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Seminario de Resolución de Problemas: La regla de L’Hôpital

Por Fabian Ferrari

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Introducción

Como hemos visto en entradas anteriores, la noción de límite es fundamental en cálculo y ayuda a definir funciones continuas y funciones diferenciables. Un tipo de límite que aparece frecuentemente en problemas de cálculo involucra el cociente de dos expresiones cuyo límite no está determinado. La regla de L’Hôpital ayuda a trabajar con límites de este estilo.

Estamos familiarizados con esta regla debido a cursos de cálculo. De hecho, este resultado es una consecuencia directa del teorema del valor medio.

Como mencionamos arriba, esta regla resulta de utilidad para determinar límites indeterminados de la forma $\frac{0}{0}$ o $\frac{\infty}{\infty}$. En un primer acercamiento, si tenemos una función racional de la forma $\frac{f(x)}{g(x)}$ cuyo límite conforme $x\to c$ resulta en una indeterminación con las formas ya mencionadas, y además $f$ y $g$ son diferenciables cerca de $c$, entonces para determinar el valor del límite basta con derivar por separado las funciones $f(x)$ y $g(x)$ y determinar el límite de $\frac{f^\prime (x)}{g^\prime (x)}$, si este existe, entonces es igual al límite de $\frac{f(x)}{g(x)}$ .

Por ejemplo, supongamos que queremos determinar $\lim_{x\to c} \frac{f(x)}{g(x)}$ para $f$ y $g$ diferenciables cerca de $c$ y que tenemos

\begin{align*}
\lim_{x\to c} f(x)=0\\
\lim_{x\to c} g(x)=0.
\end{align*}

Entonces, si

$\lim_{x \to c}\frac{f^\prime (x)}{g^\prime (x)}=L,$

tenemos que

$\lim_{x \to c}\frac{f(x)}{g(x)}=L.$

Tenemos algo similar si $\lim_{x\to c} f(x)= \pm \infty$ y $ \lim_{x\to c} g(x)= \pm \infty $.

Aplicar la regla de L’Hôpital múltiples veces

En ocasiones es necesario aplicar la regla de L’Hôpital más de una vez.

Problema. Determinar el $\lim_{x \to 0 }\frac{\cos^2(x)-1}{x^2}$.

Sugerencia pre-solución. Intenta aplicar la regla de L’Hôpital de manera directa y verifica que tienes que aplicarla nuevamente.

Solución. Tenemos que al sustituir $x=0$ en la función $\frac{\cos^2(x)-1}{x^2}$, nos resulta la indeterminación $\frac{0}{0}$.

El numerados y denominador son diferenciables, así que aplicando la regla de L’Hôpital, el límite original es equivalente al siguiente límite

$\lim_{x \to 0 }\frac{(\cos^2(x)-1)^\prime}{(x^2)^\prime}= \lim_{x \to 0 }\frac{-2\cos(x)\sin(x)}{2x}$,

en donde de nuevo, al evaluar en $0$, tenemos $0$ en el numerador y en el denominador.

Como volvemos a tener una indeterminación, volvemos a aplicar la regla. Sin embargo, antes de derivar, resulta conveniente modificar el límite aplicando la identidad trigonométrica

$\sin(2\theta)=2\sin\theta \cos\theta$

Así,

$\lim_{x \to 0 }\frac{-2\cos(x)\sin(x)}{2x}=\lim_{x \to 0 }\frac{-\sin(2x)}{2x}$

Aplicando la regla de L´Hôpital una vez más, tenemos que:

\begin{align*}
\lim_{x \to 0 }\frac{-\sin(2x)}{2x}&=\lim_{x \to 0 }\frac{(-\sin(2x))^\prime}{(2x)^\prime}\\
&=\lim_{x \to 0 }\frac{-2\cos(2x)}{2}\\
&=\frac{-2cos(0)}{2}\\
&=-1
\end{align*}

$\square$

Aplicar la regla de L’Hôpital con exponentes

Otro tipo de limites que son de interés son aquellos cuyas indeterminaciones son $0^0$, $\infty^0$ y $1^\infty$, las cuales se obtienen de determinar el límite de funciones del estilo

$[f(x)]^{g(x)}$

Para resolver limites de funciones exponenciales, hay que hacer uso de las propiedades del logaritmo, para encontrar encontrar un problema equivalente.

Por ejemplo, supongamos que queremos resolver el siguiente problema.

Problema. Determinar el siguiente límite

$\lim_{x \to 0} (cos(2x))^{\frac{3}{x^2}}.$

Sugerencia pre-solución. Aplica logaritmo a la expresión para encontrar una que puedas estudiar usando la regla de L’Hôpital.

Solución. Al evaluar $x=0$ en la función $(\cos(2x))^{\frac{3}{x^2}}$, nos resulta la indeterminación $1^\infty$. Para transformar esta expresión en una que podamos estudiar con la regla de L’Hôpital, consideramos $$y=(\cos(2x))^{\frac{3}{x^2}},$$ y tenemos que

$\ln(y)=\ln((\cos(2x))^{\frac{3}{x^2}})=\frac{3}{x^2}\ln(\cos(2x)).$

Con lo que tendríamos la siguiente expresión para $y$

$y=e^{\frac{3}{x^2}\ln(\cos(2x))}.$

Así, usando la continuidad de la función exponencial, tenemos que

\begin{align*}
\lim_{x \to 0}y&=\lim_{x \to 0}e^{\frac{3}{x^2}\ln(\cos(2x))}\\
&=e^{\lim_{x \to 0}\frac{3}{x^2}\ln(\cos(2x))}.
\end{align*}

De modo que nuestro problema se ha convertido en determinar el siguiente límite

$$\lim_{x \to 0} \ln((\cos(2x))^{\frac{3}{x^2}})=\lim_{x \to 0}\frac{3\ln(\cos(2x))}{x^2}.$$

Notemos que el numerador y denominador evaluados en $0$ son cero. Con esto, tenemos una indeterminación como las que vimos al principio. Así que aplicando la regla de L’Hôpital, tenemos lo siguiente.

\begin{align*}
\lim_{x \to 0}\frac{3\ln(\cos(2x))}{x^2}&=\lim_{x \to 0}\frac{\frac{-6\sin(2x)}{\cos(2x)}}{2x}\\
&=\lim_{x \to 0}\frac{-3\tan(2x)}{x}\\
&=\frac{0}{0}.
\end{align*}

La última igualdad se debe entender como que «tenemos una determinación de la forma $0/0$ «. Como volvemos a tener la indeterminación, aplicamos nuevamente la regla

\begin{align*}
\lim_{x \to 0}\frac{-3\tan(2x)}{x}&=\lim_{x \to 0}\frac{-6\sec^2(2x)}{1}\\
&=\frac{-6\sec^2(2(0))}{1}\\
&=-6\sec^2(0)=-6.
\end{align*}

Por lo tanto tenemos que

$\lim_{x \to 0} \ln((\cos(2x))^{\frac{3}{x^2}})=-6.$

Así,

$\lim_{x \to 0} (\cos(2x))^{\frac{3}{x^2}}=e^{-6}.$

$\square$

Dos ejemplos más

Problema. Determina el siguiente límite $$\lim_{n \to \infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n.$$

Solución. Tenemos que el límite nos resulta en la indeterminación $1^\infty$

Así que resulta conveniente considerar

$y=\left(1+\frac{1}{n}\right)^n.$

Con lo que tendríamos que

\begin{align*}
\ln(y)&=\ln\left(\left(1+\frac{1}{n}\right)^n\right)\\
&=n\ln\left(1+\frac{1}{n}\right).
\end{align*}

Así que podemos reescribir a $y$ como

$y=e^{n\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)}.$

Entonces, por la continuidad de la función exponencial, tenemos que

$\lim_{x \to \infty}y=e^{\lim_{n \to \infty}n\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)}.$

Ahora para calcular el límite $\lim_{n \to \infty}n\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)$, hacemos un cambio de variable $n\mapsto 1/n$, de donde tenemos que

\begin{align*}
\lim_{n \to \infty}n\ln\left(1+\frac{1}{n}\right)&=\lim_{n \to 0} \frac{\ln\left(1+n\right)}{n}\\
&=\frac{0}{0}.
\end{align*}

Como nos resulta en una indeterminación de la forma $\frac{0}{0}$, aplicando la regla de L’Hôpital tenemos que

$\lim_{n \to 0}\frac{\ln\left(n+1\right)}{n}=\lim_{n \to 0}\frac{\frac{1}{n+1}}{1}=\frac{1}{1}=1.$

Por lo tanto

$\lim_{n \to \infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n=e.$

$\square$

En la siguiente solución ya no seremos tan explícitos con cada uno de los argumentos, sin embargo, hay que tener cuidado con que al usar la regla de L’Hôpital se satisfagan todas las hipótesis que se necesitan, y que los cambios de variable que hagamos se puedan hacer por continuidad.

Problema. Determina el siguiente límite $$\lim_{n \to \infty}\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^n.$$

Solución. Tenemos que este límite llega a una indeterminación, así que nos conviene expresar a la función como

$y=\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^n=\left(1-\frac{1}{n+2}\right)^n.$

Así,

$\ln(y)=\ln\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^n,$

$y=e^{n\ln\left(\frac{n+1}{n+2}\right)}.$

Entonces,

$\lim_{n \to \infty}\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^n=e^{\lim_{x \to \infty}n\ln\left(\frac{n+1}{n+2}\right)},$

por lo que nos enfocamos en encontrar el límite en el exponente. Fijándonos en el $\lim_{n \to \infty}n\ln\left(\frac{n+1}{n+2}\right)$, tenemos que

\begin{align*}
\lim_{n \to \infty}n\ln\left(\frac{n+1}{n+2}\right)&=\lim_{n \to \infty}n\ln\left(\frac{n+1}{n+2}\right)\\
&=\lim_{n \to \infty}n\ln\left(1-\frac{1}{n+2}\right)
\end{align*}

lo cual es equivalente al límite mediante el cambio de variable $n\mapsto 1/n$ a

$\lim_{n \to 0}\frac{1}{n}\ln\left(1-\frac{1}{\frac{1}{n}+2}\right)=\lim_{n \to 0}\frac{\ln\left(1-\frac{n}{2n+1}\right)}{n}=\lim_{n \to 0}\frac{\ln\left(\frac{n+1}{2n+1}\right)}{n}$

Además. tenemos que

$\lim_{n \to 0}\frac{\ln\left(\frac{n+1}{2n+1}\right)}{n}=\lim_{n \to 0}\frac{\ln(n+1)-\ln(2n+1)}{n}$

que tiene una indeterminación de la forma $0/0$. Aplicando la regla de L’Hôpital tenemos que

$\lim_{n \to 0}\frac{\ln(n+1)-\ln(2n+1)}{n}=\lim_{n \to 0}\frac{\frac{1}{n+1}-\frac{2}{2n+1}}{1}=\lim_{n \to 0}\frac{\frac{-1}{(n+1)(2n+1)}}{1}=-1$

Por lo tanto

$\lim_{n \to \infty}\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^n=e^{-1}=\frac{1}{e}$

$\square$

Más problemas

Hay más ejemplos de problemas relacionados con la aplicación de la regla de L’Hôpital en la Sección 6.7 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

Seminario de Resolución de Problemas: El teorema del valor medio

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

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Introducción

Las funciones continuas son bonitas pues tienen la propiedad del valor intermedio y además alcanzan sus valores extremos. Las funciones diferenciables en un intervalo también tienen un par de teoremas que hablan acerca de algo que sucede «dentro del intervalo». Estos son el teorema de Rolle, del cual platicamos en la entrada anterior, y el teorema del valor medio. Ambos nos permiten encontrar en el intervalo un punto en el que la derivada tiene un valor específico.

Teorema de Rolle. Sean $a<b$ reales y $f:[a,b]\to \mathbb{R}$ una función continua en el intervalo $[a,b]$ y diferenciable en el intervalo $(a,b)$. Supongamos que $f(a)=f(b)$. Entonces existe un punto $c\in (a,b)$ tal que $f'(c)=0$.

Teorema del valor medio. Sean $a<b$ reales y $f:[a,b]\to \mathbb{R}$ una función continua en el intervalo $[a,b]$ y diferenciable en el intervalo $(a,b)$. Entonces existe un punto $c\in (a,b)$ tal que $$f'(c)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}.$$

En la entrada anterior vimos aplicaciones del teorema de Rolle a resolución de problemas matemáticos. En esta entrada hablaremos brevemente de la intuición geométrica del teorema del valor medio, de algunas de sus consecuencias inmediatas y de cómo usar al teorema y sus consecuencias para resolver problemas concretos.

La intuición geométrica del teorema del valor medio

El teorema del valor medio dice que una función diferenciable en $(a,b)$ y continua en $[a,b]$ cumple que hay un punto $c$ tal que el valor de la derivada en $c$ es igual a la pendiente de la recta que une los puntos del plano $(a,f(a))$ y $(b,f(b))$. En la siguiente figura, se marca en azul el punto $c$ en donde la pendiente de la tangente es lo que queremos, es decir, la pendiente entre los puntos rojos.

Intuición geométrica del teorema del valor medio
Intuición geométrica del teorema del valor medio

En varios problemas en los que se usa el teorema del valor medio, o bien en los cuales se pide demostrar enunciados parecidos a lo que dice el teorema del valor medio, es conveniente hacer una figura para entender la intuición geométrica del problema.

Consecuencias del teorema del valor medio

Si $f$ y $g$ son funciones continuas en $[a,b]$ y diferenciables en $(a,b)$ entonces se pueden deducir los siguientes resultados a partir del teorema del valor medio. No profundizamos en las demostraciones, y dejamos su verificación como un ejercicio de práctica.

Proposición. Si $f'(x)=0$ para toda $x$ en $(a,b)$, entonces $f$ es constante.

Proposición. Si $f'(x)=g'(x)$ para toda $x$ en $(a,b)$, entonces existe una constante $c$ tal que $f(x)=g(x)+c$ para toda $x$.

Proposición. Si $f'(x)>0$ para toda $x$ en $(a,b)$, entonces $f$ es una función estrictamente creciente. Si $f'(x)<0$ en $(a,b)$, entonces $f$ es una función estrictamente decreciente.

Cuando $f'(x)\geq 0$ y $f'(x)\leq 0$, tenemos resultados análogos que dicen que es no decreciente y no creciente, respectivamente.

Veamos algunas aplicaciones de los resultados anteriores.

Problema. Sean $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ y $g:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ funciones tales que para todo par de reales $x$ y $y$ se cumple que $$|f(x)+g(y)-f(y)-g(x)|\leq (x-y)^2.$$ Demuestra que $f$ y $g$ varían sólo por una constante aditiva.

Sugerencia pre-solución. Identifica cuál de las proposiciones anteriores puedes usar. Hay que tener cuidado con las hipótesis, pues en el enunciado no se habla de la diferenciabilidad de ninguna de las funciones involucradas.

Solución. Podría ser tentador usar la segunda proposición que enunciamos arriba, pero no tenemos hipótesis acerca de la diferenciabilidad de $f$ o de $g$. Sin embargo, vamos a mostrar que sí se puede mostrar que $f-g$ es diferenciable en todo real, y que su derivada es $0$ en todo real. Para ello, definamos $h=f-g$ y notemos que la hipótesis dice que $|h(x)-h(y)|\leq (x-y)^2.$

A partir de aquí, notemos que por la hipótesis, para $x\neq y$, $$\frac{|h(y)-h(x)|}{|y-x|}\leq \frac{(y-x)^2}{|y-x|} = |y-x|,$$ y el límite de esta última expresión conforme $y\to x$ es $0$, de modo que $$\left|\lim_{y\to x} \frac{h(y)-h(x)}{y-x}\right|=\lim_{y\to x} \frac{|h(y)-h(x)|}{|y-x|} = 0.$$ Esto muestra que para cualquier $x$ se tiene que $h$ es diferenciable en $x$ y su derivada es igual $0$ en todo $x$. De este modo, $h$ es una función constante, y por lo tanto existe un $c$ tal que $f(x)=g(x)+c$ para todo $x$.

$\square$

Veamos cómo el teorema del valor medio nos puede ayudar a demostrar desigualdades.

Problema. Sea $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ una función dos veces diferenciable tal que $f»(x)\geq 0$ para todo $x$. Demuestra que para todo par de reales $a$ y $b$ con $a<b$ se tiene que $$f\left(\frac{a+b}{2}\right) \leq \frac{f(a)+f(b)}{2}.$$

Sugerencia pre-solución. Haz una figura para convencerte de que el resultado es cierto. En el enunciado del problema, la función está siendo enunciada en tres valores, $a$, $b$ y $\frac{a+b}{2}$. Esto te dará una pista de dónde usar el teorema del valor medio.

Solución. Por el teorema del valor medio, existe un real $r$ en el intervalo $\left(a,\frac{a+b}{2}\right)$ para el cual $$\frac{f\left(\frac{a+b}{2}\right)-f(a)}{\frac{a+b}{2}-a} = f'(r).$$

De manera similar, existe un real $s$ en el intervalo $\left(\frac{a+b}{2},b\right)$ para el cual $$\frac{f(b)-f\left(\frac{a+b}{2}\right)}{b-\frac{a+b}{2}} = f'(s).$$

Como $f»(x)>0$ para todo real $x$, tenemos que $f’$ es una función creciente, y como $r<s$, tenemos entonces que $f'(r)<f'(s)$. De esta forma, $$ \frac{f\left(\frac{a+b}{2}\right)-f(a)}{\frac{a+b}{2}-a}<\frac{f(b)-f\left(\frac{a+b}{2}\right)}{b-\frac{a+b}{2}}.$$ Notemos que el denominador de ambos lados es $\frac{b-a}{2}$. Cancelando los denominadores y reacomodando los términos en esta desigualdad, obtenemos la desigualdad deseada.

$\square$

Problemas resueltos con el teorema del valor medio y otras técnicas

Veamos algunos problemas que combinan el teorema del valor medio con otras técnicas de solución de problemas.

Problema. Sea $f(x)$ una función diferenciable en $(0,1)$ y continua en $[0,1]$ con $f(0)=0$ y $f(1)=1$. Muestra que existen puntos distintos $a,b,c,d$ en el intervalo $[0,1]$ tales que $$\frac{1}{f'(a)}+ \frac{1}{f'(b)} + \frac{1}{f'(c)} + \frac{1}{f'(d)} = 4.$$

Sugerencia pre-solución. Para resolver el problema, hay que combinar el teorema del valor medio con el teorema del valor intermedio. El primer paso del problema es encontrar reales $p<q<r$ tales que $f$ valga en ellos $1/4$, $2/4$ y $3/4$.

Solución. Como $f(0)=0$, $f(1)=1$ y $0<1/4<1$, por el teorema del valor intermedio existe un real $p$ en $(0,1)$ tal que $f(p)=1/4$. De manera similar, existe un real $q$ en $(p,1)$ tal que $f(q)=2/4$ y un real $r$ en $(q,1)$ tal que $f(r)=3/4$.

Aplicando el teorema del valor medio a los intervalos $[0,p]$, $[p,q]$, $[q,r]$ y $[r,1]$ obtenemos reales $a,b,c,d$ respectivamente tales que

\begin{align*}
f'(a)&=\frac{f(p)-f(0)}{p-0}=\frac{1/4}{p}\\
f'(b)&=\frac{f(q)-f(p)}{q-p}=\frac{1/4}{q-p} \\
f'(c)&=\frac{f(r)-f(q)}{r-q}=\frac{1/4}{r-q} \\
f'(d)&=\frac{f(1)-f(r)}{1-r}=\frac{1/4}{1-r}.
\end{align*}

Estos son los valores de $a,b,c,d$ que queremos pues

\begin{align*}
\frac{1}{f'(a)}+ \frac{1}{f'(b)} + \frac{1}{f'(c)} + \frac{1}{f'(d)} &= 4(1-r+r-q+q-p+p)\\
&=4.
\end{align*}

$\square$

Problema. Sean $a$, $b$ y $c$ números distintos. Muestra que la siguiente expresión $$\frac{(x-a)(x-b)}{(c-a)(c-b)}+ \frac{(x-b)(x-c)}{(a-b)(a-c)} + \frac{(x-c)(x-a)}{(b-c)(b-c)}$$ no depende del valor de $x$.

Sugerencia pre-solución. Encuentra la derivada de la expresión. Puedes aprovechar la simetría para hacer menos cuentas.

Solución. Usando la regla del producto, la derivada del primer sumando es
\begin{align*}
\frac{(x-a)+(x-b)}{(c-a)(c-b)}&=\frac{(2x-a-b)(b-a)}{(a-b)(b-c)(c-a)}\\
&=\frac{2x(b-a)+a^2-b^2}{(a-b)(b-c)(c-a)}.
\end{align*}

Por simetría, las derivadas de los otros dos términos tienen el mismo denominador que esta y en el numerador tienen, respectivamente,
\begin{align*}
&2x(c-b)+b^2-c^2\quad \text{y}\\
&2x(a-c)+c^2-a^2,
\end{align*} de modo que al sumar las tres expresiones obtenemos cero. Así, la derivada de la expresión es cero y por lo tanto es constante.

$\square$

Hay otro argumento para resolver el problema anterior, que usa teoría de polinomios. A grandes rasgos, la expresión es un polinomio de grado $2$, que toma tres veces el valor $1$, de modo que debe ser igual al polinomio constante $1$.

Más problemas

Hay más ejemplos de problemas relacionados con el teorema del valor medio en la Sección 6.6 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

Seminario de Resolución de Problemas: El teorema de Rolle

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

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Introducción

Las funciones continuas son bonitas pues tienen la propiedad del valor intermedio y además alcanzan sus valores extremos. Las funciones diferenciables en un intervalo también tienen un par de teoremas que hablan acerca de algo que sucede «dentro del intervalo». Estos son el teorema de Rolle y el teorema del valor medio. Ambos nos permiten encontrar en el intervalo un punto en el que la derivada tiene un valor específico.

Teorema de Rolle. Sean $a<b$ reales y $f:[a,b]\to \mathbb{R}$ una función continua en el intervalo $[a,b]$ y diferenciable en el intervalo $(a,b)$. Supongamos que $f(a)=f(b)$. Entonces existe un punto $c\in (a,b)$ tal que $f'(c)=0$.

Teorema del valor medio. Sean $a<b$ reales y $f:[a,b]\to \mathbb{R}$ una función continua en el intervalo $[a,b]$ y diferenciable en el intervalo $(a,b)$. Entonces existe un punto $c\in (a,b)$ tal que $$f'(c)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}.$$

El teorema del valor medio parece más general. Sin embargo, en cierto sentido, estos dos teoremas son «equivalentes», en el sentido de que uno de ellos nos ayuda a probar al otro de manera fácil, y viceversa.

Ya dimos las demostraciones de ambos teoremas en la entrada anterior, que habla del teorema del valor extremo. En esta entrada nos enfocaremos en ver cómo podemos usar el teorema de Rolle para resolver problemas. En la siguiente veremos algunos ejemplos del uso del teorema del valor medio.

Problemas resueltos con teorema de Rolle

Hay algunos problemas que parece que pueden ser resueltos con el teorema del valor intermedio (el de funciones continuas), pero para los cuales no es sencillo encontrar un intervalo correcto en el cual aplicar el teorema. En estas ocasiones, a veces el teorema de Rolle puede entrar al rescate.

Problema. Muestra que $5x^4-4x+1$ tiene una raíz real entre $0$ y $1$.

Sugerencia pre-solución. Primero, convéncete de que no es sencillo resolver este problema usando el teorema del valor intermedio. Luego, escribe a la función como la derivada de otra y aplica el teorema de Rolle. Funciona trabajar hacia atrás: si $f$ es derivada de una función, ¿quién tendría que ser esta función?

Solución. La idea es expresar a $f(x)=5x^4-4x+1$ como la derivada de una función y aplicar el teorema de Rolle. Para ello, podemos integrar o verificar por inspección que si $g(x)=x^5-2x^2+x$, entonces $g'(x)=f(x)$. Ahora, notemos que $g(0)=g(1)=0$. Por el teorema de Rolle, debe existir un $c$ en $(0,1)$ tal que $f(c)=g'(c)=0$, es decir, esta $c$ es justo una raíz de $f$, como queríamos.

$\square$

En algunas ocasiones hay que aplicar el teorema del valor medio repetidas veces dentro de un mismo problema.

Problema. Demuestra que $f(x)=\frac{x^4}{4}-\frac{3}{2}x^2+bx+c$ puede tener como mucho dos ceros el intervalo $[-1,1]$, sin importar los valores de $b$ y de $c$.

Sugerencia pre-solución. Procede por contradicción, suponiendo que hay más de dos ceros. Aplica el teorema del valor medio dos veces.

Solución. Supongamos que $f$ tiene tres o más ceros en ese intervalo, y que son $r,s,t$, con $-1\leq r < s < t < 1$. Tenemos que $f(r)=f(s)$ y que $f(s)=f(t)$, pues estos tres valores son $0$. Por el teorema de Rolle, tenemos que $f'(x)=x^3-3x+b$ debe tener al menos un cero $p$ en el intervalo $(r,s)$ y al menos un cero $q$ en el intervalo $(s,t)$. Aplicando de nuevo el teorema de Rolle, tenemos que $f»(x)=3x^2-3$ debe tener un cero en el intervalo $(p,q)$. Pero $-1<p<q<1$ y $f»(x)$ sólo tiene como ceros a $1$ y $-1$. Esto es una contradicción.

$\square$

Veamos un ejemplo más, en donde es necesario aplicar el teorema de Rolle varias veces y usar otras propiedades de diferenciabilidad.

Problema. Supongamos que la funciónes $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ y $g:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ son diferenciables y que $f'(x)g(x)\neq f(x)g'(x)$ para todo real $x$. Muestra que si $f(x)=0$ tiene al menos $2020$ soluciones distintas, entonces $g(x)=0$ tiene al menos $1010$ soluciones distintas.

Sugerencia pre-solución. Modifica el problema y generalízalo de la siguiente manera: bajo las hipótesis del problema, se tiene que entre cualesquiera dos ceros de $f$ hay un cero de $g$. Para demostrar esto, procede por contradicción.

Solución. Mostraremos que entre cualesquiera dos ceros de $f$ hay un cero de $g$. Para ello, procedamos por contradicción. Supongamos $a<b$ son ceros de $f$ y que $g$ no tiene ningún cero en el intervalo $[a,b]$.

Consideremos la función $f/g$. Como $g$ no se anula en $[a,b]$, tenemos que $f/g$ es continua en $[a,b]$ y diferenciable en $(a,b)$. Además, $f(a)/g(a)=f(b)/g(b)=0$. Con esto, por el teorema de Rolle tendríamos que la derivada de $f/g$ en algún punto $c$ en $(a,b)$ es cero. Pero esto es una contradicción, pues la derivada en $c$ es $$\frac{f'(c)g(c)-f(c)g'(c)}{g^2(c)},$$ que por hipótesis nunca es $0$. De esta forma, entre cualesquiera dos ceros de $f$ debe haber un cero de $g$.

Para resolver el problema original, consideremos los $2020$ ceros que tiene $f$, digamos $a_1<\ldots<a_{2020}$. En cada uno de los intervalos $[a_{2i-1},a_{2i}]$ para $i=1,\ldots,1010$ debe haber un cero de $g$, y como estos son intervalos disjuntos, estos deben ser ceros distintos. De este modo, tenemos al menos $1010$ ceros de $g$.

$\square$

Más problemas

Hay más problemas en los que se usa el teorema de Rolle en la Sección 6.5 el libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

Seminario de Resolución de Problemas: Funciones diferenciables y la derivada

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

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Introducción

En entradas anteriores hemos platicado acerca de funciones continuas. A partir de ahí, platicamos de dos teoremas importantes para esta clase de funciones: el teorema del valor intermedio y el teorema del valor extremo. La siguiente clase de funciones que nos interesa es la de funciones diferenciables. Hablaremos de esta clase de funciones y de la derivada.

Como recordatorio, si $A\subset \mathbb{R}$ y $a$ es un punto en el interior de $A$, decimos que $f:A\to \mathbb{R}$ es diferenciable en $a$ si el límite $$\lim_{h\to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h}$$ existe y es finito.

En ese caso, llamamos $f'(a)$ al valor de ese límite. Cuando $A$ es abierto y $f$ es diferenciable en todo punto $a$ de $A$, entonces simplemente decimos qur $f$ es diferenciable y podemos definir a la derivada $f’$ de $f$ como la función $f’:A\to \mathbb{R}$ tal que a cada punto lo manda al límite anterior.

Mencionaremos algunas propiedades básicas de funciones diferenciables y cómo se pueden usar para resolver problemas. Como en ocasiones anteriores, no hacemos mucho énfasis en la demostración de las propiedades básicas, pues se pueden encontrar en libros de texto, como el Cálculo de Spivak.

Propiedades básicas de funciones diferenciables

En la definición de diferenciabilidad, se calcula el límite $$\lim_{h\to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}.$$ Sin embargo, en algunas ocasiones es más sencillo calcular el límite $$\lim_{y\to x} \frac{f(x)-f(y)}{x-y}.$$ Estos dos límites son equivalentes, pues sólo difieren en el cambio de variable $y=x+h$. Dependiendo del problema que se esté estudiando, a veces conviene usar una notación u otra para simplificar las cuentas.

Como en el caso de la continuidad, la diferenciabilidad se comporta bien con las operaciones básicas.

Proposición. Si $f:(a,b)\to \mathbb{R}$ y $g:(a,b)\to \mathbb{R}$ son diferenciables, entonces $f+g$, $f-g$ y $fg$ son diferenciables. Tenemos que sus derivadas son
\begin{align*}
(f+g)’=f’+g’\\
(f-g)’=f’-g’\\
(fg)’=f’g+fg’.
\end{align*} Si $g(x)\neq 0$, entonces $f/g$ también es diferenciable en $x$, con derivada $$(f/g)’=\frac{f’g-fg’}{g^2}.$$

La proposición anterior se puede probar directamente de las definiciones. Se demuestra en un curso usual de cálculo, pero es un ejercicio recomendable hacer las demostraciones de nuevo.

La tercera igualdad se llama la regla del producto y la última la regla del cociente. En la regla del producto tenemos simetría, así que no importa cuál función derivamos primero. En la regla del cociente sí importa que derivemos primero a $f$ en el numerador. Para acordarse de ello, es fácil acordarse que $g$ va «al cuadrado» y como va al cuadrado, es «más fuerte», y «no se deja derivar primero».

Las funciones diferenciables son continuas, en el sentido de la siguiente proposición.

Proposición. Si $f:A\to \mathbb{R}$ es una función diferenciable en $x$, entonces es continua en $x$.

Demostración. En efecto,
\begin{align*}
\lim_{h\to 0}& f(a+h)-f(a) \\
= &\lim_{h\to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h} \cdot h\\
=&\lim_{h\to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h} \cdot \lim_{h\to 0} h\\
= &f'(a)\cdot 0 = 0,
\end{align*}

de modo que $$\lim_{h\to 0}f(a+h) = f(a),$$ en otras palabras, $$\lim_{x\to a} f(x)=f(a),$$ así que $f$ es continua en $a$.

$\square$

Una propiedad más es que las funciones diferenciables alcanzan su máximo en puntos en donde la derivada se anula. Damos un esbozo de la demostración de una parte de la proposición, pero recomendamos completar con cuidado el resto de la prueba, sobre todo cuidando que al pasar términos negativos multiplicando o dividiendo, se invierta la desigualdad correctamente.

Proposición. Si $f:(a,b)\to \mathbb{R}$ tiene un máximo o un mínimo en $x$, entonces $f'(x)=0$.

Sugerencia pre-demostración. Supón que $f'(x)\neq 0$. Divide en casos de acuerdo a si $f'(x)>0$ ó $f'(x)<0$. También, haz una figura que te ayude a entender lo que está sucediendo: si la derivada existe y es mayor que $0$ en un punto $x$, entonces cerca de $x$ la función se ve como si «tuviera pendiente positiva» y entonces tantito a la derecha crece y tantito a la izquierda decrece.

Esbozo de demostración. Procedemos por contradicción. Si $f'(x)=c>0$, entonces para $h>0$ suficientemente pequeño tenemos que $$\left|\frac{f(x+h)-f(x)}{h}-c\right|<c/2,$$ de modo que $\frac{f(x+h)-f(x)}{h}>c/2$, de donde $f(x+h)>f(x)+\frac{hc}{2}>f(x)$, lo que muestra que $x$ no es un máximo.

Del mismo modo, tomando $h<0$ suficientemente cercano a $0$, tenemos que $x$ no es un mínimo. Los casos en los que $f'(x)=c<0$ son parecidos.

$\square$

La proposición anterior nos permite usar la derivada para estudiar los valores extremos de una función, aunque no esté definida en un intervalo abierto. Si $f:[a,b]\to \mathbb{R}$ es diferenciable en $(a,b)$ y es continua en $[a,b]$, entonces sus valores extremos forzosamente están o bien en los extremos del intervalo (en $a$ o $b$), o bien en un punto $x\in (a,b)$ en donde la derivada es $0$. Esta es la estrategia que usaremos para mostrar los teoremas de Rolle y del valor medio.

Problemas resueltos de funciones diferenciables

Veamos algunos problemas en los que podemos aplicar las propiedades anteriores de funciones diferenciables.

Problema. Supongamos que la función $xf(x)$ es diferenciable en un punto $x_0\neq 0$ y que la función $f$ es continua en $x_0$. Muestra que $f$ es diferenciable en $x_0$.

Sugerencia pre-solución. Para mostrar que la expresión es diferenciable, usa la definición de diferenciabilidad con límite $x\to x_0$. En vez de tratar de encontrar el límite del cociente directamente, cambia el problema multiplicando y dividiendo por $xx_0$.

Solución. Primero, como $xf(x)$ es diferenciable en $x_0$, tenemos que el siguiente límite existe y es finito $$A:=\lim_{x\to x_0}\frac{xf(x)-x_0f(x_0)}{x-x_0}.$$

Tenemos que mostrar que el límite $$\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$$ existe. Para ello tomamos una $x$ suficientemente cerca de $x_0$, de modo que $x\neq 0$, y multiplicamos el numerador y denominador por $xx_0$, y luego sumamos y restamos $x_0^2f(x_0)$ en el numerador para obtener lo siguiente:

\begin{align*}
&\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} &\\
= &\frac{xx_0 f(x)-xx_0 f(x_0)}{xx_0 (x-x_0)}\\
=&\frac{xx_0 f(x)-x_0^2f(x_0)-xx_0 f(x_0)+x_0^2f(x_0)}{xx_0 (x-x_0)}\\
=&\frac{1}{x}\left(\frac{xf(x)-x_0f(x_0)}{x-x_0}\right) -\frac{f(x_0)}{x}.
\end{align*}

Tomando el límite cuando $x\to x_0$, tenemos que el primer sumando converge a $\frac{A}{x_0}$, por la diferenciabilidad de $xf(x)$ y que el segundo sumando converge a $\frac{f(x_0)}{x_0}$. De esta forma, $f$ es diferenciable en $x_0$.

$\square$

Problema. Sea $n$ un entero positivo y $a_1,\ldots, a_n$ números reales. Consideremos la función $$f(x)=a_1\sin x + a_2\sin 2x + \ldots + a_n \sin nx.$$ Muestra que si $|f(x)|\leq |\sin x|$ para todos los reales $x$, entonces $$|a_1+2a_2+\ldots+na_n|\leq 1.$$

Sugerencia pre-solución. Se puede hacer una prueba por inducción. Intenta hacerlo así. Luego, intenta modificar el problema poniendo a la expresión final del enunciado en términos de la derivada de $f$ en algún valor específico.

Solución. La derivada de $f$ es $$a_1\cos x+ 2a_2\cos 2x + \ldots + n a_n\cos nx,$$ que en $0$ es $$a_1+2a_2+\ldots+na_n,$$ que es precisamente el lado izquierdo de la desigualdad que queremos.

Por definición de derivada, tenemos que
\begin{align*}
|f'(0)|&=\lim_{x\to 0}\left|\frac{f(x)-f(0)}{x-0}\right|\\
&=\lim_{x\to 0} \left|\frac{f(x)}{x}\right|.
\end{align*}

Por la hipótesis del problema, la última expresión dentro del límite es menor o igual a $\left|\frac{\sin x}{x}\right |$. Como el límite de $\frac{\sin x}{x}$ cuando $x \to 0$ es $1$, tenemos que $$|f'(0)|\leq 1,$$ como queríamos.

$\square$

Problema. Supongamos que $f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$ es una función que satisface la ecuación funcional $f(x+y)=f(x)+f(y)$ para todo $x$ y $y$ en $\mathbb{R}$ y que $f$ es diferenciable en $0$. Muestra que $f$ es una función de la forma $f(x)=cx$ para $c$ un real.

Sugerencia pre-solución. Usa como paso intermedio para el problema mostrar que $f$ es diferenciable en todo real. Recuerda que una función que satisface la ecuación funcional del problema debe satisfacer que $f(x)=f(1)x$ para todo racional $x$. Esto se probaba con división por casos e inducción. Usa propiedades de funciones continuas.

Solución. Tomando $x=y=0$, tenemos que $f(0)=2f(0)$, de modo que $f(0)=0$. Mostremos que $f$ es diferenciable en todo real.

Como $f$ es diferenciable en $0$, tenemos que $$L:=\lim_{h\to 0} \frac{f(h)-f(0)}{h}=\lim_{h\to 0} \frac{f(h)}{h}$$ existe y es finito. Tomemos ahora cualquier real $r$. Por la ecuación funcional, tenemos que
\begin{align*}
f(r+h)-f(r)&=f(r)+f(h)-f(h)\\
&=f(r),
\end{align*}
de modo que $$\lim_{h\to 0} \frac{f(r+h)-f(r)}{h}=\lim_{h\to 0} f(h)=L.$$

Así, $f$ es diferenciable en todo real $r$. Por lo tanto, $f$ es contínua en todo real.

Anteriormente, cuando hablamos de inducción y de división por casos, vimos que una función que satisface la ecuación funcional $f(x+y)=f(x)+f(y)$ debe satisfacer que $f(x)=f(1) x$ para todo número racional $x$. Para cualquier real $r$ podemos encontrar una sucesión de racionales $\{x_n\}$ que convergen a $r$. Como $f$ es continua, tenemos que
\begin{align*}
f(r)&=\lim_{n\to \infty} f(x_n) \\
&= \lim_{n\to \infty} f(1) x_n \\
&= f(1) r.
\end{align*}

Esto muestra lo que queremos.

$\square$

Más problemas

Hay más ejemplos de problemas relacionados con la derivada en la Sección 6.3 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.