Notas de derivadas

Page 1

Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Se trata de un primer borrador de las notas de clase de Introducción al Cálculo dado en la ULADECH Católica Marzo 2014-Perú. De nición 1 (La Derivada) Se llama derivada de la función f en c, f ′ (c), al siguiente límite, si es que existe: f ′ (c) = l´ım

x→c

f (x) − f (c) x−c

(1)

Obsv 1 Haciendo cambio de variable, h = x − a, la forma equivalente es f ′ (c) = l´ım

h→0

(1)

Son equivalentes

f (c + h) − f (c) h

Figura 1: No es derivable

(2)

Una función es

derivable

(o

diferenciable) puede ser utilizada para calcular la pendiente de la recta tangente en el punto (x, f (x)) de la grá ca de f.

c existe. Diremos que es derivable en ⟨a, b⟩ si es derivable en cada punto del

en c si su derivada en el intervalo abierto intervalo. La de

Proposición 2 (Derivadas laterales)

lectura

f

en

x = 2, porque las derivadas x = 2 la grá ca es angu-

Nota 1 La derivada f ′ de la función f es una función, que

El proceso de hallar la derivada de una función se llama

derivación.

en

loso.

(2).

y

f

laterales no son iguales, ya que en

c".

de

la

notación

f (c)

es

"primera

derivada

Otras notaciones más comunes son

f ′ (x),

dy , dx

y′ ,

d [f (x)], dx

Dx [y]

a) Derivada por la izquierda: (3)

f ′ (c− ) = l´ım− x→c

dy dx se lee derivada de y con respecto a x . Usando notaciones de límites, podemos escribir

f (x) − f (c) f (c + h) − f (c) = l´ım− x−c h h→0

La notación

b) Derivada por la derecha:

dy dx

△y △x f (x+ △ x) − f (x) = l´ım △x→0 △x = f ′ (x) =

l´ım

f ′ (c+ ) = l´ım+

△x→0

x→c

Ejemplo 2 Un grá co con un punto anguloso

Ejemplo 1 Cálculo de la derivada por el proceso de límite Hallar la derivada de

Solución:

f ′ (x) = = = = =

f (x) − f (c) f (c + h) − f (c) = l´ım+ x−c h h→0

f (x) = x3 + 2x.

La función

f (x) = |x − 2| que se muestra en la gura 1 no x = 2 ya que f ′ (2− ) ̸= f ′ (2+ ) debido a que

es derivable en

f (x+ △) − f (x) △x (x+ △ x)3 + 2(x+ △ x) − (x3 + 2x) l´ım △x→0 △x 3x2 (△ x) + 3x(△ x)2 + (△ x)3 + 2(△ x) l´ım △x→0 △x 2 △ x[3x + 3x(△ x) + (△ x)2 + 2] l´ım △x→0 △x l´ım [3x2 + 3x(△ x) + (△ x)2 + 2] l´ım

f ′ (2− ) = l´ım−

△x→0

x→2

f (x) − f (2) |x − 2| − 0 = l´ım− = −1 x−2 x−2 x→2

f ′ (2+ ) = l´ım+ x→2

|x − 2| − 0 f (x) − f (2) = l´ım+ =1 x−2 x−2 x→2

Ejemplo 3 Un grá co con tangente vertical

△x→0

= 3x2 + 2

La función

z

f (x) =

√ 3

x

no es derivable en

x = 0. 1


Newton Huamaní castro

Figura 2: No es derivable en

Asignatura: Cálculo Superior

x = 0,

Figura 4: Cuando

porque tiene tangente

Q

se acerca a

P,

las rectas secantes se

van aproximando a la recta tangente

vertical

Al aproximarse

Ya que el límite

Q

al punto

P,

la pendiente de la recta

secante se aproxima a la de la recta tangente, como ilustra

f (x) − f (0) x→0 x−0 l´ım

x1/3 − 0 x→0 x 1 = l´ım 2/3 x→0 x = ∞

=

la gura 4. Cuando existe tal posición límite se dice que la

l´ım

pendiente de la recta tangente es el límite de las pendientes de las rectas secantes.

Nota 2 El denominador de (4) △ x es el cambio (o incre-

es in nito. Del cual se deduce que la recta tangente en es vertical. Por tanto,

f

no es derivable en

x = 0.

Proposición 3 (Derivable implica continuidad) Si es derivable en x = c, entonces f es continua en x = c.

Interpretación Geométrica

La derivada de una función en un punto es la pendiente de

f

to de tangencia y

P (c, f (c+ △ x)) el punQ(c+ △ x, f (c+ △ x)) un segundo punto

f,

la pendiente de la recta secante que pasa

de la grá ca de

mento) en x y el numerador △ y = f (c+ △ x) − f (c) es el cambio (o incremento) en y.

x=0

la recta tangente a la grá ca de la función en ese punto.

De nición 4 (Recta Tangente a una Curva)

por estos dos puntos viene dada por

msec =

l´ım

f (c+ △ x) − f (c) f (c+ △ x) − f (c) = c+ △ x − c △x

i)

Si

f está de nida en un intervalo abierto que contiene a c y además existe el límite

Sea

△x→0 (4)

△y f (c+ △ x) − f (c) = l´ım △ x △x→0 △x

entonces, la recta que pasa por (c, f (c)) con pendiente m se llama recta tangente a la grá ca de f

ii)

La ecuación de la recta tangente en el punto (c, f (c)) en forma punto pendiente será: y − f (c) = f ′ (c)(x − c)

iii)

La ecuación de la recta normal a la curva en (c, f (c)) en forma punto pendiente será: y − f (c) = −

1 (x − c) f ′ (c)

Ejemplo 4 Calcular las pendientes de las rectas tangentes Figura 3: La recta secante que pasa por

x, f (c+ △ x))

(c, f (c))

y

a la grá ca de f (x) = x2 + 1 en los puntos (0, 1) y (−1, 2), que se ilustran en la gura

(c+ △

Solución. Sea

z

(x, f (x))

un punto arbitrario de la grá ca de

2


Newton Huamaní castro f.

Asignatura: Cálculo Superior

la pendiente de la recta tangente en él viene dada por

f (x+ △ x) − f (x) △x→0 △x l´ım

(x+ △ x)2 + 1 − (x2 + 1) △x→0 △x 2x(△ x) + (△ x)2 = l´ım △x→0 △x = l´ım (2x+ △ x) =

l´ım

△x→0

=

2x

(x, f (x)) de la f es m = 2x. En el punto (0, 1) la pendiente es Teorema 2 (La regla de las potencias ) Si n es un m = 2(0) = 0 y en (−1, 2) la pendiente es m = 2(−1) = −2. número racional, la función f (x) = xn es derivable y Por tanto, la pendiente en cualquier punto

grá ca 5 de

d n [x ] = nxn−1 dx

Para que f sea derivable en x = 0, n ha de ser un número tal que xn−1 esté de nido en un intervalo que contenga a 0.

Figura 5: La pendiente de es

f

en un punto cualquiera

(x, f (x))

m = 2x

Reglas Básicas de Derivación y Ritmos de Cambio Teorema 1 (La regla de la contante) La derivada de

una función constante es 0. Es decir, si c es un número d real, entonces dx [c] = 0.

Ejemplo 5 Calcular la pendiente de la grá ca de f (x) = x4 cuando

a)

x = −1

La solución:

b)

x=0

La derivada de

f

c)

es

x=1

f ′ (x) = 4x3 . f ′ (−1) = 4(−1)3 = −4.

a) Para

x = −1,

b) Para

x = 0,

la pendiente es

f ′ (0) = 4(0)3 = 0.

c) Para

x = 1,

la pendiente es

f ′ (1) = 4(1)3 = 4.

la pendiente es

Figura 6: Observamos en la gura que la regla de constante es equivalente a decir que la pendiente de una recta horizontal es

0.

Hagamos notar que en la Fifura la pendiente es negativa en

Esto ilustra la relación entre derivada y pendiente.

el punto

z

(−1, 1),

cero en el

(0, 0)

y positiva en el

(1, 1) 3


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Teorema 4 (Las reglas de suma y diferencia) La derivada de la suma (o de la diferencia) de dos funciones derivables es la suma (o diferencia) de sus derivadas. d [f (x) + g(x)] = f ′ (x) + g ′ (x) dx d [f (x) − g(x)] = f ′ (x) − g ′ (x) dx

Regla de la suma Regla de la suma

Figura 7: La pendiente de una grá ca en un punto es el valor de la derivada en ese punto.

Teorema 3 (La regla del múltiplo constante) Si f es derivable y c un número real, entonces cf es también deriv- Nota 4 able y Teorema 5 Derivadas de las funciones seno y coseno. d [cf (x)] = cf ′ (x) dx

d [senx] = cosx dx

Nota 3 Esta regla viene a a rmar que las constantes se

d [cosx] = −senx dx

pueden sacar fuera de la derivada, incluso cuando aparecen en un denominador.

Teorema 6 (La regla del producto y del cociente) d [f (x) · g(x)] = f (x)g ′ (x) + g(x)f ′ (x) dx d f (x) g(x)f ′ (x) − f (x)g ′ (x) [ ]= dx g(x) [g(x)]2

Ejemplo 7 Hallar la derivada de h(x) = (3x−2x2 )(5+4x) Solución

Ejemplo 6 Uso de paréntesis al derivar z

4


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Este ejemplo se puede derivar sin la regla del producto. Multiplicando e los factores para tener un desarrollo polinomial y luego derivar.

Ejemplo 8 Hallar la derivada de h(x) = 2xcosx − 2senx Solución

Ejemplo 10 Puesto que la Luna carece de atmósfera, un objeto al caer en la luna no encuentra resistencia del aire. En 1971, el astronauta David Scott veri có que una pluma de ave y un martillo caen a la misma velocidad. La función posición para cada uno de ellos viene dada por

Ejemplo 9 Usando la regla del cociente.

s(t) = −0,8t2 + 2

donde s(t) es la altura en metros y t el tiempo en segundos. ¾Cuál es la razón entre la fuerza de gravedad en la tierra y en la luna? Solución:

Para hallar la aceleración derivamos dos veces la

función posición

s(t) = s′ (t) = s′′ (t) = Obsérvese el uso de los parentesis en el ejm 9. Es recomend-

−0,8t2 + 2 −1,62t −1,62

Función posición Función velocidad Función velocidad

En consecuencia, la fuerza de la gravedad en la Luna es −1,62m/s2 . Como en la tierra es −9, 8m/s2 , la razón entre

able usar paréntesis en todos los problemas de derivación. Por ejm, cunado se usa la regla del cociente es conviniente

ellas es

encerrar cada factor y cada derivada en un paréntesis y

Fuerza gravitacional de la Tierra

prestar especial atención a la resta exigida en el numerador.

Fuerza gravitacional de la Luna

Práctica 1 Comprobar cada caso

=

−9,8 ≈ 6,05 −1,62

Práctica 2 1. Dibujar la grá ca de una función derivable f tal que f > 0 y f ′ < 0 para todos los números reales

x.

2. Dibujar la grá ca de una función derivable f tal que f (2) = 0, f ′ < 0 para −∞ < x < 2, y f ′ > 0 para 2 < x < ∞.

3.

Reposición de inventario El coste C

de pedido y transporte de las componentes utilizadas en la fabricamente de un producto es (

C = 100

x 200 + x x + 30

)

,

1≤x

donde C se mide en miles de dólares y x es el tamaño del pedido en cientos. Hallar el ritmo de cambio de C con respecto a x cuando a) x = 10 b) x = 15 c) x = 20. ¾Qué implican estos ritmos de cambio para cuando el tamaño del pedido aumenta?

Derivadas de Orden Superior Podemos de nir derivadas de cualquier orden entero positivo. Por ejemplo, la tercera derivada es la derivada de la segunda derivada. Las derivadas de orden superior se denotan como sigue.

z

5


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Teorema 7 (Regla de la cadena) Si y = f (u) es una Ejemplo 13 Hallar los puntos de la grá ca de f (x) = √ función derivable de u, y si además u = g(x) es una fun- 3 (x2 − 1)2 en los que f ′ (x) = 0 y aquellos en los que f ′ (x) ción derivable de x, entonces y = f (g(x)) es una función no existe. derivable, con Solución: Empezamos reescribiendo la función como dy dy du dx

=

· du dx

f (x) = (x2 − 1)2/3

o sea, en otra notación, d [f (g(x))] = f ′ (g(x))g ′ (x) dx

Remark 1 La regla de cadena es aplicable a las funciones

compuestas y dota a la derivación de una versatibilidad sorprendente. A título de ejemplo, compárese las siguientes funciones. Las de la izquierda pueden ser derivadas sin la regla de la cadena, mientras que a las de la derecha conviene aplicarles esa regla.

Ejemplo 11 Hallar Solución: interior

dy dx

para y = (x2 + 1)3 .

Para esta función podemos tomar como función

u = x2 + 1.

Por la regla de la cadena se obtiene

Figura 8: La derivada de en

dy = 3(x2 + 1)2 (2x) = 6x(x2 + 1)2 dx | {z } |{z} dy du

f

es

0

en

x=0

y no está de nida

x = ±1

Aplicando ahora la regla general de las potencias (con

du dx

u = x2 − 1

Teorema 8 (La regla de las potencias) Si y = [u(x)] , donde u es una función derivable de x y n es un número racional, entonces

) se obtiene

n

f (x) = =

dy du = n[u(x)]n−1 dx dx

Así pues,

o, forma equivalente

f ′ (x) = 0

en

1 2 2 (x − 1)− 3 (2x) 3 4x √ 3 3 x2 − 1

x=0

y

f ′ (x)

no existe en

x = ±1,

como se indica en la Figura 8

Ejemplo 14 (Simpli cando por factorización de la poten√ cia mínima) y = x2 1 − x2 = x2 (1 − x2 )1/2

d n [u ] = n[u]n−1 u′ dx

Ejemplo 12 (Aplicación de la regla de las potencias) Hallar la derivada de f (x) = (3x − 2x2 )3 .

Solución:

Sea

u = 3x − 2x2 .

d d [(1 − x2 )1/2 ] + (1 − x2 )1/2 [x2 ] dx dx [ ] 2 1 2 −1/2 = x (1 − x ) (−2x) + (1 − x2 )1/2 (2x) 2

f ′ (x) = x2

Entonces

f (x) = (3x − 2x2 )3 = u3

= −x3 (1 − x2 )−1/2 + 2x(1 − x2 )1/2

y de la regla de potencias se deduce que

f ′ (x)

d [3x − 2x2 ] dx 3(3x − 2x2 )2 (3 − 4x)

= 3(3x − 2x2 )2 =

Regla de las potencias

z

= x(1 − x2 )−1/2 [−x2 (1) + 2(1 − x2 )] x(2 − 3x2 ) √ = 1 − x2 6


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Ejemplo 15 (Simpli cando de la derivada de un cociente) f (x) =

Dx (ln(x)) =

x √ 3 2 x +4

1 x

Dx (sen(x)) = cos(x) Dx (cos(x)) = −sen(x) Dx (tg(x)) = sec2 (x) Dx (ctg(x)) = −csc2 (x) Dx (sec(x)) = sec(x)tg(x) Dx (csc(x)) = −csc(x)ctg(x) Derivación de funciones compuestas

Sean

u(x), v(x)

y

w(x)

funciones de

x; k

una constante,

luego se tiene las siguientes reglas de derivación:

Dx (ku) = kDx (u)

Práctica 3 La tabla recoge varios valores de la derivada de

Dx (un ) = nun−1 Dx (u)

una función f desconocida. Completar la tabla hallando, si ello es posible, la derivada de cada una de las siguientes transformaciones de f.

Dx (u + v) = Dx (u) + Dx (v) Dx (uv) = uDx (v) + vDx (u) Dx (u + v − kw) = Dx (u) + Dx (v) − kDx (w) Dx ( uv ) =

vDx (u)−uDx (v) v2

Dx (eu ) = eu Dx (u) Dx (k u ) = k u ln(k)Dx (u) Dx (v u ) = uv u−1 Dx (v) + v u ln(v)Dx (u) Dx (ln(u)) = u1 Dx (u) -

Derivación implicita

La

derivación

directa

funciona

siempre que seamos capaces de despejar y en la ecuación. Pero si no se logra despejar y, no es factible este método. dy Por ejemplo, ¾cómo hallar dx para la ecuación ?

x2 − 2y 3 + 4y = 2 donde resulta dí cil despejar

-

x?

y

como funciona explicita de

En tales situaciones se debe usar la llamada

implicita.

Reglas de derivación :

derivación

Dx (kx) = k

Para comprender esta técnica, es preciso tener en cuenta

Dx (kx2 ) = 2kx

decir que cuando hayamos de derivar términos que sólo

que la derivación se efectúa con respecto a contiene a

Dx (xn ) = nxn−1

x,

x.

Esta quiere

la derivación será habitual. Sin embargo,

cuando tengamos que derivar un término donde aparezca

y,

Dx ( x1 ) = − x12

la

será necesario aplicar la regla de la cadena, ya que se

Dx (ex ) = ex

función de

está suponiendo que

z

y

viene de nida implicitamente como

x. 7


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Ejemplo 16 Hallar dy/dx sabiendo que y 3 + y 2 − 5y − x2 = −4.

Solución.

i)

Derivamos los dos miembros de la ecuación respecto de

x. d 3 d [y + y 2 − 5y − x2 ] = [−4] dx dx d 3 d 2 d d 2 d [y ] + [y ] − [5y] − [x ] = [−4] dx dx dx dx dx dy dy dy + 2y −5 − 2x = 0 3y 2 dx dx dx

ii)

Agrupamos los términos con

3y 2

iii)

Factorizamos

dy dx en la parte izquierda.

Figura 9:

f

continua,

[−1, 2]

cerrado

Figura 10:

f

continua,

⟨−1, 2⟩

abierto

dy dy dy + 2y −5 = 2x dx dx dx

dy/dx

en la parte izquierda.

dy (3y 2 + 2y − 5) = 2x dx

iv)

Despejamos

dy/dx

dividiendo por

(3y 2 + 2y − 5)

dy 2x = 2 dx 3x + 2y − 5 Nótese que la derivada implicita puede llevar a una expresión para

dy/dx

en la que aparezcan a lavez

x

e

y.

Aplicaciones de la derivada Se estudia el comportamiento de una función máximo en

I?

f

sobre un intervalo

I.

¾Tiene

f

un valor

¾Y un valor mínimo? ¾Dónde es creciente la

función? ¾Y decreciente? Se aprovecha las derivadas con el n de responder cuestiones de esa clase.

De nición 5 (De nición de extremos) Sea un intervalo I que contiene a c.

f de nida en

1. f (c) es el valor mínimo de f en I si f (c) ≤ f (x) para todo x en I. 2. f (c) es el (valor) máximo de f en I si f (c) ≥ f (x) para todo x en I. El máximo y el mínimo de una función en un intervalo son los valores extremos, o simplemente extremos, de la función en ese intervalo. El mínimo y el máximo de una función en un intervalo se llama también el mínimo absoluto y el máximo absoluto de la función en el intervalo.

Remark 2 Una función no tiene por qué tener máximo o

Figura 11:

g

no es continua,

[−1, 2]

cerrado

mínimo en un intervalo. Así, en la gura 9 vemos que la función f (x) = x2 + 1 tiene máximo y mínimo en el interRemark 3 Los extremos pueden producirse en puntos invalo cerrado [−1, 2], pero en la gura 10 no tiene máximo teriores del intervalo o en sus puntos terminales. en el intervalo abierto ⟨−1, 2⟩. Por su parte,en la gura 11 muestra que la continuidad (o la falta de continuidad ) puede Todo esto sugiere el siguiente teorema, cuya demostración escapa al nivel de esta nota. afectar a la existencia de un extremo en el intervalo. z

8


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

Teorema 9 (Teorema de los valores extremos) Si f es con-

c

f (c) es máximo, entonces diremos a f (c) f en ese intervalo. Si existe un intervalo abierto que contiene a c y en el que f (c) es mínimo, entonces diremos a f (c) valor mínimo de f en ese intervalo. y en el que

valor máximo de

Punto terminal izquierdo

De nición 6 (Números críticos) Sea

f de nida en c. Si f ′ (c) = 0 o si f ′ no está de nida en c, se dice que c es un número crítico de f.

Figura 12:

c

es un número crítico de

está de nida en todo

los únicos números críticos de

En está lectura si existe un intervalo abierto que contiene a

f′

x, concluimos que éstos son f. Evalueando f en ellos y enlos puntos terminales de [−1, 2] vemos que el máximo es f (2) = 16 y el mínimo es f (1) = −1, como recoge la tabla, La gura muestra la grá ca de f. Cómo

tinua en un intervalo cerrado [a, b], entonces f alcanza un valor máximo y también mínimo en ese intervalo.

f(-1)=7

Número

Número

crítico

crítico

f(0)=0

Punto

ter-

minal derecho

f(1)=-1

f(2)=16

Mínimo

Máximo

f.

Teorema 10 (los extremos relativos sólo ocurren en los

números críticos) Si f tiene un máximo relativo o un mínimo relativo en x = c, entonces c es un número crítico de f. Estrategia para localizar los extremos.

En un intervalo cerrado

[a, b]

debe procederse así.

1. Hallar los números críticos de 2. Evaluar 3. Evaluar

f f

f

en

[a, b]

en cada número crítico de en

a

y en

⟨a, b⟩

Figura 13: En el intervalo cerrado en

b.

4. El más grande de todos esos valores es el máximo; el

y su máximo en

[−1, 2], f

tiene su mínimo

(2, 16)

En la gura 13, el número crítico

más pequeño es el mínimo.

x = 0

no da máximo

ni mínimo relativo. Lo cual signi ca que el reciproco del

Ejemplo 17 Hallar los extremos de

el intervalo [−1, 2].

teorema 10 no es verdadero. En otras palabras, los números

f (x) = 3x4 − 4x3 en

críticos de una función no siempre corresponden a extremos relativos.

Solución: Antes de nada, derivamos la función. f (x) = 3x4 − 4x3 f ′ (x) = 12x3 − 12x2

Práctica 4 Hallar los extremos de

Función original

f (x) = 2sen(x) − cos(2x)

Derivada

Solución. Esta función es derivable en todo

Para hallar los números críticos de f hay que buscar los ′ ′ valores de x en los que f (x) = 0 y aquellos en los que f (x)

f (x) = 12x − 12x = 0 12x (x − 1) = 0 3

2

0, 1

2

x

para encontrar sus números críticos basta hacer

f ′ (x) = 2cosx + 2sen2x = 2cosx + 4cosxsenx = 2(cosx)(1 + 2senx)

no está de nida.

x =

(1, −1)

Hacer f '(x)=0 Derivada

=

Números críticos

z

real, luego ′

f (x) = 0.

derivando

sen2x = 2cosxsenx Factorizar

0 9


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

2. Una función f es decreciente en un intervalo si para cualquier par de números x1 , x2 del intervalo, x1 < x2 implica f (x1 ) > f (x2 ).

[0, 2π], el factor cos x es nulo en x = π/2 y x = 3π/2. El factor (1 + 2senx) es cero en x = 7π/6 y x = 11π/6. Evaluando f en esos cuatro puntos y en los

En el intervalo en en

dos puntos terminales del intervalo, vemos que el máximo

f (π/2) = 3 y el mínimo ocurre en dos puntos f (7π/6) = Teorema 13 (Criterio de crecimiento y decrecimiento) Sea −3/2 y f (11π/6) = −3/2,. La grá ca de f puede verse en f una función continua en el intervalo cerrado [a, b] y derivable en el intervalo abierto ⟨a, b⟩ la gura 14. es

a) Si f ′ (x) > 0 para todo x en ⟨a, b⟩, f es creciente en [a, b] b) Si f ′ (x) < 0 para todo x en ⟨a, b⟩, f es decreciente en [a, b]

c) Si f ′ (x) = 0 para todo x en ⟨a, b⟩, f es constante en [a, b]

Ejemplo 18 Hallar los intervalos abiertos en los que 3 f (x) = x3 − x2 2

es creciente o decreciente. Solución:

Nótese que

f

es continua en toda la recta real.

Con el n de hallar los números críticos de

f,

igualamos a

cero su derivada.

f ′ (x) = 3x2 − 3x = 0 3(x)(x − 1) = 0 x = Como

f′

f '(x)=0 factorizar

0, 1

números críticos

está de nida en todos los puntos, los únicos

números críticos son

x=0

y

x = 1.

La tabla recoge valores

prueba en los intervalos determinados por ellos. Como f ′ está de nida en todos los puntos, los únicos números

[0, 2π], f alcanza su valor (7π/6, −3/2) y (11π/6, −3/2), y su

x=0

x = 1.

Figura 14: En el intervalo cerrado

críticos son

mínimo en dos puntos

en los intervalos determinados por ellos.

máximo en

y

la tabla recoge valores prueba

(π/2, 3) Intervalo

De nición 7 De nición

f es creciente en un intervalo si para cualquier par de números x1 , x2

prueba

Teorema 11 (Teorema de Rolle) Sea f continua en el in-

Signo de

Valor

tervalo cerrado [a, b] y derivable en el intervalo abierto ⟨a, b⟩. Si

Conclusión

existe al menos un número c en ⟨a, b⟩ tal que f (c) = 0

Así pues,

Teorema 12 (Teorema de valor medio) Si f es continua en

en

⟨0, 1⟩

0<x<1

x = −1

x=

f ′ (−1) = 6

f ′ ( 12 ) = − 43

>0

f (x)

f (a) = f (b)

−∞ < x < 0

f

1<x<∞

1 2

x=2 f ′ (2) = 6 >0

0<

Creciente

es creciente en

Decreciente

⟨−∞, 0⟩

y

⟨1, ∞⟩

Creciente y decreciente

como con rma la gura 15

el intervalo cerrado [a,b] y derivable en el intervalo abierto Estrategia para hallar los intervalos donde una ⟨a, b⟩, existe un número c en ⟨a, b⟩ tal que función es creciente o decreciente. Sea f continua f ′ (c) =

De nición 8 (Función

en

f (b) − f (a) b−a

⟨a, b⟩,

para hallar los intervalos abiertos donde

f

es

creciente o decreciente, seguir los pasos que se indican:

Creciente y Decreciente)

1. Localizar los números críticos de

1. Una función f es creciente en un intervalo si para cualquier par de números x1 , x2 del intervalo, x1 < x2 implica f (x1 ) < f (x2 ).

2. Evaluar el signo de

f ′ (x)

f

en

⟨a, b⟩

en cada uno de los interval-

os que esos números críticos determinan sobre la recta real.

z

10


Newton Huamaní castro 3. Usar teorema 13 para decidir si

Asignatura: Cálculo Superior

f

Solución:

crece o decrece en

cada intervalo.

Observemos que

f

es continua en toda la recta

real. Su derivada

f ′ (x)

= =

x = 0

es cero en

1 2 2 (x − 4)− 3 (2x) 3 4x 3(x2 − 4)1/3

y no está de nida en

los números críticos son

x = −2, x = 0

x = 2. Así x = 2. La

y

pues, tabla

recoge valores prueba en cada intervalo determinado por ellas.

Intervalo

−∞ < x < −2

−2 < x < 0

0<x<2

2 < x<∞

x = −3

x = −1

x=1

x=3

f ′ (−3) < 0

f ′ (−1) > 0

f ′ (1) < 0

f '(3)>0

Valor prueba Signo de

f (x)

Conclusión Decreciente Creciente

Decreciente Creciente

f tiene relativo en el punto (−2, 0), un máximo en √ (0, 3 16) y otro mínimo en el punto (2, 0), como

El criterio de la primera derivada asegura que un mínimo

Figura 15: Regiones de crecimiento y decrecimiento de f (x) = x3 − 32 x2

el punto

con rma la gura 16.

Teorema 14 (Criterio de la primera derivada) Sea c un número crítico de una función f continua en un intervalo abierto I que contiene a c. Si f es derivable en ese intervalo, excepto quizás en c, entonces f (c) puede clasi cerse así: 1. Si f ′ (x) cambia en c de negativa a positiva, f (c) es un valor mínimo de f 2. Si f ′ (x) cambia en c de positiva a negativa, f (c) es un valor máximo de f

Figura 16: El criterio de la primera derivada es útil para localizar los extremos

De nición 9 (Concavidad) Sea f derivable en un intervalo abierto I. La grá ca de f es cóncava hacia arriba en I si f ′ es creciente en ese intervalo y f es cóncava hacia abajo en I si f ′ es decreciente en él.

Ejemplo 19 Hallar los extremos de

Teorema 15 (Criterio de concavidad) Sea f una función cuya segunda derivada existe en un intervalo abierto I.

f (x) = (x2 − 4)2/3 z

11


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

1. Si f ′′ (x) > 0 para todo x en I, la grá ca de f es cóncava hacia arriba en I.

1. Dada la función

2. Si f ′′ (x) < 0 para todod x en I, la grá ca de f es cóncava hacia abajo en I.

2. Dada la función

g(t) = e2t (t2 − 4t),

a {

3. Hallar los valores de en

2

si:

f (x) =

Ejemplo 20 Hallar los extremos de f (x) = −3x5 + 5x3 . Solución: Para empezar, hallamos los números críticos de f.

4. Dadala función

aplicando reglas

y

b

tales que

ax + b 2x2 − 1

f

sea diferenciable

x<2 x≥2

si si

f (x) = x4 − 14x2 − 24x + 1,

determi-

nar los puntos críticos, intervalos donde la función es

−15x4 + 15x2 = 15x2 (1 − x2 ) = 0 −1, 0, 1

f ′′ (x) = −60x3 + 30x = 30(−2x3 + x),

f ′ (3)

t=0

de in exión de la grá ca de f, entonces o bien f ′′ (c) = 0 o f ′′ (x) no está en x = c.

Usando

calcular

de derivación calcular la primera derivada evaluada en

Teorema 16 (Puntos de in exión) Si (c, f (c)) es un punto

f ′ (x) = x =

f (x) = x2 − 4x + 1,

aplicando la de nición de la derivada.

creciente y decreciente, los valores máximos y mínimos relativos. Además, construir la grá ca de la función. 5. Para una pequeña empresa manufacturera, utilidad de

podemos

producir y vender diariamente x artículos, es descrita 2 por: U (x) = 1800+40x−4x . Luego ¾Cuántos artículos

aplicar el criterio de la segunda derivada como sigue.

deberán producirse y venderse diariamente para obtener la máxima utilidad? y ¾Cuál es esa utilidad? 6. Dada la función de costo promedio

12,

C(x) = 2x2 − 3x −

hallar costo total, costo marginal y valor mínimo

del costo promedio. 7. Dada la función:

f (x, y) = 2x3 y 2 − x2 y + xy 3 − x4 + y 3 Puesto que el criterio de la segunda derivada no decide en el punto

f

(0, 0),

Calcular

utilizamos el de la primera derivada. Como

crece a la izquierda y a la derecha de

x = 0, (0, 0)

no es

f

∂2f ∂x2 |(1,2)

b)

∂2f ∂y 2 |(1,2)

8. Utilizando la de nición de derivada de la función

ni máximo ni mínimo relativo (aunque la recta tangente es horizontal en él) La grá ca de

a)

a ) f (x) =

se muestra en la gura

2+x ′ 3−x , hallar f (0) 8 − x2 , hallar g ′ (1)

b ) g(x) = √ c ) h(x) = x − 3, hallar h′ (2) 9. Derivar las siguientes funciones

a ) f (x) =

1 1 x+ x+1

b ) g(x) = x 2 + ln(x) + x−3 + ex − 3x + sen(x)cos(x) 2

1

c ) h(x) = (3x2 + 5x + 7)x sen(x) 1 d ) q(x) = ln(3x2 − 4) + 3x5 − 2x−3 + 4x 2 + 1 2

10. Se estima que dentro de

t

meses, la venta de cierto

producto será: Figura 17:

(0, 0)

no es máximo ni mínimo

V (t) = 100t2 + 200t − 40

Aplicaciones a la economía y al comercio

Encuentre una expresión para la razón con la cual la

Los economistas denominan bene cio marginal, ingreso

venta cambiará con respecto al tiempo dentro de

marginal y coste marginal a los ritmos de cambio de los

meses

bene cios, de los ingresos y de los costes con respecto al

t

11. La demanda de artefactos eléctricos es un función de2 scrita por: D = 100 + 50t − t donde t es años.

número de unidades producidas o vendidas. Práctica de D Newton

Calcular la rapidez de cambio en

z

D,

cuando

t = 10 12


Newton Huamaní castro

Asignatura: Cálculo Superior

12. Hallar los intervalos en los que son crecientes o decrecientes las funciones

a ) f (x) = 2x2 − 4x − 1 b ) D(t) = t3 − 2t2 − 1 13. Para cada una de las siguientes funciones, hallar los puntos máximos y/o minímos relativos y los puntos de in exión (si los hay) Además, determinar los intervalos de concavidad:

a) b) c) d)

g(t) = t4 + 43 t3 − 4t2 f (t) = 12 − 12t + t3 D(t) = 7 + 6t − t2 f (x) = x2 + 4x + 3

14. El costo de producción de

2 + 3x

x

artículos está dado por:

soles, mientras que el precio de venta de ca-

da artículo es:

55 − 2x

soles. ¾Cuál será el número de

artículos producidos para lograr una utilidad máxima? 15. Una inmobiliaria es propietaria de un edi cio de

120 de$ 330

partamentos. Cuando la renta de cada uno es de

al mes, todos los departamentos están ocupados. Pero,

$ 30 en la renta, se 5 de ellos. Además, el costo de mantenimiencada departamento rentado es de $ 30 mensuales

por cada incremento mensual de desocupan to de

¾qué renta debe cobrarse para maximizar la utilidad? 16. Un fabricante de accesorios eléctricos tiene un costo dix2 ario descrito por: C(x) = 800−10x+ 4 soles. ¾Cuántos accesorios se deberán producir cada día para minimizar los costos? 17. Para las siguientes funciones de costo promedio, hallar costo total, costo marginal y valor minímo del costo

a) b) c) d)

C(x) = 2x + 5 +

18 x

C(x) = 10 − 4x3 + 3x4 C(x) = 2x2 − 3x − 12 C(x) = 2ex + e−x

18. La función de ingreso total de cierta empresa manufac2 turera se expresa por f (x) = 24x − 3x donde x es la cantidad vendida. Luego:

a)

¾Cuál es el ingreso máximo que la empresa puede lograr?

b) c) d)

Hallar el ingreso promedio. Hallar el ingreso marginal. Gra car en el plano cartesiano, conjuntamente el ingreso promedio e ingreso marginal.

19. La función de costo total de cierto producto está dado x2 por: 5 + 6x + 100 donde x es dado en Kg. Hallar el costo marginal, costo medio y el valor de x para el cual el costo medio es minímo.

z

13


Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.