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Analizar problemas que involucran razones de cambio en contextos aplicados

Gran parte del cálculo diferencial trata sobre la razón de cambio instantáneo. Veamos cómo puede usarse para resolver problemas del mundo real.
Una manera de interpretar la derivada f de una función f es que f(k) es la razón de cambio instantáneo de f en x=k. Vamos a ver cómo esta interpretación se puede utilizar para resolver problemas verbales.
Digamos que se está llenando un tanque de agua y el volumen, en litros, de agua en el tanque después de t segundos está dado por la función lineal V1(t)=23t.
La pendiente de la función, 23, representa su razón de cambio. En otras palabras, el tanque se está llenando a una tasa de 23 de litro por segundo.
La razón de cambio de una función lineal es siempre constante, lo que hace que pensar sobre su significado sea relativamente fácil.
Ahora digamos que se está llenando un tanque diferente, y esta vez la función de volumen V2(t)=0.1t2 no es lineal.
Observa cómo el crecimiento de la gráfica es gradual al principio y se vuelve más empinada hacia el final. La tasa de cambio de V2 no es constante.
Si queremos analizar la razón de cambio de V2, podemos hablar de su razón de cambio instantáneo en cualquier momento dado. La razón de cambio instantáneo de una función está dada por la derivada de la función.
V2(t)=0.2t
Por ejemplo, V2(5)=1. Matemáticamente, esto significa que la pendiente de la recta tangente a la gráfica de V2 cuando x=5 es 1. ¿Qué significa esto en el contexto de nuestro tanque de agua?
La pendiente de la recta tangente indica la pendiente de la curva en ese punto particular en el tiempo. Puesto que ya vimos cómo la pendiente nos da la razón de cambio, podemos interpretar V2(5)=1 como sigue:
En t=5 segundos, el depósito se está llenando a razón de 1 litro por segundo.
Observa un par de cosas sobre esta interpretación:
En primer lugar, la razón se da en litros por segundo. Las unidades de una derivada son siempre una relación de la cantidad dependiente (por ejemplo, litros) entre la cantidad independiente (por ejemplo, segundos).
En segundo lugar, la velocidad está dada para un punto específico en el tiempo (por ejemplo, t=5 segundos). Esto es porque es instantánea. Al tomar otro punto en el tiempo la razón podría ser diferente. Considera un intervalo de tiempo; ahí la razón no es constante.
Problema 1.A
En el problema 1 vamos a analizar el contexto siguiente:
Lindsay camina a casa desde la escuela. Su distancia a la escuela, en metros, después de t minutos está modelada por la función diferenciable D.
¿Qué unidades debemos usar para medir D(t)?
Escoge 1 respuesta:

Problema 2
H da la altura de un árbol, en centímetros, t semanas después de que se plantó.
A cuatro estudiantes se les pidió que interpretaran el significado de H(5)=3 en este contexto.
¿Puedes hacer coincidir los comentarios del profesor con las interpretaciones?
1

Error común: olvidar incluir unidades o usar unidades incorrectas

Recuerda: al analizar problemas en contextos aplicados, no olvides que siempre debemos usar unidades.
Por ejemplo, en el problema 2, H tiene una entrada que se mide en semanas y da una salida que se mide en centímetros. Su derivada H también tiene una entrada que se mide en semanas, pero su salida es la razón centímetros por semana.

Otro error muy común: usar frases que se refieren a "sobre un intervalo de tiempo" en lugar de "en un punto en el tiempo"

Las derivadas siempre tratan de razones de cambio instantáneas. Por lo tanto, al interpretar la razón de una función dado el valor de su derivada, debemos siempre referimos al punto concreto en el que se aplica esa razón.

Resolver problemas que involucran razones de cambio instantáneo

Considera el siguiente problema:
Carlos ha tomado una dosis inicial de una medicina de prescripción. La cantidad de medicamento, en miligramos, en la sangre de Carlos después de t horas está dada por la siguiente función:
M(t)=20e0.8t
¿Cuál es la razón de cambio instantáneo de la cantidad restante de medicamento después de 1 hora?
Lo primero que debe llamar nuestra atención al leer el problema es que se nos pide la razón de cambio instantáneo de una cantidad. Esto significa que necesitamos usar derivadas.
La única función cuya derivada podemos usar es M, pero asegurémonos de que esto es lo que queremos: M da la cantidad de fármaco en el torrente sanguíneo de Carlos con el tiempo, y nos preguntan por la razón de cambio instantáneo de esa cantidad. Así que sí, necesitamos M:
M(t)=16e0.8t
Se nos pide la razón de cambio instantáneo después de 1 hora, lo que significa que necesitamos evaluar M en t=1:
M(1)=16e0.87.2
Por último, tenemos que recordar utilizar unidades. Ya que M da una cantidad en miligramos para una entrada dada en horas, las unidades en que medimos M son miligramos por horas.
En conclusión, la razón de cambio instantáneo de la cantidad restante de medicamento después de 1 hora es 7.2 miligramos por hora.
Problema 3
C da el costo en pesos de triturar w libras de documentos confidenciales de una empresa.
C(w)=0.001w30.15w2+7.5w
¿Cuál es la razón de cambio instantáneo de los costos cuando el peso de los documentos es de 10 libras?
Escoge 1 respuesta:

¿Quieres más práctica? Intenta este ejercicio.

Error común: evaluar la función original en lugar de su derivada

Recuerda: cuando nos preguntan sobre la razón de cambio de una función f, queremos ver la derivada f. Evaluar f en un punto no nos dará ninguna información sobre la razón de cambio de f en ese momento.

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