En cálculo , la regla de la potencia se utiliza para diferenciar funciones de la forma, cuando seaes un número real . Dado que la diferenciación es una operación lineal en el espacio de funciones diferenciables, los polinomios también pueden diferenciarse utilizando esta regla. La regla de la potencia subyace a la serie de Taylor, ya que relaciona una serie de potencias con las derivadas de una función .
Declaración
Dejarser una función que satisfacea pesar de, dónde. [ a ] Entonces,
La regla de potencia para la integración establece que
para cualquier número real. Se puede derivar invirtiendo la regla de la potencia para la diferenciación. En esta ecuación C es cualquier constante .
Pruebas
Demostración para exponentes reales
Dejar, dóndees cualquier número real.
Si, entonces, dóndees la función logaritmo natural , o, como se requería. Por lo tanto, aplicando la regla de la cadena a, vemos que lo cual se simplifica a.
Cuando, podemos usar la misma definición con, donde ahora tenemosEsto conduce necesariamente al mismo resultado. Nótese que porqueno tiene una definición convencional cuandoSi no es un número racional, las funciones de potencia irracionales no están bien definidas para bases negativas. Además, como las potencias racionales de −1 con denominadores pares (en su mínima expresión) no son números reales, estas expresiones solo son reales para potencias racionales con denominadores impares (en su mínima expresión).
Finalmente, siempre que la función sea diferenciable en, el límite definitorio para la derivada es: lo cual produce 0 solo cuandoes un número racional con denominador impar (en su mínima expresión) yy 1 cuando. Para todos los demás valores de, la expresiónno está bien definido paraComo se explicó anteriormente , o no es un número real, por lo que el límite no existe como una derivada de valor real. Para los dos casos que sí existen, los valores coinciden con el valor de la regla de potencia existente en 0, por lo que no es necesario hacer ninguna excepción.
La exclusión de la expresión(el caso) de nuestro esquema de exponenciación se debe al hecho de que la funciónno tiene límite en (0,0), ya quex se aproxima a 1 cuando x se aproxima a 0, mientras quey se aproxima a 0 cuando y se aproxima a 0. Por lo tanto, sería problemático atribuirle un valor específico, ya que dicho valor contradiría uno de los dos casos, dependiendo de la aplicación. Tradicionalmente, se deja sin definir.
Demostraciones para exponentes enteros
Demostración por inducción (números naturales)
Dejar. Es necesario demostrar queEl caso base puede ser cuandoo, dependiendo de cómo se defina el conjunto de números naturales .
Cuando,
Cuando,
Por lo tanto, el caso base se mantiene en ambos casos.
Supongamos que la afirmación se cumple para algún número natural k , es decir
Cuando,Por el principio de inducción matemática, la afirmación es verdadera para todos los números naturales n .
Demostración mediante el teorema del binomio (número natural)
Dejar, dónde.
Entonces,
Dado que n sobre 1 es igual a n, y el resto de los términos contienen h, que es 0, los términos restantes se cancelan. Esta demostración solo funciona para números naturales, ya que el teorema del binomio solo funciona para números naturales.
Demostración mediante series geométricas (números naturales)
Dejar, dónde y. Entonces,
Generalización a exponentes enteros negativos
Para un entero negativo n , seade modo que m sea un entero positivo. Usando la regla del recíproco ,En conclusión, para cualquier número entero,
Generalización a exponentes racionales
Una vez demostrada la validez de la regla de la potencia para exponentes enteros, dicha regla puede extenderse a exponentes racionales.
Demostración mediante la regla de la cadena
Esta demostración se compone de dos pasos que implican el uso de la regla de la cadena para la derivación.
- Dejar, dónde. Entonces. Por la regla de la cadena ,. Resolviendo para,Por lo tanto, la regla de potencia se aplica a exponentes racionales de la forma, dóndees un número natural distinto de cero. Esto se puede generalizar a exponentes racionales de la formaaplicando la regla de la potencia para exponentes enteros usando la regla de la cadena, como se muestra en el siguiente paso.
- Dejar, dóndede modo que. Por la regla de la cadena ,
De los resultados anteriores, podemos concluir que cuandoes un número racional ,
Demostración mediante diferenciación implícita
Una generalización más directa de la regla de la potencia a exponentes racionales utiliza la diferenciación implícita.
Dejar, dóndede modo que.
Entonces,Derivando ambos lados de la ecuación con respecto a,Resolver para,Desde,Aplicando las leyes de los exponentes,Por lo tanto, dejando, podemos concluir quecuandoes un número racional.
Demostración mediante series geométricas (racionales positivos)
Esta demostración utiliza fórmulas algebraicas específicas para evaluar la forma definicional de la derivada exactamente para potencias racionales positivas.
Si, dónde y. Entonces,
Ahora, consideremos la fórmula de la suma geométrica,
Observando la fórmula, se puede demostrar lo siguiente:
De este modo,
Volviendo a la primera afirmación, ahora se puede evaluar siguiendo los siguientes pasos:
Demostración mediante series geométricas (racionales negativos)
Si, dónde y.
Entonces,
Historia
La regla de la potencia para integrales fue demostrada por primera vez en forma geométrica por el matemático italiano Bonaventura Cavalieri a principios del siglo XVII para todos los valores enteros positivos dey durante mediados del siglo XVII para todas las potencias racionales por los matemáticos Pierre de Fermat , Evangelista Torricelli , Gilles de Roberval , John Wallis y Blaise Pascal , cada uno trabajando de forma independiente. En ese momento, eran tratados sobre la determinación del área entre la gráfica de una función de potencia racional y el eje horizontal. Sin embargo, en retrospectiva, se considera el primer teorema general del cálculo que se descubrió. [ 1 ] La regla de la potencia para la diferenciación fue derivada por Isaac Newton y Gottfried Wilhelm Leibniz , cada uno de forma independiente, para funciones de potencia racionales a mediados del siglo XVII, quienes luego la utilizaron para derivar la regla de la potencia para las integrales como la operación inversa. Esto refleja la forma convencional en que se presentan los teoremas relacionados en los libros de texto modernos de cálculo básico, donde las reglas de diferenciación suelen preceder a las reglas de integración. [ 2 ]
Aunque ambos hombres afirmaron que sus reglas, demostradas solo para cantidades racionales, funcionaban para todas las potencias reales, ninguno buscó una prueba de ello, ya que en aquel momento las aplicaciones de la teoría no se ocupaban de funciones de potencia tan exóticas, y las cuestiones de convergencia de series infinitas aún eran ambiguas.
El caso único defue resuelto por el jesuita flamenco y matemático Grégoire de Saint-Vincent y su estudiante Alphonse Antonio de Sarasa a mediados del siglo XVII, quienes demostraron que la integral definida asociada,
representando el área entre la hipérbola rectangulary el eje x, era una función logarítmica, cuya base finalmente se descubrió que era el número trascendental e . La notación moderna para el valor de esta integral definida es, el logaritmo natural.
En análisis complejo
Si consideramos funciones de la formadóndees cualquier número complejo yes un número complejo en un plano complejo ranurado que excluye el punto de ramificación de 0 y cualquier corte de rama conectado a él, y utilizamos la definición multivaluada convencional., entonces es sencillo demostrar que, en cada rama del logaritmo complejo, el mismo argumento utilizado anteriormente produce un resultado similar:. [ 3 ]
Además, sies un entero positivo, entonces no hay necesidad de un corte de rama: se puede definir, o bien definir potencias complejas enteras positivas mediante la multiplicación compleja, y demostrar quepara todos los complejos, a partir de la definición de la derivada y el teorema del binomio.
Sin embargo, debido a la naturaleza multivaluada de las funciones de potencia complejas para exponentes no enteros, se debe tener cuidado al especificar la rama del logaritmo complejo que se está utilizando. Además, independientemente de la rama que se utilice, siSi no es un entero positivo, entonces la función no es diferenciable en 0.
Véase también
Referencias
Notas
- ↑ Sies un número racional cuya representación de términos más simples tiene un denominador impar, entonces el dominio dese entiende que es. De lo contrario, el dominio es.
Citas
- ↑ Boyer, Carl (1959). Historia del cálculo y su desarrollo conceptual . Nueva York: Dover. pág . 127. ISBN 0-486-60509-4.
{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda ) - ↑ Boyer, Carl (1959). Historia del cálculo y su desarrollo conceptual . Nueva York: Dover. págs. 191, 205. ISBN 0-486-60509-4.
{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda ) - ↑ Freitag, Eberhard; Busam, Rolf (2009). Análisis complejo (2 ed.). Heidelberg: Springer-Verlag. pag. 46.ISBN 978-3-540-93982-5.
Lecturas adicionales
- Larson, Ron; Hostetler, Robert P.; y Edwards, Bruce H. (2003). Cálculo de una variable: Funciones trascendentales tempranas (3.ª edición). Houghton Mifflin Company. ISBN 0-618-22307-X.
- Reglas de diferenciación
- Identidades matemáticas
- Teoremas en análisis matemático
- Teoremas en cálculo