Funciones: calcular y dibujar un resultado
Supón que un trayecto cobra 2 € al empezar y 3 € por kilómetro. El precio se forma así: cargo fijo + precio de cada kilómetro por distancia. Primero escribe ; al llamar a la distancia, queda .
A esa fórmula que asigna un resultado a cada número permitido la llamamos función. En , la letra es su nombre. significa «calcula el resultado para 2 km». A veces se dice que es la entrada y que el precio calculado es la salida.
La gráfica dibuja las parejas de distancia y precio. En , el primer número se lee en horizontal y el segundo en vertical. Para encontrar el corte con el eje vertical, calcula . Para el corte con el horizontal, busca dónde el resultado vale 0, resolviendo .
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te dan , una fórmula o una gráfica, y te piden calcular , leer un punto o encontrar dónde corta un eje.
Escribe «dato conocido» y «cantidad buscada». Si te dan un valor de , sustitúyelo para calcular el resultado. Si te dan el resultado y buscan , iguala la fórmula a ese número y resuelve la ecuación.
Un ejemplo, paso a paso
Con , calcula y escribe el punto correspondiente.
- Nos dan la distancia, 2 km, y preguntan por el precio. Por eso sustituimos , sin resolver una ecuación para encontrarlo.
- El recorrido cuesta €. Añade el cargo inicial una sola vez: .
- El punto escribe primero la distancia y luego el precio: . Busca 2 en horizontal y altura 8.
Lo que obtenemos: y el punto es .
Ahora, los símbolos en palabras
- Número que eliges para hacer el cálculo; aquí, kilómetros.
- Resultado que obtienes con ese número; también se escribe .
- 2 en el eje horizontal y 8 en el vertical.
Quédate con esto: Primero decide qué te dan y qué te piden. Calcular y resolver son preguntas distintas.
Ojo con este error: no significa multiplicar por 2. Y pregunta qué números dan el resultado 2.
Ahora prueba la idea
Un punto de la gráfica es . ¿Cuánto vale ?
Ver la respuesta y el porqué
14.
El dato es y buscamos el resultado de la función. El punto ya lo da en su segundo número: 14.
Un uso cotidiano: Calcular el coste de un trayecto
Ejemplo inventado: una tarifa cobra 2 € al empezar y 3 € por kilómetro. ¿Cuánto cuesta recorrer 4 km y cuánto añade recorrer uno más?
- Buscamos un precio: cobro fijo más coste del recorrido. Llama a los kilómetros. El recorrido cuesta euros; añade los 2 € de inicio una sola vez: .
- Pon 4 solo donde estaba : €. Para 5 km, €.
- El kilómetro adicional cuesta la diferencia: €. El cobro fijo de 2 € ya estaba en ambos precios.
El trayecto de 4 km cuesta 14 €. La fórmula permite cambiar la distancia y ver cómo cambia el precio.
Dominio: qué números puedes usar
En , con igual a 2 obtienes −1 y con igual a 4 obtienes 1. Con 3 tendrías que dividir 1 entre 0 y no obtienes un número. Puedes usar todos los números reales salvo 3: esa lista de números permitidos se llama dominio.
Una raíz cuadrada solo admite números mayores o iguales que 0 en los reales. En , igual a 1 funciona porque queda ; igual a 0 no, porque quedaría . «Reales» son los números de la recta, como enteros, fracciones y decimales, también negativos.
pregunta qué exponente necesita para dar . El número vale aproximadamente 2,718: porque . Como una potencia real de nunca da 0 ni un número negativo, solo acepta números positivos. Si una fórmula tiene varias operaciones, debe permitir hacerlas todas.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden el dominio o los valores de permitidos en una fórmula con fracciones, raíces o logaritmos.
La pregunta pide todos los permitidos, no un resultado concreto. Escribe una condición por cada división, raíz o logaritmo y después reúne las que deben cumplirse a la vez.
Un ejemplo, paso a paso
¿Qué números puedes usar en ?
- Buscamos qué valores de permiten hacer toda la expresión. Empieza por la raíz: lo que recibe debe ser 0 o positivo. Aquí recibe , así que escribe .
- Para dejar sola, suma 1 en ambos lados: . Al abreviar queda , que permite 1 y todos los números mayores.
- La división tampoco puede tener 0 abajo. Busca cuándo ocurre: . Suma 3 en ambos lados y queda ; ese número hay que excluirlo.
- Cumple las dos condiciones a la vez: puede ser 1 o mayor, pero no 3. El 1 sí sirve: arriba queda y abajo , así que obtienes .
- Escribe los tramos a cada lado del número excluido: .
Lo que obtenemos: .
Ahora, los símbolos en palabras
- Lista de números que puedes poner en la fórmula .
- Desde 1 incluido hasta 3 sin incluir. El corchete incluye el extremo; el paréntesis no.
- Reúne los dos grupos de números indicados.
- Seguir hacia números cada vez mayores, sin un último número.
- puede valer 1 o cualquier número mayor.
Quédate con esto: No eliges una sola : describes todos los valores que cumplen cada condición.
Ojo con este error: Una raíz cuadrada sí puede recibir 0. El logaritmo no, y en una división no puede haber 0 abajo.
Ahora prueba la idea
¿Puedes calcular ? ¿Puedes calcular ?
Ver la respuesta y el porqué
no; sí, y vale 1.
Ninguna potencia real de da 0, pero elevar a 0 es un cálculo permitido.
Límite: qué pasa al acercarse a un número
Prueba : con obtienes 1,9; con 0,99, obtienes 1,99; con 1,01, obtienes 2,01. Cuanto más cerca están esos números de 1, más cerca quedan sus resultados de 2.
Si pones exactamente 1, arriba queda y abajo . La división no elige un resultado: dividir busca qué número multiplicado por el de abajo da el de arriba, y aquí tanto como dan 0. Por eso no podemos dibujar un punto de esta fracción justo en .
Aun así podemos preguntar a qué número se acercan los resultados de alrededor. Aquí se acercan a 2: eso es el límite. Los números menores y mayores que 1 deben acercarse al mismo resultado. Unas pocas pruebas nos orientan; en los pasos de abajo veremos por qué la cuenta siempre funciona así cerca de 1.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden un límite, aparece o preguntan qué ocurre cuando se acerca a un número.
Lee a qué número se acerca . Sustitúyelo en la fórmula para comprobar qué ocurre; si sale , busca una expresión equivalente para los números cercanos.
Un ejemplo, paso a paso
¿Por qué se acerca a 2 al acercarse a 1, si en 1 acaba en ?
- La pregunta es qué pasa cerca de 1. Prueba primero el propio 1: arriba y abajo . Da , que no elige un resultado, así que necesitamos otra manera de hacer el cálculo cerca.
- Con 0,9 obtienes 1,9; con 0,99, 1,99; con 1,01, 2,01. Sugieren el 2, pero debemos explicar por qué vale para todos los números cercanos permitidos.
- Escribe arriba . Al multiplicar queda , así que no has cambiado el numerador.
- Como , dividir entre 3 deja . Lo mismo vale con cualquier número distinto de 0: cuando .
- Ahora el cálculo cercano es sumar 1 a . Al acercarse a 1, se acerca a 2. Si pones exactamente 1 en la fracción de partida, abajo sigue habiendo 0.
Lo que obtenemos: El límite vale 2. Si pones exactamente 1, la fracción sigue acabando en .
Ahora, los símbolos en palabras
- Al poner números cada vez más cercanos a 1, los resultados se acercan a 2.
- Usar números menores que 1, como 0,9 y 0,99.
- Usar números mayores que 1, como 1,1 y 1,01.
- Números cada vez mayores, o cada vez más negativos. Infinito no es un número para sustituir.
Quédate con esto: Puedes saber qué pasa cerca de 1 aunque no puedas hacer la cuenta exactamente en 1.
Ojo con este error: no da 0. Y probar tres números no demuestra un límite: aquí lo demuestra que la fracción vale para todos los números permitidos de alrededor.
Ahora prueba la idea
La cuenta se acerca a 2, pero en 1 acaba en . ¿Decir que el límite es 2 significa que ya puedes dividir 0 entre 0?
Ver la respuesta y el porqué
No.
Seguimos sin obtener un número con esa división. El límite describe los resultados de números cercanos que sí podemos usar.
Continuidad: unir los trozos sin salto ni hueco
La fracción no da un resultado con igual a 1, pero con números cercanos sus resultados se acercan a 2. Añade esta instrucción: «cuando sea exactamente 1, el resultado será 2». Así rellenas el punto que faltaba.
Si en cambio pones 7 en igual a 1, los puntos de alrededor siguen acercándose a 2 y aparece otro punto a altura 7. Para que la función sea continua, el resultado del propio punto debe coincidir con lo que llega desde ambos lados.
En una función con varias fórmulas, lee qué fórmula corresponde a cada lado del cambio y cuál incluye el propio punto. Comparar esos tres resultados permite elegir un valor que una los tramos sin salto ni hueco.
Para clasificar la discontinuidad, compara los dos límites laterales. Si coinciden en un número pero el punto falta o tiene otro valor, es evitable: puedes repararlo asignando ese número. Si ambos límites son finitos pero distintos, hay salto finito: cambiar solo el punto no junta los tramos. Si algún lado crece o baja sin límite, es de salto infinito y debes estudiar la asíntota vertical; un ejemplo es cerca de 0.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden continuidad, evitar un salto o elegir en una fórmula que cambia según el valor de .
La pregunta busca unir los tramos. Localiza dónde cambia la fórmula, lee cuál incluye ese punto y calcula por separado qué llega desde cada lado.
Un ejemplo, paso a paso
Si para y para , ¿qué une los tramos sin salto?
- Las dos fórmulas cambian en . La de se usa a la izquierda, porque dice . El propio 1 pertenece a la fórmula , porque incluye la igualdad.
- Desde la izquierda, se acerca a . Puedes verlo en 0,9 y 0,99: dan 1,9 y 1,99.
- Desde la derecha, el resultado es . En el punto también es . Para que ambos lados y el punto se unan, escribe la condición .
- Elige y comprueba: la izquierda llega a 2, la derecha vale 2 y .
Lo que obtenemos: .
Ahora, los símbolos en palabras
- Resultado asignado a exactamente igual a 1.
- Resultado al que se acercan los valores de alrededor de 1.
- Este tramo incluye el 1, además de los números mayores.
Quédate con esto: Primero identifica el punto donde cambia la fórmula; después iguala los resultados que deben encontrarse.
Ojo con este error: Que exista no basta. Puede dar 7 mientras los resultados de alrededor se acercan a 2.
Ahora prueba la idea
Ambos lados se acercan a 2, pero . ¿Es continua en 1?
Ver la respuesta y el porqué
No.
Queda un hueco a altura 2 y un punto separado a altura 7.
Derivada: cuánto cambia una cantidad en ese momento
Supón que a los segundos has recorrido metros. A los 2 s llevas 4 m y a los 2,1 s, 4,41 m. En ese tramo has avanzado 0,41 m en 0,1 s: la velocidad media es m/s.
Si comparas tiempos cada vez más próximos a 2 s, las velocidades medias se acercan a 4 m/s. Esa velocidad justo en 2 s es la derivada en ese momento. La fórmula tiene derivada , que en igual a 2 vale 4.
En una gráfica, la misma idea mide cuánto sube o baja el dibujo por cada pequeño avance horizontal: eso es la pendiente. Derivada positiva indica que sube; negativa, que baja. Si vale 0, la dirección es horizontal, pero aún hay que comprobar si es una cima, un valle o ninguna de las dos.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden derivar, velocidad instantánea, pendiente, tasa de cambio o interpretar .
Identifica qué cantidad mide y qué representa . Si piden , buscan el valor de esa cantidad en ; si piden , buscan a qué ritmo cambia allí. Usa el punto y las unidades que indique el enunciado.
Un ejemplo, paso a paso
Si metros, ¿qué significan y ?
- pregunta cuánto se ha recorrido a los 3 s. Pon 3 en la función: metros.
- pregunta la velocidad justo ahí. Para , la regla de la potencia da : esa es .
- Pon ahora 3 en la derivada: metros por segundo. No tiene las mismas unidades que los 9 metros.
- Para un tiempo muy pequeño de 0,01 s, usa velocidad por tiempo: m aproximadamente. La aproximación es local porque la velocidad cambia con .
Lo que obtenemos: A los 3 s llevas 9 m y vas a 6 m/s.
Ahora, los símbolos en palabras
- Cambio de la cantidad por cada unidad de , en el momento que eliges.
- La velocidad en es 4; en este ejemplo, 4 m/s.
- Tiempo transcurrido entre las dos mediciones. Delta significa diferencia.
Quédate con esto: La frase «cuánto lleva» se traduce con . «A qué velocidad va» se traduce con .
Ojo con este error: La gráfica puede tener alturas positivas y estar bajando. El signo de la altura y el de la derivada dicen cosas distintas.
Ahora prueba la idea
En un punto, . ¿El resultado aumenta o disminuye si avanzas un poco hacia la derecha?
Ver la respuesta y el porqué
Disminuye.
El signo negativo dice que la gráfica baja en ese punto.
Un uso cotidiano: Leer un ritmo de aumento en una noticia
Datos ficticios: un depósito contiene 120 litros a las 9:00 y 180 litros a las 11:00. Una noticia dice que aumentó a 30 litros por hora. ¿Qué significa?
- La frase «por hora» pide comparar el aumento con el tiempo, no usar directamente el nivel final. Aumento = nivel final − inicial = 180−120=60 litros.
- Tiempo transcurrido = 11:00−9:00=2 horas. Ritmo medio = 60 litros / 2 horas = 30 litros por hora.
- Esta igualdad describe el promedio del tramo. No demuestra que entraran 30 litros en cada hora: pudo variar el ritmo.
30 litros por hora es el promedio de esas dos horas. Para saber el ritmo justo a las 10:00 necesitaríamos más información; esa es la pregunta que responde una derivada.
Reglas de derivación: elegir según la operación
En , todos los puntos están 7 más altos que en , pero las diferencias entre ellos son iguales. Por eso ambas tienen derivada . En , las diferencias son tres veces mayores y la derivada es .
Al derivar una suma, deriva cada término. En , usa . Para un producto , cuenta dos cambios: cambia la primera parte y conserva la segunda; hace lo contrario. Súmalos. Para una fracción , la regla usa y después divide entre ; antes de sustituir identifica claramente qué va arriba y qué abajo.
Hay parejas que conviene recordar: y para . Las derivadas de seno y coseno son y si el ángulo está en radianes. Media vuelta son radianes, lo mismo que 180°. Si dentro hay algo como , necesitas también la regla de la cadena.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden para una suma, potencia, multiplicación, fracción, seno, coseno, o .
Antes de derivar, identifica la última operación: en es multiplicar. Nombra las dos partes y escribe sus derivadas antes de sustituir en la regla.
Un ejemplo, paso a paso
Deriva .
- La expresión es un producto, no una suma. Escoge y para saber qué representa cada letra de la regla.
- Deriva cada parte: y .
- Escribe primero los dos términos sin simplificar: y . La regla pide sumarlos.
- Por tanto, . Como ambos llevan , puedes escribir ; multiplicar ese paréntesis recupera la suma.
Lo que obtenemos: .
Ahora, los símbolos en palabras
- Nombres cortos para las dos funciones que multiplicas, o para lo de arriba y abajo en una fracción.
- Derivadas de esas dos funciones.
- Media vuelta: la misma cantidad de ángulo en dos unidades.
Quédate con esto: Escribe las partes y sus derivadas antes de usar las letras de una fórmula.
Ojo con este error: En una multiplicación no basta hacer . En una fracción conserva el orden de la resta .
Ahora prueba la idea
Una función siempre vale 7, sea cual sea . ¿Cuál es su derivada?
Ver la respuesta y el porqué
0.
El resultado no cambia al cambiar .
Regla de la cadena: derivar una cuenta dentro de otra
Con igual a 0, da primero 1 y después 1. Con igual a 0,01, da primero 1,03 y después 1,0609. El cambio de se multiplica por 3 antes de llegar al cuadrado.
Para derivar, empieza por lo que haces después: derivar un cuadrado da dos veces lo que está dentro, . Luego multiplica por la derivada de lo que calculaste primero: la de es 3. Eso es la regla de la cadena.
Funciona igual con otras funciones: en conserva y multiplica por 2. En escribe y multiplica por 3. Antes de calcular, recuerda qué valores de permite la fórmula; en el logaritmo, debe ser positivo.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Una potencia, raíz, exponencial o logaritmo contiene otra expresión, como , o .
Pregunta qué se hace primero y qué después. En calculas y luego su cuadrado: prepara las derivadas de ambos pasos.
Un ejemplo, paso a paso
Deriva .
- La última operación es un cuadrado, pero lo que se eleva no es sola: es . Llama para separarlo.
- Derivar respecto de da . Vuelve a poner lo que significa : .
- Aún falta el cambio del interior. Derivar da 3 y derivar la constante 1 da 0: . La regla de la cadena pide multiplicar por este 3, no sumarlo.
- Escribe la igualdad antes de abreviar: .
Lo que obtenemos: .
Ahora, los símbolos en palabras
- Expresión que calculas primero, como .
- Después aplicas al resultado de ; por ejemplo, elevarlo al cuadrado.
Quédate con esto: Deriva la operación exterior, conserva el interior y multiplica por su derivada.
Ojo con este error: Si escribes solo , falta el 3 que viene de derivar el interior.
Ahora prueba la idea
En , ¿por qué aparece un 5 al derivar?
Ver la respuesta y el porqué
Porque la derivada de es 5.
La derivada de la exponencial conserva y después multiplica por el cambio de su interior: .
L'Hôpital: resolver algunos límites usando derivadas
En , poner 1 deja . Con 1,1 el resultado es aproximadamente 0,9531 y con 1,01, 0,9950. Parece acercarse a 1, aunque en el propio 1 no podemos hacer la división.
L'Hôpital permite resolver ciertos límites así: deriva lo de arriba, deriva lo de abajo y vuelve a calcular el límite con esa nueva fracción. No calcules la derivada de la fracción entera; aquí las dos partes se derivan por separado.
Debe haber o , y ambas partes deben tener derivada cerca del número al que te acercas. La derivada de lo de abajo no puede ser 0 en esos puntos cercanos; no hace falta exigirlo justo en el punto del límite. El límite de la nueva fracción debe existir, como número o como infinito.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Buscas un límite y queda , o tanto lo de arriba como lo de abajo tienden a infinito, con el signo que sea. L'Hôpital solo se usa si se cumplen sus condiciones.
Mira primero qué ocurre arriba y abajo: deben acercarse ambos a 0 o ambos crecer en tamaño sin límite. Solo entonces comprueba las demás condiciones antes de derivar.
Un ejemplo, paso a paso
Calcula con L'Hôpital.
- Nos piden un límite en 1. Al sustituir, y : queda , así que la sustitución no resuelve la pregunta.
- Las dos partes son derivables cerca de 1. Deriva por separado: y . El denominador nuevo no se anula.
- Escribe el nuevo cociente completo: . No has usado la regla de derivar cocientes: esta transformación corresponde a L'Hôpital.
- El límite de al acercarse a 1 es . Como se cumplen las condiciones, ese es también el límite original.
Lo que obtenemos: El límite vale 1.
Ahora, los símbolos en palabras
- Fracción cuyo límite buscas.
- Nueva fracción después de derivar arriba y abajo por separado.
Quédate con esto: La forma inicial decide si se puede aplicar la regla; la nueva fracción no debe aparecer sin esa comprobación.
Ojo con este error: En cuando , sustituir da 0 y ya resuelve el límite. Usar L'Hôpital daría 1 y sería incorrecto, porque no aparece ninguna de las formas que lo permiten.
Ahora prueba la idea
Al sustituir queda . ¿Puedes usar L'Hôpital directamente?
Ver la respuesta y el porqué
No.
No es ni una división entre dos cantidades que crecen sin límite. Debes mirar qué pasa a cada lado.
Tangente y normal: mismo punto, distintas direcciones
En , igual a 1 da altura 1. Cerca de ahí, aumentar en 0,01 aumenta aproximadamente en 0,02. Una recta que pase por y suba 2 por cada avance horizontal de 1 sigue esa misma dirección.
Esa recta es la tangente en el punto. Su pendiente es la derivada en 1, . La altura del punto es . Necesitas los dos datos: uno dice por dónde pasa y otro cómo se inclina.
Su ecuación dice cuánto cambia la altura desde el punto conocido: ese cambio es la pendiente multiplicada por el avance horizontal. La recta se parece a la curva cerca del punto, pero no tiene por qué parecerse lejos de él.
La normal pasa por el mismo punto y forma 90 grados con la tangente. Si la pendiente de la tangente es , la normal tiene pendiente : sus direcciones y dan producto escalar . Si la tangente es horizontal, , la normal es vertical, ; no divides entre 0.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden la recta tangente o la recta normal a una gráfica en .
Te piden una recta, así que necesitas un punto y una pendiente. Calcula y por separado y anótalos antes de escribir la ecuación.
Un ejemplo, paso a paso
Halla la tangente y la normal a en .
- El dato dice dónde toca la recta. Calcula : el punto es .
- Para la inclinación, deriva y calcula .
- La recta se mide desde el punto conocido: avance horizontal y cambio de altura . Pendiente 2 significa .
- Multiplica el 2 por cada parte del paréntesis: . Para dejar sola, suma 1 en ambos lados: . Al abreviar queda .
- La normal también pasa por . La tangente tiene pendiente 2, distinta de 0, así que para una dirección perpendicular usa pendiente . Sus direcciones y cumplen .
- Desde el mismo punto, escribe . Reparte el factor: . Suma 1 a ambos lados y obtén . Al poner , ambas rectas dan : comprueba el punto de contacto.
Lo que obtenemos: Tangente: . Normal: .
Ahora, los símbolos en palabras
- Valor de donde piden la tangente.
- Altura del punto por el que debe pasar.
- Pendiente, o inclinación, de la recta.
Quédate con esto: No empieces con sin datos: encuentra primero el punto y la pendiente.
Ojo con este error: No uses como pendiente. Es la altura. La tangente también puede cortar la curva en otros puntos.
Ahora prueba la idea
En la derivada vale 0. ¿Cómo son la tangente y la normal?
Ver la respuesta y el porqué
Tangente horizontal: . Normal vertical: .
La tangente no sube ni baja. Su perpendicular es vertical y pasa por el mismo punto. Aquí no se usa .
Máximos y mínimos: dónde deja de subir o bajar
En , los valores igual a 0, 1, 2 y 3 dan 3, 0, −1 y 0. Los resultados bajan hasta −1 y después suben: aparece un mínimo en igual a 2.
Una derivada negativa indica que baja; positiva, que sube. Si cambia de negativa a positiva, hay un mínimo local. Si cambia de positiva a negativa, un máximo local. «Local» significa que lo comparas con los puntos cercanos, no necesariamente con toda la gráfica.
Si la función es continua en un tramo que incluye el principio y el final, puedes buscar el mayor y menor valor de todo ese tramo. Calcula en ambos bordes y en los interiores donde o no haya derivada. Compara esos resultados: el mayor es el máximo absoluto y el menor, el mínimo absoluto.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden intervalos de crecimiento o decrecimiento, máximos, mínimos, o el mayor y menor valor dentro de un tramo.
Te piden dónde sube, baja o cambia de sentido. Calcula y resuelve para separar los tramos; revisa también dónde no existe.
Un ejemplo, paso a paso
¿Dónde tiene un mínimo ?
Probar la idea en otra parábola
¿Qué da el resultado más pequeño?
Elige un número y haz la cuenta que aparece debajo: obtendrás un resultado. En la gráfica, busca en la línea horizontal y lee el resultado en la altura del punto. ¿Qué número tienes que elegir para llegar al punto más bajo?
La regla de este ejemplo
El control elige , el número que restamos a . La regla siempre suma 1: para obtener el resultado más pequeño, intenta que el cuadrado anterior valga 0. Prueba primero y compáralo con sus vecinos en la tabla.
| que eliges | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| 1 | 2 | |
| 2 | 1el más pequeño | |
| 3 | 2 |
Ahora mueve el control de 2 a 5. Fíjate en el punto verde: ¿cambia su posición horizontal? ¿Cambia también su altura?
Con , el punto más bajo está en y su resultado sigue siendo 1. Elegir da 2.
- Verde: el resultado más pequeño
- Azul: otras dos elecciones
¿Por qué no puede dar menos de 1?
El cuadrado de un número nunca es negativo. Lo más pequeño que puede valer es 0: ocurre cuando . Suma a ambos lados: , luego . Después la regla suma 1, así que el resultado más pequeño es .
Al mover el control, cambias qué produce ese 1. Por eso el punto verde se mueve a izquierda o derecha y mantiene la misma altura.
Prueba la misma idea en otra regla
Ahora la regla es : fíjate en que al final suma 3. ¿Qué da el resultado más pequeño? ¿Cuánto vale ese resultado?
Comprobar mi respuesta
y el resultado es 3. Sustituye solo por 5: queda . La resta dentro del cuadrado da 0; el 5 que se resta y el 3 final permanecen. El elegido hace cero el cuadrado; el número que se suma al final fija el resultado mínimo. Con cualquier otro , el cuadrado es positivo y el resultado será mayor.
Si ya conoces las derivadas: comprueba el mínimo con ellas
En , la derivada es . Vale 0 cuando . La segunda derivada es , lo que confirma que ahí hay un mínimo. Para saber su altura, sustituye solo por en la regla original: .
- Para saber si sube o baja, usa la derivada: . Para localizar posibles cambios, escribe .
- Queremos dejar sola en . Suma 4 en ambos lados: , que da . Divide ambos entre 2: , y queda . Separa los números menores y mayores que 2 para estudiar los dos tramos.
- La expresión es negativa antes de 2 y positiva después. Por eso la función baja y luego sube: en 2 hay un mínimo.
- La pregunta también pide el punto. Pon 2 en : .
Lo que obtenemos: Mínimo en .
Ahora, los símbolos en palabras
- La función sube dentro del tramo que estudias.
- La función baja dentro de ese tramo.
- Mínimo del ejemplo: ocurre en y su valor es −1.
Quédate con esto: localiza y clasifica el cambio; calcula el valor del máximo o mínimo.
Ojo con este error: Que no basta. En , la derivada vale 0 en 0 pero sigue creciendo a ambos lados.
Ahora prueba la idea
La función sube antes de un punto y baja después. ¿Es un máximo o un mínimo local?
Ver la respuesta y el porqué
Un máximo local.
Los resultados cercanos son menores a ambos lados de ese punto.
Curvatura: si las pendientes aumentan o disminuyen
En , las pendientes en 0, 1 y 2 son 0, 2 y 4: aumentan. La curva se dobla hacia arriba. En son 0, −2 y −4: disminuyen y la curva se dobla hacia abajo.
Para estudiar cómo cambian las pendientes, deriva una segunda vez. Esa segunda derivada se escribe . Si es positiva, las pendientes aumentan; si es negativa, disminuyen. Un punto de inflexión es un punto continuo de la curva donde cambia de un tipo de curvatura al otro.
No confundas curvatura con crecimiento: una función puede seguir subiendo y tener pendientes cada vez menores. Si , una segunda derivada positiva confirma un mínimo local y una negativa confirma un máximo local. Si también vale 0, ese criterio no decide.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden curvatura, concavidad, convexidad o puntos de inflexión; también pueden pedirte clasificar un extremo con .
Te piden cómo se dobla la curva, no solo si sube. Calcula , marca dónde vale 0 o no existe y comprueba su signo en cada tramo.
Un ejemplo, paso a paso
¿Tiene un punto de inflexión en 0?
- Para curvatura necesitas la segunda derivada: de sale y después .
- Busca dónde puede cambiar el signo: da . Separa izquierda y derecha de 0.
- Prueba −1 y 1: y . Además, mantiene el signo de en cada tramo: las pendientes primero disminuyen y luego aumentan.
- Para que sea punto de inflexión, debe pertenecer a la curva continua. Aquí es continua en 0 y .
Lo que obtenemos: Sí, en .
Ahora, los símbolos en palabras
- Derivada de : indica cómo cambia la pendiente.
- Las pendientes van aumentando.
- Las pendientes van disminuyendo.
Quédate con esto: Un cero de es un lugar que revisar. El cambio de signo y la continuidad justifican el punto de inflexión.
Ojo con este error: En , , pero es positiva a ambos lados. No hay cambio de curvatura en 0.
Ahora prueba la idea
Las pendientes pasan de 5 a 4 y a 3. ¿La función sigue subiendo? ¿Su pendiente aumenta?
Ver la respuesta y el porqué
Sigue subiendo, pero su pendiente disminuye.
5, 4 y 3 son positivos. Cada uno es menor que el anterior.
Asíntotas: a qué recta se acerca la gráfica
En , poner 2,1 da 11 y poner 2,01 da 101. Al acercarte a 2 por la derecha, los resultados crecen sin límite. En cambio, con 100 da aproximadamente 1,0102 y con 1000, 1,0010: al alejarte, se acercan a 1.
La recta es una asíntota vertical: cerca de esa , la altura crece o disminuye sin límite por al menos uno de los lados. La recta es una asíntota horizontal: las alturas se acercan a 1 cuando se aleja hacia un extremo.
También puede acercarse a una recta inclinada. En , restar la recta deja , que se acerca a 0: es una asíntota oblicua. Para buscar , piensa que se acerca a . Por eso busca ; después restar deja la altura que falta, . Usa el mismo extremo en ambos límites; deben ser finitos y .
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden asíntotas verticales, horizontales u oblicuas, o estudiar los extremos de una gráfica.
Distingue lo que buscas: una vertical se estudia cerca de una ; una horizontal u oblicua, cuando se aleja. En una fracción empieza por los ceros de lo de abajo.
Un ejemplo, paso a paso
Halla las asíntotas de .
- Para una posible vertical, resuelve : . Encontrarla no basta; hay que ver qué pasa cerca.
- A la derecha, se hace muy positiva; a la izquierda, muy negativa. Sumar 1 no impide ese crecimiento sin límite. Por eso la vertical es .
- Para una horizontal, estudia cada vez mayor o más negativa. El denominador aumenta en tamaño, así que se acerca a 0.
- La función completa se acerca a . La horizontal es , no .
Lo que obtenemos: Vertical y horizontal en ambos extremos.
Ahora, los símbolos en palabras
- Recta vertical situada en .
- Recta horizontal a altura .
- Recta con pendiente que pasa por altura cuando .
Quédate con esto: Una vertical se busca cerca de un valor de . Una horizontal u oblicua se busca cuando toma valores cada vez mayores o cada vez más negativos.
Ojo con este error: Que haya 0 abajo no asegura una asíntota: puede haber solo un hueco, como en el ejemplo de límites. Una curva sí puede cruzar una asíntota horizontal u oblicua.
Ahora prueba la idea
Con cada vez mayores, los resultados se acercan a 3. ¿Qué recta es asíntota?
Ver la respuesta y el porqué
.
Es una recta horizontal a la altura a la que se acerca la gráfica.
Optimización: encontrar la mejor medida
Con 20 m de cuerda puedes cerrar un rectángulo de 2 por 8 m, con área 16 m², o uno de 5 por 5 m, con área 25 m². El borde mide lo mismo, pero el espacio de dentro cambia. ¿Qué medidas dan la mayor área?
Llama a la base y a la altura. Recorre el borde: , que se abrevia . Queremos calcular la altura cuando elegimos una base. Para dejar el término de a la izquierda, resta en ambos lados: . Queda .
Todavía hay un 2 multiplicando a . Divide ambos lados completos entre 2: , y queda . El área es base por altura: . Reemplaza solo por : . La que queda fuera sigue siendo la base; el paréntesis es la altura.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden el área máxima, el coste mínimo o las medidas que hacen una cantidad lo más grande o pequeña posible.
Separa el dato fijo de la cantidad que quieres hacer mayor o menor. Si te dan un perímetro y piden la mayor área, dibuja la figura y escribe cómo se calcula su borde. Si es un rectángulo, llama a la base y a la altura: suma sus cuatro lados e iguala esa suma al perímetro del enunciado.
Un ejemplo, paso a paso
Un rectángulo tiene perímetro 20 m. ¿Qué medidas le dan mayor área?
- El dato de 20 m corresponde al borde. Llama a la base y a la altura; al recorrer los cuatro lados, . Reúne los lados iguales: .
- Necesitamos calcular a partir de la base elegida. Resta en ambos lados: , que deja . Ahora divide ambos lados completos entre 2: . Así .
- El área es base por altura: . Pon solo donde estaba : . Multiplica la base por cada parte: . Ambas medidas deben ser positivas: y , por lo que .
- Deriva el área: . Busca dónde puede dejar de subir: . Suma a ambos lados y queda ; divide ambos entre 2 y obtienes . Además, es positiva antes de 5 y negativa después. El área sube y luego baja: ahí es máxima.
- Recupera la otra medida usando : con , . El área es m². El borde sigue midiendo m.
Lo que obtenemos: 5 m por 5 m, con área .
Ahora, los símbolos en palabras
- mide la base del rectángulo; , su altura.
- Área obtenida al elegir una base ; la altura correspondiente es .
- Lugar donde el área podría dejar de subir o bajar. Después comprueba el signo a ambos lados.
Quédate con esto: Primero escribe la condición que fija una medida o un recurso. Después escribe el área, coste u otra cantidad que quieres mejorar y usa la condición para dejar una sola variable.
Ojo con este error: No uses el perímetro como función a maximizar si está fijado. La derivada debe corresponder al área, coste u otra cantidad que pregunta el enunciado.
Ahora prueba la idea
Quieres gastar lo mínimo. ¿Debes estudiar una longitud por sí sola o el coste escrito en función de esa longitud?
Ver la respuesta y el porqué
El coste.
El resultado de la función debe ser la cantidad que quieres hacer mínima.
Bolzano: asegurar que hay una raíz
Si una gráfica continua empieza bajo el eje termina sobre él, tiene que cruzarlo. Una raíz es precisamente un punto donde la función vale cero.
Bolzano convierte esa idea en una garantía. Exige continuidad en todo y signos opuestos en y . No calcula la raíz y no demuestra que sea única.
Piensa en esto: Usa lo aprendido sobre continuidad y signos.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden demostrar que una ecuación tiene alguna solución dentro de un intervalo.
Escribe la ecuación como . Comprueba continuidad en el intervalo cerrado y calcula los valores de sus extremos.
Un ejemplo, paso a paso
Demuestra que tiene una solución entre 1 y 2.
- El polinomio es continuo en todo .
- Calcula y . Son signos opuestos.
- Bolzano garantiza algún con . No hemos calculado su valor exacto.
Lo que obtenemos: Existe al menos una raíz entre 1 y 2.
Quédate con esto: Continuidad en el intervalo cerrado y cambio de signo. La garantía es existencia.
Ojo con este error: Una función con salto puede cambiar de signo sin pasar por cero. No omitas la continuidad.
Ahora prueba la idea
¿Basta con que y ?
Ver la respuesta y el porqué
Falta comprobar continuidad en todo .
Las dos alturas no dicen qué ocurre entre ellas; la continuidad impide saltarse el eje.
Rolle: encontrar una pendiente cero
Una curva sin saltos ni esquinas que sale y llega a la misma altura tiene en algún punto interior una tangente horizontal. Su pendiente, la derivada, vale cero.
El teorema de Rolle asegura la existencia de ese punto si se cumplen las tres condiciones. Después puedes localizar los candidatos resolviendo y comprobar que están dentro del intervalo abierto.
Piensa en esto: Relaciona continuidad, derivabilidad y pendientes.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: La función toma el mismo valor en los dos extremos y te piden justificar o encontrar un punto con derivada cero.
Comprueba las tres condiciones: continuidad en , derivabilidad en y .
Un ejemplo, paso a paso
Aplica Rolle a en .
- Es un polinomio: continuo en y derivable en .
- En los extremos y . Coinciden, así que Rolle se aplica.
- La derivada es . Resuelve : suma 2 y divide por 2; .
- El punto 1 está entre 0 y 2. Ahí la pendiente vale cero.
Lo que obtenemos: Rolle se aplica y el punto es .
Quédate con esto: Escribe las tres hipótesis antes de resolver la ecuación de la derivada.
Ojo con este error: Una esquina interior rompe la derivabilidad aunque los extremos coincidan.
Ahora prueba la idea
¿Puedes aplicar Rolle a en ?
Ver la respuesta y el porqué
No: no es derivable en 0.
Los extremos coinciden y la función es continua, pero la esquina incumple la condición de derivabilidad.
Valor medio: comparar dos pendientes
La pendiente media es el cambio vertical dividido por la distancia horizontal. Es la pendiente de la recta que une los dos extremos.
El teorema del valor medio, o de Lagrange, asegura que en algún punto interior la tangente tiene esa misma pendiente. No exige que las alturas de los extremos coincidan. Rolle es el caso en que el cambio vertical es cero.
Piensa en esto: La pendiente media describe todo un tramo; la derivada describe un instante.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden encontrar un punto donde la derivada coincida con el cambio medio, o aplicar el teorema de Lagrange.
Comprueba continuidad en y derivabilidad en . Calcula .
Un ejemplo, paso a paso
Aplica el teorema a en .
- El polinomio es continuo en el intervalo cerrado y derivable en su interior.
- La pendiente media es .
- La derivada es . Igualamos y dividimos ambos lados entre 2: .
- El valor 2 está estrictamente entre 1 y 3.
Lo que obtenemos: En , la pendiente instantánea y la media valen 4.
Quédate con esto: El denominador es la longitud horizontal del tramo; no lo omitas.
Ojo con este error: Usar sin dividir calcula un cambio de altura, no una pendiente.
Ahora prueba la idea
¿Hay que exigir para aplicar Lagrange?
Ver la respuesta y el porqué
No.
Esa igualdad solo hace que la pendiente media valga cero y recupera el caso particular de Rolle.
Demostrar que una raíz existe y que es la única
Decir «existe una raíz» asegura que hay alguna. Decir «es única» asegura que no hay otra. Para concluir que hay exactamente una necesitas justificar las dos afirmaciones.
Bolzano demuestra existencia si la función es continua en el intervalo cerrado y los valores de los extremos tienen signos opuestos. Ese cambio de signo no cuenta las raíces: cambia de signo entre −2 y 2 y tiene tres raíces, −1, 0 y 1.
Para demostrar unicidad puedes comprobar que la función crece estrictamente en todo el intervalo. Una función estrictamente creciente no repite altura, así que no puede valer 0 en dos puntos distintos. Una derivada positiva en todo el interior permite justificar ese crecimiento.
También puedes razonar con Rolle: si hubiera dos raíces , los valores y serían iguales a 0. Con continuidad en y derivabilidad en , Rolle exigiría una pendiente cero entre ellas. Si tu derivada nunca se anula allí, esas dos raíces son imposibles.
Piensa en esto: Combina Bolzano con la derivada o con una consecuencia de Rolle.
Cómo empezar tu ejercicio
Cuándo usar esta idea: Te piden demostrar que una ecuación tiene exactamente una solución en un intervalo.
Escribe la ecuación como . Demuestra primero que hay una raíz y después que no puede haber dos distintas.
Un ejemplo, paso a paso
Demuestra que tiene exactamente una solución en .
- Define . Es un polinomio, por lo que es continuo en todo . Calcula los extremos: y .
- Los signos son opuestos. Por Bolzano hay al menos una raíz en . Todavía no hemos demostrado que sea la única.
- Deriva: . Para , , así que . La función crece estrictamente y no puede alcanzar la altura 0 dos veces.
- Si lo justificas con Rolle, supone que hay dos raíces distintas . El polinomio es continuo en y derivable en , y . Rolle daría algún con .
- Pero implica . Eso contradice la pendiente cero que exigirían las dos raíces. Por tanto hay como máximo una; junto con la existencia, hay exactamente una.
Lo que obtenemos: Existe exactamente una raíz en . La demostración no necesita calcular su valor.
Ahora, los símbolos en palabras
- Ecuación de las raíces: buscamos dónde la función alcanza la altura cero.
- Hipótesis de dos raíces distintas que usamos para buscar una contradicción.
Quédate con esto: Separa las dos pruebas: Bolzano asegura alguna raíz; crecimiento estricto o Rolle descartan una segunda.
Ojo con este error: Que la derivada se anule en algún punto no demuestra que haya varias raíces; simplemente impide usar ese argumento de derivada siempre no nula.
Ahora prueba la idea
¿Basta un cambio de signo y continuidad para afirmar que la raíz es única?
Ver la respuesta y el porqué
No: Bolzano garantiza existencia.
Falta descartar dos raíces distintas, por ejemplo justificando crecimiento estricto en todo el intervalo.