Aproximaciones · Tema 30

Diferenciales y aproximación lineal

Usá la recta tangente para estimar valores cercanos, interpretar pequeños cambios y propagar errores de medición.

01 · Ver de cerca

Una función derivable parece lineal localmente

Al ampliar una curva suave alrededor de x=a, su gráfica se aproxima a la recta tangente. Esta idea transforma una función posiblemente compleja en un cálculo lineal:

f(a+Δx)≈f(a)+f′(a)Δx
f(a)

Valor base

El punto conocido desde el que aproximamos.

f′(a)

Sensibilidad local

Cuánto cambia la salida por unidad de entrada.

Δx

Desplazamiento

Debe ser suficientemente pequeño para una buena aproximación.

02 · Recta tangente

La linealización en un punto

La función lineal que aproxima a f cerca de a es:

L(x)=f(a)+f′(a)(x−a)

Satisface L(a)=f(a) y L′(a)=f′(a): coincide con la función tanto en valor como en pendiente.

La aproximación es local. Alejarse de a acumula el efecto de la curvatura.

03 · Cambio real y cambio lineal

Δy frente a dy

Si y=f(x) y la entrada cambia en Δx:

Δy=f(x+Δx)−f(x)
dy=f′(x)dx

Al elegir dx=Δx, el diferencial aproxima el cambio real:

Δy≈dy

Δy pertenece a la curva; dy, a la recta tangente. No son idénticos salvo para funciones lineales o casos particulares.

04 · Calidad de la aproximación

El error depende de la curvatura

Si existe la segunda derivada, el teorema de Taylor permite expresar:

f(a+h)=f(a)+f′(a)h+f″(ξ)h²/2

para algún ξ entre a y a+h. Por tanto, el error lineal suele ser proporcional a . Reducir h a la mitad reduce aproximadamente el error por un factor de cuatro.

05 · Ejemplo clásico

Aproximar √4,1 sin calculadora

Tomamos f(x)=√x y a=4:

f(4)=2    f′(4)=1/(2√4)=1/4
√4,1≈2+(1/4)(0,1)=2,025

El valor real es aproximadamente 2,0248457; el error es menor que dos diezmilésimas.

06 · Cálculo mental

Potencias cercanas a uno

Para f(x)=xⁿ alrededor de a=1:

(1+h)ⁿ≈1+nh

Así, 1,02⁵≈1+5(0,02)=1,10. También:

1/(1+h)≈1−h    y    √(1+h)≈1+h/2

Estas aproximaciones son útiles para estimaciones rápidas y análisis asintótico.

07 · Propagación de errores

Un error de entrada produce un error aproximado de salida

Si una medición x tiene incertidumbre máxima |dx|, entonces:

|dy|≈|f′(x)|·|dx|

Para el área de un círculo A=πr²:

dA=2πr dr

Si r=10 cm con error máximo 0,02 cm, el error de área es aproximadamente 0,4π cm².

08 · Errores relativos

Comparar el error con el tamaño de la magnitud

Dividiendo el diferencial por el valor:

dy/y≈[x f′(x)/f(x)]·dx/x

El factor κ(x)=|x f′(x)/f(x)| es un número de condición relativo. Indica cuánto puede amplificarse un pequeño error porcentual de entrada.

Para f(x)=xⁿ, κ=|n|: un 1% en x produce aproximadamente |n|% en f.

09 · Varias entradas

El diferencial total

Si z=f(x,y), pequeños cambios en ambas entradas producen:

dz=fₓ dx+fᵧ dy

Para A=xy, dA=y dx+x dy. Cada término mide la contribución de una variable mientras la otra se mantiene fija.

En programación científica, este principio sustenta gradientes, retropropagación y análisis de sensibilidad.

10 · De aproximar a resolver

La linealización conduce al método de Newton

Para buscar una raíz cercana a x₀, reemplazamos la curva por su tangente y calculamos dónde esa recta vale cero:

x₁=x₀−f(x₀)/f′(x₀)

Repetir el proceso genera el método de Newton. Su rapidez depende de una buena aproximación inicial, de que f′ no sea demasiado pequeña y del comportamiento local de la función.

11 · Exploración interactiva

Laboratorio: curva y aproximación lineal

Elegí una función, el punto base y el incremento. Compará el valor exacto con la estimación de la recta tangente.

EXPERIMENTO 30

Pequeños cambios

f(x)=√x

Los resultados aparecen debajo.
Valor exacto2,0248457
Aproximación lineal2,025
Diferencial dy0,025
Error absoluto0,0001543

La tangente aproxima la curva cerca del punto base.

12 · Implementación

Una utilidad de linealización

function linearize(f, df, a) {
  const fa = f(a);
  const slope = df(a);
  return x => fa + slope * (x - a);
}

const sqrtNearFour = linearize(Math.sqrt, x => 1 / (2 * Math.sqrt(x)), 4);
console.log(sqrtNearFour(4.1)); // 2.025

Separar f, df y a permite reutilizar el algoritmo y comparar sistemáticamente aproximación y error.

13 · Consideraciones numéricas

Una aproximación útil también necesita controles

function approximationReport(f, df, a, dx) {
  const exact = f(a + dx);
  const dy = df(a) * dx;
  const linear = f(a) + dy;
  return { exact, linear, dy, error: Math.abs(exact - linear) };
}

Antes de calcular hay que comprobar el dominio de a y a+dx. Cerca de singularidades, una variación pequeña puede causar un gran error.

14 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«Δy y dy son exactamente iguales»

Δy es el cambio real; dy es su aproximación lineal.

«La aproximación sirve igual de lejos del punto base»

Es local y suele empeorar al crecer |x−a|.

«Si f′(a)=0, la función no cambia»

Solo indica que el término lineal es cero; pueden dominar términos cuadráticos.

«Un diferencial es solo una notación decorativa»

Representa la aplicación lineal que aproxima el cambio de la función.

«Toda entrada pequeña produce un error pequeño»

Cerca de singularidades o en problemas mal condicionados el cambio puede amplificarse.

15 · Práctica guiada

Ejercicios de aplicación

Ejercicio 1: raíz cuadrada

Aproximá √9,1 alrededor de 9.

Ver solución razonada

f(9)=3, f′(9)=1/6; entonces √9,1≈3+0,1/6=3,01667.

Ejercicio 2: potencia

Aproximá 1,01⁶ linealmente.

Ver solución

(1+h)⁶≈1+6h; con h=0,01 resulta 1,06.

Ejercicio 3: seno

Linealizá sin x alrededor de cero.

Ver solución razonada

L(x)=sin0+cos0·x=x; por eso sin x≈x para ángulos pequeños.

Ejercicio 4: logaritmo

Aproximá ln(1,03).

Ver solución

Alrededor de 1, ln(1+h)≈h; el resultado es 0,03.

Ejercicio 5: error de área

Un círculo tiene r=5±0,01 cm. Estimá el error máximo del área.

Ver solución razonada

|dA|≈2π(5)(0,01)=0,1π cm².

Ejercicio 6: error relativo

Si V=r³, ¿cómo se relacionan los errores relativos?

Ver solución

dV/V≈3dr/r: el error porcentual de volumen triplica aproximadamente al de radio.

Ejercicio 7: linealización exponencial

Hallá la linealización de en cero.

Ver solución

L(x)=1+x.

Ejercicio 8: paso de Newton

Aplicá un paso de Newton a x²−2=0 desde x₀=1,5.

Ver solución razonada

x₁=1,5−(1,5²−2)/(3)=17/12≈1,41667.

16 · Síntesis

Ideas para recordar

  • L(x)=f(a)+f′(a)(x−a) es la mejor aproximación lineal local.
  • Δy es el cambio real y dy=f′(x)dx su aproximación.
  • Con segunda derivada acotada, el error lineal es del orden de (Δx)².
  • Los diferenciales permiten estimar errores absolutos y relativos.
  • El número de condición mide la amplificación local del error.
  • La linealización conduce naturalmente al método de Newton.

El próximo tema llevará las reglas estudiadas a un derivador simbólico elemental en JavaScript.