Construcción de curvas

Función creciente, decreciente. Máximos, mínimos. Derivabilidad, continuidad. Derivadas sucesivas. Concavidad, convexidad. Asíntotas. Puntos inflexión

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INTRO. CONSTRUC. DE CURVAS

Una función, por sí misma, no ofrece la información necesaria para dibujar su gráfica con un mínimo de exactitud.

La derivada va a ser la herramienta más potente a la hora de dar forma a la representación gráfica de una función. Ella determinará con toda fidelidad el crecimiento, decrecimiento, máximos, mínimos y puntos de inflexión; conceptos que serán definidos en el desarrollo del tema.

Ante una función cualquiera f(x) puede averiguarse fácilmente, con un mínimo análisis, cuál es su dominio de definición (dónde está y dónde no está definida). Este conocimiento obliga, al representar la función en un sistema de ejes cartesianos, a centrar la atención en los puntos del eje de abscisas donde está definida.

El primer matemático del que se tenga constancia que representó gráficamente una función fue un profesor de la Universidad de París, Nicole Oresme (1323-1382), quien mediante un par de rectas perpendiculares dibujó la gráfica de un movimiento uniformemente acelerado, de forma similar a como se hace en nuestros días. No obstante, la mayor aportación que hizo Oresme a la matemática fue la definición de potencias de exponentes fraccionarios y operaciones con ellas.

La representación gráfica de una función aporta mucha más información que la simple definición de la función, por cuanto nos permite visualizar la variación de la variable dependiente, y, con respecto a la variable independiente, x; es decir, cuándo la función es creciente o decreciente, cuándo se alcanza el punto máximo o el mínimo, entre otros muchos aspectos.

Aunque la palabra curva puede tener varios significados, en lo que sigue, se debe entender como la representación gráfica de una función en un sistema de ejes cartesianos, es decir, la representación de todos los puntos de la forma (x,f(x)). Como, en general, este conjunto de puntos es infinito, no se podrán señalizar uno a uno, por lo que habrá que conformarse con una aproximación que, por otro lado, será tanto mejor cuanta más información se tenga del comportamiento de la curva, que podrá ser muy variable. Por esto es necesario distinguir y analizar los distintos casos que se pueden presentar.

FUNC. CREC. Y DECREC. DE INTER.

Construcción de curvas
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función es creciente en un intervalo [a,b] si al tomar dos puntos cualesquiera del mismo, x1 y x2, con la condición x1 ð x2, se verifica que

f( x1 ) < f( x2 ).

Se dice estrictamente creciente si de x1 < x2 se deduce que f(x1) < f(x2).

Construcción de curvas
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función es decreciente en un intervalo [a,b] si para cualesquiera puntos del intervalo, x1 y x2, que cumplan x1 ð x2, entonces f(x1 )f(x2 ).

Siempre que de x1 < x2 se deduzca f(x1 ) > f(x2 ), la función se dice estrictamente decreciente.

FUNC. CREC. Y DECREC. EN PUNTO

Construcción de curvas
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función es creciente en un punto a si existe un intervalo abierto

Construcción de curvas

f(x) ð f(a) si x pertenece a (a - ð, a) y

f(x) ≥ f(a) si x pertenece a (a, a + ð).

Construcción de curvas
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; ð Análogamente, una función es decreciente en un punto a si existe un intervalo abierto (a - ð, a + ð) en el que

f(x) ≥ f(a) si x pertenece a (a - ð, a) y

f(x) ð f(a) si x pertenece a (a, a + ð).

La definición de función estrictamente creciente o decreciente en un punto se obtiene sin más que sustituir el símbolo ð por < y el ≥ por el >.

Es preciso diferenciar el significado de función creciente o decreciente en un intervalo del de función creciente o decreciente en un punto.

Ejemplo: estudio del crecimiento y decrecimiento de una función

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð Estudiar el crecimiento y decrecimiento de la función y = x2 en los puntos

Construcción de curvas

Resolución:

Construcción de curvas

Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

ð La función y = x2 es estrictamente creciente en el intervalo [0, +ð) puesto que si

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Por otro lado, es estrictamente decreciente en (-ð, 0] ya que en este intervalo (al ser números negativos), si x3 < x4 ð x32 > x42 (por ejemplo, -7 < -3 y (-7)2 > (-3)2 ). Es estrictamente decreciente en x = 0.

ð Nótese cómo en x = 0 la función no es creciente ni decreciente. A la izquierda de este punto es decreciente y a la derecha es creciente.

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

Como pone de manifiesto este ejemplo, toda función creciente en un intervalo (respectivamente decreciente) es creciente (respectivamente decreciente) en todo punto de ese intervalo.

Recíprocamente, toda función estrictamente creciente (respectivamente decreciente) en todo punto de un intervalo, es creciente (respectivamente decreciente) en todo el intervalo.

MÁXIM. Y MÍNIM. DE UNA FUNCIÓN

Dada una función f(x), se dice que tiene un máximo relativo en un punto de abscisa a, si existe un intervalo (a - ð, a + ð) en el que f(x) < f(a) para cualquier punto x perteneciente a (a - ð, a + ð). El máximo es entonces el punto (a, f(a)) de la curva.

La función f(x) tiene un mínimo relativo en un punto b si hay un intervalo (b - δ, b + δ) en el que f(x) > f(b) para cualquier punto x perteneciente a (b - δ, b + δ). El mínimo es entonces el punto (b, f(b)) de la curva.

A los máximos y mínimos de una función se les da el nombre común de extremos relativos o simplemente extremos.

Construcción de curvas
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; Es claro, como se ve en la gráfica, que una función puede tener más de un máximo y más de un mínimo.

Consecuencias

1. La tangente a una curva en cualquiera de sus extremos es paralela al eje de abscisas, por lo que el ángulo que forma con dicho eje es de cero grados.

En consecuencia, la pendiente de dichas tangentes (tg 0º) es cero. Como estas pendientes coinciden con las derivadas de la función en los puntos de abscisa correspondientes, se deduce inmediatamente que f'(a) = 0 y f'(b) = 0, si en a y b existe un máximo o un mínimo.

2. De lo anterior se desprende que los extremos relativos de una función deben buscarse entre los valores que hacen cierta la igualdad f'(x) = 0.

No obstante, aún no se dispone de ningún método que permita determinar si las soluciones de la ecuación f'(x) = 0 son máximos, mínimos, o ni lo uno ni lo otro.

Construcción de curvas
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; Todas estas consideraciones tienen sentido si la función es derivable en los extremos relativos, condición que, como ya se sabe y muestra la figura, no siempre se da.

Así, en el punto (a,f(a)) hay un mínimo relativo pero la función no es derivable en el punto a; por tanto, no existe f'(a).

Ejercicio: determinación de posibles puntos extremos

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð ¿Qué puntos de la función f(x) = 2x2 - 3 pueden ser extremos relativos?

Resolución:

Los posibles extremos relativos de la función f(x) = 2x2 - 3 se obtienen al resolver la ecuación

f'(x) = 2 · 2x = 0, de donde necesariamente x = 0

Aún así no se puede asegurar si en este punto hay máximo, mínimo o ni lo uno ni lo otro. Desde luego, si hay extremo relativo éste se encuentra en el punto de abscisa x = 0 que corresponde al punto (0,- 3).

PROP. DE LAS FUNC. DERIVABLES

Primera propiedad

Si una función f(x) tiene derivada positiva en un punto a, la función es estrictamente creciente en ese punto.

Demostración:

Construcción de curvas

Name=1; HotwordStyle=BookDefault;

Construcción de curvas

Si h > 0, forzosamente f(a + h) - f(a) > 0, o lo que es lo mismo, f(a + h) > f(a).

Si h < 0, f(a + h) - f(a) < 0, de donde f(a + h) < f(a), lo que prueba que la función es creciente en el punto a.

Segunda propiedad

Si una función f(x) tiene derivada negativa en un punto a, la función es estrictamente decreciente en ese punto.

Demostración:

Construcción de curvas

Name=2; HotwordStyle=BookDefault;

Se razona de forma análoga al caso anterior.

Construcción de curvas

lo que f(a + h) - f(a) < 0 para h > 0 → f(a + h) < f(a) para h > 0, y

f(a + h) - f(a) > 0 para h < 0 → f(a + h) > f(a) para h < 0

Todo esto prueba que la función f(x) es estrictamente decreciente en a.

Ejercicio: estudio del crecimiento y decrecimiento de una función

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð Estudiar el crecimiento y decrecimiento de la función y = f(x) = 2x3 - 5x2 en los puntos de abscisa 1 y 2.

Resolución:

Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

ð Se deriva f(x): f'(x) = 6x2 - 10x

ð f' (1) = 6 · 12 - 10 · 1 = 6 - 10 = - 4 < 0.

La función es estrictamente decreciente en x = 1.

ð f' (2) = 6 · 22 - 10 · 2 = 24 - 20 = 4 > 0

La función es estrictamente creciente en x = 2.

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

Tercera propiedad

Si una función tiene un máximo o un mínimo relativo en un punto a y existe f'(a), necesariamente f'(a) = 0.

Demostración:

ð Si f'(a) fuese positivo, la función sería estrictamente creciente en a, cosa que no puede ocurrir al haber en a un extremo.

ð Si f'(a) fuese negativo, la función sería estrictamente decreciente en a, lo que contradice el hecho de existir a en un extremo.

ð En consecuencia, si existe f'(a), ha de ser f'(a) = 0.

Así pues, queda confirmado que los extremos de una función hay que buscarlos entre los valores que resuelvan la ecuación f'(x) = 0. Sin embargo, una función puede tener derivada nula en un punto y no poseer extremo relativo en ese punto.

Ejercicio: estudio de los puntos en los que la derivada de una función se anula

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð ¿En qué puntos se anula la derivada de la función f(x) = x3? ¿Son extremos relativos?

Resolución:

Construcción de curvas

Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

Construcción de curvas

Construcción de curvas

En el punto (0,0) no hay extremo relativo como fácilmente se observa en la gráfica.

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

Cuarta propiedad

Si f(x) es una función continua en un intervalo cerrado [a,b] y derivable en el abierto (a,b) con derivada cero en todos los puntos de [a,b], entonces la función es constante.

Sin que esto pueda considerarse como una demostración rigurosa, obsérvese que si la derivada es cero en todos los puntos, esto significa que en cada punto de la curva, la tangente es paralela al eje X, lo cual quiere decir que la gráfica de la función es una recta paralela al eje de abscisas.

La función es de la forma f(x) = C = cte.

Quinta propiedad

Si dos funciones f(x) y g(x) son continuas en el intervalo cerrado [a,b] y tienen la misma derivada en todos los puntos del intervalo abierto (a,b), las funciones f(x) y g(x) se diferencian en una constante.

Demostración:

ð Se considera la nueva función h(x) = f(x) - g(x).

ð Derivando, h'(x) = f'(x) - g'(x) = 0, puesto que f'(x) = g'(x).

ð Por la propiedad anterior, h(x) = f(x) - g(x) = C = cte.

DERIV. SUCESIVAS DE UNA FUNC.

Hasta ahora se sabe que los candidatos a extremos proceden de las soluciones de la ecuación f'(x) = 0. Falta por determinar cuándo una de estas soluciones es un máximo, un mínimo o no es un extremo. Previamente se necesita dominar un nuevo concepto.

Definición:

Dada una función f(x), se sabe calcular su derivada f'(x) (derivada primera).

Si ahora se vuelve a derivar f'(x), se obtiene la derivada segunda y se simboliza por f''(x). Si se vuelve a derivar esta función se tiene la derivada tercera, f'''(x), y así sucesivamente.

En general, la derivada de orden n de una función f(x), se llama derivada n-ésima y se simboliza por fn'(x).

Ejercicio: cálculo de derivadas sucesivas

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð Calcular la derivada tercera de la función f(x) = 6x3 - 7x2 + 5.

Resolución:

ð f'(x) = 18x2 - 14x

ð f''(x) = 36x - 14

ð f'''(x) = 36

DET. MÁXIM. DE UNA FUNCIÓN

De las definiciones y resultados obtenidos se derivan tres métodos para la determinación de los extremos de una función.

1. Análisis de la función a derecha e izquierda de cada posible extremo

Si a es un punto en el que f'(a) = 0, se toma un número h suficientemente pequeño y se calculan los valores f(a + h) y f(a - h):

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Name=1; HotwordStyle=BookDefault; a) Si los dos son menores que f(a), hay un máximo en a.

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Name=2; HotwordStyle=BookDefault; b) Si ambos son mayores que f(a), en a hay un mínimo.

Construcción de curvas
Name=3; HotwordStyle=BookDefault; c) Si uno de ellos es mayor que f(a) y el otro menor, no hay extremo.

Ejercicio: determinación de los extremos de una función

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð Encontrar los extremos de la función y = x2.

Resolución:

ð Puesto que la ecuación y' = 2x = 0 tiene como solución x = 0, de haber algún extremo éste se encuentra en el punto (0,0).

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Por tanto en el punto (0,0) hay un mínimo.

ð Hallar, si existen, los extremos de la función y = x3.

Resolución:

ð La solución de y' = 3x2 = 0 es x = 0

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Se concluye que la función y = f(x) = x3 no tiene extremos relativos.

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

2. Análisis de la derivada a derecha e izquierda del posible extremo

Construcción de curvas
Name=4; HotwordStyle=BookDefault; Si a es un punto en el que f'(a) = 0, eligiendo un número h próximo a cero, puede ocurrir:

a) Si f'(a - h) es negativo y f'(a + h) es positivo,en a hay un mínimo.

Obsérvese que a la izquierda de un mínimo las tangentes a la curva tienen pendiente negativa y a la derecha tienen pendiente positiva.

b) Si f'(a - h) es positivo y f'(a + h) es negativo,en a hay un máximo.

La explicación de este criterio se obtiene mediante un razonamiento análogo al anterior.

c) Si f'(a - h) y f'(a + h) tienen el mismo signo,positivo o negativo, no hay extremo en el punto a.

Ejercicio: determinación de extremos

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

Construcción de curvas

Resolución:

ð Por la fórmula de la derivada de un cociente,

Construcción de curvas

Puesto que una fracción es cero cuando su numerador es cero,

Construcción de curvas

ð Para un h suficientemente pequeño (ya sin especificar como en el caso anterior):

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(el numerador y el denominador son positivos).

Construcción de curvas

(numerador y denominador tienen signos distintos).

ð Se observa que la derivada pasa, en un entorno del punto de abcisa 0, de ser positiva a ser negativa. Se deduce, pues, que en este punto hay un máximo relativo.

Como para x = 0, y = 1, el máximo de esta función está en el punto (0,1).

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

3. Análisis de la derivada segunda

Si f(x) es una función derivable en un entorno de a, (a - ð, a + ð) y f '(a) = 0,

a) Si f''(a) > 0, la función tiene un mínimo en a.

b) Si f''(a) < 0, la función tiene un máximo en a.

Demostración:

a) Por ser f''(a) > 0, la función f'(x) es estrictamente creciente en a (primera propiedad de funciones derivables).

Construcción de curvas

Construcción de curvas

De f''( x ) < 0 en (a - ð, a) se deduce (por la segunda propiedad de funciones derivables) que la función f(x) es estrictamente decreciente en cada punto de (a - ð, a), es decir, es estrictamente decreciente en (a - ð, a). Por tanto,

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

lo que quiere decir que en a hay un mínimo relativo.

b) Se probaría análogamente al caso a).

Ejercicio: cálculo de máximos y mínimos

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ð Determinar los máximos y mínimos de la función y = f(x) = 2x3 + 3x2 - 12x

Resolución:

ð Se calcula y' y se iguala a cero, y' = 6x2 + 6x - 12 = 0

ð La ecuación 6x2 + 6x - 12 = 0 tiene por raíces 1 y - 2.

ð Se calcula la segunda derivada f''(x) = 12x + 6

Para x = 1, f'' (1) = 12 + 6 = 18 > 0. En x = 1, (1,-7), hay un mínimo.

Para x = - 2, f'' (- 2) = 12(- 2) + 6 = - 18 < 0. En x = - 2, (-2,20), hay un máximo.

ð Dibujar la gráfica de la función

Construcción de curvas

Resolución:

ð Para cualquier valor de x, el denominador 1 + x2 > 0, es decir, no se anula. Por tanto, la función está definida para todo número real x. Dicho de otra forma, su dominio de definición es toda la recta real.

ð La función es siempre positiva cualquiera que sea el valor de x, por tanto su gráfica quedará por encima del eje de abscisas.

ð Posee, según se ha estudiado ya, un máximo en el punto (0,1).

Construcción de curvas

Construcción de curvas

basta estudiar la gráfica en el primer cuadrante, dibujar la curva y completar su trazado en el segundo cuadrante por simetría con respecto al primero.

Construcción de curvas

al eje de abscisas (aunque nunca la toca).

Construcción de curvas

Si x < 0, y' > 0 y la función es creciente en (-ð, 0].

Construcción de curvas
Name=5; HotwordStyle=BookDefault; Con todos estos datos el trazado aproximado de la curva es:

Construcción de curvas

podría haberse dibujado de cualquiera de estas formas.

Construcción de curvas
Name=6; HotwordStyle=BookDefault; Esto pone de manifiesto que se necesita más información para representar con mayor exactitud una curva.

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

CONCAVIDAD Y CONVEXIDAD

Construcción de curvas
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función f(x) no lineal se dice que es convexa en un intervalo si f'' (x) ≥ 0 en todo punto de dicho intervalo. Por la primera propiedad de las funciones derivables, esto significa que f'(x) es una función creciente en ese intervalo. Basta recordar el significado de la derivada para concluir que las pendientes de las tangentes a la curva en los puntos de abscisa del citado intervalo aumentan según se avanza de izquierda a derecha, por el eje de abscisas.

Es claro que en una función convexa las tangentes a la curva quedan por debajo de ésta.

Construcción de curvas
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función f(x) se dice que es cóncava en un intervalo si f'' (x) ð 0 en todo punto de él. Por la segunda propiedad de las funciones derivables, es tanto como decir que la función f'(x) es decreciente, o lo que es equivalente, las pendientes de las tangentes a la curva disminuyen al recorrer de izquierda a derecha los puntos de abscisa del intervalo considerado.

En una tal función las tangentes a la curva quedan por encima de ésta.

Construcción de curvas
Name=3; HotwordStyle=BookDefault; ð La gráfica de una función f(x) tiene un punto de inflexión en un punto de abscisa a, si en el punto (a,f(a)) la curva pasa de ser cóncava a convexa o viceversa.

¿Cómo se encuentran los puntos de inflexión?

Puesto que una función es convexa cuando f'' (x) ≥ 0 y cóncava si f'' (x) ð 0 , y el punto de inflexión separa una concavidad de una convexidad, en él la segunda derivada, si existe, necesariamente ha de ser nula. Por tanto, si en a hay un punto de inflexión, f''(a) = 0.

Sin embargo, hay puntos en los que la derivada segunda es cero sin que existan puntos de inflexión en ellos.

Determinación de puntos de inflexión

1.º Los posibles puntos de inflexión de una función f(x) deben buscarse entre las soluciones de la ecuación f''(x) = 0.

Construcción de curvas
Name=4; HotwordStyle=BookDefault; 2.º Si a es una de estas soluciones, hay que comprobar que separa un tramo de curva cóncavo de otro convexo; para ello se toma un número h suficientemente pequeño y se comprueba que f''(a + h) y f''(a - h) tienen signos distintos, todo lo cual indica que a un lado de a la curva es convexa y al otro cóncava.

3.º Por el contrario, si f''(a + h) y f''(a - h) tienen el mismo signo, la curva es totalmente cóncava o totalmente convexa en un entorno de a y prueba la no existencia de puntos de inflexión.

La tangente a una curva en un punto de inflexión corta a ésta, ya que en la parte cóncava la tangente queda por encima, mientras que en la convexa queda por debajo de la curva.

Ejemplo: cálculo de puntos de inflexión

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

Construcción de curvas

Resolución:

Construcción de curvas

Construcción de curvas

ð Igualando a cero la segunda derivada y teniendo en cuenta que una fracción es cero cuando su numerador es cero,

Construcción de curvas

ð Puesto que el denominador es positivo, f''(x) es positivo cuando el numerador sea positivo, y negativo si el numerador es negativo.

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

pues para h < 1, 3h < 3 y 2Construcción de curvas
3,46, por lo que 3h - 2Construcción de curvas
< 0

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=5; HotwordStyle=BookDefault; Con estos datos se puede dibujar la curva con suficiente precisión.

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

ASÍNTOTAS

Dado un punto en el plano de coordenadas (x,y), su distancia al origen de coordenadas viene dado, sin más que aplicar el teorema de Pitágoras, por Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; Si x o y o ambos a la vez se hacen muy grandes, el número Construcción de curvas
se hace también muy grande. Dicho en términos más precisos, si x o y o ambos tienden a infinito, Construcción de curvas
tiende a infinito, lo cual indica que la distancia de dicho punto al origen de coordenadas se hace infinito.

Definición:

Una curva tiene como asíntota una recta, si la distancia de un punto P de la curva a la recta tiende a cero cuando el punto P se aleja indefinidamente del origen de coordenadas recorriendo la curva. En otros términos, puede decirse que una asíntota es una tangente a la curva en el infinito.

Construcción de curvas
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; Asíntotas paralelas al eje Y o verticales

Construcción de curvas

ð Determinación de asíntotas paralelas al eje Y

Se determinan igualando el denominador de la función a cero y resolviendo la ecuación.

Si la función no viene expresada mediante una fracción, hay que estudiar cuándo

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=3; HotwordStyle=BookDefault; Asíntotas paralelas al eje X u horizontales

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=4; HotwordStyle=BookDefault; Asíntotas generales u oblicuas

Son aquellas asíntotas que no son paralelas a ninguno de los ejes.

Aunque no se justificará el cálculo, la ecuación de una asíntota oblicua se obtiene como sigue:

Si la ecuación de una asíntota oblicua es y = mx + b,

Construcción de curvas
Construcción de curvas

Si m = 0, la asíntota resulta ser una asíntota horizontal.

Ejercicio: cálculo de asíntotas

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

Construcción de curvas

Resolución:

ð Se iguala el denominador a cero:

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=5; HotwordStyle=BookDefault; Por tanto, cuando x es positivo y tiende a +ð o es negativo y tiende a -ð, la ordenada

Construcción de curvas

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

CONSTRUCCIÓN DE CURVAS

El dominio de definición de una función; su crecimiento y decrecimiento; el cálculo de máximos, mínimos y puntos de inflexión; el estudio de concavidad y convexidad y el hallazgo de posibles asíntotas, permiten construir con tanta precisión como se desee innumerables curvas.

A los apartados anteriores conviene añadir el estudio de posibles simetrías que, cuando existan, simplificarán notablemente las construcciones de curvas.

Simetrías

Construcción de curvas
Name=1; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función se dice que es par si f(x) = f(- x).

Estas funciones son simétricas respecto al eje de ordenadas. Basta, pues, dibujar la curva situada a la derecha de este eje y complementarla a la izquierda por simetría.

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=2; HotwordStyle=BookDefault; ð Una función f(x) es impar si f(- x) = - f(x).

Las gráficas de estas funciones tienen al origen de coordenadas por centro de simetría. La más característica de estas funciones es f(x) = x3. En efecto,

f(- x) = (- x)3 = - x3 = - f(x).

Pasos a seguir en la construcción de una curva

1. Dominio de definición de la función.

2. Simetrías.

3. Puntos de corte con los ejes.

4. Asíntotas.

5. Intervalos de crecimiento y decrecimiento.

6. Máximos y mínimos.

7. Concavidad y convexidad. Puntos de inflexión.

Ejercicio: representación de curvas

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Construcción de curvas

Resolución:

1. Dominio de definición

La función está definida para todo valor de x excepto para x = 5, que anula al denominador. En consecuencia, la recta x = 5 es una asíntota vertical.

Las raíces de x2 - 5x + 4 = 0 son 1 y 4, por lo que x2 - 5x + 4 = (x - 1) (x - 4).

Construcción de curvas

Construcción de curvas

a) Si x > 1 y x < 4, tanto el numerador como el denominador son negativos, por lo que en este intervalo, (1, 4), y > 0.

b) Si x < 1, el numerador es positivo y el denominador es negativo.

Construcción de curvas

c) Si x > 4 y x < 5, el numerador es positivo y el denominador negativo. En consecuencia, y < 0 en (4, 5).

Para x = 1 y x = 4 el numerador se anula y, en consecuencia, y = 0. Así, la curva pasa por los puntos (1,0) y (4,0).

Se pueden delimitar ya las zonas por las que pasa la curva:

Construcción de curvas
Name=3; HotwordStyle=BookDefault;

2. Simetría

La función no es par ni impar:

Construcción de curvas

Construcción de curvas

3. Puntos de corte de los ejes

Los puntos de la curva que cortan al eje Y tienen abscisa cero, luego imponiendo Construcción de curvas

Análogamente, los puntos de la curva situados sobre el eje X tienen ordenada cero

(y = 0). En el apartado anterior se obtuvieron los puntos (1,0) y (4,0).

4. Asíntotas

Ya se conoce la asíntota vertical calculada en el primer apartado: x = 5.

Construcción de curvas

Asíntota oblicua:

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=4; HotwordStyle=BookDefault; En consecuencia, la asíntota oblicua es y = mx + b = 1·x + 0 = x y = x.

5. Intervalos de crecimiento y decrecimiento

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Al ser el denominador de esta fracción positivo, para cualquier valor de x, basta estudiar la variación de los signos en el numerador.

a) Si x > 7, (x - 7) (x - 3) > 0. En este caso y' > 0 y la función es creciente

en (7, +ð).

b) Si x > 3 y x < 7, (x - 7) (x - 3) < 0; entonces y' < 0 y la función es decreciente.

Construcción de curvas

6. Máximos y mínimos

Si x = 7 - h, y' < 0. Si x = 7 + h, y' > 0, luego la derivada de la función en el punto 7 pasa de negativa a positiva por lo que en x = 7 hay un mínimo.

De la misma forma, si x = 3 - h, y' < 0; si x = 3 + h, y' < 0, lo que indica que en

x = 3 hay un máximo, ya que la derivada en dicho punto pasa de positiva a negativa.

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=5; HotwordStyle=BookDefault; Para x = 3, f(3) = 1; el máximo es (3,1)

7. Concavidad y convexidad. Puntos de inflexión

Los posibles puntos de inflexión se obtienen de las soluciones de la ecuación

Construcción de curvas

y una fracción es cero cuando su numerador es cero.

Puesto que el numerador es 8 y no puede valer nunca cero, la anterior ecuación no tiene solución y la curva no tiene puntos de inflexión.

Si x > 5, (x - 5)3 es positivo y, por consiguiente,

Construcción de curvas

y la curva es, en este intervalo, convexa.

Por el contrario, si x < 5, (x - 5)3 es negativo y

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Teniendo en cuenta todos estos resultados, la gráfica de la función es:

Construcción de curvas
Name=6; HotwordStyle=BookDefault;

ð Dibujar la gráfica de la función y = f(x) = 2x3 - 3x2

Resolución:

1. Dominio de definición

Esta función está definida para todo valor de x.

2. Simetrías

No es una función par ni impar, pues f(- x) = 2(- x)3 - 3(- x)2 = - 2x3 - 3x2

Construcción de curvas

3. Puntos de corte con los ejes

y = x2(2x - 3).

Si y = 0, x2(2x - 3) = 0, obteniéndose como soluciones x = 0 y x = 3/2.

La curva pasa por los puntos (0,0) y (3/2,0).

Si x = 0, y = 0, punto que ya se tenía.

4. Asíntotas

Al no tener denominador no tiene asíntotas verticales.

Construcción de curvas

Construcción de curvas

ningún valor de la pendiente.

5. Crecimiento y decrecimiento

y' = f'(x) = 6x2 - 6x = 6x(x - 1)

Si x > 1, y' > 0 y la función es creciente → creciente en (1, ð).

Si x > 0 pero x < 1 , y' < 0 y la función es decreciente → decreciente en (0, 1).

Construcción de curvas

6. Máximos y mínimos

Resolviendo la ecuación f'(x) = 6x(x - 1) = 0, se obtienen como soluciones x = 0 y x = 1.

La derivada segunda es f''(x) = 12x - 6.

f''(0) = - 6 < 0 por lo que en x = 0 hay un máximo.

f''(1) = 12 · 1 - 6 = 6 > 0 y en x = 1 hay un mínimo.

Para x = 0, y = f(0) = 0, y el máximo es (0,0).

Para x = 1, y = f(1) = 2 · 13 - 3 · 12 = - 1; el mínimo es (1,- 1).

7. Concavidad y convexidad. Puntos de inflexión

Igualando a cero la segunda derivada, f''(x) = 12x - 6 = 0, se obtiene la solución

Construcción de curvas

Hay que comprobar si es o no punto de inflexión.

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Construcción de curvas

Construcción de curvas

Puesto que f''(x) = 12x - 6 = 6(2x - 1), f''(x) es positiva si lo es 2x - 1 y negativa cuando lo sea 2x - 1.

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas
Name=7; HotwordStyle=BookDefault; Después de este estudio puede dibujarse la curva.

ð Dibujar la gráfica de la función y = f(x) = (x + 2) (x - 1)2

Resolución

1. Dominio de definición

La función está definida para todo valor de x.

2. Simetrías

f(- x) = (- x + 2) (- x - 1)2 = (- x + 2) (x2 + 2x + 1) = - x3 + 3x + 2

f(x) = (x + 2) (x2 - 2x + 1) = x3 - 3x + 2

- f(x) = - x3 + 3x - 2

f(x) ð f(-x). La curva no es par. f(-x) ð -f(x). La curva no es impar.

3. Puntos de corte con los ejes

Si x = 0, y = (0 + 2) (0 - 1)2 = 2. La curva pasa por el punto (0,2).

Construcción de curvas

4. Asíntotas

No tiene asíntotas verticales.

Construcción de curvas

Construcción de curvas

5. Crecimiento y decrecimiento

y' = 3x2 - 3 = 3(x2 - 1)

Para que y' > 0 debe ser x2 -1 > 0

Para que y' < 0 debe ser x2 -1 < 0

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

La curva es decreciente en (-1,1).

6. Máximos y mínimos

Construcción de curvas

f''(x) = 6x.

Si x = 1, f''(1) = 6 · 1 = 6 > 0, hay un mínimo en el punto (1, 0).

Si x = - 1, f''(- 1) = 6 · (- 1) = - 6 < 0, hay un máximo en el punto (-1, 4).

7. Concavidad y convexidad

Construcción de curvas
Construcción de curvas

8. Puntos de inflexión

Construcción de curvas

f''(0 + h) = f''(h) = 6h > 0

f''(0 - h) = f''(- h) = 6 · (- h) = - 6h < 0

La curva pasa de cóncava a convexa: en x = 0 hay punto de inflexión.

Construcción de curvas
Name=8; HotwordStyle=BookDefault; Si x = 0, f(x) = 2. El punto de inflexión es (0,2).

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Ejercicio: optimización de funciones

ððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððððð

La determinación de extremos de una función tiene otras aplicaciones que van más allá del trazado de curvas.

ð De todos los cilindros inscritos en una esfera de radio 3 dm, encontrar el de mayor volumen.

Resolución:

Construcción de curvas
Name=9; HotwordStyle=BookDefault;

El volumen de un cilindro es igual al producto del área de la base por la altura:

Construcción de curvas

siendo r el radio de la base del cilindro.

Por el teorema de Pitágoras,

Construcción de curvas

Sustituyendo en la expresión de V,

Construcción de curvas

Así, V es una función de h. Para calcular las medidas del cilindro de mayor volumen hay que encontrar el máximo de la función V(h).

Derivando respecto a h e igualando a cero,

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Hay que comprobar que para este valor de h, V alcanza su valor máximo.

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Llevando este valor a la expresión de r2,

Construcción de curvas

Construcción de curvas

ð Hallar las dimensiones mínimas que debe tener una hoja de papel para contener una superficie útil de 54 cm2 con unos márgenes de 1,5 cm a derecha e izquierda y de 1 cm por arriba y por abajo.

Resolución:

Construcción de curvas

Name=10; HotwordStyle=BookDefault;

Llamando x e y a las dimensiones del total de la hoja, y a y b a las dimensiones de la superficie útil,

S = x · y

a · b = 54

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

El problema se reduce a calcular el valor de a que hace S(a) mínimo; por tanto hay que encontrar el mínimo de S(a).

Derivando respecto a a e igualando a cero,

Construcción de curvas

Para comprobar que en a = 9 hay un mínimo se calcula la derivada segunda de S:

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

Construcción de curvas

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