Aplicaciones de la derivada

Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
LA DERIVADA COMO RAZÓN DE CAMBIO
APROXIMACIONES
ANALISIS MARGINAL
COSTO MEDIO
ELASTICIDAD
MONOTONÍA
MÁXIMOS Y MÍNIMOS
CONCAVIDAD
ELABORACIÓN DE GRÁFICAS SOFISTICADAS
PROBLEMAS PRACTICOS DE OPTIMIZACIÓN
TEOREMAS SOBRE DERIVADAS
4.11.1 TEOREMA DE LAGRANGE
4.11.2 TEOREMA DE ROLLE
4.11.3 TEOREMA DE CAUCHY
4.11.4 TEOREMA DE L’HOPITAL
OBJETIVOS:







Resolver problemas de razón de cambio.
Aproximar variaciones de funciones.
Aplicar e interpretar el Análisis Marginal
Calcular Elasticidad de la demanda
Elaborar gráficas.
Resolver problemas prácticos de Optimización
Calcular indeterminaciones empleando la regla
de L´hopital
81
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.1 LA DERIVADA COMO RAZÓN DE CAMBIO
Suponga que se tiene y  f (t ) y que se da una variación en t , denotada como
t , esto provoca una variación en la función, denotada como y . Esta variación
puede ser en sentido de aumento, positiva, o en sentido de disminución, negativa.
La variación de la función sería:
y  f (t  t )  f (t )
Se considera la variación media de la función como:
y f (t  t )  f (t )

t
t
Si tomamos variaciones de " t " cada vez más pequeñas, tenemos un cambio
f (t  t )  f (t )
y
instantáneo de la función, es decir: lim
 lim
t 0 t
t 0
t
Observe que la última expresión es la derivada de la función f (t ) ; entonces, la
derivada f ´(t ) expresa el cambio instantáneo que experimenta la función.
4.1.1 DEFINICIÓN.
Sea y  f (t ) . La
RAZÓN O RAPIDEZ DE CAMBIO
de y
con respecto a t , se define como:
f ´(t )  lim
t 0
La
f (t  t )  f (t )
t
RAZÓN DE CAMBIO PORCENTUAL
se define como:
f ´(t )
100
f (t )
Obtener rapidez de cambio porcentual posibilita la comprensión del cambio
significativo con respecto al valor original. Esto nos va a permitir resolver problemas
de aplicación.
82
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 1
En un estudio realizado a partir del año 1999 se determinó que el impuesto predial estaba dado
por I (t )  10t 2  70t  500 dólares, donde " t " significa años después de 1999.
a) Calcule la razón a la que aumentó el impuesto predial, con respecto al tiempo, en el 2005.
b) ¿A qué razón porcentual aumentó el impuesto predial, con respecto al tiempo en 2005?
SOLUCIÓN:
a) La razón de cambio del impuesto predial es la derivada de I (t ) , es decir:
I´(t )  20t  70 dólares por año
desde el año 1999 al año 2005 han transcurrido 6 años, por tanto:
I ´(6)  20  6   70
 190
Entonces, después de seis años el impuesto estará cambiando a una razón de 190 DÓLARES PO R AÑO .
b) La razón de cambio porcentual será:
calculemos I (6) :
I ´(6)
100
I (6)
I (6)  10 6  70 6  500  1280 dólares
2
Entonces
190
I ´(6)
100 
100  14.84 %
I (6)
1280
Es decir, después de seis años el impuesto estará cambiando al 14. 84% anual.
Ejemplo 2
Un comerciante estima que la demanda de cierto artículo estará dada por
D( p ) 
4000
p2
artículos a la semana cuando el precio sea p dólares por artículo. Se estima que dentro de t
semanas, el precio del artículo estará dado por p(t )  2t 2  t  3 dólares por artículo. ¿A qué
ritmo cambiará la demanda semanal de los artículos con respecto al tiempo dentro de 10
semanas?
SOLUCIÓN
El ritmo o razón de cambio de la demanda de los artículos será;
d
D( p)
dt
Como la demanda D es función de precio p , aplicamos la regla de la cadena para obtener la derivada de la
demanda con respecto al tiempo t , es decir:
 dD  dp
d
 D( p)     
dt
 dp   dt 
 8000 
   3   4t  1
p 

Después de 10 semanas el precio de los artículos será: p(10)  210  10  3  213 dólares por artículos.
Entonces:
2
83
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
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

d
4t  1
D( p)    8000
3

dt
p


 8000 
4(10)  1
  
 2133 
artículos / semana
 7.23
semana
En 10 semanas, la demanda semanal estará dismuyendo a una razón de 7.23
Ejercicios Propuestos 4.1
1. Las Utilidades anuales de cierta compañía están dadas por U (t )  0.1t 2  10t  20 miles de dólares, " t "
años después de su formación en 2001.
a) ¿A qué razón crecieron las ganancias anuales brutas de la compañía, con respecto al tiempo, en el 2005?.
b) ¿A qué razón porcentual crecieron las ganancias anuales brutas, con respecto al tiempo en el 2005?
2. Después de " t "
SEMANAS,
la cantidad de personas que utilizan un nuevo sis tema de cajero automático está
dada por P(t )  6t  500t  8000 personas. ¿A qué RAZÓN PORCENTUAL cambió el uso del sistema
después de 10 semanas?
3
3. Dentro de " t " AÑOS la población de cierta ciudad está dada p(t )  20 
t  12
estudio ambiental revela que la contaminación del agua estará dada por
de contaminación cuando la población sea
variará la contaminación del agua después de 3 años?
UNIDADES
p
40
miles de habitantes. Un
C ( p)  2 p 2  p  10
MILES DE HABITANTES,
¿a qué RAZÓN PORCENTUAL
4. Cuando un determinado artículo se v enda a " p " dólares por unidad, la demandad de los consumidores locales
estará dada por D( p) 
40000
unidades al mes. Se estima que dentro de " t " meses el precio del artículo
p
3
estará dado por p(t )  t 2  4 dólares por unidad. ¿A qué razón porcentual cambiará la demanda mensual
del artículo con respecto al tiempo dentro de 6 meses?
la población de cierta ciudad está dada por: P(t )  t  200t  10000 habitantes.
a) Exprese la RAZÓN DE CAMBIO PORCENTUAL de la población como una función de t
b) ¿Qué sucederá con la RAZÓN DE CAMBIO PORCENTUAL de la población a largo plazo?
5. Dentro de " t "
AÑOS,
2
6. El PNB de cierto país crece a una razón constante desde 1996, cuyo valor era $125.000 millones y en 1998 era
$155.000 millones. ¿A qué razón porcentual aumentó el PNB en 2001.
84
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
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4.2 APROXIMACIONES
Suponga que se esté produciendo un determinado artículo; los costos de
producción, los ingresos y por ende la utilidad se verían afectados si variamos la
producción. Estos cambios en el costo, en el ingreso y en la utilidad pueden ser
encontrados, en sus valores aproximados, empleando el cálculo diferencial. Es
decir, podemos hallar el valor aproximado de la variación de una función, cuando su
variable independiente cambia, a partir de su regla de correspondencia.
Empecemos mencionando la definición de diferenciales.
4.2.1 DEFINICIÓN. DIFERENCIALES.
Sea y  f  x 
una función diferenciable.
La
diferencial
de
la
variable
independiente “ x ” se denota como dx y
la DIFERENCIAL de “ y ” denotada como
dy , se define como:
dy  f ´( x)dx
Ahora hagamos una interpretación gra fica. Observe la figura:
85
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
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Note que la variación de “ x " denotada como " x " es igual a su diferencial, es
decir x  dx
Además observe que, si x  0 entonces y  dy , es decir:
y  f ´( x)x
Entonces, el cambio real f ( x  x)  f ( x ) es
aproximadamente igual a f ´( x )x .
0
0
0
Además,
Se define
como:
la
VARIACIÓN
RELATIVA
y f ´ x0 x

y
f x 
f ´ x0 x
y
100 
100
y
f x 
Y la VARIACIÓN PORCENTUAL sería:
Ejemplo 1
Se estima que los costos semanales en cierta fábrica están dados por C (q)  50q 2  9000q
dólares, donde
" q ” es el número de unidades producidas. En la actualidad se están
produciendo 30 unidades.
a) Calcule la variación real en el costo, si se decide producir 33 unidades
b) Utilice el Cálculo para aproximar el CAMBIO que se generará en el costo al producir las 33
unidades.
c) Calcule el cambio porcentual
SOLUCIÓN.
a) El cambio real se lo puede calcular obteniendo la diferencia entre el costo de producir 33 unidades y el costo
de producir las 30 unidades.

Cambio Re al en el Costo  C  C (33)  C (30)


 5033  900033  5030  900030
 351450  315000
 $36450
2
2
86
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
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b) Por otro lado
Cambio
Aproximado en el Costo  C´(30)q
En este caso q  3 y f ´(q)  100q  9000
C  f ´( 30)3
 10030  90003
 $36000
Entonces:
c) Cambio porcentualen el Costo 
C
36000
100 
 10.24%
C
351450
Ejemplo 2
La producción de cierta fábrica está dada por Q( L)  600L 3 unidades, donde L representa el
tamaño de la fuerza laboral. El fabricante desea incrementar la producción en un 1% . Aplique el
Cálculo para estimar EL INCREMENTO PORCENTUAL que se requerirá en la mano de obra.
2
SOLUCIÓN.
Se pide L% si Q  1%
L
100 .
L
Q
100 y como Q  Q´L entonces
El cambio porcentual en Q está dado por Q% 
Q
El cambio porcentual en L estaría dado por L% 
Q% 
Q´L
100
Q
1
 2  13 
L   400 L 3 . Reemplazando, tenemos:
3

La derivada de Q sería Q´ 600
Q% 
1
Despejando L , resulta L 
Q´L
100
Q
1
3
400 L
L
2
100
600 L 3
2L
100
1
3L
3L
.
200
L
100
L
3L
100  1.5%
L% 
200 L
Y finalmente reemplazando
L% 
87
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
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Ejercicios Propuestos 4.2
1. Dada la ecuación de la demanda p 
demandan q  12.5 unidades.
100
, utilice diferenciales para estimar el precio p cuando se
q4
2. Se estima que la producción semanal en cierta planta está dada por Q  50x 2  9000x unidades, donde " x "
es el número de trabajadores empleados en la planta. En la actualidad hay 30 trabajadores empleados en la
planta.
a) Utilice el cálc ulo para estimar el cambio que se generará en la producción semanal al aumentar en 1 trabajador
la fuerza laboral.
b) Calc ule el cambio real que se generará en la producción al emplear 1 trabajador más.
Q  2 x 3  3x 2 y 2  1  y 3 . Si los niv eles actuales de insumos son x  30 e
3. En cierta fábrica la producción Q está relacionada con los insumos " x " e " y " mediante la ecuación
y  20 , utilice el
cálculo para estim ar el cambio que debería realiz arse en el insumo " y " para compensar una disminución de
0.5 unidades en el insumo " x ", de manera que la producción se mantenga en su niv el actual.
4. La producción Q de una fábrica está relacionada con los insumos
x
e
y
mediante la ecuación
Q  x  2 xy  2 y . Si los niv eles actuales de insumos son x  10 e y  20 , aplique el Cálc ulo
para estimar el CAMBIO que debería realizarse en el insumo y que debería realizarse para COMPENSAR UN
3
INCREMENTO de
2
3
0.5 en el insumo x , de manera que la producción se mantenga en su niv el actual.
5. En cierta fábric a un obrero que llega al trabajo a las 8 a. m. habrá producido Qt   t 3  9t 2  12t
unidades, t horas más tarde.
a) Calcule la tasa de producción del trabajador a las 9 a.m.
b) ¿A qué razón cambia la tasa de producción del trabajador con respecto al tiempo a las 9 a.m.?
c) Aplique el cálc ulo para estimar el cambio en la tasa de producción del trabajador entre las 9 a.m. y las 9:06 a.m.
d) Calcule el cambio real en la tasa de producción del trabajador entre las 9:00 a.m. y las 9:06 a.m.
6. En determinada Fábrica, la producción diaria está dada por Q  3000K
1
1
2L 3
7. En determinada empresa, la producción está dada por Q( K )  400K
1
2
unidades, donde K representa
la inv ersión de capital de la empresa medida en unidades de $1.000 y L representa el tamaño de la fuerza laboral
medida en horas-trabajador. Suponga que la inversión actual de capital es de $400.000 y que se utilizan 1331
horas-trabajador todos los días. Emplee el cálc ulo marginal para estimar el efecto que, sobre la producción diaria,
tendrá una inversión de capital adicional de $1.000, si el v olumen de la fuerza laboral permanece igual.
unidades, donde K representa la
inv ersión de capital de la empresa. Estime ¿qué incremento porcentual se generará en la producción a partir de un
aumento del 1% en la inversión de capital?
88
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.3 ANALISIS MARGINAL
En Economía, ocasionalmente se hace necesario determinar la variación de una
función cuando su variable independiente cambia en una unidad.
Si y  f (x) entonces
x  1
y  f ´( x)x .
tenemos que
resultado, es decir a
FUNCIÓN MARGINAL
Considerando
y  f ´(x) .
A este
f ´(x) se la llama la
de f (x) .
Lo anterior quiere decir que:

Si tenemos
producir la unidad
Si tenemos
I ´(q)

el COSTO de producir
q
unidades, entonces
q  1.
sería el COSTO MARGINAL y significa el costo adicional por
C´(q)

C (q)
I (q)
el INGRESO por la venta de
q
unidades, entonces
q  1.
sería el INGRESO MARGINAL y significa el Ingreso adicional
por la venta de la unidad
Si tenemos
U (q)
unidades, entonces
la UTILIDAD por la producción y venta de
U ´(q)
q
q  1.
sería la UTILIDAD MARGINAL y significa
la utilidad adicional por la producción y venta de la unidad
Ejemplo 1
Se estima que los costos semanales en cierta planta están dados por C (q)  5q 2  90q
dólares, donde " q ” es el número de unidades producidas.
a) Determine el Costo Marginal. Interprete.
b) Suponga que se están produciendo 100 unidades, emplee el Costo Marginal para estimar el
costo de fabricar la unidad 101.
SOLUCIÓN:
a) El costo marginal seria C´(q)  10q  90 dólares, el cual significa el costo adicional de producir la unidad
q 1.
b) El costo adicional por fabricar la unidad 101 es C´(100)  10100  90  1090 dólares.
89
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.4 COSTO MEDIO.
Sea
C (q)
el COSTO de producir
denotado como C , se define como:
q
unidades, entonces el COSTO MEDIO,
C
C (q)
q
Ejemplo 1
Para el costo C (q)  5q 2  90q , donde “ q ” es el número de unidades producidas, determine
el Costo Medio.
SOLUCIÓN:
C
C (q) 5q 2  90q
$

 5q  90
q
q
unidad
Ejemplo 2
Suponga que el costo medio para un determinado artículo está dado por C (q)  q 2  10q  50 ,
donde “ q ” es el número de unidades producidas, determine el Costo Marginal.

SOLUCIÓN:
Como C 

C (q)
entonces C (q)  q C  q q 2  10q  50  q 3  10q 2  50q
q
Por lo tanto el Costo marginal sería:
C´(q)  3q 2  20q  50
Ejercicios Propuestos 4.3
1. Si la función de Costo total, para un fabricante está dada por C q  
2. La función de costo total está dada por: C q  
5q 2
q2  3
 5000 , siendo q las
unidades producidas. Determine el costo marginal y el costo medio cuando se producen 10 unidades. Interprete.
Dq  
q2
 3q  67 ; sabiendo que la ecuación de la demanda es:
4
1
45  q  , determinar las funciones de Ingreso, Costo y Utilidad Marginales. Interprete
5
1
3. Sea C q   q 2  4q  57 el costo total de producir q unidades de un determinado artículo, y
5
1
pq   36  q  el precio al cual se v enderán las q unidades.
4
a) Hallar el costo medio, el costo y el ingreso marginal.
b) Utilizar el costo marginal para calc ular el costo de producir la cuarta unidad.
c) Emplear el ingreso marginal para calc ular el ingreso obtenido de la venta de la cuarta unidad.
90
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4. Sea C q  
pq  
1 2
q  3q  67 el costo total de producir q unidades de un determinado artículo, y
4
1
45  q  el precio al cual se v enderán las q unidades.
5
a) Hallar el costo medio, el costo y el ingreso marginal.
b) Utiliz ar el costo marginal para calc ular el costo de producir la cuarta unidad.
c) Emplear el ingreso marginal para calcular el ingreso obtenido de la v enta de la cuarta unidad.
4.5 ELASTICIDAD
Suponga ahora que se desea determinar la variación porcentual de una función
cuando su variable independiente varía en 1%. Esto es, si tenemos y  f (x) y
x
100  1% es decir que x  0.01x .
x
f ´x x
100
Bien, sabemos que el Cambio Porcentual 
f x 
suponga que
Reemplazando, tenemos:
Cambio Porcentual 
f ´x 0.01x
f ´x 
x
100 
f x 
f x 
Este cambio porcentual de f , es lo que se denomina ELASTICIDAD de f .
4.5.1 DEFINICIÓN
Sea y  f (x) . La ELASTICIDAD de f con
respecto a x , denotada como  , se
define como:

f ´ x 
x
f x 
y denota el cambio porcentual de
f
cuando x varía en 1%.
Es muy común utilizar este concepto para la demanda.
91
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Suponga que se tiene la ecuación de la demanda
D´( p)
p
D( p) entonces  
D p 
y de dice que:
Si   1 la demanda es INELASTICA
Si   1 la demanda es ELÁSTICA
Si   1 la demanda es de ELASTICIDAD
UNITARIA
Ejemplo 1
Un comerciante estima que para un determinado artículo la demanda estará dada por
D( p)  2 p 2  32 ; 0  p  4 cuando el precio del artículo es p . Determine la elasticidad de
la demanda si el precio del artículo es $3. Interprete
SOLUCIÓN:
Empleando la definición

D´( p)
4 p
4 p 2
2 p2
p
p



D  p
2 p 2  32
2 p 2  32
16  p 2
p 3

2(3)2
 2.57
16  (3)2
Esto quiere decir que cuando el precio del ar tículo es de $3 si este precio varía en 1% entonce s la
cantidad demandada disminuirá en 2.57% .
Y como    2.57  2.57 tenemos una DEMANDA ELÁSTICA .
Ejercicios Propuestos 4.4
1. Determine las elasticidades de la demanda en función de p para:
a)
b)
q
c)
D: p 
d)
D: p 
e)
f)
2.
q  25  p 2
90
2
p
h) q  100  p
10
q  100
i) ( p  20)(q  10)  800
280
q2
p   q  5
D( q ) 
g) D(q)  32  q2
2
16
3
q2
Un comerciante estima que para un determinado artículo la demanda estará dada por
D( p)  30  2 p  p 2 cuando el precio del artículo es p . Determine la elasticidad de la demanda
si el precio del artículo es $2. Interprete
92
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.6 MONOTONÍA
La derivada nos permite determinar los intervalos de crecimiento y de
decrecimiento de una función.
4.6.1 Teorema de Monotonía
Sea  una función continua en un intervalo
a, b y diferenciable en todo punto interior
de a, b . Entonces:
1. Si
f ´( x)  0, x  a, b entonces  es
creciente en a, b
2. Si
f ´( x)  0, x  a, b entonces  es
decreciente en a, b .
DEMOSTRACIÓN.
Se demostrará el primer inciso del teorema.
Suponga que f ´(x)  0 , x   a, b . Sea x0   a, b entonces f ´( x0 )  0 , es decir lím
f ( x)  f ( x0 )

0
 xlím
 x0 
x  x0

indica que 
 lím f ( x)  f ( x0 )  0
 x  x0
x  x0
En el primer caso el denominador es negativo
x  x0
 x  x0  por
f ( x)  f ( x 0 )
 0 ; esto
x  x0
tanto el numerador debe ser también negativo, es
decir f ( x)  f ( x0 ) , lo cual también indica que f es creciente.
En el segundo cado en denominador es positivo  x0  x  por tanto el numerador debe ser también positivo, es decir
f ( x0 )  f ( x) , lo cual indica que f es creciente
Para el caso f ´(x)  0 , la demostración es análoga.
Ejemplo 1
2
Analice la monotonía de f ( x)  2 x  4 x  5
SOLUCIÓN:
De acuerdo al teorema anterior para determinar los intervalos de crecimiento y los intervalos de decrecimiento
analizamos la primera derivada de f . Es decir, a f ´(x)  4 x  4
93
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
El asunto es determinar en qué intervalo para x esta derivada tiene valores positivos y en qué intervalo tiene
valores negativos, para lo cual factorizamos f ´(x)  4( x  1) ; se observa que:
x
x 1
f ´( x)
Negativa (-)
Positiva(+)
x 1
f
decrece
crece
Ejemplo 2
Analice la monotonía de f ( x)  x3  3x2  3
SOLUCIÓN:
Analizando la primera derivada f ´( x)  3x2  6x
En la forma factorizada f ´( x)  3x  x  2 se observa que:
x
f ´( x)
Positiva (+)
Negativa (-)
Positiva (+)
x0
0 x2
x2
f
crece
decrece
crece
Ejercicios Propuestos 4.5
Determine los interv alos de crecim iento y de decrecim iento para cada función:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
f ( x)  3x 4  4 x 3  12 x 2  17
f ( x) 
x5 4 3
 x
5 3
1
f ( x)  x 3  4 x  2
3
f ( x)  3x 3  3x 2  12 x  5


f x   x 2  1


f ( x)  x 3  1
4
4
94
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.7 MÁXIMOS Y MÍNIMOS
Este es uno de los problemas más importante que se resuelve con la ayuda de
la derivada.
4.7.1 DEFINICIÓN
Sea
f :I 
.
Suponga
que
“ x0 ”
pertenece al intervalo I . Entonces:
1. f ( x0 ) es el valor máximo de f en I , si
f ( x0 )  f ( x) , x  I . (El mayor de todos)
2. f ( x0 ) es el valor mínimo de f en I , si
f ( x0 )  f ( x) , x  I . (El menor de todos)
Al máximo y al mínimo de f se lo llama VALOR EXTREMO.
Ahora debemos dar las condiciones para garantizar la existencia de los valores
extremos.
4.7.2 TEOREMA. Condición suficiente para la existencia de Máximos y
Mínimos
un intervalo a, b entonces f alcanza un
valor máximo y un valor mínimo en a, b.
Si f es una función continua definida en
Lo anterior quiere decir que siempre habrá extremos para funciones continuas
en un intervalo cerrado. Pero continúa la interrogante ¿cómo obtenerlos?
Podemos suponer que deben existir puntos candidatos a ser extremos. Es decir,
dedicarnos a analizar sólo cierta clase de puntos. Estos serán los denominados
Puntos Críticos.
95
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.7.3 DEFINICIÓN. Puntos Críticos.
a, b que contiene a “ x ”.
Sea f una función definida en un intervalo
0
Entonces “ x0 ” es llamado Punto Crítico si
es:
 Un punto extremo del intervalo, es decir
x0  a , x0  b . Estos serán denominados
Puntos Críticos de Frontera.
O bien,
 Un punto donde la derivada es igual a
cero; es decir f ´( x0 )  0 . Este será
llamado Punto Crítico Estacionario.
(En
este punto la recta tangente es horizontal).
O bien,
 Un punto donde la derivada no existe; es
decir f ´( x0 ) no está definida. Este será
llamado Punto Crítico Singular. (En estos
puntos la gráfica de f tiene unos picos. Por ejemplo
f ( x)  x , tiene un punto crítico singular (pico) en x  0 )
4.7.4 TEOREMA
a, b
Sea f una función definida en un intervalo
que contiene a “ x0 ”. Si f ( x0 ) es un
valor extremo entonces “ x0 ” es un Punto
Crítico.
Para el caso de puntos críticos de frontera, no se requiere demostración,
debido a que obviamente estos serán candidatos a que allí se produzcan los
96
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
extremos de la función. La demostración se la realizará para los casos de puntos
críticos estacionarios y puntos críticos singulares.
Sea f ( x 0 ) un valor máximo; es decir f x 0   f ( x) , entonces: f ( x)  f ( x0 )  0
DEMOSTRACIÓN.
Si x  x0 , dividiendo por x  x 0 tenemos
Ahora obteniendo límite lím
x  x0
f ( x)  f ( x 0 )
0
x  x0
f ( x)  f ( x 0 )
 lím 0 resulta f ´(x 0  )  0 .
x  x0
x  x0
f ( x)  f ( x 0 )
 lím 0 resulta f ´(x 0  )  0
x  x0
x  x0
x  x0
Suponga que f es derivable en x 0 , entonces f ´(x 0 )  0 ; es decir x 0 es un punto crítico estacionario.
Suponga que f no es derivable en x 0 , entonces f ´(x 0 ) no existe; es decir x 0 es un punto crítico singular.
La demostración ser ía análoga para el caso de que f ( x 0 ) sea un valor mínimo.
Para x  x 0 , tenemos, obteniendo límite lím
Por lo tanto, los valores extremos de una función se producirán siempre en
los puntos críticos. Bastará con analizar los puntos críticos.
Además, el teorema anterior nos hace concluir que:
97
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
 Si “ x 0 ” no es un punto crítico entonces no será extremo.
 Necesariamente los extremos se producen en los puntos críticos.
 Es suficiente que f ( x0 ) sea un extremo para que “ x 0 ” sea un punto
crítico.
 Que “ x 0 ” sea un punto crítico es una condición necesaria pero no es
suficiente. Es decir, no todo punto crítico es extremo. En las gráficas
anteriores, también se presentaban puntos críticos que no eran extremos.
Esto nos hace pensar que deben existir criterios para clasificar los puntos
críticos, sin embargos en problemas sencillos no son necesarios, un
simple análisis basta.
Ejemplo 1
Determinar los extremos para f ( x)  2 x 2  4 x  5 en 0,3
SOLUCIÓN:
De acuerdo a lo enunciado, debemos analizar solamente los puntos críticos.
1. Puntos críticos de Frontera: x 0  0 y x 0  3
analizamos la derivada: f ´(x)  4 x  4
2. Puntos críticos Estacionarios: valores de x para los cuales la derivada es igual a cero. Para obtenerlos
Ahora
f ´( x0 )  0
4( x0  1)  0
, entonces el Punto Crítico Estacionario sería: x 0  1 .
3. Puntos críticos Singulares: valores de x para los cuales la derivada no existe. Al observar la derivada
notamos que se define para toda x ; por tanto, no existe puntos críticos singulares. Es lo que se espera debido
a que las funciones polinomiales son continuas y derivables en todo
.
Bien, ahora nos corresponde clasificar a los puntos críticos, para lo cual, evaluamos la función en los puntos
críticos:
f 0  202  40  5  5
f 3  232  43  5  11
f (1)  3
En x 0  3 se encuentra el Valor Máximo f .
Por inspección, se determina que:
Y en x 0  1 se encuentra el Valor Mínimo de f .
98
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 2
Determinar los extremos para f ( x)  x3  3x2  3 en  2,3
SOLUCIÓN:
Primero determinamos los puntos críticos.
1. Puntos críticos de Frontera: x´0  2 y x0  3
2. Puntos críticos Estacionarios: Analizando la derivada f ´( x)  3x 2  6 x , tenemos:
f ´( x)  0
Entonces serían: x 0  0 y x0  2 .
3x 2  6 x  0
3x( x  2)  0
3. Puntos críticos Singulares: No hay.
f  2    2   3  2   3  8  12  3  17
Bien, ahora evaluando en la función:
3
2
f  3  (3)3  3(3) 2  3  27  27  3  3
f (0)  3
f (2)  (2)3  3(2) 2  3  1
De acuerdo a estos resultados se puede concluir que el valor máximo de la función es 3, que se produce tanto en
x0  3 como en x0  0 ; y, el valor mínimo de la función es -17 que se produce en x0  2 .
Ejercicios Propuestos 4.6
1.
1.
f ( x)  3x 4  4 x 3  12 x 2  17 en  2,3
Determine el v alor máximo y el valor mínimo :
x5 4 3
 x en  3,3
5 3
1 3
3. f ( x)  x  4 x  2 en  5,3
3
2. f ( x) 
4.
5.
f ( x)  3x 3  3x 2  12 x  5 en  1,1


f x   x 2  1


6. f ( x)  x  1
3
4
4
en  2,2
en  1, 2
Hasta el momento nos habíamos preocupado de determinar el mayor de todos
los valores de la función y el menor de todos en un intervalo de su dominio, pero si
analizamos la función en todo su dominio, esto nos deja insatisfechos. ¿Qué ocurre
con los puntos críticos que son extremos en un intervalo?
99
Moisés Villena Muñoz
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
4.7.5 Máximos y Mínimos Locales O Relativos
Sea f una función de variable real. Sea
“ x0 ” un punto del dominio de f . Entonces:
1. f ( x0 ) es un valor máximo local de f , si
existe un intervalo a, b  en el dominio de
f que contiene a “ x0 ” tal que f ( x0 ) es el
valor máximo de f en a, b  .
2. f ( x0 ) es un valor mínimo local de f , si
existe un intervalo a, b  en el dominio de
f que contiene a “ x0 ” tal que f ( x0 ) es el
valor mínimo de f en a, b  .
3. f ( x0 ) es un valor extremo local de f , si
es un máximo o un mínimo local.
Al mayor valor y al menor valor de todos, se les llamará extremos absolutos.
Observe el siguiente gráfico:
Un criterio para clasificar a los extremos locales es el que sigue.
100
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.7.6 Teorema: Criterio de la primera derivada.
Sea f continua en a, b  que contiene al
punto crítico “ x0 ”. Entonces:
1. Si f ´( x)  0, x  a, x0  y f ´( x)  0, x  x0 , b
entonces f ( x0 ) es un valor máximo local
de f .
2. Si f ´( x)  0, x  a, x0  y f ´( x)  0, x  x0 , b
entonces f ( x0 ) es un valor mínimo local
de f .
3. Si f ´(x) tiene el mismo signo a ambos
lados de “ x0 ” entonces f ( x0 ) NO es un
valor extremo de f .
Ejemplo
Para f ( x)  x3  3x2  3
Analizando la primera derivada f ´( x)  3x  x  2 se observó que:
x
x0
0 x2
x2
f ´( x)
Positiva (+)
Negativa (-)
Positiva (+)
f
crece
decrece
crece
Entonces:
1. Como antes de x  0 la derivada es positiva y después es negativa se concluye que f (0)  3 es un
máximo local.
2. Como antes de x  2 la derivada es negativa y después es positiva se concluye que f (2)  1 es un
mínimo local.
Ejercicios Propuestos 4.7
Emplee el criterio de la prim era deriv ada para clasificar los ex tremos locales:
1.
2.
3.
f ( x)  3x 4  4 x 3  12 x 2  17
f ( x) 
x5 4 3
 x
5 3
1
f ( x)  x 3  4 x  2
3
4.
5.
6.
f ( x)  3x 3  3x 2  12 x  5


f x   x 2  1


f ( x)  x 3  1
4
4
101
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Si nuestro objetivo ahora fuese trazar la gráfica de las funciones analizadas, no
tendríamos inconveniente, debido a que la información que hemos obtenido nos
permite hacerlo.
Ejemplo 1
Trazar la gráfica de f ( x)  2 x 2  4 x  5 en 0,3 .
Se ha obtenido x 0  1 como Punto Critico Estacionario y también se ha determinado que antes de este punto
la gráfica de la función es decreciente y después es creciente, por tanto su gráfica sería:
SOLUCIÓN:
Máx.
3,11
P.C.F.
f ( x)  2 x 2  4 x  5
P.C.F.
0,5

Mín
 1,3
P.C.E.
Note que para obtener la gráfica de la función anterior no es necesario el análisis
que se realizó, hubiera bastado con los criterios conocidos acerca de funciones
cuadráticas. Sin embargo se decidió realizarlo para que el lector compruebe la
concordancia de los resultados, aplicando uno u otro criterio, y además para que se
vaya familiarizando con los criterios nuevos, expuestos en esta sección.
Ejemplo 2
Graficar f ( x)  x3  3x2  3 en  2,3
Ya se obtuvieron los Puntos Críticos Estacionarios x 0  0 y x0  2 , también se determinó que antes de
x0  0 la gráfica de la función es creciente y después es decreciente hasta el otro punto x0  2 ; y después
de este punto crítico es otra vez creciente; por tanto, su gráfica es:
SOLUCIÓN:
P.C.E
ymáx.
P.C.F
P.C.E
f ( x)  x 3  3x 2  3
P.C.F
ymín
102
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejercicios Propuestos 4.8
Bosqueje la gráfica de:
1.
2.
3.
f ( x)  3x 4  4 x 3  12 x 2  17
y  3x5  20 x3
y  13 x3  9 x  2
4.
5.
6.
f ( x)  3x 3  3x 2  12 x  5


f x   x 2  1


f ( x)  x 3  1
4
4
Para los casos de funciones polinomiales, los criterios estudiados podrían ser
suficientes para obtener una buena aproximación de su gráfica, debido a que son
funciones continuas y derivables en todo su dominio y se puede concluir sobre su
comportamiento sin cometer error alguno; sin embargo, para otros casos se hace
necesario otros criterios.
Ejemplo.
Graficar f ( x)  x
SOLUCIÓN:
4
5
Analizando la derivada f ´( x) 
Punto Crítico Singular: x 0  0
x
x0
x0
4  15
4
x  5 , tenemos:
5
5 x
f ´( x)
Negativa (-)
Positiva (+)
f
decrece
crece
Por tanto, se puede decir que su gráfica es:
yx
4
5
Para la gráfica del último ejemplo se hace necesario determinar la forma de la
curva, porque con la información de monotonía obtenida queda la duda de que la
103
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
gráfica presente el comportamiento anterior, sino más bien tengo uno de los
siguientes comportamientos:
4.8 CONCAVIDAD
4.8.1 Teorema de concavidad
Sea f
una función dos veces derivable
sobre un intervalo abierto I. Entonces:
1. Si
f ´´( x)  0, x  I entonces
f
cóncava hacia arriba en I.
f ´´( x)  0, x  I entonces f
2. Si
cóncava hacia abajo en I.
Ejemplo 1
Analizar la concavidad de
f ( x)  x
4
es
es
3
SOLUCIÓN:
Como la primera derivada de f es f ´( x) 
4  15
x
5
4  65
4
x 
entonces la segunda derivada es f ´´( x)  
25
25 5 x6
Determinando el signo de la segunda derivada, se concluye que:
x
f ´´(x)
f
x0
Negativa (-)
Negativa (-)
Cóncava hacia abajo
Cóncava hacia abajo
x0
Certificando con esto que la gráfica de f es la que se proporcionó.
Otra definición importante es la que presentamos a continuación.
104
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.8.2 Puntos de Inflexión
Sea f continua en “ x0 ”, llamamos a x0 , f ( x0 )
un punto de inflexión de la gráfica de f ,
si es cóncava hacia arriba a un lado de “ x0 ”
y cóncava hacia abajo al otro lado.
Es decir, en un punto de inflexión la segunda derivada cambiará de signo, o de
positiva a negativa o de negativa a positiva.
Ejemplo 2
Analizar la concavidad de f ( x)  x3  3x2  3
SOLUCIÓN:
Como la primera derivada de f es f ´( x)  3x 2  6 x
f ´´( x)  6 x  6  6( x  1)
x
x 1
x 1
entonces
la segunda derivada es
f ´´(x)
f
Negativa (-)
Positiva (+)
Cóncava hacia abajo
Cóncava hacia arriba
Esto confirma la gráfica de f proporcionada anteriormente y además completa la información del comportamiento
de la función.
P. Inflexión
f ( x)  x 3  3x 2  3
Note que en la función del ejemplo anterior hay un punto donde su gráfica
cambia de concavidad, éste es el punto de inflexión.
105
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejercicios Propuestos 4.9
Determine los interv alos de concavidad:
1.
f ( x)  3x 4  4 x 3  12 x 2  17
2.
f ( x) 
3.
f ( x) 
x5 4 3
 x
5 3
1 3
x  4x  2
3
4.
5.
6.
f ( x)  3x 3  3x 2  12 x  5


f x   x 2  1


f ( x)  x 3  1
4
4
Para clasificar los puntos críticos estacionarios en máximos y mínimos, también
se podría aplicar este otro criterio.
4.8.3 Teorema: Criterio de la segunda derivada
Supóngase que f ´ y f ´´ existen en a, b 
que contiene a “ x0 ” y que f ´( x0 )  0 .
1. Si f ´´( x0 )  0 entonces f ( x0 ) es un valor
máximo local de f .
2. Si f ´´( x0 )  0 entonces f ( x0 ) es un valor
mínimo local de f .
Ejemplo
Determinar los extremos aplicando el criterio de la segunda derivada para f ( x)  x3  3x2  3
SOLUCIÓN:
De acuerdo a lo enunciado, debemos analizar solamente los puntos críticos estacionarios.
Puntos críticos Estacionarios: x  0 y x  2 .
f ´´( x)  6 x  6
Bien, ahora nos corresponde clasificar a los puntos críticos, para lo cual:
a) f ´´(0)  6(0)  6  6  0 (negativo) por tanto aquí hay un M ÁXIMO.
b) f ´´(2)  6  2   6  6  0 (positivo) por tanto aquí hay un M ÍNIMO.
106
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.9 ELABORACIÓN DE GRÁFICAS SOFISTICADAS
Para elaborar gráficas de funciones con reglas de correspondencias sofisticadas
se sugiere seguir los ochos pasos siguientes:
1. Establecer el dominio de la función.
2.Establecer la simetría de las gráficas.
Es decir, determinar si es par, impar o
ninguna.
3.Establecer las asíntotas horizontales,
verticales u oblicuas.
4.Establecer los puntos críticos de
frontera, estacionarios y singulares.
5.Analizar la monotonía . Es decir,
determinar
los
intervalos
de
crecimiento y los intervalos de
decrecimiento.
6. Establecer los extremos relativos.
7.Analizar la concavidad . Es decir,
determine los intervalos donde es
cóncava hacia arriba y los intervalos
donde es cóncava hacia abajo.
8. Establecer los Puntos de Inflexión .
Ejemplo 1
Graficar f ( x) 
243x
x 4  243
SOLUCIÓN:
Siguiendo los pasos indicados tenemos:
Paso 1. DOMINIO: Dom f  R
Paso 2. SIMETRÍA: f ( x) 
243   x 
( x)4  243

243x
  f ( x) por tanto f es IMPAR.
x 4  243
107
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Paso 3. ASÍNTOTAS:
VERTICALES: No hay (¿por qué?)
HORIZONTALES: Calculamos límite al infinito
243x
243
4
243x
0
x
x3
 lím
 lím

0
lím 4
x x  243
x 243 x 4
1 x 243  1 243  0
 4
4
4
x
x
x
Note que idéntico resultado se obtendría tomando límite a menos infinito, es decir:
lím
x 
243x
0
x 4  243
Por tanto el eje x ( y  0 ) es asíntota horizontal tanto para el infinito positivo como para el infinito negativo.
Paso 4. PUNTOS CRÍTICOS:
 P.C.F : no hay . ¿Por qué?
 P.C.E:
x
 243  x(4 x3 )
4
x
 243
243  3x 4
x
 243
3 81  x 4 
x
3  9  x  9  x 
3  3  x  3  x   9  x 
 243
 243
 x  243
 x  243
f ´( x)  243
4
2
2
 243
4
2
 243
2
 243
2

2
2
4
4
2
4
por lo tanto tenemos P.C.E: x0  3 y x0  3
 P.C.S: no hay . ¿Por qué?
Paso 5. MONOTONÍA:
Analizando el signo de la primera derivada, se concluye que:
f´ 
f
decrece


3
crece
decrece
3
Paso 6: EXTREMOS: por el criterio de la primera derivada observamos que:
1. En x0  3 la primera derivada cambia de signo, de negativo a positivo, por tanto aquí existe un Mínimo
local.
2. En x0  3 la primera derivada cambia de signo, de positivo a negativo, por tanto aquí existe un Máximo local.
2

81  x 4  
4 x 3  x 4  243   81  x 4  2  x 4  243 4 x 3 



f ´´( x)  Dx 729
 729
2
4

 x 4  243 
 x 4  243

4  x 4  243   x 3  x 4  243   81  x 4  2  x 3  
 729
4
 x 4  243
Paso 7: CONCAVIDAD: Debemos analizar la segunda derivada
4   x 7  243 x 3  162 x 3  2 x 7 
 729 
3
 x 4  243
4  x 7  405 x 3 
 729 
3
 x 4  243
 729
 729
 729
4 x 3  x 4  405
x

4
 243
3

4 x 3 x 2  405 x 2  405

x
4
 243

3


4 x x  405 x  4 405 x 2  405
3
4
x
4
 243
3

108
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Entonces:
f ´´      
 4 405
f
Paso 8: PUNTOS DE INFLEXIÓN



0


Como la segunda derivada cambia de signo tanto en x  0 , x 
puntos de inflexión:
4

405, f  4 405 , 0,0 y
4
405, f
4

4

405
 .
405 y x   4 405 entonces existen tres
4
405
En conclusión:
x
x   4 405
f ´( x)
f ´´(x)
-
-
x   4 405
0
 4 405  x  3
x  3
3  x  0
x0
0 x3
x3
1  x  4 405
x  4 405
-
+
0
+
+
+
+
0
-
0
-
-
0
x  4 405
-
f ( x) 
243 x
x 4  243
+
f
Decrece y cóncava hacia
abajo
Punto de inflexión
Decrece y cóncava hacia
arriba
Punto crítico estacionario,
Mínimo local
Crece y cóncava hacia
arriba
Punto de inflexión
Crece y cóncava hacia
abajo
Punto crítico estacionario,
Máximo local
Decrece y cóncava hacia
abajo
Punto de inflexión
Decrece y cóncava hacia
arriba
Máx.
P.C.E
2.25
P.I
 4.49;1.68
P.I
 4.49;  1.68
P.I
P.C.E
Mín.
2.25
109
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 2
Graficar
x2 1
f ( x)  2
x 1
SOLUCIÓN:
Siguiendo los pasos indicados tenemos:
Paso 1. DOMINIO: Dom f  R  1, 1
Paso 2. SIMETRÍA: f ( x) 
 x 2  1  x 2  1 
( x) 2  1
x 2 1
f ( x) por tanto f es PAR.
Paso 3. ASÍNTOTAS:
VERTICALES: x  1 y x  1 (calcule los límites laterales)
HORIZONTALES: Calculamos límites al infinito
x2
x 1
2
 lím x
lím
2
x  x  1 x  x 2
2


1
x2  1
1
Por tanto, y  1 es la asíntota horizontal tanto el infinito positivo como para el infinito negativo.
x2
Paso 4. PUNTOS CRÍTICOS:

P.C.F : no hay. ¿Por qué?

P.C.E:
f ´( x) 

  
x 1
2 x x 2  1  x 2  1 (2 x)
2
2

x 1
2 x3  2 x  2 x3  2 x
2
2

x2
x 1
 4x
2
Por lo tanto tenemos x 0  0
2
P.C.S: no hay. ¿Por qué?
Paso 5. MONOTONÍA:
Analizando el signo de la primera derivada, se concluye que:
f´

f
crece

1


crece
decrece
0
decrece
1
Paso 6: EXTREMOS: por el criterio de la primera derivada observamos que:
En x 0  0 la primera derivada cambia de signo, de positivo a negativo, por tanto aquí existe un Máximo local.
 
 
Paso 7: CONCAVIDAD: Debemos analizar la segunda derivada
 
2
 2
2

  4  x  1    4 x 2  x  1 2 x
x

4




f ´´( x)  Dx

2
2
 2
2
 2
 x  1 
 x 1 


 

f ´´
Entonces:
f ´´      
f
1
x  1
 4 x 2  4  16 x 2
2
3
12 x 2  4
x  13 x  13


1
110
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Paso 8: PUNTOS DE INFLEXIÓN: No hay
En conclusión:
x
x  1
x  1
1  x  0
x0
f ´( x)
f ´´(x)
f
+
+
+
0
-
-
-
-
+
Crece y cóncava hacia arriba
Asíntota vertical
Crece y cóncava hacia abajo
Punto crítico estacionario,
Máximo local
Decrece y cóncava hacia
abajo
Asíntota vertical
Decrece y cóncava hacia
arriba
0  x 1
x 1
x 1
y
x2 1
x2 1
Máx. Local
P.C.E
Ejercicios Propuestos 4.10
1. Graficar las siguientes funciones, mostrando: dominio, sim etría, asíntotas, puntos críticos, monotonía, ex tremos,
concav idad, puntos de inflexión:
1.
2.
3.
f ( x)  x 2 4  x
f ( x)  2  5 3 x 2  3 x5 


4.
3
f ( x)  e  x
5.
2
6.
f ( x) 
x  22
x2
3x  5
f x  
x2
f x  
2x2
9  x2
111
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
2.
Bosqueje una función f de variable real que cumpla las siguientes condic iones:








3.
f ( x)  f ( x)
lím f ( x)  2
x
lím f ( x)  
x 1
lím f ( x)  
x1
32   1 ,
f ' (3)  f ' (0)  f ' (3 / 2)  0
f 3  0 , f
f (2)   1 , f (0)  0
3 
f ' ( x)  0 en 0,1 y  ,3 
2 
2
f ' ' (2)  0
Suponga que
f '( x)  ( x  3)( x  1) 2  x  2  y f (1) 0, f  2   5 , f (3)   5 , esboce
una gráfic a para
f .
4.10 PROBLEMAS PRACTICOS DE MÁXIMOS Y MINIMOS
Con lo expuesto es posible resolver problemas prácticos de optimización. Se
recomiendo seguir los siguientes pasos:
1. Defina la Función Objetivo. Función a maximizar
o minimizar.
2. Simplifique la Función Objetivo.
3. Encuentre los Puntos Críticos.
4. Clasifique los Puntos Críticos. Determine los
extremos (máximos o mínimos)
5. Encuentre la Función Óptima. De ser solicitada.
112
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 1
Un fabricante puede producir cierto artículo a un costo de $10 cada uno y estima que si se
venden a " x " DÓLARES cada uno, los consumidores comprarán 30  x ARTÍCULOS POR DÍA . ¿A
qué PRECIO debe el fabricante vender los artículos para MAXIMIZAR la utilidad?
SOLUCIÓN:
U  Ingresos  Costos
PASO 1: Obtenemos la FUNCIÓN OBJETIVO. En este caso será la utilidad del artículo.
 x  30  x   10  30  x 
PASO 2. Simplificamos:
U  30 x  x 2  300  10 x
U   x 2  40 x  300
PASO 3. Obtenemos los puntos críti cos:
U´ 2x  40  0  x  20
PASO 4. Clasificamos el punto crítico:
Empleemos el criterio de la segunda derivada:
d 2U
 2  0
dx 2 x  20
Esto nos asegura que el fabricante debe vender los artículos a $20 para obtener la máxima utilidad.
Ejemplo 2
Un almacén vende bicicletas a US$40 por unidad. A este precio las personas han comprado 50
bicicletas al mes. El propietario desea aumentar el precio y estima que por cada incremento de
US$1 en el precio, se venderán 2 bicicletas menos cada mes. Si cada bicicleta tiene un costo de
US$25 para el almacén, ¿A qué precio debería vender las bicicletas para maximizar las
utilidades?
SOLUCIÓN:
PASO 1: Obtenemos la FUNCIÓN OBJETIVO. En este caso será también será la utilidad.
Utilidad = Ingresos- costos = (precio venta)(Cantidad) - (costo unitario)( cantidad)
Sea x  número de incrementos de $1 en el precio de venta
Entonces:
U   40  1x  50  2 x    25 50  2 x 
PASO 2. Simplificamos:
U  2000  80 x  50 x  2 x 2  1250  50 x
U  2 x 2  20 x  750
PASO 3. Obtenemos los puntos críti cos:
U ´ 4 x  20  x 
20
5
4
PASO 4. Clasificamos el punto crítico:
d 2U
dx 2
x  20
 4  0
Por tanto, el propietario debe hacer 5 incrementos de $1 en precio, es decir debe vender las bicicletas a $45 para
obtener la máxima utilidad.
113
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejercicios propuestos 4.11
1.
I q   2q  68q  128 . ¿En qué nivel de ventas el ingreso es máximo?
Suponga que el ingreso total en dólares de la venta de
unidades de cierto artículo es:
q
2
2.
3.
Un estudio de eficiencia indica que un trabajador que llega a las 8h00 ensamblará
9
Qt   t 3  t 2  15t unidades/ hora. ¿En qué momento de la mañana opera con eficiencia
2
máxima.
La ecuación de la demanda para el producto de un fabricante es p  600 2q y la función de costo
medio es C 
C
200
 0.2q  28 
, donde q es el número de unidades y tanto p como C
q
q
están expresados en dólares por unidad. Determine el nivel de producción para obtener la mayor
utilidad posible.
4. Una función de precio p , está definida por p( x)  20  4 x 
x2
, donde x es el número de
3
unidades vendidas. Determine el valor de x donde el ingreso marginal es máximo.
5.
Una librería puede obtener un cierto libro a $3 cada uno. La librería está vendiendo el libro a $20 cada
uno y a este precio vende 200 ejemplares por mes. Con objeto de estimular las ventas, la librería está
planeando bajar ese precio y estima que por cada dólar de reducción en el precio del libro se
venderán 20 libros más al mes. Determine:
a) El precio que debe venderse el libro a fin de generar el mayor beneficio para el dueño de la librería.
b) La cantidad adicional de libro vendida al nuevo precio.
6.
Un minorista puede obtener cámaras del fabricante a un costo de $50 por unidad. El minorista vende
las cámaras a un precio de $80 cada una y, a este precio, los consumidores han comprado 40
cámaras al mes. El minorista planea bajar el precio para estimular las ventas y estima que por cada $5
de reducción en el precio se venderán 10 cámaras más cada mes. ¿A qué precio debería el minorista
vender las cámaras para maximizar el rendimiento total?
7.
En una página de un libro debe haber 150 cm2 de texto escrito. Los márgenes laterales deben ser de
2 cm y los márgenes superior e inferior de 3 cm. Determine las dimensiones de la hoja para que se
gaste la menor cantidad de papel posible.
8.
Un recipiente cilíndrico sin tapa debe tener una capacidad de 250cm . El material del fondo del
recipiente cuesta 4 centavos el centímetro cuadrado y el material de la cara lateral cuesta 2 centavos
3
2
el cm . ¿Qué dimensiones minimizarán el costo total del recipiente?
9.
3
Se desea construir un envase cilíndrico sin tapa que tenga una capacidad de 2000cm . Para
2
elaborar la base se dispone de un material que cuesta 4 centavos el cm y el material usado para la
2
superficie lateral cuesta 2 centavos el cm . Determine las dimensiones del cilindro que pueda
construirse con las especificaciones dadas de tal forma que el costo de fabricación sea mínimo.
10. Un observatorio debe tener la forma de un cilindro circular recto, rematado por una bóveda
hemisférica, con un volumen total dado. Si la bóveda hemisférica cuesta el doble por pie cuadrado que
el muro cilíndrico. ¿Cuáles son las proporciones más económica?
114
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.11 TEOREMAS SOBRE DERIVADAS.
4.11.1 TEOREMA DEL VALOR MEDIO PARA DERIVADAS
(TEOREMA DE LAGRANGE)
Si f es una función continua en a, b y
derivable en a, b entonces, existe al menos
un número “ x0 ” en a, b tal que
f ´(x0 ) 
f (b)  f (a)
ba
Lo que nos indica este teorema es que si la función es continua en un intervalo
cerrado y suave en su interior entonces existirá un punto en ese intervalo para el
cual la recta tangente y la recta secante en los extremos del intervalo tienen igual
pendiente.
Recta Secante
Recta Tangente
y  f (x)
f ( b) - f ( a )
f (b)
b- a
f (a)
a
x0
b
S ( x)  f ( x)  g ( x) , donde g es la recta entre los puntos a, f (a)  y
Demostración:
b, f (b) , entonces podemos obtener su ecuación:
y  y 0  m x  x 0 
Sea
la función
y  f (a) 
Es decir:
f (b)  f (a)
x  a 
ba
115
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
y  g ( x)  f ( a ) 
f (b)  f (a)
x  a 
ba
f (b)  f (a)

x  a 
S ( x)  f ( x)   f (a ) 
ba


Note que también S es continua en  a, b  y derivable en  a, b 
Reemplazando, resulta:
Obtengamos ahora
S (a) y S (b) :
f (b)  f (a)

a  a   0
S (a)  f (a)   f (a) 
ba


f (b)  f (a)

b  a   0
S (b)  f (b)   f (a) 
ba


Por tanto, x0  a, b  tal que S´(x 0 )  0
 f (b)  f (a) 
 f (b)  f (a) 
y S´(x0 )  f ´(x0 ) 
S´(x)  f ´(x)  

 b  a
  0
 ba

f (b)  f (a)
L.Q.Q.D.
Por lo último f ´(x0 ) 
ba
Para lo cual
Ejemplo 1
Encuentre el número “
f ( x)  x
2
SOLUCIÓN:
en  1, 2 .
x 0 ” garantizado por el teorema del valor medio para derivadas si
Observe que f es continua en
 1, 2
cumplen las hipótesis del teorema del valor medio, por tanto la existencia de
f ´( x0 ) 
f (2)  f (1)
está garantizada y lo podemos encontrar.
2   1
Para lo cual f ´( x0 )  2 x0
y
Igualando y despejando, resulta:
 1, 2  se
 1,2  tal que
y como f ´( x)  2 x por tanto es diferenciable en
x0
en
f (2)  f (1) 4  1 3

 1
2   1
3
3
2 x0  1
x0 
1 .
2
Geométricamente.
116
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Re
Se
cta
ca
nte
f ( x)  x 2
Re

n
Ta
cta
ge
nte

0.5
Ejemplo 2
Use el teorema del valor medio para demostrar que: sen b  sen a  a  b
S OLUCIÓN:
Usemos f ( x)  sen x . Note que es una función continua en  a, b  y derivable en  a, b  por tanto de acuerdo
al teorema de Lagrange, existe un x0   a, b  tal que f ´( x0 ) 
Reemplazando y simplificando
cos x0 
Por otro lado
f (b)  f (a)
.
ba
senb  sena
ba
0  cos x0  1
senb  sena
1
ba
Aplicando propiedades del valor absoluto y despejando.
senb  sena
1
ba
Entonces
0
senb  sena  b  a
Que es lo que se quería demostrar.
Como particularidad del teorema de Lagrange tenemos el teorema de Rolle.
117
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.11.2 TEOREMA DE ROLLE
Si f es una función continua en a, b y
derivable en a, b y si f (a)  f (b) entonces,
existe al menos un número “ x0 ” en a, b tal
que f ´(x0 )  0
Ejercicios Propuestos 4.12
1.
2.
4
2
Sea f ( x)  x  2 x . Hallar todos los valores de " x 0 " en el interv alo [-2,2] tales que
f ' ( x0 )  0
La función f ( x)  x satisface la hipótesis del teorema del v alor medio en el intervalo [0,2]. Diga si esto es
verdadero o falso, justificando apropiadamente su respuesta.
El teorema del valor medio para dos funciones sería:
118
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.11.3 TEOREMA DE CAUCHY
Sean f y g funciones continuas en  a, b  y
diferenciables en  a, b  entonces, existe al
menos un número “ x0 ” en  a, b  tal que:
f ´( x0 ) f (b)  f (a)

g´( x0 ) g (b)  g (a)
Con los resultados del teorema anterior, se pueden calcular indeterminaciones.
4.11.4 TEOREMA DE L’HOPITAL
Suponga que lím f ( x)  lím g ( x)  0 o también
xu
xu
lím f ( x)  lím g ( x)   . Si lím
f ´( x)
existe en
xu g´( x )
xu
xu
sentido finito o infinito; entonces:
f ( x)
f ´( x)
 lím
lím
xu g ( x )
xu g´( x )
Donde u  a, a  , a  ,,
Ejemplo 1
Calcular
sen x
x 0
x
lím
SOLUCIÓN:
Aplicando el teorema de L´hopital, tenemos:
sen x
cos x
 lím
 cos 0  1
x 0
x 0 1
x
lím
119
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 2
Calcular lím1  x 
x 0
1
x
SOLUCIÓN:
Transformando la expresión primero, resulta:
lím1  x 
x 0
1
x
 lím e ln 1 x 
1
x 0
 lím e
x
x 0
ln 1 x 
x
 e x 0
lím
ln 1 x 
x
Aplicando el teorema de L´hopital al exponente, tenemos:
1
ln(1  x)
lím
 lím 1  x  1
x 0
x 0 1
x
Por tanto, lím1  x 
x 0
1
 e1  e
x
Ejemplo 3
x 0
Calcular lím
sen x  x
x3
SOLUCIÓN:
sen x  x
Aplicando el teorema de L´hopital, tenemos:
x 0
lím
cos x  1
x
3
 lím
x 0
cos x  1
3x 2
 sen x
1

6x
6
Como se mantiene la indeterminación, volvemos a aplicar la regla de L´Hopital, y así tantas veces como sea
x 0
necesario: lím
3x
2
 lím
x 0
Ejemplo 4
3x 2  5 x  1
x  4 x 2
Calcular lím
 2x  3
SOLUCIÓN:
Note que aquí tenemos:


6x  5
x  8 x  2
Aplicando el teorema de L´hopital, tenemos: lím
6
x  8
Volviendo a aplicar L´Hopital resulta: lím
Ejemplo 5

3
4
tg x
Calcular lím2  x  2
x 1

SOLUCIÓN:
Observe que aquí tenemos 1 . Entonces la regla de L´hopital no es aplic able directamente.
Transformando la expresión primero, resulta:
120
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
lím2  x 

tg x
2
x1
 lím e
x1
ln 2 x tg 2 x

ln 2 x 
tg  x ln2 x   e x1 co t g 2 x
 lím e 2
lím

x1
Aplicando el teorema de L´hopital al exponente, tenemos:
1

ln(2  x)
1 2
2

x
lím
 lím
  

2


x 1 cot g x
x 1  csc
x 2 2 
2
2
Por tanto, lím2  x tg 2 x  e 

x 1


2
Ejemplo 6
1 
 1
Calcular lim 

x  1 
x1  ln x
SOLUCIÓN:
Observe que aquí tenemos    .
Transformando la expresión primero, resulta:
1 
x  1  ln x
 1
lim 
 lim


x 1  ln x
x  1  x 1 ln x x  1
Aplicando el teorema de L´hopital, tenemos:
1
x 1
1 0 
x  1  ln x
x 1
x
x
 lim
 lim
 lim
lim
x 1  ln x  x  1
x 1 1
x 1
x 1 x  1  x ln x
1
1   ln x
 x  1  ln x 1
x
x
x 1
1
1
Volviendo a aplicar L´hopital: lim
 lim

x 1 x  1  x ln x
x 1
1 2
1  ln x  x
x
Ejercicios Propuestos 4.13
Calcular:
x 2  3x  10
x 2  4x  4
x  2 sen x
2. lim
tg x
x0
x 2 
1. lim
x 0
3. lim

4. lim
x 0
sen x  tg x
e e
x
x
1

 c tg x  
x

5. lim 1  cos x  c tg x
x0
cos x  1
6. lim
 1  cos x
x 0
7. lim
x 
x
1
x
sen x
8. lim x
x 0
9. lim cos x  x
1
x0
10.
11.
12.
13.
lim cos 2 x 
x0

lim 1  x 2
x0
lim x
x 0
lim
x0

3
x2
1
x
 3 


 4  ln x 
ln cos 3x 
2x 2
14.
 x 
lim 

x0  x  1 
15.
x0
x
lim c tg x sen x
121
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
4.12 POLINOMIO DE TAYLOR
y  f ( x0 )  f ´(x0 )x  x0  es decir y  f ( x0 )  f ´(x0 )x  x0  .
La
ecuación
de
la
recta
tangente
en
el
punto
x0 , f ( x0 )
es
En la vecindad de x 0 , y  f (x) ; por tanto una buena aproximación para una
función diferenciable en un punto sería la recta tangente en ese punto; es decir:
f ( x)  f ( x0 )  f ´(x0 )x  x0  .
Lo anterior corresponde a la aproximación de una función mediante un polinomio
lineal.
Para mayor orden tenemos:
f ´´(x0 )
f ´´´(x0 )
f n ( x0 )
2
3
x  x0  
x  x0   ... 
x  x0 n
f ( x)  f ( x0 )  f ´(x0 )x  x0  
n!
2!
3!
El Polinomio de Taylor de orden “n” para una función.
NO OLVIDE DEMOSTRARLO.
Si x0  0 se llama Polinomio de Mclaurin. En tal caso sería:
f ( x)  f (0)  f ´(0)x 
f ´´(0) 2 f ´´´(0) 3
x 
x  ...
2!
3!
Ejemplo 1
Hallar el polinomio de Taylor de orden 4 para f ( x)  e x , alrededor de x 0  0 y empléelo para
calcular e 0.1 .
f ( x)  f ( x0 )  f ´( x0 )  x  x0  
f ´´( x0 )
f ´´´( x0 )
f IV ( x0 )
2
3
4
 x  x0  
 x  x0  
 x  x0 
2!
3!
4!
e0
e0
e0
2
3
4
e x  e0  e0  x  0   x  0   x  0   x  0
2!
3!
4!
2
3
4
x
x
x
ex  1  x   
2 6 24
SOLUCIÓN:
Bien, ahora reemplazando x  0.1 resulta:
f (0.1)  1  0.1  0.005  0.000166666  0.000004166
f (0.1)  1.105170833
122
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 2
Hallar el polinomio de Taylor de orden 4 para f ( x)  e  x alrededor de x 0  0
SOLUCIÓN:
Se puede emplear el polinomio del ejemplo anterior, sería cuestión de reemplazar  x por x , es decir:
1
1
1
e  x  1  (  x)  (  x ) 2  (  x )3  (  x ) 4
2
3!
4!
1
1
1
e x  1  x  x 2  x3  x 4
2
3!
4!
Ejemplo 3
Hallar el polinomio de Taylor de orden 4 para f ( x)  e x alrededor de x 0  0
2
SOLUCIÓN:
Ahora, es cuestión de reemplazar x 2 por x , es decir:
2
1
1
1
e x  1  x 2  ( x 2 ) 2  ( x 2 )3  ( x 2 ) 4
2
3!
4!
2
1
1
1
e x  1  x 2  x 4  x 6  x8
2
3!
4!
Ejemplo 4
Hallar el polinomio de Taylor de orden 5 para f ( x)  sen x alrededor de x 0  0
f ( x)  sen x
f ( x)  cos x
f ( x)   sen x
Obtenemos primero f ( x)   cos x 
SOLUCIÓN:
f
IV
f
V
Luego, reemplazando en:
( x)  sen x
( x)  cos x
f ( x)  f (0)  f (0) x 
Se obtiene:
f ( 0)  0
f (0)  1
f (0)  0
f (0)  1
f
IV
f
V
( 0)  0
( 0)  1
f (0) 2 f (0) 3 f IV (0) 4 f V (0) 5
x 
x 
x 
x
2
6
4!
5!
sen x  0  x  0 
1 3
1
x  0  x5
3!
5!
1
1
sen x  x  x 3  x 5
3!
5!
123
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejemplo 5
Hallar el polinomio de Taylor de orden 4 para f ( x)  cos x alrededor de x 0  0
SOLUCIÓN:
f ( x)  cos x
f ( x)   sen x
Obtenemos primero f ( x)   cos x
f ( x)  sen x
f
IV

( x)  cos x
Luego, reemplazando en:
f ( x)  f (0)  f (0) x 
f ( 0)  1
f (0)  0
f (0)  1
f (0)  0
f
IV
( 0)  1
f (0) 2 f (0) 3 f IV (0) 4
x 
x 
x
2
6
4!
(1) 2 0 3 1 4
x  x  x
2!
3!
4!
1 2 1 4 1 6
cos x  1  x  x  x
2
4!
6!
Se obtiene:
cos x  1  0 x 
Ejemplo 6
Demuestre la IDE NTIDAD DE E ULER
e ix  cos x  i sen x .
SOLUCIÓN:
Sea f ( x)  e ix . Hallemos el polinomio de Maclaurin correspondiente.
Sería cuestión de reemplazar ix por x , en la serie de f ( x)  e x es decir:
1
1
1
1
eix  1  (ix)  (ix) 2  (ix)3  (ix) 4  (ix)5 
2
3!
4!
5!
1
1
1
1
 1  ix  i 2 x 2  i 3 x 3  i 4 x 4  i 5 x 5 
2
3!
4!
5!
1
1
1
1
 1  ix  x 2  ix 3  x 4  ix 5 
2
3!
4!
5!
1
1
1
 1
 

 1  x 2  x 4    i  x  x3  x 5  
4!
3!
5!
 2
 

i  1
cos x
senx
i 3  i 2 i   1i  i
2
Recuerde que:
i 4  i 2 i 2   1 1  1
Por lo tanto, se concluye que
e ix  cos x  i sen x
124
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz
Ejercicios Propuestos 4.14
1.
Hallar el polinomio de Maclaurin de orden “n” para:
f x   e3x ; n=4
a)
d) f ( x) 
f ( x)  x 2 e  x ; n=4
b)
1
x 2 1
; n=4
c) f ( x)  sen x ; n=3
2.
Hallar el polinomio de Taylor de grado n, alrededor de x0
a)
b)
.
1
; n=4; x0  1
x
f ( x)  x ; n=4; x0  4
c) f ( x)  ln x ; n=4; x0  1
f ( x) 
Misceláneos
1) Bosqueje el grafico de f analizando dominio, simetría , asíntotas, intervalos de monotonía y
concavidad, extremos locales y puntos de inflexión
a.
f ( x) 
b.
f ( x) 
c.
f ( x) 
d.
f ( x) 
e.
x2
x 1
x2
x 1
x
2
x 1
2
2
x 1
2
f ( x)  x 8  x 
h. f ( x)  x5  x3
i. f ( x)  x
j. f ( x) 
2
3
x2  8
x2  4x
x  4x  3
2
3
f ( x)  xe 3  1
2
f.
g. f ( x)  x3  x 2  5x  5
x
2) Bosqueje una gráfica posible de una función f que tenga todas las siguientes características:





f es continua en toda su extensión
f (4)  3 , f (0)  0 , f (3)  2
f ´(4)  0 , f ´(3)  0 , f ´(x)  0 para x  4 , f ´(x)  0 para 4  x  3 ,
f ´(x)  0 para x  3 .
f ´´(4)  0 , f ´´(0)  0 , f ´´(x)  0 para x  4
f ´´(x)  0 para 4  x  0 , f ´´(x)  0 para x  0
3) Bosqueje una gráfica posible de una función f que tenga todas las siguientes características:
125
Cáp. 4 Aplicaciones de la Derivada
Moisés Villena Muñoz





lím f ( x)  
x a
lím f ( x)  0 lím f ( x)   a  b  0  d  e
x 
x 
f (c)  f (e)  0 , f (b)  5 , f (0)  3 , f (a)  f (d )  1
f ´´(b)  0 , f ´´(c) no existe, f ´(d )  0 , f ´´(d )  0 ,
x  , a   c, d  f ´(x)  0 , x  a, c  d ,  f ´(x)  0
x  , a   a, b f ´´(x)  0 , x  b, c   c,  f ´´(x)  0
4) Calcular :
a) lim senxx
x 0
sec2 x  2tgx
1  cos 4 x
x 
4
b) lim
e x  cos x
2
2
c) lim
x 0

x2
d) lim  2 x tan x 
x  2

 

cos x 
126