Clase 23: Cómo Afecta la Derivada la Forma de una Gráfica
📚 Introducción
Muchas de las aplicaciones del cálculo dependen de nuestra capacidad para deducir hechos acerca de una función a partir de la información que se obtiene de sus derivadas. Ya que representa la pendiente de la curva en el punto , nos indica la dirección de la curva en cada punto. Así, es razonable esperar que la información relacionada con nos proporcione información asociada con .
Objetivos de la Clase
- Comprender cómo la derivada indica dónde una función es creciente o decreciente
- Utilizar la Prueba de la Primera Derivada para identificar máximos y mínimos locales
- Comprender el concepto de concavidad y su relación con la segunda derivada
- Identificar puntos de inflexión de una función
- Aplicar la Prueba de la Segunda Derivada para clasificar extremos locales
- Utilizar toda la información de derivadas para graficar funciones de manera precisa
1. ¿Qué Indica Respecto a ?
1.1 Función Creciente vs Decreciente
Para ver cómo la derivada de puede decirnos dónde una función es creciente o decreciente, miremos la figura del texto. Las funciones crecientes y las decrecientes fueron definidas en la sección 1.1.
Entre y y entre y , las rectas tangentes tienen pendiente positiva, por lo que . Entre y , las rectas tangentes tienen pendiente negativa, así que . Así, parece que crece cuando es positiva y decrece cuando es negativa.
Para demostrar que esto siempre es el caso, usamos el Teorema del Valor Medio.
1.2 Prueba Creciente/Decreciente
Prueba Creciente/Decreciente
a) Si sobre un intervalo, entonces es creciente sobre ese intervalo.
b) Si sobre un intervalo, entonces es decreciente sobre ese intervalo.
Demostración
a) Sean y dos números cualesquiera en el intervalo con . Según la definición de una función creciente (página 19), tenemos que demostrar que .
Sabemos que y que es derivable sobre , así que, por el Teorema del Valor Medio, existe un número entre y tal que:
Ahora por el supuesto de que ya que . Así, el lado derecho de la ecuación 1 es positivo, por lo que:
lo que demuestra que es creciente.
El inciso b) se demuestra de manera similar.
1.3 Ejemplo de Aplicación
Ejemplo 1: Encuentre dónde la función
f(x) = 3x^4 - 4x^3 - 12x^2 + 5es creciente y dónde es decreciente.Solución:
Para utilizar la prueba C/D tenemos que investigar dónde y dónde . Esto depende de los signos de los tres factores de , es decir, , y .
Para esto, dividimos la recta real en intervalos cuyos extremos son los números críticos: , y , y organizamos nuestro trabajo en una gráfica. Un signo más indica que la expresión dada es positiva, y un signo menos indica que es negativa. La última columna de la tabla da la conclusión basada en la prueba C/D. Por ejemplo, para , por lo que es decreciente sobre . (También sería correcto decir que es decreciente sobre el intervalo cerrado .)
Intervalo Decreciente sobre Creciente sobre Decreciente sobre Creciente sobre La gráfica de que se muestra en la figura confirma la información de la tabla.
2. La Prueba de la Primera Derivada
2.1 Motivación
Recuerde de la sección 4.1 que si tiene un máximo o mínimo locales en , entonces debe ser un número crítico de (por el Teorema de Fermat), pero no todo número crítico da lugar a un máximo o mínimo. Por tanto, necesitamos una prueba que nos diga si tiene o no máximos o mínimos locales en un número crítico.
Puede observarse en la figura que es un valor máximo local de porque crece sobre y disminuye sobre . O bien, en términos de derivadas, para y para . En otras palabras, el signo de cambia de positivo a negativo en . Esta observación es la base de la siguiente prueba.
2.2 Enunciado de la Prueba
Prueba de la Primera Derivada
Supongamos que es un número crítico de una función continua .
a) Si cambia de positiva a negativa en , entonces tiene un máximo local en .
b) Si cambia de negativa a positiva en , entonces tiene un mínimo local en .
c) Si no cambia de signo en (p. ej., si es positiva por ambos lados de o negativa por ambos lados), entonces no tiene ningún máximo o mínimo local en .
2.3 Interpretación Gráfica
La prueba de la primera derivada es una consecuencia de la prueba C/D. En el inciso a), por ejemplo, puesto que el signo de cambia de positivo a negativo en , es creciente por la izquierda de y decreciente por la derecha de . Se deduce entonces que tiene un máximo local en .
Es fácil recordar la prueba de la primera derivada al ver el comportamiento de gráficas como las de la figura.
2.4 Ejemplo de Aplicación
Ejemplo 2: Encuentre los valores máximo y mínimo locales de la función
fen el ejemplo 1.Solución: De la tabla en la solución del ejemplo 1 vemos que cambia de negativa a positiva en , así que es un valor mínimo local por la prueba de la primera derivada. Del mismo modo, cambia de negativa a positiva en , por lo que también es un valor mínimo local. Como se ha señalado anteriormente, es un valor máximo local porque cambia de positiva a negativa en .
Ejemplo 3: Encuentre los valores mínimos y máximos locales de la función
g(x) = x + 2\sin xpara0 \leq x \leq 2\pi.Solución: Para encontrar los números críticos de , derivamos:
Así que cuando . Las soluciones de esta ecuación son y . Debido a que es derivable para toda , los únicos números críticos son y , así que podemos analizar a en la siguiente tabla.
Intervalo creciente sobre decreciente sobre creciente sobre Ya que cambia de positivo a negativo en , la prueba de la primera derivada nos indica que existe un máximo local en y el máximo valor local es:
Por otro lado, cambia de negativa a positiva en y, por tanto,
es un valor mínimo local. La gráfica de en la figura apoya nuestra conclusión.
3. ¿Qué Dice Respecto a ?
3.1 Concepto de Concavidad
La figura muestra las gráficas de dos funciones crecientes sobre . Ambas gráficas unen el punto al punto , pero parecen diferentes porque se doblan en diferentes direcciones.
¿Cómo podemos distinguir entre estos dos tipos de comportamiento? En la figura a) sobre la curva queda por arriba de las rectas tangentes y se dice que es cóncava hacia arriba sobre . En b), la curva se encuentra por debajo de las rectas tangentes y se llama cóncava hacia abajo sobre .
3.2 Definición Formal
Definición - Concavidad
Si la gráfica de queda por arriba de todas sus rectas tangentes sobre un intervalo , entonces se dice que es cóncava hacia arriba sobre . Si la gráfica de queda por abajo de todas sus rectas tangentes, se dice que es cóncava hacia abajo sobre .
3.3 Prueba de Concavidad
La figura muestra la gráfica de una función que es cóncava hacia arriba (abreviado CA) sobre los intervalos , y , y cóncava hacia abajo (CD) sobre los intervalos , y .
Veamos cómo la segunda derivada ayuda a determinar los intervalos de concavidad. Al observar la figura, se puede ver que, de izquierda a derecha, la pendiente de la recta tangente es creciente. Esto significa que la derivada es una función creciente y, por tanto, su derivada es positiva. Asimismo, en la figura 6b la pendiente de la recta tangente decrece de izquierda a derecha, así que decrece y, por ende, es negativa. Este razonamiento puede invertirse y sugiere que el siguiente teorema es verdadero. En el apéndice F se da una demostración con la ayuda del Teorema del Valor Medio.
Prueba de Concavidad
a) Si para toda en , entonces la gráfica de es cóncava hacia arriba sobre .
b) Si para toda en , entonces la gráfica de es cóncava hacia abajo sobre .
3.4 Ejemplo de Aplicación
Ejemplo 4: Discuta la curva
y = x^4 - 4x^3respecto a la concavidad, puntos de inflexión y máximos y mínimos locales. Utilice esta información para esbozar la curva.Solución: Si , entonces:
Para encontrar los números críticos establecemos para obtener y . Para utilizar la prueba C/D tenemos que investigar dónde y dónde . Esto depende de los signos de los tres factores de , es decir, , y .
Para esto, dividimos la recta real en intervalos cuyos extremos son los números críticos: y , y organizamos nuestro trabajo en una gráfica. Un signo más indica que la expresión dada es positiva, y un signo menos indica que es negativa. La última columna de la tabla da la conclusión basada en la prueba C/D. Por ejemplo, para , por lo que es decreciente sobre .
Intervalo Creciente sobre Decreciente sobre Creciente sobre Puesto que cambia de positiva a negativa en , es un valor máximo local por la prueba de la primera derivada. Del mismo modo, cambia de negativa a positiva en , por lo que también es un valor mínimo local.
Puesto que cuando o , dividimos la recta real en intervalos con estos números como extremos y completamos la siguiente tabla.
Intervalo Concavidad hacia arriba hacia abajo hacia arriba El punto es un punto de inflexión, ya que la curva cambia de cóncava hacia arriba a cóncava hacia abajo. También es un punto de inflexión, ya que allí la curva cambia de cóncava hacia abajo a cóncava hacia arriba.
Utilizando el mínimo local, los intervalos de concavidad y los puntos de inflexión, esbozamos la curva en la figura.
4. Puntos de Inflexión
4.1 Definición
Definición - Punto de Inflexión
Un punto sobre una curva se llama punto de inflexión si es allí continua y la curva cambia de cóncava hacia arriba a cóncava hacia abajo o de cóncava hacia abajo a cóncava hacia arriba en .
Por ejemplo, en la figura del texto, , , y son los puntos de inflexión. Observe que si una curva tiene una recta tangente en un punto de inflexión, entonces la curva corta a la recta tangente en ese punto.
4.2 Criterio para Encontrar Puntos de Inflexión
De acuerdo con la prueba de concavidad, existe un punto de inflexión en cualquier punto donde la segunda derivada cambia de signo.
Criterio para Puntos de Inflexión
Si tiene un punto de inflexión en , entonces existe un punto de inflexión en cualquier punto donde cambia de signo. Esto puede ocurrir cuando:
- , o
- no existe
De este modo, el siguiente procedimiento de tres pasos siempre funciona:
4.3 Método para Hallar Puntos de Inflexión
Método del intervalo cerrado Para hallar los valores máximo y mínimo absolutos de una función continua sobre un intervalo cerrado :
- Encuentre los valores de en los números críticos de en
- Halle los valores de en los puntos extremos del intervalo
- El más grande de los valores de los pasos 1 y 2 es el valor máximo absoluto; el más pequeño, el valor mínimo absoluto
5. La Prueba de la Segunda Derivada
5.1 Enunciado de la Prueba
Otra aplicación de la segunda derivada es la siguiente prueba para los valores máximos y mínimos, que no es más que una consecuencia de la prueba de concavidad.
Prueba de la Segunda Derivada
Supongamos que es continua cerca de .
a) Si y , entonces tiene un mínimo local en .
b) Si y , entonces tiene un máximo local en .
5.2 Interpretación
Por ejemplo, el inciso a) es cierto porque y, por tanto, es cóncava hacia arriba cerca de . Esto significa que la gráfica está sobre su recta tangente horizontal en y, por tanto, tiene un mínimo local en . (Véase la figura.)
5.3 Ejemplo de Aplicación
Ejemplo 5: Discuta la curva
y = x^4 - 4x^3respecto a la concavidad, puntos de inflexión y máximos y mínimos locales. Utilice esta información para esbozar la curva.Solución: Si , entonces:
Puesto que cuando o , los únicos números críticos son 0 y 3. Para utilizar la prueba de la segunda derivada evaluamos en estos números críticos:
Ya que y , es un mínimo local. Dado que , la prueba de la segunda derivada no aporta información sobre el número crítico . Pero ya que para y también para , la prueba de la primera derivada nos dice que no tiene máximo o mínimo local en 0. [De hecho, la expresión para muestra que decrece a la izquierda de 3 y crece a la derecha de 3.]
Puesto que cuando o , dividimos la recta real en intervalos con estos números como extremos y completamos la siguiente tabla.
Intervalo Concavidad hacia arriba hacia abajo hacia arriba El punto es un punto de inflexión ya que la curva cambia de cóncava hacia arriba a cóncava hacia abajo. También es un punto de inflexión, ya que la curva cambia de cóncava hacia abajo a cóncava hacia arriba.
NOTA
La prueba de la segunda derivada es incierta cuando . En otras palabras, en tal punto puede haber un máximo, puede haber un mínimo, o podría no haber máximo o mínimo (como en el ejemplo 6). Esta prueba también falla cuando no existe. En tales casos, debe utilizarse la prueba de la primera derivada. De hecho, aun cuando se aplican ambas pruebas, la prueba de la primera derivada es a menudo más fácil de utilizar.
🎯 Conceptos Clave para Repasar
Resumen de Conceptos
- Si → es creciente; si → es decreciente
- Prueba de la Primera Derivada: Cambios de signo de indican extremos locales
- Si → cóncava hacia arriba; si → cóncava hacia abajo
- Punto de inflexión: Donde cambia la concavidad (y cambia de signo)
- Prueba de la Segunda Derivada: Si y → mínimo local
- Tabla de signos: Herramienta esencial para analizar intervalos
- La primera derivada falla cuando o no existe
- Graficar requiere: crecimiento/decrecimiento + concavidad + puntos críticos
🚨 Errores Comunes
Error 1: Confundir creciente con cóncava hacia arriba
- Incorrecto: Pensar que creciente = cóncava hacia arriba
- Correcto: Una función puede ser creciente y cóncava hacia abajo, o decreciente y cóncava hacia arriba
Error 2: Olvidar verificar cambios de signo
- Incorrecto: Asumir que implica punto de inflexión
- Correcto: Verificar que cambia de signo en
Error 3: Aplicar mal la segunda derivada
- Incorrecto: Si , entonces hay un extremo en
- Correcto: Si , la prueba de la segunda derivada no es concluyente
Error 4: No considerar todos los números críticos
- Incorrecto: Solo buscar donde
- Correcto: También considerar donde no existe
Error 5: Confundir puntos críticos con puntos de inflexión
- Incorrecto: Pensar que los números críticos son puntos de inflexión
- Correcto: Puntos críticos relacionados con ; puntos de inflexión con
📝 Ejercicios Propuestos
Ejercicios de Práctica
Del libro (Sección 4.3):
Utilice la gráfica de para encontrar lo siguiente:
- Los intervalos abiertos sobre los que es creciente
- Los intervalos abiertos sobre los que es decreciente
- Los intervalos abiertos sobre los que es cóncava hacia arriba
- Los intervalos abiertos sobre los que es cóncava hacia abajo
- Las coordenadas de los puntos de inflexión
a) Establezca la prueba de la primera derivada b) Establezca la prueba de la segunda derivada. ¿Bajo qué circunstancias no son concluyentes? ¿Qué haría si no es válida?
Encuentre dónde la función es creciente y dónde es decreciente.
a) Encuentre los intervalos sobre los que crece o decrece b) Encuentre los valores máximos y mínimos locales de c) Encuentre los intervalos de concavidad y los puntos de inflexión
Para las funciones:
- en
Esboce la gráfica de una función que cumpla con las condiciones siguientes:
- ,
- sobre y , sobre
- sobre y , sobre
📚 Referencias
Lectura Principal
- Sección 4.3: Cómo afecta la derivada la forma de una gráfica, págs. 290-297
- Stewart, James. “Cálculo de una Variable: Trascendentes Tempranas”, 7ª edición
Enlaces Relacionados
- 22) Teorema del Valor Medio - Conceptos prerequisito
- Prueba-Primera-Derivada
- Prueba-Segunda-Derivada
- Concavidad
- Puntos-Inflexion
Sugerencia de Estudio
Esta clase es fundamental para poder graficar funciones de manera precisa. La clave está en organizar la información usando tablas de signos para y . Practica identificando intervalos de crecimiento/decrecimiento y concavidad. Los ejemplos 1, 3 y 4 son esenciales. Recuerda que la prueba de la primera derivada siempre funciona, mientras que la segunda puede no ser concluyente.
✅ Checklist de Estudio
Lista de Verificación
- Puedo determinar dónde una función crece o decrece usando
- Sé aplicar la Prueba de la Primera Derivada para encontrar extremos
- Comprendo el concepto de concavidad hacia arriba y hacia abajo
- Puedo determinar la concavidad usando
- Sé identificar puntos de inflexión verificando cambios de signo de
- Puedo aplicar la Prueba de la Segunda Derivada para clasificar extremos
- Entiendo cuándo la segunda derivada no es concluyente
- Puedo organizar información en tablas de signos
- Sé graficar funciones usando toda la información de derivadas
- Comprendo que una función puede ser creciente y cóncava hacia abajo
🏷️ Tags
calculo aplicaciones-derivada creciente-decreciente concavidad puntos-inflexion prueba-primera-derivada prueba-segunda-derivada graficacion clase-23 clase