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Cálculo I

3 Derivadas

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3.2 Función derivada

La derivada de una función f con respecto a la variable x es la función f=dfdx cuyo valor en x es

f(x)=dfdx=lı´mh0f(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)=x2 es

f(x)=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.75)
=lı´mh0(x+h)2-x2h (3.76)
=lı´mh0x2+2xh+h2-x2h (3.77)
=lı´mh02x+h=2x (3.78)

Observamos que este es el caso de una función derivable en todas partes. La Figura3.4 muestra los gráficos de f y de su derivada.

Figura 3.4: Gráficas de la función f(x)=x2 y de su derivada f(x)=2x.
Código 31: Python
1fromsympyimportSymbol,Lambda,diff
2x=Symbol('x')
3f=Lambda(x,x**2)
4f_prime=diff(f(x),x)
5print(f"Derivada:f'={f_prime}")
Derivada:f'=2*x
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)=dfdx±=lı´mh0±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)=lı´mh0+0+h-0h (3.80)
=lı´mh0+hh (3.81)
=lı´mh0+1h0+=+ (3.82)

Es decir, f(x)=x no es derivable en x=0. Ahora, para x>0, tenemos

f(x)=lı´mh0x+h-xh (3.83)
=lı´mh0x+h-xhx+h+xx+h+x (3.84)
=lı´mh0x+h-xh(x+h+x) (3.85)
=12x (3.86)

La Figura3.5 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 x0 y no es derivable en x=0. De hecho, para x<0 tenemos

f(x)=lı´mh0|x+h|-|x|h (3.87)
=lı´mh0-(x+h)+xh (3.88)
=lı´mh0-hh=-1 (3.89)

Análogamente, para x>0 tenemos

f(x)=lı´mh0|x+h|-|x|h (3.90)
=lı´mh0x+h-xh (3.91)
=lı´mh0hh=1 (3.92)

Ahora, para x=0, debemos verificar las derivadas laterales:

f+(0)=lı´mh0+|h|-|0|h (3.93)
=lı´mh0+hh=1, (3.94)
f-(0)=lı´mh0-|h|-|0|h (3.95)
=lı´mh0--hh=-1 (3.96)

Como las derivadas laterales son diferentes, y=|x| no es derivable en x=0. La Figura3.6 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 x0.

Figura 3.6: Gráficas de la función f(x)=|x| y de su derivada.
Código 32: Python
1fromsympyimportSymbol,Abs,diff
2x=Symbol('x',nonzero=True)
3f_prime=diff(Abs(x),x)
4print(f"Derivada:f'={f_prime}")
Derivada:f'=x/Abs(x)

3.2.1 Diferenciabilidad y continuidad

Toda función y=f(x) derivable en x=x0 es continua en este punto. De hecho, recordamos que f es continua en x=x0 cuando x0 es un punto de su dominio y

lı´mxx0f(x)=f(x0) (3.98)

Haciendo el cambio de variable h=x-x0, esto equivale a

lı´mh0f(x0+h)=f(x0) (3.99)

o, equivalentemente,

lı´mh0[f(x0+h)-f(x0)]=0 (3.100)

Vamos a mostrar que esto ocurre cuando f es derivable en x=x0. Tenemos

lı´mh0[f(x0+h)-f(x0)]=lı´mh0[f(x0+h)-f(x0)]hh (3.101)
=lı´mh0[f(x0+h)-f(x0)hf(x0)]h (3.102)
=lı´mh0f(x0)h (3.103)
=0 (3.104)

Es decir, si f es derivable en x=x0, entonces f es continua en x=x0.

Observación 3.2.2.(La continuidad no implica diferenciabilidad)

La recíproca no es verdadera: que una función f sea continua en un punto x=x0 no garantiza que sea derivable en x=x0. En Ejemplo3.2.3 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 Ejemplo2.6.2).

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

d2fdx2:=ddx[dfdx] (3.106)
Ejemplo 3.2.4.

Sea f(x)=x3. Entonces, la primera derivada de f es

f(x)=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.107)
=lı´mh0(x+h)3-x3h (3.108)
=lı´mh0x3+3x2h+3xh2+h3-x3h (3.109)
=lı´mh03x2+3xh0+h20=3x2 (3.110)

Teniendo la primera derivada f(x)=3x2, podemos calcular la segunda derivada de f como sigue:

f′′(x)=[f(x)] (3.111)
=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.112)
=lı´mh03(x+h)2-3x2h (3.113)
=lı´mh03x2+6xh+h2-3x2h (3.114)
=lı´mh06x+h0=6x, (3.115)

es decir, f′′(x)=6x. La Figura3.7 contiene los gráficos de f, f′′ y f′′′.

Figura 3.7: Gráficas de f(x)=x3 y de sus derivadas primera y segunda.
Código 33: Python
1fromsympyimportsymbols,Lambda,diff
2x=symbols('x')
3f=Lambda(x,x**3)
4fll=diff(f(x),x,2)
5print(f"Segundaderivada:f''={fll}")
Segundaderivada:f''=6*x

Generalizando, cuando existe, la n-ésima derivada de una función y=f(x), n1, 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,

dndxnf(x):=ddx[dn-1dxn-1f(x)] (3.117)
Ejemplo 3.2.5.

La tercera derivada de f(x)=x3 con respecto a x es f′′′(x)=[f′′(x)]. En el ejemplo anterior (Ejemplo3.2.4) calculamos f′′(x)=6x. Entonces,

f′′′(x)=[6x] (3.118)
=lı´mh06(x+h)-6xh (3.119)
=lı´mh06=6 (3.120)

La cuarta derivada de f(x)=x3 con respecto a x es f(4)(x)0, así como f(5)(x)0. ¡Compruébelo!

Código 34: Python
1fromsympyimportsymbols,Lambda,diff
2x=symbols('x')
3f=Lambda(x,x**3)
4flll=diff(f(x),x,3)
5print(f"f'''={flll}")
f'''=6

3.2.3 Ejercicios resueltos

ER 3.2.1.

Calcule la derivada de la función f(x)=x2+2x+1 con respecto a x.

Resolución.

Por definición de la derivada, tenemos

f(x)=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.121)
=lı´mh0(x+h)2+2(x+h)+1-(x2+2x+1)h (3.122)
=lı´mh0x2+2xh+h2+2x+2h+1-x2-2x-1h (3.123)
=lı´mh02xh+h2+2hh (3.124)
=lı´mh02x+h+2=2x+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)=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.126)
=lı´mh0|x+h-1<0|-|x-1<0|h (3.127)
=lı´mh0-x-h+1+x-1h (3.128)
=lı´mh0-hh=-1 (3.129)

Para valores de x>1, tenemos

f(x)=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.130)
=lı´mh0|x+h-1>0|-|x-1>0|h (3.131)
=lı´mh0x+h-1-x+1h (3.132)
=lı´mh0hh=1 (3.133)

Es decir, f(x)=|x-1| es diferenciable para x1. Ahora, para x=1, tenemos

f-(x)=lı´mh0-f(1+h)-f(1)h (3.134)
=lı´mh0-|h<0|-|1-1|h (3.135)
=lı´mh0--hh=-1 (3.136)
f+(x)=lı´mh0+f(1+h)-f(1)h (3.137)
=lı´mh0+|h>0|-|1-1|h (3.138)
=lı´mh0+hh=1 (3.139)

Como f-(1)f+(1), no existe f(1). Concluimos que f(x)=|x-1| es diferenciable en los puntos {1}.

ER 3.2.3.

Calcule la segunda derivada con respecto a x de la función

f(x)=x-x2 (3.141)
Resolución.

Comenzamos calculando la primera derivada de la función:

f(x)=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.142)
=lı´mh0(x+h)-(x+h)2-(x-x2)h (3.143)
=lı´mh0x+h-x2-2xh-h2-x+x2h (3.144)
=lı´mh01-2x-h0=1-2x (3.145)

Luego, calculamos la segunda derivada como sigue

f′′(x)=[f(x)] (3.146)
=lı´mh0f(x+h)-f(x)h (3.147)
=lı´mh01-2(x+h)-(1-2x)h (3.148)
=lı´mh0-2=-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:

  1. a)

    f(x)=2

  2. b)

    g(x)=-3

  3. c)

    h(x)=e


a)0; b)0; c)0

E. 3.2.2.

Calcule la derivada con respecto a x de cada una de las siguientes funciones:

  1. a)

    f(x)=2x

  2. b)

    g(x)=-3x

  3. c)

    h(x)=ex


a)2; b)-3; c)e

E. 3.2.3.

Calcule la derivada con respecto a x de la función

f(x)=x2-2x+1 (3.150)

f(x)=2x-2

E. 3.2.4.

Determine los puntos de diferenciabilidad de la función f(x)=x-1.


(1,)

E. 3.2.5.

Considerando

f(x)=x2-x3, (3.151)

calcule:

  1. a)

    f(x)

  2. b)

    f′′(x)

  3. c)

    f′′′(x)

  4. d)

    f(4)

  5. e)

    f(1001)(x)


a)2x-3x2; b)2-6x; c)-6; d)0; e)0


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Pedro H A Konzen
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