Introducción
En las entradas anteriores ya tratamos varios temas de cálculo y cómo se combinan con heurísticas para resolver problemas de cálculo. Veremos ahora otros problemas para repasar las técnicas que hemos aprendido hasta ahora y explorar algunas nuevas ideas.
Los primeros dos ejemplos son del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson. Los últimos dos son de un concurso universitario: la Competencia Iberoamericana Interuniversitaria de Matemáticas.
El método del factor de integración
Para resolver problemas de cálculo, también es útil tener algunas ideas de ecuaciones diferenciales. Un método muy útil en la resolución de problemas es el método de factor de integración, que ayuda a resolver ecuaciones diferenciales de la forma
La idea para resolver esta ecuación diferencial en (es decir, despejar a
en términos de
y
) es multiplicar ambos lados de la ecuación por
y observar que por regla de la cadena, la regla del producto y el teorema fundamental del cálculo, tenemos la ecuación diferencial equivalente
De aquí, podemos integrar de ambos lados en un intervalo . Por el teorema fundamental del cálculo, existe una constante
tal que
A se le conoce como el factor de integración.
Problema. Sea una función diferenciable y supongamos que
Sugerencia pre-solución. Define y usando el método de integración «despeja» a
en términos de
.
Solución. Definamos . La hipótesis dice que
, así que para obtener información de
en términos de
, podemos usar el método de factor de integración. Por la discusión antes de este párrafo, tenemos que
Tomemos un . Como
cuando
, podemos tomar un
tal que
para todo
. Usando desigualdad del triángulo en sumas e integrales, tenemos que para
Tenemos que y que
, de modo que si
es suficientemente grande, la expresión anterior nos dice
. En otras palabras,
cuando
, como queríamos.
Una integral con doble derivada
Problema. Sea una función dos veces diferenciable que cumple
y tal que
para
en
. Muestra que
Sugerencia pre-solución. Tenemos ya varias técnicas para evaluar o estimar integrales. Si con un método llegas a una pared, intenta usar otro método. Necesitarás el teorema del valor extremo, el teorema del valor medio y el teorema fundamental del cálculo.
Solución. Por el teorema del valor extremo, existe un valor en
tal que
es un máximo de
. Por el teorema del valor medio, existen puntos
en
y
en
tales que
Usando que alcanza su máximo
en
de modo que aplicando el teorema fundamental del cálculo a la última integral, obtenemos que
Para terminar, notamos que la función es diferenciable en
y continua en
, de modo que alcanza su máximo en
, en
o en donde la derivada
es
, es decir, en
. Tenemos que
y que
, de modo que el máximo es
. Con esto, concluimos que
En el problema anterior usamos el teorema del valor medio como paso intermedio. Es recomendable que pienses qué hubiera pasado si nos hubiéramos saltado este paso y hubiéramos usado el mínimo directamente, sin limitarnos primero al intervalo . En los problemas de cálculo a veces es muy importante el orden en el que se hacen las cosas.
Dos problemas de cálculo de competencias
Veamos ahora algunos problemas de cálculo que han aparecido en concursos a nivel universitario. El siguiente problema apareció en la Competencia Iberoamericana Interuniversitaria de Matemáticas, en 2015, como Problema 4.
Problema. Sea una función continua y
un número real. Sabemos que
. Muestra que para cualquier real positivo
existen reales
y
tales que
y
.
Sugerencia pre-solución. Modifica el problema, construyendo una función que te ayude a resolverlo. Necesitarás el teorema del valor intermedio. También, una parte de la solución necesita que se use inducción.
Solución. Tomemos cualquier valor y consideremos la función
. Como
es continua, la función
es continua. Si
para todo real, entonces podemos mostrar inductivamente que para cualesquiera enteros positivos
y
tenemos que
Haciendo y
ir a infinito, tendríamos que
Así, toma valores menores o iguales a
. De modo similar, podemos mostrar que
toma valores mayores o iguales a
. Como
es continua, por el teorema del valor intermedio debe tomar el valor
para algún
, de modo que
y así, tomando
y
tenemos
y
El siguiente problema apareció en la Competencia Iberoamericana Interuniversitaria de Matemáticas, en 2010, como Problema 4.
Problema. Sea una función continua, creciente, diferenciable en
y tal que
en cada punto. La sucesión de conjuntos
se define recursivamente como
y para
,
. Muestra que el diámetro de
converge a
conforme
.
El diámetro de un conjunto es
.
Sugerencia pre-solución. Para una primer parte del problema que te ayudará a entender a los , necesitarás el teorema del valor intermedio y el principio de inducción. Luego, necesitarás usar el teorema del valor medio y que las funciones continuas preservan límites de sucesiones convergentes.
Solución. Por conveniencia, nombramos . Sea
el diámetro de
. Tenemos
. Como
es creciente, tenemos que
y que no hay ningún valor fuera del intervalo
que se tome. Como
es continua, se toman todos esos valores. Así,
y su diámetro es
. Inductivamente, podemos mostrar que
y que
.
Notemos que la sucesión es creciente y acotada, de modo que converge a un real
. Como
es contínua, tenemos que






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Esto muestra que , y por lo tanto
En este problema es muy importante primero mostrar que los extremos de los intervalos convergen a puntos fijos de y después usar el teorema del valor intermedio. Podría ser tentador usar el teorema del valor intermedio en cada intervalo
, pero con ello no se llega al resultado deseado.
Más problemas
En todas estas entradas hemos platicado acerca de problemas de temas de cálculo. Se pueden encontrar muchos más problemas de este tema en el Capítulo 6 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.
Además, puedes encontrar otros problemas resueltos en la sección de Material para practicar de este blog, que ayuda a prepararse para competencias internacionales de matemáticas a nivel universitario.