Derivada de la función inversa

Al estudiar el comportamiento gráfico de una función y de su inversa, podemos notar que estas están reflejadas a través de la recta identidad, tomando esto en cuenta, pudiéramos determinar la derivada de la inversa de una función a partir de la derivada de la función original, pero, ¿de qué forma?

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Si estudiamos gráficamente la derivada de la función cuadrática, f(x)=x^2, en el punto x=1, sabemos que esta define la pendiente de la recta tangente a la curva en el punto (1,1). Esta pendiente es igual a 2.

Derivada de la función inversa | totumat.com

Por otra parte, si estudiamos gráficamente la derivada de la función raíz cuadrada, f^{-1}(x)=\sqrt{x}, en el punto x=1, esta define la pendiente de la recta tangente a la curva en el punto (1,1). Esta pendiente es igual a \frac{1}{2}.

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Debemos notar que la función cuadrática y la función raíz cuadrada son funciones inversas, y el resultado de cada una de sus derivadas, 2 y \frac{1}{2}, son inversamente proporcionales. Más aún, las rectas tangentes a ambas funciones en el punto (1,1) parecieran ser una reflexión de la otra a través de la recta identidad, esto se puede apreciar mejor en el siguiente gráfico:

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Esto sugiere que sus derivadas son inversamente proporcionales, para ser más precisos, la derivada de la función inversa de f evaluada en y_0 es inversamente proporcional a la derivada de la función f en la preimagen de y_0. Esta idea se presenta formalmente con el siguiente teorema:

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Teorema (La derivada de la función inversa)

Sea f : (a,b) \longrightarrow \mathbb{R} una función inyectiva, derivable en un punto x_0=f^{-1}(y_0) del intervalo (a,b), tal que f'(f^{-1}(y_0)) \neq 0. Entonces, f^{-1} es derivable en y_0 y además,

(f^{-1})'(y_0) = \dfrac{1}{f'\big( f^{-1}(y_0) \big)}

Podemos presentar esta última expresión de una forma más amigable, y es que si consideramos una variable x=f^{-1}(y), podemos reescribir la derivada de la variable x respecto a la variable y como un cociente de diferenciales de la siguiente forma:

(f^{-1})'(y) = \frac{d}{dy} \left( f^{-1}(y) \right) = \frac{dx}{dy}

Por otra parte, también podemos reescribir la derivada f'\left( f^{-1}(y) \right) como un cociente de diferenciales, tomando en cuenta que f y f^{-1} son funciones inversas, de la siguiente forma:

f'\left( f^{-1}(y) \right) = \frac{d}{dx} \left( f\left( f^{-1}(y) \right) \right) = \frac{dy}{dx}

Entonces, aplicando el teorema para calcular la derivada de la función inversa, tenemos que

\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{ \ \ 1 \ \ }{\dfrac{dy}{dx}}

Notemos que esta última expresión es equivalente a \frac{dy}{dx} = \frac{ \ \ 1 \ \ }{\frac{dx}{dy}} y aunque este teorema es potente para el desarrollo de las matemáticas, existen algunos casos en la práctica donde resulta útil. Veamos en los siguientes ejemplos, algunas funciones para entender como calcular la función inversa usando este el teorema.

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Ejemplos

Ejemplo 1

Considerando la función f(x)=x^2, calcule la derivada de su función inversa f^{-1}(x)=\sqrt{x}.

Debemos tomar en cuenta que la derivada de la función f(x) es igual a f'(x)=2x. Al evaluar la derivada en f^{-1}(x), obtenemos la expresión

f' \left( f^{-1}(x) \right) = 2 \cdot f^{-1}(x)

Entonces, procedemos a calcular la derivada de la función inversa aplicando el teorema de la siguiente forma:

(f^{-1})'(x) = \dfrac{1}{f'(f^{-1}(x))}

= \dfrac{1}{2f^{-1}(x)}

= \dfrac{1}{2\sqrt{x}}

Ejemplo 2

Considerando la función f(x)=(x+1)^3, calcule la derivada de su función inversa f^{-1}(x)=\sqrt[3]{x}-1.

Debemos tomar en cuenta que la derivada de la función f(x) es igual a f'(x)=3(x+1)^2. Al evaluar la derivada en f^{-1}(x), obtenemos la expresión

f' \left( f^{-1}(x) \right) = 3\left( f^{-1}(x) + 1 \right)^2

Entonces, procedemos a calcular la derivada de la función inversa aplicando el teorema de la siguiente forma:

(f^{-1})'(x) = \dfrac{1}{f'(f^{-1}(x))}

= \dfrac{1}{3\left( f^{-1}(x) + 1 \right)^2}

= \dfrac{1}{3\left( \sqrt[3]{x}-1 + 1 \right)^2}

= \dfrac{1}{3\left( \sqrt[3]{x} \right)^2}

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Ejemplo 3

Expresando la derivada como un cociente de diferenciales también podemos llevar a cabo el procedimiento al estudiar variables dependientes, considerando la variable y=-2x+5, calcule la derivada de su función inversa x=-\frac{1}{2}y + \frac{5}{2}.

Debemos tomar en cuenta que la derivada de y respecto a la variable x es igual a \frac{dy}{dx}=-2, de esta forma, procedemos a calcular la derivada de la función inversa aplicando el teorema de la siguiente forma:

\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{\frac{dy}{dx}}

= \dfrac{1}{-2}

= -\dfrac{1}{2}

Ejemplo 4

Expresando la derivada como un cociente de diferenciales también podemos llevar a cabo el procedimiento al estudiar variables dependientes, considerando la variable y=\textit{\Large e}^{x+1} + 7, calcule la derivada de su función inversa x= \ln(y-7) - 1.

Debemos tomar en cuenta que la derivada de y respecto a la variable x es igual a \frac{dy}{dx}=\textit{\Large e}^{x+1}, de esta forma, procedemos a calcular la derivada de la función inversa aplicando el teorema de la siguiente forma:

\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{\frac{dy}{dx}}

= \dfrac{1}{\textit{\Large e}^{x+1}}

Finalmente, sustituyendo la variable x = \ln(y-7) - 1 en este último resultado, obtenemos lo siguiente:

\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{\textit{\Large e}^{\ln(y-7) - 1+1}}

= \dfrac{1}{\textit{\Large e}^{\ln(y-7)}}

= \dfrac{1}{y-7}

Nota: Se mantiene que \textit{\Large e}^{\ln(y-7)} = y-7 pues la función exponencial y la función logaritmo neperiano son funciones inversas.


Derivación Implícita

Al considerar una función de la forma y=f(x), estamos definiendo a la función $f$ de forma explícita, recurriendo a y como una variable que depende enteramente de la variable x, sin embargo, este no siempre es el caso.

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Definimos una función implícita como una relación entre dos variables a través de una igualdad. Si consideramos la ecuación general de la recta ax + by + c = 0, esta define una función implícita, aunque hay casos más interesantes pues al considerar la ecuación x^2+y^2=1 esta es la función implícita que define una circunferencia en el plano cartesiano centrada en el origen y de radio igual a 1.

Pudiéramos intentar definir esta circunferencia usando funciones explícitas como lo hemos hecho anteriormente pero no tendríamos éxito, a lo sumo pudiéramos definir semi-circunferencias con las expresiones

f(x) = \sqrt{1-x^2} ó f(x) = -\sqrt{1-x^2}

Es posible hacer un análisis marginal de este tipo de funciones usando derivadas, sin embargo, al no poder estudiar la función como un todo, es necesario considerar una variable como independiente y estudiar el comportamiento de la otra como si fuera una variable dependiente.

Para esto debemos adoptar la notación de la derivada como un cociente de diferenciales \frac{dy}{dx} ó \frac{dx}{dy} pues de esta forma podremos identificar las variables que estamos estudiando de forma clara. Veamos con algunas ejemplos como calcular este tipo de derivadas.

Ejemplos

Ejemplo 1

Sea x^2+y^2=1 una función implícita. Calcule al derivada de la variable y respecto a la variable x, es decir, calcule \frac{dy}{dx}.

Empezaremos derivando respecto a la variable x en ambos lados de la ecuación x^2+y^2=1 para obtener

\frac{d(x^2+y^2)}{dx} = \frac{d(1)}{dx}

Notamos que al derivar una suma, podemos separar cada uno de los sumandos para calcular la deriva de cada uno

\frac{d(x^2)}{dx} + \frac{d(y^2)}{dx}= \frac{d(1)}{dx}

Derivamos la función x^2 respecto a x usando la regla del exponente tal como la hemos aprendido, sin embargo, al derivar y^2 debemos tomar en cuenta que la variable y se está comportando como una variable dependiente, de esta forma, debemos aplicar la regla de la cadena tal como si estuviéramos derivando una función. Por último, la derivada de 1 es igual a 0 por ser esta una constante.

2x + 2y \dfrac{dy}{dx}= 0

Finalmente, despejamos \dfrac{dy}{dx} para expresar esta derivada de forma explícita.

2x + 2y \dfrac{dy}{dx} = 0

\Rightarrow \; 2y \dfrac{dy}{dx} = -2x

\Rightarrow \; \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{-2x}{2y }

\Rightarrow \; \dfrac{dy}{dx} = -\dfrac{x}{y }

Nota: La regla de la cadena indica que si tenemos una función compuesta de la forma f^n, entonces la derivada de esta viene dada por n \cdot f^{n-1} \cdot f'.

Ejemplo 2

Sea 3x-2y+5xy=6 una función implícita. Calcule al derivada de la variable x respecto a la variable y, es decir, calcule \frac{dx}{dy}.

3x-2y+5xy=6

\Rightarrow \; \dfrac{d(3x-2y+5xy)}{dy} = \dfrac{d(6)}{dy}

\Rightarrow \; \dfrac{d(3x)}{dy} - \dfrac{d(2y)}{dy} + \dfrac{d(5xy)}{dy} = \dfrac{d(6)}{dy}

\Rightarrow \; 3\dfrac{dx}{dy} - 2 + 5\dfrac{dx}{dy}y + 5x = 0

\Rightarrow \; 3\dfrac{dx}{dy} + 5\dfrac{dx}{dy}y = 2 - 5x

\Rightarrow \; \dfrac{dx}{dy}(3+5y) = 2 - 5x

\Rightarrow \; \dfrac{dx}{dy} = \dfrac{2 - 5x}{3+5y}

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Ejemplo 3

Sea \ln(9x-4y) + 3x^6 = 3y^3 una función implícita. Calcule al derivada de la variable y respecto a la variable x, es decir, calcule \frac{dy}{dx}.

\ln(9x-4y) + 3x^6 = 3y^3

\Rightarrow \; \dfrac{d(\ln(9x-4y) + 3x^6)}{dx} = \dfrac{d(3y^3)}{dx}

\Rightarrow \; \dfrac{d(\ln(9x-4y))}{dy} + \dfrac{d(3x^6)}{dx} = \dfrac{d(3y^3)}{dx}

\Rightarrow \; \dfrac{1}{9x-4y}\dfrac{d(9x-4y)}{dx} + \dfrac{d(3x^6)}{dx} = \dfrac{d(3y^3)}{dx}

\Rightarrow \; \dfrac{1}{9x-4y}\left( 9-4\dfrac{dy}{dx} \right) + 18x^5 = 9y^2\dfrac{dy}{dx}

\Rightarrow \; \dfrac{9}{9x-4y} - \dfrac{4}{9x-4y} \dfrac{dy}{dx} + 18x^5 = 9y^2\dfrac{dy}{dx}

\Rightarrow \; \dfrac{dy}{dx} \left( - \dfrac{4}{9x-4y} - 9y^2 \right) = - \dfrac{9}{9x-4y} - 18x^5

\Rightarrow \; \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{- \frac{9}{9x-4y} - 18x^5 }{- \frac{4}{9x-4y} - 9y^2 }

\Rightarrow \; \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{ \frac{9}{9x-4y} + 18x^5 }{ \frac{4}{9x-4y} + 9y^2 }

Para simplificar la escritura de este tipo de ejercicios, podemos usar la notación y' para denotar \dfrac{dy}{dx} y la notación x' para denotar \dfrac{dx}{dy}. De esta forma se pueden ilustrar este tipo de ejercicios con mayor claridad, siempre que se tenga claro el papel que juega cada una de las variables. Veamos como usar esta notación en los ejemplos siguientes.

Ejemplo 4

Sea 9y^4 - 2x^7 = 10 + 4\sqrt{xy} una función implícita. Calcule al derivada de la variable y respecto a la variable x, es decir, calcule \frac{dy}{dx}.

9y^4 - 2x^7 = 10 + 4\sqrt{xy}

\Rightarrow \; (9y^4 - 2x^7)' = (10 + 4\sqrt{xy})'

\Rightarrow \; (9y^4)' - (2x^7)' = (10)' + (4\sqrt{xy})'

\Rightarrow \; 36y^3\cdot y' - 14x^6 = 0 + \dfrac{4}{\sqrt{xy}}(xy)'

\Rightarrow \; 36y^3\cdot y' - 14x^6 = \dfrac{4}{\sqrt{xy}}(1 \cdot y + x \cdot y')

\Rightarrow \; 36y^3\cdot y' - 14x^6 = \dfrac{4}{\sqrt{xy}} y + \dfrac{4}{\sqrt{xy}} x \cdot y'

\Rightarrow \; 36y^3\cdot y' - \dfrac{4x}{\sqrt{xy}} \cdot y' = \dfrac{4y}{\sqrt{xy}} + 14x^6

\Rightarrow \; \left( 36y^3 - \dfrac{4x}{\sqrt{xy}} \right) y' = \dfrac{4y}{\sqrt{xy}} + 14x^6

\Rightarrow \; y' = \dfrac{\frac{4y}{\sqrt{xy}} + 14x^6}{36y^3 - \frac{4x}{\sqrt{xy}}}

También se puede recurrir a una variable auxiliar cuando nos topamos con una expresión engorrosa de escribir reiteradas veces.

Ejemplo 5

Sea \text{\Large e}^{10x^5+8y^2+20} - 8 = 10 + 6y^{11} una función implícita. Calcule al derivada de la variable y respecto a la variable x, es decir, calcule \frac{dx}{dy}.

\underbrace{\text{\Large e}^{10x^5+8y^2+20}}_\text{a} - 8 = 10 + 6y^{11}

\Rightarrow \; (a-8)' = (10 + 6y^{11})'

\Rightarrow \; (a)' - (8)' = (10)' + (6y^11)'

\Rightarrow \; a(50x^4 \cdot x'+16y + 0) - 0 = 0 + 66y^{10}

\Rightarrow \; a50x^4 \cdot x'+a16y = 66y^{10}

\Rightarrow \; 50x^4 a \cdot x' = 66y^{10} - 16y a

\Rightarrow \; x' = \dfrac{66y^{10} - 16ya}{50x^4 a }

\Rightarrow \; x' = \dfrac{66y^{10} - 16y \text{\Large e}^{10x^5+8y^2+20}}{50x^4 \text{\Large e}^{10x^5+8y^2+20}}


Finalmente, siempre recordemos que al calcular derivadas implícitas de funciones tendremos una variable dependiente y una independiente. La nota siguiente nos ayudará a recordar:

Note que en el numerador siempre tendremos la variable dependiente y en el denominador la variable independiente.