| La regla de la cadena | |
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| En notación funcional |
Lección
La teoría — La regla de la cadena
Si u = g(x) e y = f(u), la razón de cambio de toda la cadena es el producto de las razones de sus eslabones, dy/dx = f′(g(x))·g′(x). Cada razón se toma donde actúa su eslabón, de modo que la exterior se evalúa en u = g(x), no en x. Una cadena más larga multiplica una razón más por cada eslabón.
Qué significa cada símbolo
u- el valor que transmite el eslabón interior, u = g(x)
w- en una cadena de tres eslabones, el valor que transmite el eslabón intermedio
De dónde viene la fórmula
- Divide el cambio en eslabones. Avanza x en Δx. El eslabón interior desplaza u en Δu y el exterior desplaza y en Δy; mientras Δu no sea 0, la razón de toda la cadena se descompone en las razones de los dos eslabones. En la página, esto se traduce en multiplicar los estiramientos de las bandas.
- Haz que Δx se reduzca. Como g es continua en x, Δu se reduce a la par. La razón interior tiende a g′(x) y la exterior a f′ en el punto donde actúa el eslabón exterior, u = g(x). El límite de un producto es el producto de los límites.
- El caso que oculta la descomposición. Si Δu es 0 para algún Δx pequeño, la primera línea divide entre cero. La demostración rigurosa asigna a la razón exterior el valor f′(u) siempre que Δu = 0. Entonces el producto se cumple para todo Δx, y su límite es el mismo.
- Supone
- Cada eslabón tiene derivada en el punto donde actúa. Si alguno no la tiene, como le ocurre a √u en 0, la regla no dice nada y la página muestra la cadena como indefinida en ese punto.
Problemas resueltos al detalle
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Potencia de una expresión lineal 3 pasos
Deriva y = (3x + 1)⁴ y halla la pendiente en x = 0.
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Identifica los eslabones y sus derivadas. El interior es la parte lineal; el exterior, la cuarta potencia:
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Multiplica empezando por la derivada exterior y escribe el resultado como en un examen, con la constante delante:
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En x = 0, el valor interior es 1:
Respuesta
dy/dx = 12(3x + 1)³, y 12 en x = 0. El 3 es el paso que todo el mundo olvida: la tasa exterior por sí sola daría 4(3x + 1)³, un tercio de la pendiente real. La página muestra las dos tasas como 3 y 4, y su producto como 12.
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Seno de un cuadrado 3 pasos
Deriva y = sin(x²) y halla la pendiente en x = 1.
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Los eslabones y sus derivadas:
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Multiplica. El coseno se evalúa en u = x², donde actúa el eslabón exterior, no en x:
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En x = 1:
Respuesta
dy/dx = 2x cos(x²), y 2 cos 1 ≈ 1,0806 en x = 1. La página muestra allí la derivada exterior como 0,5403, que es cos 1, porque en ese punto u = x² vale 1.
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Dónde e^(−x²) es horizontal 3 pasos
Deriva y = e^(−x²), halla dónde su pendiente es cero y calcula la pendiente en x = 1.
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Los eslabones y sus derivadas. e elevada a una potencia es su propia derivada:
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Multiplica:
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La exponencial nunca es cero, así que solo el factor −2x puede anularse:
Respuesta
dy/dx = −2x e^(−x²): horizontal solo en x = 0, y −2/e ≈ −0,7358 en x = 1. A la izquierda de 0 la pendiente es positiva y a la derecha es negativa, así que x = 0 es el punto más alto de la curva.
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El logaritmo de una suma 3 pasos
Deriva y = ln(x² + 1) y calcula la pendiente en x = 1.
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Los eslabones y sus derivadas:
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Multiplica:
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En x = 1, el valor interior es 2:
Respuesta
dy/dx = 2x/(x² + 1), y exactamente 1 en x = 1. La página muestra la derivada exterior como 0,5, que es 1/u para u = 2.
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Una potencia negativa 3 pasos
Deriva y = 1/(2x − 1)³ y calcula la pendiente en x = 1.
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Escríbela primero como potencia; los eslabones y sus derivadas se calculan como antes:
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Multiplica y vuelve a escribir la potencia negativa como fracción:
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En x = 1, el valor interior es 1:
Respuesta
dy/dx = −6/(2x − 1)⁴, y −6 en x = 1. Al escribirlo como potencia, un cociente con una constante en el numerador no necesita para nada la regla del cociente.
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El cubo de un seno 3 pasos
Deriva y = sin³x y calcula la pendiente en x = π/4.
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sin³x es el cubo de sin x: la potencia es el eslabón exterior y el seno, el interior:
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Multiplica:
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En π/4, tanto el seno como el coseno valen √2/2:
Respuesta
dy/dx = 3 sin²x cos x, y 3√2/4 ≈ 1,0607 en x = π/4. Si lees sin³x como sin(x³), la cadena es otra y los eslabones quedan al revés.
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Tres eslabones 3 pasos
Deriva y = e^(sin(x²)) y calcula la pendiente en x = 1.
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Tres eslabones, tres derivadas, cada una evaluada donde actúa su eslabón:
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Multiplica las tres, empezando por la exterior:
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En x = 1:
Respuesta
dy/dx = 2x cos(x²) e^(sin(x²)), aproximadamente 2,5068 en x = 1. Un eslabón más es un factor más: el método no cambia.
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Un producto con una cadena dentro 3 pasos
Deriva y = x² sin(3x) y calcula la pendiente en x = π/6.
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Primero manda el producto. El segundo factor es una cadena, así que al derivarlo sale el factor interno 3:
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Aplica la regla del producto:
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En π/6 el ángulo 3x vale π/2, donde el seno es 1 y el coseno 0:
Respuesta
y′ = 2x sin(3x) + 3x² cos(3x), y la pendiente en π/6 es π/3 ≈ 1,0472. La operación principal es la multiplicación: la regla del producto lleva el mando y la regla de la cadena opera en su interior. Si omites el 3 obtendrás aquí exactamente el mismo π/3, porque el término con el coseno se anula en π/6. Comprobar en un solo punto jamás detecta ese descuido: evalúa siempre en un segundo punto.
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Un cociente con una cadena dentro 3 pasos
Deriva y = x/√(x² + 1) y calcula la pendiente en x = 1.
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Un cociente con una cadena en el denominador. Su derivada va primero:
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Aplica la regla del cociente y reduce a una sola fracción multiplicando numerador y denominador por √(x² + 1):
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En x = 1:
Respuesta
y′ = 1/(x² + 1)^(3/2), y la pendiente en x = 1 es 1/(2√2) ≈ 0,3536. La derivada es positiva para todo x, por lo que la curva crece en todo su dominio. Con todo, jamás alcanza el 1: la recta y = 1 es una asíntota a la que la gráfica se aproxima por debajo.
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¿Cuántas pulsaciones de cos? 4 pasos
Una calculadora en radianes muestra 1, y pulsas cos repetidamente. Cerca de p = 0,739085…, donde cos p = p, cada pulsación multiplica el error por cos′(p) = −sin p = −0,6736. Estima cuántas pulsaciones sitúan la pantalla a menos de 10⁻⁶ de p y comprueba luego la estimación. Pulsa Desde x = 1: tres pulsaciones llevan el 1 a 0,6543, y la pendiente de la cadena de tres eslabones vale allí −0,3273.
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El error antes de la primera pulsación:
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n pulsaciones forman una cadena de n eslabones y, cerca de p, cada eslabón tiene la misma tasa; por tanto, la regla de la cadena multiplica n factores iguales:
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Pide que ese valor quede por debajo de 10⁻⁶ y toma logaritmos:
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Las tres pulsaciones de la página ponen a prueba la estimación en una fase inicial, donde todavía es aproximada: predice −0,0797 y la pantalla se desvía en −0,0848, porque las primeras pulsaciones ocurren lejos de p.
Respuesta
32 pulsaciones. La estimación da 31,57, es decir, 32, y la iteración lo confirma: tras 31 pulsaciones el error es de 1,286×10⁻⁶ y tras 32 es de 8,664×10⁻⁷. El cociente entre cada error y el anterior vale −0,7619 en la primera pulsación y −0,5960 en la segunda, y se va estabilizando en −0,6736 a medida que nos aproximamos. La página se detiene en tres eslabones.
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Problemas complementarios, solo con la respuesta
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Deriva (5 − 2x)⁶.
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−12(5 − 2x)⁵
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Deriva cos(3x²).
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−6x sin(3x²)
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Deriva √(4x + 1) y calcula la pendiente en x = 2.
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2/√(4x + 1), que vale 2/3 en x = 2
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Deriva e^(sin x) y calcula la pendiente en x = 0.
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cos x · e^(sin x), que vale 1 en x = 0
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Deriva ln(cos x) para −π/2 < x < π/2.
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−tan x
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Deriva x²(x − 1)³ y factoriza el resultado.
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x(x − 1)²(5x − 2)
Ruta de aprendizaje
Derivación: cómo se combinan las razones de cambio
Referencias (2)
- The rule in both notations the page uses, h′(x) = f′(g(x))g′(x) and dy/dx = (dy/du)·(du/dx), the advice to work “from the outside in, taking one derivative at a time”, the warning that “we never evaluate a derivative at a derivative” (the page's derivOfDeriv slip), and a chain of three links (Example 3.55, cos⁴(7x² + 1)): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 3.6, “The Chain Rule”.
- The derivative of ln x proved from the identity e^y = x, differentiated implicitly (Theorem 3.15), the argument insight block 3 makes as a chain e^(ln x) = x: G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 3.9, “Derivatives of Exponential and Logarithmic Functions”.