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Bachillerato

Definición de derivada y reglas de derivación

Una derivada responde a una pregunta de cambio: si muevo un poco la entrada, ¿cuánto cambia la salida? Empezaremos con dos medidas, construiremos una pendiente y acercaremos las entradas. Después aprenderemos reglas para obtener esa misma información sin repetir cada vez todo el límite.

1. Primero medimos un cambio durante un intervalo

Un depósito pasa de ocho a veinte litros entre los minutos uno y cuatro. Ha ganado doce litros durante tres minutos: el ritmo medio es cuatro litros por minuto. Medio significa que resume ese intervalo; no asegura que cada minuto se añadieran exactamente cuatro litros.

Un cambio de volumen se divide entre un cambio de tiempo
minuto 1minuto 48 L20 LΔvolumen = 20−8 = 12 LΔtiempo = 4−1 = 3 minTasa media: 12/3 = 4 L/min
Un depósito tiene 8 litros en el minuto 1 y 20 litros en el minuto 4. El cambio es 12 litros durante 3 minutos: tasa media 4 litros por minuto. Esto no determina el ritmo en cada instante.

En una función, elegimos dos entradas a y b. La salida cambia f(b) − f(a); la entrada cambia b − a. Su cociente es la tasa media y, en una gráfica, la pendiente de la recta que une los dos puntos: una secante.

Dos lecturas de un depósito

Hay 8 L al minuto 1 y 20 L al minuto 4. Calcula la tasa media.

  1. Salidas

    20 − 8 = 12 L.
  2. Entradas

    4 − 1 = 3 min.
  3. División

    12/3 = 4 L/min.
Resultado

4 L/min.

Lo comprobamos

Son litros por minuto; veinte litros es una cantidad almacenada, no una tasa.

Una tasa negativa

Una posición pasa de 11 m a 5 m entre t = 2 s y t = 5 s.

  1. Cambio orientado

    5 − 11 = −6 m.
  2. Tiempo

    5 − 2 = 3 s.
  3. Tasa

    −6/3 = −2 m/s.
Resultado

Velocidad media −2 m/s.

Lo comprobamos

El signo habla del sentido de cambio. Las dos posiciones siguen siendo positivas.

2. h es lo que añadimos a la entrada; f(x+h) exige sustituir todo

Fijamos la primera entrada x y llamamos h al cambio hasta la segunda. La segunda entrada es x+h. Si h es negativo, está a la izquierda; si es positivo, a la derecha. En el cociente de cambio usamos h ≠ 0 para tener dos entradas distintas.

h mide entrada; la diferencia de salidas mide otra cantidad
a=1a+h=214h=1Δf=3[f(a+h)−f(a)]/h
Para f(x)=x², a=1 y h=1, las entradas son 1 y 2. El incremento de salida es 4−1=3; el de entrada es 1. No se deben intercambiar en el cociente.

f(x+h) se obtiene sustituyendo cada x de la regla por el bloque completo (x+h). No significa f(x)+h: una cosa es cambiar la entrada y otra sumar directamente a la salida.

Cambiamos la entrada de una recta

Para f(x) = 4x − 3, escribe f(x+h) y el cambio de salida.

  1. Sustituir

    f(x+h) = 4(x+h) − 3 = 4x + 4h − 3.
  2. Restar toda la fórmula

    f(x+h) − f(x) = (4x+4h−3) − (4x−3).
  3. Simplificar

    4x + 4h − 3 − 4x + 3 = 4h.
Resultado

El cambio es 4h.

Lo comprobamos

Si la entrada aumenta 0,1, la salida aumenta 0,4, no 0,1.

Una potencia conserva el paréntesis

Para f(x) = x² + 2x, escribe f(x+h).

  1. Cada aparición

    (x+h)² + 2(x+h).

  2. Desarrollar

    x² + 2xh + h² + 2x + 2h.

  3. Comparar

    f(x)+h sería x²+2x+h, una expresión distinta.

Resultado

f(x+h) = (x+h)² + 2(x+h).

Lo comprobamos

En x=1, h=1, la salida nueva es f(2)=8; f(1)+1 daría cuatro.

3. La derivada es el límite de las pendientes al acercar la segunda entrada

La pendiente entre x y x+h es [f(x+h) − f(x)]/h. Conservamos x y hacemos h cada vez más pequeño por ambos lados. Si las pendientes se acercan a un mismo número real finito, ese número es f′(x), la derivada en esa entrada.

Conservamos el primer punto y acercamos el segundo
01214h=1; 0,5; 0,2Pendientes: 3; 2,5; 2,2
En x², desde a=1 hasta 1+h la pendiente secante es 2+h. Al usar h positivo más pequeño, las pendientes 3, 2,5 y 2,2 se aproximan a 2. Los puntos no se confunden con el límite h=0.
La notación es f′(x) = lim cuando h → 0 de [f(x+h) − f(x)]/h.
No ponemos h=0 en el cociente original.

Transformamos para h distinto de cero y calculamos después el límite. En un punto interior deben estar admitidos los vecinos que estudiamos.

Una derivada completa por definición

Deriva f(x) = x² + 2x.

  1. Incremento de salida

    (x+h)² + 2(x+h) − (x²+2x) = 2xh+h²+2h.
  2. Factor común

    h(2x+h+2).

  3. Dividir con h distinto de cero

    [f(x+h)−f(x)]/h = 2x+h+2.
  4. Límite

    Con x fijo, h → 0 deja 2x+2.
Resultado

f′(x) = 2x+2.

Lo comprobamos

En x=1, las pendientes vecinas son 4+h y se acercan a cuatro.

Acercarse desde los dos lados

Para f(x) = x², calcula las pendientes desde x=1 con h=0,1 y h=−0,1.

  1. Cociente simplificado

    [(1+h)²−1]/h = 2+h para h ≠ 0.
  2. A derecha y a izquierda

    Con h=0,1 da 2,1; con h=−0,1 da 1,9.
  3. Límite justificado

    | (2+h) − 2 | = |h|: controlar h controla exactamente el error de pendiente.
Resultado

Las pendientes se acercan a dos; f′(1)=2.

Lo comprobamos

Dos muestras orientan el dibujo. La igualdad de errores justifica el límite para todos los h pequeños.

4. Una pendiente permite dibujar la tangente y aproximar una salida

La recta tangente en a pasa por (a,f(a)) y tiene pendiente f′(a).

Su ecuación es y = f(a) + f′(a)(x−a).

La derivada es un número en ese punto; la tangente es una recta completa.

La derivada da una pendiente y el punto fija la recta
01214azul: x² · rojo: 2x−1La tangente comparte el punto y la pendiente.
Para x² en a=1, la derivada vale 2. La tangente pasa por (1,1) y tiene ecuación y−1=2(x−1), es decir, y=2x−1. No basta escribir el número 2 para describir la recta.
Para un cambio pequeño h, usamos f(a+h) ≈ f(a)+f′(a)h.

La aproximación tiene un error que, dividido por h, tiende a cero. Si la salida mide metros y la entrada segundos, f′ mide metros por segundo. dy/dx es otra notación para la derivada, no una división ordinaria de dos números independientes.

De pendiente a recta

Halla la tangente a x² en a=1.

  1. Punto

    f(1)=1.
  2. Pendiente

    f′(x)=2x, de modo que f′(1)=2.
  3. Recta

    y−1=2(x−1); al desarrollar, y=2x−1.
Resultado

y = 2x−1.

Lo comprobamos

La recta roja del dibujo comparte punto y pendiente con la curva azul.

Aproximación y error real

Aproxima (2,01)² usando la derivada de x² en dos.

  1. Datos en dos

    f(2)=4 y f′(2)=4.
  2. Incremento

    h=0,01; la corrección lineal es 4·0,01=0,04.
  3. Aproximación

    4+0,04=4,04.
  4. Control exacto

    (2+h)²=4+4h+h²: el valor real 4,0401 supera la aproximación en 0,0001.
Resultado

(2,01)² ≈ 4,04.

Lo comprobamos

El signo ≈ conserva la diferencia entre recta aproximante y función.

5. Llegar al mismo punto no garantiza una pendiente única

Si una función es derivable en un punto, es continua allí. Un salto o un hueco impiden esa derivada. Pero continuidad sola no basta: puede haber una esquina con dos pendientes distintas.

Continuidad no obliga a una pendiente única
-10112izquierda: −1 · derecha: +1Mismo punto; pendientes laterales distintas.
La gráfica de |x| llega a (0,0) por ambas ramas. Los cocientes de cambio valen −1 por la izquierda y 1 por la derecha; no hay un límite bilateral finito para ellos.

Nuestra derivada es un límite real finito. Si los cocientes crecen sin cota, no hay derivada finita aunque el dibujo sugiera una tangente vertical. En un extremo del dominio solo hay derivada lateral, si se define y existe; hay que nombrarla como tal.

Una esquina en el origen

¿Tiene |x| derivada en cero?

  1. Cociente

    [|h|−0]/h = |h|/h.
  2. Por la derecha

    Con h>0, |h|=h y el cociente vale uno.
  3. Por la izquierda

    Con h<0, |h|=−h y vale menos uno.
  4. Comparación

    Los dos límites no coinciden.

Resultado

No es derivable en cero.

Lo comprobamos

La curva sí es continua: ambas ramas llegan a cero; lo que falla es la pendiente única.

Pendientes sin cota

Estudia la raíz cúbica de x en cero.

  1. Continuidad

    ∛h se acerca a cero.

  2. Cociente

    ∛h/h = 1/(∛h)² para h distinto de cero.
  3. Límite

    El denominador positivo se acerca a cero y el cociente crece sin cota.

Resultado

No tiene derivada real finita en cero.

Lo comprobamos

No se escribe f′(0)=un número real infinito; la vertical describe la geometría.

6. Constantes y potencias: primero reconocemos qué cambia

Una constante no cambia al mover x: su derivada es cero. La función x cambia exactamente como la entrada: su derivada es uno. Para xⁿ, con n entero positivo, la regla es nxⁿ⁻¹. La definición anterior ya explicó por qué el cuadrado produce 2x.

Sumas y múltiplos se derivan por partes: (αu+βv)′ = αu′+βv′.

Los coeficientes se conservan. Para un exponente real r, (xʳ)′=rxʳ⁻¹ en x>0; en raíces y potencias negativas revisamos el dominio y sus fronteras por separado.

Un polinomio término a término

Deriva 4x³ − 5x + 8.

  1. Cúbico

    4·3x² = 12x².
  2. Lineal

    −5·1 = −5.
  3. Constante

    Ocho aporta cero.

  4. Reunir

    12x²−5.

Resultado

12x²−5.

Lo comprobamos

Derivar un término constante no deja ese mismo número en la respuesta.

Una raíz y un inverso

Deriva √x y 1/x donde sus fórmulas sean derivables.

  1. Reescritura

    √x=x^(1/2), y 1/x=x^(−1).
  2. Potencias

    (√x)′=(1/2)x^(−1/2)=1/(2√x) para x>0.
  3. Inverso

    (1/x)′=−x^(−2)=−1/x² para x≠0; la identidad se comprueba también en negativos.
Resultado

1/(2√x) en x>0 y −1/x² en x≠0.

Lo comprobamos

La raíz existe en cero, pero su cociente lateral 1/√h no tiene límite finito allí.

7. En un producto cambian las dos funciones

Al multiplicar u(x) y v(x), el cambio no procede solo de u ni solo de v. En el dibujo, al ampliar los dos lados aparece una franja por cada lado y una esquina.

La identidad exacta es Δ(uv) = vΔu + uΔv + ΔuΔv.
Si cambian los dos lados, cambia más de una pieza
uΔuvΔvuvvΔuuΔvΔuΔvCambio: vΔu + uΔv + ΔuΔv
Rectángulo esquemático con lados positivos u y v e incrementos positivos Δu y Δv. La zona inicial uv, dos franjas vΔu y uΔv y la esquina ΔuΔv suman exactamente (u+Δu)(v+Δv). El dibujo ilustra incrementos positivos; la identidad algebraica sirve también con signos.

Dividimos por h: v·(Δu/h)+u·(Δv/h)+(Δu/h)Δv. Si u y v son derivables, los dos primeros términos tienden a vu′ y uv′; el último tiende a cero porque Δv → 0 y Δu/h tiene límite finito.

Por eso (uv)′=u′v+uv′.

Producto de dos rectas

Deriva (x+1)(x+3).

  1. Piezas

    u=x+1, v=x+3; u′=v′=1.
  2. Dos contribuciones

    1·(x+3)+(x+1)·1.

  3. Simplificación

    2x+4.

  4. Otra vía

    El producto es x²+4x+3; su derivada coincide.

Resultado

2x+4.

Lo comprobamos

u′v′ daría uno y perdería el cambio de casi todo el producto.

Producto con una función de otro tipo

Deriva x·sin x usando radianes y la regla (sin x)′=cos x.

  1. Piezas

    u=x y v=sin x.
  2. Primera contribución

    u′v=1·sin x.
  3. Segunda contribución

    uv′=x cos x.
Resultado

sin x + x cos x.

Lo comprobamos

El seno permanece sin derivar en una contribución; la x permanece en la otra.

8. En el cociente preparamos arriba, abajo y sus derivadas

Para u/v con v≠0, la regla es (u′v−uv′)/v².

El numerador tiene una resta con orden; el denominador completo queda al cuadrado. Conviene escribir u, v, u′ y v′ antes de montar esa expresión.

La fórmula se obtiene de u·v^(−1) usando producto y cadena: u′/v−uv′/v². Al reunir denominadores aparece la resta anterior. Simplificar una fracción puede ahorrar trabajo, pero no devuelve al dominio un punto excluido de la función original.

No distribuimos el menos a medias

Deriva (x+2)/(x−1).

  1. Datos

    u=x+2, u′=1; v=x−1, v′=1.
    Dominio: x≠1.
  2. Montar

    [(x−1) − (x+2)]/(x−1)².

  3. Abrir la resta

    x−1−x−2 = −3.
Resultado

−3/(x−1)², con x≠1.

Lo comprobamos

La forma 1+3/(x−1) produce la misma derivada.

Simplificamos sin olvidar el hueco

Deriva (x²−4)/(x−2) en su dominio.

  1. Dominio primero

    x≠2.
  2. Factorizar

    (x−2)(x+2)/(x−2)=x+2, solo para esas entradas.
  3. Derivar

    La derivada es uno en todo el dominio original.

Resultado

f′(x)=1 para x≠2.

Lo comprobamos

No existe f′(2) porque la función dada ni siquiera tiene valor en dos.

9. La cadena deriva cada etapa y multiplica sus ritmos

En (2x−1)³ primero formamos u=2x−1 y después elevamos u al cubo.

Cambiar x mueve u; mover u cambia y. La derivada respecto a x combina los dos efectos multiplicándolos.

La entrada atraviesa dos reglas
x → u → yu = 2x − 1y = u³du/dx = 2 ; dy/du = 3u²dy/dx = 6(2x − 1)²
Composición x a u igual a dos x menos uno y después y igual a u al cubo. El cambio local de la primera etapa se multiplica por dos y el de la segunda por tres u al cuadrado. El producto da seis por dos x menos uno al cuadrado.
Si y=F(u(x)), entonces y′=F′(u(x))·u′(x).

Al derivar fuera dejamos el argumento completo dentro. Después derivamos la función interior. Las derivabilidades deben darse en las entradas correspondientes; una composición puede tener más de dos capas.

Una potencia con interior lineal

Deriva (2x−1)³.

  1. Interior

    u=2x−1; u′=2.
  2. Exterior

    F(u)=u³; F′(u)=3u².
  3. Componer y multiplicar

    3(2x−1)²·2.

Resultado

6(2x−1)².

Lo comprobamos

En x=0 la derivada vale seis, no tres: falta un factor si se omite la etapa interior.

Tres capas

Deriva sin((x+1)²), con ángulos en radianes.

  1. Capas

    x → x+1 → (x+1)² → seno.
  2. De fuera hacia dentro

    cos((x+1)²) · 2(x+1) · 1.

  3. Resultado

    2(x+1)cos((x+1)²).

Resultado

2(x+1)cos((x+1)²).

Lo comprobamos

El coseno conserva el argumento original; no se convierte en cos x.

10. Exponenciales y logaritmos tienen reglas propias

En eˣ la derivada vuelve a ser eˣ.

Si la base es b>0, b≠1, la derivada de bˣ es bˣ ln b.

Es diferente de xᵇ: en una cambia el exponente y en otra la base.

El logaritmo natural ln x tiene derivada 1/x en x>0.

Para log de base b se obtiene 1/(x ln b). También (ln|x|)′=1/x para x≠0, comprobando cada lado del dominio. Con un argumento interior se aplica además la cadena.

Exponencial con interior

Deriva e^(3x+2) y 2ˣ.

  1. Primera exterior

    La exponencial se conserva: e^(3x+2).

  2. Primera interior

    Derivada de 3x+2: tres; queda 3e^(3x+2).

  3. Base dos

    La regla de base fija da 2ˣ ln 2.

Resultado

3e^(3x+2) y 2ˣ ln 2.

Lo comprobamos

En ninguna de estas funciones el exponente baja como en una potencia de x.

Logaritmo y dominio antes de derivar

Deriva ln(5x−2).

  1. Dominio

    5x−2>0, luego x>2/5.
  2. Exterior

    La derivada respecto al argumento es 1/(5x−2).

  3. Interior

    La derivada de 5x−2 es cinco.

Resultado

5/(5x−2), para x>2/5.

Lo comprobamos

La fórmula derivada no amplía el dominio del logaritmo dado.

11. Seno, coseno y tangente: aquí los ángulos se miden en radianes

Las reglas son (sin x)′=cos x y (cos x)′=−sin x. La unidad angular importa: los límites que producen estas fórmulas usan radianes. Si la variable se midiera en grados, aparecería un factor π/180.

Como tan x=sin x/cos x, el cociente da (cos²x+sin²x)/cos²x=1/cos²x donde cos x≠0. En una expresión compuesta derivamos además el argumento; el signo menos del coseno debe conservarse.

Coseno compuesto

Deriva cos(4x).

  1. Exterior

    Derivar coseno da menos seno, conservando 4x.

  2. Interior

    La derivada de 4x es cuatro.

  3. Multiplicar

    −sin(4x)·4.

Resultado

−4 sin(4x).

Lo comprobamos

En x=0, la derivada es cero, coherente con la tangente horizontal del coseno.

Tangente de un cuadrado

Deriva tan(x²).

  1. Dominio

    cos(x²) debe ser distinto de cero.

  2. Exterior

    1/cos²(x²).

  3. Interior

    La derivada de x² es 2x.

Resultado

2x/cos²(x²), donde cos(x²)≠0.

Lo comprobamos

El cuadrado exterior de cos² no cambia el argumento x².

12. Derivar una función, evaluar una pendiente y volver a derivar son tareas distintas

f′ es la función que asigna pendientes a las entradas donde existen. f′(a) es una pendiente concreta. Calculamos primero la función derivada y después sustituimos a; sustituir primero en f deja un número y destruye la información de cambio.

La segunda derivada f″ es la derivada de f′. Si f es posición respecto al tiempo, f′ es velocidad y f″ es aceleración, con unidades de longitud/tiempo². Una comprobación numérica cercana orienta, pero no reemplaza un límite o una identidad exacta.

El valor de salida no es la pendiente

Para f(x)=x³−x, calcula f(2), f′(2) y f″(2).

  1. Salida

    f(2)=8−2=6.
  2. Primera derivada

    f′(x)=3x²−1; en dos vale once.
  3. Segunda

    f″(x)=6x; en dos vale doce.
Resultado

f(2)=6, f′(2)=11, f″(2)=12.

Lo comprobamos

Tres preguntas distintas pueden dar tres números diferentes.

Una diferencia numérica conserva un error

Para x² en x=2, compara la pendiente con h=0,01 y la derivada.

  1. Secante

    [(2+h)²−4]/h=4+h.
  2. Valor elegido

    Con h=0,01 da 4,01.
  3. Límite

    Cuando h→0 la derivada es exactamente cuatro.
Resultado

La estimación es 4,01; la derivada es 4.

Lo comprobamos

Un h pequeño sigue siendo un número no nulo; además, demasiado pequeño puede empeorar el redondeo de una calculadora.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Desde la definición

Calcula f′(x) para f(x)=x² usando el cociente incremental.

  1. Preparar la definición

    f′(x)=lim cuando h→0 de [(x+h)²−x²]/h.
  2. Expandir el bloque

    (x+h)²=x²+2xh+h².
  3. Restar

    x²+2xh+h²−x²=2xh+h².
  4. Factorizar y dividir

    h(2x+h)/h=2x+h para h≠0.
  5. Límite

    Con x fijo, h→0 da 2x.
  6. Interpretar

    En cada entrada real, la pendiente es el doble de esa entrada.

Resultado

f′(x)=2x.

Lo comprobamos

La regla de la potencia coincide con la definición.

EJEMPLO RESUELTO 2

Regla de la cadena

Deriva f(x)=(3x−1)⁴.

  1. Separar las etapas

    Interior u=3x−1 y exterior u⁴.
  2. Derivar fuera

    4u³; al restituir el argumento queda 4(3x−1)³.

  3. Derivar dentro

    u′=3.
  4. Multiplicar

    4(3x−1)³·3=12(3x−1)³.
  5. Comprobar el factor

    En x=0 resulta −12; el término lineal del polinomio desarrollado es −12x, con la misma derivada en cero.

Resultado

f′(x)=12(3x−1)³.

Lo comprobamos

La derivada interior 3 es necesaria.

Los símbolos que hemos usado

a
Entrada fija donde se estudia el cambio local.
h
Incremento no nulo de la entrada que después tiende a cero.
f′(a)
Límite finito del cociente incremental en a, si existe.
u, v
Funciones auxiliares de la misma variable.
dy/dx
Otra notación para la derivada de la salida y respecto a x.
f″
Derivada de la función f′, cuando esta es derivable.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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