temas de CÁLCULO

SEMS

DIRECTORIO

SUBSECRETARIA DE EDUCACION MEDIA SUPERIORDIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

AGROPECUARIA

CÁLCULO

URSULO GALVÁN, VER.

GUÌA DIDÀCTICA CÀLCULO SAETA

ING. ENRIQUE URIOSTIGUE POPOCASUBDIRECTOR DE ENLACE OPERATIVO DE LA “D.G.E.T.A.”

EN EL ESTADO DE VERACRUZ

ING. VÍCTOR MANUEL ARROYODIRECTOR DEL C.B.T.a. No. 17

M.C. BRICIA EUGENIA LARA BARRIOSSUBDIRECTORA DE PLANEACIÓN Y DESARROLLO

LIC. RAFAEL ÁNGELES LEMUSSUBDIRECTOR ACADÉMICO

M.C. EZEQUIEL MARTINEZ DÍAZSUBDIRECTOR ADMINISTRATIVO

LIC. ANA PAOLA PIÑA Y SHIDAJEFE DEPTO. DE PROGRAMACIÓN Y EVALUACIÓN

ING. SILVESTRE VILLA ELIZONDOJEFE DEPTO. DE PRODUCCIÓN Y EXPERIMENTACIÓN

ING. VALENTÍN MARTINEZ CERVANTESJEFE DEPTO. DE VINCULACIÓN CON EL SECTOR PRODUCTIVO

P.T. GRISELDA SOLIS MONDRAGÓNJEFE DEL DEPTO. DE SERVICIOS ESCOLARES

M.V.Z. GUADALUPE DEL SOCORRO VÁZQUEZ RAMÍREZJEFE DEPTO. DE DESARROLLO ACADÉMICO

ING. ALFONSO SANCHEZ CONTRERASJEFE DEPTO. DEL SISTEMA ABIERTO (S.A.E.T.A.)

L.A.E. JACQUELINE REZA OCAMPOJEFE DEPTO. DE RECURSOS FINANCIEROS

C. AMADA CRIOLLO ACOSTAJEFE DEPTO. RECURSOS HUMANOS

ING. JOAQUÍN ALEMÁN LÓPEZJEFE DEPTO. RECURSOS MATERIALES Y SERVICIOS

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MISIÓN

“Ofrecer un servicio educativo integral de calidad que garantice la formación humana, profesional y productiva de los alumnos, con un enfoque sustentable que atienda las necesidades del sector agropecuario”.

VISIÓN

“Ser una Institución de Educación Media Superior Tecnológica de calidad, certificando sus servicios educativos bajo normas de competencia laboral, consolidándose como un elemento transformador del desarrollo sustentable agropecuario regional”.

DIRECTORIO

Dr. Reyes S. Tamez Guerra3


Secretario de Educación Pública

Dra. Yoloxóchitl Bustamante DíezSubsecretaria de Educación Media Superior

Ing. Ernesto Guajardo MaldonadoDirector General de Educación Tecnológica Agropecuaria

Ing. Agustín Velásquez ServínDirector de Apoyo a la Operación Desconcentrada

Prof. Saúl Arellano ValadezDirector Técnico

Lic. José Carmen Longoria AlanísCoordinador Administrativo

Dr. Rene Arturo Ramos CastilloCoordinador Nacional del Programa

Sistema Abierto de Educación Tecnológica Agropecuaria

En el proceso de elaboración. Diseño captura. Revisión y validación de la antología didáctica de CÁLCULO participaron: Jefes de Departamento, Responsables Estatales del SAETA

Revisión y validación 2004-09-01

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CALCULO

ANTOLOGÍA DIDÁCTICA PARA EL SAETA

2004 SEP/SEIT/DGETA

CALLE JOSE MARIA IBARRAGAN No. 84Col. San José Insurgentes, Delegación Benito Juárez.Código Postal 03900

Ed. Saúl Arellano Valadez, Rene Ramos Castillo

Se autoriza la reproducción del contenido con fines educativos que no impliquen lucro directo o indirecto, siempre y cuando se cite la fuente previa autorización por escrito de la DGETA,

Impreso y hecho en México Printed and made in México

ÍNDICE

CONTENIDO PÁGINA

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UNIDAD 1: CALCULO


Presentación 1

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1. Funciones 7-14Dominio y contradominioTabulacionesGráficasTipos de funciones 15-18Operaciones con funciones 19-24Funciones algebráicasFunciones trascendentesTrigonométricasExponenciales2. Límites 25-41Límites de funcionesLímite de funciones trascendentes3. La función derivada 42-92Interpretación geométrica de la derivadaResolución de problemasRegla de cadenaFormulas de derivaciónComportamiento de la funciónFunciones crecientes y decrecientesMáximos y mínimos relativos de una funciónPuntos de inflexión y sentido de concavidad de la curvaLa integral 93-100DefiniciónIntegración de funcionesBibliografía 101

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INTRODUCCIÓN

El presente trabajo está dirigido a los estudiantes del SAETA que cursan el

BACHILLERATO TECNOLOÓGICO bajo el Enfoque De Estrategias Educativas

Centradas En El Aprendizaje, con la intención de que sirva de guía y material de

trabajo mínimo para cubrir los contenidos programáticos que especifica el programa de

estudios de la asignatura de Cálculo Diferencial; asignatura correspondiente al

componente básico de la estructura del bachillerato tecnológico.

El descubrimiento del Cálculo en un principio apoyó algunos problemas de la

Física, actualmente constituye una herramienta muy útil en los diferentes campos de la

ciencia, permitiendo el estudio de las razones de cambio de muchas cantidades, la

estimación de la distancia y la velocidad de un cuerpo en movimiento, la predicción de

resultados de las reacciones químicas, la explicación del crecimiento del número de

bacterias en cultivos, la descripción del cambio de corriente eléctrica en un circuito, el

estudio de las pérdidas y ganancias de una empresa o el encuentro de las rectas

tangentes a las cónicas; con esto se da a entender que el uso del Cálculo tiene como

límite la creatividad del ser humano para su aplicación.

Con el desarrollo de los contenidos programáticos en el aula, mediante el

proceso enseñanza-aprendizaje, los participantes en dicho proceso deben ir

construyendo los conceptos que permitan comprender las bondades de esta

herramienta, la comprensión de los conceptos analizados y una adecuada aplicación a

diversos problemas de la vida cotidiana. Ello contribuirá a que todos los estudiantes

puedan lograr el objetivo general del curso que es:

Objetivo General: “Los estudiantes integrarán los contenidos de la

matemática antecedente, para resolver problemas que los conduzcan hacia los

conceptos centrales de función, límite, derivada e integral. Que les permitan

construir una imagen de su entorno con mayor coherencia y formalidad,

desarrollarse con solvencia en un entorno social, científico y tecnológico”.

Este OBJETIVO habrá de lograrse con tu valiosa participación porque eres el

principal actor en la realización de las actividades para la estructuración y

reestructuración de los aprendizajes de los contenidos y procedimientos que

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comprende el curso y que están incluidos en este material de apoyo que tienes en tus

manos y habrán de desarrollarse bajo la guía de tu asesor.

En el siguiente esquema podrás identificar los contenidos de este curso, mismos

que están divididos en cuatro grandes temas:

1. Funciones.

2. Limites

3. Función derivada

4. La integral

¡FELICIDADES, TE FALTA MENOS QUE AYER!

¿Cuál es la prisa?

¡Recuerda que lo importante es PRIMERO llegar!

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1. FUNCIONES:

Concepto de constante, variable, relación y función. Observa los engranes A y B. A B Si A y B representan dos engranes donde el radio de A es un tercio Del radio de B, al hacer girar el engrane A las vueltas que queramos ¿Que sucederá con el engrane B?

Si A gira 6 vueltas, ¿Cuántas vueltas gira el engrane B?

Si A Gira 120 vueltas ¿Cuántas vueltas gira B?

¿Qué engrane hemos estado girando?

¿De qué depende la vueltas que gira B?10


En este ejemplo habrás observado que el engrane A ha dado las vueltas que hemos deseado, por lo que se puede considerar como variable independiente (x), como las vueltas que da el engrane B dependen de las vueltas que gire el engrane A, entonces B representa la variable

dependiente (y), entre ellos se establece una relación. Y =

¿A 18 vueltas de “A” le corresponden dos o más número diferentes de vueltas de B? o solo un número único de vueltas?

Analiza la fórmula que nos da el volumen de la esfera: π r3

¿De qué depende el volumen de la esfera?

¿Qué variable se requiere hacer que cambie para que varíe el volumen de la esfera?

¿Cuál es la variable independiente en esta relación?

¿Cuál es la variable dependiente?

Si r = 8 , ¿habrá dos volúmenes o más diferentes?_______o a 8 cm de radio, ¿ solo le corresponde un volumen de la esfera? _____________________

En estos dos ejemplos se observa que hay cierta relación entre variables, además esta relación es especial porque a cada valor de la variable independiente solo le corresponde un valor a la variable dependiente. Si se grafica la primera relación se tiene:

Y =

y = 4(3.14)x3/3

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Con una regla traza líneas verticales que corten las gráficas: ¿Cuántos puntos de la gráfica cortan las líneas verticales?______________________________

A esta clase de relaciones se les llama funciones, de esta forma se puede concluir que una función es una relación entre dos variables tal que no hay dos o mas parejas ordenadas que tengan igual el primer componente.

Estas parejas ordenadas (x,y) los elementos que forman estas parejas integran dos conjuntos de valores que pueden tomar las variables (x) independiente, (y) dependiente.

Los valores que integran el conjunto de valores que toma la variable (x) se le llama dominio de la función

Al conjunto de valores que toma la variable (y) se le llama contra dominio o rango de la función

En la vida diaria es de gran utilidad la idea de pareja ordenada por la relación que se establece entre los elementos; ya sean personas, objetos, números, etc.

¿Cómo se establece esta relación?

Generalmente mediante una asociación de elementos de dos conjuntos, formando parejas ordenadas, estableciéndose dicha ordenación o relación mediante una regla de asignación.

Ejemplo 1: si se tienen dos conjuntos integrados por:A={Zacatecas, Aguascalientes, Monterrey, Cd. Victoria}B= {Zacatecas, Aguascalientes, Nuevo León, Tamaulipas} Una regla de ordenación de estas parejas es:

C= {(x,y) / x es capital de y; x pertenece a A , y pertenece a B }

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Escribe esta relación mediante un conjunto de parejas ordenadas.

C={ }

Ejemplo 2: Si en un cine se relacionan los asientos por el número de fila y el número de asiento.

La expresión: B = {(2,1), (3,2), (2,7), (5,4) } donde (2,1) indica fila 2 asiento 1

(3,2) indica:

(2,7) indica:

(5,4) indica:

¿Qué asientos son de la misma fila?______________________________________________________

Ejemplo 3: En un tu grupo asisten a clases un total de ___alumnos, si estableces una relación entre edad y talla del pie. A = {(18, ) , (19, ), (19, ), (20, ) ……}

Si la relación la establecemos : B = {“número de alumnos que calzan del”}

Las parejas en tu grupo se integran de la siguiente forma:

B = {( , ), ( , ), ( , ), ( , ), ( , )…… }

Analizando los ejemplos se puede concluir que:

Una relación es un conjunto de parejas ordenadas, donde al conjunto de todos los primeros elementos de las parejas se llama dominio de la relación, al conjunto formado por todos los segundos elementos de las parejas ordenadas se le llama rango, codominio o contra dominio de la relación.

También se llama relación en el producto cartesiano de 2 conjuntos A x B , al conjunto de parejas ordenadas, formadas por elementos de A y con elementos de B, en este orden, mediante una fórmula o regla que determina su asociación; así la relación es una selección de parejas del producto cartesiano A x B.

Si U = {1,2,3,4,5,6,7,8,9} el producto de: U x U

¿Cuántas parejas integran este producto?_____________________________________

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Completa la gráfica de este producto:

987 * Como se observa en este producto el dominio y el rango6 son iguales (U)54 *321 * * * * * * * * *

1 2 3 4 5 6 7 8 9 dominio

La siguientes relaciones son subconjuntos del producto cartesiano UxU, en ellas enumera las parejas, identifica: el dominio , el rango y elabora la gráfica o identifica las parejas en la gráfica ya elaborada.R1 = {(x,y) / x = y}= {(1,1)…………………………………………….(9,9)}

R2 = {(x,y) / x < y} = {

R3 = {(x,y) / x > y} = {

R4 = {(x,y) / y = x + 3} = {

R5 = {(x,y) / y = } = {

R6 = {(x,y) / y = x2} = {

R7 = {(x,y) / y = x2 + 1} = {

R8 = {(x,y) / x = 5} = {

Como ya se ha enunciado algunas de estas relaciones cumplen ciertas condiciones; por lo que reciben el nombre de funciones, en estos ejemplos podrás identificar estas funciones si se considera que:

U na función es una relación tal que no hay dos parejas ordenadas que tengan igual el primer componente.

En el conjunto de parejas ordenadas (x,y) ; x , y, reciben el nombre de variables, la primera independiente (x) y la segunda dependiente (y), a los valores que toman se le llama dominio de la variable. Al dominio de x se le llama dominio, al dominio de y se le llama rango de la relación.

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Actividad: De las relaciones anteriores observa el dominio y el rango de cada una de ellas y determina cuáles de ellas son funciones.R1 es ____________________________ R2 es_______________________R3 es________________R4 es ____________________________R5 es _______________________R6 es ________________R7 es ____________________________R8 es ________________________

La regla que nos dice como aparear los elementos de un conjunto con los de otro conjunto para determinada relación se puede establecer de diferentes formas:

1°. La asociación se establece mediante una tabla de valore 2°. Mediante una gráfica 3°. Mediante una ecuación 4°. Mediante un enunciado verbal

Conceptos relacionados con funciones, intervalos, dominio y rango de funciones.

Notación de Función:

Si f es la función que tiene como variable de dominio a “x” y como variable de contradominio “y”, el símbolo f(x) se lee “f de x” , éste representa un valor particular de “y” que corresponde a un valor particular de “x” de este modo se tiene que: y = f(x)= 3x2 + 5x -2, donde x es variable independiente y “y” variable dependiente, si la regla para bobtener y es: (3x2 + 5x -2 )

si x = 2, y =____________

f(x)= 3x2 + 5x -2 = 3(2)2 +5(2) -2 = 3(4) + 10 -2 = 12 +10 – 2 = 22 - 2 = 20f(2) = 20 entonces decimos que la función de 2 es 20.

En ocasiones para distinguir una función de función suele usarse g(x) , h(x), etc.Ejem: f = {(x,y)/ y = } por lo tanto f(x) =

f(1) = f(2) = f(5) =f(-6) = f(3) = f(6) = f(0) = Identifica el dominio de f D = Identifica el rango de f R = Esta relación es función?______________________Elabora su gráfica

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Traza una línea vertical que corte esta gráfica ¿que observas?_________________________

Conclusión: Si una gráfica es cortada por una línea vertical en más de un punto, dicha gráfica corresponde a una relación que no es función.

Al definir una función, su dominio debe de darse:a) En forma implícitab) En forma explícita

Ejemplo: f(x) = 3x2 – 5x +2 x = todo número real F(x) = 3x2 – 5x + 2 1

Aquí podrás observar que para identificar el campo de variación de una variable es necesario saberlo expresar; esta expresión la podemos realizar mediante varias formas, como se refiere a valores específicos que puede tomar una variable en determinada relación, a este conjunto de de valores que puede tomar una variable le llamaremos intervalo. “Conjunto de valores que toma una variable dentro del dominio , comprendido entre dos de ellos llamados extremos”. Existen intervalos:

a) Finitos: los que contienen a los extremos

b) Infinitos: los que no contienen a un extremo o ambos.

c) Cerrados: Son aquellos cuya variable puede tomar el valor de los extremos

d) Abiertos: Son aquellos en que la variable no puede tomar el valor de los extremos.

Existen diversas formas en que se pueden expresar estos intervalos:

Forma gráfica: En la recta numérica se determinan los puntos correspondientes a los extremos del intervalo con un círculo , si es cerrado, el círculo se rellena, si es abierto se deja sin rellenar. O x 0 x a b a b

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Con paréntesis: [a,b] cerrado, (a, b) abierto

Forma constructor : a < x < b, a 0 x 0 = (a , b) = a < x < b a b 0 x = (a , = a < x <

Actividad: Enuncia y dibuja los intervalos según se indica.

Forma gráfica signos de agrupación forma constructor a) -3 < x < 5b) 2c) 0 x 4 10d) x > 5

e) x 0

f) 0 x 0 -2 2 h) [-2 , 2 )i) [ -3, 4]

Variación continua: Una variable varía de una manera continua cuando aumenta desde a hasta b tomando todos los valores del intervalo o disminuye de b hasta a tomando todos los valores del intervalo.

Actividades: Para una mejor comprensión de los conceptos hasta aquí desarrollados y los procesos que se requiere realizar para obtener la función de una cantidad, realiza las siguientes actividades. En caso de tener problemas acude a un compañero o a tu asesor para que te auxilie en el desarrollo del problema.

1) dado f(x) = x3 – 5x2 – 4x + 20 hallar: f(1) = f(5) =

2) Demostrar que f(0) = -2 [f(3)]

3) Si f(x) = 4 – 2x2 + 4x4 f(-2) =

4) Si f(x)= x3 – 5x2 – 4x + 20 f(t+1) =

5) Si f(y) = y2 + 2y +6 f(y+h) =

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6) Si f(x) = 2x2+ 5x – 3 f(h+1) =7) Si g(x) =3x2 – 4 g(x-h) =

8) Si f(x) = f(x+h) – f(x) =

9) Si f(x ) = x3 + 3x f(x+h) + f(x) =

10) Si f(x) = 1/x f(x+h) – f(x) =

11) Si f(x) = 2x2 – 5x – 3 f(x+h) – f(x) =

12) Dado f(x) = 4x demostrar que f(x+1) –f(x) = 3f(x)

13) Si f(y) =y2 – 2y + 6 Demostrar que f(y+h) = y2 – 2y + 6 +2(y-1)h + h2

14) Si tenemos A={1,2,3} y B = {1,2} hallar AxB

15) De A x B tomar R1 = {(x,y)/x<y}

16) de A x B tomar R2 = {(x,y) / x = y}

17) Si A = {2,3,5} y B = {6,9,12,15} hallar: a) C= {(x,y) / x < y} b) D ={(x,y)/x= }

c) Representa A X B gráficamente.

d) de las relaciones anteriores ¿cuáles son funciones?

18) Si h = {(x,y) / y = | x |, x {-2, -1, 0,1,2} representa en forma gráfica (diagrama)

x | x | Dominio : { Rango : { Es función:

19) Si g = {(x,y) / y = x3, x {0,1,2} Realiza los mismos aspectos que en la actividad 18

20) i = {(x,y) / x = | y |, x {0,1,2} Realiza los mismos aspectos que en la actividad 18

/Lo lograste, ¡ que bueno! , ¡Adelante!

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Tipos de funciones:

Las funciones de acuerdo a sus características se pueden clasificar de diferentes formas, entre éstas se tiene:

1) Funciones Algebraicas : Su valor se obtiene con procedimientos algebraicos, éstas funciones se

clasifican en a) Enteras: y = x2 - 3

b) Racionales: y = (Expresa una característica para esta

clasificación)

c) Irracionales: y =

2) Funciones Trascendentes: Su valor se obtiene con procedimiento y con otros que no lo son.

a) Trigonométricas: y = Sen x

b) Trigonométricas inversas: y = arc tan x

c) Logarítmicas y = log x y = ln x

d) Exponenciales: y = ax

Funciones Implícitas. En estas funciones no hay variable despejada, ni se sabe quien es la variable dependiente ni la variable independiente: y2 – 3x +x2 - 8

Funciones Explícitas: En estas funciones existe una variable despejada y están indicadas las operaciones que se requieren realizar para obtener su valor: y = x2 - 3

Funciones de una variable: su valor depende de una variable y = 2x A =3.1415(r2)

Dos o más variables: su valor depende de dos o más variables: A= bh/2 I=crt, A =

Uniformes: Si a cada valor de x le corresponde uno de y: y = 2x + 3

Multiformes: Si a cada valor de x le corresponde más de un valor de “y” y = arc Sen x X= .5 ángulo correspondiente puede ser 30°, 150°

Inversas: Si en una función se tiene que el dominio y el rango de la primera función son el rango

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y el dominio de la segunda función respectivamente, estas funciones son inversas. R1 (a,b) inversa (b,a). Si (a,b) R Constante: Si el rango consiste en un solo número. f(x) = c como y = c la gráfica corresponde a una recta paralela a x’x, situada a “c” unidades del origen.

Polinomial: Cuando está definida por f(x) = a0 xn + a1xn-1+a2xn-2…+an-1x + an , donde n es un número natural y a1, a2, a3 son números reales.

Ejemplo: y = 2x 5 – 3x3 –x2 +7x – 1, el mayor exponente de la variable indica el grado de la función en este caso es de quinto grado

Idéntica: Es una función lineal definida por f(x) = x y = x

En las funciones algebraicas la función constante y la función identidad se relaciona mediante una serie de operaciones (suma, resta, multiplicación, división, potencias y radicación) obteniéndose una nueva función algebraica.

Pares: Si f(x) = -f(x) la gráfica es simétrica respecto al eje y’y la función se dice que es par.

Impar : Si f(-x) = -f(x) la gráfica es simétrica respecto al origen y se dice que es impar.

Existen otras clases de funciones especiales que se definen según su tipo: Función mayor entero: [( x )] = n , n

Función compuesta: Se representa por: f o g , se define (f o g) = f(g(x))El dominio de de f o g es el conjunto de todos los números x en el dominio de g, tales que g(x) se encuentra en el dominio de f(x), si f es una función de x en y y g es una función de y en z, entonces la función compuesta g o f es la función de x a z dada por (g o f)(x) = g(f(x)) para cada x en x . la función composición tiene dominio x y contradominio z.

Un ejemplo puede aclarar estos conceptos Si f(x) = {(0,5), (8,1),(2,9)};

g(x) = {(2,0), (3,8),(4,1),(6,2),(5,6)}

f(g(x)) = { x/x Dg y g(x) Df }, g(f(x)) ={ x/x Df y f(x) Dg }

D= {(2,5 ), (3,1 ), (4, ), (5, ), (6,9 ) , f(g(x) = {(2,5), (3,1), (6,9)}

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Ejemplo 2. f(x) = {(1,7), (5,4), (3,5),(4,6)} g(x) ={(0,-3),(3,5),(4,1)} f(g(x)) = {(0, ), (3, 4 ), (4,7 )}= {(3,4),(4,7)}

Ejemplo 3: Si f(x) = G(x) = 2x -3

F(g(x)) =

Actividades: 1. ¡Atrevete! Clasifica las siguientes funciones según sus características:, observa que una función pude clasificarse de diferentes formas.

a) Y = x3 -2x +1 puede ser algebraica, entera, polinomial, cúbica, explícita, uniforme, de una variable

b) Y = 5x-4

c) Y = 4 senx

d) Y =

e) Y = (x3 -4x2+ 2)6

f) Y = xx

g) Y= a2x-1

h) Y= Tan3 6x

i) X2+ y2= 4

j) Y = 8x-1/2

j) Y2 = 8x

k) Y = x3

2. Actividad: ¡Esto se pone interesante! ahora transforma las siguientes funciones en explícitas, dejando a x como variable independiente.

a) X2= 9y

b) 2xy + 1 = 4x2 + y

c) 3xy-6x + y-2=0d) y2+ 12x = 4x2+ 2y+8

e) x2 -4x +y2 – 6y = 3

3. Graficar las siguientes funciones : Identificando su dominio y su rangoy = 2x + 6 Y = -2x2 + 8x -6

4. Si y = 2x +2 y y =

x -1 0 1 2 3 4 x 0 2 4 6 8 10

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y y ¿Cuál es el dominio de la primera función?, estos valores ¿dónde se encuentran en la segunda función?

¿Qué se puede decir del rango de la primera función respecto al dominio de la segunda funció?

¿Cómo son las funciones?

5. Grafica y = x2 – 1 x = y2 – 1

¿Cómo son las funciones en la gráfica?

6). gráfica -3 si x y = 1 si 1 < x ¿Cuál es el dominio? 4 si 2 < x ¿Cuál es le rango?

7). y = Dominio Rango

¿Es continua la función? ¿En donde es discontinua?

8). x – 1 si x<3 dominio: Rango : y = 2x + 1 si 3 x

9). y = [[x]] , n x = -5, -4, - 3, -2, -1, 0, 1 mayor entero

Graficar e indicar: Dominio: Rango:

10). Diga si la función: y = x2 – 2 es par o impar

11. Diga si la función g(x) = x3 – 2x es par impar

12). f(x) = es par o impar.

¿Tuviste problemas? No te desanimes, corrige los errores cometidos, revisa los conceptos y continúa. ¡animo!

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Operaciones con funciones:

Con las funciones se pueden realizar operaciones obteniendo con ello nuevas funciones como resultado de la operación realizada; éstas se pueden obtener mediante suma, diferencia, producto o cociente. Dadas dos funciones: f(x) y g(x).

Su suma = f+g = (f+g)x = f(x) + g(x)

Su diferencia = f-g = (f – g)x = f(x) – g(x) Su producto = = f.g = (f . g)x = f(x). g(x)

Su cociente = = ( )x =

En todos los casos el dominio de la función resultante son aquellos valores de x comunes a los dominios de f(x) y g(x) a excepción del cociente donde se excluyen los valores para los cuales g(x) = 0

Si f(x) = {(4,3),(5,6),(0,5),(3,2),(8,11)} g(x) = {(5,-4),(0,6),((3,3),(8,9),(7,1)}

(f+g)x = {(5,2), (0, ), }

(f-g)x = {

(f.g)x = {

(f/g)x = {

Ejemplo 2: Si f(x) = x2 g(x) = 4x3 Dominio de f(x) = dominio de g(x) = F+g = (f + g)x = f(x) + g(x) =

f-g = (f – g)x = f(x) . g(x)=

f.g = (f .g)x = f(x) – g(x) =

f/g = (f / g)x = f(x) / g(x)=

Ejemplo 3: f(x) = D = [-2, 2] g(x) = D = (-

f+g = (f + g)x = f(x) + g(x)= f-g = (f – g)x = f(x) – g(x) =

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f.g = (f . g)x = f(x) . g(x) =f/g = (f / g)x = f(x) / g(x) =

Propiedades de las funciones:

: Para conocer el comportamiento de la curva algebraica es necesario recurrir a ciertas propiedades que faciliten su análisis, entre ellas están:

a) Simetría: Si p es el punto de simetría entre p1 y p2, entonces p es el punto medio de p1p2. Si dos puntos son simétricos respecto a una recta entonces esta recta es perpendicular al segmento que los une y es su bisectriz (mediatriz)

b) Simetría con respecto al eje x: Una función es simétrica respecto a x’x si el exponente de y es de multiplicidad par: y2 – x +2 = 0, es de multiplicidad par; y2 –xy + 2 = 0 no es de multiplicidad par.

c) Simetría respecto al eje y’y: Una función presenta simetría con respecto al eje y’y si el exponente de x es de multiplicidad par. Ejemplo: x2y – 2y -3 = 0 (si), Y = (x2 + 2)/ (x+3)(x-1) (no), (x-2)2 +4(y-1)2 = 4 (no)

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d) Simetría con respecto al origen: Una función es simétrica respecto al origen si al sustituir la x por (-x) y la y por (-y) en la expresión original y esta no se altera. X 2 +y2 = 4 si es (-x) 2 + (-y)2 = 4

e) Intersección con el eje x’x: x2 + y2 = 25 Si al despejar y y resolver la ecuación resultante para x se obtienen raíces reales. (hacer y = 0) y = (despejando y en la ecuación anterior)

= 0 si se eleva al cuadrado se tiene: 25 - x 2 = 0, x = , los puntos de intersección con x’x son (5,0) y (-5,0)

25


f) Intersección con y’y: El procedimiento es semejante al anterior haciendo x = 0 y resolviendo para y X2 = 25 – y2 si x = 0 25 –y2 = 0 de donde y = 5 y -5 los puntos de intersección con (05), (0,-5). (Gráfica anterior)

Asíntotas de una curva: Si una curva tiende a la dirección de una recta fija, acercándose a ella de tal forma que la distancia entre un punto variable y la recta llega a ser menor que cualquier número preasignado entonces dicha recta es una asíntota.

g) Asíntotas verticales: La recta x-a = 0 es una asíntota vertical de una curva si x-a es un factor del denominador después que en la ecuación se ha despejado la variable dependiente y se han eliminado los factores comunes. x2y – 4y – x = 0 y ( x2 – 4) = x, y =x/ (x2 -4) de donde x = 2 y – 2, asíntotas verticales de la curva de la curva

26


h) Asíntotas Horizontales: y – b = 0 es una asíntota horizontal si y – b = 0 es un factor del denominador después de despejar x y haber simplificado: xy2 – x – y = 0, x( y2- 1) = y de donde X = y/(y2-1) , si (y2 – 1) = 0 , y = 1, y = - 1 de donde y-1 = 0 , y + 1 = 0 son dos asíntotas horizontales de la curva.

i) Extensión de la curva: Dominio como en los ejemplos la curva presenta una asíntota vertical en x = 2, la curva no pasa por X = 2, su dominio será x . e n este apartado es conveniente manejar el concepto de:

j) Función creciente: Cuando a un aumente de x corresponde un aumento de y o al disminuir x disminuye y en un determinado intervalo

k) Función decreciente: cuando a un aumento de x corresponde una disminución de y o al disminuir x, y aumenta .

l) Observa la gráfica de la primera función:

27


Estas gráficas nos auxilian en la determinación de los intervalos para expresar la extensión de la curva y en donde es creciente o decreciente.

Actividades:

1. De la curva xy+2y-2x+5 construye su gráfica y determina a) simetrías, b) intersección con los ejes, c) asíntotas, d) extensión de la curva.

2. En igual forma que en el problema anterior: xy – x + 3 = 0, x2 + y2 – 4 = 0, xy + 2y - 2x +3 = 0, x2y – 2xy + 2y – x2 + 2x = 0.

28


2. Límites y continuidad de una función.

Con el desarrollo del presente apartado y el desarrollo de las actividades propuestas se pretende que logres en primer lugar: comprender el concepto intuitivo de límite de una función, en segundo término, calcular el límite de diversas funciones, aplicando para ello los procedimientos analizados y comprendidos estos aspectos, el poder determinar la continuidad de una función o su discontinuidad en un intervalo.

Noción intuitiva de límite.

Los temas hasta aquí analizados son parte de lo que se puede llamar precálculo, proporcionan los elementos fundamentales del Cálculo pero no lo es. Para ello es necesario contar con una idea clara del concepto de “límite” idea que distingue al Cálculo de otras ramas de las matemáticas, se puede decir que el Cálculo es el estudio de los límites. La idea que se pretende desarrollar es completamente intuitiva y no una definición del concepto matemático de “Límite”

Al analizar la función: se pude observar que si x = 1 la función es

discontinua; ya que esta expresión para x = 1 presenta una indeterminación: ahora investigar que sucede con la función cuando damos a x valores muy próximos a ( 1) tanto por la izquierda como por la derecha Valores próximos a 1 por la izquierda

X 0 .1 .5 .9 .99 .999 .9999y 1 1.11 1.75 2.71 2.97 2.997 2.9997

Valores próximos a 1 por la derecha. Obtén los valores de “y”

X 2 1.5 1.1 1.01 1.001 1.0001 1.00001y 7

¿A que valor se aproxima x por la izquierda? ¿a qué valor se aproxima y?

¿A qué valor se aproxima x por la derecha? ¿a que valor se aproxima y?

Observa la gráfica de esta función y comprueba tus conclusiones:

29


Lim =

3 x

Actividad: Realiza el mismo proceso con la función:

Ejemplo 2: Qué le sucede a f(x) = x2 +3 cuando x se acerca a 3

Construyamos la tabla:Hacia 3 por la izquierda 3 Hacia 3 por la derecha

x 2.5 2.9 2.99 2.999 3.001 3.01 3.1 3.5F(x)Se aproxima a 12 por la izquierda Se aproxima a 12 por la derecha

Analiza La gráfica:

30


Ejemplo 3: Con una tabla de valores y en forma gráfica analizar el comportamiento de la función:

f(x) = a que valor se aproxima f(x) si x se aproxima a 2?


x 1.5 1.9 1.99 1.999 2.001 2.01 2.1 2.5F(x)Se aproxima a ____ por la izquierda Se aproxima a____ por la

derecha

Analiza la gráfica:

Ejemplo 4: g(x) =


x -.5 -.1 -.01 -.001 0..001 0.01 0.1 0.5F(x)Se aproxima a -1 por la izquierda -1 | 1 Se aproxima a 1 por la derecha

31


¿Notas alguna diferencia respecto a los anteriores ejemplos?

Habrás notado que y se aproxima a dos valores, si por la izquierda x se aproxima a________y se

aproxima a______ si x se aproxima por la derecha a______ y se aproxima a______

Ejemplo 5: f(x) =

Construyamos la tabla:

Hacia 0 por la izquierda 0 Hacia 0 por la derechax -.5 -.1 -.01 -.001 0..001 0.01 0.1 0.5F(x)Se aproxima a por la izquierda ¿ ? Se aproxima a por la derecha

Analiza la gráfica y obtén tus conclusiones

Observando la gráfica fácilmente se puede concluir que: 1° Si x se aproxima a 0 por la izquierda y decrece ilimitadamente. 2°. Si x se aproxima a 0 por la derecha y crece ilimitadamente x = 0 es una asíntota de la curva.

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Estos ejemplos tienen cosas en común y aspectos en los que difieren: Existe un valor de x previamente fijado x = c y se aproximó x a este valor por la izquierda

y por la derecha. En los primeros tres casos a medida que nos acercamos a l, valor dado de x tanto por la

izquierda como por la derecha existió un valor fijo para y = L, entonces se dice f(x) L que se expresa: “el límite de f(x) cuando x tiende a c es igual a L” simbólicamente: Lim f(x) = L x c

En el penúltimo ejemplo aproximándose a x por la izquierda, “y” toma el valor de -1 y acercándose por la derecha “y” se aproxima a 1 por lo que dicho límite no existe.Lim |x|/x no existex 0

En el último ejemplo no existe el límite porque la gráfica crece y decrece acercándose a X = 0 pero no logra tomar el valor de 0.

Límite de una variable: Una variable se aproxima a un límite cuando toma todos los valores sucesivos de tal forma que la diferencia entre la constante y la variable llega a ser tan pequeña como se quiera.

Definición de sucesión: la sucesión que tiende a una valor a. dado un número cualquiera a, podemos formar una sucesión creciente o decreciente que se aproxime a a diremos que la sucesión tiende a “a” .

Ejemplo: 1, 3/2, 5/3, 7/4, 9/5, 11/6, 13/ 7, 15/8, …. , límite de la sucesión es 2

Se dice el límite de la sucesión: es dos

Definición: Sn = {a1, a2, a3…..an…} n donde an es el término general de la sucesión.

Ejemplo: Sn = {22 , 23, 24,….an } el término general de la sucesión es;_________.

Actividad :

hallar el término general de la sucesión.

a) S(n) = {3,4, 6, 8, 10, 12, …..an } an =

b) S(n) = {1,1/2, 1/3, ¼, 1/5, 1/6, … an..} an = _________

c) 0.001, 0.0001, 0.00001, 0.000001 = 0 lim 1/10n = 0 n

33


2. Hallar los primeros 5 términos de la sucesión cuyo término general es:

a) {5- } a1 = a2 = a3 = a4 = a5 = Lim

b) Lim

c) Lim

d) Lim

Conclusión: Una variable x tiende a una constante “a” como límite cuando los valores sucesivos de “x” sean tales que el valor numérico de la diferencia x- a llega a ser menor que cualquier número positivo predeterminado tan pequeño se quiera la relación se abrevia x aLim (1/2)n = 0n

Límite de una función: Frecuentemente es necesario conocer hacia que valor se acerca una función cuando la variable independiente se aproxima a un valor específico, este valor cuando existe, se llama límite de la función.

Lim f(x) = L x a

Las siguientes proposiciones son consideradas como teoremas sobre límites, éstas se aceptan sin una demostración rigurosa.

1. Lim 3. Lim

v 0 v

2. Lim cv = 4. Lim

v v Existen diversas formas para determinar el límite de una función , una de estas formas

consiste en: Sustituir a la variable independiente por diferentes valores próximos a la constante “a”, ya sea por la izquierda o por la derecha y analizar el comportamiento de f(x) cuando x a. ejemplo:

Valores crecientes valores decrecientes

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Lim x + 1 xi yi x yx 3 2 3 4 2.5 3.5 3.5 2.9 3.9 3.1 2.99 3.99 3.01 2.999 3.999 3.001 3 4 3

y = x2 + 4x

Lim x2 +4x x y x y x 2 1 5 3 1.5 2.5 1.9 2.1 1.99 2.01 1.999 2.001 2 2 Otro procedimiento utilizado y más simple que el anterior consiste en hallar f(a) cuando x

a, este procedimiento es válido para ciertas funciones, para otras es necesario realizar algunas operaciones algebraicas, a continuación se describen y desarrollan algunos ejemplos. Estos ejemplos te ayudarán a comprender los siguientes teoremas relacionados con los límites de las funciones.

1. Lim x = a 2. lim c = c x a x a3. Si dos funciones son iguales para todo valor de x, diferente de “a” y una tiene límite cuando x a, la otra tiene el mismo límite cuando x a 4. El límite de la suma de un número finito de funciones cuando x , es igual a la suma de de los límites de estas funciones cuando x aLim u + v –w = lim u + lim v + lim wx a x a x a x a

5. El límite del producto de un número finito de funciones cuando x a es igual al producto de los límites de estas funciones cuando x a Lim U V W =( Lim U ) ( Lim V) (Lim W )X a x a x a x a

6. El límite del cociente de dos o más funciones cuando x a es igual al cociente de los límites de las funciones cuando x a siempre que el límite del denominador no sea cero. Lim u Lim u/v = x a x a Lim v x aConclusión: Para obtener el valor del límite de un polinomio cuando x a se calcula el valor

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de f(a) Ejmplo: 1 Lim 3x 2-5x + 8 =F(-1)= 3(-1)2-5(-1)+8 =3+5+8 = 16 x -1

Actividades. Obtén los siguientes límites1) Lim x2 -1 = 2) Lim 3x2 + 1 = 3) Lim x = x 1 x -1 x 1/3

4) Lim 8 5) Lim x-4 6) Lim pi

x 4 x 3 x 1

7) Lim x-4 8) Lim x + 9 9) Lim 5x x -3 x -4 x 2

10) lim (2x+7)/ (x+1) 11) Lim (x2 + 3) / 4 12) Lim (4x3 -2) / (2x+1) = x 4 x 3 x 2

13)Lim (5x4-6) / (x2+2) 14) Lim (5x2-4x+6) 15) Lim 4x2-8x+5 x 0 x 1 x 1/2

16) Lim x2-ax 17) Lim 7x 2-7ax +4 18) Lim(x4-x3-2x2+1) /(3x2-5x+7)

x a x a x 3

Otros límites:

En páginas anteriores ya se dijo que existen ciertas funciones que requieren de algún procedimiento algebraico para poder determinar su límite; ya que al obtener f(a) presenta alguna indeterminación 0/0

Lim (x2 – 4) / (x2-5x+6) hallando f(2) = como observas se ha obtenido una

x 2 indeterminación ,

Si se considera el principio 3 y con un procedimiento algebraico se transforma la función en otra más simple, analícese si dicho límite existe.

Lim Observa que el numerador y el denominador se

x 2 factorizaron y fueron eliminados los factores comunes

36


Obteniéndose del resultado f(2) y con ello el límite de la función (x+2) / (x-3) cuando x 2 . el límite así obtenido es 4, valor que corresponde al límite de la función inicial ya que estas funciones tienen los mismos límites para otros valores de x diferentes de 2 y según el principio para dos la segunda tiene como límite 4 que será el límite de la función inicial.

Actividad: Aplicando este criterio obtener los siguientes límites:

1) Lim (x2-16) / (x-4) 2) Lim (x 3+27) / (2x+6) 3) Lim (3x2-x-10) / (x2-4) x 4 x -3 x 2

4) Lim (3h3+2h2+3h) / (3h2+2h) 5) Lim (x4-a4) / (x2-a2) 6) Lim (6x2-24x+24) / (3x-6) h 0 x a x 2

7) Lim (x3+8) / (x+2) 8) Lim (x4-x3-2x+1) / (x2-5x+7) 9) Lim [(x+hx)2-x2] / (hx) x -2 x 3 h x 0

10) Lim (x3-27) / (2x-6) 11) Lim (x3-8) / (x-2) 12 Lim ( 4x2+5x) / (3x2+5x) x 3 x 2 x 0

13) Lim (x2+7x+6) / (x2-4x-5) 14) Lim (4t3+3t2+2) / (t3+2t-8) 15) Lim [(2z+3k2)3-4k2z] / 2z(2z-k)2

x -1 t 0 k 0

16) Lim (x2+x+-6) / (x2-4) 17) Lim (s4-a4 ) / (s2-a2) 18) Lim (x-2) / (x2-4) x 2 s a x 2

20) Lim (x2+3x+2) / (x2+4x+3) 21) Lim (x2-4) / x2-5x+6) 22) Lim (3x-2)2 / (x+1)3

x -1 x 2 x 123) Lim (3x-3x) / (3-3x) 24 Lim (27-x3) / (3-x) x 0 x 3

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En el siguiente ejemplo se analiza otro procedimiento algebraico para determinar el límite de una función cuando ésta presenta una indeterminación.

Lim al calcular f(a) se tiene una indeterminación 0 / 0, para eliminar esta

x a indeterminación es necesario racionalizar el numerador. Para ello multiplicar el numerador y denominador de la fracción por una cantidad tal que haga racional el numerador (raíz exacta). En este caso se ha multiplicado por la conjugada del numerador para obtener como producto una diferencia de cuadrados, ello hace racional al numerador y se elimina la inedetrminación

( )

Lim =

x a

Actividades: Determinar los siguientes límites, analiza en primer término que expresión racionaliza el denominador o el denominador, según el caso.

1) Lim 3) Lim

x 1 x 7

2) Lim = 4) Lim 5) Lim

h 0 x 4 x 3

6) Lim 7) Lim 8) Lim

x 9 x 3 x 0

9) Lim 10 Lim 11) Lim

x 2 x 0 x 2

12) Lim 13) Lim

38


x 0 x 7

Limite de funciones cuando x tiende a infinito: En este caso se divide la expresión entre la variable de mayor grado ( exponente ) y se aplica el teorema Lim c/v = 0 v

Lim

x

Actividad: Obtener los siguientes límites aplicando los criterios analizados.


x x x


x x y


x x x

10) Lim 11) Lim 12) Lim 4x2-3x+1

x x x

39


Otros ejemplos de cálculo de límites:

x 0En este ejemplo se observa que para x = 0 se presenta una indeterminación, como el

límite del numerado y del denominador existe para x = 0 , como funciones independientes, para eliminar la indeterminación multiplicamos la fracción por la conjugada del numerador

= .

x 0 x 0

Efectuando la resta, factorizando el denominador, simplificando y obteniendo f(0) se obtiene:

Por lo que el límite de la función es: -1

Ejemplo: Lim Como se observa en esta función al obtener F(0) presenta una

x 0 indeterminación, para eliminar la indeterminación es necesario pensar el cómo esta expresión tenga raíz cúbica exacta, si se relaciona con una diferencia de cubos será necesario multiplicar el numerador y el denominador por

ello origina una diferencia de cubos

Lim = [ )(

=3 al hallar f(0)

Este ejemplo también se puede realizar haciendo (1+x) = y3 --------(1)

Si x 0, y3 1 por lo tanto y 1, despejando a x de la expresión (1) se obtiene x = y3-1

Realizando el cambio de variable en la función inicial

Lim = Lim =

40


x 0 y 1

Aplicar el procedimiento al siguiente ejemplo: Lim

x 0Si se hace y5 = 1+x--------------(1)

Si x 0 , y3 1 y despejando a x en (1) x = y3 -1 y se hace la sustitución de la variable se tiene

Lim =Lim

x 0 y 1

la factorización se ha realizado aplicando el criterio de división sintética y se ha determinado f(1) ala función resultante. Por lo que el límite de la función inicial es: 3/5

Otro ejemplo: Lim esta función da una indeterminación de la forma , si se divide

por

x la variable de mayor exponente se tiene

aplicando la propiedad Lim C/V = 0 si v tiende a infinito.

Ejemplo: Lim esta función presenta una indeterminación de la forma x -

Si se expresa como una fracción donde el denominador sea 1 y se multiplica el numerador y el denominador por la conjugada del numerador, se racionaliza el numerador y dividiendo por la variable de mayor exponente se obtiene:

dividiendo por la variable de mayor exponente (x) el numerador y el

denominador; ya que la función tiende a infinito se obtiene

como límite comprueba estos resultados.

Ejemplo:

41


Lim =

x

Si se le asignan valores a x cada vez más grandes el valor de la función se acerca a un número cuyo valor está entre 2.7 y 2.8 .Compruébalo

n 10 100 1000 100000 1000000 x

Lim e

Este valor es el número e = 2.718281828459045……….número creado por Euler y sirve de base al sistema de logaritmos naturales o científicos, número que corresponde al conjunto de números irracionales y que tiene aplicaciones en los intereses que se paga una cuenta bancaria. Supóngase que un banco paga el 100% anual en una cuenta de inversión, de este modo un peso al año gana un peso, si el interés se revisa cada semestre el banco paga (1+1/2)+(1+1/2)(1/2) =(1+1/2)2, si la revisión se hace cada mes se el banco paga por cada peso (1+1/12)12, si la revisión se hace a diario, un peso ganaría (1+1/365)365 ello conduce al resultado ya enunciado en la tabla si esta revisión se hace cada minuto segundo etc.

Relacionados con este límite se pueden obtener límites de expresiones semejantes a

Lim = e

x

Ejemplo: Lim =

x Para resolver este caso es necesario tratar de convertir la expresión a una expresión semejante a la que arroja como límite el número “e” , utilizando para ello artificios matemáticos que permiten convertir la expresión un una expresión equivalente. Comparando la expresión con la expresión que tiene como límite e, se observa que estas expresiones tienen el primer término igual, por lo que nos concentraremos en cambiar el segundo término del binomio y el exponente. De este modo la fracción se puede simplificar sacando mitad.

42


Lim = Lim = Lim ahora es necesario que el exponente y el

x

denominador de la fracción sean iguales, si el exponente se multiplica por el denominador y su recíproco (1) se tiene:

Lim = Lim = Lim 4/5 =

x

Ejemplo: Lim = efectuando la división se tiene Lim cambiando

dos

x signos de la fracción se tiene y la fracción es

equivalente, dividiendo por (-4) se tiene repitiendo el procedimiento como en el

caso

anterior para el exponente y el denominador

La expresión semejante a e es en donde se tiene aplicando

límites a al

exponente Lim regresando a la expresión se tiene que el

límite de x

= e-4 = por lo tanto el Lim =

x

43


Obtener: Lim = efectúa la división y continúa el proceso., hasta llegar a lim

= e x

Actividad: Comprobar los siguientes límites, anexando al presente los procedimientos utilizados, hacer el trabajo en orden de acuerdo a la numeración que se especifica en la propuesta que se hace.

1. Lim = (4) 2. Lim 3. Lim no

tiene límite x x x

4. Lim 5. Lim 6. Lim

x x x

7. Lim 8. Lim

x h

9. Lim

x

10. Lim 11. Lim = 12) Lim

x x x

13. Lim 14. Lim 15.

Lim

x x x

16. Lim 17. Lim 18.

x x x44


19. Lim 20. Lim 21. Lim

x x x

22. Lim 23. Lim 24. Lim

x h x

25. Lim ( 26. Lim 27. Lim

...2 x x x

28. Lim 29. Lim 30. Lim =.......e-2

x x

31. Lim 32. Lim 33. Lim

x x x

34. Lim e-1 35. Lim 36. Lim

n x x

37. Lim 38. Lim 7/3 39. Lim

x x x

40. Lim 5x2-3x +8 = 41. Lim 42. Lim ……0

x y x

43. Lim ..... 44. Lim 45. Lim

x x x

46. Lim 47. Lim ....- 48. Lim

45


x x x

49. Lim 50. Lim

y x

Continuidad de una función

Se dice que una función es continua para el valor x = a, si existe f(a) y el límite de f(x) cuando x y estos valores son iguales.

Ejemplo: f(x) = x2

f(3) = 32 = 9 como f(3) = Limx2 la función es continua en x = 3 Lim x2 = 9 x

x

f(x) = ¿será continua para x = 6?

f(6) = Lim como f(6) = Lim f(x) la función es continua para x = 6

x x

¿Para que valor esta función es discontinua?_________ comprueba tu respuesta

¿Es continua la función y = para x = 4?_________ comprueba tu respuesta

¿Es continua la función y = para todo número real?_______grafica la función para

comprobar tu respuesta, ¿Existe alguna discontinuidad para algún valor de x?__________

3. LA FUNCIÓN DERIVADA

RAPIDEZ DE VARIACIÓN INSTANTÁNEA

“El verdadero viaje hacia el descubrimiento no consiste en buscar nuevos horizontes sino en tener nuevos ojos” (Marcel Proust”

46


Muchos de los fenómenos de la vida diaria como los de la ciencia y la técnica están relacionados con el cambio de una cosa con respecto a otra.

Ejemplos: la velocidad de un automóvil representa una cambio de posición del automóvil respecto al tiempo (también cambia)

La razón de cambio de la población respecto al tiempo.

La demanda de un producto por la población

La inflación con relación al tiempo.Son ejemplos que nos indican razones de cambio.

¿Cómo se podrá medir esta variación?. Existen algunas formas de medir la variación o el cambio.

Variación absoluta o incremento: Esta variaciones una diferencia entre un valor final y un valor inicial. Supongamos que Raúl abre una cuenta de ahorros en BANAMEX con $ 1000.00, al pasar tres meses va al banco y le informan que cuenta con $1025.00 ¿Cuál es la variación absoluta o incremento?Respuesta: cf = $1025.00, ci= $1000.00 , el incremento del capital es = 1025.00 -1000.00 = 25.00.

47


Cambio relativo: El cambio relativo es un cociente entre el cambio absoluto y el valor inicial

Variación promedio o razón promedio: Si se considera que la variación absoluta fue de =25.00

en un tiempo de tres meses la variación promedio está determinada por: por mes,

el capital de Raúl creció 8.33 pesos por mes.

Variación de una función en un punto: f(x) = , ¿Qué sucede con los valores de f(x) si x

se acerca cada vez más a 1?


x .5 .9 .99 .999 1.001 1.01 1.1 1.5F(x)Se aproxima a ____ por la izquierda

Se aproxima a____ por la derecha

Es fácil observar que cuando x se acerca a 1 los valores de la función se acercan a 2, si se gráfica esta función se nota que hay un hueco en P(1,2) al acecarse x a 1 y irá naturalmente a 2

Razón de cambio: La velocidad es una razón de cambio: v = ya que = = velocidad

promedio, ¿Se podrá obtener con este criterio la velocidad instantánea?,

y

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.51

1.5

2

2.5

48


¿que se requiere para este concepto?

Sin duda alguna este problema lo podrás comprender fácilmente al analizar la caída libre de los cuerpos, recuerda que Galileo descubrió que dos cuerpos de diferente peso difieren menos en su caída en el aire que en el agua, ello lo condujo a determinar que los cuerpos de diferente peso caen a la misma velocidad en el vacío. Y también descubrió el movimiento en caída libre matemáticamente. d = 4.9 t2 si el cuerpo se deja caer.

t 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6d(t)

¿Cómo calcular la velocidad a los 5 segundos?

Retomando el concepto de Variación absoluta o incremento: Un incremento lo obtenemos dando a la variable independiente (x) un valor inicial (a) y después un valor final (b) se llama incremento de la variable independiente a la diferencia b - a

Notación: incremento de x = = b – a por lo tanto b = +a

El incremento puede ser positivo, nulo o negativo. Obtener el valor faltante

Variable valor inicial valor final X 2 3 1X 4 1 __X ___ 6 0X ½ ___ -1/6

Incremento de una función: Sea la función y = f(x) , si x varía de “a” a “b”

f(a) = valor inicial de la función

f(b)= valor final de la función

Incremento de la función = = f(a + ) – f(a).

El incremento de la función como el de la variable independiente puede ser positivo, nulo o negativo.

49


Calcular el incremento de la función y = 5x -3

xi xf y1 yf

2 2.51 -3-4 2

Obtener los incrementos de las siguientes funciones: xi x2

f(x) = 5x-1 4 7

f(x) = 2x2 -1 - 4

f(x) = x 25 16

f(x) = log x 10 1000

Incremento de una función al tender a cero el incremento de la variable independiente

y = 2x +1 xi xf y1 yf

6 6.16 6.016 6.0016 6.0001

“El incremento de una función tiende a ____al tender cero el incremento de la variable independiente”

Nueva definición de función continua: “Una función es continua para cierto valor de x si el incremento de la función tiende acero, al tender a cero el incremento de la variable independiente”

Actividad: Determina el incremento de las siguientes funciones:

y = x2 -4x + 3 x1 = 5 xf = 5.8

y = xi = 0.5 x = 0 . 3

y = 1 – x3 xi = -2 xf = -6

50


y = xi = 0.8 xf = 0.4

y = xi = -3 xf = 3

Concepto de derivada para x = a Hallar el limite de la razón del incremento de la función al incremento de la variable independiente para x = 3 y = x2

Lim

xi xf y1 yf

3 3.13 3.013 3.0013 3.00013 3.00001“La función derivada de una función para un valor de x = a es el límite de la razón del incremento de la función al incremento de la variable independiente, cuando el incremento de la variable independiente tiende a cero, tomando “x” como valor inicial (a)

Hallar el valor de la función derivada de la función: y = 2x + 3 para x = 3

xi xf y1 yf

3 3.13 3.013 3.0013 3.00013 3.00001

Método directo para obtener la función derivada partiendo del concepto o definición de función derivada.

Definición: “Función derivada de una función f(x) es el límite de la razón del incremento de la función al incremento de la variable independiente, cuando el incremento de la variable independiente tiende a cero”

51


Notación: f’(x) = Lim = Lim = Df(x) = Dx y = f’(x) = y’ =

Todas esta son formas de notación de función derivada

FORMA GENERAL DE DERIVACIÓN

Si se observa la expresión Lim , fácilmente se puede

comprender que es Necesario realizar cuatro pasos para obtener la función derivada de una función.

1°. Incrementar la función dada, esto consiste en hallar: f(x+ )

2°. Restar la función inicial, al tener un valor final menos un valor inicial se está obteniendo un incremento de la función: de la fórmula se tiene : f(x+ ) – f(x)

3°. Realizar la división. Incremento de la función entre el incremento de la variable independiente:

4°. Calcular el límite de el cociente resultante cuando el incremento de “x” tiende a cero.

Lim

Aplicación: Observa la aplicación de esta formula en el siguiente ejemplo:

Y = x2 - 2x -3

1° y + y = (x + )2 – 2(x + x) – 3 y+ y = x2 + 2x x + x2 – 2x - 2 x -3

2° y+ y = x2 + 2x x + x2 – 2x - 2 x -3 restar la función inicial

-y - x2 +2x +3

= y = 2x x + x2 - 2 x Dividir este resultado por: x

3° aplicar el límite al cociente obtenido

52


4° Lim = 2x -2. a este límite así obtenido se le llama función derivada de la función

inicial.

Por lo tanto: y’ = 2x – 2 función derivada

Expresión que nos dará las tangentes a cualquier punto de la curva y = x2-2x-3

Actividades: Aplicando el procedimiento desarrollado obtén la función derivada de cada una de las siguientes funciones:

1) y = m x + b 2) s = 2 t – t2 3) y = x4

4) y = 3 x2 + 5 5) u = 4 v2 – 2 v3 6) y = 2 x3- 6 x + 4

7) 8) 9)

10) 11) y = 12)

13) y = 14) y = 2x3 + 3x2 + 2x 15) y =

16) y = 17) y = 18) y =

19) y = 20) y = 21) y =

53


INTERPRETACIÓN GEOMÉTRICA DE LA FUNCIÓN DERIVADA

Conceptos:

Secante: recta que corta a una curva

Tangente:: recta que toca en un punto a una curva

Si se hace que el punto Q se mueva sobre la curva AB acercándose indefinidamente a P, la secante girará sobre P y su posición límite es por definición la tangente a la curva en P.

B S

Q(x+ ,y+

A y T P(x,y) R M x N

Si se considera la función f(x) , representada por la curva AB, primero derivar la función según la regla general e interpretar cada paso geométricamente.

Sea el punto P(x,y) de la curva AB, Q(x+ ,y+ un segundo punto de la curva cercano a P.

Y = f(x) …………………. La curva AB

1°. Y + y = f(x+ x) ……………NQ

2°. –y -f(x) ……………………MP =NR

y = f(x+ x) – f(x) = NQ – NR = RQ

3° pendiente de la secante

Con este paso se observa que la razón de los incrementos y / x es igual a la pendiente de la secante determinada por los punto P y Q

54


4° Considerando el valor de (x) como fijo, luego “P” es un punto fijo de la curva, así mismo x varía tendiendo a cero, evidentemente el punto Q se mueve a lo largo de la curva aproximándose a “P” como posición límite. Por lo tanto la secante girará alrededor de P y tendrá como límite la tangente PT.

= la pendiente de la secante PQ

= la pendiente de la tangente PT

Lim = = = pendiente de la tangente en P

De este modo se establece el siguiente teorema:

Ejemplo: Obtener la pendiente y el ángulo de inclinación de la curva y = x2-2 en el punto cuya abscisa es 1 y en el punto cuya abscisa es -2. y la ecuación de la tangente

Primero: derivar la función por fórmula general. (Derívala)El resultado obtenido es y’ = 2x por lo tanto: tan = 2x

En x = 1 tan = 2(1) = 2 = arc tan 2 = 63° 26’ inclinación

En x = - 1 Tan = 2(-2) = -4 por lo tanto la inclinación de la curva es : =arc tan -4 ==180° - 75°57’ = 104° 3’

observa que en este caso la tangente es negativa por lo que la inclinación del ángulo es mayor de 90°

Como la pendiente de las tangentes son Tan1 = 2 y el P1(1, -1 ) f(1) = (1)2-2= -1

tan2 = -4 y el P2 (-2, 2 ) f (-2) = (-2)2 -2 = 2

Con estos puntos y aplicando la forma punto pendiente de la recta obtener las ecuaciones

y – y1=m(x – x1) observa la gráfica

55

Teorema: El valor de la derivada de una función en cualquier punto de una curva es igual a la pendiente

de la tangente a la curva en ese punto


Actividades:

1) Obtener la pendiente y el ángulo de inclinación de la curva en x = 1

2) Obtener la pendiente y el ángulo de inclinación de la curva y = 3+ 3 x - x3 en x = -1

3) Obtener la pendiente y el ángulo de inclinación de la curva y = x3 – 3 x2 en x = 1

4) Obtener la pendiente y el ángulo de inclinación de la curva y = 2x -1/2 x 2 en x= 3

5) Hallar el punto de la curva y = 5x –x2 en que la inclinación de la tangente es de 45°

6) En la curva y = x3 + x , hallar los puntos en que la tangente es paralela a la recta y = 4x

7) En la curva y = x3+x es paralela a la recta y= 2x -6

“La perpetua carrera de Aquiles y la Tortuga”

“Aquiles, símbolo de rapidez, tiene que alcanzar la tortuga, símbolo de morosidad. Aquiles corre

diez veces más ligero que la tortuga y le da diez metros de ventaja. Aquiles corre esos diez

metros, la tortuga corre 1; Aquiles corre ese metro, la tortuga corre un decímetro, Aquiles corre

ese decímetro, la tortuga corre un centímetro, Aquiles corre ese centímetro, la tortuga corre un

milímetro; Aquiles corre ese milímetro, la tortuga la décima parte de ese milímetro y así

56


indefinidamente, de modo que Aquiles puede correr para siempre sin alcanzarla. Así la paradoja

inmortal” (Zenón) propuesta Jorge Luis Borges

FORMULAS DE DERIVACIÓN

Los procedimientos analizados y desarrollados anteriormente para obtener la función

derivada de una función algebraica ( 4 pasos o por incrementos) son muy laboriosos; pero si

observamos detenidamente los resultados obtenidos podremos generalizar y obtener reglas que

permitan hacer el trabajo más simple y más rápido (efectividad). El objetivo de estas fórmulas es

el de simplificar los cálculos correspondientes:

REGLAS

1) DERIVADA DE UNA CONSTANTE:

Y = C

1° y + = C

2° -y -C

= 0

3° 4° 0= 0 La derivada de una constante con respecto a x es

0

Regla 1:

Y = X

1° Y+ = x +

2° -Y -x

=

57


3° 4° Derivada de la función identidad

La derivada de una variable respecto a ella misma

(x)

es igual a 1

Regla 2:

La derivada del producto de una constante por una variable:

Y = CX

1° y + = c(x + )

y + = cx + c

2° -y - cx =

= c

3°

4° = C La derivada del producto de una constante por una variable es igual a la

constante

Regla 3 si x = v

La derivada de la suma algebraica de un número finito de funciones

Y = u + v +w

1° Y + = u + + v + - w -

2° - y -u -v -w

= + -

58


3°

4° Lim La derivada de la suma de un número finito de funciones

es igual a la suma algebraica de las derivadas de cada una

de las funciones.

Regla 4.

De igual manera que en las deducciones anteriores se puede obtener las siguientes reglasRegla 5: la derivada del producto de 2 funciones es igual al producto de la primera función por la derivada de la segunda función más el producto de la segunda función por la derivada de la primera función.

Regla 5:

Regla 6. La derivada del producto de un número finito de funciones es igual a la suma de los productos obtenidos al multiplicar la derivada de cada una de las funciones por las restantes funciones

Regla 6:

Regla 7: La derivada de una variable elevada a un exponente constante: es igual al producto del exponente por la variable elevada al exponente constante disminuido en 1 y este producto multiplicado por la derivada de la variable.

Regla 7:

Regla 8: La derivada del cociente de dos funciones es igual al cociente del producto del divisor por la derivada del dividendo, menos el producto del dividendo por la derivada del divisor, todo esta diferencia de productos dividida por el cuadrado del divisor.

Regla 8:

Regla 9: La Derivada de una raíz cuadrada es igual al cociente de la derivada del subradical sobre el doble de la raíz (se puede manejar como una cantidad elevada a la un medio, regla 7)

59


Regla 9:

Regla 10: La derivada de una raíz cualquiera es igual al cociente de la derivada del subradical sobre el producto del índice del radical por la raíz del subradical elevado al índice de la raíz menos 1.

Regla 10:

Regla 11: Derivada del cociente de una constante sobre una variable es igual a menos el producto de la constante por la derivada de la variable sobre la variable al cuadrado

Regla 11: (Simplifica la regla 8)

Regla 12: La derivada del cociente de una variable sobre una constante es igual a la derivada de la variable sobre la constante.

Regla 12:

Regla de cadena: siendo y función de u

60


El resumen de estas reglas lo puedes tener y escribirlo en un formulario para su utilización en la derivación de funciones algebraicas (tenerlo a la mano)

Regla 1: Regla 2:

Regla 3 si x = v Regla 4.

Regla 5: Regla 6:

Regla 7: Regla 8:

Regla 9: Regla 10:

Regla 11: Regla 12:

Regla de cadena: siendo y función de u

Con los siguientes ejemplos analiza como se aplican estas fórmulas y con ello poder determinar las derivadas de las funciones que se proponen.

Ejemplo 1) Y = 5 1

Ejemplo 2) y = x 2

Ejemplo 3 y = 3x -3 4 3 1

61


= 3 – 0 = 3

Ejemplo 4) y = 5x3

3 7 2

(1) = 15x2

Ejemplo 5): y = 3x2 – 5x +2 esta expresión se puede identificar como una suma algebraica por lo que aplicando la regla 4 se tiene:

identifica qué indica cada expresión y selecciona

la regla correspondiente: (reglas 3, 1, 7,2) 3 3 2 1

=3

7 2

= 3(2x)2-1 ( = 6x -5 y’ = 6x – 5 función derivada

Ejemplo 6) : y =

4 3 3 3

=

7 2 7 2 7 2

=3(-

y’ =

Ejemplo 7) y = ax5 + 5bx3

62


y’ = 5ax4 + 15bx2

Ejemplo 8) y =

, analiza y determina qué fórmulas se han

aplicado

y’ =

Resuelve en forma conjunta con el grupoejemplo 9)

Ejemplo 10)

y’ =

Ejemplo 11)

Y = y’ =

Ejemplo 11)

Y = (2x+1)-1 (x+3)-2 y’ =

Ejemplo 12)

63


Y = (x3+2)2 (x2 + 1)-2 y’ =

Ejemplo 13)

Y =

Indicando la derivación con regla 8 por ser un cociente de dos funciones:

Como las derivaciones que se piden son potencias se aplicará la regla 7

simplificando

expresando las cantidades con exponente

positivo

factorizando en el numerador

esta expresión aún se puede simplificar y quedar como: 2(6x+1)(x+1)4(x-1)6 , mismo resultado que se obtiene al simplificar el resultado propuesto (analiza por qué se llegó a este resultado y no al propuesto)

Ejemplo 14) y =

Observa que la derivada pedida comprende una raíz cuadrada se aplica la regla 9

64


Ejemplo 15) Y = y’ =

Como observas la derivada pedida implica una raíz cuadrada utilizar regla 9.

=

Ejemplo 16:

Y =

y’ =

Ejemplo 17: y= (3+4x-x2)1/2

65


y’ =

Regla de cadena: Si y es una función de u y a su vez u es una función de x la derivada de y con respecto a x se puede calcular por medio de la siguiente regla: (llamada regla de cadena)

Ejemplo 1: derivar la función:

si u = esta expresión se puede derivar sustituyendo la u por , sin embargo se

puede derivar aplicando la regla de cadena, analiza como obtener :

obteniendo la derivada de u con respecto a x se tiene

aplicando la regla de cadena:

Sustituyendo a U por su valor se tiene: =

Ejemplo 2: y = u =

derivando a u u’ = aplicando regla

y’ = sustituyendo a u y’ =

Actividad. I Deriva las siguientes funciones aplicando las reglas de derivación de funciones algebraicas.

1) y = x5- 4x3 + 2x – 3

2) Y =

3) y = ax2+ bx + c

4) y =

5) y =

6) Y =

7) y = x2

66


8) y =

9) y =

10) y =

11) y =

12) y =

13) y = (

14) y =

15)

16) y =

17) y =

18) y =

19) y =

20) y =

21) y =

22) y =

23) y =

24) y = x4(a-2x3)2

25)

26) y = (a+x)

27) y = (2x+1)(3x+2)

28) y = 29) y =

30) y = 31) y = u6 u = 1+2

32) y = u =

33) y = u =

34) y = u =

35) 15x = 15y+ 5y2 +3y3 36) x =

37) y2 = 2px 38) x2 + y2 = r2

67


39) b2 x2 + a2 y2 = a2b2 40) x3 – 3axy + y2 = 0

41) x3 + 3 x2y + y2 = r2 42) x + 2

43) y = 7x-5

44) y = 4x2+4x+1

45) Y = - x +2

46) y = x4 – 5 + x-3 +4x-4

47) t = )

48) y = (4x2 + 3)6

50) y = 8- 3x

51) y = x3 – 3x2 + 5x – 2

52) y = x7 – 2x5 + 5x3 – 7x

53) u(r) =

54) f(x) =

55) g(x) = (2 x2 +5) (4x-1)

56) g(y) = (7 – 3 y3)2

57) g(x) =

58) g(x) = 1 -2x – x2

59) Y = 3 x4 – 5 x2 + 1

60) f(t) =

II) hallar la derivada pedida (pendiente) de las siguientes curvas en cada uno de los puntos pedidos

1) x2 + xy +2 y2 = 28 (2,3) 2) x3 -3xy2 +y3 = 1 (2,-1)

3) (2,3) 4) x2 – 2 (8,2)

DERIVADAS DE FUNCIONES IMPLICITAS

Dentro de la clasificación que se hace de las funciones, éstas se clasifican en implícitas y explícitas; las explícitas son las funciones en las que se indican las operaciones a realizar con la variable independiente para obtener el valor de la variable dependiente ejemplo: y = 3x – 5, y = x2 – 9.

Implícitas, son las funciones que no indican cual es la variable independiente ni la dependiente, ni las operaciones a realizar para obtener el valor de la variable dependiente, no hay variable despejada. Ejemplo: x2 – 2xy – 4 = 0, y - = 0, todas estas son ecuaciones no

68


resueltas para “y”; en este caso cualquier incógnita puede ser la variable dependiente, generalmente se considera a “y”

Método de derivación:1° Si se puede despejar “y”, se realiza el despeje y la derivación se realiza como en el caso anterior.2° Cuando es difícil despejar a “y” se deriva la ecuación término a término, considerando a “y” como función de x (variable dependiente), su derivada será y’ y no 1, como la derivada de x.3° Los términos que contienen a y’ se llevan al miembro de la izquierda de la igualdad y los que no la contienen al miembro de la derecha.4° Se factoriza el miembro de la izquierda tomando a y’ como factor común5° Los términos que contenían y’ pasan como denominador a la derecha y los que no la contenía quedan como numerador.

69


Ejemplo: derivar x2 + xy + y2 = 12

2x +x 2x + xy’ + y + 2yy’ = 0

xy’ + 2yy’ = -2x – y

y’(x +2y) = - 2x – y

Ejemplo 2) x2- 3xy + 2y2 = 16 2x – 3xy’ + 3y +4yy’ = 0

-3xy’ +4yy’ = -2x – 3y

y’(-3x +4y) = -2x – 3y

y’ =

Actividad: Derivar las siguientes funciones implícitas:

1) x2 – 3xy + 2y2 = 16

2) xy + 5 = 0

3) x2 +xy + 2y2 = 28

4) x3+ xy +y3 = c3

5) x3 + xy – y2 = 5

6) x3 + 3x2y + y3 = c3

7) x2+ 8) x2 + 2

9) x3 – 3x2y + y3 = 7

10)

11) x+

12) x2 – 2 = 52

DERIVADAS DE FUNCIONES TRASCENDENTES.

70


Ya se ha dicho que las funciones trascendentes son aquellas cuyo valor no se puede obtener con simples operaciones algebraicas, por lo que es necesario utilizar otros procedimientos para determinar su valor.

Las funciones trascendentes se clasifican en:

1) Trigonométricas a) Directas

b) Inversas 2) Exponenciales:

3) Logarítmicas.

Actividad: Investiga sus características y ejemplos de cada una de ellas.

Análisis de algunas de estas funciones:

Logaritmos: Existen dos tipos de logaritmos de uso común; aunque pueden existir diversos sistemas, se habla principalmente de los logaritmos decimales o de Brigs cuya base es el número 10; los logaritmos naturales cuya base es el número “e”

Este número es uno de los más importantes que existen y es conocido como el límite de la

sucesión x crece indefinidamente o bien como el límite de la sucesión

e= con esta serie se puede calcular el número

e con tantos decimales como se quiera; de cualquier forma este número es irracional (no repite periodos decimales)

Definición de Logaritmo: El logaritmo de un número N es el exponente x al que hay que elevar una base (b) para obtener dicho número N. Se expresa logb N = x de donde resulta que bx = N

71


Notación: log = logaritmo de base 10

Loge = ln = logaritmo natural

Loga = logaritmo de base cualquiera.

Considerando la definición anterior expresa las siguientes cantidades en forma logarítmica:10x = 1000 log 1000 = x x = _______

10 y = 25 log ____ = __ y = _______

10 x = 245 log _____ = x x = _______Las propiedades de los logaritmos son iguales a las propiedades de los exponentes:

Log xy = log x + log y

Log x/y = log x –log y

Log xn = n log x

Relación entre logaritmos decimales y naturales:

Se sabe que: ex = N y que loge N = x

Si en ex = N se toman logaritmos decimales se tiene que:

X log e = log N entonces como x = logaritmo de base e entonces:

Loge N =

ln N =

Observa algunas de las gráficas de funciones logarítmicas para identificar algunos límites según la tendencia de la variable

Y = log x

72


x

y

-4 -2 0 2 4 6 8 10

-2

0

2

4

y = loge X

x

y

-4 -2 0 2 4 6 8 10

-2

0

2

4

las funciones exponenciales son aquellas cuya variable va como exponente ejemplo y =ax

y = 3x

x

y

-8 -6 -4 -2 0 2 4 60

2

4

6

De la gráfica de estas funciones se puede deducir que son continuas en todo su dominio, de manera que si c pertenece al dominio de la función correspondiente, entonces se tiene:

73


y = ex recuerda que hay muy poca diferencia entre e y 3 de ahí que sus gráficas se parezcan

x

y

-8 -6 -4 -2 0 2 4 60

2

4

6

lim ex = ec

x

FUNCIONES TRIGONOMETRICAS

Derivar: y = Sen x

1. incrementando la función -y = Sen(x + ) – Sen x 2. restando la función inicial

y = Sen(x+ x) –Sen x 3. Diferencia del seno de 2 ángulos Sen A- Sen B

Sen(A-B) = Sen A. Cos B – Cos A . Sen B Para transformar esta diferencia de dos ángulos En producto se usa:

Sen(A-B) = 2Cos

y = 2Cos[ Sen [ ]

= 2 Cos[x +

3. Como dividir por x equivale a multiplicar por.

74


= Cos [x +

4. aplicando límites

Lim Cos [x+ ]Lim = Cos x .1 si Y = Sen x y’ = Cos x, si y = Sen v y’ = Cos v

x x

Ejemplo: y = Sen (3x – 1)

y’ = 3 Cos (3x-1)

Ejemplo 2: y = Sen x2 por lo tanto y’ = 2x Cos x2

Ejemplo 3: y = Sen2 x esto es equivalente a y = (Sen x)2 d

Y’ = Sen 2x por ser: Sen2x Cos x = Sen 2x ángulo doble

A continuación se anexan algunas identidades trigonométricas que te permitirán hacer algunas transformaciones.

Razones trigonométricas:

sen = AB/OB=A'B'/OB' B'

B

O A A'

75


cos = OA/OB=OA'/OB'tg = AB/OA = A'B'/OA'cotg = OA/AB = OA'/A'B'sec = OB/OA = OB'/OA'cosec = OB/AB = OB'/A'B'

Relación entre las razones trigonométricas :tg = sen/cos cotg = cos/sen = 1/tgsec = 1/cos cosec = 1/sensen2 + cos2 = 1 tg2 + 1 = sec2 cotg2 + 1 = cosec2

Signo de las razones trigonométricas :

Reducción al primer cuadrante :sen(180-x)=senx sen(90+x)=cosxcos(180-x)=-cosx cos(90+x)=-sen x

sen(180+x)=-senx sen(270-x)=-cosx cos(180+x)=-cosx cos(270-x)=-sen x

sen(360-x)=-senx sen(270+x)=-cosx cos(360-x)=cosx cos(270+x)=sen x

sen(90-x)=cosx sen(-x)=-senxcos(90-x)=sen x cos(-x)=cos x

Razones trigonométricas de adición :sen(x+y) = sen x cos y + sen y cos xsen(x-y) = sen x cos y – sen y cos xcos(x + y) = cos x cos y – sen x sen ycos(x - y) = cos x cos y + sen x sen y

Fórmulas del ángulo doble :sen2x = 2senxcosxcos2x = cos2x - sen2xFórmulas del ángulo mitad :

sen

+ +

- -

cos

- +

- +

76


Transformación de sumas en productos :

Tª del seno : =2r

Tª del coseno : a2 = b2 + c2 - 2·b·c·cosA

Fórmulas de Briggs y Herón : (siendo a+b+c=2p)

IDENTIDADES TRIGONOMETRICASIdentidades Recíprocas : Sen A = 1 / Csc A o Sen A . Csc A = 1

Tan A = 1 / Cot A o Tan A . Cot A = 1

Cos A = 1 / Sec A o Cos A . Sec A = 1

IDENTIDADES POR COCIENTE:

Tan A = Sen A / Cos A

Cot A = Cos A / Sen A

77


IDENTIDADES PITAGORICASSen 2 A + Cos 2 A = 1Tan2 A + 1 = Sec 2 A

Cot 2 A + 1 = Csc 2 A

Al analizar estos conceptos y ejemplos detenidamente, teniendo de base las gráficas, las reglas de transformación de identidades trigonométricas y las propias identidades, se puede comprender las reglas de derivación de las funciones trascendentes que son:

FORMULAS DE DERIVACIÓN DE FUNCIONES TRASCENDENTES

FUNCIÓN EXPRESIÓNLOGARITMICAS

13.

13.La derivada del logaritmo natural de una función es igual a la derivada de la función por la función (o la derivada de la función multiplicada por su recíproco)

14. 14. Dado que log v = log e. In v según

donde log e es constante = log base

10 de e

EXPONENCIALES

15. 15. la derivada de una constante elevada a un exponente variable es igual al producto del logaritmo natural de la constante por la constante elevada al exponente variable y por la derivada del exponente variable

16. 16. la derivada de una variable elevada a un exponente variable es igual al producto del logaritmo natural de la constante por la constante elevada al exponente variable y por la derivada del exponente

17. 17. La derivada de una función con un exponente variable es igual a la suma de los resultados que se obtienen de derivar en primer lugar uv considerando a v como constante , y después

TRIGONOMÉTRICAS DIRECTAS

18. 18 la derivada del seno natural de una variable es igual al producto del coseno de la variable por la derivada de la variable

19. 19. la derivada del coseno de una variable es igual a menos el seno de la variable por la derivada de la variable

78


20. 20. La derivada del la tangente de una variable es igual al producto del cuadrado de la secante de la variable por la derivada de la variable

21. 21. La derivada del la cotangente de una función es igual a al producto negativo del cuadrado de la cosecante de la función por la derivada de la función

22. 22. La derivada de la secante de una función es igual a la secante de la función por la tangente de la misma por la derivada de la función

23. La derivada de la cosecante de una función es igual al producto negativo de la cosecante de la función por la cotangente de la misma por la derivada de la función

24. La derivada de la función de seno verso es igual al seno de la función por la derivada de la función

TRIGONOMÉTRICAS INVERSAS

25.

La derivada del arco seno de una variable es igual a la derivada de la variable entre la raíz cuadrada de la diferencia de 1 menos la variable al cuadrado

26.

27.

28.

29.

30.

79


31.

Con estas fórmulas podrás obtener la función derivada de funciones trascendentes. Estas fórmulas se aplican en forma conjunta con las primeras fórmulas para las funciones algebraicas:Ejemplo 1

Y = Sen (3x – 1) y’= d

Ejemplo 2.

Y = (1-tanx)2 y’ =

Ejemplo 3.

Y = Sec(3x2-2)

Ejemplo 4: y = Sen ax2

y’ = 2ax Cos ax2

Ejemplo 5: y = Cos2 5x y =(Cos 5x)2

d

y’= -10(Cos 5x)(Sen5x)

Ejemplo 6: S = tan 3t

d y’ = 3 Sec23t

Ejemplo 7: u = 2Cot v/2

80


y’ = - Csc2

deriva las siguientes funciones:

1) y = Sen2 2) y = 3) y = Sec 5x 4) Q = a Csc bt

5) y = 6) S= 7) Q = 8) Y =

9) y = x Cos x 10) f(t) = Tan t – t 11) y = 2 Tan3 3x 12) y = Cot

Funciones Trigonométricas Inversas:

Ejemplo 1: Y = Arc Tan ax2

d

Ejemplo 2: y = Arc Sen (3x-4x3)

actividades: Deriva las siguientes funciones:

1) y = ang Sen 3x 2) y = ang Sen 3) y = arc Sen 3x2

4) y = Arc Sen 5) y = Arc Cot 6) y = Arc Cot

7) y = x2 ang cot x 8) Ang Sec 9) Arc Csc

81


10) y = Arc Sec2 x2 11) y = Arc Tan 12) y = Arc Cos

Funciones logarítmicas:

Ejemplo 1: y = ln (1+x)

Ejemplo 2. y = ln Sen 3x

y = log(3x2-5)

Actividades: Derivar las siguientes funciones:

1) Y = loge(4x2-1) 2) y = log 3x 3) y = Log(5x2 + 10x)

4) y = log 2x – log (- + x2) 5) y = log 2/x 6) y = log

7) y = log( ) 8) y = ln (x+3)2 9) y = ln (x3+2)(x2+3)

Funciones exponenciales:

Ejemplo 1 Y = e3x

Ejemplo 2: y = acosx

82


Actividad: Considerando los ejemplos realizados, deriva las siguientes funciones, procura tener tus formularios a la mano y trabajar en equipo.

a) Sen 3x + Cos 2xb) y = Tan x2

c) y = Tan2 xd) y = cot ( 1 -2x2)e) y = 2 Sen 2xf) y = Tan 5xg) y = ¼ Cot 8xh) y = 9 Sec x/3 i) y = ¼ Csc 4xj) y = Sen x – x Cos x + x2 + 4x + 3k)

l)

m) y = Sen2(3x-2)n) y = Sen3 (2x-3)

o)

p)q)r) y = x2 Sen x

s)

t) y = (3- Sen x)5

u) s = 2 t Sen t –(t2-2)Cos t

v)

w) y = Cos (ax+b)

x)

y) y = 2 Cos x Sen 2x – Sen x Cos 2x

z)

aa) y =

bb)

cc) y = arc Csc x

dd) y = Arc Sen (Cos x)ee) y = Arc Cos (Sen x)

ff) y =

gg) y = x Arc Sen x

hh)

ii) y =

jj) y = Arc Sen (3x-1)

kk) y =

ll) y = Arc Sec

mm) y =Arc Cos

nn) y = Arc Sec

oo) y = Arc Csc(Sec x)pp) y = Arc Cot qq) y = Arc Tan rr) y = Arc Senss) y = x2 Arc Cos 2x

tt) y = Arc Tan

uu) y = Arc Csc

vv) y = Arc Tan

ww) y =

xx) Y =

yy)

zz) y = Arc Cos x2

1) y = loga (3x2 – 5) =

83


2) y = ln(x+3)2 = 3) y = In2 (x+3)4) y = ln(x3+2)(x2 +3)5) y = e-1/2 x

6)

7) y = =

8) y = x2 3x =

9) y = ln(3x2 + 5x +1) =

10) y = ln((x2 -4x +4) =

11) Y= ln tan x

12) Y = x ln x –x

13) Y = e5x =

14) Y =

15) y = eSen 2x

16) y =

17) y = x2 ex =

18) y = e-x Cos x

19) y = Arc Sen ex =

20) y = =

21) y = ln(4x-5)

22) y = ln

23) y = ln 3x5

24) y = ln(x2 +x -1 )3 =

25) y = ln(Sec x + Tan x)

26) y = ln(lnTan x)

27) Y =

28) Y = In Sen x

29) Y = ln(

30) Y = e-x ln x =

31) Y = log (x2- 2x) =

32) Y = ln

33) Y =

34) Y = ln(x +

35) Y = ln Sen x +1/2 Cos2 x =

36) Y = ln(

37) Y =

38) Y =

39) Y = x2 +2x =

40) Y = =

41) Y =

42) y = x[Sen(lnx)- Cos(lnx)] =

43) y = x ln(4+x2) +4 Arc Tan

44) y = eSen x =

45) y = (3x +1) e-3x =

46) y =

47)

48) y = x Arc Sec x -

49) y =

50) y = ln 3x3 + ln3 x

51) y = ln 3x +ln

52) y =

53) y = a ln xn

84


Derivadas sucesivas o de orden superior.

La derivada de una función de x, en general es también una función de f(x), cuando esta nueva función es también derivable con respecto a x, en este caso a esta derivada se le llama segunda derivada de la función primitiva, a la derivada de la segunda derivada se le llama tercera derivada de la función primitiva y así sucesivamente hasta la enésima derivada. A este tipo de derivación se les llama derivadas de orden superior o derivadas sucesivas.

Notación:

Y’, Y’’ , y’’’. yIV ,yV

Ejemplo 1: obtener yIV de la función y = 3x4

por lo tanto yIV= 72

Ejemplo 2. Obtener la segunda derivada de y = x8 +5x4 + 25

primera derivada

y’’= 56x6 + 60x2 derivada pedida

Obtener la segunda derivada de las siguientes funciones:

1) y= 3x4 – 2x3 + 6x y’’ =

2) s= s’’=

3) y = y’’ =

4) y = y’’ =

5) u = u’ =

6) y = y” =

7) y = (1-x)3 y” =

8) y = y” =

9) y = Sen (3x-1) y” =

10) Y = Cos35x y”

11) y = Sex 4x y”

12) Y = y”

85


13) y = x Sen x y” =14) y = ln(x2+a) y” =

15) Y = ln Sen 3x y” =

Derivadas sucesivas de funciones implícitas

Las derivadas sucesivas de funciones implícitas se pueden calcular mediante dos procedimientos.

Primer método:

Derivar implícitamente la función primitiva para obtener la primera derivada, derivar la función obtenida y donde aparezca y’ se sustituye el valor de y’ ya obtenido.

Ejemplo : obtener y’’ de la función xy + x – 2y – 1= 0

y’(x-2) = -y-1

= por lo tanto y” =

2° procedimiento: Este procedimiento es empleado para hallar la derivada en un punto y de este punto se dan sus coordenadas

Se deriva implícitamente la ecuación hasta que aparezca la derivada que se quiere obtener.

Como para este procedimiento se dan las coordenadas de un punto, estas coordenadas son sustituidas en la primera derivación, obteniéndose el valor de y’.

Con este valor y las coordenadas del punto se sustituyen en la segunda derivación para obtener y” y así hasta la derivada pedida:

Ejemplo: Obtener y” de la ecuación x2y + 3y – 4 = 0 en el punto (1,1)

86


en la primera derivación: x2y’ +2xy +3y’ se sustituyen las coordenadas del punto(1,1)

(1)2 y’ +2(1)(1)+3y’ sustituyendo con las coordenadas del punto y realizando4y’ = -2

con este valor se sustituye en la segunda derivada y con las coordenadas del punto

(1,1) se determina el valor de y”

(1)2 y” + 2(1)(- sustituyendo por lo valores especificados

4y” +(-1) +(-1) + 2 realizando y despejando y”

4y” = -2 +2 = 0

y” = 0

Ejemplo 2: Hallar y’ , y” en el punto (1.-1) de la ecuación x2- xy + y3 = 3

primera derivada

= 2- xy”-y’ – y’ +3y2y”+6yy’y’ = 0 segunda derivada

d(x)

Sustituyendo con (-1,1) en primera derivada 2(-1) – (-1)y’-1 + 3(1)2y’ de donde 4 y’ = 3

Y’ =

Sustituyendo en la segunda derivada con (-1,1) y’ =

2-(-1)y” –( ) – ( ) + 3(1)2y” + 6(1)( )( ) = 0

87


2+y” - +3y” + = 0 4y” = y” =

Actividades:

1) Hallar y’ y y’’ de la ecuación x3y + xy3 = 2 en el punto (1,1)

2) xy + x - 2y - 1 = 0 y’ =

3) x+ xy +y = 2 y’’ =4) x3 – 3xy + y3 = y” =

5) y” =

6) hallar la segunda derivada de x4 – xy + y4 = 1 en P(0,1)

7) de: x2+5xy+y2-2x+y-6=0 , hallar y” en (1,1)

8) x2 + y2 = a2 hallar y” en el punto (1,1)

9) Si la función es: x2 – y2 – x = 1 y el punto (2,1) comprobar que: Y’ = 3/2 y” = -5/4 y’’’= 45/8

10) Si la función es x3 + 3x2y – 6xy2 + 2y3 = 0 y el punto es (1.1), comprobar que:

Y’ = 1 y” = 0 y’’’ = 0

88


ANALISIS DE FUNCIONES

Para una mejor comprensión de los conceptos que se van a analizar y que son motivo de aprendizaje, se va iniciar este análisis partiendo de la gráfica de una función para ver su comportamiento. Para ello es necesario retomar algunos conceptos vistos en las propiedades de las funciones (pags: 25,26,27) recuerda:

Cuando una función tiene simetría respecto y’y x’x (0,0)Intersección con: x’x Y’yAsíntotas: verticales HorizontalesExtensión de la curva: dominio Rango

En este espacio analizaremos otros conceptos relacionados con las funciones:

Actividad: graficar la función: y =

X -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5y

Compara la gráfica que elaboraste con la gráfica siguiente y corrige los posibles errores que hayas cometido.

89


Conceptos:

Valores críticos: Son aquellos valores donde la dirección de la curva es paralela a x’x , esto es la tangente a la curva es horizontal por lo tanto su pendiente, m = 0Función creciente: Una función es creciente cuando a un incremento de x le corresponde un incremento de y, teniendo su primera derivada positiva en ese punto o intervalo. Y’ = +

Función decreciente: Una función es decreciente en un intervalo cuando a un incremento de x corresponde un decremento y, por lo tanto su primera derivada es negativa, porque se ha de

recordar que la función derivada es y’ = -

Identifica estos conceptos e intervalos en la gráfica

creciente decreciente creciente Estos conceptos e intervalos se pueden determinar fácilmente, aplicando la primera

derivada de la función, para ello es necesario:

1° Derivar la función.

2° Igualar acero la primera derivada. (y’ = 0)

3° resolver la ecuación resultante para determinar para que valor de x, y’ = 0 (recuerda que en este punto m = 0 , por lo tanto la tangente es horizontal)a los valores de x determinados en este paso se les llama valores críticos.

4° Determinados los valores críticos se determinan los intervalos en que se divide el eje x’x

5° Se analiza cada intervalo dando a x en y’ un valor un poco menor y luego un poco mayor que cada valor crítico para determinar si y’ es positiva (creciente9 o si es negativa (decreciente). Analicemos la función .

90


x2 – 2x = 0 x(x-2) = 0 factorizando como este producto es cero x1 = 0 x -2 = 0 x2 = 2Los valores críticos de esta función son 0 y 2.

0 2 x x x Como observas la recta queda dividida en 3 intervalos que son los siguientes.

se lee x mayor que el infinito negativo y x menor que cero

0< x < 2 x mayor que cero y x menor que 2

2 < x < x mayor que dos y x menor que el infinito positivo.Si y’ = x( x-2) = 0x( x-2) = 0 dando en esta expresión valores un poco menores que el valor crítico 0 (-1)

-1(-1-2) = -1(-3) = 3 como observas y’ es positiva antes del valor crítico 0 la función es creciente

dando a x un valor mayor que 0 y menor que 2 se tiene un valor del segundo intervalo. (1)

1(1-2) = 1(-1) = -1, y’ resulta negativa la función es decreciente en ese intervalo

dando a x un valor del tercer intervalo (3) se tiene

3(3-2) = 3(1) = 3 como observas y’ es positiva por lo tanto la función es creciente: especificado en los intervalos:

la función es creciente 0< x < 2 la función es decreciente

2 < x < la función es creciente

Actividad:

1. Obtener los valores críticos e intervalos donde la curva y = x3 – 6x2 + 9x es creciente o decreciente

2. y = 2x3- 9x2 + 12x – 3

3. y = x3 + x2 - 5x -5

4. 2x3 - 3x2 – 12x

5. y = x2-6x + 3

91


6. 2t3+9t2-13

7. y = 3x5 - 25x3 + 60x + 1

8. s =

MÁXIMOS Y MÍNIMOS RELATIVOS DE UNA FUNCIÓN

En Cálculo Diferencial una curva es una línea formada por una sucesión de puntos de tangencia. Un punto es un máximo cuando la Tangente en ese punto es horizontal, m = 0 y este punto se encuentra en una cresta y es un mínimo cuando la tangente es horizontal m = 0 y el punto está en un valle:

cresta *

* Valle

Un valor crítico es un máximo de una función si es el mayor valor de los que le anteceden y de los que le siguen.

Un valor crítico es un valor mínimo cuando es el menor valor de los valores que le anteceden y de los valores que le siguen.

Nota: Estos valores no necesariamente serán el mayor valor o el menor de la función, por eso se llaman valores máximos o mínimos relativos de una función.

Criterios para determinar puntos máximos o mínimos de una función.

1°) F(x) tiene un punto máximo si f’(x) = 0 y f’ (x) cambia de signo de + a -, esto es la curva pasa de creciente a decreciente.2° ) f(x) es un mínimo cuando f’ (x) = 0 y f’ (x) cambia de signo de – a + , esto es la curva pasa de decreciente a creciente.

92


Se analizarán dos procedimientos para determinar máximos o mínimos relativos de una función:

1° . Método de primera derivada:

1. Se halla la primera derivada de la función2. Se determinan los valores críticos, igualando a cero la primera derivada y resolviendo la

ecuación resultante.3. Se analizan los valores críticos de la función para determinar como es la función en un

punto anterior al valor crítico y un punto posterior próximos a este valor crítico.4. Si f’ (x) pasa de + a – (creciente a decreciente) el valor crítico corresponde a un punto

máximo. Si f’ (x) pasa de – a + (decreciente a creciente) el valor crítico corresponde a un punto mínimo.

5. Se calcula f(x) dando a x cada valor crítico analizado, determinando con ello los puntos máximos o mínimos existentes.

6. Si no hay cambio de signo, no hay punto máximo o mínimo en ese valor crítico.

Ejemplo 1) Determinar los puntos máximos o mínimos relativos de la función y = x3 – 6x2 + 9x

1. y’ = 3x2 – 6x + 9

2. y’ = 0 3x2 – 6x + 9 = 0 dividiendo por 3

x2- 2x + 3 = 0 factorizando

(x - 3 ) (x - 1 ) = 0 de donde se tiene que

x - 3 = 0 x – 1 = 0

3. x1 = 3 x2 = 1 valores críticos donde puede estar un máximo o un mínimo

valor crítico: x = 1 análisis

4. haciendo x = 0 en (x – 3) (x – 1) = 0 ( 0 – 3) ( 0 – 1) = (-3) (-1) = + 3 x = 2 (2 - 3) (2 – 1) = (-1) (1) = - 1 la curva pasa de creciente a decreciente en x = 1 existe un punto máximo valor crítico: x = 3 análisis

Haciendo x = 2 en (x- 3) (x – 1) = 0

x = 2 (2 - 3) (2 – 1) = (-1) (1) = - 1

93


la curva pasa de decreciente a creciente x = 4 (4 - 3) (4 – 1) = (1) (3) = 3 en x = 3 existe un punto mínimo

5. Si y = x3 – 6x2 + 9x f(1) = (1)3 – 6(1)2 + 9 = 1 – 6 + 9 = 4 por lo tanto P. Max (1,4)

Si y = x3 – 6x2 + 9x f(3) = (3)3 – 6(3)2 + 9 = 27-54 +27 = 0 por lo tanto P. Min (3,0) Comprueba estos resultados en la siguiente gráfica:

x

y

-4 -2 0 2 4 6 8 100

2

4

y = x3 – 6x2 + 9x

Actividad: Obtener los puntos máximos o mínimos de las siguientes funciones por criterio de primera derivada:

1) y = x3 + 3x2 – 2 2) y = 3) y = x3- 6x2 + 9x – 8

4) y = 3x2 + 2 5) y = x2 – 8x + 1 6) y = x3 – 6x2 + 16

7) y = 8) y = 1 + 7x -2x2 9) y = 2x3 – 3x2 – 36x

10) y = x4 + 4x2 – 4 11) y = 3x2 – 8 12) y = x5 – 5x4

94


CRITERIO DE SEGUNDA DERIVADA PARA LA OBTENCIÓN DE MÁXIMOS O MINIMOS RELATIVOS DE UNA FUNCIÓN

Sentido de Concavidad de una Curva:

Si P(x,y) describe una curva, la pendiente de la tangente en “P” varía. Cuando la tangente queda debajo de la curva, el arco es cóncavo hacia arriba. Si la tangente queda arriba de la curva, el arco es cóncavo hacia abajo. (convexo)

*Q tangentes *Q * B * A

tangentes

arco AQ cóncavo arco QB convexo

Observa que en un arco cóncavo la tangente varía de negativa a positiva cuando el punto a describe el arco AQ. Por lo tanto la segunda derivada es positiva

En un arco convexo la tangente disminuye de valore positivos a valores negativos cuando Q describe el arco QB. Por lo tanto la segunda derivada es negativa

Punto de inflexión es el que separa arcos que tienen su concavidad en sentidos opuestos o donde la curva cambia su sentido de concavidad.

Cuando un punto que describe una curva pasa por un punto de inflexión la segunda derivada cambia de positiva a negativa o de negativa a positiva. En un punto de inflexión f”(x) = 0(Observa que en un punto de inflexión sucede con la segunda derivada lo mismo que sucede con la primera derivada con los puntos máximos o mínimos)

Ejemplo: Obtener el sentido de concavidad de la curva y = 3x4 – 4x3 + 1 y determinar los puntos de inflexión si los hay.1° Obtener primera y segunda derivada:

primera derivada y’ = 12x3 – 12x2

la segunda derivada y’’ = 36x2 – 24x

95


2° Igualar a cero la segunda derivada y resolver ecuación resultante 36x2 – 24x = 0 factorizando se tiene 12x(3x – 2) = 0 como este producto es cero los factores son.12x = 0 3x – 2 = 0 de donde

x1 = 0 3x = 2 x2 = valores de x donde puede estar un punto de inflexión.

3. Determinar intervalos de sentido de concavidad de la curva.

* *

0

Intervalos Cóncava

0< x < Convexa

< x < cóncava

X= -1 en 12x(3x – 2) = 0 12(-1) [3(-1) – 2] = -12(-5) = + 60 la curva es cóncava

x = 12(1/3) [3(1/3) – 2] = 4(1-2) = 4(-1) = - 4 la curva es convexa

x = 1 12(1)[3(1) – 2] = 12(3-2) = 12(1) = +12 la curva es cóncava

Este análisis indica que si hay puntos de inflexión en x = 0 y en x =

4. Para determinar los puntos de inflexión se calcula f(0) y f( )

f(0) =3(0)4 – 4(0)3 + 1 = 1 un punto de inflexión es P(0,1)

f( ) = 3( )4 – 4( )3 + 1 = 3( el punto de inflexión es

P( , ) punto de inflexión

96


Comprueba estos resultados en la gráfica siguiente:

y = 3x4 – 4x3 + 1

Obtención de puntos máximos o mínimos por criterio de segunda derivada:

1° Se determina la primera y segunda derivada ( paso ya realizado)

2° Se determinan los valores críticos (f’(x) = 0)

3° Se sustituye x en f”(x) = + en ese punto hay un mínimo la curva es cóncava si f”(x) = - en ese punto hay un máximo, la curva es convexa.4° Se determina el valor de y calculando f(valores críticos)

5° Si la segunda derivada es 0 nada se puede decir y se recurre al criterio de la primera derivada.

Aplicando este criterio en la función analizada y = 3x4 – 4x3 + 1

primera derivada y’ = 12x3 – 12x2

la segunda derivada y’’ = 36x2 – 24x

x

y

-6 -4 -2 0 2 4 6 80

2

4

6

97


valores críticos: 12x3 – 12x2 = 0 dividiendo por 12 se tiene

x3-x2 = 0 factorizando x2(x – 1) 0 de donde x1 = 0 x-1= 0 x2 = 1 0 y 1 valores críticos

f”(0) = 36(0)3 – 24(0) = 0 nada se puede decir o en 0 no hay punto máx ni min f”(1) = 36(1)3 – 24(1)2= 36-24 = 12 la curva es cóncava por lo tanto en x = 1 hay un punto min.

F(1) = 3(1)4 – 4(1)3 + 1 = 3 - 4 + 1= 0 por lo tanto el punto P(1,0) es el punto mínimo

Actividades:

1) Hallar el sentido de concavidad de la curva (y -2)3 = x-4 , los puntos de inflexión y determinar si tiene puntos máximos o mínimos. (observa su gráfica y opera)

2. Obtener los puntos máximos o mínimos por criterio de segunda derivada.

a) y = x2 b) y = 5 – 2x – x2 c) y = x3

d) y = x4 e) y = 2x3 -3x2 – 36x + 25 f) y = 2x3 – 3x2 – 12x + 2

g) 2x3 – 3x2 – 36x h) y = 1+7x+-2x2 i)

j) y = x4 – 4x3 + 4x2 -4 k) y = 3x2 – 8

2) Diga por el signo de la segunda derivada si la curva es cóncava o convexa en el valor de x propuesto

a) y = 2x2 – x + 1 x = 2 x = -3

98


b) y = Sen x x = 45° x = 225°

c) y = 2x3 – 3x2 -12x + 2 X = 1, x = 0, x = 3

d) y = x3 – 9x2 + 24x -7 x = 2, x = 3, x = 4

y = x = - 1, x = 1 , x = 0

3) Calcular los puntos de inflexión de las curvas.

a) Y =2x3 – 6x + 5 b) y = 3x4 – 4x3 -6x2 +4 c) y = 5x- x5

d) y = x3 – 9x2 + 24x -7 e) y = 2x3 – 9x2 +12x – 4 f) Y =

4) de la función y = 2x3-3x2-12x+2 obtener: a) valores críticos, b) Intervalos donde la curva es creciente o decreciente, c) Sentido de concavidad de la curva, d) Puntos de inflexión, e) Puntos máximos o mínimos, f) Gráfica.

APLICACIONES DE LA DERIVADA:

En los temas anteriores se ha recorrido el camino que condujo al descubrimiento de la función derivada de una función, considerándose a esta función derivada como una fórmula que permite determinar la tangente en cualquier punto de la curva; en este camino se han analizado funciones, se han obtenido diversos límites, se han incrementado funciones; dichas funciones se han derivado de forma general y mediante fórmulas, finalmente se ha hecho el análisis del comportamiento de la curva y su extensión.

En este espacio se analizarán algunas situaciones donde tienen aplicación los conceptos hasta aquí construidos; si estos conceptos logramos aplicarlos en situaciones de la vida real, veremos que los procedimientos realizados tienen una función aplicativa y por lo tanto estos conceptos tendrán más significado para nuestra vida. Tendrán aplicación, por lo tanto serán funcionales.

Problema: Se requiere cercar un terreno de forma rectangular, contando para ello con 2400 m de alambre, si uno de los lados está limitado por la rivera de un río y en él no se coloca cerca; ¿Cuáles son las dimensiones del terreno que se puede circular para que el área cercada sea máxima?

1° Se recomienda elaborar un esquema del problema: Realízalo en este espacio.

99


2° ¿Cómo designaste los lados?

3°. Si el área se representa con A, A =

4° ¿Cómo observas el área ha quedado expresada con dos variables. Trata de expresarla en relación a una variable para ello analizar la otra condición del problema. Perímetro = p P = x + 2y entonces x + 2y = 2400 m (alambre con que se cuenta) expresión en la que se requiere despejar y, por lo tanto y =

5° Sustituye este valor en la expresión para obtener el área A =

6° Deriva la función y obtén puntos máximos y mínimos relativos7° Sustituye estos valores en la ecuación y podrías determinar las dimensiones y el área del terreno x = 1200 m y = 600 m A = 72000 m2

1. Con el cartoncillo que se te entrega (12 cm por lado) construye una caja sin tapa de tal manera que el volumen que le quepa sea máximo:

Esquema ¿Cuánto vas a doblar? ¿Qué recortarás? ¿Cómo representas lo doblado (altura)? ¿Cómo representas el lado de la base? ¿Cómo obtienes el volumen de una caja de estas características?, representa el volumen y obtén las dimensiones de la caja

2. Se requiere construir una lata para envasar un litro de aceite para motores, ¿Cuáles serán las dimensiones de la lata cilíndrica para que el costo de construcción sea mínimo?

Esquema Área del cilindro = 2 círculos + área lateral h = altura Area = 2π r2 + 2 π r h volumen = 1000cm3

volumen = π r2 h = 1000 cm3

Como observas en la expresión del volumen existen dos variables despeja h en el volumen y sustitúyela en el área y determina valor mínimo para r (derivar el área respecto a r). r = 5.42 =

πSustituye este valor en la ecuación del volumen y determina la altura h = (5.1)

3. Si se lanza una pelota hacia arriba con una velocidad inicial de 128m/ seg, Hallar :

100


a) Ecuación del movimientob) Velocidad a los dos segundosc) Aceleración a los tres segundosd) Altura máxima alcanzadae) Tiempo en que tocará el suelo nuevamente después del lanzamiento.

4. El peso en gramos de un tumor maligno en un momento t es: w(t) = .2 t2 -.09 t donde t se mide en semanas, cual es el índice de crecimiento del tumor cuando t = 10 semana

5. Una ciudad es golpeada por una epidemia de gripe, las estimaciones oficiales son que según el número de personas enfermas de gripe t días después del comienzo de la epidemia está dada por p(t) = 120 t2- 2 t3 siendo 0 , ¿Cuál es el índice de difusión de la enfermedad en el momento t = 10 , t = 0, t = 40

6. calcular el volumen de una caja de base cuadrada y capacidad máxima que se puede construir con una lámina cuadrada de 2 m por lado.

7. Desde el suelo se lanza una pelota hacia arriba con una velocidad inicial de 40m/seg , calcular la altura máxima alcanzada

8. Hallar las dimensiones de un rectángulo de 72 m de perímetro, cuya área sea máxima

9. Hallar dos números cuya su suma sea 2 y su producto sea máximo

10. Hallar dos números que su suma sea 20 y y la suma de sus recíprocos sea máxima.

11. la ley del movimiento rectilíneo viene dada por la ecuación s = t3 -6 t2 + 9 t + 4

12. a) Hallar s y a cuando v = 0c) Hallar s y v cuando a = 0

13. Un barco B se halla a 75 millas al este de otro barco A, Si B navega hacia el oeste a una velocidad de 12 nudos y A hacia el sur a una velocidad de 9 nudos ¿a qué velocidad se estarán acercando o alejando los barcos al cabo de 2 horas

14. Un granjero tiene 200 mts de alambre con el que se desea cercar tres lados de un corral de forma rectangular, una pared grande ya existe formando el cuarto lado, ¿Cuáles serán las dimensiones del terreno para que el área sea máxima?

15. Un rectángulo con lados paralelos a los ejes coordenados tiene un vértice en el origen, uno en el eje positivo “y” y su cuarto vértice en el primer cuadrante sobre la recta con ecuación 2x + y = 100, ¿Cuál es el área máxima posible de dicho rectángulo?

16. Determine el área máxima posible de un rectángulo de 200 mts. De perímetro

101


4. Nociones de Cálculo Integral.

Concepto de Integración:

En matemáticas es sabido que existen operaciones inversas como:La suma y la restaLa multiplicación y la división La potenciación y la radicación.

La operación inversa de la diferenciación es la antidiferenciación o integraciónFunción primitiva;

Si F(x) = x2 f’(x) = 2x, la función primitiva de 2x es x2

Si y = Sen x y’ = Cos x la función primitiva de Cos x es Sen x

Si F(x) = 4x3 + x2 + 5 y f’(x) = 12x2 + 2x , entonces 4x3 + x2 + ( ) es la función primitiva de 12x2 + 2x. Observa que la constante no se puede determinar de esto se puede obtener la conclusión:

“Una función f(x) (derivada) tiene una infinidad de funciones primitivas que difieren solo en la constante”

F1(x) = 4x3 + x2 + 8 F2(x) = 4x3 + x2 -12 son funciones primitivas de f(x) = 12x2 + 2x F3(x) = 4x3 + x2 +5 Integral Indefinida:

Al conjunto de todas las funciones primitivas de una función f(x) se le llama integral indefinida de f(x) dx.

Para representar la integral indefinida se utiliza el signo inicial de la palabra suma.

Para representar la integral indefinida de f(x) dx se escribe : f(x) d(x):

Si F(x) es la función primitiva de f(x) se tiene que: f(x) d(x) = F(x) + C, a la función f(x) se le llama integrando y al constante C se le llama constante de integración.

2x d(x) = x2 + C

integrando constante de integración.

Integración indefinida:A la operación de hallar integrales indefinidas se le llama integración indefinida;

operación inversa a la diferenciación o derivación.De esto se deduce: 1° . La derivada de una integral es el integrando

102


D 3x2 d(x) = 3x2 la integral de 3x2 d(x) es x3 + C y la derivada de x3 + C = 3x2.2°. La integral de la diferencial de una función es igual a la función mas una constante.

d(Sen x) = Sen x + C porque Cos x d(x) = Sen x + C

Prueba de integración indefinida: Para comprobar si una integración indefinida está bien hecha se halla la derivada del

resultado.

Actividades: Obtener dos funciones primitivas de:

a) 4x3

b) 7x2 d(x) c) 1/xd) Sec2x d (x)e) ex

3. Si una función primitiva de 5x4 d(x) es x5 + 3, la integral indefinida de 5x4 d(x) es: _________

4. Simplificar las siguientes expresiones:D Cos x d(x) = D (4x2+x)dx=

D = d(tan x) =

d(ax) = d(ang Sen x) =

Determinación de la constante de integración:

Si x2 + C representa una familia de parábolas y a cada valor de C le corresponde una de estas curvas y sabiendo que la curva pasa por (2,1) se tiene que y = x 2 + C entonces 1 = 22 + C de donde C = -3 . y = x2 -3Si pasa por R(3,11) 11 = 32 + C 11 – 9 = C C = 2 y = x2 +2

Integración de una función positiva:

Casos sencillos de integración: a. El integrando es la diferencial de una potencia de exponente constante de la

variable independiente x.d(y)= 3x2 d(x) diferencial

y = 3x2 d(x) = procediendo a la inversa de la diferenciación, multiplicar por (x) y dividir este nuevo producto por el nuevo exponente y entre d(x)

103


y = + C generalizando este procedimiento se tiene:

(m+1)xm d(x) = ya sea m entero, fraccionario, positivo o negativo

a excepción en que m = -1 pues aplicando la regla: x-1d(x) = (-1+1) lo que

es inexacto.

x-1d(x) =

b. El integrando es la diferencial de una potencia de exponente constante . de función de x

Si y = un u = f(x) d(y) = n un-1 d(u) y = n un-1d(u) =

c. la integral de una suma algebraica de diferenciales es igual a la suma algebraica de las integrales de las diferenciales:

[d(u) +d(v) –d(x)] = d(u) + d(v) - d(x)

d. factor constante de la integral o del integrando: Todo factor constante del integrando puede ponerse como factor de la integral o viceversa .

Integración de una función positiva:

Casos sencillos de integración: e. El integrando es la diferencial de una potencia de exponente constante de la






es inexacto.

x-1d(x) =

f. El integrando es la diferencial de una potencia de exponente constante . de función de x


104


g. la integral de una suma algebraica de diferenciales es igual a la suma algebraica de las integrales de las diferenciales:

[d(u) +d(v) –d(x)] = d(u) + d(v) - d(x)

h. factor constante de la integral o del integrando: Todo factor constante del integrando puede ponerse como factor de la integral o viceversa .

C d(u) = C d(u)

1) d[c d(u)]= c[d d(u)] = C d(u) la diferencial de una integral es el integrando o

2) d Cd(u) = Cd(u)

C d(u) = C d(u)


2) d Integración de una función positiva:

Casos sencillos de integración: i. El integrando es la diferencial de una potencia de exponente constante de la






es inexacto.

x-1d(x) =

j. El integrando es la diferencial de una potencia de exponente constante . de función de x


k. la integral de una suma algebraica de diferenciales es igual a la suma algebraica de las integrales de las diferenciales:

[d(u) +d(v) –d(x)] = d(u) + d(v) - d(x)

l. factor constante de la integral o del integrando: Todo factor constante del integrando puede ponerse como factor de la integral o viceversa .

C d(u) = C d(u)

105



2) d Cd(u) = Cd(u)

Cd(u) = Cd(u) como la d(1) es igual a la d(2) resulta que Cd(u) = C d(u)

Ejemplos:

a) x2/3d(x) =

b) x1/3 d(x) = =

c) (x2 – 2x)5 (2x-2) d(x) . haciendo (x2 – 2x) = u , (2x-2) d(u) sustituyendo se tiene:

(x2-2x)5(2x-2)d(x) = u5d(u) = =

d) haciendo u = (x-5)3 d(u) = d(x) sustituyendo se tiene u-3d(u) =

e) Sen2x Cos x d(x) haciendo Sen x = u Cosx d(x) = d(u)

u2 d(u) =

f) (x3 – 3x2 + 4) d(x) = x3- 3x2 + 4 d(x) =

= =

g) realizando la división se tiene

= x3 d(x) - 4x d(x) + 4 =

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= + C

Integrales Inmediatas:

f(x) d(x) Se dice que es inmediata si se reconoce la expresión f(x) d(x) como diferencial de una

función (x) entonces por definición se puede escribir f(x) dx = (x) + C (todas las de las fórmulas serán inmediatas)

De las fórmulas de derivación se deducen las siguientes fórmulas de integración:

1) du = u + C 2) k du = k u + C 3) um du = m

4) 5) 6) Cos u d(u) = Sen u + C

7) Sen u du = - Cos u + C 8) Sec2 u du = tan u+ C 9) Csc2 u du = - Cot u + C 10) Sec u Tan u d u = Sec u + C 11) Csc u Cot u du = - Csc u + C

12) 13) -

14) 15) -

16) 17)

18) eu du = eu + C 19) au du =

Aplicaciones :

a) x4 dx = según fórmula 3

b) 4(4x + 1)3dx = si u =( 4x +1) du = 4d(x)

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c) 3x2(x3-5)2d(x)= (x3-5)2 3x2 dx =

d) 5 Cos (5x-3)dx = Cos(5x-3)d(5x-3) = Sen (5x-3) + C u = (5x-3) du = 5 d(x)

e) porque u = 3x2- 4 du = 6xdx

f)

Hay integrales que sin ser inmediatas con una operación de multiplicación o división por una constante se convierten en inmediatas.Ejemplos:

a) Cos 5x dx = 5Cos 5x dx = en este caso se a multiplicado por 5 y dividido

por 5b) (3x-1)2 dx = en este caso u = 3x-1 d(u) 3 dx para que esta derivada corresponda a una función donde se utilice fórmula 3 es necesario dividir por 3

(3x-1)2 dx =

c)

En este ejemplo primero se sacó el factor cinco y para que x2 sea d x3 falta 3 por lo que se multiplica y divide por 3 y entonces se tiene que se trata de la función primitiva que se relaciona con(ln v)

d) 4 e5x/7dx = 4 e5x/7 dx para aplicar la fórmula (18) falta el factor 5/7 ya que si u = du =

por lo que es necesario dividir y multiplicar por 5/7

= 4 e5x/7(5/7) dx / 5/7=

e) si u = x3 du = 3x2dx si el numerador tuviera a 3 como factor se

aplicaría la

fórmula para ello multiplicar y dividir por (3) y se tiene:

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f) si u = d(u) =

= Sec2 . d = Tan

g) En este ejemplo se ha sacado 5 de la integral

y

9x2=(3x)2 d(3x) = 3 la expresión se multiplicó y dividió por 3

h) a d(x) = 4 en este ejemplo se ha multiplicado y dividido por y según

fórmula 19 BLa integral definida: Cálculo de áreas A

Sea la recta y = y el trapecio abBA a b

a = 1 b = 4 A(1,1) B(4,2)bB = 2-0 = 2 aA = 1-0 =1

Área =

Tratándose de una curva el problema se complica: Sea y = el área de la superficie abBA se llama área bajo la curva. Esto tiene una relación con el Cálculo Integral

Para mayor sencillez en las operaciones dividir el área del trapecio dividiendo el intervalo (1,4) en 3 subintervalos iguales o desiguales formando rectángulos interiores y exteriores

El área del trapecio abBA está entre la suma de las áreas de los rectángulos interiores y exteriores

B A a b

El área de los rectángulos interiores es (1x1) +(1x4/3) +(1 x 5/3) = 1+4/3 + 5/3 = 4 U2

Suma de áreas de rectángulos exteriores = (1x4/3) + (1x5/3) + (1x2) = 4/3 +5/3 +2 = 5 U 2 por lo tanto el área del trapecio es 4< A < 5

Si hacemos más divisiones a los subintervalos de modo que se formen nuevos rectángulos.

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x 1 1.6 2 2,5 3 3.4 4y 1 1.2 1.33 1.5 1.66 1.8 2

= (.6x3.2) +(,4x1,33) +(.5x1.5) + (.5x1.66)+(.4x1.8) +(.6x2) = 4.76 u2

4.24 < A < 4.76

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BIBLIOGRAFÍA:

Edwin J. Purcell/Dale Varberg Cuarta edición 1984. Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, S. A. México

Cálculo Con geometría analítica.

AYRES, Jr. Franck. Teoría y Problemas de Cálculo Diferencial e Integral.

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PAZ, Estrada Héctor. Matemáticas VI Preparatoria Abierta . Ed. S.E.P. México, D.F. 1983

PIKUNOV, N. Cálculo Diferencial e Integral. Tomo I. Ed. Mir Moscú. 1977.

Tr. al español por el Ing. K. Medro V.

BOSCH, Giral Carlos Cálculo Diferencial e IntegralPublicación Cultural, México, D :F : 19928a. Reimpresión

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