Crítica de los diferenciales (1)

Como ya comenté en entradas anteriores, la mejor interpretación que se puede dar a la notación de Lebnitz $\dfrac{\mathrm d\square}{\mathrm d\square}$ es un operador con dos argumentos, por lo que no tiene sentido considerar cada $\mathrm d\square$ por separado. Para Leibnitz era un cociente de infinitésimos, pero tales infinitésimos fueron formalizados mucho más tarde (de los que ya hablaré en otra entrada) y ni siquiera allí es un cociente, sino el resultado de una operación hecha sobre el cociente, al igual que la terminología actual, donde la operación es el límite. En ambos casos una fórmula como $\dfrac{\mathrm dz}{\mathrm dx}=\dfrac{\mathrm dz}{\mathrm dy}\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dx}$ sugiere qué manipulación ha de hacer en el cociente que define la derivada, pero hay que descomponer la operación (el límite en nuestro caso) en dos por el producto.

Algunos, para darle valor a $\mathrm d\square$, lo definen de manera que $\mathrm dy =\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dx}\mathrm dx$, pero definiendo primero la derivada y después el diferencial. Con esta terminología es necesario definir los incrementos de la variables. Para cada variable $u$ se introduce su incremento como la variable $\Delta u$. Para una variable independiente $x$, su incremento $\Delta x$ es una nueva variable independiente. Para una variable dependiente $y=f(x)$, su incremento es $\Delta y=f(x+\Delta x)-f(x)$, una nueva variable dependiente. Así la derivada se define como $\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=f'(x)=\lim\limits_{\Delta x\to0}\dfrac{\Delta y}{\Delta x}$. También se define el diferencial como $\mathrm dy =f'(x)\Delta x$. Así el diferencial de la variable independiente es $\mathrm dx=\Delta x$ y se puede escribir para cualquier variable $\mathrm dy =f'(x)\mathrm dx$.

Si $y=f(x)$ y $z=g(y)$, entonces $\mathrm dy=f'(x)\mathrm dx$ y $\mathrm dz=g'(f(x))f'(x)\mathrm dx$, luego $\mathrm dz=g'(y)\mathrm dy$. Vemos, pues, que la fórmula $\mathrm dy=f'(x)\mathrm dx$ es válida tanto si $x$ es dependiente como independiente, de ahí que la regla de la cadena se escriba $\dfrac{\mathrm dz}{\mathrm dx}=\dfrac{\mathrm dz}{\mathrm dy}\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dx}$. Esta notación de la regla de la cadena falla cuando $\mathrm dy=0$, que puede ser para $y$ (localmente) constante ó para $\Delta x=0$. De hecho, para $\Delta x=0$ la notación de Leibnitz falla siempre, y es un caso a considerar.

Aunque estemos trabajando en una variable $x$, hemos tenido que introducir otra variable independiente $\Delta x$. Lo que tenemos es $\mathrm dy=\mathrm D_x[y] \Delta x$. El segundo differencial será $\mathrm d^2 y=\mathrm D_x[\mathrm D_x[y] \Delta x] \Delta x=\mathrm D^2_x[y]\Delta x^2$, entendiendo $\Delta x^2=(\Delta x)^2$, lo que justifica la notación $\dfrac{\mathrm d^2 y}{\mathrm dx^2}$, entendiendo $\mathrm dx^2=(\mathrm dx)^2$, con la salvedad de $\Delta x=0$. En general $\mathrm d^n y=\mathrm D^n_x[y]\Delta x^n$, lo que justifica $\dfrac{\mathrm d^n y}{\mathrm dx^n}$ con la misma salvedad.