Cálculo diferencial 1

Cálculo diferencialEl Cálculo Diferencial, es una parte importante del análisis matemático y dentro del mismo del cálculoinfinitesimal. Consiste en el estudio del cambio de las variables dependientes cuando cambian las variablesindependientes de las funciones o campos objetos del análisis. El principal objeto de estudio en el cálculo diferenciales la derivada. Una noción estrechamente relacionada es la de diferencial.En el estudio del cambio de una función cuando cambian sus variables independientes es de especial interés para elcálculo diferencial el caso en el que el cambio de las variables es infinitesimal, esto es, cuando dicho cambio tiende acero (se hace tan pequeño como se desee). Y es que el cálculo diferencial se apoya constantemente en el conceptobásico del límite. El paso al límite es la principal herramienta que permite desarrollar la teoría del cálculo diferencialy la que lo diferencia claramente del álgebra.Desde el punto de vista matemático de las funciones y la geometría, la derivada de una función en un cierto punto esuna medida de la tasa en la cual una función cambia conforme un argumento se modifica. Esto es, una derivadainvolucra, en términos matemáticos, una tasa de cambio. Una derivada es el cálculo de las pendientes instantáneasde en cada punto . Esto se corresponde a las pendientes de las tangentes de la gráfica de dicha función ensus puntos (una tangente por punto); Las derivadas pueden ser utilizadas para conocer la concavidad de una función,sus intervalos de crecimiento, sus máximos y mínimos.La inversa de una derivada se llama primitiva, antiderivada o integral indefinida.

Diferenciación y diferenciabilidadLa Diferenciación puede ser usada para determinar el cambio que se produce como resultado de otro cambio, si estádeterminada una relación matemática entre dos objetos.Una función es diferenciable en un punto si su derivada existe en ese punto; una función es diferenciable en unintervalo si lo es en cada punto perteneciente al intervalo. Si una función no es continua en c, entonces no puedeser diferenciable en c; sin embargo, aunque una función sea continua en c, puede no ser diferenciable. Es decir, todafunción diferenciable en un punto C es continua en C, pero no toda función continua en C es diferenciable en C(como f(x) = |x| es continua pero no diferenciable en x = 0).

Definición de Derivada

Las derivadas se definen tomando el límite de la pendiente de las rectassecantes conforme se van aproximando a la recta tangente.

Es difícil hallar directamente la pendiente de la recta tangente de unafunción porque sólo conocemos un punto de ésta, el punto donde ha deser tangente a la función. Por ello, aproximaremos la recta tangente porrectas secantes. Cuando tomemos el límite de las pendientes de lassecantes próximas, obtendremos la pendiente de la recta tangente.

Para obtener estas pendientes, tomemos un número arbitrariamentepequeño que llamaremos h. h representa una pequeña variación en x, ypuede ser tanto positivo como negativo. La pendiente de la recta entrelos puntos y es

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Esta expresión es un Cociente Diferencial de Newton. La derivada de f en x es el límite del valor del cocientediferencial conforme las líneas secantes se acercan más a la tangente:

Si la derivada de f existe en cada punto x, podemos definir la derivada de f como la función cuyo valor en el punto xes la derivada de f en x.Puesto que la inmediata sustitución de h por 0 da como resultado una división por cero, calcular la derivadadirectamente puede ser poco intuitivo. Una técnica es simplificar el numerador de modo que la h del denominadorpueda ser cancelada. Esto resulta muy sencillo con funciones polinómicas, pero para la mayoría de las funcionesresulta demasiado complicado. Afortunadamente, hay reglas generales que facilitan la diferenciación de la mayoríade las funciones descritas; ver abajo.Algunos ejemplos de cómo utilizar este cociente:

Ejemplo 1Consideremos la siguiente función:

Entonces:

Esta función es constante, para cualquier punto de su dominio vale 5 (por eso f(x+h)=5). Nótese el último paso,donde h tiende a cero pero nunca lo alcanza. Si pensamos un poco, observaremos que la derivada además de ser lapendiente de la recta tangente a la curva, es a la vez, la recta secante a la misma curva.

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Ejemplo 2

Consideremos la gráfiica de . Esta recta tiene una pendiente igual a 2.0 en cada punto. Utilizandoel cociente mostrado arriba (junto a los conceptos de límite, secante, y tangente) podremos determinar laspendiientes en los puntos 4 y 5:

Entonces:

Y vemos que se cumple para cualquier número n:

Por tanto, se deduce que el valor de la función derivada de una recta es igual a la pendiente de la misma.

Ejemplo 3

Mediante esta diferenciación, se puede calcular la pendiente de una curva. Consideremos que: Entonces:

Para cualquier punto x, la pendiente de la función es .El Cociente Diferencial Alternativo

La derivada de f(x) (tal como la definió Newton) se describió como el límite, conforme h se aproxima a cero. Unaexplicación alternativa de la derivada puede ser interpretada a partir del cociente de Newton. Si se utiliza la fórmulaanterior, la derivada en c es igual al límite conforme h se aproxima a cero de [f(c + h) - f(c)] / h. Si se deja que h = x -c (por ende c + h = x), entonces x se aproxima a c (conforme h tiende a cero). Así, la derivada es igual al límiteconforme x se aproxima a c, de [f(x) - f(c)] / (x - c). Esta definición se utiliza para una demostración parcial de laregla de la cadena.

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Notaciones para la diferenciaciónLa derivada de una función puede a su vez ser diferenciable, hablándose entonces de segunda derivada de lafunción como la derivada de la derivada de ésta. Análogamente, la derivada de la segunda derivada recibe el nombrede tercera derivada, y así sucesivamente.

A partir de la segunda derivada : hasta la enésima derivada : reciben el nombre de Derivada deOrden Superior.La notación más simple para la diferenciación que se utiliza en la actualidad se debe a Lagrange y utiliza unapóstrofo o comilla: ′. De esta manera se expresan las derivadas de la función en el punto , seescribe:

para la primera derivada,para la segunda derivada,para la tercera derivada, y luego de forma general,para la n-ésima derivada (donde normalmente se da que n > 3).

Para la función cuyo valor en cada es la derivada de , se escribe . De forma similar, para la segundaderivada de se escribe , y así sucesivamente.La otra notación común para la diferenciación se debe a Leibniz. Para la función cuyo valor en es la derivada de

en , se escribe:

Se puede escribir la derivada de f en el punto a de dos formas distintas:

Si la resultante de f(x) es otra variable, por ejemplo, si y=f(x), se puede escribir la derivada como:

Las derivadas de orden superior se expresan así

o

para la n-ésima derivada de f(x) o y respectivamente. Históricamente, esto proviene del hecho de que, por ejemplo, latercera derivada es:

que se puede escribir sin mucho rigor como:

Eliminando las llaves nos da la notación que está arriba.La notación de Leibniz es tan versátil que permite especificar la variable que se utilizará para la diferenciación (en eldenominador). Esto es específicamente relevante para la diferenciación parcial. Y también hace más fácil de recordarla regla de la cadena, debido a que los términos "d" se cancelan simbólicamente:

.

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Sin embargo, es importante recordar que los términos "d" no se pueden cancelar literalmente, debido a que son unoperador diferencial. Sólo se utilizan cuando se usan en conjunto para expresar una derivada.La notación de Newton para la diferenciación consiste en poner un punto sobre el nombre de la función:

y así sucesivamente.La notación de Newton se utiliza principalmente en la mecánica, normalmente para las derivadas con respecto altiempo tales como la velocidad y la aceleración y en la teoría de ecuaciones diferenciales ordinarias. Normalmentesólo se utilizan para la primera y segunda derivadas.Otra notación consiste en colocar una letra 'D' mayúscula para indicar la operación de diferenciación con unsubíndice que indica la variable sobre la que se derivará:

,que es equivalente a la expresión:

En ese contexto se considera a la diferenciación como una operación sobre funciones, de modo que los símbolos

y son llamados operadores diferenciales.

Aplicaciones importantes del cálculo diferencial

Recta tangente a una función en un puntoLa recta tangente a una función f(x) es como se ha visto el límite de las rectas secantes cuando uno de los puntos decorte de la secante con la función se hace tender hacia el otro punto de corte. También puede definirse a la rectatangente como la mejor aproximación lineal a la función en su punto de tangencia, esto es, la recta tangente es lafunción polinómica de primer grado que mejor aproxima a la función localmente en el punto de tangencia queconsideremos.Si conocemos la ecuación de la recta tangente ta(x) a la función f(x) en el punto "a" podemos tomar ta(x) como unaaproximación razonablemente buena de f(x) en las proximidades del punto "a". Esto quiere decir que si tomamos unpunto "a + h" y lo evaluamos tanto en la función como en la recta tangente, la diferencia será despreciable frente a "h" en valor absoluto si "h" tiende a cero. Cuanto más cerca estemos del punto "a" tantomás precisa será nuestra aproximación de f(x).Para una función f(x) derivable localmente en el punto "a", la recta tangente a f(x) por el punto "a" es:ta(x)= f(a) + f '(a)(x-a)

Uso de las derivadas para realizar gráficos de funcionesLas derivadas son una útil herramienta para examinar las gráficas de funciones. En particular, los puntos en elinterior de un dominio de una función de valores reales que llevan a dicha función a un extremo local tendrán unaprimera derivada de cero. Sin embargo, no todos los puntos críticos son extremos locales. Por ejemplo, f(x)=x³ tieneun punto crítico en x=0, pero en ese punto no hay un máximo ni un mínimo. La prueba de la primera derivada y laprueba de la segunda derivada permiten determinar si los puntos críticos son máximos, mínimos o ninguno.En el caso de dominios multidimensionales, la función tendrá una derivada parcial de cero con respecto a cada dimensión en un extremo local. En este caso, la prueba de la segunda derivada se puede seguir utilizando para caracterizar a los puntos críticos, considerando el eigenvalor de la matriz Hessiana de las segundas derivadas

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parciales de la función en el punto crítico. Si todos los eigenvalores son positivos, entonces el punto es un mínimolocal; si todos son negativos es un máximo local. Si hay algunos eigenvalores positivos y algunos negativos,entonces el punto crítico es un punto silla, y si no se cumple ninguno de estos casos, la prueba es no concluyente(e.g., los engeivalores son 0 y 3).Una vez que se encuentran los extremos locales, es mucho más fácil hacerse de una burda idea de la gráfica generalde la función, ya que (en el caso del dominio mono dimensional) se incrementará o decrementará uniformementeexcepto en los puntos críticos, y por ello (suponiendo su continuidad) tendrá valores intermedios entre los valores enlos puntos críticos de cada lado.

Aproximación local de TaylorHemos visto que podemos aproximar mediante su recta tangente a una función derivable localmente en un punto. Sise cumple que la función es suficientemente suave en el punto o dominio de estudio (esto es, la función es de clase

) cabe la posibilidad de intentar aproximar a la función no por polinomios de grado uno, sino por polinomiosde grado dos, tres, cuatro y sucesivamente. Esta aproximación recibe el nombre de "desarrollo polinómico deTaylor" y se define de la siguiente manera:

Donde P(x) es el polinomio de grado n que mejor aproxima a la función en el punto x=a. Nótese que si evaluamosP(x) en x=a todos los términos salvo el f(a) se anulan, luego P(a) = f(a). Nótese también que la ecuación de la rectatangente del apartado anterior corresponde al caso en el que n=1.El polinomio de Taylor es un polinomio "osculador". De entre todos los polinomios de orden no mayor que "n" yque pasan por f(a) el desarrollo polinómico de Taylor de f(x) en x=a es el que posee el contacto de mayor orden conf(x)en "a". Se basa en la idea de que si dos funciones comparten en x=a el mismo valor, la misma primera derivada,la misma segunda derivada etc, la misma i-ésima derivada, (lo que brevemente se expresa diciendo que las dosfunciones tienen un contacto de orden "i") entonces dichas funciones serán muy parecidas cerca de x=a, queriendodecir por parecidas que podemos aproximar a una de las dos por la otra cometiendo un error despreciable.Cuando a=0 el desarrollo se denomina "desarrollo de MacLaurin". En la práctica la mayoría de las veces se empleandesarrollos de MacLaurin. Ejemplos de desarrollos importantes de MacLaurin son:

Nótese el símbolo que denota aproximación que no igualdad. Si la función a aproximar es infinitamente derivabley agregamos infinitos términos al desarrollo entonces el se convierte en un .Este último paso de agregar infinitos términos no se puede tomar a la ligera. Hemos dicho que la aproximación degrado uno, dos, tres etc es una aproximación local en el punto en que se evalúa la función, esto es, si nos alejamosmucho del punto la aproximación dejará de ser precisa. Cuantos más términos agreguemos al desarrollo en serie deTaylor tanto más precisa será nuestra aproximación si estamos en un entorno del punto. Podríamos pensar pues queal añadir infinitos términos podemos evaluar la función aproximada en cualquier punto de su dominio de definicióncon precisión absoluta. Esto no siempre es cierto, pues dependerá del carácter de la serie de Taylor en el punto enque la evaluamos.El estudio del carácter de una serie es un problema frecuentemente complejo. Se trata de definir los valores para loscuales la serie es convergente, esto es, determinar el radio de convergencia de la misma. Dentro del intervalo de

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convergencia de la serie sí que podemos tomar infinitos términos y admitir que la serie nos da el valor "exacto" de lafunción en el punto. Sin embargo, fuera del intervalo de convergencia la serie no proporcionará el valor exacto de lafunción aunque agreguemos infinitos términos.Los desarrollos en serie de Taylor presentan grandes ventajas a la hora de operar funciones cuyas ecuacionesinvolucran expresiones complicadas tales como funciones trascendentes (senos, logaritmos, etc). Sin embargotambién presentan ciertos inconvenientes. Un inconveniente importante es que el número de términos necesariospara aproximar con precisión razonable a la función en un punto alejado del evaluado (pero siempre dentro delintervalo de convergencia de la serie) se dispara al infinito. Otro inconveniente es que la expresión polinómica de lafunción puede hacer difícil detectar sus propiedades elementales, por ejemplo, no es obvio deducir del desarrollo delseno que se trata de una función periódica.Conociendo el desarrollo en serie de una función f(x) en x=a es inmediato obtener sus derivadas sucesivas

etc . Según se desprende de la definición, sin más que multiplicar el i-ésimo coeficiente(correspondiente al término de grado i) por obtenemos la derivada i-ésima en el punto "a" de la función.Asimismo calcular una integral definida sobre un intervalo perteneciente a un entorno del punto "a" es tambiéninmediato, pues la función primitiva se obtiene fácilmente integrando cada término del desarrollo. Si bien cabeseñalar que dicha integral no será exacta, sino aproximada, y será tanto más precisa cuanto más pequeño sea elintervalo de integración y cuanto más centrado esté dicho intervalo en el punto x=a.Los desarrollos en serie son una potente herramienta en el cálculo de límites. Un límite aparentemente complejopuede convertirse en trivial sin más que sustituir cada función por su desarrollo en serie y realizar las operacionescorrespondientes de simplificación.

FísicaEs posible que la aplicación más importante del cálculo en la física sea el concepto de "derivada temporal" -- latasa de cambio en el tiempo -- que se requiere para la definición precisa de varios conceptos importantes. Enparticular, las derivadas con respecto al tiempo de la posición de un objeto son significativas en la física Newtoniana:• La velocidad (velocidad instantánea; el concepto de la velocidad promedio que prevalece en el cálculo) es la

derivada, con respecto al tiempo, de la posición de un objeto.

• La aceleración es la derivada, con respecto al tiempo, de la velocidad de un objeto.

• La Sobreaceleración o el tirón es la derivada, con respecto al tiempo, de la aceleración de un objeto.

Por ejemplo, si la posición de un objeto está determinada por la ecuación:

entonces la velocidad del objeto es:

La aceleración del objeto es:

y el tirón del objeto es:

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Si la velocidad de un objeto está dada como una función del tiempo, entonces la derivada de dicha función conrespecto al tiempo, describe la aceleración del objeto como una función del tiempo.

Puntos singularesSe denominan puntos singulares ó estacionarios a los valores de la variable en los que se anula la derivada f'(x) deuna función f(x), es decir, si f ´(x)=0 en x1, x2, x3, . . . , xn, entonces x1, x2, x3, . . . , xn son puntos singulares def(x). Los valores f(x1), f(x2), f(x3), . . . , f(xn), se llaman valores singulares.

Puntos críticosPor punto crítico se entiende: un punto singular, un punto donde no exista la derivada o un punto extremo a ó b deldominio [a,b] de definición de la función.Si la segunda derivada es positiva en un punto crítico, se dice que el punto es un mínimo local; si es negativa, se diceque el punto es un máximo local; si vale cero, puede ser tanto un mínimo, como un máximo o un punto de inflexión.Derivar y resolver en los puntos críticos es a menudo una forma simple de encontrar máximos y mínimos locales,que pueden ser empleados en optimización. Aunque nunca hay que despreciar los extremos en dichos problemas

Teoremas para el cálculo de la derivadaLa definición de la derivada en términos de límites se emplea para demostrar las reglas de diferenciación. Dichasreglas sirven para calcular la derivada de una función a través de una manipulación algebraica en vez de recurrir a laaplicación directa del cociente diferencial de Newton.• Regla de la constante: La derivada de cualquier constante es cero.• Regla de la multiplicación por una constante:

Si c es cualquier número real, entonces la derivada de es igual a c multiplicado por la derivada de f(x).Esto es una consecuencia de la linealidad, que se verá más adelante.

• Linealidad:

para todas las funciones f y g y todos los números reales a y b.• Regla general de la potencia (Regla del polinomio):

Si , para todo r real,entonces

• Regla del producto:

para todas las funciones f y g.• Regla del cociente:

si g es diferente de cero.

• regla de la cadena:

Si ,entonces .

• Funciones inversas y diferenciación:

Si ,entonces ,y si y su inversa son diferenciables,

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entonces para los casos en que y cuando ,

• Derivada de una variable con respecto a otra cuando ambas son funciones de una tercera variable:

Sea y .

entonces

• Diferenciación implícita:

Si es una función implícita,

se tiene que:

De forma adicional, es útil conocer las derivadas de algunas funciones comunes. (Vea la tabla de derivadas).Como ejemplo, la derivada de

es

.

• Para las funciones logarítmicas:

La derivada de e elevado a x es e elevado a x

La derivada del logaritmo natural (ln) de x es 1 dividido entre x• Para las funciones trigonométricas

La derivada del seno de x es el coseno de x.

La derivada del coseno x es menos seno de x.

La derivada de la tangente de x es la secante al cuadrado de x.

La derivada de cotangente de x es menos cosecante al cuadrado de x.

La derivada de la secante de x es el producto de la secante de x por la tangente de x.

La derivada de la cosecante de x es el producto de menos cosecante de x por la cotangente de x.• Para las funciones trigonométricas hiperbólicas

La derivada del seno hiperbólico de x es el coseno hiperbólico de x.

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Extensión del concepto de derivadaCuando una función depende de más de una variable, se utiliza el concepto de derivada parcial. Las derivadasparciales se pueden pensar informalmente como tomar la derivada de una función con respecto a una de ellas,manteniendo las demás variables constantes. Las derivadas parciales se representan como (en donde ; es una

'd' redondeada conocida como 'símbolo de la derivada parcial').El concepto de derivada puede ser extendido de forma más general. El hilo común es que la derivada en un puntosirve como una aproximación lineal a la función en dicho punto. Quizá la situación más natural es que las funcionessean diferenciables en las variedades. La derivada en un cierto punto entonces se convierte en una transformaciónlineal entre los correspondientes espacios tangenciales y la derivada de la función se convierte en un mapeo entre losgrupos tangenciales.Para diferenciar todas las funciones continuas y mucho más, se puede definir el concepto de distribución.Para las funciones complejas de una variable compleja, la diferenciabilidad es una condición mucho más fuerte quela simple parte real e imaginaria de la función diferenciada con respecto a la parte real e imaginaria del argumento.Por ejemplo, la función satisface lo segundo, pero no lo primero. Vea también Funciónholomórfica.Vea también: diferintegral. óptimo de una función real de dos variables sujeta a restriccionesDadas las funciones, de valor real, y ambas con dominio, el problema consiste en hallar los valores máximos omínimos (valores extremos) de cuando se restringe a tomar valores en el conjunto.

Referencias• Calculus of a Single Variable: Early Transcendental Functions (3a edición) por Edwards, Hostetler, y Larson

(2003).• Calculus (2a edición) por Michael Spivak.• Calculus Early Trascendentals (6a edición) por James Stewart.• Principios de Análisis Matemático por Enrique Linés Escardo.

Véase también• Derivada• Derivada parcial• Tabla de derivadas• Integral• Diferencial (matemáticas)• Análisis

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Enlaces externos• Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre Cálculo diferencial.Wikiversidad• Libro de cálculo diferencial e integral [1] (con licencia libre Creative Commons)• WIMS Calculador de funciones [2] hace el cálculo de derivadas en línea.• WIMS Calculador de funciones [2] hace el cálculo de derivadas en línea.• Calculo Diferencial e Integral en una Variable [3] Libro gratuito escrito en la Escuela Politecnica Nacional del

Ecuador.

Referencias[1] http:/ / forja. rediris. es/ frs/ download. php/ 1924/ CAL2-0_1. pdf[2] http:/ / wims. unice. fr/ wims/ wims. cgi?module=tool/ analysis/ function. en[3] http:/ / www. ciencias. epn. edu. ec/ index. php?option=com_docman& task=doc_download& gid=91

Fuentes y contribuyentes del artículo 12

Fuentes y contribuyentes del artículoCálculo diferencial  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=43106634  Contribuyentes: Airunp, Alhen, Alpha Floor, Angel GN, Antur, Arcibel, Banfield, Caiser, Cinabrium,Cobalttempest, Daniel De Leon Martinez, Diegusjaimes, Dodo, Dreitmen, Eduardosalg, Ejmeza, Elwikipedista, Er Komandante, Farisori, Fer31416, Gacq, GermanX, Gimlinu, Himura itachi,Hprmedina, Ingenioso Hidalgo, J.R.Menzinger, JAGT, Jasev, Javierito92, Jeanne, Jefrcast, Jekter, JorgeGG, Joseaperez, Josell2, Juan Marquez, Karshan, Kved, Laura Fiorucci, Luaresco,Mafores, Magister Mathematicae, Maleiva, Matdrodes, Max de Mendizábal, Mocte13, Narse, Netito777, Ovichan, Ovidio007, Pino, RoyFocker, TheOm3ga, Tirithel, Tomatejc, Tostadora,Usuwiki, Vic Fede, Zauver, 229 ediciones anónimas

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