Resumen
Esta clase demuestra que la inversa de una función continua y estrictamente monótona en un intervalo es derivable en cada punto en que la función tiene derivada no nula, y que su derivada es el recíproco de la derivada de la función, evaluada en el punto que le corresponde: al reflejar el gráfico respecto de la recta , una tangente de pendiente se convierte en una de pendiente . La demostración usa la continuidad de la inversa, de la clase sobre el teorema del valor intermedio, y la caracterización de Carathéodory; donde la derivada de la función se anula, la inversa no es derivable. Con el teorema se derivan el arcoseno, el arcocoseno, la arcotangente, las inversas de las funciones hiperbólicas, las raíces y las potencias de exponente racional. La segunda parte de la clase deriva funciones definidas por una ecuación, como las ramas de una circunferencia o de la hoja de Descartes, suponiendo que la función existe y es derivable, y muestra qué ocurre cuando esa suposición falla.
Objetivos de aprendizaje
- Demostrar el teorema de la derivada de la función inversa, y explicar por qué la inversa no es derivable donde la derivada de la función se anula.
- Derivar las funciones trigonométricas inversas, las inversas de las hiperbólicas, las raíces y las potencias de exponente racional, con el conjunto en que cada derivada existe.
- Derivar implícitamente una función definida por una ecuación, suponiendo que existe y es derivable, y hallar así las tangentes a curvas que no son gráficos de funciones.
- Reconocer cuándo la derivación implícita no decide nada: ecuaciones que no definen ninguna función derivable y puntos en que el coeficiente de la derivada se anula.
La derivada de la función inversa
El gráfico de la inversa de una función inyectiva es el reflejo del gráfico de la función respecto de la recta : el punto del primero se convierte en el punto del segundo. La reflexión intercambia el incremento horizontal y el vertical, de modo que una secante de pendiente se convierte en una secante de pendiente , y cabe esperar lo mismo de las tangentes. La clase sobre las derivadas de las funciones elementales lo observó en un caso: las tangentes a los gráficos de y de en puntos simétricos respecto de la recta tienen pendientes recíprocas, y .
Un cálculo rápido sugiere la fórmula general. Si fuera derivable, al derivar la igualdad con la regla de la cadena se obtendría , y bastaría dividir. Pero ese cálculo supone lo que hay que demostrar, que la inversa es derivable, y no dice qué ocurre si . El caso existe: es derivable en , con derivada nula, y su inversa, la raíz cúbica, no es derivable en , por la proposición de la continuidad sin derivada, de la clase sobre la derivada como límite. El teorema siguiente demuestra la derivabilidad sin suponerla, con la caracterización de Carathéodory, que permite despejar el incremento de la inversa sin dividir por ningún incremento.
Sea una función continua y estrictamente monótona en un intervalo con más de un punto, y sea . Si es derivable en un punto de y , entonces la inversa es derivable en , y
La factorización de Carathéodory de en se lee al revés: la función no se anula, y su recíproco, evaluado en , factoriza el incremento de la inversa. La figura muestra, con y , una secante y la tangente de , y después sus reflejos, que son una secante y la tangente de la raíz cúbica.
Demostración
Como es un intervalo con más de un punto, todos sus puntos son de acumulación de . Por el teorema de las caracterizaciones de la derivada, de la clase sobre la derivada como límite, existe , continua en , con , tal que:
La función no se anula en ningún punto de . En vale , que no es cero; si , la monotonía estricta da , y es el cociente incremental, que tampoco es cero.
Sea de , y sea , de modo que y . Se divide la factorización por , que no es cero: el incremento de la inversa queda factorizado, y no se ha dividido por ningún incremento.
Por los corolarios de la imagen de un intervalo y de la continuidad de la inversa, de la clase sobre el teorema del valor intermedio, es un intervalo, con más de un punto porque es inyectiva, y es continua en . Como es continua en , por los teoremas de la composición de funciones continuas y de las operaciones con funciones continuas, de la clase sobre límite y continuidad, el factor es continuo en . Como es punto de acumulación de , la caracterización de Carathéodory da la derivada.
La continuidad de en todo se pide para que la inversa sea continua en , que es lo que permite pasar al límite en el último paso. Si es derivable en todo y su derivada no se anula, la inversa es derivable en todo , y la igualdad se escribe entre funciones: . La derivada de se evalúa en , no en . En la notación de Leibniz, si y , el teorema dice que , con la derivada del denominador evaluada en . Como en la regla de la cadena, la fórmula parece una regla de las fracciones y no lo es. Una vez demostrada la derivabilidad, el cálculo rápido del comienzo, que deriva con la regla de la cadena, es una manera legítima de recordar la fórmula.
Sea una función continua y estrictamente monótona en un intervalo con más de un punto. Si es derivable en un punto de y , entonces no es derivable en . Si lo fuera, la regla de la cadena, aplicada a la identidad , daría .
Demostración
Supongamos que es derivable en . La función está definida en y es derivable en , que es punto de acumulación de , y sus valores están en , donde está definida . Por la regla de la cadena, de la clase sobre la regla de la cadena:
Pero es la identidad de , cuya derivada en todo punto es , como se vio en la clase sobre la derivada como límite. La contradicción muestra que no es derivable en .
Se puede decir más. Si , el tercer paso de la demostración del teorema solo usa que no se anula fuera de , y vale aunque : el cociente incremental de la inversa es , y el denominador tiende a , por la continuidad de la composición. Si es creciente, el denominador es positivo, y el cociente tiende a ; si es decreciente, tiende a . El gráfico de la inversa tiene en una tangente vertical, reflejo de la tangente horizontal de en , como la raíz cúbica en el origen.
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