Matemáticas I · Derivadas usando la regla de la cadena

Ejercicio resuelto de Matemáticas I

Aplicar la regla de la cadena para calcular la derivada de las siguientes funciones:

a) f(x)=arctg⁡sen⁡cos⁡tg⁡x

b) f(x)=ln⁡sen⁡ex2

c) f(x)=arctg⁡sen⁡ex

d) f(x)=sen⁡2cos⁡3(4x3+3)2

e) f(x)=2⋅tg⁡2ln⁡3(x4+7)5

f) f(x)=ln⁡3arctg⁡4 ex2+ln⁡xx23

Solución

Estos casos son composiciones de varias funciones; aplicamos repetidamente la regla de la cadena (derivamos de fuera hacia dentro).

a) f(x)=arctg⁡(sen⁡(cos⁡(tg⁡x))). Derivando capa a capa:

f′(x)=11+sen⁡2(cos⁡(tg⁡x))⋅cos⁡(cos⁡(tg⁡x))⋅(−sen⁡(tg⁡x))⋅1cos⁡2x

Es decir, f′(x)=−cos⁡(cos⁡(tg⁡x)) sen⁡(tg⁡x)[1+sen⁡2(cos⁡(tg⁡x))]cos⁡2x.

b) f(x)=ln⁡sen⁡ex2=12ln⁡(sen⁡ex2).

Con g=sen⁡ex2 se tiene g′=cos⁡ex2⋅ex2⋅2x, así que:

f′(x)=12⋅2x ex2cos⁡ex2sen⁡ex2=x ex2 cos⁡ex2sen⁡ex2

c) f(x)=arctg⁡(sen⁡(ex)). Como (ex)′=ex⋅12x:

f′(x)=11+sen⁡2(ex)⋅cos⁡(ex)⋅ex2x=cos⁡(ex) ex2x [1+sen⁡2(ex)]

d) f(x)=[sen⁡(cos⁡3((4x3+3)2))]2. Sea p=(4x3+3)2, con p′=2(4x3+3)⋅12x2=24x2(4x3+3). Derivando capa a capa:

f′(x)=2sen⁡(cos⁡3p)⋅cos⁡(cos⁡3p)⋅3cos⁡2p⋅(−sen⁡p)⋅24x2(4x3+3)

Agrupando las constantes (2⋅3⋅24=144):

f′(x)=−144x2(4x3+3) sen⁡(cos⁡3p) cos⁡(cos⁡3p) cos⁡2p sen⁡p, con p=(4x3+3)2.

e) f(x)=2[tg⁡(ln⁡3((x4+7)5))]2. Conviene simplificar el interior: como ln⁡((x4+7)5)=5ln⁡(x4+7), llamamos L=ln⁡3((x4+7)5)=(5ln⁡(x4+7))3=125 (ln⁡(x4+7))3.

Su derivada:

L′=125⋅3(ln⁡(x4+7))2⋅4x3x4+7=1500 x3(ln⁡(x4+7))2x4+7

Como f=2(tg⁡L)2, entonces f′=2⋅2tg⁡(L)⋅1cos⁡2L⋅L′, es decir:

f′(x)=4tg⁡Lcos⁡2L⋅1500 x3(ln⁡(x4+7))2x4+7, con L=125(ln⁡(x4+7))3.

f) f(x)=ln⁡3arctg⁡4ew3, con w=x2+ln⁡xx2=1+ln⁡xx2.

Primero la derivada del exponente:

w′=1x⋅x2−ln⁡x⋅2xx4=x−2xln⁡xx4=1−2ln⁡xx3

Conviene simplificar usando las propiedades del logaritmo. La raíz cúbica y la potencia cuarta salen del logaritmo:

ln⁡arctg⁡4ew3=13ln⁡(arctg⁡4ew)=43ln⁡(arctg⁡ew)

Llamando B=arctg⁡ew, queda f=(43ln⁡B)3=6427(ln⁡B)3.

La derivada de B es B′=11+e2w⋅ew⋅w′=ew w′1+e2w. Entonces:

f′(x)=6427⋅3(ln⁡B)2⋅B′B=649⋅(ln⁡B)2B⋅ew w′1+e2w

Sustituyendo B=arctg⁡ew y w′=1−2ln⁡xx3:

f′(x)=649⋅(ln⁡(arctg⁡ew))2arctg⁡ew⋅ew1+e2w⋅1−2ln⁡xx3, con w=1+ln⁡xx2.

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