3.6.11 Derivada de la funcion potencial exponencial derivacion logaritmica

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La función potencial-exponencial y la derivación logarítmica

Una función potencial-exponencial es aquella en la que tanto la base como el exponente dependen de \(x \), del tipo \(y = u(x)^{v(x)} \) con \(u(x) > 0 \)

Ninguna regla básica la deriva directamente, así que se usa la derivación logarítmica: se toman logaritmos neperianos en ambos miembros y se deriva implícitamente.

$$y = u^v $$
$$\ln y = v \cdot \ln u $$
$$\frac{y'}{y} = v' \cdot \ln u + v \cdot \frac{u'}{u} $$

La última igualdad se obtiene derivando \(\ln y \) con la regla de la cadena, que da \(y'/y \), y derivando el producto \(v \cdot \ln u \)

Despejando \(y' \) queda la fórmula general con letras:

$$y' = u^v \cdot \left(v' \ln u + v \frac{u'}{u}\right) $$
📝 Ejemplo:

Para \(y = x^x \) se toma logaritmos: \(\ln y = x \ln x \); derivando, \(\frac{y'}{y} = \ln x + 1 \), luego \(y' = x^x(\ln x + 1) \)

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Caso general $$y = u(x)^{v(x)}$$

La fórmula general deducida en el apartado 1 se aplica a cualquier base y exponente variables, siempre que la base sea positiva.

El procedimiento es siempre el mismo: logaritmos, derivación implícita y despeje.

📝 Ejemplo:

El mismo procedimiento con \(f(x) = x^{3x} \) da \(f'(x) = x^{3x} \cdot 3(\ln x + 1) \)

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La derivación logarítmica como técnica de simplificación

Tomar logaritmos antes de derivar también simplifica funciones con productos, cocientes y potencias encadenados, porque el logaritmo convierte productos en sumas y potencias en productos.

📝 Ejemplo:

La derivación logarítmica simplifica productos con potencias:

para \(y = x^2(2x + 1)^3 \), \(\ln y = 2\ln x + 3\ln(2x + 1) \) y $$\frac{y'}{y} = \frac{2}{x} + \frac{6}{2x + 1} $$

📝 Ejemplo 1: Derivada de xˣ

Deriva \(f(x) = x^x \) para \(x > 0 \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por tomar logaritmos neperianos en ambos miembros.

A continuación derivaremos implícitamente el logaritmo y el producto.

Para terminar despejaremos la derivada buscada.

👉 PASO 1

Toma de logaritmos.

$$\ln f(x) = \ln(x^x) = x \ln x $$
👉 PASO 2

Derivación implícita.

Derivamos respecto de \(x \); a la izquierda sale \(f'(x)/f(x) \) y a la derecha derivamos el producto:

$$\frac{f'(x)}{f(x)} = 1 \cdot \ln x + x \cdot \frac{1}{x} = \ln x + 1 $$
👉 PASO 3

Despeje de la derivada.

$$f'(x) = f(x) \cdot (\ln x + 1) = x^x (\ln x + 1) $$
✅ Conclusión

Para \(x > 0 \) se cumple \((x^x)' = x^x (\ln x + 1) \)

📝 Ejemplo 2: Derivada de x³ˣ

Deriva \(f(x) = x^{3x} \) para \(x > 0 \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por tomar logaritmos para bajar el exponente.

A continuación derivaremos el producto obtenido.

Para terminar despejaremos \(f'(x) \)

👉 PASO 1

Toma de logaritmos.

$$\ln f(x) = 3x \ln x $$
👉 PASO 2

Derivación del producto.

$$\frac{f'(x)}{f(x)} = 3 \ln x + 3x \cdot \frac{1}{x} = 3 \ln x + 3 $$
👉 PASO 3

Despeje.

$$f'(x) = x^{3x} (3 \ln x + 3) = 3x^{3x}(\ln x + 1) $$
✅ Conclusión

\((x^{3x})' = 3x^{3x}(\ln x + 1) \) para \(x > 0 \)

📝 Ejemplo 3: Base con coeficiente

Deriva \(f(x) = (3x)^{2x} \) para \(x > 0 \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por tomar logaritmos en ambos miembros.

A continuación derivaremos implícitamente.

Para terminar despejaremos la derivada.

👉 PASO 1

Toma de logaritmos.

$$\ln f(x) = 2x \ln(3x) $$
👉 PASO 2

Derivación implícita.

Derivamos el producto de la derecha; la derivada de \(\ln(3x) \) es \(\frac{3}{3x} = \frac{1}{x} \):

$$\frac{f'(x)}{f(x)} = 2 \ln(3x) + 2x \cdot \frac{1}{x} = 2\ln(3x) + 2 $$
👉 PASO 3

Despeje.

$$f'(x) = (3x)^{2x} \cdot 2(\ln(3x) + 1) $$
✅ Conclusión

\(((3x)^{2x})' = 2(3x)^{2x}(\ln(3x) + 1) \) para \(x > 0 \)

📝 Ejemplo 4: Base polinómica

Deriva \(f(x) = (2x+1)^x \) para \(x > -\frac{1}{2} \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por tomar logaritmos neperianos.

A continuación derivaremos implícitamente aplicando la regla del producto y la regla de la cadena.

Para terminar despejaremos \(f'(x) \)

👉 PASO 1

Toma de logaritmos.

$$\ln f(x) = x \ln(2x+1) $$
👉 PASO 2

Derivación implícita.

La derivada de \(\ln(2x+1) \) es \(\frac{2}{2x+1} \):

$$\frac{f'(x)}{f(x)} = 1 \cdot \ln(2x+1) + x \cdot \frac{2}{2x+1} = \ln(2x+1) + \frac{2x}{2x+1} $$
👉 PASO 3

Despeje.

$$f'(x) = (2x+1)^x \left(\ln(2x+1) + \frac{2x}{2x+1}\right) $$
✅ Conclusión

La derivada de \((2x+1)^x \) es $$(2x+1)^x \left(\ln(2x+1) + \frac{2x}{2x+1}\right) $$

📝 Ejemplo 5: Mínimo de la función xˣ

Halla el mínimo de \(f(x) = x^x \) en el intervalo \((0, +\infty) \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por derivar la función con derivación logarítmica.

A continuación igualaremos la derivada a cero para hallar el punto crítico.

Para terminar estudiaremos el signo de la derivada para confirmar que es un mínimo.

👉 PASO 1

Derivada de la función.

Por el ejemplo 1, \(f'(x) = x^x(\ln x + 1) \)

👉 PASO 2

Punto crítico.

Como \(x^x > 0 \) siempre, \(f'(x) = 0 \) equivale a:

$$\ln x + 1 = 0 \rightarrow \ln x = -1 \rightarrow x = e^{-1} = \frac{1}{e} $$
👉 PASO 3

Signo de la derivada.

Si \(0 < x < \frac{1}{e} \), entonces \(\ln x + 1 < 0 \) y \(f'(x) < 0 \);

si \(x > \frac{1}{e} \), entonces \(f'(x) > 0 \)

La función decrece y luego crece: hay un mínimo.

✅ Conclusión

El mínimo de \(f(x) = x^x \) se alcanza en \(x = \frac{1}{e} \) y vale $$f\left(\frac{1}{e}\right) = \left(\frac{1}{e}\right)^{1/e} = e^{-1/e} $$