Mini-video 4 de 5 Materia: Derivadas de orden superior Derivación de funciones compuestas

1. Introducción a Funciones de una variable Mini-video 4 de 5 Materia: Derivadas de orden superior Derivación de funciones compuestas Aproximación de una función. Fórmula de Taylor Prácticas con

2. Introducción a Funciones de una variable Derivadas de orden superior Sea F(x) y su función derivada F’(x). Definimos la derivada de orden “n” (n natural) a:

3. Introducción a Funciones de una variable Derivadas de orden superior Sea F(x) y su función derivada F’(x). Definimos la derivada de orden “n” (n natural) a: De la definición anterior, se desprende que, por ejemplo, la derivada de orden 3 es la derivada de la derivada de orden 2, siendo la derivada de orden 2 la derivada de la derivada de orden 1, a la que hemos llamado, en general, derivada de la función.

4. Introducción a Funciones de una variable Derivadas de orden superior Sea F(x) y su función derivada F’(x). Definimos la derivada de orden “n” (n natural) a: De la definición anterior, se desprende que, por ejemplo, la derivada de orden 3 es la derivada de la derivada de orden 2, siendo la derivada de orden 2 la derivada de la derivada de orden 1, a la que hemos llamado, en general, derivada de la función. Ejemplo Si tratamos de calcular la derivada tercera de la función: hemos de proceder, según la definición:

5. Introducción a Funciones de una variable 1) Calcular la primera derivada:

6. Introducción a Funciones de una variable 1) Calcular la primera derivada: 2) Calcular la segunda derivada:

7. Introducción a Funciones de una variable 1) Calcular la primera derivada: 2) Calcular la segunda derivada: 3) Calcular la tercera derivada:

8. Introducción a Funciones de una variable 1) Calcular la primera derivada: 2) Calcular la segunda derivada: 3) Calcular la tercera derivada: Definición. Una función F(x) continua y cuyas derivadas hasta el orden k sean a su vez funciones continuas, se dice que es de clase k y se denota:

9. Introducción a Funciones de una variable Derivación de funciones compuestas. Regla de la cadena Sean F y G dos funciones reales: Sabemos que si se verifica que entonces existe la composición definida como:

10. Introducción a Funciones de una variable Derivación de funciones compuestas. Regla de la cadena Sean F y G dos funciones reales: Sabemos que si se verifica que entonces existe la composición definida como: Pues bien, ahora se trata de determinar la derivada de la composición a la que, por comodidad, llamaremos W=FºG; es decir, vamos a calcular W’.

11. Introducción a Funciones de una variable Derivación de funciones compuestas. Regla de la cadena Sean F y G dos funciones reales: Sabemos que si se verifica que entonces existe la composición definida como: Pues bien, ahora se trata de determinar la derivada de la composición a la que, por comodidad, llamaremos W=FºG; es decir, vamos a calcular W’. A partir de la regla de la cadena: W’(x) = G’(F(x)) F’(x)

12. Introducción a Funciones de una variable En el caso que la derivada de W la queramos evaluar en un punto x0, utilizaremos la expresión: W’(x0) = G’(F(x0)) F’(x0)

13. Introducción a Funciones de una variable En el caso que la derivada de W la queramos evaluar en un punto x0, utilizaremos la expresión: W’(x0) = G’(F(x0)) F’(x0) Evidentemente, siempre se puede realizar esta derivada calculando la composición directamente y derivando después en ésta, aunque este camino suele ser más largo que la aplicación de la regla de la cadena.

14. Introducción a Funciones de una variable En el caso que la derivada de W la queramos evaluar en un punto x0, utilizaremos la expresión: W’(x0) = G’(F(x0)) F’(x0) Evidentemente, siempre se puede realizar esta derivada calculando la composición directamente y derivando después en ésta, aunque este camino suele ser más largo que la aplicación de la regla de la cadena. Ejemplo Dadas las funciones F(x)=Log(x+2) y G(x)=x4-x , determinar la derivada de la función composición de ambas de forma general y evaluada en el punto x=0.

15. Introducción a Funciones de una variable En el caso que la derivada de W la queramos evaluar en un punto x0, utilizaremos la expresión: W’(x0) = G’(F(x0)) F’(x0) Evidentemente, siempre se puede realizar esta derivada calculando la composición directamente y derivando después en ésta, aunque este camino suele ser más largo que la aplicación de la regla de la cadena. Ejemplo Dadas las funciones F(x)=Log(x+2) y G(x)=x4-x , determinar la derivada de la función composición de ambas de forma general y evaluada en el punto x=0. Solución: Aplicando la regla de la cadena: W’(0) = G’(F(0)) F’(0)

16. Introducción a Funciones de una variable Calculemos dichos elementos:

17. Introducción a Funciones de una variable Calculemos dichos elementos: Por tanto:

18. Introducción a Funciones de una variable Como hemos indicado anteriormente, podemos construir la composición de las funciones y luego derivar, sin aplicar, por tanto, la regla de la cadena. Este proceso, cuando las funciones son complicadas es mucho más difícil y lento que el método anterior.

19. Introducción a Funciones de una variable Como hemos indicado anteriormente, podemos construir la composición de las funciones y luego derivar, sin aplicar, por tanto, la regla de la cadena. Este proceso, cuando las funciones son complicadas es mucho más difícil y lento que el método anterior. En nuestro ejemplo:

20. Introducción a Funciones de una variable Como hemos indicado anteriormente, podemos construir la composición de las funciones y luego derivar, sin aplicar, por tanto, la regla de la cadena. Este proceso, cuando las funciones son complicadas es mucho más difícil y lento que el método anterior. En nuestro ejemplo: Resultando, evidentemente, lo mismo por los dos caminos.

21. Introducción a Funciones de una variable En la práctica, además de todo lo indicado en el ejemplo anterior, se suele utilizar la regla de la cadena cuando se realiza el cálculo de la derivada de una función; por ejemplo, si preguntamos por la derivada del logaritmo neperiano de una función indicamos: Estamos aplicando la regla de la cadena como se puede comprobar fácilmente.

22. Introducción a Funciones de una variable Aproximación de una función Dada una función real de variable real, podemos intentar aproximarla por otras funciones que sean más fáciles de manejar; esta aproximación puede ser por una función lineal, cuadrática, etc., que vienen dadas a partir de la fórmula de Taylor que exponemos a continuación, resaltando los dos casos más sencillos que hemos mencionado: aproximación lineal y cuadrática.

23. Introducción a Funciones de una variable Aproximación de una función Dada una función real de variable real, podemos intentar aproximarla por otras funciones que sean más fáciles de manejar; esta aproximación puede ser por una función lineal, cuadrática, etc., que vienen dadas a partir de la fórmula de Taylor que exponemos a continuación, resaltando los dos casos más sencillos que hemos mencionado: aproximación lineal y cuadrática. Aproximación lineal. Tratamos en este apartado de justificar que para valores de “x” muy próximos a un número real “a” se tiene que:

24. Introducción a Funciones de una variable Aproximación de una función Dada una función real de variable real, podemos intentar aproximarla por otras funciones que sean más fáciles de manejar; esta aproximación puede ser por una función lineal, cuadrática, etc., que vienen dadas a partir de la fórmula de Taylor que exponemos a continuación, resaltando los dos casos más sencillos que hemos mencionado: aproximación lineal y cuadrática. Aproximación lineal. Tratamos en este apartado de justificar que para valores de “x” muy próximos a un número real “a” se tiene que: Para ello veamos que es, desde el punto de vista geométrico: F(a) + F'(a)(x-a) para una función dada F(x) derivable en el punto x = a.

25. Introducción a Funciones de una variable Recordemos que la ecuación de una recta en un espacio de dimensión 2que pasa por un punto (x0, y0) y tiene de pendiente “m” tenía la forma: y-y0 = m(x-x0).

26. Introducción a Funciones de una variable Recordemos que la ecuación de una recta en un espacio de dimensión 2que pasa por un punto (x0, y0) y tiene de pendiente “m” tenía la forma: y-y0 = m(x-x0). Sea el punto (a , F(a)) y sea m = F’(a) la pendiente de dicha función en el punto x = a. La ecuación de la recta será y – F(a) = F’(a) (x - a) es decir: y = F(a) + F’(a) (x - a)

27. Introducción a Funciones de una variable Recordemos que la ecuación de una recta en un espacio de dimensión 2que pasa por un punto (x0, y0) y tiene de pendiente “m” tenía la forma: y-y0 = m(x-x0). Sea el punto (a , F(a)) y sea m = F’(a) la pendiente de dicha función en el punto x = a. La ecuación de la recta será y – F(a) = F’(a) (x - a) es decir: y = F(a) + F’(a) (x - a) con lo cual tenemos que la expresión anterior representa la ecuación de la recta tangente a la gráfica de la función F(x) en el punto x = a.

28. Introducción a Funciones de una variable Recordemos que la ecuación de una recta en un espacio de dimensión 2que pasa por un punto (x0, y0) y tiene de pendiente “m” tenía la forma: y-y0 = m(x-x0). Sea el punto (a , F(a)) y sea m = F’(a) la pendiente de dicha función en el punto x = a. La ecuación de la recta será y – F(a) = F’(a) (x - a) es decir: y = F(a) + F’(a) (x - a) con lo cual tenemos que la expresión anterior representa la ecuación de la recta tangente a la gráfica de la función F(x) en el punto x = a. Por ejemplo, si consideramos la función: F(x) = x3 - x2 - 8x + 12 cuya gráfica en el intervalo [-4,4] es:

29. Introducción a Funciones de una variable

30. Introducción a Funciones de una variable y consideremos la tangente a la curva en el punto x=3; su ecuación se obtendrá: F(3) + F'(3)(x-3) = -33 + 13x

31. Introducción a Funciones de una variable y consideremos la tangente a la curva en el punto x=3; su ecuación se obtendrá: F(3) + F'(3)(x-3) = -33 + 13x Su representación gráfica junto con la función F(x):

32. Introducción a Funciones de una variable

33. Introducción a Funciones de una variable Claramente se observa como, en puntos cercanos a x =3, las gráficas de ambas funciones se confunden, es por ello por lo que podemos afirmar que: siempre en puntos cercanos a x =3

34. Introducción a Funciones de una variable Por lo tanto, F(3)+F'(3)(x-3) es la aproximación lineal de la función F(x) en un entorno del punto x=3.

35. Introducción a Funciones de una variable Por lo tanto, F(3)+F'(3)(x-3) es la aproximación lineal de la función F(x) en un entorno del punto x=3. Si llamamos x – a = h, nos queda: Ala expresión F’(a) h se le suele llamar diferencial de la función F en el punto “a” y se denota por: dF(a)(h) = F'(a) h

36. Introducción a Funciones de una variable Por lo tanto, F(3)+F'(3)(x-3) es la aproximación lineal de la función F(x) en un entorno del punto x=3. Si llamamos x – a = h, nos queda: Ala expresión F’(a) h se le suele llamar diferencial de la función F en el punto “a” y se denota por: dF(a)(h) = F'(a) h Aproximación cuadrática. Llamamos aproximación cuadrática de una función F(x) de clase 2 a:

37. Introducción a Funciones de una variable La cual vamos a aplicar al mismo ejemplo del apartado anterior: F(3) + F ’(3)(x – 3) + (1/2) F ’’(3) (x – 3)2 = 39 – 35x + 8x2

38. Introducción a Funciones de una variable La cual vamos a aplicar al mismo ejemplo del apartado anterior: F(3) + F ’(3)(x – 3) + (1/2) F ’’(3) (x – 3)2 = 39 – 35x + 8x2 Si realizamos la representación gráfica de esta función cuadrática y de la gráfica de la función obtenemos:

39. Introducción a Funciones de una variable y en ella se observa que, en un entorno del punto x=3 ambas gráficas se confunden, siendo ésta una “mejor aproximación” de la función que en el caso de la aproximación lineal del apartado anterior.

40. Introducción a Funciones de una variable y en ella se observa que, en un entorno del punto x=3 ambas gráficas se confunden, siendo ésta una “mejor aproximación” de la función que en el caso de la aproximación lineal del apartado anterior. Aproximación polinómica de orden superior de una función En general, dada una función de clase k, podemos aproximarla: expresión que se conoce como la fórmula de Taylor, y su significado ha quedado suficientemente claro en el desarrollo expuesto. Al último término del desarrollo le hemos llamado “Resto” y es una función de x-a.

41. Introducción a Funciones de una variable Cuantos más términos tenga la Fórmula de Taylor para una función dada, conseguiremos una mayor aproximación de la función en el punto dado, como vimos en el ejemplo anterior.

42. Introducción a Funciones de una variable Cuantos más términos tenga la Fórmula de Taylor para una función dada, conseguiremos una mayor aproximación de la función en el punto dado, como vimos en el ejemplo anterior. Ejemplo Dada la función F(x) = Log(x) obtener una aproximación de ella en el entorno del número e: a) De orden uno. b) De orden cuatro. Solución:

43. Introducción a Funciones de una variable Cuantos más términos tenga la Fórmula de Taylor para una función dada, conseguiremos una mayor aproximación de la función en el punto dado, como vimos en el ejemplo anterior. Ejemplo Dada la función F(x) = Log(x) obtener una aproximación de ella en el entorno del número e: a) De orden uno. b) De orden cuatro. Solución: Para calcular la fórmula de Taylor hemos de conocer las sucesivas derivadas hasta el orden pedido, evaluadas en el punto en cuestión, en nuestro caso, e. a)

44. Introducción a Funciones de una variable Por lo que el desarrollo de Taylor de orden uno será:

45. Introducción a Funciones de una variable Por lo que el desarrollo de Taylor de orden uno será: b) Para el desarrollo de Taylor de orden cuatro, hemos de calcular hasta la cuarta derivada:

46. Introducción a Funciones de una variable Por lo que el desarrollo de Taylor de orden uno será: b) Para el desarrollo de Taylor de orden cuatro, hemos de calcular hasta la cuarta derivada:

47. Introducción a Funciones de una variable Por lo que el desarrollo de Taylor de orden uno será: b) Para el desarrollo de Taylor de orden cuatro, hemos de calcular hasta la cuarta derivada:

48. Introducción a Funciones de una variable Por lo que el desarrollo de Taylor de orden uno será: b) Para el desarrollo de Taylor de orden cuatro, hemos de calcular hasta la cuarta derivada: Sustituyendo:

49. Introducción a Funciones de una variable Ambas son aproximaciones de la función Log(x), pero la primera es mejor que la segunda. Gráficamente podemos observar este hecho; para lo cual representamos Log(x):

50. Introducción a Funciones de una variable Ambas son aproximaciones de la función Log(x), pero la primera es mejor que la segunda. Gráficamente podemos observar este hecho; para lo cual representamos Log(x): Y ahora representamos en la misma gráfica las aproximaciones de orden 1 (lineal) y la de orden 4: