PARTE XII · Matemáticas: estructuras, cambio e incertidumbre
122
Cálculo I: cambio, límites y derivadas
De una diferencia en un intervalo a una regla local de cambio
En este capítulo
Un recipiente recibe líquido a caudal variable. Medir que ganó veinte litros en diez minutos permite calcular dos litros por minuto de media. No revela cuánto entraba en el minuto quinto ni si el caudal aumentaba. Para describir el cambio cerca de un momento se necesitan intervalos más próximos a él y una relación que permita interpretar qué ocurre al reducirlos.
El cálculo diferencial convierte esa pregunta local en una definición precisa. El límite describe un comportamiento de aproximación; la continuidad relaciona ese comportamiento con el valor de la función; la derivada examina una tasa construida a partir de diferencias. Estas ideas dependen de las funciones del capítulo 119 y conservan las restricciones algebraicas de sus expresiones. Su utilidad no consiste sólo en calcular pendientes: permite decidir cuándo una regla local existe, cuánto informa sobre un proceso y qué puede fallar al estimarla.
122.1. Aproximación local y concepto de límite#
Una tasa media divide el cambio de salida por el cambio de entrada. Para una función
Para la función matemática
Con incremento uno, la tasa es siete; con una décima, 6,1; con menos una décima, 5,9. Al reducir la magnitud de
Se dice que
Para precisar «tan cerca como se quiera», se puede elegir primero una tolerancia positiva
Si la función representa magnitudes,
Puede aproximarse desde la izquierda o desde la derecha. Esos límites laterales se escriben
Cuando una salida crece sin cota al aproximarse a un punto, se habla de límite infinito con una notación como
Los límites también describen comportamiento para entradas grandes, pero no debe confundirse esa pregunta con lo que ocurre cerca de un punto finito. Que
122.2. Continuidad y formas de discontinuidad#
Una función es continua en un punto interior
En un extremo del dominio, la continuidad se evalúa desde el lado disponible. La función raíz cuadrada real es continua en cero dentro de su dominio no negativo; no se le exige inventar salidas reales para entradas negativas. Hablar de continuidad sin dominio puede transformar una condición legítima en una exigencia imposible.
Una discontinuidad evitable aparece cuando hay un límite finito y basta asignar aquel valor al punto para obtener continuidad. Para
Una discontinuidad de salto mantiene límites laterales finitos distintos. Una regla de precio o de clasificación puede producirla por diseño. No expresa necesariamente un fallo de medida ni un proceso físico que pase instantáneamente por todas las salidas intermedias. La definición matemática permite discontinuidades aunque la aplicación que se modela exija transiciones más complejas.
Una función también puede quedar no acotada, como
La continuidad conecta información de un intervalo. Una función continua en un intervalo cerrado y acotado toma todos los valores intermedios entre las salidas de sus extremos. Si una función continua cambia de signo entre ellos, alcanza cero en algún punto. El argumento asegura existencia, no necesariamente unicidad ni una fórmula para encontrar aquel punto. Sin continuidad, un salto puede pasar de negativo a positivo sin tomar cero.
Pero ser continua no significa cambiar despacio ni tener pendiente definida. Una función continua puede variar mucho dentro de un intervalo corto. La función
En una observación real, una transición muy rápida puede parecer un salto si el muestreo es escaso, y un instrumento puede suavizar un salto del modelo. La continuidad de una regla propuesta no se diagnostica sólo por unir puntos de un registro. Hay que decidir qué parte corresponde al proceso, qué parte a la representación y qué resolución permite distinguirlas.
122.3. Derivada como tasa y pendiente local#
La derivada de
El cálculo de
Ejemplo construido. Un balance ideal de volumen se describe durante cinco minutos mediante
La derivada del volumen describe cambio neto. Si el recipiente tiene entrada y salida simultáneas, no identifica por sí sola cada caudal. Un aumento neto de doce litros por minuto puede corresponder a una entrada de doce sin salida, o a una entrada de veinte y una salida de ocho. El significado de la tasa debe conservar la magnitud que se derivó.
Geométricamente, cuando la derivada existe, la tangente es la recta que pasa por

En la parábola, las tasas medias convergen a una tasa local. La esquina conserva continuidad de valores, pero sus pendientes laterales no coinciden y no existe derivada bilateral
Si una función es derivable en un punto, es continua allí. La razón puede verse al reescribir su cambio como incremento multiplicado por el cociente de diferencias: cuando el incremento tiende a cero y el cociente tiene límite finito, el cambio tiende a cero. La recíproca falla, como muestra el valor absoluto. También hay curvas continuas con tangente vertical y sin derivada finita ordinaria.
La derivada de una posición temporal se llama velocidad y puede tener signo, según la orientación elegida. Una segunda derivada, cuando existe, describe el cambio de aquella velocidad y se interpreta como aceleración. Una velocidad negativa no implica por sí sola desaceleración: informa del sentido del movimiento. El signo de su cambio y la variación de la rapidez requieren distinguir ambas magnitudes.
Una tasa local exacta es una propiedad de la función matemática. Un instrumento registra intervalos finitos y datos con resolución limitada. Estimar una derivada a partir de ellos requiere elegir tamaño de intervalo, modelo o suavizado. La definición ideal permite analizar esa estimación; no promete una medición instantánea sin incertidumbre.
122.4. Reglas de derivación y su justificación#
La definición permitiría reconstruir cada derivada desde sus diferencias, pero las reglas conservan el razonamiento para familias completas de expresiones. Si dos funciones
Para una potencia
En un producto cambian ambos factores. El incremento se puede separar exactamente como
Aquí
No es el producto de las derivadas. Para
La regla del cociente resulta de la relación entre el cociente y su producto con el denominador. Si
El dominio no desaparece al derivar: no hay una derivada ordinaria de la función original en un punto donde no está definida. La fórmula puede servir en los puntos permitidos y tener un comportamiento próximo que se estudie mediante límites.
La regla de la cadena describe una composición. Si
Las unidades muestran la relación: salida por unidad intermedia multiplicada por unidad intermedia por entrada da salida por entrada. La expresión no es una cancelación informal que sustituya las condiciones del teorema; éstas aseguran que las aproximaciones locales pueden encadenarse. (OpenStax, regla de la cadena).
Ejemplo construido. Un cuadrado tiene lado
Las reglas permiten derivar con eficiencia una expresión exacta. No validan que aquella expresión modele los datos ni justifican derivar una tabla como si contuviera una curva única. Dos funciones pueden pasar por los mismos puntos y tener pendientes distintas entre ellos. La matemática de la regla y la elección de una función para representar el proceso son tareas conectadas, pero diferentes.
122.5. Extremos, sensibilidad y linealización#
Una derivada positiva en todos los puntos interiores de un intervalo implica crecimiento allí, bajo las condiciones ordinarias de continuidad y derivabilidad; una negativa implica decrecimiento. Para justificar la relación entre tasas locales y cambios finitos se utiliza el teorema del valor medio. El signo en un punto aislado sólo aporta información local y no clasifica todo el intervalo. Una gráfica que parece creciente en una ventana tampoco certifica el comportamiento fuera de ella. (OpenStax, teorema del valor medio).
Un máximo local compara una salida con las de entradas suficientemente próximas; un máximo global la compara con todas las entradas del dominio. Los mínimos se definen de manera análoga. Si hay un extremo local en un punto interior donde la función es derivable, la derivada debe ser cero. Es una condición necesaria, no suficiente:
Una esquina también puede alojar un extremo, como el mínimo de
Ejemplo construido. Una región rectangular se cerca con veinte metros de material. Si un lado es
La derivada también da una linealización. Cerca de
El producto
Para
La sensibilidad absoluta local puede expresarse mediante
Estimar una derivada desde datos tiene una compensación propia. Un intervalo grande mezcla cambios que ya no son locales. Uno demasiado pequeño puede amplificar los errores de las dos salidas al dividir su diferencia entre el incremento. Si cada medición tiene un error absoluto acotado por
Una derivada alta puede significar una respuesta sensible, pero no una causa identificada. Una derivada respecto de la entrada de una función ajustada describe cómo varía ese modelo; atribuir el cambio a una intervención real requiere sustento causal y controlar condiciones. Tampoco derivar una fórmula de ingresos o de salud decide qué resultado debe maximizarse. La elección de objetivo, las restricciones y la incertidumbre quedan fuera de la operación de derivación.
La tasa local permite anticipar un cambio pequeño y examinar candidatos a extremos. Su fuerza procede de explicitar cómo se aproxima y bajo qué condiciones. El capítulo 123 recorrerá la relación complementaria: acumular tasas para reconstruir cambios totales, distinguiendo otra vez la igualdad matemática de la precisión disponible en una aplicación.
Preguntas de transferencia#
Un límite que no coincide con el dato puntual#
Ejemplo construido. Una regla numérica vale
Mostrar respuesta razonada
El límite es cinco porque todos los valores próximos distintos de tres siguen la regla
La derivada nula que no maximiza#
Se conocen tres candidatos para una función continua sobre un intervalo cerrado: un punto interior de derivada nula, otro donde la derivada no existe y el extremo derecho. ¿Puede descartarse alguno antes de comparar valores?
Mostrar respuesta razonada
No por esas propiedades solas. El punto estacionario puede ser extremo o no, el punto sin derivada puede alojar una esquina extrema y el extremo del intervalo puede superar ambos. Además, debe incluirse el extremo izquierdo y cualquier otro candidato interior pertinente. La garantía de alcanzar máximo y mínimo bajo continuidad no convierte la derivada nula en criterio suficiente ni permite omitir fronteras.
La lectura temporal demasiado próxima#
Ejemplo construido. Dos mediciones de volumen tienen error absoluto de hasta 0,1 litros cada una. Se calcula una tasa media entre lecturas separadas por un minuto y después entre otras separadas por una décima de minuto. ¿La segunda tasa es necesariamente más precisa?
Mostrar respuesta razonada
No. La cota del error de diferencia es 0,2 litros. Al dividir entre un minuto, la cota correspondiente es 0,2 litros por minuto; al dividir entre una décima, es dos litros por minuto. El intervalo menor puede representar mejor la tasa local, pero amplifica más los errores de salida. Hace falta equilibrar resolución temporal, ruido y variación real. Las cotas son conservadoras y no describen por sí solas la probabilidad de cada error.
Encadenar una tasa sin perder las unidades#
Ejemplo construido. El radio de una mancha circular aumenta a
Mostrar respuesta razonada
El área no es el radio, sino
Fuentes y lecturas del capítulo#
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 2.2, «The Limit of a Function», y sección 2.5, «The Precise Definition of a Limit». Apoyan la distinción entre valores puntuales, aproximación lateral y condición que debe cumplirse para todas las entradas suficientemente cercanas. (Introducción; definición precisa).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 2.4, «Continuity». Referencia para condiciones de continuidad, discontinuidades y valores intermedios. (Sección).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 3.1, «Defining the Derivative». Se utilizó para construir la tasa local como límite de cocientes de diferencias y relacionarla con la tangente. (Sección).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 3.3, «Differentiation Rules», y sección 3.6, «The Chain Rule». Referencias para operaciones con funciones derivables y condiciones de la composición. (Reglas; cadena).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 4.1, «Related Rates». Lectura sobre encadenar tasas mediante relaciones geométricas y conservar sus unidades. (Sección).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 4.2, «Linear Approximations and Differentials». Referencia para la tangente como aproximación local y estimación de cambios pequeños. (Sección).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 4.3, «Maxima and Minima». Apoya la distinción entre extremos locales y globales, candidatos críticos y necesidad de comprobar extremos del dominio. (Sección).
OpenStax. Calculus Volume 1, sección 4.4, «The Mean Value Theorem». Referencia para relacionar el signo de tasas locales con el comportamiento en un intervalo. (Sección).