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Funciones exponenciales y logarítmicas

Logaritmo natural ln(x): gráfica, propiedades, derivada e integral

El logaritmo natural ln x: su gráfica, las propiedades de los logaritmos, por qué su derivada es 1/x, la integral x ln x - x + C y ejemplos resueltos.

Funciones exponenciales y logarítmicas Actualizado 3 min de lectura

De un vistazo

f(x) = \ln x
Dominio
(0, \infty)
Rango
(-\infty, \infty)
Derivada
\frac{1}{x}
Integral
x\ln x - x + C
Valores clave
\ln 1 = 0, \ln e = 1
Inversa
e^x
Asíntota
x = 0
En esta página
  1. Definición y fórmula
  2. Gráfica de ln x
  3. Propiedades clave
  4. Propiedades de los logaritmos
  5. Derivada de ln x
  6. Integral de ln x
  7. Ejemplos resueltos
  8. Errores comunes
  9. Cómo se relaciona

El logaritmo natural \ln x responde a la pregunta "¿a qué potencia hay que elevar e para obtener x?". Es la inversa de la función exponencial natural, y su derivada es la sorprendentemente sencilla \frac{1}{x}, lo que lo convierte en el logaritmo preferido en cálculo.

Definición y fórmula

\ln x = y \iff e^y = x, \qquad x > 0

De forma equivalente, \ln x es el área bajo la función recíproca desde 1 hasta x:

\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt

Gráfica de ln x

Gráfica de y = ln(x) y de su inversa y = eˣ
El logaritmo natural es el reflejo de e^x respecto de la recta y = x. Corta al eje x en (1, 0) y tiene una asíntota vertical en x = 0.

Propiedades clave

  • Dominio (0, \infty), rango todos los reales.
  • Valores clave: \ln 1 = 0, \ln e = 1, \ln e^k = k.
  • Creciente en todo su dominio (\frac{1}{x} > 0) y cóncava hacia abajo (-\frac{1}{x^2} < 0).
  • Asíntota vertical x = 0: \lim_{x \to 0^+}\ln x = -\infty. Además \lim_{x \to \infty}\ln x = \infty, pero muy lentamente; \ln x crece más despacio que cualquier potencia positiva de x.
  • Identidades de la inversa: e^{\ln x} = x para x > 0 y \ln e^x = x para todo x.

Propiedades de los logaritmos

Propiedad Fórmula
Producto \ln(ab) = \ln a + \ln b
Cociente \ln\frac{a}{b} = \ln a - \ln b
Potencia \ln(a^k) = k\ln a
Cambio de base \log_b x = \frac{\ln x}{\ln b}

Se cumplen para a, b > 0. No existe ninguna propiedad para \ln(a + b).

Derivada de ln x

\frac{d}{dx}\ln x = \frac{1}{x}

Idea de la demostración: si y = \ln x, entonces e^y = x. Derivando implícitamente se obtiene e^y y' = 1, así que y' = \frac{1}{e^y} = \frac{1}{x}. Con la regla de la cadena:

\frac{d}{dx}\ln g(x) = \frac{g'(x)}{g(x)}

Integral de ln x

Usando integración por partes con u = \ln x, dv = dx, de modo que du = \frac{1}{x}\,dx y v = x:

\int \ln x\,dx = x\ln x - \int x \cdot \frac{1}{x}\,dx = x\ln x - x + C

La dirección inversa es la más habitual: \int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x| + C.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: regla de la cadena. \frac{d}{dx}\ln(x^2 + 1) = \frac{2x}{x^2 + 1}.

Ejemplo 2: simplificar primero. \frac{d}{dx}\ln\frac{x^3}{x + 1} = \frac{d}{dx}\left[3\ln x - \ln(x + 1)\right] = \frac{3}{x} - \frac{1}{x + 1}.

Ejemplo 3: regla del producto. \frac{d}{dx}(x^2\ln x) = 2x\ln x + x.

Ejemplo 4: integral definida. \int_1^e \ln x\,dx = \left[x\ln x - x\right]_1^e = (e - e) - (0 - 1) = 1.

Ejemplo 5: integral logarítmica. Con u = x^2 + 4, \int \frac{2x}{x^2 + 4}\,dx = \ln(x^2 + 4) + C. No hace falta el valor absoluto porque x^2 + 4 > 0.

Errores comunes

  1. Separar el logaritmo de una suma. \ln(x + 1) \ne \ln x + \ln 1.
  2. Escribir \frac{d}{dx}\ln(5x) = \frac{1}{5x}. La regla de la cadena da \frac{5}{5x} = \frac{1}{x}.
  3. Escribir \int \ln x\,dx = \frac{1}{x} + C. Esa es la derivada, no la integral.
  4. Confundir \ln x^2 con (\ln x)^2. La primera es 2\ln x; la segunda es un cuadrado.
  5. Tomar \ln de 0 o de un número negativo. Revisa el dominio, sobre todo después de una sustitución.

Cómo se relaciona

Tomar \ln en ambos lados convierte productos y potencias difíciles en sumas, la idea detrás de la derivación logarítmica. Los logaritmos en otras bases son simplemente logaritmos naturales reescalados; consulta las funciones logarítmicas. Para practicar con más ejemplos resueltos, lee la guía de derivadas de funciones exponenciales y logarítmicas.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la derivada de ln x?

La derivada de \ln x es \frac{1}{x} para x > 0. En general, \frac{d}{dx}\ln|x| = \frac{1}{x} para todo x \ne 0.

¿Cuál es la integral de ln x?

Usa integración por partes con u = \ln x y dv = dx: \int \ln x\,dx = x\ln x - x + C.

¿Qué diferencia hay entre ln y log?

\ln x es el logaritmo en base e \approx 2.718. En la mayoría de los libros de cálculo \log x significa base 10, aunque algunos textos avanzados también usan \log para la base e.

¿Cuál es la derivada de ln(2x)?

Por la regla de la cadena, \frac{d}{dx}\ln(2x) = \frac{2}{2x} = \frac{1}{x}. De forma equivalente, \ln(2x) = \ln 2 + \ln x, y la constante \ln 2 tiene derivada 0.

¿Por qué no está definido el logaritmo natural de un número negativo?

Porque e^y es positivo para todo y real, ninguna potencia real de e es igual a un número negativo ni a cero. Por eso \ln x solo está definido para x > 0.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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