6 Derivadas de funciones
Ejercicio 6.1 Usando la definición de derivada, demostrar que la derivada de la función
Ver Ejercicio 5.9 apartado (g).
Ejercicio 6.2 Demostrar que la función
Si calculamos los límites laterales tenemos
Ejercicio 6.3 Estudiar si es derivable la función
Si calculamos los límites laterales tenemos
Como el límite no existe, no existe la derivada de
Ejercicio 6.4 Estudiar la derivabilidad de
Las funciones de todos los trozos son derivables en todo su dominio, por lo que estudiaremos la derivada por la izquierda y por la derecha en cada uno de los puntos.
Derivabilidad en en
Como
Derivabilidad en en
Como
Derivabilidad en en
Como
Ejercicio 6.5 Estudiar la derivabilidad de las siguientes funciones y hallar la función derivada correspondiente en los puntos donde exista.
.
La función
es un polinomio y por tanto es derivable en todo . Del mismo modo, la función es una función exponencial que también es derivable en todo . Por tanto, faltaría estudiar si existe la derivada en el punto donde cambia la definición de la función, es decir, en . Estudiaremos la derivada por la izquierda y por la derecha en ese punto.Como
la función es derivable en y .Así pues, la función derivada de
esPara estudiar la derivabilidad de
primero vamos a expresar la función como una función a trozos. Para ello necesitamos saber en qué puntos la función es positiva, y en qué puntos es negativa. Si calculamos las raíces de esta función tenemos:Si estudiamos el signo en los intervalos definidos por las raíces, podemos comprobar fácilmente sin más que calcular la función en cualquier punto de los intervalos que
es negativa en el intervalo y positiva en el resto de su dominio. Por tanto, podemos expresar el valor absoluto de la siguiente manera:y entonces, la función original puede expresarse como:
Ahora, si estudiamos la derivabilidad de cada una de estas funciones en los trozos correspondientes, vemos que ambas son polinomios y por tanto son derivables en sus dominios. Faltaría por estudiar la derivabilidad en los puntos donde cambia la definición de la función. Para ello estudiamos la derivada por la izquierda y por la derecha en esos puntos. En el punto
tenemos:Y como ambas derivadas no coinciden la función no es derivable en
. En tenemos:Ambas derivadas no coinciden y tampoco es derivable en
.Así pues, la derivada de
vale:
Ejercicio 6.6 Dada la función
con
Estudiaremos primero la continuidad y luego la derivabilidad.
Las funciones
En el punto
Por tanto, la función será continua en
En el punto
Luego la función será continua en
Por consiguiente, para que la función sea continua en todo su dominio deben cumplirse las dos ecuaciones siguientes:
Con la derivabilidad ocurre lo mismo pues las funciones
En el punto
Luego la función es derivable en
En el punto
Luego, para que la función sea derivable en
Así pues, para que la función sea continua y derivable en todo su dominio deben cumplirse las tres ecuaciones siguientes:
Resolviendo el sistema llegamos a:
Los valores de las constantes que hacen que la función sea continua y derivable en todo su dominio son:
Ejercicio 6.7 Para cada una de las siguientes curvas, hallar las ecuaciones de las rectas tangente y normal en el punto
. .
La ecuación de la recta tangente a la función
, y en se tiene .Por tanto, como
, la ecuación de la recta tangente en es , y la ecuación de la recta normal es .Es este caso, antes de derivar conviene simplificar la función.
, y en
se tiene .Por tanto, como
, la ecuación de la recta tangente en es , y la ecuación de la recta normal es .
Ejercicio 6.8 Dadas las funciones
Para ver si dos rectas son paralelas, basta con ver si tienen la misma pendiente.
Así pues, la pendiente de la recta normal a
Ahora bien, como
Ejercicio 6.9 Demostrar que cualquier función polinómica
Sea el polinomio
que existe para todo
Ejercicio 6.10 Demostrar que cualquier función racional
Como
Ejercicio 6.11 Hallar la expresión de la derivada
. . . .
Como
, las derivadas se van a repetir cíclicamente cada múltiplo de cuatro. Podemos expresar la derivada de orden de la siguiente formaDescomponiendo primero en fracciones simples, se tiene que
Calculamos ahora las sucesivas derivadas.
.
Ejercicio 6.12 Se sabe que la demanda de un producto, en decenas de miles de unidades, depende de su precio según la función
La función que expresa la demanda en función del tiempo es la composición de
En el instante
es decir, la demanda decrecerá
Para predecir la demanda aproximada un més después se puede utilizar la recta tangente a
La predicción de la recta tangente un mes después, es decir para
Ejercicio 6.13 Un balón relleno de aire tiene radio 10 cm cuando se empieza a introducir más aire, de manera que el radio se incrementa con una velocidad de 2 cm/s. ¿Con qué velocidad varía el volumen en ese instante?
Suponiendo que el balón tiene forma esférica, el volumen de aire depende del radio del balón según la función
La velocidad con la que varía el volumen en el instante
Ejercicio 6.14 Una pipeta cilíndrica de radio 5 mm almacena una solución. Si la pipeta empieza a vaciarse a razón de
Como el radio de la pipeta es constante
La velocidad con la que cambia el volumen en el instante
Ejercicio 6.15 Un cilindro de 4 cm de radio (
El volumen de un cilindro depende del radio de la base
En el instante
Así pues
Ejercicio 6.16 La ventas mensuales de bicicletas en una ciudad depende del precio de las bicicletas
Como el precio de las bicicletas y del combustible no son constantes, sino que dependen del tiempo según las funciones
En el instante
Para predecir las ventas el próximo mes, podemos utilizar la aproximación de la recta tangente a
Si queremos predecir las ventas el mes siguiente, la variación del tiempo es
Ejercicio 6.17 Dada la función
Aplicando la regla para la derivada de la función inversa, se tiene
Por otro lado, como
Ejercicio 6.18 Se desea medir la superficie de una célula esférica y para ello se ha medido el radio de una célula de 5
La superficie de una esfera depende del radio según la función
Como
Para la segunda parte del problema, hay que tener en cuenta que si
Como el error relativo en la medición del radio es del 2%, se tiene que
de manera que el error relativo en la medición de la superficie es del 4%.
Ejercicio 6.19 La velocidad de la sangre que fluye por una arteria está dada por la ley de Poiseuille
Si se interpreta
Como el error relativo en la medición del radio es del 5%, se tiene que
de manera que el error relativo en la medición de la velocidad de la sangre es del 10%.
Ejercicio 6.20 En muchos vertebrados existe una relación entre la longitud del cráneo y la longitud de la espina dorsal que puede expresarse mediante la ecuación
La tasa de crecimiento de la espina dorsal es
Para que la
Por otro lado, la relación
y su derivada vale
Como
Por tanto, si
Ejercicio 6.21 La siguiente figura muestra la gráfica de la derivada de una función
A la vista de la gráfica de
Estudio del crecimiento
Observando el signo de
Estudio de los extremos
Los posibles extremos de
- En
decrece a la izquierda y crece a la derecha, luego hay un mínimo relativo. - En
crece a la izquierda y decrece a la derecha, luego hay un máximo relativo. - En
decrece a la izquierda y crece a la derecha, luego hay un mínimo relativo.
Estudio de la concavidad
Para estudiar la concavidad utilizaremos el criterio del signo de la segunda derivada. Para ver el signo de
Estudio de los puntos de inflexión
Los puntos de inflexión son los puntos donde cambia la concavidad de la función, de modo que, según el estudio de la concavidad,
Ejercicio 6.22 Hallar
Calculamos las dos primeras derivadas.
Para que la función tenga un punto de inflexión en
Para que la función tenga un máximo en
Finalmente, para que pase por el punto
Ejercicio 6.23 La cantidad de trigo en una cosecha
¿Para qué nivel de nitrógeno se obtendrá la mayor cosecha de trigo?
Se trata de calcular el valor de
Como no tienen sentido cantidades de nitrógeno negativas, el único punto crítico está en
Como la función es continua en todo
Ejercicio 6.24 La velocidad
Veremos primero si hay algún máximo relativo. Para ello calculamos los puntos críticos de
Para ver si se trata de un máximo relativo, estudiamos el signo de la segunda derivada en el punto crítico.
Como el dominio de la función es
Ejercicio 6.25 Un naufrago se encuentra en una isla situada en un plano con coordenadas
El ferry pasará por todos los puntos
Se trata, por tanto, de calcular el mínimo de la función
Para ver si se trata de un mínimo relativo, estudiamos el signo de la derivada a la izquierda y a la derecha del punto crítico. Tomando, por ejemplo,
Ejercicio 6.26 Un hotel alquila habitaciones por un precio entre 40€ y 100€ diarios. Se ha observado que el número de habitaciones que alquilan depende del precio
Los ingresos vienen dados por la función
Se trata de calcular el máximo absoluto de esta función. Para ello veremos primero si tiene algún máximo relativo. Calculamos los puntos críticos.
Para ver si se trata de un máximo relativo, estudiamos el signo de la segunda derivada en el punto crítico.
Ejercicio 6.27 Existen organismos que se reproducen una sola vez en su vida como por ejemplo los salmones. En este tipo de especies, la velocidad de incremento per cápita
donde
Se trata de calcular el máximo absoluto de la función
Veamos primero si la función tiene algún máximo relativo. Calculamos los puntos críticos.
Para ver si
Ejercicio 6.28 Un lata de refresco cilíndrica contiene
Ejercicio 6.29 La distancia en kilómetros que recorre un coche de alquiler con 1 litro de gasolina depende de la velocidad a la que circule según la función
Como la distancia recorrida a una velocidad
Para determinar el mínimo de la función calculamos los puntos críticos. La derivada vale
y resolviendo la ecuación
Ejercicio 6.30 En un tramo de carretera limitado a una velocidad máxima de
Suponiendo que la función
Como
Ejercicio 6.31 La posición que ocupa un coche que se mueve en línea recta, puede expresarse en función del tiempo según la ecuación
Nota: La aceleración es la tasa de variación instantánea de la velocidad.
La velocidad es la tasa de variación instantánea del espacio con respecto al tiempo, es decir, la primera derivada de
La aceleración es la tasa de variación instantánea de la velocidad con respecto al tiempo, es decir, la segunda derivada de
Ejercicio 6.32 El espacio recorrido por un objeto que se lanza verticalmente hacia arriba, sin tener en cuenta la resistencia del aire, viene dado por la ecuación
- Calcular la velocidad y la aceleración en cualquier instante.
- Si el objeto se lanza inicialmente a 50 km/h, ¿cuál será la altura máxima que alcanzará el objeto? ¿Cuál será su velocidad en ese momento?
- ¿En qué instante volverá a tocar la tierra el objeto? ¿Con qué velocidad?
La velocidad es la tasa se variación instantánea con respecto al tiempo, es decir, la primera derivada de
, que vale, . Y la aceleración es la tasa de variación instantánea de la velocidad con respecto al tiempo, es decir, la segunda derivada de , que vale .Para ver en qué punto el objeto alcanza la altura máxima, estudiamos primero si la función tiene un máximo relativo. Calculamos los puntos críticos, tomando
km/h = m/s.Para ver si se trata de un máximo relativo, estudiamos el signo de la segunda derivada en el punto. Como
la función es cóncava hacia abajo en todo , y en particular en , de manera que tiene un máximo relativo en , que además es único. Como la función es continua en todo , el máximo relativo es también absoluto, y por tanto, la altura máxima que alcanzará el objeto es aproximadamente $e(1.42)= m. En ese instante, la velocidad del objeto será nula ya que se trata de un punto crítico y .Para ver cuándo el objeto vuelve a tocar el suelo basta con resolver la ecuación
Por tanto, el objeto volverá a tocar suelo a los
segundos aproximadamente. En ese instante la velocidad será m/s, que es la misma velocidad con la que se lanzó pero negativa.
Ejercicio 6.33 Una partícula se mueve a lo largo de la curva
donde
- Hallar
en . - Hallar la tangente a la trayectoria en el punto
.
Aplicando la regla de la cadena se tiene que
y en consecuencia,
En el punto
tendremosLa ecuación de la recta tangente a la trayectoria en el punto
correspondiente al instante viene dada por la expresiónComo el punto
se alcanza precisamente en el instante tenemos que la ecuación de la recta tangente a la trayectoria en dicho instante es:es decir,
y simplificando obtenemos:
Ejercicio 6.34 Las coordenadas paramétricas de un punto material lanzado bajo un ángulo respecto al horizonte son
donde
La velocidad horizontal es la derivada del espacio recorrido horizontalmente (componente
Del mismo modo, la velocidad vertical es la derivada del espacio recorrido verticalmente (componente
Para ver en qué instante ambas magnitudes serán iguales, las igualamos y resolvemos la ecuación:
Para que en dicho instante el punto haya recorrido 100 m horizontalmente, debe cumplirse que
Por tanto, el instance en cuestión es
Por último, la ecuación de la recta tangente en dicho instante, para el valor de
Ya hemos visto que
de modo que sólo nos queda calcular el espacio vertical recorrido en dicho instante, que es
Sustituyendo en la ecuación anterior llegamos a la recta tangente:
Ejercicio 6.35 La cantidad de árboles en un ecosistema depende del tiempo según la función
El instante en el que el número de parásitos es
Como en el contexto del problema podemos suponer que el tiempo es positivo, el instante en el que el número de parásitos es
Ejercicio 6.36 Dada la función
Sustituyendo
Así pues, hay que calcular la ecuación de las rectas tangente y normal en el punto
La ecuación de la recta tangente en
que en el punto
Así pues, la ecuación de la recta tangente a la curva implícita en el punto
Por otro lado, la ecuación de la recta normal a la curva implícita en el punto
Ejercicio 6.37 Suponiendo que la temperatura,
Calcular la derivada del volumen con respecto a la temperatura en el momento en el que el volumen es de
m y la temperatura es medio grado centígrado.¿Cuál sería la ecuación de la recta tangente a la gráfica de la función que daría el volumen en función de la temperatura en el mismo punto del apartado anterior? Suponiendo que tanto la temperatura como el volumen son, a su vez, funciones de la presión, qué ecuación ligaría la derivada de la temperatura con respecto a la presión con la derivada del volumen con respecto a la presión.
y m /ºC.Tangente:
. .
Ejercicio 6.38 Un cuerpo se mueve en el plano a través de los puntos de coordenadas
- Calcular su posición cuando
. - Calcular la ecuación de la recta tangente a la gráfica de la función cuando
.
El punto
en el que se encontrará el cuerpo cuando cumple la ecuación del enunciado, de manera que sustituyendo , se tienePor tanto el cuerpo se encontrará en la posición
.Sabemos que la ecuación de la recta tangente a la gráfica de la función en el punto de coordenadas
es:En nuestro caso, no tenemos la expresión explícita de la función
, pero sí que tenemos la expresión de partida que define a como función de de forma implícita. Suponiendo que es función de y derivando implícitamente con respecto a , obtenemos:Y sacando como factor común
y despejando, nos queda:Y en el punto
valePor lo tanto, la ecuación de la recta tangente es:
Ejercicio 6.39 Hallar la ecuación de la recta tangente y normal a la curva
Consideremos
Resolviendo la ecuación obtenemos dos soluciones
Para calcular las ecuaciones de las rectas tangente y normal en estos puntos, necesitamos calcular la derivada
de donde se deduce
que en el punto
y en el punto
Así pues, la ecuación de la recta tangente en el punto
y la ecuación de la recta normal es
mientras que la ecuación de la recta tangente en el punto
y la ecuación de la recta normal es
Por otro lado, para calcular los extremos relativos, primero calculamos los puntos críticos, que son los que anulan la primera derivada:
Pero además deben cumplir la ecuación de la curva implícita,
Así pues, existen dos puntos críticos que son el
En el punto,
que al ser positiva, indica que el punto
En el punto,
que al ser negativa, indica que el punto
Ejercicio 6.40 Dada la curva
- Calcular los posibles extremos relativos de
, considerando como función implícita de . ¿En qué puntos se alcanzan dichos valores? - Analizar si lo puntos anteriores son máximos o mínimos haciendo uso de la derivada segunda.
Derivamos implícitamente la ecuación
Derivando el lado izquierdo tenemos
Los posibles extremos serán los puntos donde se anule la derivada, es decir,
. Sustituyendo en la ecuación anterior tenemosY sustituyendo ahora en la ecuación de la función tenemos
Por tanto, los posibles puntos de extremo serán (1,2) y (-1,-2).
Para ver si los puntos anteriores son efectivamente extremos, calculamos la derivada segunda en dichos puntos.
Para el primer punto tenemos que sustituir
, y , y quedaque al ser negativo indica que el en el punto
hay un máximo relativo.Para el segundo punto tenemos que sustituir
, y , y quedaque al ser positivo indica que el en el punto
hay un mínimo relativo.
Ejercicio 6.41 Dada la función
- Obtener el polinomio de Taylor de tercer grado de
en el punto y usarlo para aproximar dando una cota del error cometido. - Dar una aproximación de
usando un el polinomio de Taylor de quinto grado en el punto , acotando el error cometido.
La fórmula del polinomio de Taylor de tercer grado de
en el punto esNecesitamos calcular, por tanto, hasta la tercera derivada en el punto
.Así pues, sustituyendo en la ecuación del polinomio anterior se llega a
Sustituyendo en
se tiene que .El error cometido en la aproximación es el resto
. Expresando el resto de Taylor en la forma de Lagrange se tieneComo
, se tiene que una cota del error cometido esLa fórmula del polinomio de Maclaurin de quinto grado de
es
Calculando hasta la quinta derivada en
Sustituyendo en
Ejercicio 6.42 Calcular el polinomio de Maclaurin de tercer grado para la función
La fórmula del polinomio de Maclaurin de quinto grado de
Calculamos hasta la tercera derivada de
Así pues, sustituyendo en la fórmula anterior del polinomio se tiene
Ejercicio 6.43 Calcular
Para calcular de forma aproximada
El resto del polinomio de Taylor de orden
Como
se tiene que
que para
Ejercicio 6.44 Obtener polinomio de Maclaurin de grado 3 de las funciones
La formula general para calcular el polinomio de Maclaurin de grado 3 de una función
Consideremos, en primer lugar, la función
Consideremos ahora la función
Finalmente, para calcular ahora el límite que nos piden, podemos sustituir
Ejercicio 6.45 La función
- Calcular el polinomio de Maclaurin de orden 3.
- Utilizando el polinomio anterior, calcular aproximadamente la concentración del fármaco transcurridos 15 minutos.
La fórmula del polinomio de Maclaurin de orden 3 para la función
es:Necesitamos calcular las tres primeras derivadas:
Sustituyendo para
tenemos:Y por último, sustituyendo en la fórmula del polinomio anterior se tiene que
La concentración del fármaco transcurridos 15 minutos (
horas) es aproximadamente