BIENVENIDO A CÁLCULO DIFERENCIAL CON MATHSOLUTIONS

Cálculo: rama de las matemáticas que se dedica al estudio de los cambios que experimentan las variables, es una combinación de la aritmética, el algebra y la geometría. Tiene su origen en la búsqueda de la explicación de fenómenos físicos.
¿Cuántos tipos de variables tenemos?
Independientes: aquellas cuyo valor no está asociado a otra variable.
Dependientes: aquellas cuyo valor está relacionado con el valor de otra variable.
Por ejemplo:
S es el sueldo de una persona y t el tiempo que trabaja → S es una variable dependiente de t
Podemos crear asociaciones o agrupaciones de variables, mediante oraciones o de forma más común, usando expresiones matemáticas (inecuaciones o ecuaciones)
La cantidad de contraseñas disponibles depende del número de caracteres de largo.
SI hay 4 caracteres disponibles que pueden ser una letra mayúscula o minúscula o un digito del 0 al 9, implica que hay 39 posibles caracteres para cada uno de los espacios, entonces:
39 39 39 39
Total, de contraseñas es 39 ∗ 39 ∗ 39 ∗ 39 = 39^4 = 2313441
Ecuaciones
8𝑥 + 3𝑦 = 72𝑧
Inecuaciones (desigualdades)
𝑦 > 3𝑥 + 8

Las asociaciones entre variables pueden ser de dos tipos:
a) Relaciones: se da cuando a uno o más valores de una variable A corresponden uno o más valores de una variable B,

también puede ocurrir que no exista correspondencia.

b) Función: para cada valor de la variable A existe uno y solo un valor asociado de la variable B y viceversa.
Es posible realizar una representación gráfica de las funciones y relaciones, utilizando el método de tabulación, para
generar pares de puntos que ubicar en un plano Cartesiano.
El método consiste en asignar “valores aleatorios” (que nos convienen) a la variable independiente, para sustituirlos en
la ecuación y encontrar los valores asociados de la variable dependiente, los cuales generan coordenadas (𝑥, 𝑦)

donde primero se coloca el valor de la variable independiente (abscisa)

y después el valor de la variable dependiente (ordenada).

Por ejemplo, tabular datos para la expresión 𝑦 = 2𝑥 + 3

Construir la gráfica de la expresión 𝑧 = 3𝑡 2 + 1

Recordemos que las funciones implican relaciones 1 a 1, es decir para cada valor de la variable A existe un único valor
asociado en la variable B y viceversa.
Si es esto no se cumple, la expresión de la que estamos hablando es una relación y no una función.
Las relaciones, pueden convertirse en funciones al tener ciertas restricciones, como lo es limitar el numero de valores
que puede tomar la variable independiente.
Características de las funciones (y relaciones)
Hay dos características que podemos determinar de una función:
a) Dominio: se refiere a todos los valores que puede tomar la variable independiente.
b) Rango: se refiere a todos los valores que puede tomar la variable dependiente.



Existen diversas formas de expresar el dominio y el rango de una función, considere el caso de la función:
𝑦 = √𝑥
2 − 3
En el caso de la raíz cuadrada debemos recordar que, en términos prácticos, no podemos encontrar la raíz de un número
negativo o, dicho de otra forma, el interior del radical no debe ser menor que cero.
Para nuestro caso, debemos saber para qué valores de 𝑥 se cumple que: 𝑥
2 − 3 ≥ 0
𝑥
2 − 3 = 0
𝑥
2 = 3
𝑥 = ±√3 ≈ ±1.73

El concepto de continuidad se refiere a los valores donde una función existe o es continua, de manera que nos interesa
conocer para que conjuntos de valores las funciones existen o son continuas.

La discontinuidad era removible y la función es continua en todos los reales.


El dominio son todos los reales

El rango de la función son todos los reales

Derivada de una variable 

Cuando se tiene una función que es una variable a una determinada potencia, la derivada de dicha función es igual a producto de la potencia por la variable elevada a esa potencia reducida en 1. 

Es decir: 

Derivada de una constante

Si la función a derivar es una constante, entonces, al ser derivada un análisis del cambio, su valor es igual a cero ya que una constante no experimenta cambio en su valor.

Es decir, si K es constante: 

Derivada de una constante por una función

Cuando se quiere encontrar la derivada del producto de una función multiplicada por una constante, el resultado es el producto de la constante por la derivada de una función. 

Es decir, si K es una constante:

Derivada de una suma de funciones

Cuando se quiere encontrar la derivada de una suma de funciones, el resultado es la suma de las derivadas individuales de cada sumado

Es decir:

Regla de la Cadena

Si la función a derivar está elevada a una potencia, la derivada de la función es el producto de la potencia por la función elevada a dicha potencia reducida en uno, por la derivada de la función.

Es decir

Regla del Producto

Si  se desea encontrar la derivada de un producto de funciones, puede realizarse la multiplicación y después derivar el resultado, si no es posible realizar el producto se aplica la regla que establece que la derivada es igual a la derivada de la primera función por la segunda más la derivada de la segunda función por la primera.

Es decir

Regla del Cociente

Si se desea encontrar la derivada de un cociente de funciones, siempre que el denominador no sea cero, el resultado será, la derivada del numerador por el denominador menos la derivada del denominador por el numerador, todo dividido entre el cuadrado del denominador.

Es decir

Derivadas de Funciones Exponenciales y Logarítmicas

Recordemos que una función exponencial es aquella en la cual una cantidad constante a la que
llamaremos base se encuentra elevada a una potencia variable.

Las funciones exponenciales tienen una utilidad muy amplia al ser fundamentales en la descripción de muchos fenómenos de la naturaleza, como lo son la intensidad de las ondas sísmicas o escala Richter (lo cual indica que un sismo de magnitud 2 no es el doble de la magnitud de un sismo de magnitud 1); la capacidad de procesamiento y almacenamiento de los equipos y sistemas de cómputo se basa en una función exponencial de base 2 (por ello lo de código binario) y en muchos
modelos de crecimiento poblacional o control de temperaturas aparece la constante e=2.71 como base de la función exponencial (adquiriendo el nombre de función exponencial natural). Para obtener la derivada de una función exponencial se debe multiplicar la función original por la derivada del exponente por el logaritmo natural de la base, es decir:

De manera que, al sustituir según la formula, obtenemos que:

 

Las funciones logarítmicas fueron desarrolladas como complemento de las funciones exponenciales. En su definición más simple consisten en la búsqueda de un valor al cual debemos elevar una constante para obtener un número específico. Al número que queremos elevar se le llama base, mientras que el valor al cual queremos llegar se le llama argumento de la función.El logaritmo de cualquier base se escribe como:

Al derivar una función logarítmica obtenemos como resultado una división, en el numerador se coloca la derivada del argumento y en el denominador el argumento original multiplicado por el logaritmo natural de la base, es decir:

Derivación implícita

Ya establecimos que las variables pueden ser independientes o dependientes, ahora bien, hasta el momento hemos analizado funciones donde está bien definido
cual es la variable independiente y cual es la variable dependiente. La cuestión es ¿Qué ocurre con las funciones donde no es posible identificar la variable
dependiente? Por ejemplo:

Podemos realizar los siguientes despejes:

De manera que podemos expresar que cualquiera de las dos variables puede comportarse como dependiente o independiente, dependiendo de las circunstancias o
necesidades del problema. En esas situaciones, solo se debe establecer quien juega el papel de variable dependiente y quien el de variable independiente, considerando que cada vez que se derive la variable dependiente es necesario usar una regla de la cadena, por ejemplo:

Podemos encontrar la derivada de 𝑦 con respecto a 𝑥, es decir:

Derivamos aplicando los teoremas conocidos

Pero debemos recordar que se estableció que 𝑦 depende de 𝑥, por ello tenemos que aplicar la regla de la cadena a cada derivada de 𝑦, es decir:
La regla de la cadena establece que: 𝐷𝑥𝑢𝑛 = 𝑛𝑢𝑛−1𝑢′
Para estos casos cambiamos u por y, de manera que la regla de la cadena nos queda como: 𝐷𝑥𝑦𝑛 = 𝑛𝑦𝑛−1𝑦′

Agrupamos términos, todos los que tienen 𝑦′a la izquierda y el resto a la derecha

En la izquierda podemos obtener 𝑦′ como factor común

Con un simple despeje, podemos encontrar el valor de 𝑦′

Podemos repetir el procedimiento para encontrar la derivada de 𝑥 con respecto a 𝑦, es decir

En este caso se establece que 𝑥 depende de 𝑦, por ello tenemos que aplicar la regla de la cadena a cada derivada de 𝑥, es decir:

La regla de la cadena establece que: 𝐷𝑥𝑢𝑛 = 𝑛𝑢𝑛−1𝑢′
Para estos casos cambiamos 𝑢 por 𝑥, de manera que la regla de la cadena nos queda como: 𝐷𝑦𝑥𝑛 = 𝑛𝑥𝑛−1𝑥′

Agrupamos términos, todos los que tienen 𝑥′a la izquierda y el resto a la derecha

En la izquierda podemos obtener x′ como factor común

Con un simple despeje, podemos encontrar el valor de 𝑥′

Si comparamos ambas soluciones:

Derivadas de orden superior

Recordemos que a una derivada le podemos aplicar el proceso de derivación una vez más, es decir, podemos obtener la derivada de una derivada tantas veces como deseemos, por ejemplo:
Sea

Y podemos continuar, pero cada derivada nos queda igual a cero a partir de 𝐶′
Cambiemos la notación con el apostrofe ‘ usando la notación en forma de fracción 𝑑/𝑑𝑥, todas las derivadas quedarían de la forma:

Si consideramos el caso de

Es decir, para obtener G, debo derivar dos veces E.
Continuando con la secuencia, la relación entre G y N es:

Es decir, debemos derivar 6 veces la función 𝑁 para obtener la función 𝐺
Podemos simplificar la escritura de la situación de la siguiente forma:

Que se lee como “la sexta derivada de N con respecto a x seis veces” es decir, que derivamos N en seis ocasiones, considerando a x como la variable independiente.
De manera general, para cualquier problema que implique la derivación de funciones que ya son derivadas de otras funciones, la escritura es:

Que se lee como “la n-esima derivada de F con respecto a x”, es decir debemos derivar F tantas veces como lo indica el valor de n.
A este tipo de operaciones se les conoce como derivadas de orden superior, donde el valor de n se conoce como orden de la derivada.

Existen tres formas comunes de representar una derivada de orden superior:
a) La forma de fracción que ya estudiamos:

b) Utilizando el operador 𝐷𝑥𝑛que es solo una forma de abreviar las fracciones:

c) Empleando apostrofes, números romanos o exponentes encerrados en paréntesis:

Graficar funciones 

Paso 1

Determinar: 

Dominio: todos los posibles valores de la variable independiente.
Rango: todos los posibles valores de la variable dependiente.

Para el problema:
Dominio: todos los números.
Rango: todos los números.

 

Paso 2

Determinar los puntos críticos de primera especie, es decir, se encuentra la primera derivada y posteriormente, para que valores de x se vuelve cero.

Derivamos: Si

¿Cuándo esa derivada se convierte en cero? Es decir:

Cuando la x vale 5 o 1, la primera derivada es igual a cero, por ende, estos son los puntos críticos.

 

Paso 3

Crear una tabla para los intervalos, partiendo de los puntos críticos 1 y 5
Los intervalos son x<1, x=1, 1<x<5, x=5, x>5

Paso 4

Obtener la segunda derivada y sus puntos críticos, es decir en que valores se convierte en cero

Derivando

El punto critico de segunda especie es el 3

Paso 5

Tabla de la segunda derivada con los intervalos x<3, x=3 y x>3