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Estudio de funciones: periodicidad, monotonía, extremos y máximo y mínimo en un intervalo

Para estudiar una función nos hacemos cuatro preguntas. ¿La gráfica se repite (período T con f(x + T) = f(x))? ¿Dónde sube o baja (el signo de la pendiente)? ¿Dónde da la vuelta (pendiente cero, que da un máximo o un mínimo local)? Y en un intervalo [a, b], ¿cuál es el valor más grande y el más pequeño (se miran los dos extremos y los puntos de giro de dentro)?

🎬 Historia paso a paso

  1. La onda se repite. Mira los dos puntos morados: después de una distancia T la altura es exactamente la misma. T es el período.
  2. Aprieta la onda: w pasa de 1 a 2. La onda se repite el doble de rápido y el período se reduce a la mitad, de unos 6.28 a 3.14.
  3. Curva nueva: x³ − 3x. Las partes verdes suben, la parte roja baja. El punto cambia de color mientras lo deslizas.
  4. En la cima de la colina y en el fondo del valle la recta tangente naranja está plana. Ahí la pendiente es 0. Son los puntos de giro.
  5. Ahora mira solo la franja azul, el intervalo de −2 a 1.5. El valor más grande es 2 en x = −1. El más pequeño es −2 en un extremo, x = −2.
  6. Juego libre. Mueve a y b. El máximo y el mínimo pueden estar en un punto de giro o en un extremo. Mira cómo saltan.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Qué se repite exactamente en una función periódica?

Todo el dibujo. Si lo desplazas T hacia la derecha, cae exactamente sobre sí mismo.

¿Por qué el período es más pequeño cuando w es mayor?

Una w mayor aprieta la onda hacia los lados, así que una onda completa cabe en una distancia más corta: T = 2π ÷ w.

¿Por qué cambia el color en −1 y en 1?

En esos puntos la curva deja de ir en un sentido y empieza a ir en el otro, así que la pendiente cambia de signo.

¿Por qué la tangente está plana en un punto de giro?

Justo antes de la cima la gráfica sube, justo después baja. Entre las dos cosas, la pendiente tiene que pasar por 0.

¿Por qué el mínimo está en el extremo x = −2 y no en un punto de giro?

Los extremos también son candidatos. Aquí f(−2) = −2 es igual al valor del valle f(1) = −2, así que los dos son el más pequeño.

¿Puede estar el máximo en un punto de giro?

Sí. Desliza a hasta −1.5 y b hasta 1: el máximo 2 está en el punto de giro x = −1.

Periodicidad

Una función f es periódica si existe un número T > 0 tal que f(x + T) = f(x) para todo x. El menor T que lo cumple es el período. La gráfica es un trozo que se repite una y otra vez.

Una función como x² no es periódica: sus valores siguen creciendo y nunca se repiten.

Si f tiene período T, solo hace falta estudiar un período y luego copiarlo.

Monotonía: creciente y decreciente

Una función es creciente en un intervalo si la gráfica sube cuando x aumenta, y decreciente si baja. Juntas se llaman monótonas (van en una sola dirección).

Lo decide la pendiente. La pendiente de la curva en un punto se escribe f′(x) (la derivada).

Ejemplo: f(x) = x³ − 3x, f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1). Es positiva para x < −1 y x > 1 (creciente) y negativa para −1 < x < 1 (decreciente).

Extremos: puntos de giro

Un máximo local es la cima de una colina: la función sube y luego baja. Un mínimo local es el fondo de un valle: baja y luego sube. Juntos son los extremos (extremo, en singular).

En un punto así la recta tangente está plana, por lo que f′(x) = 0. Se encuentran así:

  1. Resuelve f′(x) = 0. Esos son los candidatos (puntos críticos).
  2. Mira el signo de f′ justo antes y justo después. Más y luego menos: máximo. Menos y luego más: mínimo. Sin cambio: ninguno de los dos (como x³ en 0).

Para x³ − 3x: f′ = 0 en x = ±1. En x = −1 la pendiente pasa de + a −: máximo local, valor 2. En x = 1 pasa de − a +: mínimo local, valor −2.

Máximo y mínimo en un intervalo [a, b]

En un intervalo cerrado [a, b] una función suave tiene un valor más grande y uno más pequeño. Pueden estar en un punto de giro de dentro o en un extremo del intervalo. Por eso:

  1. Halla los puntos de giro (f′ = 0) que estén dentro de [a, b]. Ignora los de fuera.
  2. Calcula f en esos puntos y en a y b.
  3. El número mayor es el máximo, el menor es el mínimo.

Para f = x³ − 3x en [−2, 1.5]: f(−2) = −2, f(−1) = 2, f(1) = −2, f(1.5) = −1.125. Máximo 2 en x = −1; mínimo −2 en x = −2 y x = 1.

Un máximo local no siempre es el mayor del intervalo: un extremo puede ser más grande.

Pruébalo: predice y comprueba

En la pizarra 3D elige "Máximo y mínimo en [a, b]". Adivina: si a = −1.5 y b = 2, ¿dónde está el máximo? Desliza a y b para comprobarlo. En casa: lanza una pelotita hacia arriba (¡con suavidad!) y observa: sube, se detiene un instante arriba (pendiente 0) y cae. La cima es el punto de giro. O aplaude con un ritmo constante: el tiempo entre dos palmadas es el período.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Halla el período de y = sen(3x).

T = 2π ÷ w = 2π ÷ 3 = 2π/3.

2. Halla el período de y = cos(x/2).

Aquí w = 1/2, así que T = 2π ÷ (1/2) = 4π. La onda está estirada, por eso se repite más despacio.

3. ¿Es periódica f(x) = x²?

No. Si f(x + T) = f(x) para todo x, entonces en x = 0: T² = 0, así que T = 0, pero un período debe ser mayor que 0. Por tanto x² no es periódica. La gráfica es un cuenco que nunca se repite.

4. ¿Dónde es creciente y dónde decreciente f(x) = x² − 4x?

f′(x) = 2x − 4. Vale 0 en x = 2. Para x < 2, f′ < 0: decreciente. Para x > 2, f′ > 0: creciente. Así que x = 2 es el mínimo, con f(2) = −4.

5. Halla el máximo y el mínimo locales de f(x) = x³ − 3x.

f′ = 3x² − 3 = 0 da x = ±1. En x = −1 la pendiente pasa de + a −: máximo local, f(−1) = −1 + 3 = 2. En x = 1 pasa de − a +: mínimo local, f(1) = 1 − 3 = −2.

6. Halla el máximo y el mínimo de f(x) = x³ − 3x en [−2, 1.5].

Los puntos de giro ±1 están los dos dentro. f(−2) = −8 + 6 = −2. f(−1) = 2. f(1) = −2. f(1.5) = 3.375 − 4.5 = −1.125. El mayor es 2 en x = −1, el menor es −2 en x = −2 y x = 1.

7. Halla el máximo y el mínimo de f(x) = x² − 4x + 1 en [0, 5].

f′ = 2x − 4 = 0 da x = 2 (dentro). f(2) = 4 − 8 + 1 = −3. f(0) = 1. f(5) = 25 − 20 + 1 = 6. Máximo 6 en x = 5 (un extremo), mínimo −3 en x = 2.

8. Halla el máximo y el mínimo de f(x) = x + 1/x en [1, 4].

f′ = 1 − 1/x². Para x > 1, 1/x² < 1, así que f′ > 0: creciente en todo el intervalo. No hay punto de giro dentro (x = 1 es un extremo). Mínimo f(1) = 2, máximo f(4) = 4 + 0.25 = 4.25.

Errores comunes

Test de práctica

1. El período de sen x es:
2. El período de sen(2x) es:
3. Si f′(x) < 0 en un intervalo, f es ahí:
4. En un máximo local la pendiente es:
5. En [a, b] el máximo puede estar en:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre máximo local y máximo global?

Un máximo local es el más alto de su entorno. El máximo global (absoluto) en un intervalo es el valor más alto de todo el intervalo.

¿Puede una función ser creciente y decreciente a la vez?

No en el mismo intervalo, pero sí en partes distintas de su gráfica, como x³ − 3x.

¿Necesito derivadas para estudiar una función?

Lo hacen más rápido, pero también puedes leer la gráfica o comparar valores. Esta lección muestra la idea de pendiente con una tangente en 3D.

Aprende antes

Aprende después

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