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4.5: Derivadas y la Forma de una Gráfica

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

Objetivos de aprendizaje
  • Explicar cómo el signo de la primera derivada afecta la forma de la gráfica de una función.
  • Declarar la primera prueba derivada para puntos críticos.
  • Utilice puntos de concavidad e inflexión para explicar cómo el signo de la segunda derivada afecta la forma de la gráfica de una función.
  • Explicar la prueba de concavidad para una función en un intervalo abierto.
  • Explicar la relación entre una función y sus derivadas primera y segunda.
  • Anotar la segunda prueba derivada para los extremos locales.

Anteriormente en este capítulo afirmamos que si una funciónf tiene un extremo local en un puntoc, entoncesc debe ser un punto crítico def. Sin embargo, no se garantiza que una función tenga un extremo local en un punto crítico. Por ejemplo,f(x)=x3 tiene un punto crítico enx=0 ya quef(x)=3x2 es cero enx=0, perof no tiene un extremo local enx=0. Utilizando los resultados de la sección anterior, ahora podemos determinar si un punto crítico de una función corresponde realmente a un valor extremo local. En esta sección, también vemos cómo la segunda derivada proporciona información sobre la forma de una gráfica al describir si la gráfica de una función se curva hacia arriba o se curva hacia abajo.

La Primera Prueba Derivada

El corolario3 del Teorema del Valor Medio mostró que si la derivada de una función es positiva en un intervaloI entonces la función está aumentandoI. Por otro lado, si la derivada de la función es negativa a lo largo de un intervaloI, entonces la función está disminuyendoI como se muestra en la siguiente figura.

Esta figura se divide en cuatro figuras etiquetadas a, b, c y d. La figura a muestra una función que aumenta convexamente de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y se observa que en ambos f' 0. En otras palabras, f va en aumento. La figura b muestra una función que aumenta de forma cóncava de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y se observa que en ambos f' > 0. En otras palabras, f va en aumento. La figura c muestra una función decreciente de forma cóncava de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y se observa que en ambos f' < 0. En otras palabras, f es decreciente. La figura d muestra una función decreciente convexamente de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y se observa que en ambos f' < 0. En otras palabras, f es decreciente." src="https://math.libretexts.org/@api/dek...04_05_001.jpeg">
Figura4.5.1: Ambas funciones van aumentando a lo largo del intervalo(a,b). En cada puntox, la derivadaf(x)>0. Ambas funciones están disminuyendo a lo largo del intervalo(a,b). En cada puntox, la derivadaf(x)<0.

Una función continuaf tiene un máximo local en el puntoc si y solo sif cambia de aumentar a disminuir en el puntoc. De igual manera,f tiene un mínimo local enc si y solo sif cambia de disminuir a aumentar enc. Sif es una función continua sobre un intervaloI que contienec y diferenciable sobreI, excepto posiblemente enc, la única maneraf puede pasar de aumentar a disminuir (o viceversa) en el puntoc es sif cambia signo como xaumenta a través dec. Sif es diferenciable enc, la única manera quef puede cambiar de signo a medida quex aumenta a travésc es sif(c)=0. Por lo tanto, para una funciónf que es continua a lo largo de un intervaloI que contienec y diferenciable sobreIc, excepto posiblemente en, la única maneraf de pasar de aumentar a disminuir (o viceversa) es sif(c)=0 of(c) es indefinida. En consecuencia, para ubicar los extremos locales para una funciónf, buscamos puntosc en el dominio def tal quef(c)=0 of(c) sea indefinido. Recordemos que tales puntos se denominan puntos críticos def.

Tenga en cuenta que no esf necesario tener un extremo local en un punto crítico. Los puntos críticos son candidatos únicamente a los extremos locales. En la Figura4.5.2, mostramos que si una función continuaf tiene un extremo local, debe ocurrir en un punto crítico, pero una función puede no tener un extremo local en un punto crítico. Mostramos que sif tiene un extremo local en un punto crítico, entonces el signo def cambia comox aumenta a través de ese punto.

Se grafico una función f (x). Comienza en el segundo cuadrante y aumenta a x = a, que es demasiado agudo y por lo tanto f' (a) no está definido. En esta sección f' 0. Entonces, f disminuye de x = a x = b (entonces f' < 0 aquí), antes de aumentar a x = b Se observa que f' (b) = 0. Al tiempo que aumenta de x = b a x = c, f' > 0. La función tiene un punto de inversión en c, y está marcada con f' (c) = 0. La función aumenta un poco más a d (así que f' > 0), que es el máximo global. Se marca que f' (d) = 0. Entonces la función disminuye y se marca que f' > 0." style="width: 867px; height: 429px;" width="867px" height="429px" src="https://math.libretexts.org/@api/dek...04_05_002b.jpg">
Figura4.5.2: La funciónf tiene cuatro puntos críticos:a,b,c, yd. La funciónf tiene máximos locales ena yd, y un mínimo local enb. La funciónf no tiene un extremo local enc. El signo def cambios en todos los extremos locales.

Utilizando la Figura4.5.2, se resumen los principales resultados con respecto a los extremos locales.

  • Si una función continuaf tiene un extremo local, debe ocurrir en un punto críticoc.
  • La función tiene un extremo local en el punto críticoc si y solo si losf interruptores derivados firman comox aumenta a travésc.
  • Por lo tanto, para probar si una función tiene un extremo local en un punto críticoc, debemos determinar el signo def(x) a la izquierda y derecha dec.

Este resultado se conoce como la primera prueba derivada.

Prueba de Primera Derivada

Supongamos quef es una función continua sobre un intervaloI que contiene un punto críticoc. Sif es diferenciable sobreI, excepto posiblemente en el puntoc, entoncesf(c) satisface una de las siguientes descripciones:

  1. Sif cambia signo de positivo cuandox<c a negativo cuandox>c, entoncesf(c) es un máximo local def.
  2. Sif cambia signo de negativo cuandox<c a positivo cuandox>c, entoncesf(c) es un mínimo local def.
  3. Sif tiene el mismo signo parax<c yx>c, entonces nof(c) es ni un máximo local ni un mínimo local def

Ahora veamos cómo usar esta estrategia para localizar todos los extremos locales para funciones particulares.

Ejemplo4.5.1: Using the First Derivative Test to Find Local Extrema

Utilice la primera prueba derivada para encontrar la ubicación de todos los extremos locales paraf(x)=x33x29x1. Use una utilidad gráfica para confirmar sus resultados.

Solución

Paso 1. La derivada esf(x)=3x26x9. Para encontrar los puntos críticos, necesitamos encontrar dondef(x)=0. Factorizar el polinomio, concluimos que los puntos críticos deben satisfacer

3(x22x3)=3(x3)(x+1)=0.

Por lo tanto, los puntos críticos sonx=3,1. Ahora dividir el intervalo(,) en los intervalos más pequeños(,1),(1,3) y(3,).

Paso 2. Dado quef es una función continua, para determinar el signo def(x) sobre cada subintervalo, basta con elegir un punto sobre cada uno de los intervalos(,1),(1,3) y(3,) y determinar el signo def en cada uno de estos puntos. Por ejemplo, vamos a elegirx=2,x=0, yx=4 como puntos de prueba.

Tabla4.5.1: Prueba de Primera Derivada paraf(x)=x33x29x1.
Intervalo Punto de prueba Signo def(x)=3(x3)(x+1) en el punto de prueba Conclusión
(,1) x=2 \ (f' (x) =3 (x−3) (x+1)\) en el punto de prueba” style="vertical-align:middle; "> (+) (−) (−) =+ fva en aumento.
(1,3) x=0 \ (f' (x) =3 (x−3) (x+1)\) en el punto de prueba” style="vertical-align:middle; "> (+) (−) (+) =- fes decreciente.
(3,) x=4 \ (f' (x) =3 (x−3) (x+1)\) en el punto de prueba” style="vertical-align:middle; "> (+) (+) (+) =+ fva en aumento.

Paso 3. Dado quef cambia signo de positivo a negativo a medida quex aumenta a través de1,f tiene un máximo local enx=1. Dado quef cambia signo de negativo a positivo a medida quex aumenta a través de3,f tiene un mínimo local enx=3. Estos resultados analíticos concuerdan con la siguiente gráfica.

Se grafica la función f (x) = x3 — 3x2 — 9x — 1. Tiene un máximo en x = −1 y un mínimo en x = 3. La función está aumentando antes de x = −1, disminuyendo hasta x = 3, y luego aumentando después de eso.
Figura4.5.3: La funciónf tiene un máximo enx=1 y un mínimo enx=3
Ejercicio4.5.1

Utilice la primera prueba derivada para localizar todos los extremos locales paraf(x)=x3+32x2+18x.

Pista

Encuentre todos los puntos críticosf y determine los signos def(x) en intervalos particulares determinados por los puntos críticos.

Responder

ftiene un mínimo local en2 y un máximo local en3.

Ejemplo4.5.2: Using the First Derivative Test

Utilice la primera prueba derivada para encontrar la ubicación de todos los extremos locales paraf(x)=5x1/3x5/3. Use una utilidad gráfica para confirmar sus resultados.

Solución

Paso 1. El derivado es

f(x)=53x2/353x2/3=53x2/35x2/33=55x4/33x2/3=5(1x4/3)3x2/3.

El derivadof(x)=0 cuando1x4/3=0. Por lo tanto,f(x)=0 enx=±1. La derivadaf(x) es indefinida enx=0. Por lo tanto, tenemos tres puntos críticos:x=0,x=1, yx=1. En consecuencia, dividir el intervalo(,) en los intervalos más pequeños(,1),(1,0),(0,1), y(1,).

Paso 2: Dado quef es continuo sobre cada subintervalo, basta con elegir un punto de pruebax en cada uno de los intervalos del paso 1 y determinar el signo def en cada uno de estos puntos. Los puntosx=2,x=12,x=12, yx=2 son puntos de prueba para estos intervalos.

Tabla4.5.2: Prueba de Primera Derivada paraf(x)=5x1/3x5/3.
Intervalo Punto de prueba Signo def(x)=5(1x4/3)3x2/3 en el punto de prueba Conclusión
(,1) x=2 \ (f' (x) =\ frac {5 (1−x^ {4/3})} {3x^ {2/3}}\) en el Punto de Prueba” style="vertical-align:middle; ">(+)()+= fes decreciente.
(1,0) x=12 \ (f' (x) =\ frac {5 (1−x^ {4/3})} {3x^ {2/3}}\) en el Punto de Prueba” style="vertical-align:middle; ">(+)(+)+=+ fva en aumento.
(0,1) x=12 \ (f' (x) =\ frac {5 (1−x^ {4/3})} {3x^ {2/3}}\) en el Punto de Prueba” style="vertical-align:middle; ">(+)(+)+=+ fva en aumento.
(1,) x=2 \ (f' (x) =\ frac {5 (1−x^ {4/3})} {3x^ {2/3}}\) en el Punto de Prueba” style="vertical-align:middle; ">(+)()+= fes decreciente.

Paso 3: Dado quef está disminuyendo a lo largo del intervalo(,1) y aumentando a lo largo del intervalo(1,0),f tiene un mínimo local enx=1. Dado quef va aumentando a lo largo del intervalo(1,0) y el intervalo(0,1),f no tiene un extremo local enx=0. Ya quef está aumentando a lo largo del intervalo(0,1) y disminuyendo a lo largo del intervalo(1,),f tiene un máximo local enx=1. Los resultados analíticos concuerdan con la siguiente gráfica.

Se grafica la función f (x) = 5x1/3 — x5/3. Disminuye a su mínimo local en x = −1, aumenta a x = 1, y luego disminuye después de eso.
Figura4.5.4: La funciónf tiene un mínimo local enx=1 y un máximo local enx=1
Ejercicio4.5.2

Utilice la primera prueba derivada para encontrar todos los extremos locales paraf(x)=3x1.

Pista

El único punto crítico def esx=1.

Responder

fno tiene extrema local porquef no cambia de señal enx=1.

Concavidad y Puntos de Inflexión

Ahora sabemos determinar dónde está aumentando o disminuyendo una función. Sin embargo, hay otro tema a considerar respecto a la forma de la gráfica de una función. Si la gráfica se curva, ¿se curva hacia arriba o se curva hacia abajo? Esta noción se llama la concavidad de la función.

La figura4.5.5a muestra una funciónf con una gráfica que se curva hacia arriba. Ax medida que aumenta, la pendiente de la línea tangente aumenta. Así, dado que la derivada aumenta a medida quex aumenta,f es una función creciente. Decimos que esta funciónf es cóncava hacia arriba. La figura4.5.5b muestra una funciónf que se curva hacia abajo. Ax medida que aumenta, la pendiente de la línea tangente disminuye. Dado que la derivada disminuye a medida quex aumenta,f es una función decreciente. Decimos que esta funciónf es cóncava hacia abajo.

Definición: prueba de concavidad

Dejarf ser una función que sea diferenciable en un intervalo abiertoI. Sif está aumentandoI, decimos quef es cóncavo hacia arriba sobreI. Sif está disminuyendo por encimaI, decimos quef es cóncavo hacia abajo sobreI.

Esta figura se divide en cuatro figuras etiquetadas a, b, c y d. La figura a muestra una función que aumenta convexamente de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y ambos van en aumento, pero el que se lleva más a la derecha va en aumento más. Se observa que f' va en aumento y f es cóncava hacia arriba. La figura b muestra una función que aumenta de forma cóncava de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y ambos van en aumento, pero el que se lleva más a la derecha va aumentando menos. Se observa que f' está disminuyendo y f es cóncava hacia abajo. La figura c muestra una función decreciente de forma cóncava de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y ambos van disminuyendo, pero el que se lleva más a la derecha está disminuyendo menos. Se observa que f' va en aumento y f es cóncava hacia arriba. La figura d muestra una función decreciente convexamente de (a, f (a)) a (b, f (b)). En dos puntos se toma la derivada y ambos van disminuyendo, pero el que se lleva más a la derecha está disminuyendo más. Se observa que f' está disminuyendo y f es cóncava hacia abajo.
Figura4.5.5: (a), (c) Dado quef va aumentando a lo largo del intervalo(a,b), decimosf es cóncavo hacia arriba sobre(a,b).(b),(d) Dado quef está disminuyendo a lo largo del intervalo(a,b), decimosf es cóncavo hacia abajo sobre(a,b).

En general, sin tener la gráfica de una funciónf, ¿cómo podemos determinar su concavidad? Por definición, una funciónf es cóncava hacia arriba sif va en aumento. Desde Corolario3, sabemos que sif es una función diferenciable, entoncesf está aumentando si su derivadaf(x)>0. Por lo tanto, una funciónf que es dos veces diferenciable es cóncava hacia arriba cuandof(x)>0. Del mismo modo, una funciónf es cóncava hacia abajo sif es decreciente. Sabemos que una función diferenciablef es decreciente si su derivadaf(x)<0. Por lo tanto, una función dos veces diferenciablef es cóncava hacia abajo cuandof(x)<0. La aplicación de esta lógica se conoce como prueba de concavidad.

Prueba de Concavidad

Dejarf ser una función que es dos veces diferenciable a lo largo de un intervaloI.

  1. Sif(x)>0 por todosxI, entoncesf es cóncavo hacia arribaI
  2. Sif(x)<0 para todosxI, entoncesf es cóncavo hacia abajo sobreI.

Concluimos que podemos determinar la concavidad de una funciónf observando la segunda derivada def. Además, observamos que una funciónf puede conmutar concavidad (Figura4.5.6). Sin embargo, una función continua puede cambiar la concavidad solo en un puntox sif(x)=0 of(x) es indefinido. En consecuencia, para determinar los intervalos donde una funciónf es cóncava hacia arriba y cóncava hacia abajo, buscamos aquellos valores dex dondef(x)=0 of(x) es indefinido. Cuando hemos determinado estos puntos, dividimos el dominio def en intervalos más pequeños y determinamos el signo def sobre cada uno de estos intervalos más pequeños. Sif los cambios firman a medida que pasamos por un puntox, entoncesf cambia la concavidad. Es importante recordar que una funciónf puede no cambiar la concavidad en un puntox incluso sif(x)=0 of(x) es indefinida. Si, sin embargo,f sí cambia la concavidad en un puntoa yf es continuo ena, decimos que el punto(a,f(a)) es un punto de inflexión def.

Definición: punto de inflexión

Sif es continuo ena yf cambia la concavidad ena, el punto(a,f(a)) es un punto de inflexión def.

Se muestra una función sinusoidal que ha sido desplazada al primer cuadrante. La función comienza a disminuir, por lo que f' < 0 and f” 0. La función alcanza el mínimo local y comienza a aumentar, por lo que f' > 0 y f” > 0. Se observa que la pendiente va en aumento para estos dos intervalos. La función entonces alcanza un punto de inflexión (a, f (a)) y a partir de aquí la pendiente va disminuyendo aunque la función siga aumentando, así que f' > 0 y f” < 0. La función alcanza el máximo y luego comienza a disminuir, por lo que f' < 0 y f” < 0." style="width: 731px; height: 401px;" width="731px" height="401px" src="https://math.libretexts.org/@api/dek...04_05_004.jpeg">
Figura4.5.6: Dado quef(x)>0 parax<a, la funciónf es cóncava hacia arriba en el intervalo(,a). Dado quef(x)<0 parax>a, la funciónf es cóncava hacia abajo durante el intervalo(a,). El punto(a,f(a)) es un punto de inflexión def.
Ejemplo4.5.3: Testing for Concavity

Para la funciónf(x)=x36x2+9x+30, determinar todos los intervalos dondef es cóncavo hacia arriba y todos los intervalos dondef es cóncavo hacia abajo. Enumere todos los puntos de inflexión paraf. Utilice una utilidad gráfica para confirmar sus resultados.

Solución

Para determinar la concavidad, necesitamos encontrar la segunda derivadaf(x). La primera derivada esf(x)=3x212x+9, así que la segunda derivada esf(x)=6x12. Si la función cambia la concavidad, ocurre ya sea cuandof(x)=0 of(x) es indefinida. Ya quef se define para todos los números realesx, solo necesitamos encontrar dóndef(x)=0. Resolviendo la ecuación6x12=0, vemos quex=2 es el único lugar dondef podría cambiar la concavidad. Ahora probamos puntos a lo largo de los intervalos(,2) y(2,) para determinar la concavidad def. Los puntosx=0 yx=3 son puntos de prueba para estos intervalos.

Tabla:4.5.3: Prueba de Concavidad paraf(x)=x36x2+9x+30.
Intervalo Punto de prueba Signo def(x)=6x12 en el punto de prueba Conclusión
(,2) x=0 \ (f "(x) =6x−12\) en el punto de prueba” style="vertical-align:middle; ">− fes cóncavo hacia abajo
(2,) x=3 \ (f "(x) =6x−12\) en el punto de prueba” style="vertical-align:middle; ">+ fes cóncavo hacia arriba

Concluimos quef es cóncavo hacia abajo en el intervalo(,2) y cóncavo hacia arriba en el intervalo(2,). Dado quef cambia la concavidad enx=2, el punto(2,f(2))=(2,32) es un punto de inflexión. La figura4.5.7 confirma los resultados analíticos.

Se grafica la función f (x) = x3 — 6x2 + 9x + 30. El punto de inflexión (2, 32) está marcado, y es aproximadamente equidistante de los dos extremos locales.
Figura4.5.7: La función dada tiene un punto de inflexión en(2,32) donde la gráfica cambia la concavidad.
Ejercicio4.5.3

Paraf(x)=x3+32x2+18x, encontrar todos los intervalos dondef es cóncavo hacia arriba y todos los intervalos dondef es cóncavo abajo.

Pista

Encuentra dóndef(x)=0

Responder

fes cóncavo hacia arriba en el intervalo(,12) y cóncavo hacia abajo en el intervalo(12,)

Ahora resumimos, en Tabla4.5.4, la información que la primera y segunda derivadas de una funciónf proporcionan sobre la gráfica def, e ilustramos esta información en la Figura4.5.8.

Tabla:4.5.4: Qué nos dicen los Derivados de las Gráficas
Signo def Signo def ¿Estáf aumentando o disminuyendo? Concavidad
\ (f'\)” style="vertical-align:middle; ">Positivo \ (f "\)” style="vertical-align:middle; ">Positivo \ (f\) ¿aumentando o disminuyendo?” style="vertical-align:middle; ">Incrementando Cóncavo arriba
\ (f'\)” style="vertical-align:middle; ">Positivo \ (f "\)” style="vertical-align:middle; ">Negativo \ (f\) ¿aumentando o disminuyendo?” style="vertical-align:middle; ">Incrementando Abajo cóncavo
\ (f'\)” style="vertical-align:middle; ">Negativo \ (f "\)” style="vertical-align:middle; ">Positivo \ (f\) ¿aumentando o disminuyendo?” style="vertical-align:middle; ">Disminución Cóncavo arriba
\ (f'\)” style="vertical-align:middle; ">Negativo \ (f "\)” style="vertical-align:middle; ">Negativo \ (f\) ¿aumentando o disminuyendo?” style="vertical-align:middle; ">Disminución Abajo cóncavo
Una función se grafica en el primer cuadrante. Se divide en cuatro tramos, con los descansos llegando al mínimo local, punto de inflexión, y máximo local, respectivamente. La primera sección es decreciente y cóncava hacia arriba; aquí, f' < 0 and f” 0. La segunda sección es creciente y cóncava hacia arriba; aquí, f' > 0 y f” > 0. La tercera sección es creciente y cóncava hacia abajo; aquí, f' > 0 y f” < 0. La cuarta sección es decreciente y cóncava hacia abajo; aquí, f' < 0 y f” < 0." style="width: 937px; height: 475px;" width="937px" height="475px" src="https://math.libretexts.org/@api/dek...cFig4-5-8.jpeg">
Figura:Considere4.5.8 una función diferenciable dos veces enf un intervalo abierto.I Sif(x)>0 por todosxI, la función está aumentando sobreI. Sif(x)<0 por todosxI, la función está disminuyendo sobreI. Sif(x)>0 por todosxI, la función es cóncava hacia arriba. Si esf(x)<0 por todosxI, la función es cóncava hacia abajo enI.

La Segunda Prueba Derivada

La prueba de la primera derivada proporciona una herramienta analítica para encontrar extremos locales, pero la segunda derivada también se puede utilizar para localizar valores extremos. El uso de la segunda derivada a veces puede ser un método más sencillo que usar la primera derivada.

Sabemos que si una función continua tiene un extremo local, debe ocurrir en un punto crítico. Sin embargo, una función no necesita tener un extremo local en un punto crítico. Aquí examinamos cómo se puede utilizar la prueba de la segunda derivada para determinar si una función tiene un extremo local en un punto crítico. Dejarf ser una función dos veces diferenciable tal quef(a)=0 yf es continua a lo largo de un intervalo abiertoI que contienea. Supongamosf(a)<0. Ya quef es continuoI,f(x)<0 para todosxI (Figura4.5.9). Entonces, por Corolario3,f es una función decreciente sobreI. Ya quef(a)=0, concluimos que para todosxI,f(x)>0 six<a yf(x)<0 six>a. Por lo tanto, por la primera prueba derivada,f tiene un máximo local ax=a.

Por otro lado, supongamos que existe un puntob tal quef(b)=0 perof(b)>0. Dado quef es continuo sobre un intervalo abiertoI que contieneb, entoncesf(x)>0 para todosxI (Figura4.5.9). Entonces, por Corolario3,f es una función creciente sobreI. Ya quef(b)=0, concluimos que para todosxI,f(x)<0 six<b yf(x)>0 six>b. Por lo tanto, por la primera prueba derivada,f tiene un mínimo local enx=b.

Una función f (x) se grafica en el primer cuadrante con a y b marcados en el eje x. La función es vagamente sinusoidal, aumentando primero a x = a, luego disminuyendo a x = b, y aumentando nuevamente. En (a, f (a)), se marca la tangente, y se observa que f' (a) = 0 y f” (a) < 0. En (b, f (b)), se marca la tangente, y se anota f' (b) = 0 y f” (b) 0." style="width: 487px; height: 272px;" width="487px" height="272px" src="https://math.libretexts.org/@api/dek...04_05_006.jpeg">
Figura4.5.9: Considerar una función diferenciable dos vecesf tal quef sea continua. Ya quef(a)=0 yf(a)<0, hay un intervaloI que contienea tal que para todosx enI,f va aumentando six<a yf es decreciente six>a. Como resultado,f tiene un máximo local enx=a. Ya quef(b)=0 yf(b)>0, hay un intervaloI que contieneb tal que para todosx enI,f es decreciente six<b yf va aumentando six>b. Como resultado,f tiene un mínimo local enx=b.
Segunda Prueba Derivada

Supongamosf(c)=0 yf es continuo sobre un intervalo que contienec.

  1. Sif(c)>0, entoncesf tiene un mínimo local enc.
  2. Sif(c)<0, entoncesf tiene un máximo local enc.
  3. Sif(c)=0, entonces la prueba no es concluyente.

Tenga en cuenta que para el caso iii. cuandof(c)=0, entoncesf puede tener un máximo local, mínimo local, o ninguno alc. Por ejemplo, las funcionesf(x)=x3,f(x)=x4, yf(x)=x4 todas tienen puntos críticos enx=0. En cada caso, la segunda derivada es cero atx=0. Sin embargo, la funciónf(x)=x4 tiene un mínimo local enx=0 mientras que la funciónf(x)=x4 tiene un máximo local atx=0, y la funciónf(x)=x3 no tiene un extremo local atx=0.

Veamos ahora cómo usar la segunda prueba derivada para determinar sif tiene un máximo local o un mínimo local en un punto críticoc dondef(c)=0.

Ejemplo4.5.4: Using the Second Derivative Test

Utilice la segunda derivada para encontrar la ubicación de todos los extremos locales paraf(x)=x55x3.

Solución

Para aplicar la segunda prueba derivada, primero necesitamos encontrar puntos críticosc dondef(c)=0. El derivado esf(x)=5x415x2. Por lo tanto,f(x)=5x415x2=5x2(x23)=0 cuandox=0,±3.

Para determinar sif tiene un extremo local en alguno de estos puntos, necesitamos evaluar el signo def en estos puntos. La segunda derivada es

f(x)=20x330x=10x(2x23).

En la siguiente tabla, evaluamos la segunda derivada en cada uno de los puntos críticos y utilizamos la prueba de la segunda derivada para determinar sif tiene un máximo local o un mínimo local en alguno de estos puntos.

Tabla4.5.5: Ensayo de la Segunda Derivada paraf(x)=x55x3.
x f(x) Conclusión
\ (x\) ">3 \ (f "(x)\)" >303 Máximo local
\ (x\) ">0 \ (f "(x)\)" >0 La prueba de la segunda derivada no es concluyente
\ (x\) ">3 \ (f "(x)\)" >303 Mínimo local

Por la segunda prueba derivada, concluimos quef tiene un máximo local enx=3 yf tiene un mínimo local enx=3. La segunda prueba derivada no es concluyente enx=0. Para determinar sif tiene un extremo local enx=0, aplicamos la primera prueba derivada. Evaluar el signo def(x)=5x2(x23) parax(3,0) yx(0,3), dejarx=1 yx=1 ser los dos puntos de prueba. Desdef(1)<0 yf(1)<0, concluimos quef está disminuyendo en ambos intervalos y, por lo tanto,f no tiene un extremo local enx=0 como se muestra en la siguiente gráfica.

Se grafica la función f (x) = x5 — 5x3. La función aumenta a (raíz cuadrada negativa de 3, 10), luego disminuye a un punto de inflexión en 0, continúa disminuyendo a (raíz cuadrada de 3, −10), y luego aumenta.
Figura:La4.5.10 función tienef un máximo local en yx=3 un mínimo local enx=3
Ejercicio4.5.4

Considera la funciónf(x)=x3(32)x218x. Los puntosc=3,2 satisfacenf(c)=0. Utilice la prueba de la segunda derivada para determinar sif tiene un máximo local o un mínimo local en esos puntos.

Pista

f(x)=6x3

Responder

ftiene un máximo local en2 y un mínimo local en3.

Ahora hemos desarrollado las herramientas que necesitamos para determinar dónde está aumentando y disminuyendo una función, además de adquirir una comprensión de la forma básica de la gráfica. En la siguiente sección discutimos lo que sucede con una función comox±. En ese punto, contamos con herramientas suficientes para proporcionar gráficas precisas de una gran variedad de funciones.

Conceptos clave

  • Sic es un punto crítico def yf(x)>0 parax<c yf(x)<0 parax>c, entoncesf tiene un máximo local enc.
  • Sic es un punto crítico def yf(x)<0 parax<c yf(x)>0 parax>c, entoncesf tiene un mínimo local enc.
  • Si estáf(x)>0 sobre un intervaloI, entoncesf es cóncavo hacia arribaI.
  • Si estáf(x)<0 sobre un intervaloI, entoncesf es cóncavo hacia abajo sobreI.
  • Sif(c)=0 yf(c)>0, entoncesf tiene un mínimo local enc.
  • Sif(c)=0 yf(c)<0, entoncesf tiene un máximo local enc.
  • Sif(c)=0 yf(c)=0, luego evaluarf(x) en un punto de pruebax a la izquierdac y un punto de pruebax a la derecha dec, para determinar sif tiene un extremo local enc.

Glosario

cóncavo hacia abajo
sif es diferenciable a lo largo de un intervaloI yf está disminuyendo sobreI, entoncesf es cóncavo hacia abajo sobreI
cóncavo hacia arriba
sif es diferenciable a lo largo de un intervaloI yf está aumentandoI, entoncesf es cóncavo hacia arriba sobreI
concavidad
la curva ascendente o descendente de la gráfica de una función
prueba de concavidad
supongamos quef es dos veces diferenciable en un intervaloI; si estáf>0 terminadoI, entoncesf es cóncavo hacia arribaI; si estáf< terminadoI, entoncesf es cóncavo hacia abajo sobreI
prueba de primera derivada
dejarf ser una función continua sobre un intervaloI que contiene un punto críticoc tal quef es diferenciableI excepto posiblemente enc; sif cambia signo de positivo a negativo a medida quex aumenta a travésc, entonces ftiene un máximo local enc; sif los cambios firman de negativo a positivo a medida quex aumenta a travésc, entoncesf tiene un mínimo local enc; sif no cambia signo a medida quex aumenta a travésc, entoncesf no tiene un extremo local enc
punto de inflexión
sif es continuo enc yf cambia la concavidad enc, el punto(c,f(c)) es un punto de inflexión def
prueba de segunda derivada
supongaf(c)=0 yf 'es continuo sobre un intervalo que contienec; sif(c)>0, entoncesf tiene un mínimo local enc; sif(c)<0, entoncesf tiene un máximo local enc; sif(c)=0, entonces la prueba no es concluyente

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