Tutorial de cálculo sobre cómo encontrar la primera derivada de \( f(x) = \arccos(\cos(x)) \) y graficar \( f \) y \( f' \) para \( x \in \mathbb{R} \).
Gráficas de \( \cos(x) \) y \( \arccos(\cos(x)) \)
Dado que el dominio de \( f \) es \( \mathbb{R} \) y \( \cos(x) \) es periódica, entonces \( f(x) = \arccos(\cos(x)) \) también es una función periódica.
A medida que \( x \) aumenta de \( 0 \) a \( \pi \), \( \cos(x) \) disminuye de \( 1 \) a \( -1 \), y \( \arccos(\cos(x)) \) aumenta de \( 0 \) a \( \pi \). De hecho, para \( x \in [0, \pi] \), \( \arccos(\cos(x)) = x \). A medida que \( x \) aumenta de \( \pi \) a \( 2\pi \), \( \cos(x) \) aumenta de \( -1 \) a \( 1 \), y \( \arccos(\cos(x)) \) disminuye de \( \pi \) a \( 0 \).
Dado que \( \cos(x) \) tiene un período de \( 2\pi \), \( \arccos(\cos(x)) \) también tiene un período de \( 2\pi \). La gráfica a continuación muestra las gráficas de \( \arccos(\cos(x)) \) y \( \sin(x) \) de \( 0 \) a \( 2\pi \).
La gráfica a continuación muestra las gráficas de \( \arccos(\cos(x)) \) y \( \cos(x) \) a lo largo de 3 períodos.
Dominio de \( f \): \( (-\infty, +\infty) \)
Rango de \( f \): \( [0, \pi] \)
Derivada de \( f(x) = \arccos(\cos(x)) \) y su gráfica
\( f(x) \) es una función compuesta, y su derivada se calcula utilizando la regla de la cadena de la siguiente manera. Sea \( u = \cos(x) \), por lo tanto \( f(x) = \arccos(u(x)) \).
Aplica la regla de la cadena de la diferenciación:
\[ f'(x) = \frac{du}{dx} \cdot \frac{d(\arccos(u))}{du} = (-\sin(x)) \cdot \left(-\frac{1}{\sqrt{1 - u^2}}\right) \]Sustituye \( u = \cos(x) \):
\[ f'(x) = \sin(x) \cdot \frac{1}{\sqrt{1 - \cos^2(x)}} \]Simplifica:
A continuación se muestra \( \arccos(\cos(x)) \) en rojo y su derivada en azul. Nota que la derivada no está definida para los valores de \( x \) en los cuales \( \sin(x) = 0 \), es decir, en \( x = k\pi \), donde \( k \) es un entero. Para estos mismos valores de \( x \), \( \arccos(\cos(x)) \) tiene ya sea un valor máximo igual a \( \pi \) o un valor mínimo igual a \( 0 \).
Nota que aunque \( \arccos(\cos(x)) \) es continua para todos los valores de \( x \), su derivada no está definida en \( x = k\pi \).
