5.1 5.1.1 Interpretación geométrica
ci-5-1-2 5.1.1 Interpretación geométrica
Geométricamente, el valor de la derivada \( f'(x_0) \) representa exactamente la pendiente o inclinación de la recta tangente a la curva \( y = f(x) \) en el punto de contacto \( P(x_0, f(x_0)) \):
donde \( \alpha \) es el ángulo que forma la recta tangente con el semieje positivo de abscisas.
La ecuación en la forma punto-pendiente de la recta tangente en el punto \( (x_0, f(x_0)) \) es:
Calculamos el valor de la función: \( f(3) = 3^2 - 4(3) + 1 = 9 - 12 + 1 = -2 \). El punto de contacto es \( P(3, -2) \)
Calculamos la derivada: $$ f'(x) = 2x - 4 \implies m = f'(3) = 2(3) - 4 = 2 $$
La recta tangente es: $$ y - (-2) = 2(x - 3) \implies y + 2 = 2x - 6 \implies y = 2x - 8 $$
La recta normal a la curva en el punto \( P(x_0, f(x_0)) \) es la recta perpendicular a la recta tangente que pasa por el mismo punto de contacto.
Como el producto de las pendientes de dos rectas perpendiculares es igual a \( -1 \) (\( m_{\text{tan}} \cdot m_{\text{nor}} = -1 \)), la pendiente de la recta normal (siempre que \( f'(x_0) \ne 0 \)) es:
Su ecuación punto-pendiente es:
Para la misma parábola anterior en \( x_0 = 3 \) con \( P(3, -2) \) y \( f'(3) = 2 \), la pendiente normal es \( m_{\text{nor}} = -1/2 \)
La recta normal es: $$ y - (-2) = -\frac{1}{2}(x - 3) \implies y + 2 = -\frac{1}{2}x + \frac{3}{2} \implies y = -\frac{1}{2}x - \frac{1}{2} $$
Casos singulares de tangentes:
1. Tangente Horizontal: Ocurre cuando \( f'(x_0) = 0 \). La recta tangente es horizontal de ecuación \( y = f(x_0) \) y la recta normal es vertical de ecuación \( x = x_0 \)
2. Tangente Vertical: Ocurre cuando la función es continua en \( x_0 \) pero el límite del cociente incremental es infinito: $$ \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} = \pm \infty $$. La recta tangente es la recta vertical \( x = x_0 \)
3. Punto de Retroceso o Cúspide: Ocurre cuando los límites laterales del cociente incremental son infinitos pero con signos opuestos: uno tiende a \( +\infty \) y el otro a \( -\infty \)
La recta tangente en el origen es la recta vertical de ecuación \( x = 0 \) (el propio eje vertical de ordenadas).
A continuación resolvemos cinco problemas prácticos avanzados con desglose minucioso:
Verificamos que el punto \( A(1, -3) \) no pertenece a la parábola evaluando la función:
Efectivamente, \( A \) es un punto exterior desde el cual se trazan tangentes hacia la curva.
Sea \( P(x_0, y_0) = (x_0, x_0^2 - 4x_0 + 5) \) un punto de tangencia genérico desconocido sobre la parábola.
La pendiente de la recta tangente en dicho punto viene dada por la derivada:
La recta tangente pasa tanto por el punto de contacto \( P(x_0, y_0) \) como por el punto dado \( A(1, -3) \)
Por tanto, la pendiente debe coincidir con la tasa de variación media entre ambos puntos:
Igualamos ambas expresiones de la pendiente:
Multiplicamos por \( (x_0 - 1) \):
Resolvemos la ecuación cuadrática:
Obtenemos dos puntos de tangencia distintos:
- $$ x_{01} = 1 + \sqrt{5} \implies m_1 = 2(1 + \sqrt{5}) - 4 = -2 + 2\sqrt{5} $$
- $$ x_{02} = 1 - \sqrt{5} \implies m_2 = 2(1 - \sqrt{5}) - 4 = -2 - 2\sqrt{5} $$
Escribimos las ecuaciones de ambas rectas tangentes utilizando el punto conocido \( A(1, -3) \):
- Primera recta tangente:
- Segunda recta tangente:
Las dos rectas tangentes que pasan por \( A(1, -3) \) son \( y + 3 = 2(\sqrt{5} - 1)(x - 1) \) y \( y + 3 = -2(\sqrt{5} + 1)(x - 1) \), con puntos de tangencia en \( x_0 = 1 \pm \sqrt{5} \)
Hallamos la ordenada \( y_0 \) del punto de contacto sustituyendo \( x_0 = 3 \) en la ecuación de la elipse:
Como el punto pertenece al primer cuadrante, tomamos el valor positivo: \( y_0 = 2 \)
El punto de contacto es \( P(3, 2) \)
Calculamos la pendiente de la tangente derivando implícitamente la ecuación de la elipse respecto a \( x \):
Despejamos la derivada \( y' \):
Evaluamos la derivada en el punto de contacto \( P(3, 2) \) para hallar la pendiente tangente:
Escribimos la ecuación de la recta tangente en \( P(3, 2) \):
Hallamos la pendiente de la recta normal:
Escribimos la ecuación de la recta normal en \( P(3, 2) \):
La recta tangente es \( 2x + 3y - 12 = 0 \) y la recta normal es \( 3x - 2y - 5 = 0 \)
Sea \( P(x_0, y_0) = (x_0, k/x_0) \) un punto sobre la hipérbola con \( x_0 > 0 \)
Calculamos la derivada de \( y = \frac{k}{x} = k x^{-1} \):
La pendiente de la recta tangente en \( P \) es:
Escribimos la ecuación de la recta tangente en la forma punto-pendiente:
Desarrollamos:
Calculamos el punto de corte de la recta tangente con el eje horizontal de abscisas (\( y = 0 \)):
La base del triángulo rectángulo mide \( B = 2x_0 \)
Calculamos el punto de corte con el eje vertical de ordenadas (\( x = 0 \)):
La altura del triángulo rectángulo mide \( H = \frac{2k}{x_0} \)
Calculamos el área del triángulo rectángulo formado por los dos ejes coordenados y los segmentos de corte:
El área del triángulo es estrictamente constante e igual a \( \text{Área} = 2k \), independientemente de las coordenadas del punto de tangencia \( x_0 \)
Hallamos los puntos de intersección igualando ambas funciones:
Por simetría, analizamos el punto de intersección del primer cuadrante \( P(1, 1) \)
Calculamos la pendiente de la recta tangente a la primera curva \( y_1 = x^2 \) en \( x = 1 \):
Calculamos la pendiente de la recta tangente a la segunda curva \( y_2 = 2 - x^2 \) en \( x = 1 \):
El ángulo entre dos curvas en su punto de intersección es el ángulo comprendido entre sus respectivas rectas tangentes, calculado mediante la fórmula:
Sustituimos las pendientes \( m_1 = 2 \) y \( m_2 = -2 \):
Despejamos el ángulo agudo:
El ángulo de intersección entre las curvas es exactamente \( \theta = \arctan(4/3) \approx 53.13^\circ \)
Calculamos los valores de la función en los extremos del intervalo \( [-2, 4] \):
- En \( x = -2 \):
- En \( x = 4 \):
Calculamos la pendiente de la recta secante que pasa por \( A \) y \( B \):
Calculamos la derivada de la función para obtener la pendiente de la recta tangente en un punto genérico \( x \):
Para que la recta tangente sea paralela a la secante, sus pendientes deben ser iguales:
Resolvemos la ecuación de segundo grado:
Aproximando numéricamente:
Ambos puntos pertenecen al interior del intervalo considerado: \( 1 \pm \sqrt{3} \in (-2, 4) \)
Existen dos puntos donde la recta tangente es paralela a la secante: \( x = 1 - \sqrt{3} \) y \( x = 1 + \sqrt{3} \)