Derivadas

1. Definición y significado

La derivada de \(f\) en \(a\) es \[f'(a)=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h}=\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\]

  • Significado geométrico: \(f'(a)\) es la pendiente de la recta tangente a la gráfica en el punto \((a,f(a))\).
  • Significado físico: si \(s(t)\) es la posición, \(s'(t)\) es la velocidad y \(s''(t)\) la aceleración.
  • Si \(f\) es derivable en \(a\), entonces es continua en \(a\). El recíproco es falso: \(f(x)=|x|\) es continua en 0 y no derivable.

Curva con una secante por dos puntos y la tangente en el primero, con las pendientes indicadas

La secante por \((a,f(a))\) y \((a+h,f(a+h))\) se acerca a la tangente cuando \(h\to0\): la derivada es la pendiente de la tangente.

2. Derivadas de funciones elementales

\(f(x)\) \(f'(x)\)
\(k\) \(0\)
\(x^n\) \(nx^{n-1}\)
\(\sqrt x\) \(\dfrac{1}{2\sqrt x}\)
\(e^x\) \(e^x\)
\(a^x\) \(a^x\ln a\)
\(\ln x\) \(\dfrac1x\)
\(\sin x\) \(\cos x\)
\(\cos x\) \(-\sin x\)
\(\tan x\) \(\dfrac{1}{\cos^2x}=1+\tan^2x\)
\(\arcsin x\) \(\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)
\(\arccos x\) \(-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)
\(\arctan x\) \(\dfrac{1}{1+x^2}\)

3. Reglas de derivación

  • Suma: \((f+g)'=f'+g'\). Producto por un número: \((kf)'=kf'\).
  • Producto: \((fg)'=f'g+fg'\).
  • Cociente: \(\left(\dfrac fg\right)'=\dfrac{f'g-fg'}{g^2}\).
  • Regla de la cadena: \((f\circ g)'(x)=f'(g(x))\cdot g'(x)\).

Con la cadena, cada fila de la tabla se generaliza: \((e^{u})'=u'e^u\), \((\ln u)'=\dfrac{u'}{u}\), \((\sin u)'=u'\cos u\), \((u^n)'=nu^{n-1}u'\), \((\arctan u)'=\dfrac{u'}{1+u^2}\).

Ejemplos:

  • \(f(x)=e^{3x}\sin x\): \(f'=3e^{3x}\sin x+e^{3x}\cos x=e^{3x}(3\sin x+\cos x)\).
  • \(f(x)=\ln(x^2+1)\): \(f'=\dfrac{2x}{x^2+1}\).
  • \(f(x)=\dfrac{x^2+1}{x-2}\): \(f'=\dfrac{2x(x-2)-(x^2+1)}{(x-2)^2}=\dfrac{x^2-4x-1}{(x-2)^2}\).

Derivación logarítmica: para \(y=f(x)^{g(x)}\) se toman logaritmos, \(\ln y=g\ln f\), y se deriva: \(\dfrac{y'}{y}=g'\ln f+g\dfrac{f'}{f}\).

Ejemplo: \(y=x^x\Rightarrow\ln y=x\ln x\Rightarrow\dfrac{y'}{y}=\ln x+1\Rightarrow y'=x^x(\ln x+1)\).

Derivada de la función inversa: \((f^{-1})'(b)=\dfrac{1}{f'(a)}\) si \(f(a)=b\).

Derivadas sucesivas: \(f''=(f')'\), \(f'''=(f'')'\). Por ejemplo, para \(f=xe^x\) es \(f^{(n)}=(x+n)e^x\).

4. Recta tangente y recta normal

En el punto \((a,f(a))\):

  • Tangente: \(y-f(a)=f'(a)\,(x-a)\).
  • Normal (perpendicular a la tangente, si \(f'(a)\neq0\)): \(y-f(a)=-\dfrac{1}{f'(a)}\,(x-a)\).

Tangente paralela a una recta de pendiente \(m\): se resuelve \(f'(x)=m\).

Tangente horizontal: \(f'(x)=0\).

Tangente desde un punto exterior \(Q\): la tangente en \(x=a\) es \(y=f(a)+f'(a)(x-a)\); se impone que pase por \(Q\) y se despeja \(a\).

5. Derivabilidad de funciones a trozos

Para \(f(x)=\begin{cases}g(x)&x\le a\\h(x)&x>a\end{cases}\) en el punto de unión:

  1. Continuidad: \(g(a)=h(a)\).
  2. Derivabilidad: además \(g'(a)=h'(a)\) (las derivadas laterales coinciden).

Las derivadas laterales se calculan derivando cada rama y sustituyendo en \(a\). Este atajo vale si \(f\) es continua en \(a\) y cada rama es derivable a su lado; si no, se usa la definición con límites laterales. Para el valor absoluto, se escribe como función a trozos.

Ejemplo: \(f(x)=|x-1|\) tiene derivada lateral \(-1\) por la izquierda y \(+1\) por la derecha en \(x=1\): no es derivable ahí.

Tres dibujos: la función valor absoluto con un pico en cero, una parábola con tangente horizontal en cero y una raíz cúbica con tangente vertical en cero

Tres casos en \(x=0\): un pico (no derivable), un punto suave (derivable) y una tangente vertical (no derivable).
Nota

Si la función no es continua en \(a\), tampoco es derivable en \(a\). Empieza siempre por la continuidad.

TipResumen rápido
  • \(f'(a)\) es la pendiente de la tangente: \(y-f(a)=f'(a)(x-a)\).
  • Producto: \(f'g+fg'\). Cociente: \(\frac{f'g-fg'}{g^2}\). Cadena: \(f'(g)\cdot g'\).
  • \(y=f^g\): derivación logarítmica.
  • A trozos: continuidad más igualdad de derivadas laterales.
  • Derivable implica continua; no al revés.