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Establecer la diferenciabilidad para poder aplicar el TVM

Una función debe ser diferenciable para poder aplicar el teorema del valor medio. Aprende por qué esto es así, y cómo asegurarte de que el teorema se puede aplicar en el contexto de un problema.
El teorema del valor medio (TVM) es un teorema de existencia semejante a los teoremas del valor intermedio y de los teoremas de valores extremos (TVI y TVE). Nuestro objetivo es comprender el teorema del valor medio y saber cómo aplicarlo.

El TVM y sus condiciones

El teorema del valor medio garantiza, para una función f que es diferenciable en un intervalo que va de a a b, que existe un número c en ese intervalo tal que f(c) es igual a la razón de cambio promedio sobre el intervalo.
f(c)=f(b)f(a)ba
Gráficamente, el teorema garantiza que un arco entre dos extremos tiene un punto en el cual la tangente al arco es paralela a la secante que pasa por los dos extremos.
Las condiciones precisas bajo las cuales el TVM aplica son que f sea diferenciable en el intervalo abierto (a,b) y continua en el intervalo cerrado [a,b]. Como diferenciabilidad implica continuidad, también podemos describir la condición como ser diferenciable en (a,b) y continua en x=a y x=b.
Usar parámetros como a y b y hablar sobre intervalos abiertos y cerrados es importante si queremos ser matemáticamente precisos, pero estas condiciones esencialmente significan lo siguiente:
Para poder aplicar el TVM, la función debe ser diferenciable en el intervalo de interés, y continua en los extremos del intervalo.

Por qué la diferenciabilidad en el intervalo es importante

Para comprender por qué esta condición es importante, considera la función f. La función tiene un pico entre x=a y x=b por lo que no es diferenciable en (a,b).
Ciertamente, la función tiene solamente dos rectas tangentes posibles, ninguna de las cuales es paralela a la secante que pasa por x=a y x=b.

Por qué la continuidad en los extremos es importante

Para entender esto, considera la función g.
Siempre que g sea diferenciable en (a,b) y continua en x=a y x=b, se puede aplicar el TVM.
Ahora, cambiemos g de tal forma que no sea continua en x=b. En otras palabras, el límite unilateral limxbg(x) permanece igual, pero el valor de la función cambia a algo distinto.
Observa cómo todas las posibles rectas tangentes en el intervalo necesariamente son crecientes, mientras que la recta secante es decreciente. Así, no existe ninguna recta tangente que sea paralela a la recta secante.
En general, si una función no es continua en los extremos, la recta secante estará desconectada de las rectas tangentes en el intervalo.
En el conjunto de problemas 1, analizaremos la aplicabilidad del teorema del valor medio a la función h en diferentes intervalos.
Problema 1.A
¿Podemos aplicar el TVM a h en el intervalo [5,1]?
Escoge 1 respuesta:

Problema 2
La gráfica de la función f tiene una tangente vertical en x=2.
¿Podemos aplicar el TVM a f en el intervalo [1,5]?
Escoge 1 respuesta:

¿Quieres más práctica? Intenta este ejercicio.
Observación: cuando el TVM no es aplicable, todo lo que podemos decir es que no estamos seguros de que la conclusión sea verdadera. Esto no quiere decir que la conclusión no es verdadera.
En otras palabras, es posible tener un punto donde la tangente es paralela a la secante, aun cuando el TVM no es aplicable. Simplemente no podemos estar seguros de ello a menos que las condiciones para poder aplicar el TVM se satisfagan.
Por ejemplo, en el último problema, el TVM no se puede aplicar a f en el intervalo [1,5], aun cuando de hecho existen dos puntos en el intervalo [1,5] donde la tangente es paralela a la secante que pasa por los extremos.
Problema 3
Esta tabla contiene algunos valores de la función h.
x371011
h(x)1526
James dijo que como h(7)h(3)73=1, debe existir un número c en el intervalo [3,7] para el cual h(c)=1.
¿Cuál condición hace verdadera la aseveración de James?
Escoge 1 respuesta:

¿Quieres más práctica? Intenta este ejercicio.

Error común: no reconocer cuándo las condiciones se satisfacen

Tomemos el problema 3 como ejemplo. Estas son formas comunes en las que esperamos que se vean las condiciones para aplicar el TVM:
  • h es diferenciable en (3,7) y continua en [3,7].
  • h es diferenciable en (3,7) y continua en x=3 y x=7.
Sin embargo, la información que tendremos de la función no siempre estará dada de esta forma. Por ejemplo, si h es diferenciable en [3,7], las condiciones se satisfarán, ya que diferenciabilidad implica continuidad.
Otro ejemplo es cuando h es diferenciable sobre un intervalo más grande, como (2,8). Aun cuando no se menciona la continuidad, la diferenciabilidad en (2,8) implica diferenciabilidad en (3,7) y continuidad en [3,7].
Problema 4
f es una función diferenciable. f(1)=2 y f(5)=2.
Empareja cada conclusión con su teorema de existencia correspondiente.
1

Error común: aplicar el teorema de existencia equivocado

A estas alturas, estamos familiarizados con los tres teoremas diferentes de existencia: el teorema del valor intermedio (TVI), el teorema de los valores extremos (TVE) y el teorema del valor medio (TVM). Tienen una estructura similar, pero son aplicables bajo distintas condiciones y garantizan la existencia de distintas clases de puntos.
  • El TVI garantiza la existencia de un punto en el cual la función tiene un valor dado entre otros dos valores.
  • El TVE garantiza la existencia de un punto en el cual la función alcanza un valor máximo o un valor mínimo.
  • El TVM garantiza la existencia de un punto en el cual la derivada tiene cierto valor.
Antes de aplicar alguno de los teoremas de existencia, asegúrate de entender el problema lo suficientemente bien para determinar cuál teorema debe aplicarse.

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