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Aplicaciones de la derivada

La derivada mide qué tan rápido cambia una cantidad respecto a otra. Su signo nos dice si la función sube (f′ > 0, creciente) o baja (f′ < 0, decreciente). Donde f′ = 0 la tangente es horizontal: esos puntos críticos pueden ser un máximo o un mínimo local, y se comprueban con el criterio de la primera derivada (cambio de signo) o el de la segunda derivada (signo de f″). Así resolvemos problemas reales, como la caja más grande o el depósito más barato.

🎬 Historia paso a paso

  1. Razón de cambio: f′(x) indica qué tan rápido cambia y cuando x crece un poco. Lee la pendiente del punto que se mueve sobre y = x³ − 3x.
  2. Donde f′(x) > 0 la curva sube: verde, creciente. Donde f′(x) < 0 la curva baja: rojo, decreciente.
  3. Los puntos críticos son aquellos donde f′(x) = 0 y la tangente es horizontal. Primera derivada: de más a menos es un máximo; de menos a más es un mínimo.
  4. Segunda derivada: f″ < 0 es un cuenco boca abajo, o sea un máximo. f″ > 0 es un cuenco normal, o sea un mínimo.
  5. Problema real: se cortan cuadrados de x cm en las esquinas de una hoja cuadrada de 12 cm y se dobla para hacer una caja. El volumen es mayor cuando x = 2.
  6. Tu turno: cambia a en y = x³ − ax, mueve x y lee la pendiente y la curvatura.

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

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Qué significa realmente la razón de cambio?

Es cuánto cambia y para un paso muy pequeño en x, llevado a una unidad. El punto que se mueve la muestra como pendiente: más empinada significa que cambia más rápido.

¿Una función puede ser creciente y tener f′ = 0 en algún punto?

Sí, en puntos aislados. x³ crece en todas partes aunque f′(0) = 0. La gráfica se aplana un instante, pero nunca da la vuelta.

¿Cómo sé si es un máximo y no un mínimo?

Mira f′ justo antes y justo después. En la curva, la pendiente pasa de positiva (sube) a negativa (baja) en x = −1, así que es una cima.

¿Por qué f″ < 0 significa un máximo?

f″ < 0 quiere decir que la pendiente va disminuyendo. En la cima de una colina la pendiente pasa de positiva a cero y a negativa, o sea que siempre disminuye: un cuenco boca abajo.

¿Por qué se descarta x = 6 en el problema de la caja?

Si cortas 6 cm en cada esquina de una hoja de 12 cm, no queda base (12 − 2×6 = 0), así que el volumen es 0. La gráfica toca el cero ahí.

¿Qué pasa cuando no hay puntos críticos?

En el juego libre cambia a por un número negativo. Entonces f′ = 3x² − a siempre es positiva, la curva siempre sube y no tiene máximo ni mínimo local.

Razón de cambio de las cantidades

Si y depende de x, entonces dy/dx es la razón de cambio de y respecto a x. En x = a escribimos (dy/dx) en a, o f′(a).

Si x e y cambian con el tiempo t, usamos la regla de la cadena: dy/dt = (dy/dx) × (dx/dt).

Ejemplo: el radio de un círculo crece a 0.5 cm/s. El área es A = πr², así que dA/dt = 2πr × dr/dt. Cuando r = 4 cm, dA/dt = 2π(4)(0.5) = 4π cm²/s.

El costo marginal y el ingreso marginal en economía también son derivadas: lo que cambia el costo o el ingreso al producir un artículo más.

Funciones crecientes y decrecientes

En un intervalo donde f es derivable:

Cómo hallar los intervalos

  1. Calcula f′(x) y resuelve f′(x) = 0.
  2. Esos puntos dividen la recta numérica en intervalos.
  3. Prueba el signo de f′ en cada intervalo.

Para f(x) = x³ − 3x: f′ = 3(x − 1)(x + 1). Es creciente en (−∞, −1) y en (1, ∞), y decreciente en (−1, 1).

Máximos y mínimos

Un máximo local es un punto más alto que todos los puntos cercanos; un mínimo local es más bajo que todos los puntos cercanos. En un punto así (si la función es suave allí) f′(c) = 0. Los puntos con f′(c) = 0 o con f′ no definida se llaman puntos críticos.

Criterio de la primera derivada

Criterio de la segunda derivada

Máximo y mínimo absolutos (globales) en [a, b]

Busca todos los puntos críticos dentro de [a, b] y calcula f en ellos y en los extremos a y b. El valor mayor es el máximo absoluto y el menor es el mínimo absoluto.

Problemas de la vida real

  1. Nombra la cantidad que quieres hacer mayor o menor (volumen, área, costo).
  2. Escríbela con una sola variable usando la condición dada.
  3. Deriva, iguala la derivada a 0 y resuelve.
  4. Usa el criterio de la segunda derivada (o de la primera) para confirmar si es máximo o mínimo.
  5. Responde la pregunta con sus unidades.

Ejemplo de la caja: V = x(12 − 2x)², dV/dx = 12(x − 2)(x − 6). Con x = 6 no hay caja, así que x = 2; V″(2) = −48 < 0, un máximo de 128 cm³.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. El lado de un cuadrado crece a 3 cm/s. ¿Qué tan rápido crece su área cuando el lado mide 10 cm?

A = x², dA/dt = 2x·dx/dt = 2(10)(3) = 60 cm²/s.

2. El radio de un globo aumenta a 2 cm/s. Halla la razón de cambio del volumen cuando r = 5 cm.

V = (4/3)πr³, dV/dt = 4πr²·dr/dt = 4π(25)(2) = 200π cm³/s.

3. El costo de fabricar x artículos es C(x) = 0.5x² + 10x + 100. Halla el costo marginal cuando x = 20.

C′(x) = x + 10. C′(20) = 30. Fabricar el artículo número 21 cuesta unos ₹30 más.

4. Halla los intervalos donde f(x) = x² − 4x + 1 es creciente o decreciente.

f′(x) = 2x − 4 = 0 en x = 2. Para x < 2, f′ < 0 (decreciente); para x > 2, f′ > 0 (creciente).

5. Halla los máximos y mínimos locales de f(x) = 2x³ − 9x² + 12x + 1.

f′ = 6x² − 18x + 12 = 6(x − 1)(x − 2) = 0 → x = 1, 2. f″ = 12x − 18. f″(1) = −6 < 0 → máximo local f(1) = 6. f″(2) = 6 > 0 → mínimo local f(2) = 5.

6. Halla el máximo y el mínimo absolutos de f(x) = x³ − 3x en [0, 3].

Punto crítico dentro del intervalo: x = 1 (x = −1 queda fuera). f(0) = 0, f(1) = −2, f(3) = 18. Máximo absoluto 18 en x = 3, mínimo absoluto −2 en x = 1.

7. Dos números positivos suman 20. Hállalos para que su producto sea el mayor posible.

Los números son x y 20 − x. P = 20x − x². P′ = 20 − 2x = 0 → x = 10. P″ = −2 < 0 → máximo. Los números son 10 y 10, el producto es 100.

8. Un rectángulo tiene perímetro 40 m. Demuestra que su área es la mayor cuando es un cuadrado.

Los lados son x y 20 − x, A = 20x − x², A′ = 20 − 2x = 0 → x = 10, A″ = −2 < 0. Ambos lados miden 10 m: un cuadrado de área 100 m².

Errores comunes

Test de práctica

1. Si f′(x) > 0 en un intervalo, entonces f es:
2. En un máximo local de una función suave, f′ cambia de:
3. Si f′(c) = 0 y f″(c) = 5, entonces c es un:
4. A = πr². Si dr/dt = 1 cm/s, dA/dt en r = 3 es:
5. f(x) = x² tiene su mínimo 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

¿Qué temas incluyen las aplicaciones de la derivada?

Razón de cambio, funciones crecientes y decrecientes, máximos y mínimos con los criterios de la primera y la segunda derivada, y problemas reales de optimización.

¿Cuál es más fácil, el criterio de la primera o el de la segunda derivada?

El de la segunda derivada es más rápido cuando f″ es fácil de calcular y no es cero. Si f″(c) = 0, usa el criterio de la primera derivada.

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

Un máximo local es el más alto entre los puntos cercanos. El máximo absoluto es el más alto en todo el intervalo, incluidos los extremos.

Dónde se estudia

Canada (Ontario)Grade 12B. Derivatives and Their Applications
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Applied calculus (part 2)
NetherlandsVWO 5Differential and integral calculus (part 1)
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USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Analytical Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
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China高二Ch.5 Derivatives

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