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2.11: Diferenciación implícita

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

La diferenciación implícita es un truco simple que se utiliza para computar derivadas de funciones ya sea

  • cuando no conoces una fórmula explícita para la función, pero conoces una ecuación que la función obedece o
  • incluso cuando se tiene una fórmula explícita, pero complicada, para la función, y la función obedece a una ecuación simple.

El truco es simplemente diferenciar ambos lados de la ecuación y luego resolver por la derivada que estamos buscando. De hecho ya lo hemos hecho, sin usar el nombre “diferenciación implícita”, cuando encontramos la derivada delogx en el apartado anterior. Ahí sabíamos que la funciónf(x)=logx satisfizo la ecuaciónef(x)=x para todos Esx. decir, las funcionesef(x) yx son de hecho la misma función y así tienen la misma derivada. Así que tuvimos

\ comenzar {reunir*}\ dfrac {d} {dx} e^ {f (x)} =\ dfrac {d} {dx} x = 1\ end {reunir*}

Luego usamos la regla de la cadena para obtener laddxef(x)=ef(x)f(x), cual nos dijo quef(x) obedece a la ecuación

\ begin {align*} e^ {f (x)} f' (x) &=1 &\ text {y ahora podemos resolver para $f' (x) $}\\ f' (x) &= e^ {-f (x)} = e^ {-\ log x} =\ frac {1} {x}. \ end {align*}

La forma típica de acostumbrarse a la diferenciación implícita es jugar con problemas que involucran líneas tangentes a curvas. Entonces aquí hay algunos ejemplos encontrando las ecuaciones de líneas tangentes a curvas. Recordemos, del Teorema 2.3.4, que, en general, la línea tangente a la curvay=f(x) en(x0,y0) esy=f(x0)+f(x0)(xx0)=y0+f(x0)(xx0).

Ejemplo 2.11.1 Encontrar una línea tangente usando diferenciación implícita.

Encuentra la ecuación de la línea tangente ay=y3+xy+x3 atx=1.

Este es un ejemplo sonoro muy estándar, pero que se complica un poco por el hecho de que la curva viene dada por una ecuación cúbica —lo que significa que no podemos resolver directamente paray en términos dex o viceversa. Entonces realmente necesitamos diferenciación implícita.

  • Primero notamos que cuandox=1 la ecuación,y=y3+xy+x3, de la curva se simplifica ay=y3+y+1 oy3=1, que podemos resolver 1:y=1. Entonces sabemos que la curva pasa por(1,1) cuandox=1.
  • Ahora, para encontrar la pendiente de la línea tangente en(1,1), pretender que nuestra curva esy=f(x) así quef(x) obedece

    \ begin {alinear*} f (x) &= f (x) ^3 + x f (x) + x^3\ end {alinear*}

    para todosx. Diferenciar ambos lados da

    \ begin {reunir*} f' (x) =3f (x) ^2f' (x) +f (x) +xf' (x) +3x^2\ end {reunir*}

  • En este punto podríamos aislarlof(x) y escribirlo en términos def(x) yx, pero ya que solo queremos respuestas cuandox=1, vamos a sustituir enx=1 yf(1)=1 (ya que la curva pasa a través(1,1)) y limpiar las cosas antes de hacer cualquier otra cosa.
  • Subbing enx=1, f(1)=1 da

    \ begin {align*} f' (1) &=3f' (1) -1+f' (1) +3 &\ text {y así} f' (1) =-\ frac {2} {3}\ end {align*}

  • La ecuación de la línea tangente es

    \ begin {reunir*} y=y_0+f' (x_0) (x-x_0) =-1-\ frac {2} {3} (x-1) =-\ frac {2} {3} x-\ frac {1} {3}\ end {reunir*}

Podemos limpiar aún más la ecuación de la línea para escribirla como2x+3y=1.

En el ejemplo anterior sustituimosy porf(x) en medio del cómputo. En realidad no tenemos que hacer esto. Cuando estamos escribiendo nuestra solución podemos recordar quey es una función dex. Así podemos comenzar con

\ begin {align*} y &=y^3+xy+x^3 &\\\ end {alinear*}

y diferenciar recordando queyy(x)

\ begin {align*} y' &= 3 y^2 y' + xy' + y + 3x^2\\\ end {alinear*}

Y ahora sustitutox=1,y=1 para conseguir

\ begin {align*} y' (1) &= 3\ cdot y' (1) + y' (1) - 1 + 3 &\ text {y así}\\ y' (1) &= -\ frac {2} {3}\ end {align*}

El siguiente es a la vez un poco más fácil (porque es cuadrático) y un poco más difícil (porque se nos pide la tangente en un punto general de la curva, no uno específico).

Ejemplo 2.11.2 Otra línea tangente mediante diferenciación implícita.

Dejar(x0,y0) ser un punto en la elipse3x2+5y2=7. Encuentra la ecuación para las líneas tangentes cuandox=1 yy es positiva. Luego encuentra una ecuación para la línea tangente a la elipse en un punto general(x0,y0).

Como no se nos da un punto específicox0 vamos a tener que tener cuidado con la segunda mitad de esta pregunta.

  • Cuandox=1 la ecuación se simplifica a

    \ begin {alinear*} 3 + 5y^2 &= 7\\ 5y^2 &= 4\\ y &=\ pm\ frac {2} {\ sqrt {5}}. \ end {align*}

    Solo nos interesay, lo positivo por lo que nuestro punto en la curva es(1,2/5).
  • Ahora utilizamos diferenciación implícita para encontrardydx en este punto. Primero pretendemos que hemos resuelto la curva explícitamente, para algún intervalo dex's, comoy=f(x). La ecuación se vuelve

    \ begin {align*} 3x^2 + 5f (x) ^2 &= 7 &\ text {ahora diferenciar}\\ 6x + 10 f (x) f' (x) &= 0\\ f' (x) &= -\ frac {3x} {5f (x)}\ end {align*}

  • Cuandox=1,y=2/5 esto se convierte en

    \ begin {align*} f' (1) &= -\ frac {3} {5\ cdot 2/\ sqrt {5}} = -\ frac {3} {2\ sqrt {5}}\ end {align*}

    Entonces la línea tangente pasa a través(1,2/5) y tiene pendiente325. De ahí que la línea tangente tenga ecuación

    \ begin {align*} y &=y_0+f' (x_0) (x-x_0)\\ &=\ frac {2} {\ sqrt {5}} -\ frac {3} {2\ sqrt {5}} (x-1)\\ &=\ frac {7 - 3x} {2\ sqrt {5}} &\ text {o equivalentemente}\ 3x + 2\ sqrt {5} y&= 7\ final {alinear*}

Ahora debemos regresar y hacer lo mismo pero para un punto general en la curva(x0,y0):

  • Un buen primer paso aquí es bosquejar la curva. Como se trata de una elipse, es bastante sencilla.

  • Observe que hay dos puntos en la elipse —los extremos derecho e izquierdo(x0,y0)=±(73,0) — en los que la línea tangente es vertical. En esos dos casos, la línea tangente es solox=x0.
  • Ya que esto es un cuadrático puesy, podríamos resolverlo explícitamente para obtener

    \ begin {align*} y &=\ pm\ sqrt {\ frac {7-3x^2} {5}}\ end {align*}

    y elegir la rama positiva o negativa según corresponda. Entonces podríamos diferenciarnos para encontrar la pendiente y armar las cosas para obtener la línea tangente.

    Pero incluso en este caso relativamente fácil, es computacionalmente más limpio, y por lo tanto menos vulnerable a errores mecánicos, usar diferenciación implícita. Entonces eso es lo que haremos.

  • Ahora podríamos nuevamente “fingir” que hemos resuelto la ecuación para la elipse paray=f(x) cerca(x0,y0), pero no hagamos eso. En cambio (como hicimos justo antes de este ejemplo) solo recuerda que cuando nos diferenciamosy es realmente una función dex. Así que a partir de

    \ begin {alinear*} 3x^2 + 5y^2 &=7 &\ text {diferenciando da}\\ 6x + 5\ cdot 2y\ cdot y' &= 0\ end {alinear*}

    Entonces podemos resolver esto paray:

    \ begin {align*} y' &= -\ frac {3x} {5y}\ end {align*}

    dondey yy son ambas funciones dex.
  • De ahí que en el punto(x0,y0) tenemos

    \ begin {alinear*}\ izquierda. y'\ derecha|_ {(x_0, y_0)} &= -\ frac {3x_0} {5y_0}\ end {align*}

    Esta es la pendiente de la línea tangente en(x0,y0) y así su ecuación es

    \ begin {align*} y &=y_0+y'\ cdot (x-x_0)\\ &= y_0 -\ frac {3x_0} {5y_0} (x-x_0)\\ final {alinear*}

    Podemos simplificar esto multiplicando por5y0 para obtener

    \ begin {align*} 5y_0 y &= 5y_0^2-3x_0x +3x_0^2\\\ end {align*}

    Podemos limpiar esto más moviendo todos los términos que contienenx oy hacia el lado izquierdo y todo lo demás a la derecha:

    \ begin {align*} 3x_0x+5y_0y &=3x_0^2+5y_0^2\\\ end {alinear*}

    Pero hay una cosa más que podemos hacer, nuestra ecuación original es3x2+5y2=7 para todos los puntos de la curva, así que sabemos que3x20+5y20=7. Esto limpia el lado derecho.

    \ begin {align*} 3x_0x+5y_0y &=7\ end {alinear*}
  • Al derivar esta fórmula para la línea tangente en(x0,y0) hemos asumido quey00. Pero de hecho la respuesta final pasa a funcionar también cuandoy0=0 (que significax0=±73), de modo que la línea tangente esx=x0.

También podemos comprobar que nuestra respuesta para general se(x0,y0) reduce a nuestra respuesta parax0=1.

  • Cuandox0=1 resolvimos quey0=2/5.
  • Conectando esto a nuestra respuesta anterior da

    \ begin {align*} 3x_0x+5y_0y &=7 &\ text {sub en $ (x_0, y_0) = (1,2/\ sqrt {5}) $}:\\ 3 x + 5\ frac {2} {\ sqrt {5}} y &= 7 &\ text {limpiar un poco}\\ 3x + 2\ sqrt {5} y &=7\ final {alinear*}

    según se requiera.
Ejemplo 2.11.3 Un ejemplo más involucrado.

¿En qué puntos la curvax2xy+y2=3 cruza elx eje —eje? ¿Las líneas tangentes a la curva son paralelas en esos puntos?

Esta es una pregunta de 2 partes: primero lasx -intercepta y luego tenemos que examinar las líneas tangentes.

  • Encontrar donde la curva cruza elx eje es recto. Lo hace cuandoy=0. Esto significax satisface

    \ begin {align*} x^2-x\ cdot 0+0^2&=3 &\ text {así $x =\ pm\ sqrt {3} $}. \ end {align*}

    Entonces la curva cruza elx eje —en dos puntos(±3,0).
  • Ahora necesitamos encontrar las líneas tangentes en esos puntos. Pero en realidad no necesitamos las líneas, solo sus pendientes. Nuevamente podemos pretender que cerca de uno de esos puntos la curva estáy=f(x). Aplicandoddx a ambos lados dex2xf(x)+f(x)2=3 da

    \ begin {align*} 2x-f (x) -xf' (x) +2f (x) f' (x) &=0\ end {align*}

    etc. etc.
  • Pero dejemos de “fingir”. Solo asegúrate de recordar quey es una función dex cuando diferenciamos:

    \ begin {align*} x^2-xy+y^2 &= 3 &\ text {comienza con la curva, y diferencia}\\ 2x - xy' -y + 2yy' &=0 &\ end {align*}

    Ahora suplente en el primer punto,x=+3,y=0:

    \ begin {align*} 2\ sqrt {3} -\ sqrt {3} y' + 0 &=0\\ y' &= 2\ end {align*}

    Y ahora haz el segundo puntox=3,y=0:

    \ begin {align*} -2\ sqrt {3} +\ sqrt {3} y' + 0 &=0\\ y' &= 2\ end {align*}

    Así la pendiente es la misma enx=3 yx=3 y las líneas tangentes son paralelas.

Bien, alejémonos de las curvas y hagamos algo un poco diferente.

Ejemplo 2.11.4 Un juego rudo de beisbol.

Estás parado en el origen. A la hora cero un lanzador te lanza una pelota a la cabeza 2.

Figura 2.11.5.

La posición del (centro de la) pelota en el momentot esx(t)=dvt, donded está la distancia desde tu cabeza hasta el montículo del lanzador yv es la velocidad de la pelota. Tu ojo ve la bola llenando 3 un ángulo2θ(t) con

\ comenzar {reunir*}\ sin\ grande (\ theta (t)\ grande) =\ frac {r} {d-vt}\ fin {reunir*}

donder esta el radio del beisbol. La pregunta es “Qué tan rápido estáθ creciendo en el momentot?” Es decir, qué esdθdt?

  • No sabemos (todavía) cómo resolver esta ecuación para encontrarθ(t) explícitamente. Entonces usamos diferenciación implícita.
  • Para ello aplicamosddt a ambos lados de nuestra ecuación. Esto da

    \ comenzar {reunir*}\ cos\ grande (\ theta (t)\ grande)\ cdot\ theta' (t) =\ frac {rv} {(d-vt) ^2}\ fin {reunir*}

  • Entonces resolvemos paraθ(t):

    \ comenzar {reunir*}\ theta' (t) =\ frac {rv} {(d-vt) ^2\ cos\ grande (\ theta (t)\ grande)}\ fin {reunir*}

  • Como suele ser el caso, al utilizar la diferenciación implícita, esta respuesta no es muy satisfactoria porque contieneθ(t), para lo cual todavía no tenemos una fórmula explícita. Sin embargo, en este caso podemos obtener una fórmula explícita paracos(θ(t)), sin tener una fórmula explícita para conθ(t), solo mirar el triángulo en ángulo derecho en la Figura 2.11.5, arriba.
  • La hipotenusa de ese triángulo tiene longituddvt. Por Pitágoras, la longitud del lado del triángulo adyacente al ánguloθ(t) es(dvt)2r2. So

    cos(θ(t))=(dvt)2r2dvt

    y

    \ begin {reunir*}\ theta' (t) =\ frac {rv} {(d-vt)\ sqrt {(d-vt) ^2-r^2}}\ end {reunión*}

Bien — solo un ejemplo más tangente a la curva y luego pasaremos a algo diferente.

Ejemplo 2.11.6 El astroide (no eso no es un error tipográfico).

Deja(x0,y0) ser un punto sobre el astroide 4 5

\ begin {reunir*} x^ {\ frac {2} {3}} +y^ {\ frac {2} {3}} =1. \ end {reunir*}

Encuentra una ecuación para la línea tangente al astroide en(x0,y0).

  • Como fue el caso en los ejemplos anteriores podemos reescribir la ecuación del astroide cerca(x0,y0) en la formay=f(x), con una explícitaf(x), resolviendo la ecuaciónx23+y23=1. Pero nuevamente, es computacionalmente más limpia, y por lo tanto menos vulnerable a errores mecánicos, para usar diferenciación implícita. Entonces eso es lo que haremos.
  • En primer lugar, ya que(x0,y0) se encuentra en la curva, satisface

    \ begin {reunir*} x_0^ {\ frac {2} {3}} +y_0^ {\ frac {2} {3}} =1. \ end {reunir*}

  • Ahora, no pretendas quey=f(x), esta vez, solo asegúrate de recordar cuando diferenciamos esoy cambia conx.

    \ begin {alinear*} x^ {\ frac {2} {3}} +y^ {\ frac {2} {3}} &=1\\ final {alinear*}

    Comience con la curva, y luego diferencie

    \ begin {align*}\ frac {2} {3} x^ {-\ frac {1} {3}} +\ frac {2} {3} y^ {-\ frac {1} {3}} y' &=0\ end {align*}
  • Tenga en cuenta la derivada dex23, saber23x13, y la derivada dey23, saber se23y13y, definen sólo cuandox0 yy0. Nos interesa el caso quex=x0 yy=y0. Así que mejor asumimos quex00 yy00. Probablemente algo raro sucede cuando x0=0oy0=0. Volveremos a esto en breve.
  • Para continuar, nos fijamosx=x0,y=y0 en la ecuación anterior, y luego resolvemos paray:

    23x130+23y130y(x)=0y(x0)=(y0x0)13

    Esta es la pendiente de la línea tangente y su ecuación es

    y=y0+f(x0)(xx0)=y0(y0x0)13(xx0)

Ahora pensemos un poco en lo que la pendiente de la línea tangente de nos3y0x0 dice sobre el astroide.

  • Primero, como observación preliminar, señalar que sincex2300 yy2300 la ecuaciónx230+y230=1 de las fuerzas astroides0x230,y2301 y por lo tanto1x0,y01.
  • Por todax0,y0>0 la pendiente3y0x0<0. Así que en todos los puntos del astroide que se encuentran en el primer cuadrante, la línea tangente tiene pendiente negativa, es decir, está “inclinada hacia atrás”.
  • Comox0 tiende a cero,y0 tiende a±1 y la pendiente de la línea tangente tiende al infinito. Entonces en puntos del astroide cerca de(0,±1), la línea tangente es casi vertical.
  • Comoy0 tiende a cero,x0 tiende a±1 y la pendiente de la línea tangente tiende a cero. Entonces en puntos del astroide cerca de(±1,0), la línea tangente es casi horizontal.

Aquí hay una figura que ilustra todo esto.

Bastante seguro, como especulamos antes, algo raro le sucede al astroide cuandox0 oy0 es cero. El astroide es puntiforme, y no tiene una tangente ahí.

Ejercicios

Etapa 1
Ejercicio2.11.1

Si diferenciamos implícitamentex2+y2=1, obtenemos la ecuación ¿2x+2yy=0.En el paso donde diferenciamosy2 para obtener2yy, qué regla (s) a continuación estamos usando? (a) regla de poder, (b) regla de cadena, (c) regla de cociente, (d) derivadas de funciones exponenciales

Ejercicio2.11.2

Usando la siguiente imagen, estimedydx en los tres puntos donde la curva cruza ely eje.

Observación: para esta curva, un valor dex puede corresponder a múltiples valores dey. Entonces, no podemos expresar esta curva comoy=f(x) para ninguna funciónx. Esta es una situación típica donde podríamos usar diferenciación implícita.

Ejercicio2.11.3

Considera el círculo unitario, formado por todos los puntos(x,y) que satisfacenx2+y2=1.

  1. ¿Hay alguna funciónf(x) para que describay=f(x) completamente el círculo unitario? Es decir, ¿para que los puntos(x,y) que haceny=f(x) verdadera la ecuación sean exactamente los mismos puntos que hacen que la ecuación seax2+y2=1 cierta?
  2. ¿Hay alguna funciónf(x) para que describay=f(x) completamente la pendiente del círculo unitario? Es decir, para que por cada punto(x,y) del círculo unitario, la pendiente de la línea tangente al círculo en ese punto viene dada porf(x)?
  3. Utilice la diferenciación implícita para encontrar una expresión paradydx. Simplificar hasta que la expresión sea una función en términos dex solo (noy), o explicar por qué esto es imposible.
Etapa 2
Ejercicio2.11.4 (✳)

Encuentradydx sixy+ex+ey=1.

Ejercicio2.11.5 (✳)

Siey=xy2+x, computadydx.

Ejercicio2.11.6 (✳)

Six2tan(πy/4)+2xlog(y)=16, entonces encuentray en los puntos dondey=1.

Ejercicio2.11.7 (✳)

Six3+y4=cos(x2+y) computadydx.

Ejercicio2.11.8 (✳)

Six2ey+4xcos(y)=5, entonces encuentray en los puntos dondey=0.

Ejercicio2.11.9 (✳)

Six2+y2=sin(x+y) computadydx.

Ejercicio2.11.10 (✳)

Six2cos(y)+2xey=8, entonces encuentray en los puntos dondey=0.

Ejercicio2.11.11

En qué puntos de la elipsex2+3y2=1 está la línea tangente paralela a la líneay=x?

Ejercicio2.11.12 (✳)

Para la curva definida por la ecuaciónxy=x2y2, encontrar la pendiente de la línea tangente en el punto(1,4).

Ejercicio2.11.13 (✳)

Six2y2+xsin(y)=4, encuentradydx.

Etapa 3
Ejercicio2.11.14 (✳)

Six2+(y+1)ey=5, entonces encuentray en los puntos dondey=0.

Ejercicio2.11.15

¿Para qué valores dex círculox2+y2=1 y elipsex2+3y2=1 tienen líneas tangentes paralelas?


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