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Bachillerato

Derivación de funciones compuestas: regla de la cadena

Si primero duplicamos una entrada, sumamos uno y después elevamos al cubo, cada paso contribuye al cambio final. La regla de la cadena permite seguir esas capas sin expandir toda la potencia. Empezaremos separando las operaciones para no perder ningún factor.

1. Una función recibe la salida de otra

En F(g(x)), primero calculamos g(x). Su salida se convierte en la entrada de F.

Si u=2x+1 y F(u)=u³, la composición es (2x+1)³.
Dos máquinas en serie producen dos factores en la derivada
Cada capa recibe la salida anteriorxu=2x+1y=u³dy/du=3u²; du/dx=2dy/dx=3u²·2=6(2x+1)²
La primera caja contiene la entrada x. La siguiente la transforma en u igual a dos x más uno. La última eleva esa salida al cubo: y es u al cubo, no el cubo de x multiplicado por otra función. Para derivar, la capa exterior aporta tres u cuadrado y la interior aporta dos. Se multiplican y se repone u por dos x más uno, obteniendo seis por el cuadrado de dos x más uno. Las cajas representan el recorrido de evaluación y las últimas filas el cálculo de tasas; no son dos maneras de efectuar la misma operación.

En un producto F(x)g(x), las dos funciones reciben x y después multiplicamos sus salidas. En una composición se encadenan. Identificar la operación más externa nos dice qué regla elegir antes de hacer cuentas.

Recorrer dos cajas

Evaluar (2x+1)³ en x=2.

  1. Primera salida

    u=2·2+1=5.
  2. Segunda operación

    y=u³=5³.
  3. Resultado

    La salida final es 125.

Resultado

La función exterior recibe cinco, no dos.

Lo comprobamos

Calcular x³(2x+1) en dos daría cuarenta: es otro problema.

Tres capas en orden

Reconocer las capas de cos((x−1)²).

  1. Más interior

    Restar uno a x.

  2. Siguiente

    Elevar ese resultado al cuadrado.

  3. Exterior

    Calcular el coseno de ese cuadrado, en radianes.

Resultado

El coseno recibe (x−1)².

Lo comprobamos

No es cos(x−1) elevado al cuadrado.

2. La derivada exterior se evalúa en la entrada que recibe

Si g es derivable en a y F es derivable en g(a), entonces la composición es derivable en a y su derivada vale F′(g(a))·g′(a). Primero hallamos la entrada intermedia g(a); después la tasa exterior en esa entrada.

Como fórmula funcional: [F(g(x))]′=F′(g(x))·g′(x), donde se cumplan las condiciones.

La regla no pide g′(a)≠0.

Si ese factor es cero y la exterior es derivable, el producto es cero.

Por qué no basta F′(x)

Derivar (2x+1)³ y evaluar en cero.

  1. Exterior

    F′(u)=3u².
    Recibe u=2x+1, así que queda 3(2x+1)².
  2. Interior

    g′(x)=2; multiplicamos: y′=6(2x+1)².
  3. En cero

    y′(0)=6.

    Usar 3x²·2 habría dado cero incorrectamente.

Resultado

La derivada en cero es seis.

Lo comprobamos

La entrada intermedia en ese punto es uno.

Una interior que se frena

y=e^(x²), en x=0.

  1. Capas

    Interior g=x²; exterior F=eᵘ.
  2. Cadena

    y′=e^(x²)·2x.
  3. Evaluar

    La exterior tiene derivada uno en u=0, pero g′(0)=0.
Resultado

y′(0)=0.

Lo comprobamos

No hay que dividir por g′ ni exigir que sea no nula.

3. Dos cambios pequeños explican la multiplicación

Escribimos Δu=g(a+h)−g(a)=g′(a)h+r(h), con r(h)/h→0.
La derivabilidad exterior escribe Δy=F′(g(a))Δu+s(Δu), donde s(v)/v→0 para v≠0 y s(0)=0.

Al sustituir, el término lineal es F′(g(a))g′(a)h. Además Δu/h permanece acotado, así que el resto exterior dividido por h también tiende a cero; cuando Δu=0 ese resto vale cero directamente. La prueba no necesita cancelar un incremento interior que podría anularse.

Cambios que permiten comprobar la fórmula

y=(2x+1)² cerca de x=0.

  1. Cambio interior

    Con x=h, u cambia de uno a 1+2h: Δu=2h.
  2. Cambio exterior

    (1+2h)²−1=4h+4h².
  3. Cociente incremental

    Δy/h=4+4h→4, igual a 2·1·2.
Resultado

La derivada es cuatro en cero.

Lo comprobamos

El término 4h² es el resto, no parte de la tasa lineal.

El incremento interior puede ser siempre cero

g(x)=5 constante y F derivable en cinco.

  1. Cambio interior

    g(a+h)−g(a)=0 para cada h.
  2. Composición

    F(g(x))=F(5) es constante.
  3. Regla

    F′(5)·0=0, sin dividir por Δu.
Resultado

La regla sigue funcionando.

Lo comprobamos

La notación de tasas es una ayuda, no una autorización para dividir entre cero.

4. De fuera hacia dentro, una capa cada vez

Deriva la operación exterior conservando intacto su argumento. Multiplica por la derivada de ese argumento. Si contiene otra capa, repite hasta llegar a x.

Mantén los paréntesis hasta terminar y simplifica los números al final. Cada factor debe tener una procedencia: exponente exterior, operación siguiente, cambio de la entrada. Así se detecta qué capa falta.

Una potencia con interior cuadrática

y=(x²+2x−1)³.

  1. Exterior

    3(x²+2x−1)²: el bloque interior no ha cambiado.

  2. Interior

    La derivada de x²+2x−1 es 2x+2.

  3. Multiplicar

    y′=3(x²+2x−1)²(2x+2).
Resultado

También 6(x+1)(x²+2x−1)².

Lo comprobamos

No se baja el exponente tres a cada término interior.

Tres factores para tres niveles

y=sin(e^(2x)).

  1. Seno exterior

    Aporta cos(e^(2x)).

  2. Exponencial intermedia

    Aporta e^(2x).

  3. Argumento lineal

    Aporta dos. Multiplicamos las tres contribuciones.

Resultado

y′=2e^(2x)cos(e^(2x)).

Lo comprobamos

El argumento del coseno sigue siendo e^(2x).

5. Los patrones se usan con su dominio

Potencias, exponenciales y trigonométricas conservan su argumento: [uⁿ]′=nuⁿ⁻¹u′ donde esa potencia sea derivable; [eᵘ]′=eᵘu′; [sin u]′=cos(u)u′; [cos u]′=−sin(u)u′, con radianes.

Para ln u necesitamos u>0 y obtenemos u′/u.

Para √u la fórmula u′/(2√u) pide u>0; en u=0 hay que estudiar la composición aparte. Estar definida no garantiza poder usar cualquier fórmula derivada.

El logaritmo de un argumento siempre positivo

y=ln(2+x²).

  1. Dominio

    2+x²>0 para todo real.
  2. Exterior e interior

    La derivada del logaritmo aporta 1/(2+x²); la interior aporta 2x.

  3. Producto

    y′=2x/(2+x²).
Resultado

Función y fórmula derivada están definidas en todo ℝ.

Lo comprobamos

No se deriva ln(2+x²) como ln(2x).

La raíz de un cuadrado exige mirar cero

y=√(x²)=|x|.

  1. Fuera de cero

    La fórmula da 2x/(2√(x²))=x/|x|.
  2. Laterales en cero

    A la derecha la pendiente es uno; a la izquierda menos uno.

  3. Decisión

    La función existe en cero, pero no tiene derivada allí.

Resultado

La derivada vale −1 en x<0 y 1 en x>0.

Lo comprobamos

No se sustituye cero en una fórmula que divide entre |x|.

6. Primero la operación exterior; después la cadena en cada rama

Si el nivel exterior es un producto, usamos (uv)′=u′v+uv′.

Dentro de cada factor que se deriva puede hacer falta la cadena. Para un cociente usamos su regla y luego las capas de numerador y denominador.

En una suma se deriva cada término. Dibujar mentalmente las ramas de la expresión evita tratar un producto como si fuera una sola composición o multiplicar todas las derivadas indiscriminadamente.

Producto de x por una composición

y=x·sin(x²).

  1. Producto

    y′=1·sin(x²)+x·[sin(x²)]′.
  2. Cadena dentro del segundo término

    [sin(x²)]′=cos(x²)·2x.
  3. Simplificar

    y′=sin(x²)+2x²cos(x²).
Resultado

Hay dos sumandos, uno por cada factor derivado.

Lo comprobamos

Multiplicar 1 por 2xcos(x²) habría perdido parte del cambio.

Un cociente con potencia en el numerador

y=(x²+1)²/(x+1), x≠−1.

  1. Numerador

    Su derivada es 2(x²+1)·2x=4x(x²+1).
  2. Cociente

    El denominador derivado es uno; restamos las dos contribuciones.

  3. Agrupar

    y\prime=\frac{4x(x^2+1)(x+1)-(x^2+1)^2}{(x+1)^2}.
Resultado

Se conserva la restricción x≠−1.

Lo comprobamos

El cuadrado del denominador procede de la regla del cociente.

7. Segunda derivada y tasas que se encadenan

Al derivar otra vez F′(g(x))g′(x), aparece un producto. Una contribución deriva F′ mediante cadena; la otra deriva g′. El resultado es F″(g(x))[g′(x)]²+F′(g(x))g″(x), cuando existen las dos derivadas necesarias.

La cadena multiplica tasas que pertenecen al mismo instante
El radio cambia; el área responderA=πr²dA/dr=2πrdr/dt=0,5 cm/sr=4 cm: dA/dt=4π cm²/s(cm²/cm)·(cm/s)=cm²/s
Un círculo de radio r tiene área pi r cuadrado. Su tasa de área respecto al radio es dos pi r, y el radio crece a medio centímetro por segundo. En el instante en que el radio vale cuatro centímetros, se multiplican ocho pi centímetros cuadrados por centímetro por medio centímetro por segundo, dando cuatro pi centímetros cuadrados por segundo. El radio no se sustituye por una constante antes de derivar la función de área. Se evalúa después en el estado indicado. El círculo es un esquema de ese instante y la línea verde muestra un radio, no un diámetro.
En una aplicación dy/dt=(dy/du)(du/dt).

Las dos tasas deben describir el mismo estado. Sus unidades también se encadenan: área por longitud, multiplicada por longitud por tiempo, da área por tiempo.

No basta multiplicar segundas derivadas

y=(x²+1)³.

  1. Primera

    y′=6x(x²+1)².
  2. Producto y cadena

    y″=6(x²+1)²+6x·2(x²+1)·2x.
  3. Agrupar

    y″=6(x²+1)²+24x²(x²+1).
Resultado

Aparecen las dos contribuciones.

Lo comprobamos

En cero da seis, coincidiendo con el coeficiente del término x² multiplicado por dos.

Un círculo cuyo radio crece

r cambia a 0,5 cm/s. Hallar la tasa de área cuando r=4 cm.

  1. Relación

    A=πr², así que dA/dr=2πr.
  2. Encadenar

    dA/dt=(2πr)(dr/dt).
  3. Evaluar el mismo instante

    2π·4·0,5=4π cm²/s.
Resultado

El área crece a 4π cm²/s.

Lo comprobamos

No sustituimos r=4 antes de derivar: eso convertiría el área en una constante.

8. Si una hipótesis falla, vuelve a la función completa

El dominio de F∘g exige que x pertenezca al de g y que g(x) esté en el de F. Para aplicar la regla necesitamos además derivabilidad en las entradas correspondientes.

Si una de esas hipótesis falla, el teorema no decide que la composición sea no derivable. Puede simplificarse. Para comprobar una derivada, expande un caso fácil o revisa signos; si piden una tasa en un punto, deriva antes de evaluar.

Una exterior no derivable, pero una composición suave

F(u)=|u|, g(x)=x², en cero.

  1. Hipótesis

    F no es derivable en u=0, así que no aplicamos directamente la regla allí.

  2. Simplificar

    F(g(x))=|x²|=x².
  3. Derivar la función completa

    Su derivada es 2x, y en cero vale cero.

Resultado

El fallo de una hipótesis no implica fallo del resultado.

Lo comprobamos

Fuera de cero la cadena usual también da 2x.

Evaluar demasiado pronto borra la pregunta

Para y=(x+2)², hallar y′(1).

  1. Error tentador

    y(1)=9 es una salida; derivar después el número nueve daría cero y perdería los vecinos.

  2. Derivar primero

    y′(x)=2(x+2).
  3. Evaluar después

    y′(1)=2·3=6.
Resultado

La pendiente es seis; la altura es nueve.

Lo comprobamos

Expandir y=x²+4x+4 da la misma derivada 2x+4.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una potencia compuesta

Deriva y=(3x−1)⁴.

  1. Separar las capas

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

    dy/du=4u³.
  3. Reponer el argumento intacto

    4(3x−1)³; todavía falta el cambio interior.

  4. Derivar la interior

    du/dx=3.
  5. Multiplicar

    y′=4(3x−1)³·3=12(3x−1)³.
  6. Comprobar

    En x=1 el resultado es 96.

    El factor tres procede de la interior, no de cambiar el exponente.

Resultado

y′=12(3x−1)³.

Lo comprobamos

El factor 3 procede de la interior.

EJEMPLO RESUELTO 2

Tres capas

Deriva y=e^(sin(x²)).

  1. Nombrar los niveles

    u=x², v=sin u, y=eᵛ, con ángulos en radianes.
  2. Exterior

    dy/dv=eᵛ; al reponer v queda e^(sin(x²)).
  3. Seno intermedio

    dv/du=cosu=cos(x²).
  4. Cuadrado interior

    du/dx=2x.
  5. Multiplicar cada contribución

    dy/dx=e^(sin(x²))·cos(x²)·2x.
  6. Ordenar y verificar

    y′=2xcos(x²)e^(sin(x²)).

    En cero vale cero porque el cuadrado interior tiene tasa cero allí.

Resultado

y′=2x cos(x²)e^(sin(x²)).

Lo comprobamos

Cada una de las tres capas aporta un factor.

Los símbolos que hemos usado

u=g(x)
Función interior que transforma la entrada x en un valor intermedio u.
y=F(u)
Función exterior aplicada a la salida de g.
(F∘g)(x)
Composición F(g(x)).
F′(g(x))
Derivada de la exterior evaluada en su entrada real g(x).
g′(x)
Tasa de cambio de la función interior respecto a x.
dy/dx
Derivada de la salida final respecto a la entrada original.

Ahora te toca a ti.

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

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