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El cambio logarítmico: derivar y hallar límites de potencias variables

En una potencia de base y exponente variables, y=u(x)v(x)y=u(x)^{v(x)}, no vale ni la regla de la potencia (el exponente no es constante) ni la de la exponencial (la base no es constante). El recurso es tomar logaritmos, que baja el exponente y convierte la potencia en un producto: ln⁡y=v(x) ln⁡u(x).\ln y = v(x)\,\ln u(x). A partir de ahí, para derivar se deriva y para el límite se toma el límite —en ambos casos sobre una expresión ya manejable—.

Derivación logarítmica. Derivando ln⁡y=vln⁡u\ln y = v\ln u respecto de xx (regla de la cadena a la izquierda, del producto a la derecha): y′y=v′ln⁡u+v u′u\dfrac{y'}{y} = v'\ln u + v\,\dfrac{u'}{u}, de donde y′=uv(v′ln⁡u+v u′u).y' = u^{v}\left(v'\ln u + v\,\frac{u'}{u}\right). Por ejemplo, para y=xxy=x^{x} (u=v=xu=v=x) sale y′=xx(ln⁡x+1)y' = x^{x}\bigl(\ln x + 1\bigr).

Límites de formas de potencia. Las indeterminaciones 1∞1^{\infty}, 000^{0} e ∞0\infty^{0} se atacan igual: se llama LL al límite, se toma ln⁡L=lim⁡vln⁡u\ln L = \lim v\ln u (que suele quedar en 0/00/0 o 0⋅∞0\cdot\infty, tratable por L'Hôpital o equivalencias) y se recupera L=e ln⁡LL=e^{\,\ln L}. Por ejemplo, en (1+1/x)x(1+1/x)^{x} cuando x→∞x\to\infty: ln⁡L=lim⁡xln⁡(1+1/x)=1\ln L=\lim x\ln(1+1/x)=1, luego L=eL=e.

Por qué funciona / De dónde sale. El logaritmo es continuo y derivable en (0,∞)(0,\infty) y su inversa, la exponencial, es continua en todo R\mathbb{R}. La continuidad de exe^{x} es la que permite «sacar» el límite del exponente, lim⁡eg(x)=elim⁡g(x)\lim e^{g(x)} = e^{\lim g(x)}, y la derivabilidad del logaritmo es la que legitima derivar ln⁡y\ln y. Tomar logaritmos no cambia el problema: solo lo traduce a uno —un producto— que sí sabemos atacar.

En MathOperator, la derivada de xxx^{x} se resuelve por derivación logarítmica paso a paso, y el límite de las formas de potencia toma logaritmos y aplica L'Hôpital o equivalencias. Pueden probarse x^x, sin(x)^cos(x) (derivadas) o (1+1/x)^x at oo, x^x at 0 (límites).

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