La Recta Real

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Tema 3. La Derivada.
Aplicaciones y representación gráfica de funciones
1.

Índice

2.

La derivada y la recta tangente

3.

Definición de derivada

4.

Derivadas laterales

5.

Derivabilidad y continuidad

6.

Ritmos de cambio

7.

Reglas básicas de derivación

8.

Derivadas de orden superior

9.

La regla de la cadena

10. Extremos de una función

11. Números críticos
12. Estrategia para localizar extremos
13. Teorema de Rolle
14. Teorema del Valor Medio
15. Regla de Bernouilli-Hôpital
16. Funciones crecientes y decrecientes
17. Criterio de crecimiento y decrecimiento
18. El criterio de la primera derivada
19. Aplicación del criterio de la 1ª derivada
20. Concavidad y convexidad
21. Criterio de concavidad
22. Aplicación del criterio de concavidad
23. Puntos de inflexión
24. El criterio de la 2ª derivada
25. Aplicación del criterio de la 2ª derivada
26. Problemas de aplicación de máximos
y mínimos

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27. Análisis de gráficas

1


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La Derivada y el problema de la recta
tangente

y

(c+Dx , f(c+Dx))
f(c+Dx)-f(c)

(c ,f(c))

f (c  Dx)  f (c)
(c  Dx)  c

Dx

f (c  Dx)  f (c)
x

Dx

Recta secante que pasa por

Cambio en y
Cambio en x



Pendiente de la recta
secante

(c, f(c)) y (c+Dx , f(c+Dx))
Si f está definida en un intervalo abierto que
Recta secante

contiene a c y además existe el límite
lim

Dx 0

Recta tangente

Dy
Dx

 lim

Dx 0

f (c  Dx)  f (c)
Dx

m

entonces, la recta que pasa por (c,f(c)) con pendiente

m se llama recta tangente a la gráfica de f en
el punto (c,f(c))

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Definición de derivada
La derivada de f en x viene dada por

f ´( x)  lim

f ( x  Dx)  f ( x)

Dx 0

supuesto que exista ese límite

Dx

Una función es derivable en x si su derivada en x existe, y derivable en
un intervalo abierto (a,b) si es derivable en todos y cada uno de los
puntos de ese intervalo
f ´( x),

dy
dx

, y´,

d
dx

[ f ( x)], Dx  y 

Notaciones de la derivada

dy
Dy
f ( x  Dx)  f ( x)
Derivada de y
 lim
 lim
 f ´( x)
con respecto de x dx Dx0 Dx Dx0
Dx

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Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones 3


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Derivadas laterales
Fórmula alternativa
para la derivada

f ´(c)  lim

x c

f ( x )  f (c )

(x,f(x))

xc

(c, f(c))

deben existir

lim

x c

f ( x )  f (c )
xc

Derivada por
la izquierda

lim

x c

x-c

f ( x )  f (c )
xc

c

f(x)-f(c)
x

Derivada por
la derecha

Una función es derivable en un intervalo cerrado [a,b] si es derivable en
(a,b) y además existen la derivada por la derecha en a y la derivada por la
izquierda en b

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Derivabilidad y continuidad
Derivable  continua

Si f es derivable en x=c, entonces
es continua en x=c

Continua  Derivable

Es posible que una función sea
continua en x=c sin ser derivable

f ( x)  x

f ( x)  x

f ( x)  x  2

1
3

2
-3

-2

-1

1

1
-1

2

3

lim

No es continua en x=0 x 0
 No es derivable en x=0

lim

x 0

Continua en x=0

2

-2

x  0



x

x  0

Continua en x=2 pero
no es derivable en x=2

lim

x2

0

x

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lim

x2

x2 0
x2
x2 0
x2

lim

x 0

 1
1

x

1
3

0

x

 lim

x 0

1
2

x



3

La recta tangente en x=0 es
vertical. Por tanto, f no es
derivable en x=2

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones 5


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Ritmos de cambio
La derivada sirve para calcular el ritmo de cambio de una variable con respecto a otra
 Ritmos de crecimiento de poblaciones
 Ritmos de producción

Flujo de un líquido
 Velocidad y aceleración

S(t) función de posición: Da la posición

(respecto del origen) de un objeto como
función del tiempo t
Cambio en distancia
Ds
Dt: lapso de tiempo

Cambio en tiempo
Dt
Ds: cambio de posición

Velocidad media

Obtenemos la velocidad instantánea cuando t=1, aproximando por las velocidades medias
sobre pequeños intervalos de tiempo [1 , 1+Dt] , tomando límite cuando Dt0

v(t)  lim

Δt 0

s (t  Δt )  s (t )
Δt

 s´(t)

Función Velocidad

La función velocidad es la derivada de la función posición.
La posición de un objeto en caída libre es:

s(t) 

1

2

gt

2

 v0t  s0 Función posición

S0 altura inicial , v0 velocidad inicial, g-9,8 m/s2 aceleración gravedad
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Reglas básicas de derivación
1. Regla de la constante
2. Regla de las potencias

3. Regla del múltiplo constante
4. Reglas de suma y diferencia
5. Derivadas de las funciones seno y coseno
6. Regla del producto

7. Regla del cociente
8. Derivadas de funciones trigonométricas

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Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones 7


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Derivadas de orden superior
s(t)

Función posición

s´(t)  v(t)

Función ve locidad

s´´(t)  v´(t)  a (t )

a (t) es la segunda
derivada de s (t)

Función aceleració n

Podemos definir derivadas de cualquier orden entero positivo

Primera derivada

y´,

f ´( x),

dy

d

,

dx

dx
2

Segunda derivada

y´´, f ´´(x),

d y
dx

2

d

,

y´´´, f ´´´(x),

d y
dx

3

y

( 4)

,

f

( 4)

( x),

...............
n - ésima derivada

y

(n)

,

f

(n)

( x),

d y
4

dx
n
d y

dx
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n

,

,

Dx  y 

3

dx

4

Cuarta derivada

 f ( x),
2

d

,

Dx  y 

2

dx

3

Tercera derivada

 f ( x),

 f ( x),
3

d

4

Dx  y 
3

 f ( x),
4

Dx  y 

 f ( x),
n

Dx  y 

dx
n
d

dx

2

4

n

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones 8


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La Regla de la cadena y sus aplicaciones
Regla de la
cadena

Si y = f(u) es una función derivabe de u, y si
además u=g(x) es una función derivable de x,
entonces y=f(g(x)) es una función derivable, con

dy

dy du


dx du dx

Aplicaciones
1. Regla general para potencias
2. Derivación de funciones con radicales
3. Derivación de cocientes con numeradores constantes
4. Aplicación de la regla de la cadena a funciones
trigonométricas
5. Aplicaciones reiteradas de la regla de la cadena

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Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Extremos de una función
2

5

3
1

-

-

f ( x)  x  1

máximo
(2,5)

-2 -1

1 2 3

f continua en [-1,2]

Sea f definida en un intervalo I que contiene a c
1. f(c) es el mínimo de f en I,
si f(c)  f(x) para todo x en I.
2. f(c) es el máximo de f en I,
si f(c)  f(x) para todo x en I.
El máximo y mínimo de una funcion en un intervalo
son los valores extremos

1. Si existe un intervalo abierto que contiene
a c y en el que f(c) es máximo, entonces
f(c) se llama un máximo relativo de f.
2. Si existe un intervalo abierto que contiene
a c y en el que f(c) es mínimo, entonces
f(c) se llama un mínimo relativo de f.

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Máximo
relativo
(0,0)

f ( x)  x  3 x
3

2

Mínimo relativo
(2,-4)

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Números críticos
Sea f definida en c. Si f´(c)=0 o si f´ no está definida en c,
se dice que c es un número crítico de f.

f´(c)=0 Tangente

f´(c) no está definido

c

horizontal

c
c es un número crítico de f

LOS EXTREMOS RELATIVOS SOLO OCURREN EN LOS NÚMEROS
CRÍTICOS:
Si f tiene un máximo relativo o un mínimo relativo en x=c, c es un
número crítico de f

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Estrategia para localizar extremos
relativos en un intervalo cerrado
Para hallar los extremos relativos
de una función continua f en un
intervalo cerrado [a,b] :
1.
2.
3.
4.

Hallar los números críticos de f en [a,b]
Evaluar f en cada número crítico de (a,b)
Evaluar f en a y en b
El más grande de esos valores es el
máximo. El más pequeño es el mínimo.

Hallar los extremos de

f ( x)  2 x  3 x

2
3

en el intervalo [-1,3]
1


3
2
x

1

f ´( x)  2  1  2
1


3
x 3
x


f´(0) no está definido 
x=0 punto crítico

f´(x)=0  x=1 punto crítico

f(a)

punto crítico

punto crítico

f(-1)=-5

f(0)=0

f(1)=-1

mínimo

máximo

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f(b)

f(3)-0,24

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Teorema de Rolle
Sea f continua en el intervalo cerrado [a,b] y derivable en el
intervalo abierto (a,b). Si

f(a) = f(b)
Existe al menos un número c en tal que f´(c)=0
Máximo
relativo

Máximo
relativo

f es continua en [a,b]

f es continua

y derivable en (a,b)

a

c

b

a

El teorema de Rolle asegura que
existe al menos un punto entre
a y b en el que la gráfica de f
tiene tangente horizontal

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en [a,b]

c

b

Si se suprime la hipótesis de
dervabilidad f tiene un número
crítico en (a,b), pero quizá no
tenga en el tangente horizontal

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Teorema del Valor Medio
Sea f continua en el intervalo cerrado [a,b]
Pendiente de la recta tangente = f´(c)
Recta tangente
Recta
secante

(b, f(b))

(a, f(a))

a c

b

y derivable en el intervalo abierto (a,b),
existe un número c en (a,b) tal que
f (b)  f (a )
f ´( c ) 
ba
 Importante teorema del Cálculo;
útil para demostrar otros teoremas
 Geométricamente garantiza la
existencia de una recta tangente
paralela a la secante que une los puntos
(a, f(a)) y (b, f(b)).

 En términos de ritmo de cambio asegura que debe
haber algún punto en (a,b) en el que el ritmo instantáneo
de cambio es igual al ritmo medio de cambio en [a,b]
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Regla de Bernouilli- Hôpital
Sean f y g continuas y derivables en un entorno reducido del punto c.
Si g no se anula en ningún punto del entorno y las funciones f´y g´no se
anulan simultáneamente en ningún punto,
en caso de existir

también existe

f ´( x )

lim

g´( x )

xc

lim
xc

lim

x c

f ( x)
g ( x)

f ( x)
g ( x)

y ambos coinciden:

f ´( x )

 lim

x c

g´( x )

La regla de Hôpital también es válida cuando:

f , g / lim

x 

f ( x )  lim g ( x )  0
x 

f , g / lim f ( x )  lim g ( x )  
x c

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x c

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Funciones crecientes y decrecientes
Una función f es creciente en un intervalo si
para cualquier par de número x1, x2 del
intervalo

x1  x2 f(x1)  f(x2)
Una función f es decreciente en un intervalo si
para cualquier par de número x1, x2 del
intervalo
constante

f´(x) 0

x1  x2 f(x1)  f(x2)

f´(x) =0 f´(x)  0
La derivada está realacionada con la
pendiente de la función

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Criterio de crecimiento y decrecimiento
Sea f continua en [a,b] y derivable en (a,b)

[Con a,b, reales,  o - ]

1. f´(x)  0,  x (a,b)  f es creciente en [a,b]
2. f´(x)  0,  x (a,b)  f es decreciente en [a,b]
3. f´(x) = 0,  x (a,b)  f es constante en [a,b]
Hallar los intervalos abiertos en los que
f es creciente o decreciente

Nótese que f es continua en
toda la recta real. Para
hallar sus números críticos,
igualamos a cero su derivada

Intervalo
Valor prueba

Signo de f´(x)
Conclusión

f ( x)  x 
3

x

2

f ´( x )  3 x  3 x  0

2
Hacer f´=0

3( x )( x  1)  0

Factorizar

x  0, 1

Números críticos

2

- x  0

x=-1

0 x  1

x=1/2

f´(-1)=60 f´(1/2)=-3/4  0
creciente

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3

decreciente

1  x  

x=2

f´(2)=60
creciente

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El criterio de la primera derivada
Sea c un número crítico de una función f definida en un intervalo abierto (a,b)
que contiene a c. Si f es derivable en ese intervalo, excepto quizá en c,
entonces f(c) puede clasificarse así:
1. Si f´(x) cambia en c de negativa a positiva, f(c) es un mínimo relativo de f
2. Si f´(x) cambia en c de positiva a negativa, f(c) es un máximo relativo de f
(-)

(+)

f´(x) 0
a

f´(x)  0
c

mínimo
relativo

(+)
f´(x)  0

b

a

f´(x)  0
c

(+)
f´(x)  0

f´(x)  0
c

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b

(-)

f´(x)  0
a

máximo
relativo

b

(-)

(+)

a

(-)

c

f´(x)  0
b

Ni máximo ni mínimo

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Aplicación del criterio de la primera derivada
Ejemplo

Hallar los extremos relativos de

f ( x)  2 x  3 x

2
3

Derivando, simplificando y factorizando

f ´( x ) 

x = 1
x = 0





2 x  1  x  1 x  1
2

3

x
Números críticos, f´(x)=0
0 no está en el dominio de f

Intervalo
Valor prueba

Signo de f´(x)
Conclusión

- x -1

x=-2
f´(-2)  0
decreciente

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(-1,2)
Mínimo
relativo

(1,2)
Mínimo
relativo

-1 x  0

0 x  1

1  x  

x=-1/2

x=1/2

x=2

f´(-1/2)  0
creciente

f´(1/2) 0

f´(2)0

decreciente

creciente

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Concavidad y Convexidad
Sea f derivable en un intervalo abierto I. La gráfica de f es
cóncava en I si f´es creciente en I y
convexa en I si f´es decreciente en I.

cóncava
f´ creciente

La gráfica de f queda
por encima de su recta
tangente

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convexa
f´ decreciente

La gráfica de f queda
por debajo de su recta
tangente

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Criterio de concavidad
Sea f una función cuya segunda derivada existe en un intervalo abierto I.
1. Si f´´(x)  0 para todo x en I, la gráfica de f es cóncava en I
2. Si f´´(x)  0 para todo x en I, la gráfica de f es convexa en I

Para aplicar este criterio:


Localizar los x en los que f´´(x)=0



Localizar los x en los que f´´(x) no está definida



Ensayar el signo de f´´ en cada uno de los intervalos de prueba

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Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Aplicación del criterio de concavidad
Hallar los intervalos abiertos para los que la gráfica es cóncava o convexa



f ( x)  6 x  3
2



1

f es contínua en toda la recta real.
Hallamos f´y f´´
 12
f ´( x ) 
3
2
x 3


36x  1
f ´´( x ) 
0
x  3 

f´´ 0

Cóncava



2

2

3

Intervalo
Valor prueba

Signo de f´´(x)
Conclusión

f´´ 0
f´´  0

Cóncava

Convexa

x = 1

- x -1

x=0

x=-2
f´´(-2)  0
cóncava

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-1 x  1

1  x  

x=2

f´´(0)  0

f´´(2)0

convexa

cóncava

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Puntos de Inflexión
Si (c,f(c)) es un punto de inflexión de la gráfica de f, entonces
o bien f´´(c)=0 o f´´(x) no está definida en x = c
Hallar los ptos. de inflexión y discutir la concavidad de f ( x )  x  4 x
4

3

Hallamos f´y f´´

f ´( x )  4 x  12 x
f está definida y es continua en
3

2

Cóncava

todos los reales

Cóncava

f ´´( x )  12 x x  2  0 
x = 0, x = 2

Convexa

Posibles ptos. de inflexión

Intervalo
Valor prueba

Signo de f´´(x)
Conclusión

0x  2

- x 0

x=1

x=-1

f´´(-1)  0
cóncava

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f´´(1)  0
convexa

2  x  

x=3

f´´(3) 0
cóncava

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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El criterio de la segunda derivada
Sea f una función tal que f´(c)=0 y cuya segunda derivada existe en un
intervalo abierto que contiene a c.
1. f´´(c)  0, entonces f(c) es un mínimo relativo
2. f´´(c)  0, entonces f(c) es un máximo relativo
Si f´´(c) = 0, este criterio no decide y ha de recurrirse al criterio de
la primera derivada
cóncava

c

f´(c) = 0,
 f(c) es mínimo
f´´(c)  0
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convexa

c

f´(c) = 0,
 f(c) es máximo
f´´(c)  0
Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Aplicación del criterio de la segunda derivada
Hallar los extremos relativos de

f ( x )  3 x  5 x
5

(1,2)
Máximo relativo

3

Calculamos la derivada



f ´( x )  15 x 1  x
2

2

 0

Los números críticos de f :
x = -1, 1, 0

(-1,-2)
Mínimo relativo

f ´´( x )  30( 2 x  x )
3

Punto

Conclusión

Signo de f´´

(-1,-2)

f´´(-1) = 30  0 Mínimo relativo

( 1, 2 )

f´´(1) = -30  0 Máximo relativo

( 0, 0 )

f´´(0 ) = 0

El criterio no decide

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Criterio de la
1ª derivada

Como f crece a la izda
y dcha de x=0, no es
máximo ni mínimo

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Problemas de aplicación de máximos y mínimos

Estrategia

Un ganadero desea trasladar al matadero su producción de cerdos.
El transportista cobra 1,20 € por cabeza si traslada en cada camión 20
cerdos exactamente, mientras que si traslada más de 20 le descuentan 5
céntimos por cada uno que pase de 20. Hallar el número de cerdos que el
transportista propondrá trasladar al ganadero para obtener el máximo
beneficio

1. Asignar signos a todas las magnitudes
2. Escribir una ecuación primaria para la
magnitud que debe ser optimizada
3. Reducir la ecuación primaria a una ecuación
con solo una variable independiente. Esto puede
exigir ecuaciones secundarias que relacionen las
variables independientes de la ecuación primaria
4. Determinar el dominio de la ecuación primaria.
Esto es, hallar valores para los que la ecuación
primaria tiene sentido
5. Determinar el máximo o mínimo mediante las
técnicas de Cálculo estudiadas

Matemáticas 1º Veterinaria Curso 2002/2003. Ana Allueva

x número de cabezas de más
a partir de 20

B(x)=(20+x)(120-5x)

Beneficio que deseamos maximizar

B´(x)= (120-5x)+(20+x)(-5)=
-10x+20= 0  x=2
B´´(x)= -10  0 , x=2 máximo
Se transportarán 22 cerdos

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

26


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Análisis de Gráficas
Conceptos estudiados útiles al analizar gráficas de funciones
Dominio y recorrido
Intersección con los ejes
Simetrías
Continuidad
Asíntotas
Derivabilidad
Extremos relativos
Concavidad y convexidad
Puntos de inflexión

Matemáticas 1º Veterinaria Curso 2002/2003. Ana Allueva

Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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Bibliografía
Cálculo y Geometría Analítica
Larson, Hostetler, Eduards. Volumen 1, 1999 (6ª edición),
Ed. McGraw-Hill

Ejercicios y problemas
Problemas de Matemáticas

para ingeniería técnica agrícola y veterinaria

Alejandre, Allueva,González. Tomo 1, 2000
Ed. Copy Center Zaragoza (C/. Doctor Cerrada nº 2)

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Tema 3. La Derivada. Aplicaciones y representación gráfica de funciones

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