La posición de un móvil depende del tiempo, el coste de una compra
depende de la cantidad y una temperatura puede cambiar a lo largo del
día. Identificar qué variable depende de cuál y sus unidades ayuda a
interpretar las operaciones. Si
está en metros y
en segundos,
es una posición, no una velocidad.
Variación y ritmo de cambio
Entre dos entradas
,
la variación absoluta es
;
puede ser positiva, negativa o cero. El tiempo o incremento de entrada
es
.
Comparar variaciones exige tener en cuenta cuánto ha cambiado la
entrada.
Media e instante
La velocidad media relaciona desplazamiento y tiempo transcurrido. La
instantánea describe el movimiento en un instante: no se calcula
dividiendo por un tiempo igual a cero. La rapidez es el módulo de la
velocidad instantánea; una velocidad negativa indica sentido de
movimiento respecto del eje elegido.
11.2 Tasa de variación media
De la variación al cociente
Para una función definida en
y
,
con
,
la tasa de variación media es
Calcula primero los dos valores, resta en el mismo orden y divide por la
variación de entrada. Sus unidades son unidades de salida por unidad de
entrada.
La pendiente de una secante
La recta que pasa por
y
es una secante y su pendiente es la TVM. Una pendiente positiva une un
punto final más alto; una negativa, uno más bajo; cero significa alturas
iguales. Una TVM positiva entre dos extremos no asegura que la función
crezca en todo el intervalo.
Tablas y gráficas
Una tabla proporciona TVM entre sus registros, pero no determina por
sí sola lo ocurrido entre ellos. En una gráfica se leen los dos puntos
antes de calcular; no se divide la altura entre el tiempo salvo que eso
coincida realmente con el cociente de incrementos.
11.3 De la secante a la tangente
Acercar dos puntos
Fijamos
y
,
con
.
Su secante tiene pendiente
.
Al acercar B por ambos lados, cuando sea posible, buscamos una pendiente
límite finita común.
Qué caracteriza una tangente
La tangente describe la dirección local. Puede atravesar la curva:
es tangente a
en el origen. No se define contando contactos.
Exploración guiada
Representa
y fija A en
.
Acerca B por la curva sin hacerlo coincidir con A. Compara la secante
con
;
la expresión
justifica la tendencia observada.
11.4 Derivada de una función en un punto
Definición y notación
En un punto interior
del dominio, si las pendientes se aproximan a un valor común finito,
definimos
Se lee derivada de f en a. Es la tasa instantánea de cambio y la
pendiente de la tangente en
.
El cociente se calcula con
;
el límite describe una tendencia.
Signo, valor y unidades
Una derivada positiva indica pendiente local ascendente; una
negativa, descendente; cero, tangente horizontal si la derivada existe.
Si
se mide en metros y
en segundos,
se mide en m/s. No se afirma que la función sea positiva por tener
derivada positiva.
Aproximación y justificación
Una tabla sugiere la derivada, pero no demuestra su existencia. Por
definición trabajamos solo rectas y parábolas sencillas.
11.5 La función derivada
De un valor a una nueva
función
Calcular
en distintos puntos produce una función,
,
allí donde la derivada existe. Primero se obtiene la regla general y
después se evalúa: si
,
entonces
.
No confundir función derivada con un único número.
Leer las dos gráficas
La gráfica de
muestra alturas; la de
muestra pendientes de
.
Donde la parábola
desciende,
es negativa; en su vértice vale cero; donde asciende es positiva. La
derivada de una recta es una función constante, y su gráfica es
horizontal.
Lectura en sentido inverso
Si sabemos que
en un intervalo, sabemos que f tiene pendiente constante dos en él, pero
no su altura inicial. Las rectas
y
tienen la misma derivada: conocer ritmos no determina por sí solo todos
los valores originales.
11.6 Reglas elementales de derivación
Constante, identidad
y potencias naturales
La derivada de una constante es cero y la de
es uno. Para una potencia de exponente natural
,
Multiplica por el exponente y réstale uno.
es constante y se deriva como tal. No se pide demostrar la regla
general.
Constante
multiplicativa, sumas y restas
Para funciones derivables,
y
.
Conserva los coeficientes y signos de cada término. En polinomios,
deriva término a término.
Un procedimiento breve y
revisable
Identifica los términos, deriva cada uno, simplifica y, si se pide
una pendiente en un punto, sustituye después. Escribe el nombre de la
función derivada; una respuesta numérica no sustituye a
cuando se pide la función completa.
11.7 Ecuación de la recta tangente
Dos datos necesarios
Para hallar una tangente se necesitan el punto
y la pendiente
.
La ecuación punto-pendiente es
Calcula ambos datos por separado; no uses
como punto de la curva.
Tangentes horizontales y a
una recta
Si
,
queda
,
una recta horizontal. Si la función original ya es una recta, su
tangente coincide con ella. No hace falta que el punto esté en el eje de
abscisas para que la tangente sea horizontal.
Comprobación gráfica
Representa curva y tangente en los mismos ejes: comparten punto y
dirección local. Comprueba también punto y pendiente mediante
sustitución.
11.8 Crecimiento, decrecimiento y extremos
El signo de la derivada
En un intervalo donde una función es derivable,
implica crecimiento y
decrecimiento. Para polinomios, localizamos los ceros de
y estudiamos su signo en los intervalos separados por ellos. Usamos una
sola recta con todas las raíces y sustituimos un valor de prueba en la
expresión original de la derivada; así conservamos su coeficiente
principal, como acordamos en U4.
mínimo
Máximos, mínimos y
tangentes horizontales
Un cambio de signo de
a
indica máximo relativo; de
a
,
mínimo relativo. La abscisa se obtiene con la derivada, pero la altura
del extremo se calcula en f. En un punto interior derivable, un extremo
obliga a derivada cero; el recíproco no es cierto.
Para
,
se anula en cero, pero es positiva a ambos lados: no cambia el sentido
de crecimiento y no hay extremo. En un intervalo cerrado, si se buscan
extremos absolutos, se comparan también los valores en sus extremos.
11.9 Continuidad y derivabilidad: una primera mirada
Una implicación en un punto
Si una función es derivable en un punto interior, entonces es
continua en él. Una discontinuidad impide tener derivada en ese punto.
Sin embargo, ser continua no basta: una curva puede no tener salto y
presentar una esquina.
La esquina de valor absoluto
Para
,
en cero la función es continua. El cociente
vale uno para
y menos uno para
.
Como las pendientes de ambos lados no coinciden, no existe una única
derivada finita en cero.
Reconocer sin generalizar
en exceso
En una recta o un polinomio, los puntos interiores son derivables. En
una gráfica con esquina hay que comparar las direcciones laterales. Una
tangente horizontal puede existir perfectamente; no debe confundirse
pendiente cero con derivada inexistente. La imagen orienta, mientras que
el modelo permite justificar.
11.11 Problemas integrados e interpretación
Posición y velocidad
Si
es posición, su derivada es velocidad. Para
metros,
m/s y
m/s. La posición a los cuatro segundos es
metros. Una derivada de posición no es una distancia recorrida.
Población y temperatura
Un modelo polinómico puede describir un tramo temporal de un
fenómeno.
indica bacterias por hora;
,
grados por unidad de tiempo. Hay que respetar el intervalo donde se
plantea el modelo: no prolongarlo sin justificación ni interpretar una
población negativa.
Un máximo con un modelo
cuadrático
Con veinte metros de valla para tres lados de un rectángulo junto a
un muro, sean x la anchura y
el largo. El dominio físico es
y
La derivada se anula en cinco, es positiva antes y negativa después:
área máxima
m,
con anchura cinco y largo diez. Hemos desarrollado el producto como
polinomio antes de derivar.
Revisar errores y comunicar
En parejas, una persona construye el modelo y otra verifica dominio,
derivada, signo y unidades; después intercambian roles. Cada una redacta
individualmente qué error detectó y cómo lo corrigió. No basta resolver
una ecuación: la respuesta debe contestar la pregunta del contexto.
Uso de la calculadora
Un cociente que
cualquier modelo puede calcular
En las CASIO fx-991SP CW y fx-570SP X II del proyecto, usa la
aplicación de cálculo ordinario para evaluar
Escribe todos los paréntesis, calcula un cociente cada vez y repite con
incrementos positivos y negativos. Este procedimiento no depende de
disponer de un comando automático de derivación. Una salida decimal es
una aproximación, no la expresión algebraica de
.
Incrementos y redondeo
Empieza por
y
.
No supone una mejora automática elegir el incremento más pequeño
posible: la resta de valores muy próximos y la precisión finita pueden
amplificar el error de redondeo. La expresión simplificada
explica el límite mejor que una lista de ceros redondeados.
Explora con GeoGebra
Representa una parábola, un punto A sobre ella y otro B con abscisa
diferente. Construye la secante y compara su pendiente al acercar B;
añade la tangente en A. Guarda una tabla de tres o más valores y una
explicación de la tendencia. Comprueba un punto con cálculo exacto. No
basta entregar una captura sin interpretación.
La temperatura baja de
a
en tres horas. Calcula variación y ritmo medio.
U11-02
Un móvil parte de la posición cero, llega a diez metros y vuelve al
origen en cuatro segundos. Calcula desplazamiento y velocidad media;
distingue distancia recorrida.
U11-03
En un cultivo,
y
bacterias. Calcula aumento y ritmo medio si el tiempo se mide en
horas.
11.2 Tasa de variación media
U11-04
Halla la TVM de
entre
y
.
U11-05
Calcula la TVM de
entre
y
.
Explica por qué no depende del intervalo elegido.
U11-06
Para
metros, calcula la velocidad media entre
y
segundos. ¿Demuestra que estuvo parado todo el tiempo?
11.3 De la secante a la tangente
U11-07
Completa las pendientes de secantes de
en
para
.
U11-08
¿Por qué no se toma directamente
en la fórmula de la secante?
U11-09
¿Puede una tangente atravesar la curva? Usa
y
en el origen.
11.4 Derivada de una función en un punto
U11-10
Calcula por definición
para
.
U11-11
Calcula por definición
para
.
U11-12
Si
bacterias y
bacterias/h, interpreta ambos datos y explica si se conoce exactamente
.
11.5 La función derivada
U11-13
Para
,
escribe
y calcula
,
y
.
U11-14
Una recta tiene ecuación
.
Describe la gráfica de su derivada.
U11-15
Dos funciones tienen derivada constante tres en un intervalo. ¿Deben
tener los mismos valores? Da dos ejemplos.
11.6 Reglas elementales de derivación
U11-16
Deriva
y calcula
.
U11-17
Deriva
y calcula
.
U11-18
Un alumno deriva
y obtiene
.
Detecta y corrige sus dos errores.
11.7 Ecuación de la recta tangente
U11-19
Obtén la tangente a
en
.
U11-20
Obtén la tangente a
en
.
U11-21
Halla la tangente a
en
.
11.8 Crecimiento, decrecimiento y extremos
U11-22
Estudia crecimiento y extremos de
.
Usa una recta y sustituye en
sin perder el signo inicial.
U11-23
¿Es el origen un máximo o un mínimo de
?
Razona usando la derivada.
U11-24
Halla mínimo y máximo absolutos de
en
.
11.9 Continuidad y derivabilidad: una primera mirada
U11-25
¿Es
continua y derivable en
?
U11-26
¿Puede una función discontinua en
ser derivable en ese mismo punto?
U11-27
Compara
y
en el origen: valor, continuidad y derivada.
11.10 Calculadora y herramientas digitales
U11-28
Para
en
,
compara las salidas
y
obtenidas con incrementos opuestos de módulo
.
¿Qué sugieren?
U11-29
Un estudiante afirma que obtener
en pantalla demuestra que el cociente es exactamente dos. ¿Es
correcto?
U11-30
Diseña una tabla para comprobar la pendiente de
en
usando
.
Práctica global
U11-G01
Halla variación y TVM de
entre
y
.
Interpreta la pendiente.
U11-G02
Calcula por definición la derivada de
en
.
U11-G03
Deriva
y calcula
.
U11-G04
Halla la tangente a
en
.
U11-G05
Estudia monotonía y extremo de
.
U11-G06
Compara continuidad y derivabilidad de
,
y
en cero.
U11-G07
Para
metros, compara la velocidad media entre uno y tres segundos con la
velocidad en tres.
U11-G08
Entre los rectángulos de perímetro cuarenta metros, halla el de mayor
área.
Razonamiento matemático
11.11 Problemas integrados e interpretación
U11-31
Para
metros, con
en segundos, calcula posición y velocidad a los cuatro segundos.
U11-32
Un modelo
,
horas, describe bacterias. Calcula
y
e interpreta.
U11-33
Con veinticuatro metros de valla para tres lados junto a un muro,
halla las dimensiones de mayor área. Desarrolla el polinomio antes de
derivar.
Formulario visual
Variaciones y pendientes
Variación absoluta:
.
Tasa media, con
:
Es la pendiente de una secante. Si f es posición en metros y la entrada
es tiempo en segundos, la tasa se expresa en m/s.
Derivada en un punto y función derivada
En un punto interior a, cuando el límite existe y es finito,
Usar h no nulo durante la simplificación. La derivada es pendiente de
tangente y tasa instantánea.
es el valor de la magnitud;
,
su ritmo en ese instante. La función
reúne las pendientes en los puntos donde existen.
Reglas elementales
En un polinomio, conservar signos y coeficientes. Obtener primero la
función derivada y evaluar después si se pide un punto.
Tangente, signo y extremos
Tangente en
:
.
Si la pendiente es cero,
.
En intervalos derivables, signo positivo implica crecimiento y negativo
decrecimiento. Cambio de más a menos: máximo; de menos a más: mínimo.
Una derivada cero no basta para asegurar extremo. Para extremos
absolutos en un intervalo cerrado, comparar candidatos y fronteras.
Continuidad y uso de herramientas
Derivable en un punto implica continua allí; el recíproco es falso.
es continua, pero tiene esquina en cero. Una calculadora aproxima
cocientes: no demuestra un límite por mostrar un decimal. Contrastar con
la expresión exacta y las pendientes por ambos lados.
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