -ésima derivada de una función y = f ( x ) , n ≥ 1 , se define recursivamente (y se denota) por
f ( n ) ( x ) := [ f ( n − 1 ) ] ′
(3.116)
con f ( 3 ) ≡ f ′′′ , f ( 2 ) ≡ f ′′ , f ( 1 ) ≡ f ′ y f ( 0 ) ≡ f . O, equivalentemente,
d n d x n f ( x ) := d d x [ d n − 1 d x n − 1 f ( x ) ]
(3.117)
Ejemplo 3.2.5.
La tercera derivada de f ( x ) = x 3 con respecto a x es f ′′′ ( x ) = [ f ′′ ( x ) ] ′ . En el ejemplo anterior (Ejemplo 3.2.4 ) calculamos f ′′ ( x ) = 6 x . Entonces,
f ′′′ ( x ) = [ 6 x ] ′
(3.118)
= l ı ´ m h → 0 6 ( x + h ) − 6 x h
(3.119)
= l ı ´ m h → 0 6 = 6 .
(3.120)
La cuarta derivada de f ( x ) = x 3 con respecto a x es f ( 4 ) ( x ) ≡ 0 , así como f ( 5 ) ( x ) ≡ 0 . ¡Compruébelo!
Código 34: Python
1 from sympy import symbols , Lambda , diff
2 x = symbols ( 'x' )
3 f = Lambda ( x , x **3)
4 flll = diff ( f ( x ), x , 3)
5 print ( f "f''' = {flll}" )
3.2.3 Ejercicios resueltos
ER 3.2.1.
Calcule la derivada de la función f ( x ) = x 2 + 2 x + 1 con respecto a x .
Resolución.
Por definición de la derivada, tenemos
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h
(3.121)
= l ı ´ m h → 0 ( x + h ) 2 + 2 ( x + h ) + 1 − ( x 2 + 2 x + 1 ) h
(3.122)
= l ı ´ m h → 0 x 2 + 2 x h + h 2 + 2 x + 2 h + 1 − x 2 − 2 x − 1 h
(3.123)
= l ı ´ m h → 0 2 x h + h 2 + 2 h h
(3.124)
= l ı ´ m h → 0 2 x + h + 2 = 2 x + 2 .
(3.125)
ER 3.2.2.
Determine los puntos de diferenciabilidad de la función f ( x ) = | x − 1 | .
Resolución.
El gráfico de la función f ( x ) = | x − 1 | tiene un pico en x = 1 (¡compruébelo!). Para valores de x < 1 , tenemos
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h
(3.126)
= l ı ´ m h → 0 | x + h − 1 ⏞ < 0 | − | x − 1 ⏞ < 0 | h
(3.127)
= l ı ´ m h → 0 − x − h + 1 + x − 1 h
(3.128)
= l ı ´ m h → 0 − h h = − 1 .
(3.129)
Para valores de x > 1 , tenemos
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h
(3.130)
= l ı ´ m h → 0 | x + h − 1 ⏞ > 0 | − | x − 1 ⏞ > 0 | h
(3.131)
= l ı ´ m h → 0 x + h − 1 − x + 1 h
(3.132)
= l ı ´ m h → 0 h h = 1 .
(3.133)
Es decir, f ( x ) = | x − 1 | es diferenciable para x ≠ 1 . Ahora, para x = 1 , tenemos
f − ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 − f ( 1 + h ) − f ( 1 ) h
(3.134)
= l ı ´ m h → 0 − | h ⏞ < 0 | − | 1 − 1 | h
(3.135)
= l ı ´ m h → 0 − − h h = − 1
(3.136)
f + ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 + f ( 1 + h ) − f ( 1 ) h
(3.137)
= l ı ´ m h → 0 + | h ⏞ > 0 | − | 1 − 1 | h
(3.138)
= l ı ´ m h → 0 + h h = 1
(3.139)
Como f − ′ ( 1 ) ≠ f + ′ ( 1 ) , no existe f ′ ( 1 ) . Concluimos que f ( x ) = | x − 1 | es diferenciable en los puntos ℝ ∖ { 1 } .
ER 3.2.3.
Calcule la segunda derivada con respecto a x de la función
Resolución.
Comenzamos calculando la primera derivada de la función:
f ′ ( x ) = l ı ´ m h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h
(3.142)
= l ı ´ m h → 0 ( x + h ) − ( x + h ) 2 − ( x − x 2 ) h
(3.143)
= l ı ´ m h → 0 x + h − x 2 − 2 x h − h 2 − x + x 2 h
(3.144)
= l ı ´ m h → 0 1 − 2 x − h 0 = 1 − 2 x .
(3.145)
Luego, calculamos la segunda derivada como sigue
f ′′ ( x ) = [ f ′ ( x ) ] ′
(3.146)
= l ı ´ m h → 0 f ′ ( x + h ) − f ′ ( x ) h
(3.147)
= l ı ´ m h → 0 1 − 2 ( x + h ) − ( 1 − 2 x ) h
(3.148)
= l ı ´ m h → 0 − 2 = − 2 .
(3.149)
3.2.4 Ejercicios
E. 3.2.1.
Calcule la derivada con respecto a x de cada una de las siguientes funciones:
a)
b)
c)
Respuesta
E. 3.2.2.
Calcule la derivada con respecto a x de cada una de las siguientes funciones:
a)
b)
c)
Respuesta
E. 3.2.3.
Calcule la derivada con respecto a x de la función
Respuesta
E. 3.2.4.
Determine los puntos de diferenciabilidad de la función f ( x ) = x − 1 .
Respuesta
E. 3.2.5.
Considerando
calcule:
a)
b)
c)
d)
e)
Respuesta
a) 2 x − 3 x 2 ; b) 2 − 6 x ; c) − 6 ; d) 0 ; e) 0
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