Matemáticas 11.º

La regla de la cadena

50 min · DBA 8

Lo que vas a aprender
  • Reconocer en una función la función de afuera y la de adentro.
  • Derivar potencias de la forma (ax + b)ⁿ y [g(x)]ⁿ, y raíces √(g(x)), con la regla de la cadena.
  • Combinar la regla de la cadena con las reglas del producto y del cociente.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Imagina tres engranajes en fila: el A mueve al B y el B mueve al C. Cada vuelta de A hace girar varias veces a B, y cada vuelta de B hace girar varias veces a C. Si quieres saber cuántas vueltas da C por cada vuelta de A, multiplicas las dos razones: la de A a B y la de B a C. Cuando una cantidad depende de otra que a su vez depende de una tercera, las razones de cambio se multiplican.

En matemáticas eso pasa con las funciones compuestas. $(3x - 5)^4$ es «elevar a la cuarta» aplicado a «$3x - 5$»; $\sqrt{x^2 + 9}$ es «sacar raíz» aplicado a «$x^2 + 9$». Podrías desarrollar la potencia, pero $(3x - 5)^4$ tiene cinco términos y una raíz no se desarrolla. La regla de la cadena deriva estas funciones sin abrirlas.

Antes de empezar necesitas la regla de la potencia, las reglas del producto y del cociente, y saber qué es la composición $f(g(x))$.

Explicación

Afuera y adentro

En una composición $f(g(x))$ hay dos funciones: la de adentro, $g$, que se aplica primero a $x$, y la de afuera, $f$, que se aplica al resultado. Para encontrarlas, pregúntate qué harías último si calcularas con una calculadora. En $(3x - 5)^4$ primero calculas $3x - 5$ y al final elevas a la cuarta: la de adentro es $u = 3x - 5$ y la de afuera es $u^4$. En $\sqrt{x^2 + 9}$ la de adentro es $u = x^2 + 9$ y la de afuera es $\sqrt{u}$.

La regla

Si $y = f(u)$ y $u = g(x)$, entonces

$$\frac{d}{dx}\,f(g(x)) = f'(g(x)) \cdot g'(x).$$

En palabras: la derivada de la de afuera, evaluada en la de adentro sin tocarla, por la derivada de la de adentro. Con la notación de Leibniz se parece al ejemplo de los engranajes:

$$\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}.$$

Si $y$ cambia 3 veces más rápido que $u$, y $u$ cambia 2 veces más rápido que $x$, entonces $y$ cambia 6 veces más rápido que $x$.

Potencias de una función

El caso más frecuente es una potencia de algo que no es solo $x$. La regla de la potencia y la de la cadena juntas dan

$$\frac{d}{dx}\big(g(x)\big)^n = n\,\big(g(x)\big)^{n-1} \cdot g'(x).$$

Cuando la de adentro es lineal, $g(x) = ax + b$, su derivada es el número $a$:

$$\frac{d}{dx}(ax + b)^n = n\,a\,(ax + b)^{n-1}.$$

El paréntesis se copia tal cual, con el exponente rebajado en uno; no se deriva por dentro. La derivada de lo de adentro aparece aparte, multiplicando.

Raíces de una función

Como $\sqrt{u} = u^{1/2}$, su derivada es $\dfrac{1}{2\sqrt{u}}$. Con la cadena:

$$\frac{d}{dx}\sqrt{g(x)} = \frac{g'(x)}{2\sqrt{g(x)}}.$$

La fórmula vale donde $g(x) > 0$. Donde $g(x) = 0$ el denominador se anula y la fórmula no sirve; si además $g'(x) \neq 0$, la tangente es vertical. Donde $g(x) < 0$ la raíz ni siquiera existe en los reales.

El error más común

Olvidar la derivada de adentro. Quien deriva $(2x + 1)^2$ como $2(2x + 1)$ está tratando a $2x + 1$ como si fuera $x$. El primer ejemplo lo desmiente desarrollando el cuadrado: falta un factor 2, justo la derivada de $2x + 1$. La señal de alarma es sencilla: si la de adentro no es $x$ sola, en la respuesta tiene que aparecer su derivada.

El error contrario también ocurre: derivar el paréntesis por dentro y dejar el exponente igual. En $(x^2 + 1)^3$ eso daría $(2x)^3$, que no tiene nada que ver con la derivada.

Con producto y cociente

La regla de la cadena se usa dentro de las otras. En $x\,(2x + 1)^3$ manda el producto, y cuando toca derivar el segundo factor se usa la cadena. Al final conviene sacar factor común a la potencia que se repite, como en el último ejemplo: la respuesta queda factorizada y es más fácil ver dónde vale cero.

Ejemplo resuelto

Por qué hace falta la derivada de adentro

Calcula $\frac{d}{dx}\left(\left(2x + 1\right)^{2}\right)$ con la regla de la cadena y compruébalo desarrollando el cuadrado.

Ver la solución paso a paso
  1. Afuera está $u^2$; adentro, $u = 2x + 1$, cuya derivada es 2.

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

  2. El exponente baja, el paréntesis se copia con exponente 1 y se multiplica por la derivada de adentro:

    $$2 \cdot \left(2x + 1\right) \cdot 2$$

  3. Multiplicamos.

    $$8x + 4$$

  4. Comprobación. Desarrollamos primero: $(2x + 1)^2 = 4x^2 + 4x + 1$.

    $$\frac{d}{dx}\left(4x^{2} + 4x + 1\right)$$

  5. Sale lo mismo. Sin el factor 2 de adentro habríamos obtenido $4x + 2$, la mitad.

    $$8x + 4$$

Respuesta: $8x + 4$

Ejemplo resuelto

Una potencia de una expresión lineal

Calcula $\frac{d}{dx}\left(\left(3x - 5\right)^{4}\right)$.

Ver la solución paso a paso
  1. Afuera, $u^4$; adentro, $u = 3x - 5$, con derivada 3.

    $$\frac{d}{dx}\left(\left(3x - 5\right)^{4}\right)$$

  2. Bajamos el 4, copiamos el paréntesis con exponente 3 y multiplicamos por la derivada de adentro:

    $$4 \cdot \left(3x - 5\right)^{3} \cdot 3$$

  3. Desarrollar $(3x - 5)^4$ habría tomado cinco términos; así es una línea.

    $$12 \cdot \left(3x - 5\right)^{3}$$

Respuesta: $12 \cdot \left(3x - 5\right)^{3}$

Ejemplo resuelto

La raíz de una función y su pendiente

Calcula $\frac{d}{dx}\left(\sqrt{x^{2} + 9}\right)$ y la pendiente de la tangente en $x = 4$.

Ver la solución paso a paso
  1. Afuera, $\sqrt{u}$; adentro, $u = x^2 + 9$, con derivada $2x$. Como $x^2 + 9 > 0$ siempre, la fórmula vale para todo $x$.

    $$\frac{d}{dx}\left(\sqrt{x^{2} + 9}\right)$$

  2. La derivada de adentro va arriba, y abajo el doble de la raíz:

    $$\frac{2x}{2\sqrt{x^{2} + 9}}$$

  3. Simplificamos el 2.

    $$\frac{x}{\sqrt{x^{2} + 9}}$$

  4. La pendiente en $x = 4$ es el valor de la derivada allí:

    $$\frac{4}{\sqrt{4^{2} + 9}}$$

  5. Porque $\sqrt{16 + 9} = 5$. La pendiente es $0{,}8$.

    $$\frac{4}{5}$$

Respuesta: $\frac{4}{5}$

Ejemplo resuelto

Cadena dentro de un producto

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

Ver la solución paso a paso
  1. Manda el producto: $f = x$ y $g = (2x + 1)^3$. Con la cadena, $g' = 3(2x + 1)^2 \cdot 2$.

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

  2. Regla del producto, $f' \cdot g + f \cdot g'$:

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

  3. Ordenamos los coeficientes.

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

  4. Sacamos factor común $(2x + 1)^2$: queda $(2x + 1) + 6x = 8x + 1$ dentro del corchete.

    $$\left(2x + 1\right)^{2} \cdot \left(8x + 1\right)$$

Respuesta: $\left(2x + 1\right)^{2} \cdot \left(8x + 1\right)$

Práctica

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\left(5x + 2\right)^{3}$?

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\left(x^{2} - 3x\right)^{5}$?

¿Cuál es la derivada de $y =$ $\sqrt{4x + 1}$, donde la raíz es positiva?

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

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

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

Si $f(x) =$ $\sqrt{x^{2} + 16}$, ¿cuál es la pendiente de la tangente en x = 3? Escríbela como decimal.

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

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

¿Verdadero o falso? $\frac{d}{dx}\left(\left(x^{2} + 1\right)^{2}\right) = 4x^{3} + 4x$

En y = (x² + 4)⁵, ¿cuál es la función de adentro y cuál la de afuera?

Reto

Une cada derivada con su resultado.

Toca una derivada por calcular y luego su resultado. En cada una, busca la derivada de adentro.

Reto

Completa la regla de la cadena.

Elige el número que va en cada hueco.

Cierre

En resumen

  • En f(g(x)), la función de adentro es la que se calcula primero y la de afuera la que se aplica al final.

  • Regla de la cadena: la derivada de f(g(x)) es f′(g(x))·g′(x).

  • Para potencias: la derivada de (g(x))ⁿ es n(g(x))ⁿ⁻¹·g′(x); el paréntesis se copia y su derivada multiplica aparte.

  • Para raíces: la derivada de √(g(x)) es g′(x)/(2√(g(x))), donde g(x) > 0.

  • Dentro de un producto o un cociente, la cadena se usa al derivar cada factor; al final conviene sacar factor común.

Vocabulario

Composición

Función que resulta de aplicar una función al resultado de otra: f(g(x)).

Función de adentro

En f(g(x)), la función g, que se aplica primero a x.

Función de afuera

En f(g(x)), la función f, que se aplica al resultado de g.

Regla de la cadena

La derivada de f(g(x)) es f′(g(x))·g′(x): la derivada de la de afuera, evaluada en la de adentro, por la derivada de la de adentro.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Derivar (6x + 1)⁴, (x³ − 2x)², √(9 − x²) indicando dónde vale la fórmula, 1/(x + 3)⁵ y x²√(x + 1); hallar la pendiente de la tangente a y = √(2x + 7) en x = 1.