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Derivadas exponenciales y logarítmicas

Derivada de xˣ: fórmula, demostración y ejemplos

La derivada de xˣ es xˣ(ln x + 1). Aprende dos métodos, la derivación logarítmica y la reescritura como e^(x ln x), con una gráfica y ejemplos.

Derivadas exponenciales y logarítmicas Actualizado 3 min de lectura

De un vistazo

\frac{d}{dx}\,x^x = x^x(\ln x + 1)
Derivada
x^x(\ln x + 1) para x > 0
Reescritura clave
x^x = e^{x\ln x}
Método
derivación logarítmica
Mínimo
x = \frac{1}{e}, valor e^{-1/e} \approx 0.692
Forma general
\dfrac{d}{dx}f^g = f^g\left(g'\ln f + \dfrac{gf'}{f}\right)
En esta página
  1. Por qué fallan las reglas habituales
  2. Método 1: derivación logarítmica
  3. Método 2: reescribir con base e
  4. Gráfica de xˣ y de su derivada
  5. Ejemplos resueltos
  6. Errores comunes

La derivada de x^x es x^x(\ln x + 1). Es el ejemplo clásico de función que necesita derivación logarítmica.

\frac{d}{dx}\,x^x = x^x(\ln x + 1), \qquad x > 0

Por qué fallan las reglas habituales

Función Base Exponente Regla Derivada
x^3 variable constante regla de la potencia 3x^2
3^x constante variable regla de la exponencial 3^x\ln 3
x^x variable variable ninguna por sí sola x^x(\ln x + 1)

Aplicar la regla de la potencia da x\cdot x^{x-1} = x^x, y aplicar la regla de la exponencial da x^x\ln x. Las dos son incorrectas. Curiosamente, el resultado correcto es su suma.

Método 1: derivación logarítmica

Sea y = x^x. Toma el logaritmo natural en ambos lados para bajar el exponente:

\ln y = x\ln x

Deriva ambos lados. El lado izquierdo necesita derivación implícita, y el derecho la regla del producto (es la derivada de x ln x):

\frac{1}{y}\cdot\frac{dy}{dx} = \ln x + 1

Multiplica por y = x^x:

\frac{dy}{dx} = x^x(\ln x + 1)

Método 2: reescribir con base e

Como x = e^{\ln x}, tenemos x^x = e^{x\ln x}. Ahora usa la regla de la cadena con función exterior e^u:

\frac{d}{dx}e^{x\ln x} = e^{x\ln x}\cdot\frac{d}{dx}(x\ln x) = x^x(\ln x + 1)

En el fondo, los dos métodos son la misma idea. Usa el que te resulte más natural.

Gráfica de xˣ y de su derivada

Gráfica de y = xˣ y de su derivada
La curva baja hasta su valor mínimo, aproximadamente 0.692, en x = \frac{1}{e}, y luego crece muy deprisa. En x = 1 tanto el valor como la pendiente valen 1.

Como x^x > 0, el signo de la derivada depende solo de \ln x + 1. Es negativa para x < \frac{1}{e} y positiva después, así que el mínimo está en x = \frac{1}{e}. Su valor es \left(e^{-1}\right)^{1/e} = e^{-1/e} \approx 0.692.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: pendiente en x = 2. \frac{d}{dx}x^x\big|_{x = 2} = 2^2(\ln 2 + 1) = 4(1.693) \approx 6.77.

Ejemplo 2: x elevado a sen x. Sea y = x^{\sin x}. Entonces \ln y = \sin x\ln x, y

\frac{y'}{y} = \cos x\ln x + \frac{\sin x}{x} \quad\Longrightarrow\quad y' = x^{\sin x}\left(\cos x\ln x + \frac{\sin x}{x}\right)

Ejemplo 3: x elevado a 1/x. Sea y = x^{1/x}. Entonces \ln y = \frac{\ln x}{x}, y la regla del cociente da

\frac{y'}{y} = \frac{1 - \ln x}{x^2} \quad\Longrightarrow\quad y' = x^{1/x}\cdot\frac{1 - \ln x}{x^2}

Vale cero en x = e, así que x^{1/x} alcanza su máximo en x = e, con valor e^{1/e} \approx 1.445.

Ejemplo 4: x elevado a x al cuadrado. Para y = x^{x^2}, \ln y = x^2\ln x, así que y' = x^{x^2}(2x\ln x + x).

Errores comunes

  1. Regla de la potencia: x\cdot x^{x-1} = x^x. Incorrecto, porque el exponente no es constante.
  2. Regla de la exponencial: x^x\ln x. Incorrecto, porque la base no es constante.
  3. Olvidar multiplicar por y al final de la derivación logarítmica, dejando solo \ln x + 1.

Para más sobre este método, consulta los ejercicios de derivación implícita y la derivada de 2ˣ y aˣ.

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Derivación implícita

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la derivada de x^x?

La derivada de x^x es x^x(\ln x + 1), para x > 0.

¿Por qué no puedo usar la regla de la potencia con x^x?

La regla de la potencia necesita un exponente constante, y la regla de la exponencial necesita una base constante. En x^x cambian las dos, así que hay que usar la derivación logarítmica o reescribirla como e^{x\ln x}.

¿Cuál es la derivada de x^(sen x)?

Con derivación logarítmica: x^{\sin x}\left(\cos x\ln x + \frac{\sin x}{x}\right).

¿Dónde está el mínimo de x^x?

En x = \frac{1}{e} \approx 0.368, donde la derivada vale cero. El valor mínimo es \left(\frac{1}{e}\right)^{1/e} = e^{-1/e} \approx 0.692.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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