Matemáticas 11.º

Derivadas del producto y del cociente

50 min · DBA 8

Lo que vas a aprender
  • Derivar productos de funciones con la regla del producto, sin multiplicar las derivadas.
  • Derivar cocientes con la regla del cociente, respetando el orden del numerador.
  • Decidir cuándo conviene simplificar una expresión antes de derivarla.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Muchas cantidades son el producto o el cociente de otras dos. El ingreso de una tienda es el precio por la cantidad vendida; el área de un rectángulo que se deforma es el largo por el ancho; el costo promedio de producir es el costo total dividido entre las unidades. Si las dos cantidades cambian a la vez, ¿cómo cambia el resultado?

Con lo que sabes, podrías multiplicar o dividir primero y derivar después, pero muchas veces esa cuenta es larga o imposible de simplificar. Las reglas del producto y del cociente derivan directamente, sin desarrollar. Y traen una advertencia que conviene aprender desde el primer día: la derivada de un producto no es el producto de las derivadas.

Antes de empezar necesitas la regla de la potencia, la derivada de una suma y saber simplificar fracciones algebraicas.

Explicación

El error que hay que evitar

La derivada de una suma es la suma de las derivadas. Es natural sospechar que con el producto pasa lo mismo. Un contraejemplo lo descarta: $x \cdot x = x^2$, cuya derivada es $2x$. Pero si derivamos cada factor, $x$ da $1$ y $1 \cdot 1 = 1$, que no es $2x$. Basta un caso en que falle para que la «regla» sea falsa.

La regla del producto

Piensa en un rectángulo de lados $f$ y $g$ que van creciendo. Cuando $x$ aumenta un poco, el largo crece un poco y el ancho también. El área nueva está formada por dos tiras delgadas, una a lo largo de cada lado, más un cuadradito en la esquina tan pequeño que desaparece en el límite. Una tira mide «lo que creció $f$» por $g$; la otra, $f$ por «lo que creció $g$». Por eso:

$$\big(f \cdot g\big)' = f' \cdot g + f \cdot g'.$$

En palabras: la derivada del primero por el segundo sin derivar, más el primero sin derivar por la derivada del segundo. Son dos términos, y en cada uno se deriva un solo factor. Como la suma es conmutativa, el orden de los dos términos no importa.

La regla del cociente

Para un cociente $\dfrac{f}{g}$, en los puntos donde $g(x) \neq 0$:

$$\left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f' \cdot g - f \cdot g'}{g^2}.$$

Aquí el orden sí importa, porque hay una resta. Una manera de recordarlo es «la derivada de arriba por la de abajo sin derivar, menos la de arriba sin derivar por la derivada de la de abajo, todo sobre la de abajo al cuadrado». Si inviertes el orden de la resta, obtienes el resultado con el signo contrario. Y tampoco hay un atajo con las derivadas por separado: la derivada de $\dfrac{f}{g}$ no es $\dfrac{f'}{g'}$.

El denominador de la derivada es $g^2$, que conviene dejar factorizado. Lo que sí se simplifica es el numerador: allí se multiplican los paréntesis y se reducen términos semejantes, como en el segundo ejemplo de abajo.

¿Simplificar antes o derivar de una vez?

Las reglas siempre funcionan, pero no siempre son el camino más corto. Antes de derivar, mira la expresión:

  • Si un producto se puede multiplicar fácilmente, como $x^2 \cdot x^5 = x^7$, multiplica y usa la regla de la potencia.
  • Si un cociente tiene un monomio en el denominador, divide cada término: $\dfrac{x^3 - 4x}{x} = x^2 - 4$ para $x \neq 0$. La derivada es $2x$, sin regla del cociente.
  • Si el numerador es un número, escribe una potencia negativa: $\dfrac{5}{x^2} = 5x^{-2}$.
  • Si el denominador es una suma, como $x^2 + 1$, no se puede repartir: ahí la regla del cociente es la herramienta.

Hay una prueba sencilla de que no te equivocaste: deriva por los dos caminos y compara. El tercer ejemplo lo hace.

Leer la derivada

Igual que con los polinomios, el valor de la derivada en un punto es la pendiente de la tangente. Donde la derivada de un cociente vale cero, la gráfica tiene tangente horizontal; y en los valores que anulan el denominador, ni la función ni su derivada existen.

Ejemplo resuelto

La regla del producto con dos polinomios

Calcula $\frac{d}{dx}\left(\left(x^{2} + 1\right)\left(3x - 2\right)\right)$ con la regla del producto y comprueba multiplicando primero.

Ver la solución paso a paso
  1. Los factores son $f = x^2 + 1$ y $g = 3x - 2$, con $f' = 2x$ y $g' = 3$.

    $$\frac{d}{dx}\left(\left(x^{2} + 1\right)\left(3x - 2\right)\right)$$

  2. Derivada del primero por el segundo, más el primero por la derivada del segundo:

    $$2x\left(3x - 2\right) + \left(x^{2} + 1\right) \cdot 3$$

  3. Distribuimos cada término.

    $$6x^{2} - 4x + 3x^{2} + 3$$

  4. Reducimos términos semejantes.

    $$9x^{2} - 4x + 3$$

  5. Comprobación. Multiplicamos primero: $(x^2 + 1)(3x - 2) = 3x^3 - 2x^2 + 3x - 2$.

    $$\frac{d}{dx}\left(3x^{3} - 2x^{2} + 3x - 2\right)$$

  6. Derivando término a término sale lo mismo. Fíjate que el producto de las derivadas, $2x \cdot 3 = 6x$, no se parece en nada.

    $$9x^{2} - 4x + 3$$

Respuesta: $9x^{2} - 4x + 3$

Ejemplo resuelto

La regla del cociente

Calcula $\frac{d}{dx}\left(\frac{2x + 1}{x - 3}\right)$.

Ver la solución paso a paso
  1. Arriba está $f = 2x + 1$, con $f' = 2$; abajo, $g = x - 3$, con $g' = 1$. La función existe para $x \neq 3$.

    $$\frac{d}{dx}\left(\frac{2x + 1}{x - 3}\right)$$

  2. Derivada de arriba por la de abajo, menos la de arriba por la derivada de la de abajo, sobre la de abajo al cuadrado:

    $$\frac{2 \cdot \left(x - 3\right) - \left(2x + 1\right) \cdot 1}{\left(x - 3\right)^{2}}$$

  3. Distribuimos en el numerador. El signo menos afecta a los dos términos de $2x + 1$.

    $$\frac{2x - 6 - 2x - 1}{\left(x - 3\right)^{2}}$$

  4. Los términos en $x$ se cancelan. Como el cuadrado del denominador es positivo, la derivada es negativa para todo $x \neq 3$: la función decrece a cada lado de $x = 3$, donde no está definida.

    $$-\frac{7}{\left(x - 3\right)^{2}}$$

Respuesta: $-\frac{7}{\left(x - 3\right)^{2}}$

Ejemplo resuelto

Simplificar antes de derivar

Calcula $\frac{d}{dx}\left(\frac{x^{3} - 4x}{x}\right)$ para $x \neq 0$ de dos maneras.

Ver la solución paso a paso
  1. Como el denominador es un monomio, dividimos cada término entre $x$.

    $$\frac{d}{dx}\left(\frac{x^{3} - 4x}{x}\right)$$

  2. La función es $x^2 - 4$ (para $x \neq 0$), y su derivada sale de inmediato:

    $$\frac{d}{dx}\left(x^{2} - 4\right)$$

  3. Un renglón.

    $$2x$$

  4. Ahora con la regla del cociente, sin simplificar:

    $$\frac{d}{dx}\left(\frac{x^{3} - 4x}{x}\right)$$

  5. Con $f = x^3 - 4x$, $f' = 3x^2 - 4$, $g = x$ y $g' = 1$:

    $$\frac{\left(3x^{2} - 4\right)x - \left(x^{3} - 4x\right) \cdot 1}{x^{2}}$$

  6. Distribuimos en el numerador.

    $$\frac{3x^{3} - 4x - x^{3} + 4x}{x^{2}}$$

  7. Reducimos.

    $$\frac{2x^{3}}{x^{2}}$$

  8. Y simplificamos. El mismo resultado, en cuatro pasos en vez de dos: simplificar primero era el camino corto.

    $$2x$$

Respuesta: $2x$

Práctica

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\left(x^{2} + 3\right)\left(2x - 1\right)$?

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\frac{x + 2}{x - 1}$, para x distinto de 1?

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\frac{1}{x^{2} + 4}$?

Si $f(x) =$ $\left(x^{2} + 1\right)\left(x^{3} - 2\right)$, ¿cuánto vale f′(1)?

Si $f(x) =$ $\frac{3x}{x + 2}$, ¿cuál es la pendiente de la tangente a la gráfica de f en x = 0? Escríbela como decimal.

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\frac{6x^{5} - 2x^{3}}{2x^{2}}$, para x distinto de 0? Conviene simplificar primero.

¿En qué valores de x es horizontal la recta tangente a $y =$ $\frac{x}{x^{2} + 9}$?

¿Verdadero o falso? $\frac{d}{dx}\left(x^{3} \cdot \left(x^{2} + 1\right)\right) = 3x^{2} \cdot 2x$

¿Verdadero o falso? Para x distinto de 0, $\frac{d}{dx}\left(\frac{x^{4} + x^{2}}{x^{2}}\right) = 2x$

Hay que derivar y = (x² + 5x)/(x² + 1). ¿Qué conviene hacer?

Reto

Une cada derivada con su resultado.

Toca una derivada por calcular y luego su resultado. Ojo: ninguna sale de multiplicar o dividir derivadas.

Reto

Abre el candado de las pendientes.

Cada respuesta es la pendiente de una tangente, y es una cifra del código.

Cierre

En resumen

  • La derivada de un producto no es el producto de las derivadas: x·x = x² tiene derivada 2x, no 1.

  • Regla del producto: (f·g)′ = f′·g + f·g′.

  • Regla del cociente: (f/g)′ = (f′·g − f·g′)/g², donde g ≠ 0; el orden de la resta importa.

  • Si el producto se multiplica fácil o el denominador es un monomio, conviene simplificar antes de derivar.

  • Derivar por dos caminos y comparar es una buena manera de revisar el resultado.

Vocabulario

Regla del producto

(f·g)′ = f′·g + f·g′: la derivada del primero por el segundo sin derivar, más el primero sin derivar por la derivada del segundo.

Regla del cociente

(f/g)′ = (f′·g − f·g′)/g², para los x en que g(x) ≠ 0.

Contraejemplo

Un caso concreto que muestra que una afirmación general es falsa.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Derivar (x³ − 1)(x + 4) por los dos caminos, (x − 5)/(x + 2), 3/(x² + 1) y (x⁴ − 2x)/x; hallar la pendiente de la tangente a y = x/(x + 1) en x = 1.