Cálculo UNO

Concavidad, optimización, trazado de curvas

Introducción

Ejercicio

Criterio de la primera derivada para concavidad. Sea \(f:[a,b]\to \mathbb{R}\) una función continua en \([a,b]\) y diferenciable en \((a,b)\).
  1. Si \(f'\) es monótona creciente en \((a,b)\) entonces \(f\) es cóncava hacia arriba en \([a,b]\).
  2. Si \(f'\) es monótona decreciente en \((a,b)\) entonces \(f\) es cóncava hacia abajo en \([a.b]\).

Ejercicio

Criterio de la segunda derivada para concavidad. Sea \(f:[a,b]\to \mathbb{R}\) una función continua en \([a,b]\) y diferenciable en \((a,b)\) y tal que \(f''\) existe en \((a,b)\).
  1. Si \(f'' >0\) en \((a,b)\) entonces \(f\) es cóncava hacia arriba en \([a,b]\).
  2. Si \(f''< 0\) en \((a,b)\) entonces \(f\) es cóncava hacia abajo en \([a.b]\).

Ejercicio

Sea \(f:[a,b] \to \mathbb{R}\) continua en \([a,b]\) y diferenciable en \((a,b)\) y tal que \(f'\) es o bien monótona creciente o monótona decreciente en \((a,b)\). Sea \((x,_0, f(x_0))\), \(x_0 \in (a,b)\) un punto fijo y arbitrario. Demuestra que la recta tangente a la gráfica de \(f\) en \((x_, f(x_0))\) es una recta soporte para la gráfica.

Optimización

Ejercicio

Sean \(a,b \geq 0\) tales que \(a+b=20\). Maximiza y minimiza las siguientes cantidades.
  1. \(ab\),
  2. \(a^2+b^2\),
  3. \(a+\sqrt{b}\),
  4. \(\sqrt{b}+\sqrt{a}\).

Ejercicio

Fija \(S>0\). Demuestra que, entre todas las posibles elecciones de números positivos \(x,y\) tal que \(x+y=S\), el producto se maximiza cuando \(x=y=\frac{S}{2}\).

Ejercicio

  1. Fija \(P>0\). Demuestra que, entre todas las posibles elecciones de números positivos \(x,y\) tal que \(xy=P\), la suma se minimiza cuando \(x=y=\sqrt{P}\).
  2. Usa el ejercicio anterior para dar otra demostración de la desigualdad aritmético-geométrica. Es decir, para \(a,b>0\), \(\sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2}\). Sugerencia: toma \(P=ab\).

Ejercicio

Determina las dimensiones que debe tener una caja rectangular cerrada, con tapas cuadradas, que minimicen el costo de fabricación si el material de los costados cuesta el cuádruple del de las tapas y si el volumen debe ser 1\(m^3\).

Ejercicio

Este ejercicio generaliza la desigualdad de Bernoulli (Ejercicio 3.16 ) pasando de \(n\) natural a racional. Sea \(m\in \mathbb{Q}\) una constante con \(m > 1\) y considera \(f(x)=(1+x)^m-mx\) con \(x\in [-1,\infty)\).
  1. Encuentra el mínimo absoluto de \(f\) en \([-1,\infty)\). Sugerencia: encuentra los intervalos de crecimiento y puntos críticos.
  2. Con ayuda del inciso anterior demuestra la desigualdad de Bernoulli: dado \(m\in \mathbb{Q}\), \(m>1\): \[ (1+x)^m \geq 1+mx, \quad \forall x\geq -1, \] con igualdad si y sólo si \(x=0\).
  3. Con ejemplos muestra que la desigualdad de Bernoulli no se vale si tomamos \(m\in (0,1)\).

Ejercicio

En economia, eficiencia tecnológica se define como el cociente \[ \frac{\textrm{unidades de producto}}{\textrm{unidades de insumo}} \] Para formalizar esta definición supongamos que \(x\) representa la cantidad de cierto insumo (por ejemplo tiempo o materia prima) y \(Q(x)\) representa la cantidad de producto generado por \(x\). Entonces la eficiencia de \(Q\) en el intervalo \([x_1,x_2]\) es \[ \frac{Q(x_2)-Q(x_2)}{x_2-x_1} \] Por ejemplo, si dos intervalos \([x_1,x_2]\), \([x_3,x_4]\) satisfacen \(x_2-x_1=x_4-x_3\), podemos comparar \(Q\) en ambos intervalos y decir que \(Q\) es mas eficiente en \([x_1,x_2]\) que en \([x_3,x_4]\) si \[ \frac{Q(x_4)-Q(x_3)}{x_4-x_3} \leq \frac{Q(x_2)-Q(x_1)}{x_2-x_1} \Leftrightarrow Q(x_4)-Q(x_3) \leq Q(x_2)-Q(x_1). \] El máximo punto de eficiencia de \(Q:[a,b]\to \mathbb{R}\) se define como \[ \sup_{a\leq s< t \leq b} \frac{Q(t)-Q(s)}{t-s} \] si es que éste supremo existe.

Ejercicio

Un estudio de productividad efectuado en una fábrica, indica que un trabajador promedio que inicia su labor a las 8.00 am habrá producido \(Q(t)=-t^3+9t^2+12t\) unidades de producto, \(t\) horas des pués del inicio. Si partimos el intervalo de trabajo en 8 partes iguales, encuentra el intervalo del día en el que el trabajador es más eficiente.

Ejercicio

Supon que \(Q:[a,b] \to \mathbb{R}\) modela la cantidad de producto generado utilizando \(x\) cantidades de insumo y que \(Q'\) existe y es continua en \([a,b]\).
  1. Usando el T.V.M. demuestra que \[ \sup_{a\leq s< t \leq b} \frac{Q(t)-Q(s)}{t-s}= \max_{x\in [a,b]}\{ Q'(x)\} \]
  2. Regresando al Ejercicio 17.11, ¿ en qué momento de la ma\~nana es el trabajador más eficiente ?
  3. El máximo punto de eficiencia también es conocido como el \emph{punto de beneficios decrecientes}. Proporciona un argumento que justifiqué los dos nombres dados a ese punto.

Ejercicio

Un anuncio publicitario debe de tener 50 \(m^2\) de material impreso con 4 \(cm\) de margen arriba y abajo y con 2 \(cm\) de margen a los lados. ¿ Qué dimensiones debe de tener el anuncio que requiera la menor cantida de papel?

Ejercicio

Sean \(a_1,\dots a_n \in \mathbb{R}\) fijos y arbitrarios. Demuestra que la suma \[ \sum_{k=1}^n(a_k-x)^2 \] se minimiza cuando \(x\) es el promedio de las \(a_k\)'s.

Ejercicio

Considera una esfera de radio \(R>0\). Calcula, en términos de \(R\), el radio \(r\) y la altura \(h\), del cono ciruclar recto de máximo volumen que puede ser inscrito dentro de ésta esfera.

Trazado de curvas

Ejercicio

Para las funcones que se presentan, encuentra:
  1. \(f(x)=x^3-4x\).
  2. \(f(x)=e^{x^3-4x}\).
  3. \(f(x)=\sqrt{x}+\frac{1}{\sqrt{x}}\).
  4. \(f(x)=\left( \frac{x-1}{x} \right)^2\).
  5. \(f(x)=\frac{3}{2}x^{2/3}-\frac{3}{5}x^{5/3}\).
  6. \(f(x)=\sen(x)+\cos(x)\).

Ejercicio

Demuestra que la función \(f(x)=x-\sen(x)\), \(x\in \mathbb{R}\), es estrictamente creciente en \(\mathbb{R}\) y tienen una infinidad de puntos de inflexión.