Subido por Noemi C. A.

04 CDIF-Aplicacion derivada Recta tangente

Anuncio
1
Universidad Abierta y a Distancia de México
Licenciatura en Matemáticas Asignatura:
Cálculo diferencial
CDIF
Grado:
1er. Semestre
Competencia general:
Utilizar el concepto de la diferenciación para resolver ejercicios y problemas teóricos y aplicados a diferentes áreas de conocimiento, por medio de las
propiedades de la derivada.
Antología basada en los autores;
Dennis Edwin J. Purcell. Cálculo con geometría analítica.
Universidad Abierta y a Distancia de México. Cálculo diferencial.
William Granville. Cálculo diferncial e integral.
Swokowski Earl. Cálculo con geometría analítica
Facilitador:
Orlando Fabián Echeverría Alonso
Lic. en Cs. Físico - Matématicas
Mtro. en Tecnología Educativa
[email protected]
Entrega de actividades en foro
100 %
Entrega de actividad
100 %
Entrega de evidiencia 100 %
Entrega de autorreflexión
100 %
Promedio
100 %
Purcell (1992), UnADM (SF), Granville (1995), Swokowski (1982),
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
2
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
Índice general
1. Números reales y funciones
3
2. Límites y continuidad
5
3. Derivación
7
3.0.1. Reglas para encontrar derivadas . . . . . . . . . . . . .
7
3.0.2. Funciones exponenciales y logaritmos . . . . . . . . . .
8
3.0.3. Derivas exponenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.0.4. Derivadas de logaritmo natural . . . . . . . . . . . . . 10
3.0.5. Derivadas de funciones trigonométricas . . . . . . . . . 10
3.0.6. Derivadas de funciones trigonométricas inversas . . . . 11
3.0.7. Funciones hiperbólicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.0.8. Regla de derivación hiperbólicas . . . . . . . . . . . . . 12
4. Aplicaciones de la derivada
13
4.1. Derivada como razón de cambio . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2. Razones de cambio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3. Recta tangente a una curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.1. U4. Actividad 2. Razón de cambio y tangente de una
curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4. Máximos y mínimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
ÍNDICE GENERAL
Capítulo 1
Números reales y funciones
3
4
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
Capítulo 2
Límites y continuidad
5
6
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
Capítulo 3
Derivación
3.0.1.
Reglas para encontrar derivadas
1. Si f (x) = k, donde k es un valor constante;
f 0 (x) =
d
k=0
dx
f 0 (x) =
d
x=1
dx
2. Si f (x) = x;
3. Si f (x) = xn ;
f 0 (x) =
d n
x = nxn−1
dx
4. Si f (x) = kxn ;
f 0 (x) = k
d n
x = k · nxn−1
dx
5. Si f (x) y g(x), son derivables, entonces;
d
df (x) dg(x)
(f (x) ± g(x)) =
±
dx
dx
dx
6. Si f (x) y g(x), son derivables, entonces;
d
dg(x)
df (x)
(f (x) · g(x)) = f (x)
+ g(x)
dx
dx
dx
7
8
7. Si f (x) y g(x), son derivables, entonces;
3.0.2.
f (x)
g(x)
0
=
(x)
− f (x) dg(x)
g(x) dfdx
dx
(g(x))2
Funciones exponenciales y logaritmos
En la gráfica de la función f (x) = ln x, se observa el comportamiento de
la función calculando los límites;
lı́m ln x = ∞ y
x→∞
lı́m ln x = −∞
x→0+
por lo anterior se enuncia el siguiente teorema;
Teorema 3.0.1 A cada número real x le corresponde un número real positivo
único y tal que ln y = x
Def 3.0.1 La función exponencial natural denotada por exp se define
mediante
exp x = y
si y solo si
ln y = x
para todo x y para todo y > 0.
Una de sus propiedades es;
ln er = r ln e = r(1) = r
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
CAPÍTULO 3. DERIVACIÓN
3.0.3.
9
Derivas exponenciales
A partir de y = ex entonces ln y = x,
Def 3.0.2 La función exponencial es la función que a cada x ∈ R le asigna
el número ex , el cual satisface;
e0 = 1 y
d x
e = ex
dx
Debe tener en cuenta las propiedades de los exponentes, es decir;
ex+y = ex · ey
enx = (ex )n
y finalmente;
e−x =
1
ex
Gráfica de ex y ln x.
Derivación exponencial.
Aplicando la definición 3.2.4, calcular;
d x
e = ex
dx
basta aplicar la definición.
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
10
3.0.4.
Derivadas de logaritmo natural
Dado x ∈ R el logaritmo natural de x es el número real ln x que satisface
la relación;
ln x = y
⇔
ey = x
Esta relación implica que el dominio de la función ln x es el intervalo (0, ∞),
ya que ey > 0 para toda y ∈ R.
Propiedades de funciones logaritmicas.
1. ln(1) = 0
2. ln(x · y) = ln(x) + ln(y)
3. ln(xn ) = n ln(x)
4. ln
1
x
= − ln(x)
Def 3.0.3 Para cada x ∈ (0, ∞), se tiene que;
1 d
d
ln(u) = · u
dx
u dx
3.0.5.
Derivadas de funciones trigonométricas
Para la derivación de funciones trigonométricas, es necesario revisar el
material propuesto por la UnADM.
Del material de la UnADM, se tiene que;
d
sin x = cos x
dx
d
cos x = − sin x
dx
El resto de las funciones trigométricas se definen en términos de senos y
cosenos, mediante;
sin x
cos x
1
sec x =
cos x
tan x =
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
cos x
sin x
1
csc x =
sin x
cot x =
CAPÍTULO 3. DERIVACIÓN
11
Con regla del cociente para derivar, permite obtener las derivadas de estas
funciones, para ello se define
dy
dx
= Dx, por ejemplo se considera, la siguiente
derivada;
cos x d
cot x = Dx cot x = Dx
dx
sin x
Aplicando la regla;
Dx
=
cos x sin x
=
sin x · (Dx cos x) − cos x · (Dx sin x)
=
sin2 x
sin x(− sin x) − cos x(cos x)
− sin2 x − cos2 x
=
=
sin2 x
sin2 x
2
1
1
=− 2 =−
sin x
sin x
Dx cot x = − csc2 x
Por lo anterior se definen las derivadas de las funciones trigonométricas;
Dx sin x = cos x Dx cos x = − sin x
Dx tan x = sec x Dx cot x = − csc2 x
Dx sec x = cos x tan x Dx csc x = − csc x cot x
3.0.6.
Derivadas de funciones trigonométricas inversas
I.
1
Dx sin−1 x = √
1 − x2
II.
Dx cos−1 x = √
1
1 − x2
III.
Dx tan−1 x =
1
1 + x2
IV.
Dx sec−1 x =
1
√
|x| x2 − 1
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
12
3.0.7.
Funciones hiperbólicas
En matemáticas aplicadas, ocurren con tal frecuencia ciertas combinaciones de ex y e−x que tienen nombre especiales.
Def 3.0.4 Funciones hiperbólicas. El seno hiperbólico, coseno hiperbólico
y las cuatro funciones relacionadas se definen como;
1
sinh x = (ex − e−x )
2
sinh x
tanh x =
cosh x
1
sec hx =
cosh x
3.0.8.
1
cosh x = (ex − e−x )
2
cosh x
coth x =
sinh x
1
csc hx =
sinh x
Regla de derivación hiperbólicas
Dx sinh x = cosh x Dx cosh x = sinh x
Dx tanh x = sec h2 x Dx coth x = − csc h2 x
Dx sec hx = − sec hx tanh x
Dx cosh x = − csc hx coth x
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
Capítulo 4
Aplicaciones de la derivada
4.1.
Derivada como razón de cambio
4.2.
Razones de cambio
1
V = πr2 h
3
13
14
4.3. RECTA TANGENTE A UNA CURVA
4.3.
Recta tangente a una curva
Sea P (a, f (a)) un punto cualquiera sobre la gráfica de una función f . Si
Q es otro punto sobre la gráfica se puede denotar por Q(a + h, f (a + h)),
dedon h es la diferencia de las abscisas de Q y P , por lo que se puede definr,
la pendiente;
mP Q =
f (a + h) − f (a)
h
Si f es continua, entonces se puede hacer que Q tienda a P , haciendo que h
tienda a cero. Por tanto es natural definir m como sigue:
Def 4.3.1 Sea f una función definida en un intervalo abierto que contiene
a a. Entonces la pendiente m de la recta tangente a la gráfica de f en
el punto P (a, f (a)) está dada por
f (a + h) − f (a)
h→0
h
m = lı́m
siempre y cuando este limite exista.
f (a+h)−f (a)
h
(a)
lı́m f (a+h)−f
h
h→0
Pendiente de una recta secante; m =
Pendiente de la recta tangente; m =
Si una recta tangente es vertical su pendiente no está definidad y el límite
de la definición no existe. Las rectas tangentes se estudiarán enseguida.
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
CAPÍTULO 4. APLICACIONES DE LA DERIVADA
15
Ejem 4.3.1 Sea f (x) = x2 . Determine la pendiente de la recta tangente a
la gráfica de f en el punto P (a, a2 )
Solución. Usando la definición, se tiene;
msec =
(a + h)2 − a2
f (a + h) − f (a)
=
=
h
h
=
a2 + 2ah + h2 − a2
=
h
=
2ah + h2
h(2a + h)
=
h
h
msec = 2a + h
La pendiente m de la recta tangente es por lo tanto;
m = lı́m (2a + h) = 2a.
h→0
Una de las razones principales para la investigación del cálculo fue la
necesidad de encontrar una manera de estudiar el comportamiento de los
objetos en movimiento. Razón de cambio.
Def 4.3.2 Supongamos que un punto P se mueve sobre una recta coordenada
l de manera que su coordenada en el tiempo t es f (t). Entonces la velocidad
v(a) de P en el tiempo a está dada por
f (a + h) − f (a)
h→0
h
v(a) = lı́m
siempre y cuando exista el límite.
Ejem 4.3.2 La posición de un punto P sobre una recta coordenada l está
dada por f (t) = t2 − 6t donde f (t) esta medido en metros y t en segundos.
Encuentre la velocidad en el tiempo a. ¿Cúal es la velocidad en t = 0? ¿En
t = 4?
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
16
4.3. RECTA TANGENTE A UNA CURVA
Solución. Usando la definición, se tiene;
[(a + h)2 − 6(a + h)] − [a2 − 6a]
f (a + h) − f (a)
=
=
h
h
a2 + 2ah + h2 − 6a − 6h − a2 + 6a
=
h
2ah + h2 − 6h
h(2a + h − 6)
=
=
=
h
h
= 2a + h − 6
=
En consecuencia, por la definición, la velocidad;
f (a + h) − f (a)
= lı́m (2a + h − 6) = 2a − 6
h→0
h→0
h
v(a) = lı́m
Por lo que la velocidad en t = 0; v(0) = 2(0) − 6 = −6 ms .
En t = 4, la velocidad v(4) = 2(4) − 6 = 2 ms
La recta normal en un punto P (x1 , y1 ) sobre la gráfica de una función
derivable f , se define como la recta que pasa por P y es perpendicular a la
recta tangente a la gráfica en P . Suponga que f 0 (x) 6= 0, se tiene;
y − y1 = −
4.3.1.
1
f 0 (x)
(x − x1 )
U4. Actividad 2. Razón de cambio y tangente de
una curva
Para la siguiente actividad es necesario revidar el material propuesto por
la UnADM, ya que en este apartado solo encontrarás el problema a resolver.
En los siguientes ejercicios determine la pendiente de la recta tangente,
m = lı́m
h→0
f (a+h)−f (a)
,
h
a la gráfica de f . Dibuje la gráfica.
1. f (x) = x2 − 2
2. f (x) = 3x + 6
3. f (x) =
√
x−3
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
CAPÍTULO 4. APLICACIONES DE LA DERIVADA
17
Problema. Obtener el valor de las pendientes de las rectas tangentes a
la parábola 3y 2 − 3y + x − 4 = 0 desde el punto (1, −1) fuera de la parábola.
En lo siguientes ejercicios encuentre una ecuación de la recta normal a
la gráfica de f en el punto indicado P . Dibuje la gráfica mostrando la recta
normal.
1. f (x) = x2 + 1, P (1, 2)
2. f (x) = 8 − x3 , P (1, 7)
3. f (x) = (x − 1)4 , P (2, 1)
4.4.
Máximos y mínimos
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
18
MTE. y LFM. Orlando F. Echeverría
4.4. MÁXIMOS Y MÍNIMOS
Bibliografía
Granville (1995). Cálculo diferencial e integral. México, Limusa.
Purcell, E. (1992). Cálculo con geometrÃa analÃtica. México, PHH.
Swokowski, E. (1982). Cálculo con geometría analítica. California, Wadsworth.
UnADM (S.F.). Cálculo diferencial. México, UnADM.
19
Descargar