Skip to main content
Logo image

Cálculo Activo

Section 1.5 Interpretando, estimando y usando la derivada

Es una característica poderosa de las matemáticas que se puede estudiar tanto como una disciplina abstracta como una aplicada. Por ejemplo, el cálculo se puede desarrollar casi enteramente como una colección abstracta de ideas que se enfocan en las propiedades de las funciones. Al mismo tiempo, si consideramos funciones que representan procesos significativos, el cálculo puede describir nuestra experiencia de la realidad física. Ya hemos visto que para la función de posición \(y = s(t)\) de una pelota lanzada directamente hacia arriba, la derivada de la función de posición, \(v(t) = s'(t)\text{,}\) da la velocidad de la pelota en el tiempo \(t\text{.}\)
En esta sección, investigamos varias funciones con significado físico específico, y consideramos cómo las unidades en la variable independiente, la variable dependiente, y la función derivada añaden a nuestra comprensión. Para empezar, consideramos el problema familiar de una función de posición de un objeto en movimiento.

Actividad Introductoria 1.5.1.

Una de las carreteras más largas y rectas (y planas) de América del Norte se encuentra en las Grandes Llanuras en el estado de Dakota del Norte en la carretera estatal 46, que se encuentra justo al sur de la autopista interestatal I-94 y atraviesa el pueblo de Gackle. Un coche sale del pueblo (en el momento \(t = 0\)) y se dirige hacia el este por la carretera 46; su posición en millas desde Gackle en el momento \(t\) en minutos está dada por el gráfico de la función en Figura 1.5.1. Tres puntos importantes están marcados en el gráfico; donde la curva parece lineal, supón que es realmente una línea recta.
Figure 1.5.1. El gráfico de \(y = s(t)\text{,}\) la posición del coche a lo largo de la carretera 46, que indica su distancia en millas desde Gackle, ND, en el momento \(t\) en minutos.
  1. En lenguaje cotidiano, describe el comportamiento del coche durante el intervalo de tiempo proporcionado. En particular, discute lo que está pasando en los intervalos de tiempo \([57,68]\) y \([68,104]\text{.}\)
  2. Encuentra la pendiente de la línea entre los puntos \((57,63.8)\) y \((104,106.8)\text{.}\) ¿Cuáles son las unidades de esta pendiente? ¿Qué representa la pendiente?
  3. Encuentra la tasa de cambio promedio de la posición del coche en el intervalo \([68,104]\text{.}\) Incluye unidades en tu respuesta.
  4. Estima la tasa de cambio instantánea de la posición del coche en el momento \(t = 80\text{.}\) Escribe una oración para explicar tu razonamiento y el significado de este valor.

Subsection 1.5.1 Unidades de la función derivada

Como ya sabemos, la derivada de la función \(f\) en un valor fijo \(x\) se da por
\begin{equation*} f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}\text{,} \end{equation*}
y este valor tiene varias interpretaciones diferentes. Si establecemos \(x = a\text{,}\) un significado de \(f'(a)\) es la pendiente de la línea tangente en el punto \((a,f(a))\text{.}\)
También a veces escribimos \(\frac{df}{dx}\) o \(\frac{dy}{dx}\) en lugar de \(f'(x)\text{,}\) y estas notaciones alternativas nos ayudan a ver las unidades (y por lo tanto el significado) de la derivada como la tasa de cambio instantánea de \(f\) con respecto a \(x\). Las unidades en la pendiente de la línea secante, \(\frac{f(x+h)-f(x)}{h}\text{,}\) son “unidades de \(y\) por unidad de \(x\text{,}\)” y cuando tomamos el límite cuando \(h\) tiende a cero, la derivada \(f'(x)\) tiene las mismas unidades: unidades de \(y\) por unidad de \(x\text{.}\) Es útil recordar que las unidades en la función derivada son “unidades de salida por unidad de entrada,” para las variables de la función original.
Por ejemplo, supón que la función \(y = P(t)\) mide la población de una ciudad (en miles) al inicio del año \(t\) (donde \(t = 0\) corresponde al año 2010 DC). Nos dicen que \(P'(2) = 21.37\text{.}\) ¿Cuál es el significado de este valor? Bueno, dado que \(P\) se mide en miles y \(t\) se mide en años, podemos decir que la tasa de cambio instantánea de la población de la ciudad con respecto al tiempo al inicio de 2012 es de 21.37 mil personas por año. Por lo tanto, esperamos que en el próximo año, se añadirán alrededor de 21,370 personas a la población de la ciudad.

Subsection 1.5.2 Hacia estimaciones más precisas de la derivada

Recuerda que para estimar el valor de \(f'(x)\) en un \(x\) dado, calculamos un cociente de diferencias \(\frac{f(x+h)-f(x)}{h}\) con un valor relativamente pequeño de \(h\text{.}\) Debemos usar tanto valores positivos como negativos de \(h\) para tener en cuenta el comportamiento de la función en ambos lados del punto de interés. Con ese fin, introducimos la noción de una diferencia central y su papel en la estimación de derivadas.

Example 1.5.2.

Supón que \(y = f(x)\) es una función para la cual se conocen tres valores: \(f(1) = 2.5\text{,}\) \(f(2) = 3.25\text{,}\) y \(f(3) = 3.625\text{.}\) Estima \(f'(2)\text{.}\)
Solution.
Sabemos que \(f'(2) = \lim_{h \to 0} \frac{f(2+h) - f(2)}{h}\text{.}\) Pero como no tenemos un gráfico o una fórmula para la función, no podemos ni dibujar una línea tangente ni evaluar el límite algebraicamente. Ni siquiera podemos usar valores cada vez más pequeños de \(h\) para estimar el límite. En cambio, solo tenemos dos opciones: usar \(h = -1\) o \(h = 1\text{,}\) dependiendo de qué punto emparejamos con \((2,3.25)\text{.}\)
Entonces, una estimación es
\begin{equation*} f'(2) \approx \frac{f(1)-f(2)}{1-2} = \frac{2.5-3.25}{-1} = 0.75\text{.} \end{equation*}
La otra es
\begin{equation*} f'(2) \approx \frac{f(3)-f(2)}{3-2} = \frac{3.625-3.25}{1} = 0.375\text{.} \end{equation*}
Debido a que la primera aproximación mira hacia atrás desde el punto \((2,3.25)\) y la segunda aproximación mira hacia adelante, tiene sentido promediar estas dos estimaciones para tener en cuenta el comportamiento en ambos lados de \(x=2\text{.}\) Haciendo esto, encontramos que
\begin{equation*} f'(2) \approx \frac{0.75 + 0.375}{2} = 0.5625\text{.} \end{equation*}
El enfoque intuitivo de promediar las dos estimaciones encontradas en Ejemplo 1.5.2 es de hecho la mejor manera posible de estimar una derivada cuando solo tenemos dos valores de la función para \(f\) en lados opuestos del punto de interés.
Figure 1.5.3. A la izquierda, el gráfico de \(y = f(x)\) junto con la línea secante a través de \((1,2.5)\) y \((2,3.25)\text{,}\) la línea secante a través de \((2, 3.25)\) y \((3,3.625)\text{,}\) así como la línea tangente. A la derecha, el mismo gráfico junto con la línea secante a través de \((1,2.5)\) y \((3,3.625)\text{,}\) además de la línea tangente.
Para ver por qué, pensamos en el diagrama en Figura 1.5.3. A la izquierda, vemos las dos líneas secantes con pendientes que provienen de calcular la diferencia hacia atrás \(\frac{f(1)-f(2)}{1-2} = 0.75\) y de la diferencia hacia adelante \(\frac{f(3)-f(2)}{3-2} = 0.375\text{.}\) Nota cómo la primera pendiente sobreestima la pendiente de la línea tangente en \((2,f(2))\text{,}\) mientras que la segunda pendiente subestima \(f'(2)\text{.}\) A la derecha, vemos la línea secante cuya pendiente se da por la diferencia central
\begin{equation*} \frac{f(3)-f(1)}{3-1} = \frac{3.625-2.5}{2} = \frac{1.125}{2} = 0.5625\text{.} \end{equation*}
Nota que esta diferencia central tiene el mismo valor que el promedio de las diferencias hacia adelante y hacia atrás (y es sencillo explicar por qué esto siempre se cumple). La diferencia central produce una muy buena aproximación al valor de la derivada, porque produce una línea más cercana a ser paralela a la línea tangente.
La aproximación de diferencia central al valor de la primera derivada se da por
\begin{equation*} f'(a) \approx \frac{f(a+h) - f(a-h)}{2h}\text{.} \end{equation*}
Esta cantidad mide la pendiente de la línea secante a \(y = f(x)\) a través de los puntos \((a-h, f(a-h))\) y \((a+h, f(a+h))\text{.}\)

Activity 1.5.2.

Una papa se coloca en un horno, y la temperatura de la papa \(F\) (en grados Fahrenheit) en varios puntos en el tiempo se toma y se registra en la siguiente tabla. El tiempo \(t\) se mide en minutos.
Table 1.5.4. Datos de temperatura en grados Fahrenheit.
\(t\) \(0\) \(15\) \(30\) \(45\) \(60\) \(75\) \(90\)
\(F(t)\) \(70\) \(180.5\) \(251\) \(296\) \(324.5\) \(342.8\) \(354.5\)
  1. Usa una diferencia central para estimar la tasa instantánea de cambio de la temperatura de la papa en \(t= 30\text{.}\) Incluye unidades en tu respuesta.
  2. Usa una diferencia central para estimar la tasa instantánea de cambio de la temperatura de la papa en \(t= 60\text{.}\) Incluye unidades en tu respuesta.
  3. Sin hacer ningún cálculo, ¿cuál esperas que sea mayor: \(F'(75)\) o \(F'(90)\text{?}\) ¿Por qué?
  4. Supón que se da que \(F(64) = 330.28\) y \(F'(64) = 1.341\text{.}\) ¿Cuáles son las unidades de estas dos cantidades? ¿Qué esperas que sea la temperatura de la papa cuando \(t = 65\text{?}\) ¿cuando \(t = 66\text{?}\) ¿Por qué?
  5. Escribe un par de oraciones cuidadosas que describan el comportamiento de la temperatura de la papa en el intervalo de tiempo \([0,90]\text{,}\) así como el comportamiento de la tasa instantánea de cambio de la temperatura de la papa en el mismo intervalo de tiempo.

Activity 1.5.3.

Una empresa fabrica cuerda, y el costo total de producir \(r\) pies de cuerda es \(C(r)\) dólares.
  1. ¿Qué significa decir que \(C(2000) = 800\text{?}\)
  2. ¿Cuáles son las unidades de \(C'(r)\text{?}\)
  3. Supón que \(C(2000) = 800\) y \(C'(2000) = 0.35\text{.}\) Estima \(C(2100)\text{,}\) y justifica tu estimación escribiendo al menos una oración que explique tu razonamiento.
  4. ¿Crees que \(C'(2000)\) es menor, igual o mayor que \(C'(3000)\text{?}\) ¿Por qué?
  5. Supón que alguien afirma que \(C'(5000) = -0.1\text{.}\) ¿Qué te diría el significado práctico de este valor derivado sobre el costo aproximado del siguiente pie de cuerda? ¿Es esto posible? ¿Por qué o por qué no?

Activity 1.5.4.

Investigadores en una importante empresa automovilística han encontrado una función que relaciona el consumo de gasolina con la velocidad para un modelo particular de coche. En particular, han determinado que el consumo \(C\text{,}\) en litros por kilómetro, a una velocidad dada \(s\text{,}\) está dado por una función \(C = f(s)\text{,}\) donde \(s\) es la velocidad del coche en kilómetros por hora.
  1. Los datos proporcionados por la empresa automovilística nos dicen que \(f(80) = 0.015\text{,}\) \(f(90) = 0.02\text{,}\) y \(f(100) = 0.027\text{.}\) Usa esta información para estimar la tasa instantánea de cambio del consumo de combustible con respecto a la velocidad en \(s = 90\text{.}\) Sé lo más preciso posible, usa la notación adecuada e incluye unidades en tu respuesta.
  2. Escribe una oración completa que interprete el significado (en el contexto del consumo de combustible) de “\(f(80) = 0.015\text{.}\)
  3. Escribe al menos una oración completa que interprete el significado del valor de \(f'(90)\) que estimaste en (a).
En Sección 1.4, aprendimos cómo usar el gráfico de una función dada \(f\) para trazar el gráfico de su derivada, \(f'\text{.}\) Es importante recordar que cuando hacemos esto, la escala y las unidades en el eje vertical a menudo tienen que cambiar para representar \(f'\text{.}\) Por ejemplo, supón que \(P(t) = 400-330e^{-0.03t}\) nos dice la temperatura en grados Fahrenheit de una papa en un horno en el tiempo \(t\) en minutos. En Figura 1.5.5, dibujamos el gráfico de \(P\) a la izquierda y el gráfico de \(P'\) a la derecha.
Figure 1.5.5. Gráfico de \(P(t) = 400-330e^{-0.03t}\) a la izquierda, y su derivada \(P'(t)\) a la derecha.
Nota que las escalas verticales son diferentes en tamaño y diferentes en unidades, ya que las unidades de \(P\) son °F, mientras que las de \(P'\) son °F/min.

Subsection 1.5.3 Resumen

  • La derivada de una función dada \(y=f(x)\) mide la tasa de cambio instantánea de la variable de salida con respecto a la variable de entrada.
  • Las unidades en la función derivada \(y = f'(x)\) son unidades de \(y\) por unidad de \(x\text{.}\) Nuevamente, esto mide qué tan rápido cambia la salida de la función \(f\) cuando cambia la entrada de la función.
  • La aproximación de diferencia central al valor de la primera derivada se da por
    \begin{equation*} f'(a) \approx \frac{f(a+h) - f(a-h)}{2h}\text{.} \end{equation*}
    Esta cantidad mide la pendiente de la línea secante a \(y = f(x)\) a través de los puntos \((a-h, f(a-h))\) y \((a+h, f(a+h))\text{.}\) La diferencia central genera una buena aproximación del valor de la derivada.

Exercises 1.5.4 Exercises

1. A cooling cup of coffee.

The temperature, \(H\text{,}\) in degrees Celsius, of a cup of coffee placed on the kitchen counter is given by \(H = f(t)\text{,}\) where \(t\) is in minutes since the coffee was put on the counter.
(a) Is \(f'(t)\) positive or negative?
  • positive
  • negative
(Be sure that you are able to give a reason for your answer.)
(b) What are the units of \(f'(35)\text{?}\) help (units)
 1 
/pg_files/helpFiles/Units.html
Suppose that \(|f'(35)| = 1.5\) and \(f(35) = 68\text{.}\) Fill in the blanks (including units where needed) and select the appropriate terms to complete the following statement about the temperature of the coffee in this case.
At minutes after the coffee was put on the counter, its
  • derivative
  • temperature
  • change in temperature
is and will
  • increase
  • decrease
by about in the next 30 seconds.
Note: If you are using MathQuill click the textbox (Tt) button before entering an answer that contains units.

2. A cost function.

The cost, \(C\) (in dollars) to produce \(g\) gallons of ice cream can be expressed as \(C = f(g)\text{.}\)
(a) In the expression \(f(100) = 250\text{,}\)
what are the units of 100?
  • dollars
  • gallons
  • dollars*gallons
  • dollars/gallon
  • gallons/dollar
what are the units of 250?
  • dollars
  • gallons
  • dollars*gallons
  • dollars/gallon
  • gallons/dollar
(b) In the expression \(f'(100) = 1.2\text{,}\)
what are the units of 100?
  • dollars
  • gallons
  • dollars*gallons
  • dollars/gallon
  • gallons/dollar
what are the units of 1.2?
  • dollars
  • gallons
  • dollars*gallons
  • dollars/gallon
  • gallons/dollar
(Be sure that you can carefully put into words the meanings of each of these statement in terms of ice cream and money.)

3. Weight as a function of calories.

A laboratory study investigating the relationship between diet and weight in adult humans found that the weight of a subject, \(W\text{,}\) in pounds, was a function, \(W=f(c)\text{,}\) of the average number of Calories, \(c\text{,}\) consumed by the subject in a day.
(a) In the statement \(f(1600) = 165\)
what are the units of 1600?
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
what are the units of 165?
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
(Think about what this statement means in terms of the weight of the subject and the number of calories that the subject consumes.)
(b) In the statement \(f'(2000)=0\text{,}\)
what are the units of 2000?
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
what are the units of 0?
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
(Think about what this statement means in terms of the weight of the subject and the number of calories that the subject consumes.)
(c) In the statement \(f^{-1}(173) = 2400\text{,}\)
what are the units of 173?
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
what are the units of 2400?
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
(Think about what this statement means in terms of the weight of the subject and the number of calories that the subject consumes.)
(d) What are the units of \(f'(c)=dW/dc\text{?}\)
  • lb
  • cal
  • day
  • lb/cal
  • cal/lb
  • cal/day
  • lb/day
  • day/lb
  • day/cal
(e) Suppose that Sam reads about \(f'\) in this study and draws the following conclusion: If Sam increases her average calorie intake from 2800 to 2840 calories per day, then her weight will increase by approximately 0.8 pounds.
Fill in the blanks below so that the equation supports her conclusion.
\(f'\Big(\) \(\Big)=\)

4. Displacement and velocity.

The displacement (in meters) of a particle moving in a straight line is given by
\begin{equation*} s = t^2 - 5 t + 16, \end{equation*}
where \(t\) is measured in seconds.
(A)
(i) Find the average velocity over the time interval [3,4].
Average Velocity = meters per second.
(ii) Find the average velocity over the time interval [3.5,4].
Average Velocity = meters per second.
(iii) Find the average velocity over the time interval [4,5].
Average Velocity = meters per second.
(iv) Find the average velocity over the time interval [4,4.5].
Average Velocity = meters per second.
(B) Find the instantaneous velocity when \(t=4\text{.}\)
Instantaneous velocity = meters per second.

5.

A cup of coffee has its temperature \(F\) (in degrees Fahrenheit) at time \(t\) given by the function \(F(t) = 75 + 110 e^{-0.05t}\text{,}\) where time is measured in minutes.
  1. Use a central difference with \(h = 0.01\) to estimate the value of \(F'(10)\text{.}\)
  2. What are the units on the value of \(F'(10)\) that you computed in (a)? What is the practical meaning of the value of \(F'(10)\text{?}\)
  3. Which do you expect to be greater: \(F'(10)\) or \(F'(20)\text{?}\) Why?
  4. Write a sentence that describes the behavior of the function \(y = F'(t)\) on the time interval \(0 \le t \le 30\text{.}\) How do you think its graph will look? Why?

6.

The temperature change \(T\) (in Fahrenheit degrees), in a patient, that is generated by a dose \(q\) (in milliliters), of a drug, is given by the function \(T = f(q)\text{.}\)
  1. What does it mean to say \(f(50) = 0.75\text{?}\) Write a complete sentence to explain, using correct units.
  2. A person’s sensitivity, \(s\text{,}\) to the drug is defined by the function \(s(q) = f'(q)\text{.}\) What are the units of sensitivity?
  3. Suppose that \(f'(50) = -0.02\text{.}\) Write a complete sentence to explain the meaning of this value. Include in your response the information given in (a).

7.

The velocity of a ball that has been tossed vertically in the air is given by \(v(t) = 16 - 32t\text{,}\) where \(v\) is measured in feet per second, and \(t\) is measured in seconds. The ball is in the air from \(t = 0\) until \(t = 2\text{.}\)
  1. When is the ball’s velocity greatest?
  2. Determine the value of \(v'(1)\text{.}\) Justify your thinking.
  3. What are the units on the value of \(v'(1)\text{?}\) What does this value and the corresponding units tell you about the behavior of the ball at time \(t = 1\text{?}\)
  4. What is the physical meaning of the function \(v'(t)\text{?}\)

8.

The value, \(V\text{,}\) of a particular automobile (in dollars) depends on the number of miles, \(m\text{,}\) the car has been driven, according to the function \(V = h(m)\text{.}\)
  1. Suppose that \(h(40000) = 15500\) and \(h(55000) = 13200\text{.}\) What is the average rate of change of \(h\) on the interval \([40000,55000]\text{,}\) and what are the units on this value?
  2. In addition to the information given in (a), say that \(h(70000) = 11100\text{.}\) Determine the best possible estimate of \(h'(55000)\) and write one sentence to explain the meaning of your result, including units on your answer.
  3. Which value do you expect to be greater: \(h'(30000)\) or \(h'(80000)\text{?}\) Why?
  4. Write a sentence to describe the long-term behavior of the function \(V = h(m)\text{,}\) plus another sentence to describe the long-term behavior of \(h'(m)\text{.}\) Provide your discussion in practical terms regarding the value of the car and the rate at which that value is changing.