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Cálculo I

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3.1 Derivada en un punto

Vamos a estudiar la definición de derivada de una función en un punto. Comenzaremos con las nociones de recta secante y de recta tangente al gráfico de una función. A continuación, estudiaremos las nociones de tasa de variación media y tasa de variación instantánea. Finalmente, definiremos la derivada de una función en un punto.

3.1.1 Rectas secante y tangente

Definimos la recta secante al gráfico de una dada función f por los puntos x0 y x1, x0≠x1, como la recta determinada por la ecuación

y=f⁢(x1)−f⁢(x0)x1−x0⏟msec⁢(x−x0)+f⁢(x0). (3.1)

Es decir, es la recta que pasa por los puntos (x0,f⁢(x0)) y (x1,f⁢(x1)). Consultemos la Figura 3.1. El coeficiente angular de la recta secante es

msec=f⁢(x1)−f⁢(x0)x1−x0. (3.2)
Refer to caption
Figura 3.1: Recta secante (línea trazos-punto) y recta tangente (línea discontinua) al gráfico de una función (línea continua).

La recta tangente al gráfico de una función f en x=x0 es la recta que pasa por el punto (x0,f⁢(x0)) y tiene coeficiente angular

mtg=limx1→x0f⁢(x1)−f⁢(x0)x1−x0. (3.3)

Es decir, la recta de ecuación

y=mtg⁢(x−x0)+f⁢(x0). (3.4)

Menos formal, es la recta límite de las rectas secantes al gráfico de la función por los puntos x0 y x1, cuando x1→x0. Consultemos la Figura 3.1.

Haciendo el cambio de variable h=x1−x0, vemos que (3.3) es equivalente a

mtg=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h. (3.5)

De hecho, por el cambio de variable, tenemos x1=x0+h y cuando x1→x0, h=x1−x0→0. Es decir,

mtg=limx1→x0f⁢(x1)−f⁢(x0)x1−x0 (3.6)
=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h. (3.7)
Ejemplo 3.1.1.

Sean f⁢(x)=x2 y x0=1. El coeficiente angular de la recta secante al gráfico de f por los puntos x0=1 y x1=2 es

msec=f⁢(x1)−f⁢(x0)x1−x0 (3.8)
=f⁢(2)−f⁢(1)2−1 (3.9)
=4−11=3. (3.10)

Por tanto, la recta secante al gráfico de f por los puntos x0=1 y x1=2 tiene ecuación

y=msec⁢(x−x0)+f⁢(x0) (3.11)
y=3⁢(x−1)+f⁢(1) (3.12)
y=3⁢x−2. (3.13)

En la Figura 3.2, mostramos los gráficos de la función y de la recta secante.

Refer to caption
Figura 3.2: Gráficos de f⁢(x)=x2 (línea continua), de la recta secante por los puntos x0=1 y x1=2 (línea trazos-punto) y de la recta tangente al gráfico de f en el punto x0=1 (línea discontinua).
Código 29: Python
1from sympy import Symbol, Lambda
2x = Symbol('x')
3x0 = 1
4x1 = 2
5f = Lambda(x, x**2)
6m_sec = (f(x1)-f(x0))/(x1-x0)
7r_sec = Lambda(x, m_sec*(x - x0) + f(x0))
8print(f"Recta secante: y = {r_sec(x)}")
Recta secante: y = 3*x - 2

Ahora, el coeficiente angular de la recta tangente al gráfico de f en el punto x0 es

mtg=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h (3.14)
=limh→0(1+h)2−1h (3.15)
=limh→01+2⁢h+h2−1h (3.16)
=limh→02+h1=2. (3.17)

Así, la recta tangente al gráfico de f⁢(x)=x2 en el punto x0=1 tiene coeficiente angular mtg=2 y ecuación

y=2⁢(x−1)+1=2⁢x−1. (3.18)

En la Figura 3.2, tenemos los gráficos de la función y de la recta tangente.

Código 30: Python
1from sympy import symbols, Lambda, limit
2x, h = symbols('x,h')
3x0 = 1
4x1 = 2
5f = Lambda(x, x**2)
6m_tg = limit((f(x0+h)-f(x0))/h, h, 0)
7r_tg = Lambda(x, m_tg*(x - x0) + f(x0))
8print(f"Recta tangente: y = {r_tg(x)}")
Recta tangente: y = 2*x - 1

3.1.2 Tasa de variación

La tasa de variación media de una función f cuando x varía de x0 a x1 se define como

Δ⁢yΔ⁢x:=f⁢(x1)−f⁢(x0)x1−x0. (3.19)

De esto se deriva la tasa de variación instantánea de f en el punto x0, la cual se define como

d⁢fd⁢x|x=x0:=limx→x0f⁢(x)−f⁢(x0)x−x0 (3.20)
=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h. (3.21)

En muchas áreas del conocimiento, estas tasas reciben nombres específicos.

Ejemplo 3.1.2.(Velocidad)

Sea s=s⁢(t) la función distancia recorrida por un objeto en el tiempo. La velocidad media (tasa de variación media de la distancia) desde el tiempo t0 hasta el tiempo t1 es

Δ⁢sΔ⁢t=s⁢(t1)−s⁢(t0)t1−t0. (3.22)

Por ejemplo, si s⁢(t)=15⁢t2+t (km), entonces la velocidad media del objeto entre t0=1h y t1=3h es

Δ⁢sΔ⁢t=(15⁢t12+t1)−(15⁢t02+t0)t1−t0 (3.23)
=15⋅32+3−(15⋅12+1)3−1 (3.24)
=135+3−15−12 (3.25)
=61kmh. (3.26)

La velocidad (tasa de variación instantánea de la distancia) en el tiempo t0=1 es

d⁢sd⁢t|t=t0=limh→0s⁢(t0+h)−s⁢(t0)h (3.27)
=limh→015⁢(t0+h)2+(t0+h)−(15⁢t02+t0)h (3.28)
=limh→015⁢t02+30⁢t0⁢h+15⁢h2+t0+h−15⁢t02−t0h (3.29)
=limh→030⁢t0⁢h+15⁢h2+hh (3.30)
=limh→030t0+15h+1 (3.31)
=30t0+1=31kmh. (3.32)
Ejemplo 3.1.3.(Costo marginal)

Sea c⁢(x)=x (millones de reales) el costo de producción en una empresa en función del número de unidades producidas (miles). El costo medio de producción de x0=4 a x1=9 es

Δ⁢cΔ⁢x=c⁢(x1)−c⁢(x0)x1−x0 (3.33)
=x1−x0x1−x0 (3.34)
=9−49−4 (3.35)
=3−25 (3.36)
=0,2R$un. (3.37)

El costo marginal (tasa de variación instantánea del costo) cuando la empresa está produciendo x0=4 millones de unidades es

d⁢cd⁢x|x=x0=4=limh→0x0+h−x0h (3.38)
=limh→0x0+h−x0h⋅x0+h+x0x0+h+x0 (3.39)
=limh→0x0+h−x0h⁢(x0+h+x0) (3.40)
=limh→01x0+h0+x0 (3.41)
=12⁢x0=x02⁢x0 (3.42)
=42⋅4=0,25R$un. (3.43)
Observación 3.1.1.(Rendimiento y beneficio marginales)

Análogamente al costo marginal, tenemos las nociones de rendimiento marginal y beneficio marginal.

3.1.3 Derivada en el punto

La derivada de una función f en el punto x=x0 se define por

f′⁢(x0)=d⁢fd⁢x|x=x0:=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h. (3.44)
Ejemplo 3.1.4.

Estudiemos los siguientes casos:

  1. a)

    f⁢(x)=k, k constante.

    f′⁢(x0)=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h (3.45)
    =limh→0k−kh=0. (3.46)
  2. b)

    f⁢(x)=x.

    f′⁢(x0)=limh→0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h (3.47)
    =limh→0x0+h−x0h=1. (3.48)
  3. c)

    f⁢(x)=x, x0=1.

    f′⁢(1)=limh→01+h−1h (3.49)
    =limh→01+h−1h⋅1+h+11+h+1 (3.50)
    =limh→01+h−1h⁢(1+h+1)=12. (3.51)
Ejemplo 3.1.5.(Rendimiento marginal)

Suponga que el rendimiento de una empresa está modelado por r⁢(x)=x2 (millones de reales), donde x es el número en millones de unidades vendidas. El rendimiento marginal cuando x=x0=1 es

r′⁢(x0)=limh→0(x0+h)2−x02h (3.52)
=limh→0x02+2⁢x0⁢h+h2−x02h (3.53)
=limh→02⁢x0⁢h+h2h (3.54)
=limh→0(2x0+h)=2x0=2R$un. (3.55)

3.1.4 Ejercicios resueltos

ER 3.1.1.

Determine la ecuación de la recta tangente al gráfico de f⁢(x)=x en el punto x0=4. Haga, entonces, los bocetos de las gráficas de f y de la recta tangente en un mismo plano cartesiano.

Resolución.

La ecuación de la recta tangente al gráfico de la función f en el punto x0=4 es

y=f′⁢(x0)⁢(x−x0)+f⁢(x0). (3.56)

La derivada de f en el punto x0 es

f′⁢(x0)=limx→x0f⁢(x0+h)−f⁢(x0)h (3.57)
=limx→44+h−4h (3.58)
=limx→44+h−2h⋅4+h+24+h+2 (3.59)
=limx→44+h−4h⁢(4+h+2) (3.60)
=14+2=14. (3.61)

Por tanto, la ecuación de la recta tangente es

y=14⁢(x−4)+4 (3.62)
y=14⁢x+1. (3.63)

Consulte la Figura 3.3 para los bocetos de las gráficas de f y de la recta tangente.

Refer to caption
Figura 3.3: Gráficas de la función y=x y de su recta tangente en el punto x0=4.
ER 3.1.2.

Considere que la producción en una empresa tiene costo

c⁢(x)=x (3.64)

y rendimiento

r⁢(x)=x2, (3.65)

donde x es el número de unidades (en millones) producidas. Calcule el lucro marginal de la empresa cuando x=1.

Resolución.

El lucro es

l⁢(x)=r⁢(x)−c⁢(x). (3.66)

De esta forma, el lucro marginal en el punto x0=1 es

l′⁢(x0)=limh→0l⁢(x0+h)−l⁢(x0)h (3.67)
=limh→0r⁢(x0+h)−c⁢(x0+h)−(r⁢(x0)−c⁢(x0))h (3.68)
=limh→0r⁢(x0+h)−r⁢(x0)−(c⁢(x0+h)−c⁢(x0))h (3.69)
=limh→0r⁢(x0+h)−r⁢(x0)h−limh→0c⁢(x0+h)−c⁢(x0)h (3.70)
=r′(x0)−c′(x0) (3.71)
=2x0−12⁢x0 (3.72)
=2−12=1,5R$un. (3.73)

3.1.5 Ejercicios

E. 3.1.1.

Calcule las derivadas según se indica:

  1. a)

    f⁢(x)=2, f′⁢(−1);

  2. b)

    g⁢(x)=106, g′⁢(108);

  3. c)

    h⁢(x)=ln⁡2⁢e, h′⁢(−π);


a) 0; b) 0; c) 0

E. 3.1.2.

Calcule las derivadas según se indica:

  1. a)

    f⁢(x)=2+x, f′⁢(−1);

  2. b)

    g⁢(x)=106−2⁢x, g′⁢(−3);

  3. c)

    h⁢(x)=ln⁡(2⁢e)+e⁢x, h′⁢(106);


a) 1; b) −2; c) e

E. 3.1.3.

Calcule las derivadas según se indica:

  1. a)

    f⁢(x)=x, f′⁢(−1);

  2. b)

    g⁢(x)=−2⁢x, g′⁢(−3);

  3. c)

    h⁢(x)=e⁢x, h′⁢(106);


a) 1; b) −2; c) e

E. 3.1.4.

Determine la recta secante al gráfico de f⁢(x)=5−x2 por los puntos x0=1 y x1=2. Luego, determine la recta tangente al gráfico de f en el punto x0=1. Por último, haga los bocetos de las gráficas de f, de la recta secante y de la recta tangente en un mismo plano cartesiano.


recta secante: y=−3⁢x+7; recta tangente: y=−2⁢x+6; sugerencia: verifique sus bocetos graficando las funciones en el ordenador

E. 3.1.5.

Asumiendo que, en una empresa, la producción tenga el costo c⁢(x)=2⁢x y rendimiento r⁢(x)=1100⁢x3, dados en millones de reales con x en miles de unidades. Calcule:

  1. a)

    el costo marginal cuando x=1;

  2. b)

    el rendimiento marginal cuando x=1;

  3. c)

    el lucro marginal cuando x=1.


a) 1000⁢R⁢$un; b) 30⁢R$un; c) −970⁢R$un.


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Pedro H A Konzen
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