Derivada de ex: Demostración paso a paso y ejemplos

Demostración paso a paso mediante la definición de límite, fórmula de la regla de la cadena y ejemplos resueltos

Este tutorial presenta la derivada de la función exponencial natural \( e^x \) utilizando la definición de límite. También cubrimos la derivada de funciones exponenciales compuestas de la forma \( e^{u(x)} \), incluyendo ejemplos detallados y soluciones.

1. Demostración de la Derivada de ex Usando la Definición de Límite

La definición de la derivada de una función \( f(x) \) es:

\[ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h} \]

Sea \( f(x) = e^x \). Entonces:

\[ \begin{aligned} f'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{e^{x+h} - e^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{e^x e^h - e^x}{h} \quad \text{(usando } e^{x+h} = e^x e^h \text{)} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{e^x (e^h - 1)}{h} \\ &= e^x \lim_{h \to 0} \frac{e^h - 1}{h} \end{aligned} \]

Ahora calculamos el límite \( \lim_{h \to 0} \frac{e^h - 1}{h} \). Sea \( y = e^h - 1 \), de modo que \( \lim_{h \to 0} y = 0 \). Entonces:

\[ e^h = y + 1 \implies h = \ln(y + 1) \] \[ \lim_{h \to 0} \frac{e^h - 1}{h} = \lim_{y \to 0} \frac{y}{\ln(y+1)} \] \[ = \lim_{y \to 0} \frac{1}{\frac{1}{y} \ln(y+1)} = \lim_{y \to 0} \frac{1}{\ln((y+1)^{1/y})} \]

Utilizando la definición de la constante de Euler \( e \):

\[ e = \lim_{m \to 0} (1 + m)^{1/m} \implies \lim_{y \to 0} (y+1)^{1/y} = e \] \[ \lim_{h \to 0} \frac{e^h - 1}{h} = \frac{1}{\ln e} = 1 \]
Fórmula: \[ f'(x) = e^x \]

Conclusión: Cualquier función de la forma \( f(x) = k e^x \), donde \( k \) es una constante, tiene la misma derivada multiplicada por \( k \).

2. Derivada de la Función Compuesta y = eu(x)

Para una función \( u(x) \), utilizamos la regla de la cadena:

\[ \frac{d}{dx} e^{u(x)} = \frac{d}{du} e^{u} \cdot \frac{du}{dx} = e^{u(x)} \frac{du}{dx} \]
Fórmula de la Regla de la Cadena: \[ \frac{d}{dx} e^{u(x)} = e^{u(x)} \frac{du}{dx} \]

3. Ejemplos con Soluciones

Ejemplos Resueltos: Derivación de Funciones Exponenciales Compuestas

Encuentre las derivadas de:

  1. \( f(x) = e^{x^3 - 2x + 3} \)
  2. \( g(x) = e^{\sqrt{x^2 + 1}} \)
  3. \( h(x) = e^{\frac{x}{x-2}} \)

Soluciones:

  1. \( u(x) = x^3 - 2x + 3 \implies \frac{du}{dx} = 3x^2 - 2 \)
    \[ \frac{d}{dx} f(x) = e^{u(x)} \frac{du}{dx} = (3x^2 - 2) e^{x^3 - 2x + 3} \]
  2. \( u(x) = \sqrt{x^2 + 1} \implies \frac{du}{dx} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 1}} \)
    \[ \frac{d}{dx} g(x) = e^{u(x)} \frac{du}{dx} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 1}} \, e^{\sqrt{x^2 + 1}} \]
  3. \( u(x) = \frac{x}{x-2} \implies \frac{du}{dx} = -\frac{2}{(x-2)^2} \)
    \[ \frac{d}{dx} h(x) = e^{u(x)} \frac{du}{dx} = -\frac{2}{(x-2)^2} \, e^{\frac{x}{x-2}} \]

Más Referencias y Enlaces