Aplicaciones de las derivadas.
El teorema del valor medio
Ya hemos hablado en un par de artículos anteriores del concepto de derivada y de su interpre- tación tanto desde el punto de vista geométrico como desde el punto de vista físico. Son los si- guientes:
• La derivada y la recta tangente a una curva.
• El problema de la velocidad. Derivada de una función. Ejemplos de derivadas.
En este artículo desarrollaremos las propiedades de las funciones derivables y se pondrá de ma- nifiesto la importancia y utilidad del concepto de derivada.
Los resultados más destacados harán referencia a funciones derivables en un intervalo, tal y como ocurría con las funciones continuas.
Comenzaremos introduciendo el concepto de extremo relativo.
Definición 1.
Sea f : A → R una función real de variable real y a un punto de A. Diremos que f alcanza un máximo relativo (respectivamente, mínimo relativo) en el punto a si existe un número real positivo δ tal que el intervalo abierto ( a − δ, a + δ ) está contenido en A y para todo x de dicho intervalo se tiene: f ( x ) 6 f ( a ) (respectivamente, f ( x ) > f ( a ) ).
Diremos que f alcanza un extremo relativo en el punto a cuando f alcance un máximo relativo o un mínimo relativo en a.
Al intervalo abierto del tipo ( a − δ, a + δ ) , centrado en el punto a, se le llama también entorno del punto a y se le suele designar mediante la notación V
δ( a ) .
Podríamos decir incluso que f alcanza un máximo relativo en el punto a de A si existe un cierto intervalo abierto I que contiene al punto a y tal que f ( x ) 6 f ( a ) para todo x situado en I ∩ A (análoga definición para mínimo relativo invirtiendo la desigualdad).
Es conveniente analizar con detalle la definición anterior y, sobre todo, compararla con la noción de máximo o mínimo absoluto (que se vio en el artículo dedicado a la propiedad de compacidad para funciones continuas). La relación entre ambos conceptos se puede clarificar con el siguiente ejemplo.
Sea f : [ 0, 3 ] → R definida por
f ( x ) =
x si 0 6 x 6 1
2 − x si 1 < x 6 2
2x − 4 si 2 < x 6 3
cuya representación gráfica es
Es inmediato comprobar que la imagen de f es el intervalo [ 0, 2 ] . Resulta por tanto que f alcanza su mínimo absoluto en los puntos 0 y 2. Es claro que f alcanza un mínimo relativo en 2, pues basta tomar δ = 1 en la definición anterior; sin embargo f no alcanza un mínimo relativo en cero, pues no hay ningún intervalo abierto de centro cero contenido en [ 0, 3 ] . Tomando también δ = 1 en la definición, comprobamos fácilmente que f alcanza un máximo relativo en el punto 1, pero no alcanza su máximo absoluto en 1, ya que f ( 1 ) = 1 6= 2. Finalmente f alcanza su máximo absoluto en 3, pero no alcanza un máximo relativo en 3.
Resumiendo, si una función f : A → R alcanza un máximo (respectivamente, mínimo) absoluto en un punto a ∈ A, f no tiene por qué alcanzar un extremo relativo en a, de hecho lo alcanza si, y solo si, existe un intervalo abierto de centro a contenido en A. Además, si f alcanza un extremo relativo en a, puede ocurrir que f no alcance en a ni su máximo ni su mínimo absolutos, de hecho
f no tiene por qué tener máximo ni mínimo absolutos y puede incluso no estar acotada.
La siguiente proposición nos da una condición necesaria para que una función derivable en un punto alcance un extremo relativo en él.
Proposición 1.
Sea f : A → R una función real de variable real y supongamos que f alcanza un extremo relativo
en un punto a de A en el que f es derivable. Entonces f
0( a ) = 0.
Demostración.
Sea la función h definida de la siguiente manera:
h ( x ) =
f ( x ) − f ( a )
x − a si x 6= a f
0( a ) si x = a Como f es derivable en a, entonces l´ım
x→a