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I N T - 1 7 4 0 / c < 5 ¿ A 2> V o J NACIONES UNIDAS CENTRO LATINOAMERICANO DE DEMOGRAFÍA (CELADE) XX CURSO REGIONAL INTENSIVO DE ANÁLISIS DEMOGRÁFICO 1 9 9 7 1. MÉTODOS CUANTITATIVOS MATEMÁTICAS: MATERIAL DOCENTE MATERIAL DOCENTE (Para uso exclusivo de los alumnos) Santiago de Chite CUFT^O INTERNACIONAL INTENSIVO DE D E M O G R A F I A - f £ i * '•1 ̂ T — " 'A ! i ; t ^ Organiza: Facultad de Ciencias Básicas Universidad de Antofa^asta. Patrocinan : \ L. m e £ REPUBLICA DE CHILE UMYERSIOAD DE AKT0fA6ASTA FACULTAD OE C IE ICIA S__B AS ICA S IHSTITU10 IACIONAL OE ESTADISTICA i n s HACIOAES iims CEUTRO LATUOAKERICAIO OE OE«0SÍAFH - . •••." " . V ''" -i • y C>-K- - r ' CURSO INTERNACIONAL INTENSIVO DE O E M O G R A F I A •APUNTES DE t* M A T E M A T I C A S Or. Héctor Rojo Jeraldo Departamento de Matemáticas Facultad de Ciencias Básicas U n i v e r s i d a d de A n t o f a g c s t a J _ f t - S y . = < V j A D O C P Á l ftg. Pedro Huert2 Xarír Departamento de te tendeas Facultad de Ciencias Básicas <s n sbolw <: '' A ü :: (Q) 'M I. FUNCIONES Y GRAFICAS Definición: Sean X e Y dos conjuntos de números reales. Una función, f os una regla que asigna a cada número x en X un único valor f (x) en Y. El conjunto X es llamado el dominio de f. El conjunto de imágenes de elementos de X es llamado el rango de f. En otras palabras, una función e3 una regla que asigna a ca- da x en el dominio de f un único número y en el rango de f. Usualmente este se escribe como y = f (x) (1) Cuando el dominio de una función no es dado, el dominio debe tomarse como el conjunto de valores para los cuales la ecuación (1) tiene sentido. Por ejemplo, sea f la función dada por f (x) = 1 Puesto x-1 que la expresión 1 no está definida para x = 1, el número uno no x-1 está en el dominio de f". Sin embargo, 1 está definida para todo x-1 x £ 1 , de tal forma que el dominio de f es el conjunto de todos los nú- meros reales excepto el uno. Por otra parte, ^ ^ — puede tomar cualquier valor real, excepto el cero. Esto indica que el rango de f es el conjun to de los números reales excepto el cero. Podemos resumir ésto anotando: Dominio de f = Dom f = R - ^1^ Rango de f s Rang f = ft - ejemplo: Sea f (x) = 3x +• 4 a) Encontrar el dominio de f b) Evaluar f(o), f(-l), f(10) , f (-2) c) Encontrar el rango de f. Solución: a) Para que la imagen f (x) sea un número real, la cantidad subradical 3x + 4 no debe ser negativa, de tal forma que debe cumplirse 3x + 4 ^ O ó 3x yy -4 x - 4 3 Asi entonces, Dom f = - , 00) L 3 b) f(0) = \J 3 . 0 + 4' = \j ín= 2 f(-D =V3(-D + 4 ' = y P = 1 fUO) =\/3 . 10 + 4* = ^ 34 ' f(-2) no está definido, pues 4 , 00) 3 c) \J 3x + 4 * denota una raíz cuadrada positiva, de tal manera que f(x) = v/ 3x + 4 ' 0 , V x fe Dom f , y así entonces Rang f = [o,00 ) = R + U [o] Definición: La gráfica de una función f es el conjunto de pares ordenados Ejemplo. Una función lineal tiene la forma y = m x •¥ b con Dom f = Rang f = R • La gráfica de una función lineal corresponde a una línea recta en el plano cartesiano y luce como En la ecuación y = >i • ' b, el parámetro m representa la pendiente de la recta. Si ( x 0>y Q) • y^ ) s o n puntos distintos sobre la recta, en tonces e3ta pendiente m se puede calcular mediante la expresión \(X , f(x) ) : x £ Dom f J . x -3- - Si m^o , la gráfica de la linea recta es oblicua hacia arriba cuando nos movemos de izquierda a derecha a lo largo de eje x. - S i m <Co , la gráfica de la línea recta es oblicua hacia abajo cuando nos movemos de izquierda a derecha a lo largo del eje x . - La pendiente de una línea recta vertical no está definida (esta gráfica n= corresponde a una función). - Si L^ y L^ son dos líneas rectas no paralelas a los ejes coordenados, con pendientes m^, y m^ respectivamente, entonces a) L^ paralela a L^ si y sólo si m̂ = m^ b) L perpendicular a L si y sólo si m = 1 - Si se conocen un punto ( Xq , y Q ) sobre una recta L y la pendiente ra de ella, es posible encontrar la función que define a la recta mediante la fórmula: y - y o = m ( x - x q ). - Si (xq , y^) , (x1 , y^) son dos puntos sobre una recta L , entonces la distancia d entre (x , y ) y (x_ , y,) está dada por : o o í x d = N/ ( V xx ) 2 + ( y Q - yx ) 2 ' Ejemplo: La función y = a x + b x + c , a ^ o , tiene cooo gráfica una parábola con eje de simetría paralelo al eje y. La parábola se abre hacia arriba si a y o se abre hacia abajo si a •< o . Tal vez el punto más significativo sobre la parábola es su vértice. La abscisa del vértice está dada por : y su correspondiente ordenada y^ se obtiene reemplazando esta valor de x en la ecuación dada. Con esta información, más el cómputo de algunos punccs sobre la parábola permiten dibujar su gráfica. Así entonces, si la ecuaciór. de una parábola es: -4- y = - x + 6x tene»os que a = — 1 , b = S , c o . Como a -<C, o , la parábola ae abre hacia abajo (es decir, e3 cóncava hacia abajo). Para encontrar el vértice de ella, hacenos b 2a = 3. 2 (-1) Luego calculamos yv = - 3 + 6 (3) = - 9 + 1 8 = 9 Adeaáa podemos calcular algunos otros puntos, asignando valores a x, de pre- far«ncia simétricos al eje de simetría de la parábola que es x = 3. A R x y 2 3 4 8 1 5 5 5 0 0 6 0 * 7 5 Eje di simstr la Las funciones pueden ser sumadas, multiplicadas ó divididas, de acuerdo a las siguientes definiciones: sean f, g dos funciones, entonces a) la su-Tia f + g se define por ( f «• g ) (x) = f (x) + g (x). b) II producto f g se define por ; f g ) (x) = f (x) g (x). c) II cociente f se define por g (_f ) (x) = f (x) & S (*) -5- « ' Además f + g , f g están definidas para todo x para el cual f y g eatán definidas, y f está definida donde f y g lo están y además S g (x) T 0 ( así no dividimos por cero). £jespío Sea f (x) = J x + 1 y g (x) =\J 4 - x2* Se tiene que Dom f = £-1 , oo ) y Dom g = [-2 , 2 ] Entonces Doo. (f + g) = Do« fg = [ - 1 , oo ) H [-2 , 2] = [ - 1 , 2] _£_ = [ - 1 , 2] - { - 2 , 2 ^ . [ - 1 . 2 ) . 7 Do« g Estas funciones son (f + g) (x) = f (x) + g (x) = v/ x + 1 + 7 4 - x 2' (f g) (x) = f (x) g (x) = \/ x + 1 ' 7 4 - x 2 ' = J (x + 1) (4 - x 2 / ( f ) (x) = f (x) = sj T 1 ! T-^ X + 1 = / X + 1 « « r r r - ^ v 4 - x2 A menudo es necesario trabajar con funciones de funciones. Si f y g son funciones, entonces su composición, f o g , se define por ( f o g ) (x) = f ( g (x) ) y el dominio d e f o g = | x : x £ dom g g (x)édom f Esto es, (f o g) (x) está definida para todo x tal que g (x) y f (g (x)) estén cef i.ttido3. í jerr.plo: Sea f (x) = Nj~x ' y g(x) = x 2 + 1 En-cr.ces (f o g) (x) = f ( g (x) ) = f (x2 + 1) = j x T T 1 v a-emas (g o f) (x) = g ( f(X) ) = g (jm ) = ( J T ) 2 + 1 = x - 1 ahora, dom f = ÍH+ U o^ , dom g = (R entonces dom ( f o g ) = { x : g (x) = x 2 + 1 é-dom f j -6- 2 2 ccflTO x + 1 >o , entonces x + 1 pertenece a dora f para todo x real, de forma que dom (f o g) = 5 1 Para encontrar el dominio de g o f , tenemos que dom ( g o f ) = | x £ dom f A. f (X) 6- dom g ̂ , pero f está definida sólo para x )>, o , luego dom ( g o f ) La función exDonencial. Sea a un número real positivo (a > o). La función x • y = f (x) = a' es llamada función exponencial con base a , con Dom f R y Rang f = IR Esta función exponencial posee las siguientes propiedades: x x + a) a >o (Es decir Rang a = (R ) , , -x b) a = :) a x+y 1 x x y = a - ar d) x-y e) a = 1 f) < a V = a X y g) si a y 1 , a es creciente h) si o < a < 1, a es decreciente. y= a , 3 > 1 1 = , o <. a < 1 (0,1) (0,1) x X - 7 - 3 7 = 2 x > 2 - 1 1 2 x Una función expponencial es particularmente importante. Esta es la función exponencial cuya base es el número e. La letra e es usada para denotar el número irracional Ejemplo. La poblaciónde cierta ciudad crece continuamente a una razón de 6% anual. Si la población en 1980 fue de 250.000 habitantes, cuál será la po- blación en 1990? ¿ En 2010 ? Solución Las palabras "razón de 67. anual" significan que el crecimiento de la población es igual a 6% de la población. Si P (t) denota la población en t años después del año inicial 1980, entonces podemos escribir e = 2.71828128 d P = 0.06 P (t) d t ( no justificamos lo anterior por ahora ). Al resolver esta ecuación diferen- cial (que más tarde analizaremos) , resulta que P (t) = 250.000 e c Puesto que 1990 es 10 años después de 1980, tenemos que 0.06 t P (10) = 250.C00 = 250.000 ( 1.8221188 ) P (10) - 455530. Similarmente - 8 - o.06(3o) < 3 población en 2010 = P (30) - 250.000 e - 250.000e P (30) ° 250.000 ( 6.049647464 ) - 1512412 En ambas respuestas se ha redondeado al entero más cercano. La función logarítmica Si x - a^ , entonces el logaritmo en la base a del número x es y. Esto se escribe como y - loga X ( a > 0, a f 1 ) La relación entre la función exponencial y la función logarítmica es son llamadas funciones inversas. Entonces podemos escribir y •* 1 0§ a x e s equivalente a x = a? y además y = a es equivalente a x = logQy Si pensamos en y = log x y nos preguntamos ¿a qué potencia debe ele- a varse a para obtener el número x ? La respuesta es inmediata, log x a • x , para todo real positivo x . -9- además log a x - x , para todo real x y Dan (log x) •= ] x: X > o \ Rang(log x) = jR <3 En la función logarítmica y - log x pueden distinguirse las siguien- Aunque todo entero positivo distinto de uno puede ser usado como base para un logaritmo, dos basas son las más frecuentes. Si la base 10 es usada, entonces se habla de logaritmo común y 3 e denota por y - ioglQ x La segunda y más importante base para logaritmos es la base e ; se habla ahora de logaritmos naturales y se denotan por y - loge x •* In x. Ejemplo Resolver para x a) e2(x-5) = 3 0 y b ) 3 ln x + ln 5 = 4 Solución to que < 2(x-5) - ln 30 , 2(k-5) a) Puesto que e =30 , entonces ln e 2(x-5) ln e = ln 30 2 (x-5) - ln 30 2x - ln 30 + 10 x = 1 (ln 30 + 10) = 6.7 1 b) cerno 3 ln x + ln 5 = 4 , entonces ln x3 + ln 5 = 4 ln 5 x3 = 4 , 3 4 -11- r 4 ] 1 / 3 x - [1 e J ~ 2.2186. Ejercicios. 1) Encontrar La ecuación de la línea recta que pasa por los puntos a) ( 1,2 ) , ( 3,6 ) b) (-2,3) , (4,-1) c) (o,a) , (a,o) , a ¿ o Respuestas a) y - 2x b) 2x + 3y - 5 c) x + y - a 2) Determinar sí Las rectas determinadas por cada par de puntos son paralelas, perpendiculares ó ninguna condición anterior. a) (3, -1) , (2, 4) ; (2, 0) , (5, 7) b) (o,5),(2,-1) ; (o,o) ; (-1,3) c) (1, -2) , (2, 4) ; (4, 1) , (-8,2) d) (3,1),(3,7) ; (2,4) , (-1,4) Respuestas a) nada b) paralelas c) nada d) perpendiculares. 3. Determinar el punto de intersección de las líneas rectas (si existe) a) x - y = 7 ; 2x + 3y = 1 b) 4x -6y - 7 ; 6x - 9y = 12 c) 3x + y - 4 ; y - 5x - 2 d) x - 3y - 1 ; 2x - 6y = 2 Respuestas a) / 22 , -13 \ b) no intersección 3 J c) / 1 , 13 \ d) infinitas soluciones W 4 / 4. Evaluar las siguientes funciones en los puntos dados: a) f(x) - 1 ; f(o) , f(l) , f(-2) , f(-5) 1+x b) f(z) - 1 + z + z2 ; f(o) , f(2) , f(2) , f(l ) , f( -1 ) 1 Respuestas a) 1 ; 1 ; -1 ; - 1 b) 1 ; 7 ; 13 ; 3 2 4 T 4 5. Encontrar deminio y rango da las siguientes funciones: a) s « 4 t - 5 b) v - 1 ^ c) y = _1_ d) y - fie3 - 1 x+1 -12- x , x o e) y - f) y -x| , -x , x < o Resixiestas a) dcminio = rango = R b) dominio R - i O1] , rango R + c) dcminio R - , rango IR - { o\ d) dominio | |l,oo ) , rango [o,oo) e) dominio R - \ô J , rango f) dominio R , rango R U M 6. Graficar a) y (x - D 2 b) y = - 2x2 c) y - 1 + 2x2 d) y - e) 4 y = x f) y = 1x1 8) y - e*"1 h) y - 10x i) y - In ( x-1) j) y - ln (x+2) k) y - e~x 1) y = 10 e"x m) ¿ Cuál es el dcminio y rango de las seis últimas funciones ? 7. Para los siguientes pares de funciones, determinar f+g ; fg y sus respec- tivos dominios. a) f(x) - 2x-5 ; g(x) = -4x b) f(x) - ( x+2 v ; g (x) - {x-2 v c) f(x) = 1+ x5 ; g(x) = 1 - \ x \ Respuestas a) (f+g) (x) - -2x + 5 ; dominio R (fg) (x) = -8x2 + 20x ; dominio R b) (f + g) (x) =Jx + 2 v + Jx - 2 ) dominio [-2, 2^ (fg) (x) » -/4 - x2 , dominio [-2, o) (f + g) (x) = 2 - lx| + x^ ; dominio IR (fg) (x) = 1 - 1 x l + x"* - 1 x 1 x5 , dominio (R 8. Para los pares de funciones del problema 7, determinar f/g y sus respec- tivos dominios. -13- Respues tas a) (f/g) (x) = 2x - 5 , dominio R - -4x b) (f/g) (x) -1< x+2 x , dominio [-2 , 2^ « x-2 c) (f/g) (x) - 1+x5 , dominio R - j-1 , l̂J l-|x| 9. Cambiar a forma exponencial a) log15 4 - 1 b) log1/2 8 - -3 c) log12 1 - 0 d) log10 10 - 1 Respuestas a) 16 1 / 2 - 4 b) ( 1 )"3 - 8 1 _ n 1 d ) 101 - 10 c ) 12X - 0 10. Cambiar a forma logarítmica a) 3 4 - 81 b) (1 ) 3 = 1 7 I c ) 4"2 - 1 d) 2 1 / 2 - Y T I5~ Resrxies tas a) log3 8 1 - 4 b) log1/2 1 - 3 IT b ) lo§4 " ~ 2 d) log2 { 7 - 1 11. Resolver a) lo^ 6 4 - 3 b) logx 32 = -5 b) 2 e x - 8 d) e x e x + 1 - 2 e) 3 ln 2x - 1 f) 2 ln x + 3 - 0 2 g) ex + 2 x " 8 - 1 , x > o h) ln x - ln (x-1) - 2 i) ln (x+3) = ln (2x -5) j) 1 lnx - 3 4 Respues tas a) 4 b) 1/2 c) ln 4 d) (ln2 - l)/ 2 s , 1/3 P\ -3/2 V , , v 2 e) 1 e f) e g) 2 h) e -1 -14- I I LA FORMULA DEL BIiNCMIO Por multiplicación directa, pueden obtenerse las siguientes fórmulas: ( u + v = u + v 2 ( u + v ) = 2 u + 2uv + v 2 (u + V ) 3 = 3 u + •j 2 , 2 , 3 3u v + 3 uv + v (u + V ) 4 - 4 u + ,3 c 2 2 , , 3 , 4 4u v + 6 u v + 4 u v + v (u + V ) 5 - 5 u + 5U 4V + 10 u 3v 2 + 10 u2v3 + 5 uv¿ + v5 Una inspección de estos desarrollos revela ciertas propiedades que pueden aplicarse al desarrollarse de (u .+ v)n , donde n es un entero positivo. ELstas propiedades son: 1. El primer término del desarrollo es un. 2. El segundo término del desarrollo es n u n * v. 3. ELI exponente de u decrece una unidad término a término, el exponente de v aunen ta una unidad término a término, y la susa de los exponentes de u y v en cada término del desarrollo es a. 4. Si se multiplica el coeficiente de cualquier término por el exponente de u en ese término y si se divide este producto por el número de orden del término, el cociente da el coeficiente del término siguiente. 5. Hay n + 1 términos en el desarrollo de (u + v)n 6. Los coeficientes de los términos equidistantes de los extremos del desa- rrollo son iguales. Estas observaciones nos permiten escribir el desarrollo de (u + v)n , para n entero positivo como: f ' ,n n , n-1 • / n-2 2 , n(n-l) (n-2) n-3 3 (u + v ) « u + n u + n (n-1; u v + _________ u v 2 2 . 3 + n (n-1) (n-2) (n-3) un-4 + + %n 2.3.4 E i espío ' 8 El desarrollo de (2x + y) corresponde a -15- (2x +y)8 = (2x)8 + 8(2x)7 y + 8^7 (2x)6 y 2 + 8.7.6 (2x)5 y 3 2 2.3 + 8.7.6.5 (2x)4 y 4 + 8.7.6 (2x)3 y 5 + 8 ^ (2x)2 y 6 2.3.4 2.3 2 + 8C2X)1 y 7 + y 8 256x8 + 1024x7y + 1792x5y2 + 1792x5y3 + 1120x4y4 + 448x3y5 + 112x2y6 + 16xy7 + y8. Notar que los coeficientes en la forma final de este desarrollo no corres- ponden a los coeficientes del binomio, en realidad corresponden a los produc- tos de los coeficientes del binomio por las potencias de los coeficientes de u y v. Ejemplo El desarrollo de ( ax - by ) 7 corresponde a (ax - by)7 = (ax)7 + 7(ax)6 (-by)1 + 7^6 (ax)5 (by)2 2 7.6.5 (ax)4 (by)3 + 7.6.5 (ax)3 (by)4 + 7^6 (ax)2 (-by)5 2.3 2.3 2 + 7 (ax)1 (by)6 + (by)7 - a 7 x7 - 7 a 6 b x 6 y + 21 a 5 b 2 x 5 y 2 - 35 a 4 b 3 x 4 y 3 ^ , , 3,4 3 4 2 .5 2 5 . , .6 6 .7 7 + 3 5 a b x y - 2 1 a b x y + 7 a b x y - b y . Ejercicios Desarrollar los siguientes binomios a) ( a + b ) 7 b) (2x2 + y 3) 5 c) (-x + 2y2)4 d) ( a x"1 - b y"2 ) 5 Respues tas a) a7 + 7 a 6 b + 21a5 b 2 + 35a4 b 3 + 35a3 b 4 + 21a2 b 5 + 7a b 6 + b7 -16- b) 32x10 + 30x8 y 3 + 80x6 y 6 +• 40x4y9 + 10x2 y 1 2 + y 1 5 c) x4 - 8 x3 y 2 + 24 x2 y 4 - 32 xy6 + 16 y 8 d) a5 x"5 - s.S x"4 y"2 + 10aV x"3 y"4 - 10a2 b 3 x"2 y"6 + 5ab4 x ' V ^ b V 1 0 Los coeficientes en el desarrollo de (u + v) n pueden obtenerse a través del triángulo de Pascal 1 1 1 6 1 7 etc. 1 1 1 1 2 1 1 3 3 4 6 4 5 10 10 15 20 15 21 25 25 21 En el desarrollo del binomio (u + v) n, el término que contiene a vr tiene como coeficiente a la expresión n (n-1) (n-2) (n-3) (n-r + 1) (l) r i donde r ! = 1 . 2 . 3 . 4 ( r - 2 ) ( r - l ) r y o ! - 1 por definición. Podemos airplificar por (n-r) ! la expresión (l) para obtener n ( n-1 ) ( n - 2 ) ... ( n-r + 1) . ( n-r ) 1 - n¡ r: ( n-r ) I r ! (n-r) expresión que es el coeficiente del término que contiene a un r vr en el desarrollo de (u + v)n , que corresponde al término de orden (r + 1). Entonces, el (r + 1) -ésimo término del desarrollo de ( u + v ) n es n '. n-r r u v rl (n-r) ! y en forma compacta, (u + v^ puede escribirse como ( u + v ) n = H f = o n: n-r r u v r ! (n-r) ! -17- Ejemplo r Encontrar el término que contiene a y en el desarrollo de e o 2 -L. ( 2x + y ) Solución En este caso r = 5 y corresponde al sexto término del desarro- llo que es 10 ! (2x2) 5 y 5 - 10! 2 5 x 1 0 y 5 5! ( 10-5 ) ! 5! 5! - 10. 9 . 8 . 7 . 6 . 5! 2 5 x 1 0 y 5 - 8064 x 1 0 y 5 5 ! 5 ! Ejercicios Encontrar el término especificando en cada caso. 3 2 9 1. El término que contiene y en (x + y) 18 1/2 3 15 2. El término que contiene y en (a x - b y ) 3. El quinto término de ( 3x - ̂ ) ̂ 2 8 4. El término central de ( x + y ) * 2 9 5. El séptimo término de ( x - ̂ ) f f 2 0 6. El término decimoséptimo de de (x - 1 ) x * 2 12 7. El término independiente de x en (x - 1 ) " x Respuestas 9 1. - 84 x 1 2 y 3 2. 5005 a 9 b 6 x2 y 1 8 3. 945 x 3 y 4 4. 70 x4 y 8 16 5. 21 x3 y 1 2 6. 4845 ' 16 x 7. 495. Cuando n es cualquier real, entonces puede demostrarse que -18- ( a + x ) n - a n + n a n _ 1 x + n(n-l) an'2 x2 + n (n-l)(n-2) an"3 x3 ~Jl 31 + n (n-1) (n-2) (n-3) an~4 x 4 + 4! 2 2 y esta suma tiene un valor finito cuando x < a . Puede usarse un número finito de sumandos en este desarrollo para aproximar el valor de ( a + x ) n y , en general, mientras mayor sea el número de términos que se usan, mejor será la aproximación. -19- III LIMITES Y CONTINUIDAD Definición Sea L un número real y supongamos que f(x) está definida en un intervalo abierto que contiene a x , pero no necesariam.8<it« en Xq. Deci- mos que el límite de f(x) cuando x tiende a Xq es L , denotado por lim f (x) •= L f x — xQ si ii tender x a xq , por la izquierda o por la derecha,con x £ X q , c (x) tiende a L. E i espío Analizamos los siguientes casos. a) b) -20- E1 límite existe en X q en las figuras a y b porque f (x) se aproxima al mismo valor cuando x se aproxima a X q por la izquierda o por la dere- cha. El límite no existe en x^ en la figura c porque se obtienen distin- tos valores al tender x a xQ por la izquierda o por la derecha. En la fi. gura d, el límite en Xq no existe pues f (x) llega a ser infinitamente grande cuando x tiende a XQ. Ejemplo Consideremos la función f (*) =* x (x + 1) Puesto que no podemos dividir por cero, esta función está definida para todo número real, excepto para x » o. Puesto que x. = 1, para x £ o, en- tonces f (x) = x + 1 para x / o a continuación. El gráfico de esta función se muestra l Qué sucede cuando x tienda a xQ 1 Ilustramos este hecho con la siguien- te tabla. Notar que cuando x / o, en tonces f (x) = x + 1. f ( x ) no d e f i n i d a a n x = o X f(x) - (x + 1) X - X+1 X X f(x) - (x + l)x - x + 1 X 1 2 -1 0 0.5 1.5 -0.5 0.5 0.1 1.1 -0.1 0.9 0.05 1.05 -0.05 0.95 0.01 1.01 -0.01 0.99 0.001 1.001 -0.001 0.999 Es claro que cuando x tiende a o , f(x) se aproxima al valor 1. En nota- ción matemática lim x( x + 1) - 1 X—V O X Es claro también en este ejemplo que el valor del límite no se obtiene eva- luando la función en x = o. El cálculo de límites frecuentemente es tedioso. Afortunada- mente, hay un número de teoremas que hacen los cálculos mucho más simples. -21- Algunos de estos teoremas son: 1) Sea p(x) =• a Q + a1 x + a 2 x 2 + + a n xn un polinomio. Entonces lim p(x) - p (x ) - a + a., x + a- x2 + + a o x" o l o ¿ o n o x-»x o 2) Sea c un número real y supongamos que lim f(x) existe. Entonces lim c £(x) existe y además x-*"xo x —»• x„ o lim c f(x) = c lim f (x) x —• x x o o 3) Si lim f (x).. existe y lim g (x) exi3te, entonces existe X—•x x-»x o o lim ( f (x) + g (x) ) y además x-»-x o lim ( f(x) + g (x) ) - lim f (x) + lim g (x) X-»-X X - + X x-»x o o o 4) Si lim £ (x) y lim g (x) existen, entonces lim f (x) g (x) x-*x " ~ o existe y además x-*x X-»X X—»x o o o lim f (x) g (x) =• lim f (x) . lim g (x) X-»X X-VX X-VX O 0 0 5) Si lim f(x) existe y <í , entonces lim ĵ f (x)j n X-V X existe y además lim^f (x)J=> £ lim f (x)J n X-VX X—«- X o o 6) Si lim £ (x) existe y lim g (x) existe y es distinto de cero, o o entonces existe lim fCx) y además lim f(x) - f ^ x-»-x g(x) / N o 0 * lim g (x) -22- Eiernplos Calcular lim [ x (x+l) + 4x3 + 3I X —*• 9 L x i Solución Por el ejemplo anterior tenemos que lim x (x+l) - 1 ; además por el teorema 1 se tiene x-»' a * lim ( 4 X 3 + 3 ) - 4 . O 3 + 3 - 3 ; luego t -r 0 -5 2 lim x(x+l) + 4x + 3 = lim x(x+l) + lim ( J,x + 3) x -> o x x -*• 0 x x-*:o - 1 + 3 - 4 2 \4 Ejemplo Calcular lim ( x + 1 ) x —• 2 Solución lim (x2 + l)4 = [ lim (x2 + 1)] 4 = ( 2 2 + 1 ) 4 = 625 x-v2 x ->-2 3 2 Ejemplo Calcular lim x - x - 3 Solución x —*• 4 x—*-4 2 . c x - 3x + 5 lim ( x 3 - x2 - 3 ) = 6 4 - 1 6 - 3 - 45 lim ( x 2 - 3 + 5 ) = 16-12 + 5 = 9 { 0 x -v4 luego , 2 i™ x3 - x 2 - 3 = ( x - x - 3 } - 4 5 - 5 x x2-3x + 5 lim ( x2 - 3x +5) 9 x ->-4 Definición El limite cuando x tiende a infinito de f (x) es L , denotado por, lim f(x) = L X —voo si f (x) está definida para grandes valores de x y si f (x) se aproxima a L cuando x crecj-sin cota superior. -?3- Ejemplo Calcular lim 1 x-*oo Solución Cuando x crece, x crece y 1 decrece, lo que hace que 2 x lim x-»-oo = 0 Nota Cuando £ (x) es de la forma racional f (x) x) donde P (x) y r (x) son polinomios, una técnica de uso frecuente en el cál- culo de límites de f (x) cuando x tienda a infinito es dividir el numerador y el donominador de f(x) por la máxima potencia de x que apa- rezca en la expresión para f (x) ; luego aplicar límite cuando x-»-oo. Ejemplo Calcular lim x—»• oo 3x3 + 5x2 - 9 4x3 - 3x + 16 Solución Simplificando la fracción por x , tenemos luego lim oo 3x3 + 5x2 - 9 4x3 - 3x + 16 3x3 + 5x2 - I 9_ 3 4 - + * 2 3 x x 4x - 3x + 16 lim X-»-00 3 + 5 - 9 / 3 • 16 4 " 1 + " I x x 3 2T Ejercicios En los ejercicios siguientes calcular cada uno de los límites (si exi¿ ten) ; en caso contrario explicar por qué no existen. lim ( x + 17x + 45 ) x-»o 2. lim __1 x5 + 6x + 2 -24- 3. lim ( 25 - x 2 ) 3 x —»• 4 4. lim J P - 1 x - 1 5. lim ^ x + l' - 1 x o 6. lim f(x) , si f(x) x —*• o x + 3 , x 7/ O x - 3 , x < 0 7. lim f (x) , si f(x) x —vo 0 , x < 0 x 2 , 0 < x ^ 2 4 , x > 2 8. lim X x 2 - 3 x-»--2 1 + x + x 2 + x3 9. lim 1 x-*o x - 4 10. lim _1_ X O X 11. lim 2x 3x3 + 4 12. lim x° - 2xJ + 3 5xa + 3x + 1 «isouestas 1. 3. J^ 2 2- _I_ 2 6. No existe. 3. 729 7. 0 1 2 - JL_ 5 9. CO 10. No existe. 11. 0 12. CO -25- Ejercicio. 2 a) Grafique la curva y = 5 - x b) Dibuje (en su gráfico) la recta que une los puntos ( -3, -4) y (-4, -11). c) Dibuje (en su gráfico) la recta que une los puntos (-3, -4) y (-3, -7.25) •y d) Si Ax 4 0 ¿ qué representa el cociente 5 - (-3 - ¿x)~ + 4 ? - Ax e) Calcular lim 5 - ( -3 - Ax ) 2 + 4 Ax-»o . - Ax 2 f) i Cuál es la pendiente de la rectatangente a la curva y = 5 - x en el punto (-3, -4) 7 Veamos ahora el concepto de continuidad. El concepto de continuidad es una de las nociones de mayor relevancia en matemáticas. Intuitivamente, una función es continuar en un punto si está definida en este punto y si su gráfico no presenta una "rotura" en ese punto. Ejemplos -26- Definición Sea f (x) definida para todo x en un intervalo abierto que contiene a x . Entonces f es continua en x si se cumplen las tres o o r condiciones siguientes: 1. f (x ) existe 2. lim £(x) existe X—*~ X o 3. lim f (x) - f (x ) X—*- X o Nota : La condición (3) nos dice que si una función f es continua en x , entonces podemos calcular lim f(x) por simple evaluación. x-*-x o Definición Una función f es continua en el intervalo abierto ( a, b ) si f es continua en cada punto del intervalo ( a, b ). Ejemplo f (x) = •/ x es continua en el intervalo ( o,oo ) Ejemplo f (x) = a* ( a > o ) es continua en R E jaro lo f (x) = In x es continua en ( o,oo ) Ejesrplo F (x) = Ix l es continua en R Ejercicios En los problemas siguientes, encontrar los puntos (si existen) donde la función dada es discontinua. Indicar el mayor intervalo ó intervalos sobre los cuales es continua. 1. c (x) = x2 - 3 2. f (x) 6-x -27- 3. f (x) = x x+1 4. f (x) - x 1 7 - 3x15 + 2 5. £ (x) = x 1/4 6. f (x) -17x 7 7 7 7. e (x) 2x 3 x - 8. f (x) x - 1 x - 1 3 , x ¿ 1 , X - 1 9. Dada la función definida por (x) = x , x no entero 2 j_ x , x entero l Para qué valores enteros de x la función f es continua ? -28- IV LA FUNCION DERIVADA Consideramos ahora una función f , y una parte de su gráfica represen- tada en la siguiente figura: l ínea secante pequeño (positivo ó negativo), entonces xQ + Ax está cerca de Xq . Al movernos de x a x:+Ax , el valor de f se moverá de f(x ) a f (x„ + Ax). O » 0 0 La línea que une los puntos (xQ , f (Xq) ) y ( xQ+ Ax, f(xQ+ Ax) ) se llama línea secante. ¿ Cuál es su pendiente ? Si definimos Ay= f(xQ+Ax) - f(x ) y si usamos la notación m para denotar tal pendiente, tenemos o s que ms = cambio en y cambio en x f (x + Ax) - f (x ) . „ a o o = Ay = tg 15 <• x0 + V - *o ^ 1 l Qué tiene que ver esta pendiente con la pendiente de la línea tangente ? Incuicipamente, pedemos observar que cuando Ax se hace pequeño, La línea secance se acerca más y más a la línea tangente, de tal forma que m = tg =< = lim m = lim Ay = S Ax -»• o S kx - * - o Ax lim f(x +Ax) - f(x ) . 0 v Ax-»o Así entonces Dodemos definir: -29- O e f l n l c l ó f » S I e l 1 ( n i t » s i g u i e n t e e x i s t e , l a d e r i v a d a de l a f u n c i ó n f an a l p u n t o i e s t á d a d a p o r d ; r i v a d 3 de f en x = f ' (x ) = 1 i.n f (x - i x ) - f ( x ) o o . o o ix ->o i x S i e s t e l í . n i t e e x i s t e , f se d i c e d i f e r e n c l a b l e an x . o í n l a d e f i n i c i ó n a n t e r i o r , e s t a m o s t r a b a j a n d o c o n un p u n t o f i j o , x ^ . S i n s . n b a r g o , l a d e f i n i c i ó n se p u e d e g e n e r a l i z a r p a r a un p u n t o c u a l q u i e r a x , o b t e n i e n d o una n u e v a f u n c i ó n , l l a n a d a f u n c i ó n d e r i v a d a . A s i e n t o n c e s l a f u n - c i ó n d e r i v a d a da f es l a f u n c i ó n d e f i n i d a p o r f (x) lio f (x - ix) f (x) i X -*-0 ix ix E l d o « i n i o da f 1 es un c o n j u n t o de p u n t o s p a r a l o s c u a l e s e l l í m i t e a n t e - r i o r e x i s t e . A d « « á s f ' ( x ) no e s t á d e f i n i d o s i f ( x ) no e s t á d e f i n i d o . IIQ U S 1) La d e f i n i c i ó n de d e r i v a d a en un p u n t o p u e d a u s a r s e p a r a d e f i n i r l a l í n e a t a n g e n t e de l a s i g u i e n t e f o r m a : S i f ' ( * g ) e x i s t e , e n t o n c e s l a l i n e a t a n g e n t e a l a c u r v a y = f ( x ) en e l p u n t o ( x , f ( x ) ) es l a ú n i c a r e c t a q u e p a s a p o r o o ( x , f ( x ) ) de p e n d i e n t e f ' ( x ) . o o o 2 ) l a d e r i v a d a f 1 ( x ) r e p r e s e n t a l a r a z ó n de c a m b i o I n s t a n t á n e a da o y c o n r e s p e c t o a x en e l p u n t o x = x . o í l s i g u i e n t e e j e m p l o i l u s t r a l a n o t a 1 . £ j j'01 o [ • i c o n t r a r l a e c u a c i ó n de l a r e c t a t a n g e n t e a l a g r á f i c a de y = ^[x^ e n el ( 9,3 )• S z ! j c i ó -i Si f(x) = {7 , e n t o n c e s f(x • ix) = \ x • ix; l u; 3 o I \ j n n l f ' ( i ) = l i .n \ x + i x - ^ x ; a m p l i f i c a n d o p o r ( x <• i x * \ x ) ix fcsníJios 3 u • -30- f • (X) = lim ( ix - ix - (~T) (.{ X - i x en toncas i* (Cx TTT * /T1) f ( x ) = l i m i x ix O = l i a 1 = 1 ix c f7r¡7 { r r ? x . r r 2 r r I tone as F'(9) La e c u a c i ó n de l a l í n e a t a n g e n t e p e d i d a as p o r t a n t o 1 - 3 = l ( x - 9 ) 6 6 y - 13 = x - 9 x - * 9 = o E l s i g u i e n t e e j e m p l o i l u s t r a l a n o t a 2 Ejemplo S i ? ( t ) r e p r e s e n t a l a p o b l a c i ó n de c i e r t a c i u d a d d e s p u é s de t años , ¿ Cuán r á p i d o c r e c a l a p o b l a c i ó n da l a c i u d a d d e s p u é s de 3 a ñ o s , s i f ( t ) = 150 . 0 0 0 * "i t Z ? S o l u c i ó n Se p r e g u n t a p o r l a r a z ó n i n s t a n t á n e a de c r e c i m i e n t o de l a p o b l a c i o n c u a n d o t = 3 a ñ o s . E s t a e s t á d a d a p o r P ' ( 3 ) = l i m ? (3 « A t ) - P ( 3 ) = l i m 150 . 000 • ¡t ( 3 » l t ) - 1 50 . 000 - í t -*o i t i t - » o it l i m b ( 9 * 6 41 * i t 2 ) - 36 = l i m (6 i t * i t 2 ) it-»o it i t 1 i m ¡t i t (6 * i t ) = l i m <t ( 6 - i t ) = 2't i t ->, o i t o i t ¿ s í e n t o n c e s , i a p o b l a c i ó n e s t á c r e c i e n d o a r i z ó n de 2 4 i n d i v i d u o s par a ñ o , c u a n d o t = 3 3 ñ o s . -31- Se p u e d e d e m o s t r a r s i n m u c h a d i f i c u l t a d a l s i g u i e n t e h e c h o de r e l e - f u n c i o n e s d i f e r e n c i a l e s s o n c o n t i n u a s S i n • » b a r g o , f u n c i o n e s que s o n c o n t i n u a s no s o n n e c e s a r i a m e n t e d i f e - r ; i ; i a l s s , co.no l o i l u s t r a e l s i g u i e n t e e j e m p l o : y = ¡ » | i de g r á f i c a Esta función es continua an x = O ; pero si calculamos lii f ( 0 + 4 x ) - f ( Q ) = lim I AxI 7 o c u r r e q»e i x ix o Ax lí» il -» o < i x i x 1 J lim ¿x o i e g o f 1 ( 0 ) no e x i s t a p a r a y = 1 * 1 - ; ; r c i c i o s ín ¡ a s s i g u i e n t e s p r o b l e m a s , e n c o n t r a r l a e c u a c i ó n de l a l í n e a t a n g e n t e i la c u r v a ciada en e l p u n t o i n d i c a d o : í(i) = . 6 ; (3, -6) J . f ( . ) 2; (1, 2) 2. y = x3 ; (2, 3) A. f(x) = 1 ; (1 , 3) 7 3 S i ? ( i ) d e n o t a l a p o b l a c i ó n de una c o l o n i a de b a c t e r i a s d e s p u é s es t <i h o r a s , i C u a n r á p i d o c r e c e l a p o b l a c i ó n da b a c t e r i a s , s i P ( t ) = 10 C - t c u a n d o t = 3 a ñ o s ? -32- R e s o u e s t a s 1 . y = -<i x • 6 3. y = x • 1 5 . 108 b a c t e r i a s p o r h o r a . 2 - 1 y 12x - 16 •9 x • 6 E l p r o c e s a d9 c a l c u l a r d e r i v a d a s u s a n d o l a d e f i n i c i ó n I n v o l u c r a a y a c e s un a l g e b r a t e d i o s a a n t e s de a p l i c a r l í m i t e s . A f o r t u n a d a m e n t e , e x i s t e n f ó r - m u l a s que p e r m i t e n e l c á l c u l o de d e r i v a d a s d i r e c t a m e n t e ; e l p r e c i o que d e b e p a g a r s e p a r a u t i l i z a r l a s d i r e c t a m e n t e , as q u e h a y que men o r 1 z a r 1 a s . A l g u n a s de e s t a s f ó r m u l a s s o n : 1 . S i r es un r e a l c u a l q u i e r a , e n t o n c e s f ' ( x ) = ii d ( x f ) r - 1 r x dx dx Ejemplo 2/3 x , e n t o n c e s !l = L_ X dx 3 -T3 2 . S i c es una c o n s t a n t e y fes d l f e r e n c i a b 1 « , e n t o n c e s d ( c f ) c d f dx d x E j e m p l o d ( 3 x ) dx 21 x 3 . S i f y g s o n d i f e r e n c i a l e s , e n t o n c e s d ( f - g ) dx d f dx la dx Ejemplo a ( <¡ x3 - 20 x ' Z ) dx 4 (xJ) dx 20 d ( x dx - 2 , 12 x2 * 1,0 x~3 = 12 x2 * 1,0 -33- ii . S i f y g s o n d t f a r nc 1 a 1 s s , s o t a n e a s ( fg ) ( x ) = f ( x ) g ' ( x ) . f ' ( x ) g ( x ) Ejemplo d ( { ~ T ( x1* . 3 )) = d { T dx d x ( x * * 3 ) * ( P . _ ± _ ( dx 1 * 2 -12 , << , / 1 , , 3, (x * 3 ; * \ x ( W ) 1 I 2 * 3 * " t x 3 - ( T * = 9X1* • 3 2 ^ 5 . S i f y g s o n d i f e r e n c i a l e s y g ( x ) , e n t o n c e s Ejemplo dx d f(x) = g(x) f (x) - f(x) 9' ( x ) dx g(x) ( 9 (x) )2 3 , X * X + 1 - (x 2 - 5) (3xz * 1) - (x3 * X 2 - 5 ( X 2 - 5 ) 2 11 = X - 16x2 - Zx - 5 x - 1 0 - x * 25 6 . ( R e g l a de l a c a d e n a ) S i y = f ( u ) c o n u = f ( x ) , e n t o n c e s d y = d y d u d x d u d x Ejemplo d ( J x ¿ * x ' ) dx ^ d J u ' , c o n u d7~ . u e g o d x dx 1 ( Zx «• 1 ) = 2 X * 1 2 < u J-l , \ X * X -S V" ̂ n -,p A © 3 @ ^ AtWj^íCA LATfMA S i g es d i f e r » c i a 61e , e n t o n c e s p a r a t o d o r e a l r se t i e n e d d s { ( 1 i n d ( x - x ) dx 1 ( X Z + X ) ( 2x * 1 ) = 2 x •»• 1 , 1 2 \ x • x S i u ; s una f u n c i ó n d i f a r e n c i a b l s de x , • a t o n c s s / u . d ( a ) = u s du dx dx ( En p a r t i c u l a r d dx í i a m p l o 1 2 , d ( 9 ) = e . 2x = 2x e dx S i ¡i es una f u n c i ó n d i f a r e n c i a b l e de x , j n t o n c t s d ( l n u ) 1 du dx u dx ( En particular d d x ( l n x ) silo (Ir . 2; 2_x 2 Para e x p r e s i o n e s de l a f o r m a v , c o n u y y f u n c i o n e s d e x , es n s c ? s a r i o l a a ; L i c a c i ó n de l a f u n c i ó n l o g a r í t m i c a : -55- u V l n y = 1" v u 3 u U v 1 dy = du Inv * u dĵ ^0 -y- di" oí v dx y SÍ despeja dy dx Ejemplo y - xX , luego l n ¡i = x l n x , l u e g o 1 dy = l n x 1 , l u e g o y dx 1 ) X ( 1 • l n x ) . d ¿ = y ( ln x + dx i jarcíelos C a l c u l a r l a s d e r i v a d a s d e l a s s i g u i e n t e s f u n c i o n e s . 51 1 1 . y = 3x - 6 x • 2 2 . y = x 3. y = ( 1 * (T) ( 1-X2) Y = 8 5. y ln (1 * "tx) 3x 6 . y = ( 1* e X ) / ( l 2 t . 5 .3/* 8. y = (1 • x * x 9. y = ( 1 * X) (1 -X ) R e s p u e s t a s 1 . &x - 6 - 72 3 . I x Z 5. i, / ( 1 • ) 7 . 3 <1 * x * x V ^ ( 1 * 5X1* ) i. 2 x 1 0 . y = x 2 -7 2. 5 x 7 <t . 3 e 6. 2 e X / ( 1 - e ) -56- « . \ C 1 - X - X 3 ) ( 1 . Z t ) - ( 1 * X * X 2 ) ( 1 * 3 x 2 ) ¡ j / ( 1 * x * x V I 9 . - 1 0 x ( 1 * x / ( 1 - x 2 ) . <- ( 1 * x ) 3 ( 1 - x 2 ) 7 7 2 1 0 . < " ( < » 2 x l n x ) O a r i v a d a s de O r d e n S u p e r i o r Sea y = f ( x ) u n a f u n c i ó n d i f e r e n c i ab 1 e . E n t o n c e s l a d e r i v a d a y ' = f ' = dj_ dx es t a m b i é n una f u n c i ó n de x . E s t a n u e v a f u n c i ó n de x , f 1 , p u e d e o no s e r una f u n c i ó n d i f e r e n c i ab 1 e de x . S í l o e s , l a d e r i v a d a de f es l l a m a d a l a s e g u n d a d e r i v a d a de f ( e s d e c i r , l a d e r i v a d a de l a d e r i v a d a ) y se d e n o t a p o r f ' 1 . O t r a s n o t a c i o n e s u s u a l e s p a r a l a s e g u n d a d e r i v a d a s o n : y " • _ ! _ ( É l ) ' ¿ 1 dx ' dx ' 2 dx En f o r m a s i m i l a r , s i f ' r es d i f e r a n c i ab 1 e , e n t o n c e s se p u e d e c a l c u - l a r f 1 ' ' , c o n n o t a c i o n e s y " ' , ¿ d x 3 y se p u e d e c o n t i n u a r i n d e f i n i d a m e n t a , t a n t o como l a s d e r i v a d a s s u c e s i v a s s e a n d i f e r e n c i a b l e s . Ejemplo . , Sea y = , e n t o n c e s x y 1 = - ; y " = J _ ; y ( 3 ) = - 6 y ( ! , ) = 21. ; es d e c i r 2 5 ~ V ~ X X X X ( -1 ) ( d x -57- : tjrci ciis í n l o s p r o t ¡ l ) » a s 31 g u 1 j n t e s , d e t e r m i n a r y ' ' , y (3). 2- 1 h. y = (x > 1) 2/3 r = £ 7. 7 = 3 X - S X * C 6. y = »r (r nal) 8. y = C x* 1 )"5 9. !Jnj p a r t í c u l a s ) « m » ; a l o l a r g o da una l í n e a da t a l f o r m a q u a su p o s i - c i ó n en e l t i e a p o t e s t á d a d a p o r s r 2 t 5 - I > t 2 » 2 t > 3 l a p o s i c i ó n i n i c i a l o c u r r e c u a n d o t = 0 3} i C a á l es l a p o s i c i ó n i n i c i a l ? l ) £ C u á l ss su v e l o c i d a d i n i c i a l ? c ) l C u á l es su a c e l e r a c i ó n i n i c i a l ? d) i En qué t i e » p o l a p a r t í c u l a d e j a de d e s a c e l a r a r y e m p i e z a a a a c e l e r a r ? «eso a e s t a s C ; 0 3/2 5/2 • 1 i I x~ V 3 2. 3 ; 0 1/3 <». 2 (x * 1)" ; - _ ! _ ( * • 1) 9 27 2 n V 3 / 2 r 1 2 W 2 T 3 M . 2,-5/2 2,-5/2 X (1 - X ) - ( 1 - X ) ; - 3 X (1 - X ) - 3x (1 - X ) ( r - 1) , r " Z ; r ( r - 1) ( r - 2 ) x " " 3 : a ; 0 • 30 (x * 1)"7 ; -210 (x , 1)' s) 3 ; b) 2 c) ; d ) 2 3 -.3 8 - diferenciación Implícita. En t o d o s l o s e j e m p l o s i l u s t r a d o s h a s t a a h o r a , l a v a r i a b l e y ha s i d o d a d a como una f u n c i ó n e x p l í c i t a de l a v a r i a b l e x . Como p o r e j e m p l o : / 1 2 3 y = 3 * * 6 ;' y : X x . 1 ; y = x ( x • 1 ) ; e t c . S i n e m b a r g o , f r e c u e n t e m e n t e l a s v a r i a b l e s x , y e s t á n d a d a s i mp l í c i• t a m e n t e p o r d e t e r m i n a d a s e c u a c i o n e s , p o r e j e m p l o : 3 3 ^ / / 2 2 5 x - y = 6 x y : x y = 1 ; ( x * y ) / X x - y = l 6 y : e t c . Si se s u p o n e q u e y es una f u n c i ó n d i f e r e n c i a b 1 e de x , una t é c n i c a u s u a l en e l c á l c u l o de dy , c o n s i s t e en d e r i v a r ambos m i e m b r o s de l a e c u a c i ó n q u e r e l a c i o n a x e y ; * f i n a l m e n t e se d e s p e j a a l g e b r a i c a m e n t e p a r a dj_ . dx 2 3 <i E | emp 1 o • Sea x • x = y * y E n t o n c e s , p o r r e g l a de l a c a d e n a , a l d e r i v a r ambos m i e m b r o s se t i e n e 2 x i, _ d _ ( x + x ' ) = _ d _ ( y * y ) dx dx 2 3 2 x 3 x = + í L l dx dx y e n t o n c e s r e s o l v i e n d o p a r a se t i e n e dx d y = 2 x <• 3 x 2 d* i 3 1 • <t y Ejercicios En l o s s i g u i e n t e s e j e r c i c i o s , c a l c u l a r d j . . e m p l e a n d o l a d i f e r e n c i a c i ó n , i i d x implícita. 1. * y 3 = 3 2 . f T • f T = 2 3. i * 1 " 1 <•• ( x * y ) 7 2 = ( x 2 . y ) T 3 * y 5 . ( x 2 . y 2 ) " 7 2 = <, 6 . ( 3 x y * 1 ) 5 s x 2 7 . E n c o n t r a r l a e c u a c i ó n de l a l í n e a t a n g e n t e a l a c u r v a ( x • y ) / ( x - y ) =5 en e l p u n t o ( 3 , 2 ) . -39- Sispu i St 3 S 1 2 / 2 1. - x / 7 <>. [(2. / 3) ( x2 - y 5 . - x / y 7 . 7 = 2» / 3 . 2. -<y x 2 / 2 3- - y / * -2/3, ) 2 / 3 - C - y r T V z ] / ( W T 2 2 - C>2 • , V 7 ?] 6 . 2 / [ i 5 ( 3x7 - 1 J 1 * ] - y [ x O e r i v í d a s de f u n c i o n e s T r i g o n a a é t r i e 3 s Es p o s i b l e d e m o s t r a r q u e l í o san x = 1 ; l i m e o s x - 1 X X L u e g o , a p l i c a n d o l a d e f i n i c i ó n de d e r i v a d a , p o d e m o s « s c r i b i r d sen x = l i m s e n ( x * h ) - s e n x dx h —*• o . : l i m e o s h - 1 * e o s x l i m s e n ¡i h —* a . h ~*o n n i s e n x . 0 • e o s x . 1 = 1 A s í e n t o n c e s a d e • á s , p u e s t o q u e Ú C 0 S X lúe:-: d dx (senx ) s COS X X = sen ( \i x ) , t e n e m o s 2 - d s e n (-cr x ) dx 2 = ( -1 ) e o s - x ) = - e o s 2 - x ) = - s e n x d eos X - sen x dx A p l i c a n d o l a s r e g l a s h a s t a a h o r a c o n o c i d a s , es p o s i b l e p r o b a r q u e - ir O - 4, d t g x = s e c 2 x d cotg x = cosee2 r dx d secx = seoxtgx dx d c o s e c x = - c o s e c x c o t g x tí x l j;a;l:sa) _d_ cos5x = 3 cos2x d_ eos x ) dx d x = - 3 c o s 2 x s e n x b ) - J 7 7 T 7 = d ( s e n x ) T 2 -- 1 ( s e . x ) _ í 2 J _ s e n x 7T v I T 2 d* -12 - 1 ( s e n x ) e o s x = e o s x c ) : ( c o t g x ) - J L c ° s * 2 \(senx 2 2 s e n x - e o s x dx s e n x s e n 2 x 2 c o s e c x 2 s e n x £ j » r : i : i o s Calcular djr. paf3 dx 1 . . = t g 2 \HT 2. 1 = s a c ( l n x ) = l n ( s e c x * t g x ) << • 1 = s e n .( x - y ) ) - - 8»s: n 3 í a s 1. : : n r s e c 2 ' T p 2 . s e c ( l n x ) tg ( l n x ) x ). ; e c x <t. eos (x * y) 1 - eos (x - y) V. MAXIMOS Y MINIMOS LOCALES Oos de l a s más i m p o r t a n t e s a p l i c a c i o n e s da l a d e r i v a d a de u n a f u n - c i ó n s o n : l a o b t e n c i ó n d e l g r á f i c o de l a f u n c i ó n y l o s v a l o r e s m á x i m o s y m í n i m o s de l a f u n c i ó n . E s t a s d o s a p l i c a c i o n e s e s t á n e s t r e c h a m e n t e r e l a c i o n a d a s como l o v a r e m o s a c o n t i n u a c i ó n . P a r a e s t o n e c e s i t a m o s de a l g u n a s d f í n i c i o n s s p r e v i a s . f u n c i ó n c r e c i e n t e : c l e n t e en (a , b ) . f ' ( x ) > 0 p a r a x £ ( a , b ) s i y s ó l o s i f e s e r e f u n c i ó n d e c r e c i e n t e : f ' ( x ) < 0 p a r a x £ ( a , b ) s i y s ó l o s i f es d e c r e - c i e n t e en ( a , b ) . P u n t o c r í t i í t i co : S i f e s t á d e f i n i d a en un p u n t o x , e n t o n c e s x es un p u n t o o o L c r í t i c o de f s i f ( x ) o f ' ( x ) no e x i s t e , o E j e m p l o ( - 7 , - 2 ) ( 7 , - 3 ) (H,-2) La f u n c i ó n f g r a f i c a d a en l a f i g u r a a n t e r i o r es c r e c i e n t e en l o s i n t e r v a l o s ( - 7 , - 5 ) , ( - 1 , 3 ) y (7 , 1 1 ) . Es d e c r e c i e n t e en l o s i n t e r - v a l o s ( - 5 . - 1 ) . (3 , 7 ) , ( 1 1 , I 1 " ) . L o s p u n t o s c r í t i c o s s o n - 5 , - 1 . 3 , 7 y 11 p u e s f ' en e s t o s p u n t o s es c e r o . Ejemplo : Sea y 3 2 x » 3x - 9x - 1 0 . G r a f i c a r l a c u r v a . • S o l u c i ó n : t í i í n o s dy =: U Z <• 5x - 9 = 3 ( x 2 « 2x - 3 ) = 3 ( x - 3 ) ( x - 1 ) dx ! " l í ' 1 c : > — = 0 p a r a t = - 5 , x = 1 ( p u n t o s c r í t i c o s ) d < 'or o;n tí»i>os (|ij! - 0 0 - 3 1 00 X - 3 X - 1 - - - ( x - 3 ) ( < - " ) - - - Coao ( x « 3 ) ( » - 1 ) «s p o s i t i v o en ( - 0 0 , - 3 ) y ( 1 , 0 0 ) , l a f u n c i ó n es c r e c i e n t e s i e s t o s I n t e r v a l o s . £ 1 p r o d u c t o ( x • 3) ( x - 1 ) es n e g a t i v o en ( - 3 , 1) , l u e g o es d e c r e c i e n t e e ti ( - 3 , 1)- 'Ade.ás f ( - 3 ) = 1 7 ; f ( 1 ) = - 1 5 l a g r á f i c a l a c e cono 0-f ? : u : l ó n f t i e n e a) -.'••. \ z l c : j i en x s i f c a m b i a de c r e c i e n t e a d e c r e c i e n t e en x . o o b) t : - i ti u l : : ? l en x s i f c a m b i a de d e c r e c i e n t e a c r e c i e n t e en x . o o c ) 'j .i z í x i m o g I : j a 1 a n x s i f ( x ) y , f ( x ) p a r a t o d a x en e l d o m i n i o de f -í.3- d ) Un m í n i m o g l o b a l en x^ s i f ( * 0 ) ^ f ( * ) P a r « * e n e l d o m i n i o de f . 3 2 E j e m p l o . En e l e j e m p l o a n t e r i o r , l a f u n c i ó n y =. x *Jx - 9 x - 1 Q = O t i e n e un m á x i m o l o c a l en x = -3 y un m í n i m o l o c a l en x = 1 . No t i e n e n i m á x i m a g l o - b a l n i m í n i m o g l o b a l . Un h e c h o de I m p o r t a n c i a r e l a t i v o a l a t e o r í a de m á x i m o s y m í n i m o s es e l s i g u i e n t e : S i f t i e n e un m á x i m o o m í n i m o l o c a l en x , entonces x . es un p u n t o . o o \f c r í t i c o de f . S i n e m b a r g o , e l r e c í p r o c o de e s t a a f i r m a c i ó n no es s i e m p r e c i e r t a , c o n o l o i l u s t r a e l s i g u i e n t e e j e m p l o . 3 2 E j e m p l o Sea y = x ; e n t o n c e s y ' = 3x , l a c u a l es s i e m p r e p o s i t i v a e x c e p t o en e l p u n t o c r í t i c o x = 0 . S i x < O , e n t o n c e s f ( x ) <C. O y s i x > O e n t o n c e s f ( x ) > O p o r l o q u e l a g r á f i c a de f l u c e como •f 1 y = x A s í , e s t e e j e m p l o m u e s t r a q u e en e l p u n t o c r í t i c o x i O , l a f u n c i ó n no p o - s e e n i m á x i m a n i m í n i m o . E j e m p l o . P a r a y = | x j , s a b e m o s que f ( o ) no e s t á d e f i n i d a , l u e g o x = O es un p u n t o c r í t i c o de f . O b s e r v a n d o l a g r á f i c a de y = | x| , v e m o s que x = O es un m í n i m o ( g l o b a l ) de f . Una p r e g u n t a r e s u l t a en f o r m a n a t u r a l : l Cómo d e t e r m i n a r s i un p u n t o c r í t i c o de f e s un v a l o r e x t r e m o de f -<•5 E j e m p l o Sea y = x^ y ' = 3 x 2 ; l u e g o y ' ( 0 ) = 0 , y " ( 0 ) = 0 Y f no t i e n e n i m á x i m o n i m í n i m o en x = x o ¿ E j e m p l o f ( x ) = x ; se t i e n e f ' ( 0 ) = 0 , f • • ( O ) = O y f t i e n e un m í n i m o da en x = 0 . E j e m p l o f ( x ) = - *^ ; s e t i e n e q u e f ' ( 0 ) = O , f " ( D ) = 0 y f t i e n e un m á x i m o en x = 0 . 3 2 E j e m p l o G r a f i c a r f ( x ) = 2x - 3x - 1 2 x * 5 S o l u c i ó n a) C a l c u l a m o s f ' ( x ) = 6 x 2 - 6x - 12 = 6 ( x - 2 ) ( x - 1 ) l a s p u n t o s . c r í t i c o s de f s o n x = 2 , x a - 1 . Además -00 -1 2 +00 X • 1 * * X - 2 _ - (X-2)(X*1) - • Luego f es creciente en ( -00, -1 ) , ( 2,00 ) f as decreciente »n ( -1, 2 ). b ) C a l c u l a m o s f ' ' ( x ) = 6 ( 2 x - 1 ) , l u e g o f " ( x ) > 0 p a r a x > T2 f" ( x ) < 0 p a r a x < 72 ; f " ( x ) = 0 ^ a r a x = 1 2 P o r l o t a n t o l a c u r v a es c ó n c a v a h a c i a a r r i b a p a r a x > T 2 c ó n c a v a h a c i a a b a j o p a r a x < 72 y t i e n e un p u n t o de i n f l e x i ó n en x = K 2 . c ) E v a l u a m o s f ' ' ( x ) en l o s p u n t o s c r í t i c o s f * ( - 1 ) = - 1 8 < 0 , l u e g o x = - 1 es un m S x i m o l o c a l p a r a f . f ' ' ( 2 ) = 18 y 0 , l u e g o x = 2 as un m í n i m o l o c a l p a r a f . P o r l o s p u n t a s a ) , b ) , c ) a n t e r i o r e s , l a g r á f i c a l u c e c o m o : V I . I N T E G R A C I O N D e f i n i c i ó n . Sea f d e f i n i d a en [ j í . b J . S u p o n g a m o s q u e e x i s t e u n a f u n c i ó n d i f e r e n c i a d l e f d e f i n i d a en [ a , b ] t a i q u e f ' ( x ) = f ( x ) , X é [ a , b ] e n t o n c e s f e s l l a m a d a u n a a n t i d e r i v a d a 5 i n t e g r a l i n d e f i n i d a d e f en e l i n t e r v a l o [ 3 , & J 1 a s c r i b irnos f ( x ) i x E j e m p l o E n c o n t r a r S o l u c i ó n 3 x d x 3 2 P u e s t o q u e d ( x ) = 3x , t e n s a o s q u a í d x — 2 , 3 3 x d x = x 3 P e r o l a d e r i v a d a de u n a c o n s t a n t e e s c e r o , l u e g o x • C es t a m b i é n una 2 i n t e g r a l i n d e f i n i d a de 3 x , p a r a c u a l q u i e r v a l o r de l a c o n s t a n t e C - P o r t a n t o , p o d e m o s e s c r i b i r / 3 x 2 d x = x 3 * C M o s t r a m o s a h o r a c o m o c i e r t a s i n t e g r a l e s p u e d e n s e r c a l c u l a d a s . / r s r-1 Carao d { x ) = r x dx e n t o n c e s d dx r í ^ L r • 1 s i g n i f i c a q u e s i r ^ - 1 x , l o q u e / r * 1 r x d x = x + C r * 1 E j e m p l o C a l c u l a d t -49- A l g u n a s de l a s t é c n i c a s a n a l í t i c a s p a r a e n c o n t r a r a n t i d e r i v 3 d a s se d a n a c o n t i n u a c i ó n . 1) S i f y g s o n i n t e g r a b l e s y s i k es una c o n s t a n t e , e n t o n c e s k f y f * g s o n i n t e g r a b l e s y se t i e n e q u e i ) j k f ( * ) d x r k j f ( x ) dx ü ) | ( f ( x ) • g ( x ) ) d x z J f ( x ) d x . j g ( x ) d x Ejemplo J [ J _ * 6 * 2 ] d x = J 3 ó x * j S x z ó x J x " 2 d X • 6 J 3 I X - d X • 6 j X 2d X = 3 X - 1 • 6 x ? • C 5 2 x 3 * C 2 ) I n t e g r a c i ó n p o r s u s t i t u c i ó n : en g e n e r a l , p a r a c a l c u l a r ^ f ( x ) dx p o r s u s t i t u c i ó n , c o n v i e n e , s i es p o s i b l e , r e a l i z a r l o s s i g u i e n t e s pasos: 3 ) H a c e r una s u s t i t u c i ó n u = 9 ( x ) de t a l f o r m a q u e e l i n t e g r a n d o p u e d a e x p r e s a r s e en l a f o r o s u""du b ) C a l c u l a r du = g ' ( x ) i x c ) E s c r i b i r ff(.x) d x como j \¡r du d) I n t e g r a r e ) S u s t i t u i r g ( x ) p o r u p a r a o b t e n e r l a r e s p u e s t a en t é r m i n o s de * • E j e m p l o C a 1 c u l a r x . 1 * x" d x S o l u c i ó n S e 3 « = 1 * * Z , e n t o n c e s du = 2 x d x y a s í x d x = 1 d u . 2 P o r t a n t o J x 3 v J ~ í I ü 7 " 1 dx = [ V T 1 ^ = 1 T " 7 3 J / 2 2 ) du 1 U * / 3 • C = 3 ( 1 » x 2 * C 2 -m a » ¡ -51- / 5 .x x e 2 *' d x = x e 2 / x e d x = x 2 x e • c 2 ( x - 1 ) * C , d o n d e l a i n t e g r a l j x e * ' d x ha s i d o c a l c u l a d a p o r s u s t i t u c i ó n . E j e r c i c i o s C a l c u l a r l a s s i g u i e n t e s i n t e g r a l e s i n d e f i n i d a s . 9 * x dx 7 . J-r?. ÍTT 2 21' ? r d t 3"* dx 3x 1 0 . J x e " dx R e s p u e s t a s 1 . 2 ( 9 * x ) 3 / Z 3 3 . 3 ( 1 * x 2 ) * / J * C 2) J ( 1 • 2 X ) 5 / 2 dx 3 ) | 2 - t 1 • x dx ( P 2 I , > - P J ' d p 6 . [ ' ' 5 • X I f e 2 x * ) 7 T V X , ( 2 A l . ! X e dx dx 12. í J dx 1 n x d x 5/2 2 . 1 ( 1 * 2x ) 5 A. ( t 2 • 2 t V 2 * c 5 . - 2 ( a ' - p J ) 5 / 2 9 7. 1 ln ( 1 • x ) * C 2 2 X 9 . - • + c i . l n j x + 5 2 x. 8 . l n ( 1 • « ) + c 2 1 0 . x 3x ' 3x 11. I . X 2 - 32x * 128 • c 1 2 . x** ( •> l n x - 1 ) * C 16 í X d X 1 x 3 1 X 3 2 - o = 2 3 3 X = 1 N o t a c i ó n F ( x ) r (b) - r ( a ) . P o r t a n t o , en e l e j e m p l o a n t e r i o r t e n e m o s q u e 1 í 2 w ' x d x = x 3 1 - 0 3 ! Hay que s e r c u i d a d o s o s a l h a c e r s u s t i t u c i o n e s en l a s i n t e g r a l e s d e f i n i d a s ! A l h a c e r u n a s u s t i t u c i ó n en u n a i n t e g r a l d e f i n i d a , l o s l í m i t e s de i n t e g r a c i ó n d e b e n s e r c a m b i a d o s t a m b i é n . k E j e m p l o C a l c u l a r j x 1 + x d x i i 2 — 1 S o l u c i ó n a ) t)na a n t i d e r i v a d a p a r a f ( x ) = x ,j 1 • x F ( x ) = 3 ( 1 • x X ) í ' / 3 . l u e g o J x d x 3 ( 1 . - 1 3 ( 1? V3 . 2 W 3 , - 1 b ) S i en l a s u s t i t u c i ó n u = 1 • x , du = 2x d x , d e j a m o s l a i n t e g r a l d e f i n i d a en f u n c i ó n de l a v a r i a b l e u , t e n e m o s q u e h 17 j - >f T~1 1 • x dx -.1 V A u d u p u e s c u a n d o x = - 1 , e n t o n c e s u = 2 c u a n d o x = 4 , e n t o n c e s u = 17 , p o r t a n t o b 17 d x = 1 . 3 u 2 7 3 ( 1 7 W 3 - z ' 1 ' ) E j e r c i c i o s C a l c u l a r 1) A V T ] dx R e s p . 63 1 I -55- En e l c a s o de no e x i g i r q u e f s e a no n e g a t i v a , e l á r e a a c o t a d a p o r l a g r á f i c a de f y e l e j e x e s t á d a d a p o r E j e m p l o C a l c u l a r e l á r e a a c o t a d a p o r l a s c u r v a s y - x , e l e j e y l a s l í n e a s x = - 1 , x = 1 . S o l u c i ó n P u e s t o q u e |f ( x ) | = | x 3 | e s t á d a d o p o r 3 3 , x > , 0 3 - x , x < 0 se t i e n e q u e c í -.1 ( - x M d x E j e r c i c i o s 1 ) C a l c u l a r e l á r e a l i m i t a d a p o r l a c u r v a y = v/T"1 , y e l e j e x , d e s d e x = o a x = 5 R e s p . 10 f? 3 2 ) C a l c u l a r e l á r e a a c o t a d a p o r l a c u r v a 3 2 y = x - 6 x * 1 1 x - 6 y e l e j e x . R e sp . 2 _ 2 3 ) C a l c u l a r e l á r e a e n t r e l a c u r v a y = e~* , y e l e j e x p a r a x e n t r e 0 y 1 0 0 . R e s p . . Se - p u e d e g e n e r a l i z a r l o s r e s u l t d o s a n t e r i o r e s p a r a c a l c u l a r e l á r e a e n t r e l a s c u r v a s y = f ( x ) e y = g ( x ) , e n t r e x = a y x = b ( a < b ) , o b t e n i é n d o s e l a f ó r m u l a : -57- f u e s t o que - x 2 * 5 * • 9 x 2 • 3x • 5 , V « 6 [ - 1 , j ] t e n e m o s q u e 2 A = [ ( - X 2 * 5* - 9 ) - ( x 2 * 3x - 5 ) ] dx = 9 , - 1 i 2 d o n d e f ( x ) - - x ••• 5x •>• 9 ; g ( x ) = x • 3x • 5 - [ i e r c i c1 o s En l o s p r o b l e m a s s i g u i e n t e s , c a l c u l a r e l á r e a a c o t a d a p o r l a s c u r v a s y l í n e a s d a d a s . 2 1 . y r x ; y = x R e s p . : 1 F 2 . y = 3 x 2 - 6x * 8 ; y = 2 x 2 • 9x 18 R e s p . : 3_j¡2 6 L 3 . y = x ; y = x * x - 8 1 R e s p . : 388 'i 5 i . . y = x 2 ; y = x J ; x = 3 R e s p . : 137 12 I n t e g r a c i ó n N u m é r i c a C o n s i d e r e m o s e l p r o b l e m a de e v a l u a r l a s i n t e g r a l e s 1 1 (JTTT^ dx ó J 2 e d x . P u e s t o q u e a m b o s i n t e g r a n d o s s o n c o n t i n u o s en o , 1 J , s a b e m o s que arabas i n t e g r a l e s d e f i n i d a s e x i s t e n . E l l a s r e p r e s e n t a n l a s á r e a s b a j o l a s I J - 1 x c u r v a s y = N 1 • x e y = e , p a r a x e n t r e 0 y 1 . E l p r o b l e - ma q u e se p r e s e n t a e s q u e n i n g ú n método e s t u d i a d o n o s p e r m i t e I x e n c o n t r a r u n a a n t i d e r i v a d a de s 1 * x ó e . D e h e c h o , e x i s t e un g r a n n ú m e r o de f u n c i o n e s c o n t i n u a s p a r a l a s c u a l e s e s i m p o s i b l e c a l c u l a r una a n t i d e r i v a d a y a s í e n t o n c e s no p o d e m o s e v a l u a r l a s p a r a c o n o c e r e l v a - l o r de l a i n t e g r a l d e f i n i d a . P o r e s t a r a z ó n , m u c h o s m é t o d o s n u m é r i c o s han s i d o d e s a r r o l l a d o s p a r a a p r o x i m a r e l v a l o r de u n a i n t e g r a l d e f i n i d a ; é s t a s t é c n i c a s se c o n o c e n c o n e l n o m b r e de i n t e g r a c i ó n n u m é r i c a . P r e s e n t a r e m o s s ó l o d o s de e s t a s t é c n i c a s : l a r e g l a d e l t r a p e c i o y l a r e g l a de S l m p s o n . -59- £1 e r r o r en l a f ó r m u l a d e l t r a p e c i o se d e f i n e como l a d i f e r e n c i a e n t r e e i v a l o r e x a c t o de l a i n t e g r a l y su v a l o r a p r o x i m a d o da do p o r l a r e g l a d e l t r a p e c i o ; s e p u e d e d e m o s t r a r q u e e s t e e r r o r , d e n o t a d o p o r E^ , e s t é a c o t a d o p o r U ' l < H ( b - a ) 3 12 n 2 d o n d e H e s t a l q u e ¡ f " ( x ) ¡ ^ M , V x £ Q a , b J E i e a p i o E n c o n t r a r una c o t a p a r a e l e r r o r en e l c á l c u l o de f 1 dx u t i l i ; : n d o l a r e g l a d e l t r a p e c i o p a r a n = 1 0 . -j S o l u c i ó n 1 , e n t o n c e s f ' 1 ( x ) S i f C x ) Z . Luego 3 f ( x ) e s t á a c o t a d a p o r 2 en ^ 1 , 2 J . E m p l e a n d o l a e s t i m a c i ó n d e l e r r o r , t e n e m o s q u e 2 ( 2 - 1 ) 3 12 6 n luego, para n = 10 , una cota del error es .2 A 1 6.100 1 0 . 0 0 1 7 600 Reo l a de S i s i p s o n í' I f ( x ) d x h a 5 f f * k í * 2 f . L o 1 2 ^ V " — * 2 f , - k i , • f 1 n - 2 n - 1 n j ¿ o n d e .i es p a r . Una c o t a p a r a e l e r r o r en l a r e c i a de S i m p s o n es - 61 - VII INTERPOIACICN Podemos resumir la idea de Interpolación en los siguientes términos En un intervalo [a, b J se hallan especificados ( n+1 ) valores dis tintos de un argumento : Xq, X̂ , . x n , además se conocen los valores corres pondientes de una función y = f ( x ), es decir, y^ = f (x^ , y^ = f (x̂ ),.., y = f (x ). Se requiere construir una función F (x) ( función de interpola-Jn n ^ dón ) que pertenezca a una clase conocida ( polinomios, funciones trigonomé- tricas, e>poner¡ciales, racionales ) que temelos mismos valores que f (x) en los puntos de interpolación, esto es : F (x̂ ) = y^, F (x̂ ) = y^, F (xn) = V En este trabajo se pretende desarrollar rápidamente el concepto de interpolación polinómica, es decir, encontrar un pal 1 nonio P (x), tal que: i) gr [ P <x) ] < n ü) P (xi) - f (x±) , i = 0, 1, ... , n Gearétricamente, esto significa que la gráfica del polinomio P (x) debe coincidir con la gráfica de la función y = f (x) en los puntos Mi = (x., f (x.)), i = 0, 1, ... , n; caro lo ilustra la siguiente figura : Xq, X̂ , ..., xn existe exactamente un polinomio L (x) tal que i) gr [ L (x) ] <_n ii) L (x ) = f (x.); j = 0, 1, 2, .. ., n - 63 - i) gr [ Q (x) ] <_ n ii) Q (x̂ ) = f (x..), j = O, 1, 2, Si consideraros H (x) = L (x) - Q (x) entonces también el grado de Q (x) es irenor o igual que n y además H (x̂ ) = L (x̂ ) - Q (x̂ ) = f(x̂ )-f (x̂ ) = 0,j=0, 1, n, es decir el polinomio H (x) tiene (n+1) ceros y su grado no excede n, por lo tanto H (x) E 0 (x), donde 0 (x) es el polinomio cero. Luego L (x) Q (x) es decir L (x) es tínico, con lo que queda pro - bado el teoraria. La fórmula se conoce cano la FORMA DE LAGRANGE del polinanio interpolante y los polino - mios definidos por n n (x-x̂ ) i=0 (xk"xi) ( i y k ) = \ ( x ) son los PQLPOUQS DE L&SRANGE para los puntos XQ, X^, X^. Consideraremos el caso particular en que n = 1, es decir, se conoce f (x) en dos puntos distintos Xq y x^. La forma de Lagrange es entonces la ecuación de la recta y = L (x) que pasa por dichos puntos. Luego : x-x̂ x-xo (x-xi) L { x ) = L f ( V * n — k=0 i=0 (xk~xi) ( ) - f • V x i + f (x1) xrxo f (Xq ) (x—X^) + f (x1) (X—Xq ) f ( J + f (x1) -f (Xq) V * ! xrx0 (X-XJJ) La fórmula ( 1.2) t - 65 - Cbserve que los datos de la tabla corresponden a la función f (x) = - 2 2 e X -x sen x y que f (2.5) = -3.7385 redondeado a cuatro cifras decimales, lo que•se puede considerar cczro una aproximación defi - ciente. EJERCICIOS 1.- Encontrar el polinomio de interpolación en su forma de Lagrange a partir de la siguiente tabla X -2 0 1 2 y 4 10 10 16 Respuesta : x^ - x + 10 2.- A partir de la tabla de valores X i 3 4 6 y -7 5 8 14 Calcular y (0) Respuesta : - 18.4 B. FOFMA. DE NEWICN DEFINICION Se llaman DIFERENCIAS DIVIDIDAS DE ORDEN n a los cocientes f £ xi+l' •*•' xi+J~ f lx±>-" xi+nJ-f £ xi' xi+l'. *•*' xi+nl: X-, -Aifn x (n= 1, 2, ..., i = 0, 1, ... ) Conveniendo que f[ x^ ]= : f (x̂ ) entonces tenemos f(xi+l) " f (xi) en particular que f [ x., x . . ]» ( i = 0, 1, ... ) xi+l " Xi definen las DIFERENCIAS DIVIDIDAS DE PRIMER ORDEN.' . La definición anterior nos permite generar todas las diferencias di - 67 - Luego la tabla de diferencias divididas es : X . 1 f [ * ± 1 f [ , J f [ ] 0 1 -2.3094 2 -3.6188 . 2.3488 1.5527 3 -1.27 LEMA Si P (x) es un polinomio de grado n, su diferencia dividida de orden (n+1) es idénticamente cero, esto es P [ x, xQ/ x1# xn ] = 0 para cualquier conjunto de números distintos x, Xg, x^, — , x^ La utilización de este lena permite encontrar el polinomio interpo lante en su forma de Newton, el cual es : _ j j - J L (x) = l f | x^x., ...» x I n (x-x.) k = 0 1 1 3 1 K j = 0 3 doíde' i) gr [ L(x) ] <_n ii) L(x̂ ) Ck=0, 1, n) EJEMPLO ' Si considéranos la tabla de diferencias divididas del ejnplo ante - rior, tenemos 2 k-1 -i L (2.5) = l f [ XQ, x1, ..., j^]' n (2.5-Xj) k=0 j=0 = f(x¿) + f [ x Q /x 1 ] (2.5-Xq) + f [ XQ,x1,x2 ] {2.5-Xq) (2.5-x1) = 1 + (-2.3094) (2.5-0) + 1.5527 (2.5-0) (2.5-2) = -2.8326; lo que está de acuerdo con el resultado antes ob tenido. - 69 - Haciendo uso de este lana, el polinomio Newton tema ahora la forma n  fn i-1 p (x) = l — - n (x-x.) n i D i=o i : h j=o En término s, tenemos : X-Xj = (s-j) • h, luego n Alf0 i-1 Pn (x) = Pn (Xq+ s.h) = l n (s-j) . h i=0 ilh1 j=0 n P (xo) = n s I i=0 TABIA DE DIFERENCIAS FINITAS O PROGRESIVAS X - 2 f - 2 X-1 f-l * f - 2 x 0 f 0 A f-2 v 2 V A f _ i \ f 4 A f ^ ' \ v s Af0- ' -2 v A3f ± A . " i V 4 , X - f, i f , 2 2 \ -1 A , Af, A2f. \ X3 3 N 4 3 2 A £ 1 Af. * f2 "3 X 4 f 4 - 71 - , s ( s - 1 ) ( s - 2 ) . 3 + l - V ' • x - x 0 2 5 - - Ó -r ' h a c i e n d o x n = O y s = = 2 . 5 e n t o n c e s u h . "' ' 1 ' •^""'r • P ( 2 . 5 ) = 1 + 2 . 5 ( - 1 . 4 7 3 6 ) + . 2 , 5 * 1 , 5 ( - 1 . 6 7 1 5 ) + 2 > S ' 1 , 5 * 0 , 5 ( 7 . 1 6 5 6 ) • 2 ; ,. 6 = 1 - 3 . 684 - 3 .13425 + 2 .23925 = - 3 . 5 7 9 ' B. OIROS PQLBOHOS DE INTERPCEACICN Existe una gran variedad' de fórmulas de interpolación además de las que se han mencionado, todas las cuales difieren sólo en el or den en que aparecen los puntos de interpolación y en las trayectorias seguidas en las tablas de .diferencias, ün esquena práctico que sinte- tiza esta situación es el D I A G R A M A D I M 4 S N T E cuya tabla mostramos ense- guida: . D I A G R A M A . D I A M A N T E PARA. P C E J N C M I 0 6 D E I N E E R P C Z A 2 I C W s / 5 <-1 ' I 1 ' / U <932> A - 3 < t > / 1 Af , ( 0 ) ¿ £ , ( , ) A f o f ' (®) » * t 2 £ , ft1) A4f ^ (8+2) . U 1 - J —X J <3 —¿ 1 * •*• Af0 •*• (2) •* * A f^* • ( -4'J* * A -2 " 1 Af, C3"1) ^ A3f0 f 2 (s-2) a \ < S " / N A . ^ + ( 4 ) ¿ f _ 2 + _ + { s+ In/2]] , An f - U ( n f l ) / 2 I STTKUN3 ( ajusta desde x_ JJ ̂ ^ x [[n/2 J F „ W - £ 0 + ( l ' ; 2 si n es par ): < f > ^ L . L . i i z L . + . . . n / 2 J j + J £ ( n - l ) / 2 J ) n V n 2 A f_ [[n/2 H si n es par 2 ( S + I (n-l)/2 3) 1 ) / 2 H* A"£- t1""721 si n es irtpar B E S S E L ( a j u s t a d e s d e x _ Q y 2 J t ^ t a x j £ ( n + 1 / 2 U s i n e s i m p a r ) ; * 0 + f i (s,) + ( T J .3 u 0 ' + i - A f n + ( 2 } p (x) = + _ O n 2 ^ ,s. . ,s+l + • ( 3 i f - 1 + I V C (n-2)/2l, ^zJjn=V2jL S + i f + K S + ( 4) A - 1 h - 2 _¡_ _ n . +Anf - IT n/2]] si n es par ( s + ffn-2 .1 , + J W 2 3 ) „ { " - ± * f - [ [ n / 2 ] n si n es inpar - 75 - La fórmula para el polincmio de Stirüng nos dice : Pn (x) = fQ + (J, Af-1 + A-0 + ( S2 1 ) + (2} ¿2 f -1 cano Xq = 0.2, entonces Luego 0.24 - 0.2 _ . s = = 0.2 0.2 P (0.2) = 1987 + 0.2 1987 + 1907 + j O ^ (_ 8 Q ) = 1987 + 389.4 - 1.6 = 2375 EJERCICIOS 1) Para la tabla X 0.0 0.2 0.4 0.6 y 0 1987 1907 1752 Encontrar y (0.3) con ayuda del polinomio de Bssel RESPUESTA 2955.18 2) Para la tabla X 0 i 2 3 4 y 5 8 17 44 101 Encontrar el polinomio de interpolación de Newton-Gregory hacia adelan- te. 3 2 RESPUESTA. y = 2 x - 3 x + 4 x + 5 - 77 - Ir) h.¿-p I t ü Á í ^ n x n r r j i ^ J x Q ~ ) n u s r u x s ¿ o K ) \ t " ) = W c Q - / b e ^ t " . ¿ O t ^ r j j y v u t f i ^ C O . . I j L L A v Z L O i C C L U A J ¿ A J ^ C U $ S L U ¿ ) Í X M ^ K o ) (Z^t - O * t ^ + C D t o ñ ; W f o " ) = W í o " ) i J . . . i í ^ v W(o") e ^ = + - c o t - ^ - C D • u r } N f t - ) = M t o " ) fT. © > 0 C O í o <i&*A£LAf~OL, c i n / i i l / v ^ fcl)d>0 yfcO/ , . <oU/ c y - o J ^ u e c i ¿ U t a , c U x x ü i f u r r - « . M * ge" q--o ¿ ¿ J h t a u ) W C - b " ) = W C c O ¿ j ( u J z K ] ( - f c " ) = * N ( b ) C t u y * . - ( l o ^ - t ü ^ L ") . . ' : : . . 4 J O N P ) A e e ^ J l a y u i o u • • < * I / - - • • W a d h ( j d u > & j l ^ A j ^ u ^ Í o d i c b & W j - u w t t L A > £ ¿ A s r o l < A ^ x e t c ^ . Q c b r a j Ufo, ü v J b i A A r c J L o dJL JiL- o m o < t i u J U ^ u ¿ ú r < o * , ' k ü A ^ r x í */v\, j J L b u r v j j h ? h o ^ u n ^ u y r y ^ r o a v c£&£L a L ^ L A U X O ? t t W e ; - 79 - • CO T A - O - + C O fltli^VbfO L r w U C t " ) o cLl leu o^ój^dx NO) v c^f hi(aí) ¿ o : E l tA DERIVADA ( Q t Ni C R E M E N T O A N Ü A i . Q g L A F 0 6 t A & 0 N B M £ N C * r ) d t M o t b u l a , ^ u ^ e x o ^ i . s ^ A & c u u o - C l t o t a l l * . u / w / T n o ^ ^ J ^ £ ^ A N ( t ^ N(£t) - N C M y ^ v ^ ^ / ^ o ^ v t í U í r > c r em e ^ i h > c ( a t a . t¡> fcj & L í m x > c ¿ ü * ¿ £ l • A N f r ) = N C f c t " ) - N C t b } A f c * k - t 0 d a , d i n c ^ x m e n h ) m g x t ü o c u n u e d l a p j b l g c w ) d m K o L A < t ¿ w o J - o . Qonr Lo tosJu) ? : dt ¿k+o Afe-»o t 0 d i / m ^ r t v ^ e - a / n ^ ^ a n u a l d z I a , f c t í c v c u > n « * - £ . c ü u a m x xL o / m , o ü ^ í m v w v a , : de.r\<&i d c u L a n o e d da mcre-me*-^ ^ . e g g M P t - O '• Q l a o L a - L a - <J~ l A M J L t w ü l y X o CLavCCQJI Í A s ^ J o L l C U O n , 0 * - J L / Y K ¿ m ^ t o ¿ o = < . (lu^ M7 CO = <e = ^ A M U / 4 . P E C g g C l M t E m t ) P S L A P P S l A & l O K l f i a C u t M M J L fwJbcUjOu ÓJL b \ j u ¿ y r r u J ) » j L b &¡LÍQJ ^ U Á O Í C U U O ^ b L CL. L M v ^ ^ v t í A V t x í ^ ) t o — t ¿ Oo .' - 81 - PgjSUfto pe osnei supon por eoAPes . ^ e / r v o t U / v v e t o ) L o . o U . j U ^ & ^ y u x ^ t x w , ¿ ¿ L c u L u > t o v . - |vv£AvcUcla<) c^Le, -¡(o ̂ 7 d i j Á L a . der>&cUul de oLt'slrr(bâ ¿>n por ¿a - d a d e _ 5 , j ^ r ' . C < X > * t J m . CfetZ*} ' ' I - - - "^OawICU^K' A t tcrAX>1JL t o r r e o - d e o O ' s ^ ' b u c l o K f f e T Ó j L o j i ^ o . anMij^^to • c^ut ¿A* a, uaux naxuxoMXni txyvJXsvüjxx, du. Ho. ddxuL f t a , . 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