Matemáticas I · Tema 7 · Sección 7.2

Ejercicios resueltos de regla del producto y cociente

4 ejercicios resueltos paso a paso del tema 7 de Matemáticas I (Cálculo diferencial). El enunciado está a la vista y la solución, plegada: intenta cada ejercicio antes de abrirla.

  • regla del producto
  • regla del cociente
  • derivación
  • funciones compuestas

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Calcular las siguientes derivadas usando la regla del producto:

a) f(x)=x3⋅exf(x) = x^3 \cdot e^x

b) g(x)=(2x+1)(3x2−4)g(x) = (2x + 1)(3x^2 - 4)

c) h(x)=sin⁡x⋅cos⁡xh(x) = \sin x \cdot \cos x

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  1. Paso 1
    Para f(x)=x3⋅exf(x) = x^3 \cdot e^x

    Aplicando la regla del producto: ddx[uv]=u′v+uv′\frac{d}{dx}[uv] = u'v + uv'

    u=x3⇒u′=3x2u = x^3 \Rightarrow u' = 3x^2

    v=ex⇒v′=exv = e^x \Rightarrow v' = e^x

    f′(x)=3x2⋅ex+x3⋅ex=ex(3x2+x3)=x2ex(3+x)f'(x) = 3x^2 \cdot e^x + x^3 \cdot e^x = e^x(3x^2 + x^3) = x^2e^x(3 + x)

  2. Paso 2
    Para g(x)=(2x+1)(3x2−4)g(x) = (2x + 1)(3x^2 - 4)

    u=2x+1⇒u′=2u = 2x + 1 \Rightarrow u' = 2

    v=3x2−4⇒v′=6xv = 3x^2 - 4 \Rightarrow v' = 6x

    g′(x)=2(3x2−4)+(2x+1)(6x)=6x2−8+12x2+6x=18x2+6x−8g'(x) = 2(3x^2 - 4) + (2x + 1)(6x) = 6x^2 - 8 + 12x^2 + 6x = 18x^2 + 6x - 8

  3. Paso 3
    Para h(x)=sin⁡x⋅cos⁡xh(x) = \sin x \cdot \cos x

    u=sin⁡x⇒u′=cos⁡xu = \sin x \Rightarrow u' = \cos x

    v=cos⁡x⇒v′=−sin⁡xv = \cos x \Rightarrow v' = -\sin x

    h′(x)=cos⁡x⋅cos⁡x+sin⁡x⋅(−sin⁡x)=cos⁡2x−sin⁡2x=cos⁡(2x)h'(x) = \cos x \cdot \cos x + \sin x \cdot (-\sin x) = \cos^2 x - \sin^2 x = \cos(2x)

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Aplicar la regla del cociente para derivar:

a) f(x)=x2+1x−2f(x) = \frac{x^2 + 1}{x - 2}

b) g(x)=exsin⁡xg(x) = \frac{e^x}{\sin x}

c) h(x)=x3x2+4h(x) = \frac{x^3}{x^2 + 4}

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  1. Paso 1
    Para f(x)=x2+1x−2f(x) = \frac{x^2 + 1}{x - 2}

    Regla del cociente: ddx[uv]=u′v−uv′v2\frac{d}{dx}\left[\frac{u}{v}\right] = \frac{u'v - uv'}{v^2}

    u=x2+1⇒u′=2xu = x^2 + 1 \Rightarrow u' = 2x

    v=x−2⇒v′=1v = x - 2 \Rightarrow v' = 1

    f′(x)=2x(x−2)−(x2+1)(1)(x−2)2=2x2−4x−x2−1(x−2)2=x2−4x−1(x−2)2f'(x) = \frac{2x(x-2) - (x^2+1)(1)}{(x-2)^2} = \frac{2x^2-4x-x^2-1}{(x-2)^2} = \frac{x^2-4x-1}{(x-2)^2}

  2. Paso 2
    Para g(x)=exsin⁡xg(x) = \frac{e^x}{\sin x}

    u=ex⇒u′=exu = e^x \Rightarrow u' = e^x

    v=sin⁡x⇒v′=cos⁡xv = \sin x \Rightarrow v' = \cos x

    g′(x)=exsin⁡x−excos⁡xsin⁡2x=ex(sin⁡x−cos⁡x)sin⁡2xg'(x) = \frac{e^x \sin x - e^x \cos x}{\sin^2 x} = \frac{e^x(\sin x - \cos x)}{\sin^2 x}

  3. Paso 3
    Para h(x)=x3x2+4h(x) = \frac{x^3}{x^2 + 4}

    u=x3⇒u′=3x2u = x^3 \Rightarrow u' = 3x^2

    v=x2+4⇒v′=2xv = x^2 + 4 \Rightarrow v' = 2x

    h′(x)=3x2(x2+4)−x3(2x)(x2+4)2=3x4+12x2−2x4(x2+4)2=x4+12x2(x2+4)2=x2(x2+12)(x2+4)2h'(x) = \frac{3x^2(x^2+4) - x^3(2x)}{(x^2+4)^2} = \frac{3x^4+12x^2-2x^4}{(x^2+4)^2} = \frac{x^4+12x^2}{(x^2+4)^2} = \frac{x^2(x^2+12)}{(x^2+4)^2}

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Combinar reglas de producto y cociente para derivar:

a) f(x)=x2sin⁡xexf(x) = \frac{x^2 \sin x}{e^x}

b) g(x)=(x+1)⋅x2x−1g(x) = (x + 1) \cdot \frac{x^2}{x-1}

c) h(x)=(2x+1)(x2−1)3x+2h(x) = \frac{(2x+1)(x^2-1)}{3x+2}

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  1. Paso 1
    Para f(x)=x2sin⁡xexf(x) = \frac{x^2 \sin x}{e^x}

    Primero aplicamos la regla del cociente:

    u=x2sin⁡xu = x^2 \sin x, v=exv = e^x

    Para u′u' usamos la regla del producto:

    u′=2xsin⁡x+x2cos⁡xu' = 2x \sin x + x^2 \cos x

    v′=exv' = e^x

    f′(x)=(2xsin⁡x+x2cos⁡x)ex−x2sin⁡x⋅ex(ex)2f'(x) = \frac{(2x \sin x + x^2 \cos x)e^x - x^2 \sin x \cdot e^x}{(e^x)^2}

    =ex(2xsin⁡x+x2cos⁡x−x2sin⁡x)e2x=2xsin⁡x+x2cos⁡x−x2sin⁡xex= \frac{e^x(2x \sin x + x^2 \cos x - x^2 \sin x)}{e^{2x}} = \frac{2x \sin x + x^2 \cos x - x^2 \sin x}{e^x}

    =x(2sin⁡x−xsin⁡x+xcos⁡x)ex=xsin⁡x(2−x)+x2cos⁡xex= \frac{x(2\sin x - x\sin x + x\cos x)}{e^x} = \frac{x\sin x(2-x) + x^2\cos x}{e^x}

  2. Paso 2
    Para g(x)=(x+1)⋅x2x−1g(x) = (x + 1) \cdot \frac{x^2}{x-1}

    Aplicamos la regla del producto:

    u=x+1⇒u′=1u = x + 1 \Rightarrow u' = 1

    v=x2x−1v = \frac{x^2}{x-1}; su derivada, por la regla del cociente:

    v′=2x(x−1)−x2(1)(x−1)2=2x2−2x−x2(x−1)2=x2−2x(x−1)2=x(x−2)(x−1)2v' = \frac{2x(x-1) - x^2(1)}{(x-1)^2} = \frac{2x^2-2x-x^2}{(x-1)^2} = \frac{x^2-2x}{(x-1)^2} = \frac{x(x-2)}{(x-1)^2}

    g′(x)=1⋅x2x−1+(x+1)⋅x(x−2)(x−1)2g'(x) = 1 \cdot \frac{x^2}{x-1} + (x+1) \cdot \frac{x(x-2)}{(x-1)^2}

    =x2x−1+x(x+1)(x−2)(x−1)2=x2(x−1)+x(x+1)(x−2)(x−1)2= \frac{x^2}{x-1} + \frac{x(x+1)(x-2)}{(x-1)^2} = \frac{x^2(x-1) + x(x+1)(x-2)}{(x-1)^2}

  3. Paso 3
    Para h(x)=(2x+1)(x2−1)3x+2h(x) = \frac{(2x+1)(x^2-1)}{3x+2}

    Numerador: u=(2x+1)(x2−1)u = (2x+1)(x^2-1)

    u′=2(x2−1)+(2x+1)(2x)=2x2−2+4x2+2x=6x2+2x−2u' = 2(x^2-1) + (2x+1)(2x) = 2x^2-2 + 4x^2+2x = 6x^2+2x-2

    Denominador: v=3x+2⇒v′=3v = 3x+2 \Rightarrow v' = 3

    h′(x)=(6x2+2x−2)(3x+2)−(2x+1)(x2−1)(3)(3x+2)2h'(x) = \frac{(6x^2+2x-2)(3x+2) - (2x+1)(x^2-1)(3)}{(3x+2)^2}

    Expandiendo el numerador: (2x+1)(x2−1)=2x3−2x+x2−1=2x3+x2−2x−1(2x+1)(x^2-1) = 2x^3-2x+x^2-1 = 2x^3+x^2-2x-1

    h′(x)=(6x2+2x−2)(3x+2)−3(2x3+x2−2x−1)(3x+2)2h'(x) = \frac{(6x^2+2x-2)(3x+2) - 3(2x^3+x^2-2x-1)}{(3x+2)^2}

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Demostrar las reglas del producto y cociente usando la definición de derivada, y aplicar para verificar que ddx[tan⁡x]=sec⁡2x\frac{d}{dx}[\tan x] = \sec^2 x

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  1. Paso 1
    Demostración de la regla del producto

    Sean f(x)=u(x)⋅v(x)f(x) = u(x) \cdot v(x). Queremos demostrar que f′(x)=u′(x)v(x)+u(x)v′(x)f'(x) = u'(x)v(x) + u(x)v'(x)

    f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0u(x+h)v(x+h)−u(x)v(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{u(x+h)v(x+h) - u(x)v(x)}{h}

    Sumamos y restamos u(x+h)v(x)u(x+h)v(x):

    f′(x)=lim⁡h→0u(x+h)v(x+h)−u(x+h)v(x)+u(x+h)v(x)−u(x)v(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{u(x+h)v(x+h) - u(x+h)v(x) + u(x+h)v(x) - u(x)v(x)}{h}

    =lim⁡h→0[u(x+h)v(x+h)−v(x)h+v(x)u(x+h)−u(x)h]= \lim_{h \to 0} \left[u(x+h)\frac{v(x+h)-v(x)}{h} + v(x)\frac{u(x+h)-u(x)}{h}\right]

    =u(x)v′(x)+v(x)u′(x)= u(x)v'(x) + v(x)u'(x) (usando continuidad de uu)

  2. Paso 2
    Demostración de la regla del cociente

    Sea f(x)=u(x)v(x)f(x) = \frac{u(x)}{v(x)}. Queremos demostrar que f′(x)=u′(x)v(x)−u(x)v′(x)[v(x)]2f'(x) = \frac{u'(x)v(x) - u(x)v'(x)}{[v(x)]^2}

    f′(x)=lim⁡h→0u(x+h)v(x+h)−u(x)v(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\frac{u(x+h)}{v(x+h)} - \frac{u(x)}{v(x)}}{h}

    =lim⁡h→0u(x+h)v(x)−u(x)v(x+h)hv(x+h)v(x)= \lim_{h \to 0} \frac{u(x+h)v(x) - u(x)v(x+h)}{hv(x+h)v(x)}

    Sumando y restando u(x)v(x)u(x)v(x):

    =lim⁡h→0u(x+h)v(x)−u(x)v(x)+u(x)v(x)−u(x)v(x+h)hv(x+h)v(x)= \lim_{h \to 0} \frac{u(x+h)v(x) - u(x)v(x) + u(x)v(x) - u(x)v(x+h)}{hv(x+h)v(x)}

    =lim⁡h→0v(x)u(x+h)−u(x)h−u(x)v(x+h)−v(x)hv(x+h)v(x)= \lim_{h \to 0} \frac{v(x)\frac{u(x+h)-u(x)}{h} - u(x)\frac{v(x+h)-v(x)}{h}}{v(x+h)v(x)}

    =v(x)u′(x)−u(x)v′(x)[v(x)]2= \frac{v(x)u'(x) - u(x)v'(x)}{[v(x)]^2}

  3. Paso 3
    Aplicación para tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}

    u=sin⁡x⇒u′=cos⁡xu = \sin x \Rightarrow u' = \cos x

    v=cos⁡x⇒v′=−sin⁡xv = \cos x \Rightarrow v' = -\sin x

    ddx[tan⁡x]=cos⁡x⋅cos⁡x−sin⁡x⋅(−sin⁡x)cos⁡2x=cos⁡2x+sin⁡2xcos⁡2x=1cos⁡2x=sec⁡2x\frac{d}{dx}[\tan x] = \frac{\cos x \cdot \cos x - \sin x \cdot (-\sin x)}{\cos^2 x} = \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x} = \sec^2 x ✓