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Aplicaciones de la derivada

Ejercicios resueltos del Teorema del Valor Medio con soluciones

12 ejercicios del Teorema del Valor Medio con respuestas y soluciones completas: hallar c, teorema de Rolle, comprobar hipótesis, cotas y contar raíces.

Aplicaciones de la derivada Actualizado 6 min de lectura

De un vistazo

f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}
Ejercicios
12, con respuestas y soluciones completas
Nivel
Cálculo 1 y AP Calculus AB, unidad 5
Necesitas
Derivadas y el significado de continuidad
Idea principal
En algún punto entre a y b, la pendiente de la tangente es igual a la pendiente media
Practica con números nuevos
Lección de aproximación lineal y TVM
En esta página
  1. Ejercicios
  2. Respuestas
  3. Soluciones paso a paso
  4. Errores comunes en estos ejercicios
  5. Sigue practicando

Estos ejercicios del Teorema del Valor Medio (también llamado teorema de Lagrange) empiezan hallando el valor de c, y luego cubren el teorema de Rolle, casos en los que el teorema no se aplica y sus dos usos clásicos: acotar una función y demostrar que una ecuación tiene exactamente una raíz. Intenta cada uno primero. Las respuestas aparecen justo después de la lista, y luego las soluciones completas.

El teorema: si f es continua en [a, b] y derivable en (a, b), entonces para algún c en (a, b),

f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

Consulta las páginas del Teorema del Valor Medio y del teorema de Rolle para ver la demostración, o la guía del TVM para más ejemplos.

Ejercicios

Halla c

  1. f(x) = x^2 en [1, 3]
  2. f(x) = x^3 en [0, 3]
  3. f(x) = \sqrt{x} en [0, 4]
  4. f(x) = \dfrac{1}{x} en [1, 4]
  5. f(x) = \ln x en [1, e]
  6. f(x) = x^3 - 3x en [-2, 2]

Teorema de Rolle

  1. Comprueba el teorema de Rolle para f(x) = x^2 - 4x + 1 en [0, 4] y halla c.

¿Se aplica el teorema?

  1. ¿Se aplica el TVM a f(x) = \dfrac{1}{x} en [-1, 1]?
  2. ¿Se aplica el TVM a f(x) = |x| en [-1, 2]? ¿Hay de todos modos algún c que funcione?

Usar el teorema

  1. Un coche recorre 150 millas en 2 horas. Demuestra que en algún momento su velocidad fue exactamente 75 mph (millas por hora).
  2. Supón que f(1) = 3 y f'(x) \le 5 para todo x. ¿Cuál es el mayor valor posible de f(4)?
  3. Demuestra que x^3 + 2x - 1 = 0 tiene exactamente una solución real.

Respuestas

Ejercicio Respuesta
1 c = 2
2 c = \sqrt{3} \approx 1.732
3 c = 1
4 c = 2
5 c = e - 1 \approx 1.718
6 c = \pm\dfrac{2}{\sqrt{3}} \approx \pm 1.155
7 f(0) = f(4) = 1, y c = 2
8 No, f no es continua en x = 0
9 No, f no es derivable en 0, y ningún c funciona
10 Por el TVM, en algún instante la velocidad es igual a la velocidad media de 75 mph
11 18
12 El TVI da al menos una raíz, y el teorema de Rolle descarta una segunda

Soluciones paso a paso

1. f es un polinomio, así que se cumplen las hipótesis. La pendiente media es \frac{9 - 1}{3 - 1} = 4, y f'(c) = 2c:

2c = 4 \quad\Rightarrow\quad c = 2

2. La pendiente media es \frac{27 - 0}{3} = 9, y f'(c) = 3c^2:

3c^2 = 9 \quad\Rightarrow\quad c = \pm\sqrt{3}

Solo c = \sqrt{3} está en (0, 3).

3. \sqrt{x} es continua en [0, 4] y derivable en (0, 4). Eso basta, aunque la derivada no exista en x = 0. La pendiente media es \frac{2 - 0}{4} = \frac{1}{2}:

\frac{1}{2\sqrt{c}} = \frac{1}{2} \quad\Rightarrow\quad \sqrt{c} = 1 \quad\Rightarrow\quad c = 1

4. \frac{1}{x} no da problemas en [1, 4] porque 0 no está en el intervalo. La pendiente media es \frac{\frac{1}{4} - 1}{3} = -\frac{1}{4}:

-\frac{1}{c^2} = -\frac{1}{4} \quad\Rightarrow\quad c^2 = 4 \quad\Rightarrow\quad c = 2

5. La pendiente media es \frac{\ln e - \ln 1}{e - 1} = \frac{1}{e - 1}, y f'(c) = \frac{1}{c}:

\frac{1}{c} = \frac{1}{e - 1} \quad\Rightarrow\quad c = e - 1 \approx 1.718

Este valor está entre 1 y e \approx 2.718, como debe ser.

6. f(2) = 8 - 6 = 2 y f(-2) = -8 + 6 = -2, así que la pendiente media es \frac{2 - (-2)}{4} = 1:

3c^2 - 3 = 1 \quad\Rightarrow\quad c^2 = \frac{4}{3} \quad\Rightarrow\quad c = \pm\frac{2}{\sqrt{3}} \approx \pm 1.155

Ambos valores están en (-2, 2), así que los dos sirven. El TVM garantiza al menos un c, no exactamente uno.

7. f es un polinomio, y f(0) = 1 y f(4) = 16 - 16 + 1 = 1 son iguales, así que se aplica el teorema de Rolle. Resuelve f'(c) = 0:

2c - 4 = 0 \quad\Rightarrow\quad c = 2

8. No. \frac{1}{x} no está definida en x = 0, que está dentro de [-1, 1], así que f no es continua en el intervalo. De hecho, la pendiente media es \frac{1 - (-1)}{2} = 1, pero f'(x) = -\frac{1}{x^2} siempre es negativa, así que ningún c funciona.

9. |x| es continua en [-1, 2] pero no es derivable en x = 0, así que el TVM no se aplica. La pendiente media es \frac{2 - 1}{3} = \frac{1}{3}, pero f'(x) solo vale -1 o 1. Ningún c da \frac{1}{3}, lo que muestra por qué importa la hipótesis de derivabilidad.

10. Sea s(t) la distancia recorrida después de t horas. La posición es continua y derivable, y s'(t) es la velocidad. Por el TVM existe un instante c en (0, 2) con

s'(c) = \frac{s(2) - s(0)}{2 - 0} = \frac{150}{2} = 75 \text{ mph}

11. Aplica el TVM en [1, 4]. Para algún c en (1, 4):

f(4) - f(1) = f'(c)(4 - 1) \le 5\cdot 3 = 15

Así que f(4) \le 3 + 15 = 18. El valor 18 se alcanza cuando f'(x) = 5 en todas partes, por ejemplo con f(x) = 5x - 2.

12. Al menos una raíz. Sea f(x) = x^3 + 2x - 1. Es continua, con f(0) = -1 < 0 y f(1) = 2 > 0. Por el Teorema del Valor Intermedio, hay una raíz en (0, 1).

Como mucho una raíz. Supón que hubiera dos raíces a < b. Entonces f(a) = f(b) = 0, y el teorema de Rolle daría un c con f'(c) = 0. Pero f'(x) = 3x^2 + 2 \ge 2 nunca vale 0. Así que no puede haber dos raíces, y hay exactamente una.

Errores comunes en estos ejercicios

  • Saltarse las hipótesis. Los ejercicios 8 y 9 muestran que sin continuidad o derivabilidad la conclusión puede fallar.
  • Quedarse con un c fuera del intervalo. En el ejercicio 2, c = -\sqrt{3} resuelve la ecuación pero no está en (0, 3).
  • Parar en un solo c. En el ejercicio 6 hay dos valores válidos. Escribe todas las soluciones del intervalo.
  • Confundir la tasa media con la instantánea. El lado izquierdo del TVM es una derivada en un punto. El lado derecho es la pendiente de la recta secante en todo el intervalo.

Sigue practicando

Estos 12 ejercicios usan números fijos. Para practicar sin límite con funciones nuevas y corrección al instante, prueba la lección de aproximación lineal y TVM. Para repasar la hipótesis de continuidad, usa los ejercicios de continuidad, y para una idea parecida con integrales, consulta el Teorema del Valor Medio para integrales.

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Preguntas frecuentes

¿Qué dice el Teorema del Valor Medio?

Si f es continua en [a, b] y derivable en (a, b), existe al menos un c en (a, b) con f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}. Alguna recta tangente es paralela a la recta secante que pasa por los extremos.

¿Cómo se halla c en el Teorema del Valor Medio?

Calcula la pendiente media \frac{f(b) - f(a)}{b - a}, iguala f'(c) a ella y despeja c. Quédate solo con los valores estrictamente entre a y b. Puede haber más de uno, como en el ejercicio 6.

¿Qué diferencia hay entre el teorema de Rolle y el Teorema del Valor Medio?

El teorema de Rolle es el caso particular en que f(a) = f(b). Entonces la pendiente media es 0, así que existe un c con f'(c) = 0, una tangente horizontal. El TVM es el teorema de Rolle inclinado.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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