Calculus · real student question

Hallar la derivada de y = (x − 1)^x.

Question

Hallar la derivada de

y=(x1)xy=(x-1)^x

Step-by-step solution

  1. Entender por qué fallan las reglas habituales. La regla de la potencia ddxxn=nxn1\frac{d}{dx}x^n=nx^{n-1} exige un exponente constante, y la regla exponencial ddxax=axlna\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln a exige una base constante. Aquí varían tanto la base x1x-1 como el exponente xx, así que no se aplica ninguna de las dos y mezclarlas lleva a un disparate. La solución es la derivación logarítmica.

  2. Fijar primero el dominio. Para que (x1)x(x-1)^x esté definida como potencia real con exponente variable hace falta una base positiva:

    x1>0x>1x-1>0\qquad\Longleftrightarrow\qquad x>1

    Todo lo que sigue es válido en (1,)(1,\infty), que es justamente donde ln(x1)\ln(x-1) tiene sentido.

  3. Tomar logaritmo natural en ambos lados. El logaritmo convierte el exponente en un coeficiente, que es justamente lo que se busca:

    lny=ln((x1)x)=xln(x1)\ln y=\ln\bigl((x-1)^x\bigr)=x\ln(x-1)

    El lado derecho es ahora un producto corriente de dos funciones conocidas.

  4. Derivar ambos lados respecto de xx. A la izquierda, yy es función de xx, así que la regla de la cadena da 1yy\frac{1}{y}\,y': aquí es donde entra la derivación implícita. A la derecha se usa la regla del producto:

    ddx(xln(x1))=1ln(x1)+x1x1\frac{d}{dx}\bigl(x\ln(x-1)\bigr)=1\cdot\ln(x-1)+x\cdot\frac{1}{x-1}

    de donde

    yy=ln(x1)+xx1\frac{y'}{y}=\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}

  5. Despejar yy' y volver a sustituir la función original. Multiplicando por yy y reemplazando y=(x1)xy=(x-1)^x:

    y=(x1)x(ln(x1)+xx1)\boxed{\,y'=(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right)\,}

    El resultado tiene que contener la expresión original como factor: es lo típico de la derivación logarítmica, y olvidar el (x1)x(x-1)^x de delante es el error habitual.

  6. Comprobar numéricamente. En x=3x=3 la fórmula da 23(ln2+32)=8(0.6931+1.5)17.5452^3\left(\ln 2+\tfrac{3}{2}\right)=8(0.6931+1.5)\approx 17.545. Un cociente de diferencias centradas con h=106h=10^{-6} sobre (x1)x(x-1)^x en x=3x=3 devuelve 17.545217.5452, así que la derivada es correcta. La misma plantilla sirve para cualquier f(x)g(x)f(x)^{g(x)}: su derivada es fg(glnf+gff)f^g\left(g'\ln f+\frac{gf'}{f}\right).

Answer

(x1)x(ln(x1)+xx1),x>1(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right),\qquad x>1

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