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Topos Uranos

Monotonía y criterio de la primera derivada

Resumen

Esta clase convierte el signo de la derivada en información sobre un intervalo entero. Con el teorema del valor medio de Lagrange demuestra que una función con derivada positiva en un intervalo es estrictamente creciente en él, y con derivada no negativa, creciente; recíprocamente, la derivada de una función creciente no es negativa, aunque la de una estrictamente creciente puede anularse, y la clase caracteriza cuándo ocurre. De ahí salen la invertibilidad de una función de derivada positiva, el nombre de los candidatos a extremos locales, los puntos críticos, y el criterio de la primera derivada, que decide si hay extremo por el cambio de signo de la derivada. El teorema de Darboux, demostrado con los de Weierstrass y Fermat, muestra que una derivada, aunque no sea continua, no salta valores: no tiene discontinuidades evitables ni de salto, y si no se anula en un intervalo, no cambia de signo en él. La clase termina con desigualdades que se demuestran comparando funciones por su derivada, y cumple lo que la unidad sobre las derivadas anunció varias veces sin poder demostrarlo.

Objetivos de aprendizaje

  1. Demostrar con el teorema del valor medio que el signo de la derivada en un intervalo decide la monotonía, y reconocer cuándo una función estrictamente creciente tiene derivada nula en algunos puntos.
  2. Hallar los puntos críticos de una función y decidir con el criterio de la primera derivada cuáles son extremos locales, incluidos los puntos sin derivada.
  3. Demostrar el teorema de Darboux y usarlo para mostrar que una función con un salto no es la derivada de ninguna función en un intervalo.
  4. Demostrar desigualdades entre funciones estudiando el signo de la derivada de su diferencia, y advertir cuándo ese argumento sería circular.

El signo de la derivada y la monotonía

La proposición del signo de la derivada en un punto, de la clase sobre las razones de cambio, compara cada valor cercano a aa con f(a)f(a), y nada más: la función x+2x2sin⁡1xx + 2x^2 \sin \frac{1}{x}, completada con 00 en 00, tiene derivada 11 en 00 y no es creciente en ningún intervalo que contenga a 00. Para obtener información sobre un intervalo entero hay que conocer el signo de la derivada en todos sus puntos, y el teorema del valor medio, de la clase sobre los teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange y Cauchy, traduce ese conocimiento en una comparación de valores. Recordemos que, según la clase sobre las operaciones con funciones, de Álgebra y Geometría I, una función ff es creciente en un conjunto II si x<yx < y implica f(x)≤f(y)f(x) \leq f(y) para todos sus puntos, y estrictamente creciente si implica f(x)<f(y)f(x) < f(y):

(∀x∈I)(∀y∈I)(x<y→f(x)≤f(y)),(∀x∈I)(∀y∈I)(x<y→f(x)<f(y))(\forall x \in I)(\forall y \in I)\left(x < y \rightarrow f(x) \leq f(y)\right), \qquad (\forall x \in I)(\forall y \in I)\left(x < y \rightarrow f(x) < f(y)\right)

y decreciente o estrictamente decreciente si implica f(x)≥f(y)f(x) \geq f(y) o f(x)>f(y)f(x) > f(y).

TeoremaMonotonía por el signo de la derivada

Sea ff continua en un intervalo II y derivable en cada punto interior de II.

  • Si f′(x)≥0f'(x) \geq 0 en cada punto interior xx de II, entonces ff es creciente en II; si f′(x)>0f'(x) > 0 en cada uno, es estrictamente creciente en II.
  • Si f′(x)≤0f'(x) \leq 0 en cada punto interior xx de II, entonces ff es decreciente en II; si f′(x)<0f'(x) < 0 en cada uno, es estrictamente decreciente en II.

Entre dos puntos cualesquiera, el teorema del valor medio da a la diferencia de los valores el signo de la derivada en un punto intermedio.

Demostración

  1. f(y)−f(x)=f′(c)(y−x),x<c<yf(y) - f(x) = \dato{c}{f'(c)}(y - x), \qquad x < c < y

    Sean x<yx < y dos puntos de II. Como II es un intervalo, contiene a [x,y]\icc{x}{y}, donde ff es continua, y los puntos de (x,y)\ioo{x}{y} son puntos interiores de II, donde ff es derivable. Por el teorema del valor medio de Lagrange, existe cc entre xx e yy tal que:

  2. f′(c)≥0→f(x)≤f(y),f′(c)>0→f(x)<f(y)f'(c) \geq 0 \rightarrow \resaltar{f(x) \leq f(y)}, \qquad f'(c) > 0 \rightarrow \resaltar{f(x) < f(y)}

    El factor y−xy - x es positivo, de modo que la diferencia tiene el signo de f′(c)f'(c): si f′(c)≥0f'(c) \geq 0, no es negativa, y si f′(c)>0f'(c) > 0, es positiva. Como xx e yy eran dos puntos cualesquiera de II con x<yx < y, la función es creciente, o estrictamente creciente.

  3. −f(x)≤−f(y)→f(x)≥f(y)-f(x) \leq -f(y) \rightarrow \resaltar{f(x) \geq f(y)}

    Si la derivada no es positiva, se aplica lo anterior a −f-f, que es continua en II y tiene derivada −f′(x)-f'(x) en cada punto interior, por el teorema de la derivada de una combinación lineal, de la clase sobre las reglas de derivación. Que −f-f sea creciente significa que ff es decreciente.

La derivada solo se pide en los puntos interiores; en los extremos que pertenecen al intervalo basta la continuidad. Así, x\sqrt{x} es estrictamente creciente en [0,∞)\ico{0}{\infty}, aunque no es derivable en 00. El teorema cumple tres anuncios de la unidad sobre las derivadas. La clase sobre las derivadas de las funciones elementales observó que la derivada de la tangente, 1+tan⁡2x1 + \tan^2 x, es positiva, aunque la tangente no es creciente en su dominio, que no es un intervalo; en cada intervalo (−π2+kπ,π2+kπ)\ioo{-\frac{\pi}{2} + k\pi}{\frac{\pi}{2} + k\pi}, con kk entero, el teorema la hace estrictamente creciente. La clase sobre la variable en el exponente calculó la derivada x1x⋅1−ln⁡xx2x^{\frac{1}{x}} \cdot \frac{1 - \ln x}{x^2}, que es positiva en (0,e)\ioo{0}{e} y negativa en (e,∞)\ioo{e}{\infty}; como la función es continua en (0,∞)\ioo{0}{\infty}, es estrictamente creciente en (0,e]\ioc{0}{e} y estrictamente decreciente en [e,∞)\ico{e}{\infty}. Esto recupera la proposición del máximo de xx elevado a 1x\frac{1}{x}, de aquella clase, y además compara dos números del mismo lado de ee: como e<3<4e < 3 < 4, se tiene 313>4143^{\frac{1}{3}} > 4^{\frac{1}{4}}, es decir, 34>433^4 > 4^3. La misma clase demostró que la derivada de (1+1x)x\left(1 + \frac{1}{x}\right)^x es positiva en todo x>0x > 0: la función es estrictamente creciente en (0,∞)\ioo{0}{\infty}.

ProposiciónEl signo de la derivada de una función monótona

Sea ff creciente en un intervalo II y derivable en un punto interior aa de II. Entonces f′(a)≥0f'(a) \geq 0. Si ff es decreciente, f′(a)≤0f'(a) \leq 0. Si la derivada fuera negativa, la proposición del signo de la derivada en un punto pondría a la derecha de aa valores menores que f(a)f(a).

Demostración

  1. x∈J, a<x<a+δ→f(x)<f(a)x \in J, \ a < x < a + \delta \rightarrow \dato{menor}{f(x) < f(a)}

    Sea r>0r > 0 tal que J=(a−r,a+r)J = \ioo{a - r}{a + r} esté contenido en II, y sea FF la restricción de ff a JJ; por el lema del carácter local de la derivada, de la clase sobre las reglas de derivación, FF es derivable en aa y F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a). Supongamos que f′(a)<0f'(a) < 0. Por la proposición del signo de la derivada en un punto, aplicada a FF en el intervalo abierto JJ, existe δ>0\delta > 0 tal que:

  2. f(a)≤f(a+ρ2)<f(a)→f′(a)≥0f(a) \leq f\left(a + \frac{\rho}{2}\right) < f(a) \qquad \rightarrow \qquad \resaltar{f'(a) \geq 0}

    Sea ρ\rho el menor de δ\delta y rr. El punto a+ρ2a + \frac{\rho}{2} está en JJ y es mayor que aa; como ff es creciente, su valor no es menor que f(a)f(a), en contradicción con el paso anterior. Por tanto, f′(a)≥0f'(a) \geq 0. Si ff es decreciente, −f-f es creciente, y −f′(a)≥0-f'(a) \geq 0.

Para una función derivable en todos los puntos de un intervalo abierto, ser creciente equivale, por tanto, a tener derivada no negativa. El recíproco no se extiende a la monotonía estricta: x3x^3 es estrictamente creciente en R\mathbb{R}, y su derivada se anula en 00. La proposición explica también el ejemplo del comienzo: la clase sobre las razones de cambio halló, arbitrariamente cerca de 00, puntos en que la derivada de x+2x2sin⁡1xx + 2x^2 \sin \frac{1}{x} es negativa, y en ningún intervalo que los contenga la función puede ser creciente. El defecto está en que esa derivada no es continua en 00; si lo es, el signo en un punto se extiende a un intervalo.

CorolarioDerivada positiva y continua en un punto

Sea ff derivable en cada punto de un intervalo abierto II, y sea aa un punto de II en que f′f' es continua, con f′(a)>0f'(a) > 0. Entonces existe un δ>0\delta > 0 tal que ff es estrictamente creciente en (a−δ,a+δ)\ioo{a - \delta}{a + \delta}. La derivada conserva su signo cerca de aa, y el teorema se aplica en el intervalo en que lo conserva.

Demostración

  1. ∣x−a∣<δ→f′(x)>0\abs{x - a} < \delta \rightarrow \resaltar{f'(x) > 0}

    Como f′f' es continua en aa, su límite en aa es f′(a)>0f'(a) > 0. Por la proposición de la acotación local y la conservación del signo, de la clase sobre el límite de una función, existe un δ>0\delta > 0, que se puede tomar tal que (a−δ,a+δ)\ioo{a - \delta}{a + \delta} esté contenido en II, con f′(x)>0f'(x) > 0 en ese intervalo. Allí ff es derivable, y por tanto continua; por el teorema, es estrictamente creciente.

¿Cuándo es estrictamente creciente una función de derivada no negativa? El ejemplo de x3x^3 muestra que la derivada puede anularse en algún punto; lo que no puede es anularse en todo un intervalo.

ProposiciónMonotonía estricta con derivada no negativa

Sea ff continua en un intervalo II y derivable en cada punto interior de II, con f′(x)≥0f'(x) \geq 0 en cada uno. Entonces ff es estrictamente creciente en II si y solo si no existe ningún intervalo (p,q)\ioo{p}{q}, con p<qp < q, contenido en II, en todos cuyos puntos f′f' se anule. En particular, si f′f' se anula solo en un número finito de puntos, ff es estrictamente creciente en II. Una función creciente que no es estrictamente creciente repite un valor, y entre los dos puntos en que lo repite es constante.

Demostración

  1. f′(x)=0,s<x<t→f(s)=f(t)f'(x) = 0, \quad s < x < t \qquad \rightarrow \qquad \resaltar{f(s) = f(t)}

    Supongamos que f′f' se anula en todos los puntos de un intervalo (p,q)\ioo{p}{q} contenido en II, y sean p<s<t<qp < s < t < q. En [s,t]\icc{s}{t}, la función es continua y tiene derivada nula en los puntos de (s,t)\ioo{s}{t}; por el corolario de la derivada nula en un intervalo, de la clase sobre los teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange y Cauchy, es constante en [s,t]\icc{s}{t}, y no es estrictamente creciente.

  2. s<x<t→f(s)≤f(x)≤f(t)=f(s)→f(x)=f(s)s < x < t \rightarrow f(s) \leq f(x) \leq f(t) = f(s) \rightarrow \dato{cte}{f(x) = f(s)}

    Recíprocamente, supongamos que ff no es estrictamente creciente. Por el teorema, es creciente, de modo que existen s<ts < t en II con f(s)=f(t)f(s) = f(t); todo valor intermedio queda encerrado entre dos valores iguales, y ff es constante en [s,t]\icc{s}{t}.

  3. s<x<t→f′(x)=0s < x < t \rightarrow \resaltar{f'(x) = 0}

    Sea xx de (s,t)\ioo{s}{t}. La restricción de ff a (s,t)\ioo{s}{t} es constante, con derivada nula en xx; por el lema del carácter local de la derivada, f′(x)=0f'(x) = 0. La derivada se anula en todo el intervalo (s,t)\ioo{s}{t}, contenido en II. Si f′f' se anula solo en un número finito de puntos, no hay tal intervalo, porque todo intervalo (p,q)\ioo{p}{q} con p<qp < q tiene infinitos puntos.

La función x+sin⁡xx + \sin x, del problema resuelto 1 de la clase sobre la derivada de la función inversa, tiene derivada 1+cos⁡x≥01 + \cos x \geq 0, que se anula en los infinitos puntos π+2kπ\pi + 2k\pi; entre dos de ellos consecutivos la derivada es positiva, y ningún intervalo está formado por ceros. La proposición la hace estrictamente creciente en R\mathbb{R}, lo que aquella clase obtuvo con la fórmula de la diferencia de dos senos y allí parecía sorprendente. El mismo razonamiento admite un número finito de puntos sin derivada: si ff es continua en II y tiene derivada positiva en todos sus puntos interiores salvo en x1<⋯<xkx_1 < \dots < x_k, el teorema la hace estrictamente creciente en cada intervalo entre dos de esos puntos consecutivos (y en los tramos de los extremos), y las desigualdades se encadenan. Así, x3\sqrt[3]{x} es estrictamente creciente en R\mathbb{R}, aunque no es derivable en 00. La continuidad no puede suprimirse (problema propuesto 1).

CorolarioDerivada positiva y función inversa

Sea ff continua en un intervalo II con más de un punto y derivable en cada punto interior de II, con f′(x)>0f'(x) > 0 en cada uno, o con f′(x)<0f'(x) < 0 en cada uno. Entonces ff es estrictamente monótona en II, su imagen J=f(I)J = f(I) es un intervalo y la inversa f−1 ⁣:J→If^{-1} \colon J \to I es continua; en cada punto b=f(a)b = f(a), con aa interior de II, la inversa es derivable, y (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \frac{1}{f'(a)}. El teorema da la monotonía estricta, que es la hipótesis del teorema de la derivada de la función inversa.

Demostración

  1. x<y→f(x)<f(y),J=f(I)x < y \rightarrow \resaltar{f(x) < f(y)}, \qquad J = f(I)

    Por el teorema, ff es estrictamente creciente, o estrictamente decreciente, en II. 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, JJ es un intervalo y f−1f^{-1} es continua en JJ.

  2. (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \resaltar{\frac{1}{f'(a)}}

    Si aa es interior, ff es derivable en aa con f′(a)≠0f'(a) \neq 0, y el teorema de la derivada de la función inversa, de la clase sobre la derivada de la función inversa, da la derivada de f−1f^{-1} en b=f(a)b = f(a).

Las evaluaciones de la unidad sobre las derivadas daban por sabido que x5+xx^5 + x y x3+2x+1x^3 + 2x + 1 son estrictamente crecientes en R\mathbb{R}; ahora basta observar que sus derivadas, 5x4+15x^4 + 1 y 3x2+23x^2 + 2, son positivas. Y el desafío de la inversa de xexx e^x, en la síntesis de aquella unidad, que pedía demostrar sin el signo de la derivada que esa función es estrictamente creciente en [−1,∞)\ico{-1}{\infty}, se resuelve ahora en una línea: es continua allí y su derivada, (1+x)ex(1 + x) e^x, es positiva en (−1,∞)\ioo{-1}{\infty}.