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Derivada 02

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Derivada 02

  1. 1. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.FUNCIONES DERIVABLES. PROPIEDADES.TASA DE VARIACION MEDIA. Dada una función se llama TASA DE VARIACIÓN o INCREMENTO de f a la y =f ( x )variación que experimenta f cuando la variable independiente pasa de "a" a "a + h". ∆ , h) = (a + − ( a ) f (a f h) f Por el mismo motivo h recibe el nombre de incremento de x o variación de x. Esta tasa de variación o incremento de una función nos da una primera idea de la rapidezcon que crece o decrece la función en un intervalo, aunque no es lo suficientemente precisa. Para tener una idea más exacta necesitaríamos conocer cuanto crece la función porcada unidad que crece la variable x. Este dato más preciso es la tasa de variación media. La TASA DE VARIACIÓN MEDIA (T.V.M.) nos viene dada por el cociente incrementalsiguiente: ∆f f (a +h) − f (a ) T . .M . = V = h hy significa la variación relativa de f con relación a x en el intervalo [ ,a a +] h . P f Gráficamente: ∆f La tasa de variación media es la P0 α pendiente de la recta que pasa por los h puntos P y P’. O a a +hDERIVADA DE UNA FUNCION EN UN PUNTO. El límite ∆ (a , h) f f (a +h) − f (a ) lím = lím h→0 h h→ 0 hsi existe y es finito, recibe el nombre de DERIVADA de la función en el punto "a" y representala variación de la función f en el punto x = a. Se representa por f ( a ). Si en la definición anterior hacemos a += h x cuando h tiende a cero, ⇒h =− x a :entonces x tiende a y la derivada de la función en el punto a nos queda de la forma: "a " f ( x ) − f (a ) f (a ) = lím x→a x −aGeométricamente, si vamos acercando el punto Psecante se transforma en a cero), la a la hacia el punto P0 (h tiende tangente recta gráfica de la función. En consecuencia, la derivada de una función en un punto es P igual a la pendiente de la recta tangente 109 la gráfica de la función en el punto de a abscisa x = a. m t = f (a )
  2. 2. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES. f ∆f P0 α h O a a +h La ecuación de la recta tangente en el punto P ( a , f ( a )) nos viene dada por: y − ( a ) = (a ).( x − f f a)NOTA: Para calcular la ecuación de la recta tangente utilizamos la ecuación de la recta en la forma punto-pendiente: y −y = .( x − ) m x 1 1 La normal a una curva en un punto P es la perpendicular a la recta tangente en dichopunto. Si la pendiente de la tangente es m t =f (a ), la pendiente de la normal será 1 m N =− f (a ) y la ecuación de la normal nos viene dada por: 1 y − f (a ) = − ⋅ ( x −a ) f (a )EJEMPLOS.1. Hallar la ecuación de la recta tangente y normal a la curva dada por f ( x) = 3 x en el punto de abscisa x = 2. Calculamos la derivada de la función dada en el punto que nos indican. Aplicando la propia definición tendremos: f (2 + h) − f (2) (2 +h) 3 −23 (23 +3.2 2 h +3.2h 2 + h3 ) −23 f (2) = lím = lím = lím = h→0 h h→ 0 h h→ 0 h 3.2 2 h +3.2 h2 +h3 h.(3.22 +3.2 h +h 2 ) = lím = lím = lím(3.2 2 +3.2h + h 2 ) = 3.22 =12 h→0 h h→ 0 h h→ 0 1 1 En consecuencia, f ( 2) =12 ⇒ m t = f ( 2) =12 y m N =− f ( 2) =− 12 Una vez que hemos obtenido las pendientes de las rectas tangente y normal a la curva, podemos escribir sus ecuaciones, utilizando la ecuación de la recta en la forma punto- pendiente: Si tenemos en cuenta que el punto de tangencia tiene por coordenadas ( 2, f ( 2 )) ≡ , 8 ) (2 , las ecuaciones de las rectas pedidas son: Ecuación de la recta tangente: y −= .( x − 8 12 2) ⇒ = − y 2x 16 1 1 49 Ecuación de la recta normal: y −8 =− 12 ⋅( x −2) ⇒ y =− 12 ⋅x + 6 110
  3. 3. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.2. Dada la parábola de ecuación y = 2 −x + , x 8 12 hallar el punto donde la tangente es paralela al eje de abscisas. Calculamos la derivada de la función dada en un punto cualquiera x: f ( x +h) − f ( x) (( x +h) 2 −8 x +12) −( x 2 −8 x +12) f ( x) = lím = lím = h→0 h h→ 0 h ( x 2 +2 xh +h 2 −8 x −8h +12) −( x 2 −8 x +12) 2 xh +h 2 −8h = lím = lím = h→0 h h→ 0 h h.(2 x + h −8) = lím = lím(2 x + h −8) = 2 x −8 h→0 h h→ 0 Como la tangente es paralela al eje de abscisas, las dos rectas tendrán igual pendiente: si tenemos en cuenta que la pendiente del eje de abscisas es igual a cero, al igualar la derivada a cero nos queda: mt = ( x) = f 0 ⇒x − = 2 8 0 ⇒ = x 4 Obtenida la abscisa del punto de tangencia, la ordenada correspondiente del punto la obtenemos sustituyendo en la función: f ( 4) =4 −.4 + 8 12 = 4 − 2 En consecuencia, el punto de tangencia tiene por coordenadas (4, −4).DERIVADAS LATERALES. Puesto que la derivada de una función en un punto la definimos mediante el límite de unafunción (TVM) en un punto x = a, podemos considerar la existencia de límites laterales en dichopunto. Aparece así el concepto de derivadas laterales.Derivada por la izquierda. Se llama derivada por la izquierda de la función f en el punto x = a al siguiente límite, sies que existe: f ( a + h) − f ( a ) f ( x ) − f (a ) lim h→ − 0 h o lím x →a − x −a La derivada por la izquierda en el punto x = a se representa por f ( a −)Derivada por la derecha:Se llama derivada por la derecha de la función f en el punto x = a al siguiente límite, si es queexiste: f ( a + h) − f ( a ) f ( x ) − f (a ) lim h→ + 0 h o lím x →a + x −a 111
  4. 4. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES. La derivada por la derecha en el punto x = a se representa por f (a +). Evidentemente, una función es derivable en un punto sí, y sólo sí, es derivable por laizquierda y por la derecha en dicho punto y las derivadas laterales son iguales. Si las derivadas laterales existen pero no coinciden, se debe a que la función tiene unpunto anguloso. Este es el caso de la función que en el punto x = 0 tiene por f ( x) =xderivadas laterales f (0 − ) =1 − y f (0 + ) =1. +DERIVABILIDAD EN UN INTERVALO. Una función es derivable en un intervalo abierto si es derivable en cada uno de (a, b)sus puntos. Una función es derivable en un intervalo cerrado [ ] si es derivable en cada uno de a, blos puntos del intervalo abierto y derivable por la derecha en x = a y por la izquierda en (a, b) x =. bCONTINUIDAD Y DERIVABILIDAD. La derivabilidad es una propiedad de las funciones más restrictiva que la continuidad, yaque existen funciones continuas que no son derivables. La implicación de que una función derivable es continua se demuestra en el siguienteTEOREMA. "Si una función es derivable en un punto (derivada finita), entonces es continuaen dicho punto"Demostración: Sabemos que una función es continua en un punto a si lím f ( a +h) = f ( a ) ⇔ lím[ f ( a +h) − f ( a ) ] =0 h→0 h→0En nuestro caso, tendremos que demostrar cualquiera de estos resultados: f ( a +h) − f ( a ) f ( a +h) − f ( a ) lím[ f ( a +h) − f ( a ) ] =lím ⋅ h =lím ⋅ lím h = f ( a ) ⋅ 0 =0 h→0 h→0 h h→ 0 h h→ 0 Sin embargo, el recíproco de este teorema no es cierto: Una función continua en unpunto no es necesariamente derivable en dicho punto. Esto podemos verlo fácilmente estudiando la función f ( x) =x en el punto x = 0.En efecto, esta función es continua en x = 0 lím f (x) = lím− (− x) = 0 x→ 0− x→ 0   ⇒ ∃ lxí→m0 f (x) = 0 lím f (x) = lím+ (x) = 0  x→ 0+ x→ 0  Como f(0) = 0, entonces f es continua en x = 0. 112
  5. 5. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.Veamos ahora la derivabilidad en x = 0: f (0 + h) − f (0) −h  f (0 − ) = lím− = lím− = − 1 h→ 0 h h→ 0 h  − +  ⇒ f (0 ) ≠ f (0 ) f (0 + h) − f (0) h f (0 + ) = lím+ = lím+ = + 1  h→ 0 h h→ 0 h  Por tanto, la función f ( x) =| x | no es derivable en el punto x = 0. En consecuencia, las funciones derivables forman un subconjunto de las funcionescontinuas.LA FUNCION DERIVADA. Hasta ahora sólo hemos estudiado la derivada de una función en un punto y el resultadoes un número real por tratarse de un límite. Si una función f es derivable en un subconjunto D de su dominio D ( D ⊆D ), podemosdefinir una nueva función que asocie a cada elemento de D su derivada en ese punto: D  ¡ f → / x∈ D  f ( x) ∈ f → ¡ Esta nueva función así definida recibe el nombre de FUNCIÓN DERIVADA o, simplemente,DERIVADA y se representa por f . A partir de la función derivada primera se puede definir, si existe, también su derivada querecibe el nombre de derivada segunda y se representa por f . Análogamente se definirían la derivada tercera, cuarta, quinta,..., n-ésima, y serepresentarían por f ( x ), f (4 ( x ), f (5 ( x ),  , f ( x) (nOtras formas de representar las derivadas son: Df , D 2 f , D 3 f ,  , D n f df d2 f dn f = f , 2 = f ,  , =f (n dx dx dx nREGLAS DE DERIVACION. Aplicando la definición de derivada a las cuatro operaciones definidas entre funciones(adición, multiplicación, producto por un número y composición) obtenemos las reglas dederivación de ellas. Aplicando la misma definición a algunas funciones elementales obtenemostambién fórmulas de derivación para ellas. Estos resultados, de todos conocidos, los reunimos en la siguiente tabla:Reglas de Derivación: 113
  6. 6. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES. OPERACIONES REGLA SUMA Y DIFERENCIA ( f ± ) =f ± g g PRODUCTO ( f ⋅g ) =f ⋅g +f ⋅g  f  f .g − f .g COCIENTE   = g g2 Producto por un número (k. f ) = . f k COMPOSICIÓN ( g o f ) = ( f ( x )) ⋅ f ( x ) g A modo de ejemplo, podríamos comprobarlas con la suma y diferencia: Suponiendo que las funciones f y g sean derivables, tenemos: ( f ± g )( x + h) −( f ± g )( x) ( f ± g ) ( x) = lím = h→0 h = lím [ f ( x + h) ± g ( x + h)] −[ f ( x) ± g ( x)] = lím [ f ( x + h) − f ( x)] ± [ g ( x + h) − g ( x)] = h→0 h h→0 h  f ( x + h) − f ( x ) g ( x + h) − g ( x )  f ( x + h) − f ( x ) g ( x + h) − g ( x ) = lím  ±  = lím ± lím = h→ 0  h h  h→0 h h→ 0 h = f ( x) ± g ( x) Derivada del producto de una constante por una función. (k ⋅ f )( x + h) −( k ⋅ f )( x) ( k ⋅ f ) ( x) = lím = h→0 h k ⋅ f ( x +h) −k ⋅ f ( x) k ⋅[ f ( x + h ) − f ( x ) ] f ( x + h) − f ( x ) = lim = lím = k ⋅ lím = k ⋅ f ( x ) h→0 h h→ 0 h h→ 0 hDerivadas de Funciones Elementales: F O R M A S T I P O S S I M P L E S COMPUESTASConstante: f ( x) =k f ( x) =0F. Identidad: f ( x) =x f ( x) =1 114
  7. 7. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.Potencial n− Dx n = . x n − n 1 Df n = f n. 1 . f Potencial Dx α n. x α , − α α − = 1 αR ∈ Df = f n. 1 . f , αR ∈ 1 f D( Lx) = D ( Lf ) = x fLogarítmico 1 f D log a x = ⋅ log a e D log a f = ⋅log a e x f D (e x ) = x e D (e f ) = .e f fExponencial D ( a x ) = x .La a D(a f ) = .a f f .LaPotencial-exponencial D f g =f g. g− . f + f 1 g . g .Lf 1 fRaíz Cuadrada D x = 2 x D f = 2 fSeno D sen x = cos x D sen f = cos f f ⋅Coseno D cos x =− sen x D cos f = ⋅ −f sen f D tg x =1+ 2x tg D tg f = .( + 2 f ) f 1 tg D tg x =sec 2 x D tg f = . sec 2 f fTangente 1 f D tg x = D tg f = cos 2 x cos 2 f Dctg x = ( + − 1 ctg 2 x ) Dctg f = f .( + − 1 ctg 2 f ) Dctg x =cosec 2 x − Dctg f = f ⋅ − cosec 2 fCotangente 1 f Dctg x = − Dctg f = − sen 2 x sen 2 f 1 f D arcsen x = D arcsen f =Arco seno 1 −x 2 1− f 2 1 f D arccos x = − D arccos f = −Arco coseno 1 −x 2 1− f 2 1 fArco tangente D arctg x = 1+x2 D arctg f = 1+ f 2 1 fArco cotangente D arcctg x = − 1+x2 Darcctg f =− 1+ f 2EJERCICIOS RESUELTOS.• Dada la función f :¡ →¡ definida por  − x 2 , si x < 0  f ( x) =  x 2 , si 0 ≤ x ≤ 3  6x, si 3 < x  Determina los puntos en los que la función f es derivable y en cada uno de ellos calcula su derivada. 115
  8. 8. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.  Nuestra función f es una función definida a trozos en cada uno de los cuales está definida como una función cuadrática o como función lineal. Tanto una como la otra son funciones continuas y derivables en todo y, por tanto, en el trozo en el que están definidas. ¡ En consecuencia, la función f es continua y derivable en ¡ −{0, 3} por serlo las funciones mediante las que está definida. Estudiemos la continuidad y la derivabilidad de la función f en los puntos x = 0 y x = 3.  En x = 0: Como en este punto hay un cambio de definición de la función, para estudiar la existencia de límite en él tendremos que calcular los límites laterales de la función: lím− f (x) = lím− (− x 2 ) = 0 x→ 0 x→ 0   ⇒ ∃ lxí→m0 f (x) = 0 lím f (x) = lím+ (x ) = 0  2 x → 0+ x→ 0  Por otra parte, f (0 ) =0 y la función sería continua en el punto x = 0. Estudiemos la derivabilidad: tendremos que calcular las derivadas laterales − f ( x ) − f ( 0) − x2 − 0  f (0 ) = lím− = lím− = lím− (− x) = 0 x→ 0 x− 0 x→ 0 x − 0 x→ 0   ⇒ ∃ f ( 0) = 0 f ( x ) − f ( 0) x2 − 0 f (0 + ) = lím+ = lím+ = lím− ( x) = 0  x→ 0 x− 0 x→ 0 x − 0 x→ 0    En x = 3. Continuidad: operamos de igual manera que en x = 0. lím− f (x) = lím− ( x 2 ) = 9   ⇒ xlím−3 f ( x) ≠ xlím+3 f ( x) ⇒ no existe lím3 f (x) x→ 3 x→ 3 lím+ f ( x) = lím+ (6x) = 18 → → x→ x→ 3 x→ 3  Por tanto, la función no es continua en x = 3 (presenta en este punto una discontinuidad inevitable de salto finito) y, en consecuencia, será no derivable en él.  La derivada de la función f nos vendría dada por:  − 2 x, si x < 0   0, si x = 0 f ( x) =   2 x, si 0 < x < 3  6, si 3 < x • Estudia, según los valores del parámetro a, la continuidad y derivabilidad de la función 116
  9. 9. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES. definida por  x 2 + ax si x ≤ 2 f ( x) =   a − x 2 si x > 2 Para cualquier valor distinto de 2, la función f está definida como función cuadrática en cada uno de los segmentos, para cualquier valor del parámetro a. Como las funciones cuadráticas son continuas y derivables en todo , también lo serán en cualquier intervalo ¡ abierto de ¡ y, por tanto, la función f será continua y derivable, para cualquier valor del parámetro a, en ¡ − {2}. Estudiemos la continuidad de f en el punto 2: Para que sea continua tiene que existir límite en el punto 2 y, para ello, los límites laterales tienen que ser iguales: lím f ( x) = lím− ( x 2 + ax ) = 4 + 2a x → 2− x→ 2 lím f ( x) = lím+ (a − x 2 ) = a − 4 x → 2+ x→ 2 Igualando estos límites laterales obtenemos: 4 + =− 2a a 4 ⇒a =− 8 En consecuencia, la función sería continua en el punto 2 si a = 8. − Para este valor del parámetro la función nos queda de la forma:  x 2 − 8x si x ≤ 2 f ( x) =  2  − 8 − x si x > 2 y su derivada, salvo en el punto 2, es:  2x − 8 si x < 2 f ( x) =   − 2x si x > 2 Calculamos la derivada en el punto 2: f (2 − ) = lím f ( x) = lím (2 x −8) = −4  x →2− x →2−  +  ⇒ f (2 − ) = f (2 − ) ⇒∃f (2) = −4 f (2 ) = lím f ( x ) = lím ( −2 x) = −4  x →2+ x →2+  La función es derivable en el punto x = 2. • En resumen: Si a ≠ 8, − la función es continua y derivable en R − {2}. Si la función es continua y derivable en a = 8, − R .RELACIÓN DE EJERCICIOS. 117
  10. 10. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.1. Hallar la ecuación de la tangente a las curvas en los puntos que se indican: f ( x) = x + 3 2 8 en el punto P(1,11). f ( x) = 5 + x 1 en el punto P(0,1) f ( x) = 3 2 x2 + 1 en el punto de abscisa x = 0. f ( x ) = .e x x en el punto de abscisa x = 0.2. Escribid la ecuación de la recta tangente a la hipérbola en el punto de abscisa x = 3. x ⋅y =13. ¿En qué punto de la gráfica de la función f ( x) =x −x + 6 8 la tangente es 2 paralela a la bisectriz del primer cuadrante?4. Determinar los puntos de la curva en los cuales la tangente es paralela y = 3 + x 2 −x + x 9 9 15 a la recta y = x + 12 5.5. Buscar los puntos de la curva 7 que tienen la tangente formando y = 4 −x 3 + x 2 + + x 13 x 1 un ángulo de 45º con el eje de abscisas.  1 si x ≤ 16. Estudiar la derivabilidad de la función f ( x) =  Dibujar la gráfica.  2 si x > 17. Demostrar que la función f ( x ) =− x 2 no puede tener tangente en el punto de abscisa x =28. Dada la función hallar f ( x) = x , x ⋅ f ( x) y f ( x ). Representar gráficamente los resultados.9. Estudia la derivabilidad de la función f ( x) = − ) 2 (1 x en el intervalo [ 1,1] − .10. Estudia la derivabilidad de la función f ( x) =cos x en el intervalo [ 0, π].11. Halla la derivada de la función 2 1  x ⋅ sen si x ≠ 0 f ( x) =  x  0 si x = 0 ¿Es f continua en x = ? 0 ¿Es f derivable en x = ? 012. Calcula m y n para que la función  x 2 − 5x + m si x ≤ 1 f ( x) =  2  − x + nx si x > 1 sea derivable en todo ¡ .13. Estudiar la derivabilidad de las siguientes funciones y, en caso de no sean derivables en algún punto, dar el valor de sus derivadas laterales:  3x − 1 si x < 3  x 2 − 1 si x ≤ 1 f ( x) =  2 f ( x) =   x − x + 3 si x ≥ 3  2x − 2 si x > 114. Consideremos la función f ( x ) = ⋅ ( x ). x g Sabiendo que g(x) es continua en 0, probar que 118
  11. 11. DERIVADAS. PROPIEDADES DE LAS FUNCIONES DERIVABLES.f(x) es derivable en 0 y calcular su derivada. (No se puede suponer que g es derivable; puedeno serlo). 119

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