Se analizan algunos resultados relacionados con la función derivada, y se aplican al estudio de la derivabilidad y antiderivabilidad de funciones

Martínez, Félix

Funes

    http://www.sinewton.org/numeros Volumen 70, abril de 2009, páginas 67–74 ISSN: 1887-1984 Sociedad Canaria Isaac Newton de Profesores de Matemáticas Derivadas y Antiderivadas Félix Martínez de la Rosa (Universidad de Cádiz) Fecha de recepción: 6 de octubre de 2008  Fecha de aceptación: 13 de abril de 2009  Resumen Se analizan algunos resultados relacionados con la función derivada, y se aplican al estudio de la derivabilidad y antiderivabilidad de funciones  Palabras clave Continuidad, Derivada, Antiderivada, Darboux, Cálculo  Abstract There are analyzed some results related to the derivative function, and are applied to the study of the derivability and antiderivability of functions Keywords Continuity, Derivative, Antiderivative, Darboux, Calculus 1. Introducción Los resultados que exponen las propiedades de las funciones continuas y derivables son piezas claves, tanto en las asignaturas de matemáticas en el bachillerato como en los cursos iniciales de Cálculo. Dentro del conjunto de esas propiedades, el teorema de los valores intermedios para funciones continuas, el teorema de Rolle y el del valor medio para funciones derivables se sitúan en lugares destacados. Esto es así porque con ellos, logramos comprender y visualizar el comportamiento de esas funciones en un intervalo. Además nos abren las puertas a todo un abanico de teoremas que desarrollan el análisis de esas funciones. Existen dos enunciados que describen la relación entre la continuidad y la derivabilidad: a) Si es derivable en  , entonces es continua en  f 0x f 0xb) Si es continua en , entonces  es una derivada. f ],[ ba fEl apartado a) no requiere muchas más explicaciones. El apartado b) se refiere al hecho de que exista una función  que verifique F 'Ff = . A esta función  se le denomina la antiderivada o primitiva de . Si  es continua, sabemos que el apartado b) es cierto, por el teorema fundamental del Cálculo integral.  Ff fLos resultados recíprocos de éstos dos resultados no se cumplen. Sin embargo, mientras que no hay ninguna duda de que una función continua no tiene porqué ser derivable, existe cierta confusión en lo que se refiere al recíproco de b).  De la igualdad 'Ff = : Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      68 - ¿Podemos deducir que  es continua? f- ¿Puede existir  aunque  no sea continua? F f- ¿Cualquier tipo de discontinuidad de  permite que exista ? f FEn este artículo, mostraremos los resultados relacionados con estas cuestiones, y los aplicaremos al estudio de la derivabilidad de funciones continuas y a la existencia de la antiderivada de una función. El artículo se divide en tres partes: - En la primera, se muestran los resultados teóricos relativos a las propiedades de una función derivada. - En la segunda, se utilizan esos resultados en el análisis de la derivabilidad de funciones continuas. - En la tercera, abordamos el análisis de la antiderivabilidad de funciones desde dos puntos de vista: gráfico y analítico. 2. Resultados teóricos El primer resultado que ofrece información sobre las características de una función derivada puede encontrarse en el conocido libro (Spivak, M., 1986, p.262). En él se muestra una primera relación entre la existencia de la derivada de una función en un punto y la continuidad de la función derivada en ese punto: Teorema 1 Supongamos que una función es continua en , y que  existe para todos los x de algún intervalo que contiene a , excepto posiblemente F 0x )(' xF0x 0xx = . Supongamos, además, que existe . Entonces existe también  y se verifica que )('lim0xFxx→)(' 0xF )('lim)('00 xFxF xx→= . Notas sobre el teorema 1. El teorema 1, arroja la primera luz acerca de la función derivada de una función continua: si  existe entonces la función derivada es continua en . )('lim0xFxx→'F 0xInterpretación visual: si en la gráfica de una función definida en un intervalo se aprecia una discontinuidad evitable, entonces no es de la forma ff 'Ff = , es decir  no tiene antiderivada. fPor tanto la función derivada de una función continua no puede tener una discontinuidad evitable. Además, la existencia de  no implica que exista . Esto significa que una función F puede tener derivada en un punto , aunque  puede tener una discontinuidad en ese punto. )(' 0xF )('lim0xFxx→0x 'FPara saber más acerca del tipo de discontinuidad que una función de la forma  puede tener, se necesita el teorema de Darboux. En 1875, Darboux probó que la función derivada cumple la propiedad de los valores intermedios (la misma que cumplen las funciones continuas). El teorema de Darboux es uno de los enunciados clásicos del Cálculo que, sin embargo, pasa inadvertido en muchos libros y no se suele ser incluido en los temarios, ni en el bachillerato ni en la Universidad. Para darse 'Ff =NÚMEROS Vol. 70  abril de 2009 Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      69cuenta del poco interés que despierta este resultado, basta observar que en el libro (Spivak, M., 1986) se le menciona sólo como un ejercicio de la sección de problemas del capítulo 11: Teorema 2 (de Darboux) Sea  derivable en )(xF [ ]ba,  y )(')(' bFaF <  (análogamente para ). Sea )(')(' bFaF > R∈γ tal que )(')(' bFaF << γ , entonces existe  tal que ),( bac∈γ=)(' cF . Notas sobre el teorema 2. Del teorema 2 se deduce que una función que no cumpla la propiedad de los valores intermedios en un intervalo, no puede ser la derivada de otra, es decir no es del tipo  .  f'Ff =Interpretación visual: si en la gráfica de una función se aprecia  un  agujero en su rango, entonces  no tiene antiderivada. ffEl análisis completo del tipo de discontinuidad que puede tener una función derivada, puede verse, por ejemplo, en el artículo (Klippert, J., 2000). Su demostración (que no incluimos aquí), se logra gracias al teorema de Darboux: Teorema 3 Sea F derivable en , y [ ba, ] ),(0 bax ∈ . Si es discontinua en  entonces: 'F 0xa) 'F  no tiene una discontinuidad evitable en . 0xb) 'F  no tiene una discontinuidad de salto en . 0xc)  y ±∞≠−→ )('lim0 xFxx ±∞≠+→ )('lim0 xFxx . Notas sobre el teorema 3. La única posibilidad de que 'F  tenga una discontinuidad en un punto  es que o bien  no exista, o bien  no exista. 0x)('lim0xFxx −→)('lim0xFxx +→Interpretación visual: Si en la gráfica de una función no se aprecian discontinuidades evitables, de salto, o de salto infinito, entonces la función podría ser del tipo . ff 'Ff =Por tanto, la única discontinuidad que se le permite a una función  para que tenga antiderivada es la no existencia de alguno de los límites laterales en algún punto.  fA este último tipo de discontinuidad generalmente no se le presta demasiada atención: la no existencia de algún límite lateral en un punto no parece aportar mucha información, más allá de la manera errática con el que la función parece comportarse cerca del punto. Pero con el teorema 3 se puede apreciar que, mientras que una función  con una discontinuidad evitable, de salto o infinita en un punto no puede tener antiderivada, una función que no tenga límite lateral en un punto sí puede tenerla. fSociedad Canaria Isaac Newton de Profesores de Matemáticas Vol. 70  abril de 2009 Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      70 NÚMEROS Vol. 70  abril de 2009 3. Estcomo en los primeros cursos de Cálculo. Una vez que se comprueba que la función es continua en un punto , se estudia la derivabilidad en ese punto calculando el límite de la definición de Cauchy: udio de la derivabilidad de funciones continuas  Los problema acerca de la continuidad y derivabilidad de funciones, son habituales tanto en bachillerato  0x00 xxxx −0 )()(limxFxF −→Esto funciona bien para funciones sencillas, pero si las expresiones se complican a lgo, el cociente que aparece dentro del límite también lo hace, y su cálculo se vuelve farragoso. En estos casos Los tres ejemplos que damos a continuación, abarcan todas las situaciones que nos podemos s. Ejemplo 1. Hallar a y b, para que sea derivable en los recursos teóricos anteriores son una alternativa válida para resolver estos problemas.   encontrar al estudiar la derivabilidad de las funcione1−=x  la función: +−≤+= 1)(32xxsibaxxF  Solución. Igualando los límites laterales en ⎩ −>+ 12 xsibax⎨⎧1−=x , se obtiene la condición , que hay que fijar para asegurar la continu . Adem   si baba 21+−−=+idad ásaxxF 2)(' = 1−<x   ; = axxF 1+  si 3)(' 2 1−>x  Se verifica que x 1−→ 1a  y 13)(xF 2)('lim −=− 'lim +=+ axF , por tanto: −→xa) Si 132 +=− aa duce qb) , existe )(lim1xFx −→ , y del teorema 1 se de ue F es derivable en 1−=x . Si 132 +', entonces F≠− aa  no tiene derivada en 1−=x , pues si existiese entonces 'F  tendría una discontinuidad de salto en 1−=x , lo que no es posible por el teoremEjemplo 2. Estudiar la derivabilidad en a 3(b).   de ⎪⎩⎪⎨⎧>≤=00)(331xsixxsixxF  0=x0=xSolución. Esta función es continua en . Además 323  si 1)('−= xxF   ;  23)(' xxF =0<x 0>x   si  Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      71En este caso F  no tiene derivada en 0=x . Observemos que , por tanto si existiese ∞=−→ )('lim0 xFx'F  en , tendríamos un rema 3(c). Ejemplo 3. Estudiar la derivabilidad en 0=x a contradicción con el teo0=x  de la función: ⎪⎩⎪⎨⎧ ≠12 xsixsenxF==000)(xsix  Solución. Esta función es continua en 0=x . Observemos que xxxsenxF 1cos12)(' −=    si 0≠x  )(' xF no existe. En este ej o, el teorema 3 no decide acercaPor tanto x→ empl  de la derivabilidad de F en  y debemos usar la definición para saberlo. Se verifica que lim00=x0)0()(lim =− FxF . Por tanto, F es derivable en  mientras que 'F 0=x  no es continua en 0=x . 00 −→ xx4. Estudio de la existencia de antiderivadas Se dice que una función f tiene antiderivada (o primitiva) en [ ]ba,  si existe F tal que )()(' xfxF =  para cada x de [ ]ba, . de bachillerato y en los primeros cuEl teorema fundamental del Cálculo integral es uno de los tópicos que se explican en segundo rsos de Cálculo. Este teorema asegura que si f es continua en xf[ ]ba, , entonces ∫=afxF )(  es derivable y )(' xFx)(=  para cada x d . Por tanto cada s cursos de bachillerato y de Cálculo, se utiliza mucho el recurso de la observación directa de una gráfica para deducir las propiedades de la misma, independientemente de la fórmula que tenga la funla fórmula de la función, con el objetivo de analizar, mediante la observación apoyada en los resultados teóricos, la existencia de la antiderivada. Ejemplo 4. Analizar la existencia de antiderivada de las funciones cuyas gráficas son las siguientes: e [ ]ba,función continua posee antiderivada. 4.1 Análisis gráfico de la existencia de antiderivada En loción. Así, los alumnos aprenden a visualizar la continuidad, derivabilidad, crecimiento, puntos críticos, concavidad y otras propiedades, lo que les ayuda a representar correctamente la gráfica de funciones. Con esta filosofía se propone el ejemplo 4. En él se dan una serie de gráficas, sin detallar Sociedad Canaria Isaac Newton de Profesores de Matemáticas Vol. 70  abril de 2009 Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      72 -1 1    -1 1    -1 1  Figura 1 Figura 2 Figura 3 11/21/n1    -1 1       Figura 4 Figura 5 Figura 6 Solución. La función de la figura 1 es continua, por tanto tiene antiderivada por el teorema fundamental del Cálculo. La función de la figura 2 tiene una discontinuidad evitable, y la de la figura 3 tiene una discontinuidad de salto. Ambas cumplen la propiedad de los valores intermedios pero no tienen antiderivada debido al teorema 3(a) y 3(b). La función de la figura 4 tiene una discontinuidada en el origen y en cada nx 1= . Ya que su rango sólo está formado por 0 y 1, no tiene antiderivada por el teorema de Darboux. La función de la figura 5 tiene una asíntota vertical por la derecha en el eje x. Debido al teorema 3(c) no tiene antiderivada. Las función de las figura 6 no tiene límite ni por la derecha ni por la izquierda en el origen. Por tanto los resultados teóricos no resuelven si existe o no existe antiderivada. 4.2 Existencia de antiderivada en casos “raros” Ya dijimos antes que cada función continua posee antiderivada, gracias al teorema fundamental del Cálculo integral. El que una función discontinua tenga antiderivada es una circunstancia rara, pero no tanto. El ejemplo 3 ya nos proporciona una función que ilustra este hecho. Tomemos: ⎪⎩⎪⎨⎧=≠−=0001cos12)(xsixsixxxsenxf  La función  tiene antiderivada, aunque tiene una discontinuidad en 0. Observemos que se verifica que , donde f)(')( xFxf = F  es la función del ejemplo 3. NÚMEROS Vol. 70  abril de 2009 Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      73En el ejemplo 5, damos otras dos funciones que verifican este hecho. Un estudio más intensivo (y más complicado) de este tipo de funciones puede verse en el artículo (Hartmann, F.; Sprow, D., 1995) Ejemplo 5. Probar que las siguientes funciones tienen antiderivada en cada punto de R. a) xsenxxxf 11cos2)( += si 0≠x ; 0)0( =f  b) xsenxg 1)( = si  ; 0≠x 0)0( =g  Solución. Las gráficas de y  tienen un comportamiento similar a la figura 6. Ninguna de las dos funciones son continuas en , porque no existen sus límites cuando x tiende a 0 . Por el teorema 3, podrían tener antiderivada. )(xf )(xg0=xLa función xxxF 1cos)( 2=  si 0≠x ; 0)0( =F , verifica que xsenxxxF 11cos2)(' +=  si , y . 0≠x 0)0(' =FPor otro lado la función xxxh 1cos2)( =  si 0≠x ; 0)0( =h , es continua en todo R, y su antiderivada es . ∫= x hxH0)(Por último, la función HF − es la antiderivada de g (otra solución puede verse en el artículo (Klippert, J., 2000). Finalmente, en los primeros cursos de Cálculo se explica que una función puede ser integrable aún no siendo continua. En todo caso, si f es integrable en [ ]ba, , entonces la función  verifica que en cada punto c del intervalo en el que f sea continua (ver Spivak, M., 1986, p. 357). ∫=xafxF )()()(' cfcF =En el ejemplo 6 veremos que la igualdad anterior puede darse, también, en puntos donde f no sea continua. Ejemplo 6. Dada la función (cuya gráfica es la de la figura 4): [ ] Rf →1,0:  tal que ⎪⎩⎪⎨⎧ ==casootroennxsixf011)(  Probar que no es continua en 0=x , que es integrable en [ ]1,0  y que la función  verifica que . ∫= x dttfxF0)()( )0()0(' fF =Sociedad Canaria Isaac Newton de Profesores de Matemáticas Vol. 70  abril de 2009 Derivadas y antiderivadas F. Martínez de la Rosa      74 Solución. Es claro que f no es continua en 0=x  ya que no existe. )(lim0xfx→Para ver que la función es integrable en [ ]1,0  es suficiente probar que para cada 0>ε  existe una partición P de [  tal que ]1,0 ε<− ),(),( PfLPfU . Es evidente que para cada partición P de [ ]1,0 , la suma inferior de f en P, , vale cero. Comprobemos que para cada ),( PfL0>ε  existe una partición P tal que la suma superior de f en P verifique que ε<),( PfU . Dado 0>ε , existe  tal que para cada  es Nk ∈ kn ≥ )2,0(1 ε∈n. Por tanto si elegimos una partición }1,...,2,0{ 10 ==== ntttP ε  tal que cada knn <,1, esté contenido en un único intervalo de longitud menor que 12 +nε, tenemos: εεεεεε =<++++< ∑∞=132 22...222),(iikPfU  Por tanto f es integrable en [ ]1,0 , , y la función  verifica que . 010=∫ f ∫= x dttfxF0)()()0()0(' fF =Bibliografía Hartmann, F.; Sprow, D. (1995). “Oscillating Sawtooth Functions”. Mathematics Magazine, vol. 68, nº 3, pp. 211-213. Klippert, J. (2000). “On a discontinuity of a derivative”. Int. J. Math. Educ. Sci. Technol., Vol.31, nº 2, pp. 282-287. Spivak, M. (1986). “CALCULUS. Cálculo infinitesimal”. Ed. Reverté. Félix Martínez de la Rosa. Catedrático de E. U. de Matemática aplicada en la Facultad de CC. EE. y Empresariales de la Universidad de Cádiz. Investigaciones en educación matemática acerca de la diferenciación de funciones reales de una y dos variables, y sobre la visualización. E-mail: felix.martinez@uca.es  NÚMEROS Vol. 70  abril de 2009 

Derivadas y antiderivadas

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