Resumen
Esta clase demuestra la regla de la cadena: si es derivable en y lo es en , la composición es derivable en , y su derivada es el producto . La demostración usa la caracterización de Carathéodory, que no divide por nada; la clase explica por qué el argumento que divide por no basta y en qué caso sí funciona. Con la regla se derivan en pocas líneas las composiciones de potencias, raíces, funciones racionales y trigonométricas, que con las reglas anteriores exigían desarrollos largos o no estaban al alcance. La clase cuida también el dominio de la composición, que la fórmula de la derivada no muestra, y presenta la regla en la notación de Leibniz, donde parece una simplificación de fracciones sin serlo.
Objetivos de aprendizaje
- Demostrar la regla de la cadena con la caracterización de Carathéodory, y explicar por qué la demostración que divide por falla cuando .
- Derivar composiciones de dos o más funciones conocidas, evaluando cada derivada en el punto que le corresponde.
- Determinar el dominio de una composición antes de derivarla, y reconocer que las hipótesis de la regla son suficientes, pero no necesarias.
- Escribir y leer la regla de la cadena en la notación de Leibniz.
La derivada de una composición
Con las reglas de la clase sobre las reglas de derivación y las derivadas de la clase sobre las funciones elementales se puede derivar , pero solo desarrollando la potencia en un polinomio de grado , o aplicando una y otra vez la regla del producto. Y no se puede derivar todavía ni : ninguna regla dice qué hacer con una función aplicada a otra. Ambas expresiones son composiciones: es la potencia evaluada en , y es el seno evaluado en .
Dos casos particulares ya se conocen. El problema resuelto 2 de la clase sobre las funciones elementales demostró que tiene en la derivada : la función interior es lineal, de pendiente , y la derivada de la exterior se evalúa en el punto , no en . Y el problema propuesto 4 de la clase sobre las reglas de derivación obtuvo, por inducción, que tiene en la derivada . En los dos casos la derivada es un producto: la derivada de la función exterior, evaluada en el valor de la interior, por la derivada de la interior. La idea es la de las razones de cambio: si cambia veces más rápido que , y cambia veces más rápido que , entonces cambia veces más rápido que .
Sean una función definida en , derivable en un punto de que es punto de acumulación de , y una función definida en un conjunto que contiene los valores de , derivable en . Entonces es derivable en , y
Se factorizan los dos incrementos con la caracterización de Carathéodory y se encadenan: el incremento de se evalúa en , y el de sustituye a . La figura muestra, con , y , la secante y la tangente de , las de en y, al final, las de , cuya pendiente en es el producto .
Demostración
Por el teorema de las caracterizaciones de la derivada, de la clase sobre la derivada como límite, existen , continua en con , y , continua en con , tales que:
Sea de . El número es de , y la segunda igualdad vale para él, sea o no igual a ; después, se reemplaza por la primera factorización.
Como es derivable en , es continua en , por el teorema de que derivable implica continua; y es continua en . Por el teorema de la composición de funciones continuas, de la clase sobre límite y continuidad, es continua en , y el factor lo es por la regla del producto de las operaciones con funciones continuas. Como es punto de acumulación de , que es el dominio de , la caracterización de Carathéodory da la derivada.
Si es derivable en todo y en todo , la regla vale en cada punto de acumulación de , y se escribe como una igualdad entre funciones: . La derivada de la función exterior se evalúa en , no en ; es el error más frecuente al aplicar la regla. La ventaja de la demostración está en el segundo paso: la factorización de vale también en , donde sus dos miembros son nulos, de modo que no importa si repite su valor cerca de .
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