| | | |

Cálculo I

Ayuda a mantener el sitio libre, gratuito y sin publicidad. ¡Colabora!

3.2 Función derivada

La derivada de una función f con respecto a la variable x es la función f′=d⁢fd⁢x cuyo valor en x es

f′⁢(x)=d⁢fd⁢x=limh→0f⁢(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)=limh→0f⁢(x+h)−f⁢(x)h (3.75)
=limh→0(x+h)2−x2h (3.76)
=limh→0x2+2⁢x⁢h+h2−x2h (3.77)
=limh→02x+h=2x. (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.

Refer to caption
Figura 3.4: Gráficas de la función f⁢(x)=x2 y de su derivada f′⁢(x)=2⁢x.
Código 31: Python
1from sympy import Symbol, 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)=d⁢fd⁢x±=limh→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)=limh→0+0+h−0h (3.80)
=limh→0+hh (3.81)
=limh→0+1h0+=+∞. (3.82)

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

f′⁢(x)=limh→0x+h−xh (3.83)
=limh→0x+h−xh⋅x+h+xx+h+x (3.84)
=limh→0x+h−xh⁢(x+h+x) (3.85)
=12⁢x. (3.86)

La Figura 3.5 contiene los gráficos de esta función y de su derivada.

Refer to caption
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)=limh→0|x+h|−|x|h (3.87)
=limh→0−(x+h)+xh (3.88)
=limh→0−hh=−1. (3.89)

Análogamente, para x>0 tenemos

f′⁢(x)=limh→0|x+h|−|x|h (3.90)
=limh→0x+h−xh (3.91)
=limh→0hh=1. (3.92)

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

f+′⁢(0)=limh→0+|h|−|0|h (3.93)
=limh→0+hh=1, (3.94)
f−′⁢(0)=limh→0−|h|−|0|h (3.95)
=limh→0−−hh=−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.

Refer to caption
Figura 3.6: Gráficas de la función f⁢(x)=|x| y de su derivada.
Código 32: Python
1from sympy import Symbol, 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

limx→x0f⁢(x)=f⁢(x0). (3.98)

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

limh→0f⁢(x0+h)=f⁢(x0) (3.99)

o, equivalentemente,

limh→0[f⁢(x0+h)−f⁢(x0)]=0. (3.100)

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

limh→0[f⁢(x0+h)−f⁢(x0)]=limh→0[f⁢(x0+h)−f⁢(x0)]⋅hh (3.101)
=limh→0[f⁢(x0+h)−f⁢(x0)hf′⁢(x0)]⋅h (3.102)
=limh→0f′(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 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

d2⁢fd⁢x2:=dd⁢x⁢[d⁢fd⁢x]. (3.106)
Ejemplo 3.2.4.

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

f′⁢(x)=limh→0f⁢(x+h)−f⁢(x)h (3.107)
=limh→0(x+h)3−x3h (3.108)
=limh→0x3+3⁢x2⁢h+3⁢x⁢h2+h3−x3h (3.109)
=limh→03x2+3⁢x⁢h0+h20=3x2. (3.110)

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

f′′⁢(x)=[f′⁢(x)]′ (3.111)
=limh→0f′⁢(x+h)−f′⁢(x)h (3.112)
=limh→03⁢(x+h)2−3⁢x2h (3.113)
=limh→03⁢x2+6⁢x⁢h+h2−3⁢x2h (3.114)
=limh→06x+h0=6x, (3.115)

es decir, f′′⁢(x)=6⁢x. La Figura 3.7 contiene los gráficos de f, f′′ y f′′′.

Refer to caption
Figura 3.7: Gráficas de f⁢(x)=x3 y de sus derivadas primera y segunda.
Código 33: Python
1from sympy import symbols, Lambda, diff
2x = symbols('x')
3f = Lambda(x, x**3)
4fll = diff(f(x), x, 2)
5print(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,

dnd⁢xn⁢f⁢(x):=dd⁢x⁢[dn−1d⁢xn−1⁢f⁢(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 (Ejemplo 3.2.4) calculamos f′′⁢(x)=6⁢x. Entonces,

f′′′⁢(x)=[6⁢x]′ (3.118)
=limh→06⁢(x+h)−6⁢xh (3.119)
=limh→06=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
1from sympy import symbols, 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+2⁢x+1 con respecto a x.

Resolución.

Por definición de la derivada, tenemos

f′⁢(x)=limh→0f⁢(x+h)−f⁢(x)h (3.121)
=limh→0(x+h)2+2⁢(x+h)+1−(x2+2⁢x+1)h (3.122)
=limh→0x2+2⁢x⁢h+h2+2⁢x+2⁢h+1−x2−2⁢x−1h (3.123)
=limh→02⁢x⁢h+h2+2⁢hh (3.124)
=limh→02x+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)=limh→0f⁢(x+h)−f⁢(x)h (3.126)
=limh→0|x+h−1⏞<0|−|x−1⏞<0|h (3.127)
=limh→0−x−h+1+x−1h (3.128)
=limh→0−hh=−1. (3.129)

Para valores de x>1, tenemos

f′⁢(x)=limh→0f⁢(x+h)−f⁢(x)h (3.130)
=limh→0|x+h−1⏞>0|−|x−1⏞>0|h (3.131)
=limh→0x+h−1−x+1h (3.132)
=limh→0hh=1. (3.133)

Es decir, f⁢(x)=|x−1| es diferenciable para x≠1. Ahora, para x=1, tenemos

f−′⁢(x)=limh→0−f⁢(1+h)−f⁢(1)h (3.134)
=limh→0−|h⏞<0|−|1−1|h (3.135)
=limh→0−−hh=−1 (3.136)
f+′⁢(x)=limh→0+f⁢(1+h)−f⁢(1)h (3.137)
=limh→0+|h⏞>0|−|1−1|h (3.138)
=limh→0+hh=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

f⁢(x)=x−x2. (3.141)
Resolución.

Comenzamos calculando la primera derivada de la función:

f′⁢(x)=limh→0f⁢(x+h)−f⁢(x)h (3.142)
=limh→0(x+h)−(x+h)2−(x−x2)h (3.143)
=limh→0x+h−x2−2⁢x⁢h−h2−x+x2h (3.144)
=limh→01−2x−h0=1−2x. (3.145)

Luego, calculamos la segunda derivada como sigue

f′′⁢(x)=[f′⁢(x)]′ (3.146)
=limh→0f′⁢(x+h)−f′⁢(x)h (3.147)
=limh→01−2⁢(x+h)−(1−2⁢x)h (3.148)
=limh→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:

  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)=2⁢x

  2. b)

    g⁢(x)=−3⁢x

  3. c)

    h⁢(x)=e⁢x


a) 2; b) −3; c) e

E. 3.2.3.

Calcule la derivada con respecto a x de la función

f⁢(x)=x2−2⁢x+1. (3.150)

f′⁢(x)=2⁢x−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) 2⁢x−3⁢x2; b) 2−6⁢x; c) −6; d) 0; e) 0


Envía tu comentario

Aprovecho para agradecer a todas/os que de forma asidua o esporádica contribuyen enviando correcciones, sugerencias y críticas.

Opcional. Ingresa tu nombre para que pueda contactarte.
Opcional. Ingresa tu correo electrónico para que pueda contactarte.
La información ingresada se envía por correo electrónico al desarrollador del sitio y se trata de forma privada. Consulta la política de uso de datos para más información.

Licencia Creative Commons
Este texto se publica bajo los términos de la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional. Los íconos y elementos gráficos pueden estar sujetos a condiciones adicionales.

Pedro H A Konzen
Sitio derivado de notaspedrok.com.br. Contiene traducciones al español realizadas con GitHub Copilot.
| | | |