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Applicazioni delle derivate

La derivata misura quanto in fretta una grandezza cambia rispetto a un'altra. Il suo segno dice se una funzione sale (f′ > 0, crescente) o scende (f′ < 0, decrescente). Dove f′ = 0 la tangente è orizzontale: questi punti critici possono essere un massimo o un minimo locale, che si riconoscono con il test della derivata prima (cambio di segno) o della derivata seconda (segno di f″). Così si risolvono problemi reali, come la scatola più grande o il serbatoio più economico.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Velocità di variazione: f′(x) dice quanto in fretta cambia y quando x aumenta di poco. Leggi la pendenza del punto che si muove su y = x³ − 3x.
  2. Dove f′(x) > 0 la curva sale: verde, crescente. Dove f′(x) < 0 scende: rosso, decrescente.
  3. I punti critici sono dove f′(x) = 0 e la tangente è orizzontale. Test della derivata prima: più poi meno significa massimo, meno poi più significa minimo.
  4. Test della derivata seconda: f″ < 0 è una ciotola rovesciata, quindi un massimo. f″ > 0 è una ciotola dritta, quindi un minimo.
  5. Problema reale: ritaglia quadrati di lato x cm agli angoli di un foglio quadrato di 12 cm e piega i bordi per fare una scatola. Il volume è massimo per x = 2.
  6. Tocca a te: cambia a in y = x³ − ax, muovi x e leggi la pendenza e la curvatura.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Che cosa significa davvero velocità di variazione?

È di quanto cambia y per un piccolo passo di x, riportato a una unità. Il punto che si muove la mostra come pendenza: ripida vuol dire che cambia in fretta.

Una funzione può essere crescente e avere f′ = 0 in qualche punto?

Sì, in punti isolati. x³ cresce ovunque anche se f′(0) = 0. Il grafico si appiattisce per un attimo ma non torna mai indietro.

Come capisco se è un massimo e non un minimo?

Guarda f′ subito prima e subito dopo. Sulla curva, in x = −1 la pendenza passa da positiva (sale) a negativa (scende), quindi è una cima.

Perché f″ < 0 vuol dire massimo?

f″ < 0 significa che la pendenza sta diminuendo. In cima a una collina la pendenza passa da positiva a zero a negativa, quindi continua a diminuire: una ciotola rovesciata.

Perché scartiamo x = 6 nel problema della scatola?

Se ritagli 6 cm da ogni angolo di un foglio di 12 cm non resta nessuna base (12 − 2×6 = 0), quindi il volume è 0. Il grafico tocca lo zero in quel punto.

Che cosa succede se non ci sono punti critici?

Nel gioco libero metti per a un numero negativo. f′ = 3x² − a è sempre positiva, quindi la curva sale sempre e non ha né massimi né minimi locali.

Velocità di variazione delle grandezze

Se y dipende da x, allora dy/dx è la velocità di variazione di y rispetto a x. Nel punto x = a si scrive (dy/dx) in a, oppure f′(a).

Se x e y cambiano entrambe nel tempo t, si usa la regola della catena: dy/dt = (dy/dx) × (dx/dt).

Esempio: il raggio di un cerchio cresce di 0.5 cm/s. L'area è A = πr², quindi dA/dt = 2πr × dr/dt. Per r = 4 cm, dA/dt = 2π(4)(0.5) = 4π cm²/s.

Anche il costo marginale e il ricavo marginale in economia sono derivate: indicano di quanto cambiano costo o ricavo producendo un pezzo in più.

Funzioni crescenti e decrescenti

In un intervallo in cui f è derivabile:

Come trovare gli intervalli

  1. Calcola f′(x) e risolvi f′(x) = 0.
  2. Questi punti dividono la retta dei numeri in intervalli.
  3. Controlla il segno di f′ in ogni intervallo.

Per f(x) = x³ − 3x: f′ = 3(x − 1)(x + 1). La funzione è crescente in (−∞, −1) e in (1, ∞), decrescente in (−1, 1).

Massimi e minimi

Un massimo locale è un punto più alto di tutti i punti vicini; un minimo locale è più basso di tutti i punti vicini. In un punto simile (se la funzione è liscia) f′(c) = 0. I punti con f′(c) = 0 o con f′ non definita si chiamano punti critici.

Test della derivata prima

Test della derivata seconda

Massimo e minimo assoluti su [a, b]

Trova tutti i punti critici dentro [a, b], calcola f in quei punti e agli estremi a e b. Il valore più grande è il massimo assoluto, il più piccolo è il minimo assoluto.

Problemi di vita reale

  1. Scegli la grandezza da rendere massima o minima (volume, area, costo).
  2. Scrivila in funzione di una sola variabile usando la condizione data.
  3. Derivala, poni la derivata uguale a 0 e risolvi.
  4. Usa il test della derivata seconda (o prima) per capire se è un massimo o un minimo.
  5. Rispondi alla domanda con le unità di misura.

Esempio della scatola: V = x(12 − 2x)², dV/dx = 12(x − 2)(x − 6). x = 6 non dà nessuna scatola, quindi x = 2; V″(2) = −48 < 0, un massimo di 128 cm³.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Il lato di un quadrato cresce di 3 cm/s. Con che velocità cresce l'area quando il lato è 10 cm?

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

2. Il raggio di un palloncino aumenta di 2 cm/s. Trova la velocità di variazione del volume quando r = 5 cm.

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

3. Il costo per produrre x pezzi è C(x) = 0.5x² + 10x + 100. Trova il costo marginale per x = 20.

C′(x) = x + 10. C′(20) = 30. Produrre il 21° pezzo costa circa ₹30 in più.

4. Trova gli intervalli in cui f(x) = x² − 4x + 1 è crescente o decrescente.

f′(x) = 2x − 4 = 0 per x = 2. Per x < 2, f′ < 0 (decrescente); per x > 2, f′ > 0 (crescente).

5. Trova i massimi e i minimi locali di 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 → massimo locale f(1) = 6. f″(2) = 6 > 0 → minimo locale f(2) = 5.

6. Trova il massimo e il minimo assoluti di f(x) = x³ − 3x su [0, 3].

Punto critico interno: x = 1 (x = −1 è fuori). f(0) = 0, f(1) = −2, f(3) = 18. Massimo assoluto 18 in x = 3, minimo assoluto −2 in x = 1.

7. Due numeri positivi hanno somma 20. Trovali in modo che il loro prodotto sia massimo.

I numeri sono x e 20 − x. P = 20x − x². P′ = 20 − 2x = 0 → x = 10. P″ = −2 < 0 → massimo. I numeri sono 10 e 10, prodotto 100.

8. Un rettangolo ha perimetro 40 m. Mostra che la sua area è massima quando è un quadrato.

Lati x e 20 − x, A = 20x − x², A′ = 20 − 2x = 0 → x = 10, A″ = −2 < 0. Entrambi i lati 10 m: un quadrato di area 100 m².

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. Se f′(x) > 0 in un intervallo, allora f è:
2. In un massimo locale di una funzione liscia, f′ passa da:
3. Se f′(c) = 0 e f″(c) = 5, allora c è un:
4. A = πr². Se dr/dt = 1 cm/s, dA/dt per r = 3 vale:
5. f(x) = x² ha il minimo in:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Quali argomenti ci sono nelle applicazioni delle derivate?

Velocità di variazione, funzioni crescenti e decrescenti, massimi e minimi con i test della derivata prima e seconda, e problemi reali di ottimizzazione.

Quale è più facile, il test della derivata prima o seconda?

Il test della derivata seconda è più rapido quando f″ è facile da calcolare e non è zero. Se f″(c) = 0, usa il test della derivata prima.

Che differenza c'è tra massimo locale e massimo assoluto?

Un massimo locale è il più alto tra i punti vicini. Il massimo assoluto è il più alto in tutto l'intervallo, estremi compresi.

Dove si studia

Canada (Ontario)Grade 12B. Derivatives and Their Applications
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Applied calculus (part 2)
NetherlandsVWO 5Differential and integral calculus (part 1)
RomaniaClasa a XI-aElements of mathematical analysis
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Spain2º BachilleratoMeasurement Sense
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CBSE (India)Class 12Calculus
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USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Analytical Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Analytical Applications of Differentiation
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South Korea고등학교 2학년Differentiation
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South Korea고등학교 3학년Differentiation techniques
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