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3. Clculo 1
4. REVISORES TCNICOS MXICO Jos de Jess ngel ngel Universidad
Anhuac Norte Miguel ngel Arredondo Morales Universidad
Iberoamericana Len Vctor Armando Bustos Peter Instituto Tecnolgico
y de Estudio Superiores de Monterrey, Campus Toluca Aureliano
Castro Castro Universidad Autnoma de Sinaloa Javier Franco Chacn
Tecnolgico de Monterrey, Campus Chihuahua Sergio Fuentes Martnez
Universidad Anhuac Mxico Norte Enrique Gonzlez Acosta Instituto
Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Sonora
Norte Miguel ngel Lpez Mario Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores de Monterrey, Campus Central de Veracruz Eleazar Luna
Barraza Universidad Autnoma de Sinaloa Toms Narciso Ocampo Paz
Instituto Tecnolgico de Toluca Velia Prez Gonzlez Universidad
Autnoma de Chihuahua Ignacio Ramrez Vargas Instituto Tecnolgico y
de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Hidalgo Hctor Selley
Universidad Anhuac Norte Jorge Alberto Torres Guilln Universidad de
Guadalajara Enrique Zamora Gallardo Universidad Anhuac Norte
COLOMBIA Petr Zhevandrov Universidad de La Sabana Jorge Augusto
Prez Alczar Universidad EAN Liliana Barreto Arciniegas Pontificia
Universidad Javeriana Gustavo de J. Castaeda Ramrez Universidad
EAFIT Jairo Villegas G. Universidad EAFIT PER Carlos Enrique
Peralta Santa Cruz Universidad Continental de Ciencias e
Ingeniera
5. Clculo 1 de una variable Novena edicin Ron Larson The
Pennsylvania State University The Behrend College Bruce H. Edwards
University of Florida MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA
MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN
MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY
TORONTO Revisin tcnica Marlene Aguilar Abalo Instituto Tecnolgico y
de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de Mxico Jos Job
Flores Godoy Universidad Iberoamericana Joel Ibarra Escutia
Instituto Tecnolgico de Toluca Linda M. Medina Herrera Instituto
Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de
Mxico
6. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos
Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Coordinadora editorial:
Marcela I. Rocha Martnez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado
Rodrguez Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin:
Joel Ibarra Escutia, ngel Hernndez Fernndez, Gabriel Nagore Czares,
Norma Anglica Moreno Chvez CLCULO 1 DE UNA VARIABLE Novena edicin
Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por
cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. DERECHOS
RESERVADOS 2010, respecto a la novena edicin en espaol por
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of
The McGraw-Hill Companies, Inc. Edicio Punta Santa Fe Prolongacin
Paseo de la Reforma Nm. 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo
Santa Fe Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de
la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736
ISBN 978-607-15-0273-5 Traducido de la novena edicin en ingls de
Calculus Copyright 2010 by Brooks/Cole, a Cengage Learning Company.
All rights reserved. ISBN-13: 978-1-4390-3033-2 TI es una marca
registrada de Texas Instruments, Inc. Mathematica es una marca
registrada de Wolfram Research, Inc. Maple es una marca registrada
de Waterloo Maple, Inc. 1234567890 109876543210 Impreso en China
Printed in China
7. ontenidoC v Unas palabras de los autores ix Agradecimientos
x Caractersticas xii CAPTULO P Preparacin para el clculo 1 P.1
Grficas y modelos 2 P.2 Modelos lineales y ritmos o velocidades de
cambio 10 P.3 Funciones y sus grficas 19 P.4 Ajuste de modelos a
colecciones de datos 31 Ejercicios de repaso 37 SP Solucin de
problemas 39 CAPTULO 1 Lmites y sus propiedades 41 1.1 Una mirada
previa al clculo 42 1.2 Clculo de lmites de manera grfica y numrica
48 1.3 Clculo analtico de lmites 59 1.4 Continuidad y lmites
laterales o unilaterales 70 1.5 Lmites infinitos 83 PROYECTO DE
TRABAJO: Grficas y lmites de las funciones trigonomtricas 90
Ejercicios de repaso 91 SP Solucin de problemas 93 CAPTULO 2
Derivacin 95 2.1 La derivada y el problema de la recta tangente 96
2.2 Reglas bsicas de derivacin y ritmos o velocidades de cambio 107
2.3 Reglas del producto, del cociente y derivadas de orden superior
119 2.4 La regla de la cadena 130 2.5 Derivacin implcita 141
PROYECTO DE TRABAJO: Ilusiones pticas 148 2.6 Ritmos o velocidades
relacionados 149 Ejercicios de repaso 158 SP Solucin de problemas
161 CAPTULO 3 Aplicaciones de la derivada 163 3.1 Extremos en un
intervalo 164
8. vi Contenido 3.2 El teorema de Rolle y el teorema del valor
medio 172 3.3 Funciones crecientes y decrecientes y el criterio de
la primera derivada 179 PROYECTO DE TRABAJO: Arco iris 189 3.4
Concavidad y el criterio de la segunda derivada 190 3.5 Lmites al
infinito 198 3.6 Anlisis de grficas 209 3.7 Problemas de
optimizacin 218 PROYECTO DE TRABAJO: Ro Connecticut 228 3.8 Mtodo
de Newton 229 3.9 Diferenciales 235 Ejercicios de repaso 242 SP
Solucin de problemas 245 CAPTULO 4 Integracin 247 4.1 Antiderivadas
o primitivas e integracin indefinida 248 4.2 rea 259 4.3 Sumas de
Riemann e integrales definidas 271 4.4 El teorema fundamental del
clculo 282 PROYECTO DE TRABAJO: Demostracin del teorema fundamental
296 4.5 Integracin por sustitucin 297 4.6 Integracin numrica 311
Ejercicios de repaso 318 SP Solucin de problemas 321 CAPTULO 5
Funciones logartmica, exponencial y otras funciones trascendentes
323 5.1 La funcin logaritmo natural: derivacin 324 5.2 La funcin
logaritmo natural: integracin 334 5.3 Funciones inversas 343 5.4
Funciones exponenciales: derivacin e integracin 352 5.5 Otras bases
distintas de e y aplicaciones 362 PROYECTO DE TRABAJO: Estimacin
grfica de pendientes 372 5.6 Funciones trigonomtricas inversas:
derivacin 373 5.7 Funciones trigonomtricas inversas: integracin 382
5.8 Funciones hiperblicas 390 PROYECTO DE TRABAJO: Arco de San Luis
400 Ejercicios de repaso 401 SP Solucin de problemas 403 CAPTULO 6
Ecuaciones diferenciales 405 6.1 Campos de pendientes y mtodo de
Euler 406 6.2 Ecuaciones diferenciales: crecimiento y decrecimiento
415
9. Contenido vii 6.3 Separacin de variables y la ecuacin
logstica 423 6.4 Ecuaciones diferenciales lineales de primer orden
434 PROYECTO DE TRABAJO: Prdida de peso 442 Ejercicios de repaso
443 SP Solucin de problemas 445 CAPTULO 7 Aplicaciones de la
integral 447 7.1 rea de una regin entre dos curvas 448 7.2 Volumen:
el mtodo de los discos 458 7.3 Volumen: el mtodo de las capas 469
PROYECTO DE TRABAJO: Saturno 477 7.4 Longitud de arco y superficies
de revolucin 478 7.5 Trabajo 489 PROYECTO DE TRABAJO: Energa de la
marea 497 7.6 Momentos, centros de masa y centroides 498 7.7 Presin
y fuerza de un fluido 509 Ejercicios de repaso 515 SP Solucin de
problemas 517 CAPTULO 8 Tcnicas de integracin, regla de LHpital e
integrales impropias 519 8.1 Reglas bsicas de integracin 520 8.2
Integracin por partes 527 8.3 Integrales trigonomtricas 536
PROYECTO DE TRABAJO: Lneas de potencia 544 8.4 Sustituciones
trigonomtricas 545 8.5 Fracciones simples o parciales 554 8.6
Integracin por tablas y otras tcnicas de integracin 563 8.7 Formas
indeterminadas y la regla de LHpital 569 8.8 Integrales impropias
580 Ejercicios de repaso 591 SP Solucin de problemas 593 CAPTULO 9
Series infinitas 595 9.1 Sucesiones 596 9.2 Series y convergencia
608 PROYECTO DE TRABAJO: La mesa que desaparece 618 9.3 Criterio de
la integral y series p 619 PROYECTO DE TRABAJO: La serie armnica
625 9.4 Comparacin de series 626 PROYECTO DE TRABAJO: El mtodo de
la solera 632 9.5 Series alternadas o alternantes 633 9.6 El
criterio del cociente y el criterio de la raz 641 9.7 Polinomios de
Taylor y aproximacin 650
10. viii Contenido 9.8 Series de potencias 661 9.9
Representacin de funciones en series de potencias 671 9.10 Series
de Taylor y de Maclaurin 678 Ejercicios de repaso 690 SP Solucin de
problemas 693 Apndice A Demostracin de algunos teoremas A-2 Apndice
B Tablas de integracin A-20 Soluciones de los ejercicios impares
S-1 ndice de aplicaciones I-1 ndice analtico I-5
11. ix Bienvenido a la novena edicin de Clculo! Nos enorgullece
ofrecerle una nueva versin revisada de nuestro libro de texto.
Mucho ha cambiado desde que escribimos la primera edicin hace ms de
35 aos. En cada edicin los hemos escuchado a ustedes, esto es,
nuestros usuarios, y hemos incorporado muchas de sus sugerencias
para mejorar el libro. A lo largo de los aos, nuestro objetivo ha
sido siempre escribir con precisin y de manera legible conceptos
fundamentales del clculo, claramente definidos y demostrados. Al
escribir para estudiantes, nos hemos esforzado en ofrecer
caractersticas y materiales que desarrollen las habilidades de
todos los tipos de estudiantes. En cuanto a los profesores, nos
enfocamos en proporcionar un instrumento de enseanza amplio que
emplea tcnicas pe- daggicas probadas, y les damos libertad para que
usen en forma ms eficiente el tiempo en el saln de clase. Tambin
hemos agregado en esta edicin una nueva caracterstica denominada
ejercicios Para discusin. Estos problemas conceptuales sintetizan
los aspectos clave y proporcionan a los estudiantes mejor
comprensin de cada uno de los conceptos de seccin. Los ejercicios
Para discusin son excelentes para esa actividad en el saln de clase
o en la preparacin de exmenes, y a los profesores puede resultarles
valioso integrar estos problemas dentro de su repaso de la seccin.
stas y otras nuevas caractersticas se unen a nuestra pedagoga pro-
bada en el tiempo, con la meta de permitir a los estudiantes y
profesores hacer el mejor uso del libro. Esperamos que disfrute la
novena edicin de Clculo. Como siempre, sern bienveni- dos los
comentarios y sugerencias para continuar mejorando la obra. Ron
Larson Bruce H. Edwards nas palabras de los autoresU
12. Nos gustara dar las gracias a muchas personas que nos
ayudaron en varias etapas de este proyecto a lo largo de los ltimos
35 aos. Su estmulo, crticas y sugerencias han sido in- valuables.
Revisores de la novena edicin Ray Cannon, Baylor University Sadeq
Elbaneh, Buffalo State College J. Fasteen, Portland State
University Audrey Gillant, Binghamton University Sudhir Goel,
Valdosta State University Marcia Kemen, Wentworth Institute of
Technology Ibrahima Khalil Kaba, Embry Riddle Aeronautical
University Jean-Baptiste Meilhan, University of California
Riverside Catherine Moushon, Elgin Community College Charles Odion,
Houston Community College Greg Oman, The Ohio State University
Dennis Pence, Western Michigan University Jonathan Prewett,
University of Wyoming Lori Dunlop Pyle, University of Central
Florida Aaron Robertson, Colgate University Matthew D. Sosa, The
Pennsylvania State University William T. Trotter, Georgia Institute
of Technology Dr. Draga Vidakovic, Georgia State University Jay
Wiestling, Palomar College Jianping Zhu, University of Texas at
Arlington Miembros del Comit de Asesores de la novena edicin Jim
Braselton, Georgia Southern University; Sien Deng, Northern
Illinois University; Dimitar Grantcharov, University of Texas,
Arlington; Dale Hughes, Johnson County Community College; Dr.
Philippe B. Laval, Kennesaw State University; Kouok Law, Georgia
Perimeter College, Clarkson Campus; Mara D. Neusel, Texas Tech
University; Charlotte Newsom, Tidewater Community College, Virginia
Beach Campus; Donald W. Orr, Miami Dade College, Kendall Campus;
Jude Socrates, Pasadena City College; Betty Travis, University of
Texas at San Antonio; Kuppalapalle Vajravelu, University of Central
Florida Revisores de ediciones anteriores Stan Adamski, Owens
Community College; Alexander Arhangelskii, Ohio University; Seth G.
Armstrong, Southern Utah University; Jim Ball, Indiana State
University; Marcelle Bessman, Jacksonville University; Linda A.
Bolte, Eastern Washington University; James Braselton, Georgia
Southern University; Harvey Braverman, Middlesex County College;
Tim Chappell, Penn Valley Community College; Oiyin Pauline Chow,
Harrisburg Area Community College; Julie M. Clark, Hollins
University; P.S. Crooke, Vanderbilt University; gradecimientosA
x
13. Agradecimientos xi Jim Dotzler, Nassau Community College;
Murray Eisenberg, University of Massachusetts at Amherst; Donna
Flint, South Dakota State University; Michael Frantz, University of
La Verne; Sudhir Goel, Valdosta State University;Arek Goetz, San
Francisco State University; Donna J. Gorton, Butler County
Community College; John Gosselin, University of Georgia; Shahryar
Heydari, Piedmont College; Guy Hogan, Norfolk State University;
Ashok Kumar, Valdosta State University; Kevin J. Leith, Albuquerque
Community College; Douglas B. Meade, University of South Carolina;
Teri Murphy, University of Oklahoma; Darren Nara- yan, Rochester
Institute of Technology; Susan A. Natale, The Ursuline School, NY;
Terence H. Perciante, Wheaton College; James Pommersheim, Reed
College; Leland E. Rogers, Pepperdine University; Paul Seeburger,
Monroe Community College; Edith A. Silver, Mer- cer County
Community College; Howard Speier, Chandler-Gilbert Community
College; Desmond Stephens, Florida A&M University; Jianzhong
Su, University of Texas at Arling- ton; Patrick Ward, Illinois
Central College; Diane Zych, Erie Community College Muchas gracias
a Robert Hostetler, de The Behrend College, en The Pennsylvania
State University, y a David Heyd, de la misma institucin, por sus
importantes contribuciones a las ediciones previas de este texto.
Una nota especial de agradecimiento a los profesores que
respondieron nuestra encues- ta y a los ms de dos millones de
estudiantes que han usado las ediciones anteriores de la obra.
Tambin quisiramos agradecer al personal de Larson Texts, Inc., que
apoy en la preparacin del manuscrito, realiz el diseo editorial,
levant la tipografa y ley las prue- bas de las pginas y suplementos
en la edicin en ingls. En el mbito personal, estamos agradecidos
con nuestras esposas, Deanna Gilbert Larson y Consuelo Edwards, por
su amor, paciencia y apoyo. Adems, una nota especial de gratitud
para R. Scott ONeil. Si usted tiene sugerencias para mejorar este
texto, por favor sintanse con la libertad de escribirnos. A lo
largo de los aos hemos recibido muchos comentarios tiles tanto de
los profesores como de los estudiantes, y los valoramos
sobremanera. Ron Larson Bruce H. Edwards
14. aractersticasC NUEVO! Los ejercicios para discusin que
aparecen ahora en cada seccin sintetizan los conceptos principales
de cada una y muestran a los estudiantes cmo se relacionan los
temas. A menudo constituyen problemas de varias partes que
contienen aspectos conceptuales y no computacionales, y que pueden
utilizarse en discusiones de clase o en la preparacin de exmenes.
PARA DISCUSIN Los ejercicios de desarrollo de conceptos son
preguntas diseadas para evaluar la comprensin de los estudian- tes
en torno a los conceptos bsicos de cada seccin. Estos ejercicios
animan a los estudiantes a verbalizar y escribir respuestas, lo que
promueve habilidades de comunicacin tcnica que sern invaluables en
sus futuras carreras. Herramientas pedaggicas 72. Utilizar la
grfica para responder a las siguientes pre- guntas. a) Entre qu par
de puntos consecutivos es mayor la razn de cambio promedio de la
funcin? b) La razn de cambio promedio de entre A y B es mayor o
menor que el la razn de cambio instantneo en B? c) Trazar una recta
tangente a la grca entre los puntos C y D cuya pendiente sea igual
a la razn de cambio promedio de la funcin entre C y D. x f CC AA BB
ED E y Para discusin DESARROLLO DE CONCEPTOS x 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5
(1, 5) (5, 1) y x 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 (1, 5) (5, 1) y Desarrollo de
conceptos 11. Considerar la longitud de la grca de f(x) 5/x, desde
(1, 5) hasta (5, 1): a) Estimar la longitud de la curva mediante el
clculo de la distancia entre sus extremos, como se muestra en la
primera gura. b) Estimar la longitud de la curva mediante el clculo
de las longitudes de los cuatro segmentos de recta, como se muestra
en la segunda gura. c) Describir cmo se podra continuar con este
proceso a n de obtener una aproximacin ms exacta de la longitud de
la curva. Las ayudas de estudio distinguen errores comunes, indican
casos especiales que pueden provocar confusin, y amplan a conceptos
importantes. Estas ayudas proporcionan a los estudiantes informacin
puntual, similar a los comentarios del profesor en clase. AYUDA DE
ESTUDIO Cuando se use la definicin para encontrar la derivada de
una funcin, la clave consiste en volver a expresar el cociente
incremental (o cociente de diferencias), de manera que x no
aparezca como factor del denominador. AYUDA DE ESTUDIO El ejemplo 3
tam- bin se puede resolver sin hacer uso de la regla de la cadena,
si se observa que y x6 3x4 3x2 1 AYUDA DE ESTUDIO Tener en cuenta
que se puede comprobar la respuesta de un problema de integracin al
derivar la C l j l 7 A lo largo del texto, se trabajan ejemplos
paso a paso, que muestran los procedimientos y tcnicas para
resolver problemas, y dan a los estudiantes una comprensin amplia
de los conceptos del clculo. xii EJEMPLOS EJEMPLO 1 Levantamiento
de un objeto Determinar el trabajo realizado al levantar un objeto
de 50 libras a 4 pies. Solucin La magnitud de la fuerza requerida F
es el peso del objeto, como se muestra en la gura 7.48. As, el
trabajo realizado al levantar el objeto 4 pies es Trabajo
(fuerza)(distancia). Fuerza 50 libras, distancia 4 pies.
libras-pies.200 50 4 W FD AYUDAS DE ESTUDIO
15. Caractersticas xiii La prctica hace al maestro. Los
ejercicios son con frecuencia el primer lugar que consultan los
estudiantes en un libro de texto. Los autores han dedicado mucho
tiempo analizndolos y revisndolos; el resultado es un completo y
slido conjunto de ejercicios de diferentes tipos y niveles de
dificultad al final de cada seccin para considerar todos los
estilos de aprendizaje de los estudiantes. EJERCICIOS En los
ejercicios 13 a 22, formular una integral denida que pro- duce el
rea de la regin. (No evaluar la integral.) 13. 14. 15. 16. En los
ejercicios 1 y 2, utilizar el ejemplo 1 como modelo para evaluar el
lmite lm n n i 1 f ci xi sobre la regin delimitada por las grcas de
las ecuaciones. 1. 2. En los ejercicios 3 a 8, evaluar la integral
denida mediante la denicin de lmite. 3. 4. 5. 6. 7. 8. (Sugerencia:
Sea ) (Sugerencia: Sea )ci i3 n3 . x 1x 0,y 0,f x 3 x, ci 3i2 n2 .
x 3x 0,y 0,f x x, 8 6 4 2 y 4 3 2 1 y f x x2 f x 4 x Ejercicios4.3
2 1 x2 1 dx 1 1 x3 dx 6 2 8 dx 1 2 2x2 3 dx 4 1 4x2 dx 3 2 x dx 1 2
3 4 512 1 2 3 4 5 6 x y x 1 2 3 4 5 5 4 3 2 1 y f x 6 3xf x 5 63.
Ciclo respiratorio El volumen V en litros de aire en los pulmo- nes
durante un ciclo respiratorio de cinco segundos se aproxima
medianteelmodelo V 0.1729t 0.1522t2 0.0374t3 donde t es el tiempo
en segundos.Aproximar el volumen medio de aire en los pulmones
durante un ciclo. 64. Promedio de ventas Una compaa ajusta un
modelo a los datos de ventas mensuales de un producto de temporada.
El modelo es 0 t 24S t t 4 1.8 0.5 sen t 6 , donde S son las ventas
(en miles) y t es el tiempo en meses. a) Utilizar una herramienta
de graficacin para representar (t) 0.5 sen( t 6) para 0 t 24.
Emplear la grfica para explicar por qu el valor medio de (t) es
cero sobre el intervalo. b) Recurrir a una herramienta de
graficacin para representar S(t) y la recta g(t) t 4 1.8 en la
misma ventana de observacin. Utilizar la grfica y el resultado del
apartado a) para explicar por qu g recibe el nombre recta de ten-
dencia. 65. Modelado matemtico Se prueba un vehculo experimental en
unapistarecta.Partedelreposoysuvelocidadv(metrosporsegun- do) se
registra en la tabla cada 10 segundos durante un minuto. t 0 10 20
30 40 50 60 v 0 5 21 40 62 78 83 a) Emplear una herramienta de
graficacin para determinar un modelo de la forma v at3 bt2 ct d
para los datos. Cundo usar esto?, los autores tratan de responder
esta pregunta de los estudiantes con ejercicios y ejemplos que se
seleccionaron con todo cuidado. Las aplicaciones se toman de
diversas fuentes: eventos actuales, datos de trabajo, tendencias
industriales, y se relacionan con una amplia gama de intereses.
Entender dnde se usa (o puede usarse) el clculo fomenta una
comprensin ms completa del material. APLICACIONES Los ejercicios de
repaso ubicados al final de cada captulo proporcionan a los
estudiantes ms oportunidades para practicar. Estos conjuntos de
ejercicios constituyen una revisin completa de los conceptos del
captulo y son un medio excelente para que los estudiantes preparen
un examen. 318 CAPTULO 4 Integracin En los ejercicios 1 y 2,
utilizar la grca de f para dibujar una grca de . 1. 2. En los
ejercicios 3 a 8, encontrar la integral indenida. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
9. Encontrar la solucin particular de la ecuacin diferencial (x) 6x
cuya grca pasa por el punto (1, 2). 10. Encontrar la solucin
particular de la ecuacin diferencial (x) 6(x 1) cuya grca pasa por
el punto (2, 1) y es tangente a la recta 3x y 5 0 en ese punto.
Campos de pendientes En los ejercicios 11 y 12 se da una ecuacin
diferencial, un punto y un campo de pendientes. a) Dibujar dos
soluciones aproximadas de la ecuacin diferencial en el campo de
pendiente, una de las cuales pase a travs del punto indicado. b)
Utilizar la integracin para encontrar la solucin particular de la
ecuacin diferencial y utilizar una herramienta de gracacin para
representar la solucin. 11. 12. x f y x f y una distancia de 264
pies. Encontrar la distancia en la cual el automvil puede llegar al
reposo a partir de una velocidad de 30 millas por hora, suponiendo
la misma desaceleracin constante. 15. Velocidad y aceleracin Se
lanza una pelota hacia arriba verticalmente desde el nivel del
suelo con una velocidad inicial de 96 pies por segundo. a) Cunto
tardar la pelota en alcanzar su altura mxima? Cul es la altura
mxima? b) Cundo la velocidad de la pelota es la mitad de la
velocidad inicial? c) A qu altura est la pelota cuando su velocidad
es la mitad de la velocidad inicial? 16. Modelado matemtico La
tabla muestra las velocidades (en millas por hora) de dos carros
sobre una rampa de acceso a una carretera interestatal. El tiempo t
est en segundos. a) Reescribir las velocidades en pies por segundo.
b) Usar las capacidades de regresin de una herramienta de gracacin
para encontrar los modelos cuadrticos para los datos en el apartado
a). c) Aproximar la distancia recorrida por cada carro durante los
30 segundos. Explicar la diferencia en las distancias. En los
ejercicios 17 y 18, utilizar la notacin sigma para escribir la
suma. 17. 18. En los ejercicios 19 a 22, utilizar las propiedades
de las sumas y el teorema 4.2 para calcular las sumas. 19. 20. 21.
22. 23. Escribir en notacin sigma a) la suma de los primeros diez
en- teros impares positivos, b) la suma de los cubos de los
primeros n enteros positivos y c) 6 10 14 18 42. 24. Calcular cada
suma para x1 2, x2 1, x3 5, x4 3 y 7 x y 6 1 5 y x 71 6 2 6, 2 dy
dx 1 2 x2 2x,4, 2 dy dx 2x 4, Ejercicios de repaso4 5 cos x 2 sec2
x dx x4 4x2 1 x2 dx 2 3 3x dx x4 8 x3 dx 4x2 x 3 dx 2x 9 sen x dx t
0 5 10 15 20 25 30 v1 0 2.5 7 16 29 45 65 v2 0 21 38 51 60 64 65 3
n 1 1 n 2 3 n 2 1 n 2 . . . 3 n n 1 n 2 1 3 1 1 3 2 1 3 3 . . . 1 3
10 20 i 1 i 1 2 20 i 1 2i 12 i 1 i i2 1 20 i 1 4i 1 1. Sea a)
Encontrar L(1). b) Encontrar L (x) y L (1). c) Utilizar una
herramienta de gracacin para aproximar el va- lor de x (hasta tres
lugares decimales) para el cual L(x) 1. d) Demostrar que L(x1 x2)
L(x1) L(x2) para todos los valores positivos de x1 y x2. 2. Sea a)
Utilizar una herramienta de gracacin para completar la tabla. b)
Sea F x 1 x 2 x 2 sen t2 dt.G x 1 x 2 Utilizar una herramienta de
gracacn para completar la tabla y estimar lm x 2 G x . c) Utilizar
la denicin de la derivada para encontrar el valor exacto del lmite
lm x 2 G x . En los ejercicios 3 y 4, a) escribir el rea bajo la
grca de la funcin dada denida sobre el intervalo indicado como un
lmite. Despus b) calcular la suma del apartado a) y c) calcular el
lmite tili d l lt d d l t d b) 6. La aproximacin gaussiana de dos
puntos para f es a) Utilizarestafrmulaparaaproximar 1 1 cos x
dx.Encontrar el error de la aproximacin. b) Utilizar esta frmula
para aproximar 1 1 1 1 1 1 1 x2 dx. 1 1 1 1 x2 dx. c) Probar que la
aproximacin gaussiana de dos puntos es exacta para todos los
polinomios de grado 3 o menor. 7. Arqumedes demostr que el rea de
un arco parablico es igual a del producto de la base y la altura
(ver la gura). a) Gracar el arco parablico delimitado por y 9 x2 y
el eje x. Utilizar una integral apropiada para encontrar el rea A.
b) Encontrar la base y la altura del arco y vericar la frmula de
Arqumedes. c) Demostrar la frmula de Arqumedes para una parbola
general. 8. Galileo Galilei (1564-1642) enunci la siguiente
proposicin relativa a los objetos en cada libre: El tiempo en
cualquier espacio que se recorre por un cuerpo acelerado
uniformemente es igual al tiempo en el cual ese mismo espacio se
recorrera por el mismo cuerpo movin- x > 0.x x 1 1 t dt, F x x 2
sen t2 dt. 0 1.0 1.5 1.9 2.0 2.1 2.5 3.0 4.0 5.0 F x x F x x 1.9
1.95 1.99 2.01 2.1 G x x 1 1 f x dx f 1 3 f 1 3 . b h Solucin de
problemasSP EJERCICIOS DE REPASO Estos conjuntos de ejercicios al
final de cada captulo prueban las habilidades de los estudiantes
con preguntas desafiantes que retan su pensamiento. SOLUCIN DE
PROBLEMAS
16. xiv Caractersticas TEOREMA 4.9 EL TEOREMA FUNDAMENTAL DEL
CLCULO Si una funcin es continua en el intervalo cerrado [a, b] y F
es una antiderivada de en el intervalo [a, b], entonces b a f x dx
F b F a . DEFINICIN DE LONGITUD DEARCO Sea la funcin dada por y
f(x) que represente una curva suave en el intervalo [a, b]. La
longitud del arco de f entre a y b es s b a 1 f x 2 dx.
Similarmente, para una curva suave dada por x g(y), la longitud de
arco de g entre c y d es s d c 1 g y 2 dy. La regla de LHpital
tambin puede aplicarse a los lmites unilaterales, como se de-
muestra en los ejemplos 6 y 7. EJEMPLO 6 Forma indeterminada 00
Encontrar lm x 0 sen x x. Solucin Porque la sustitucin directa
produce la forma indeterminada 00 , proceder como se muestra abajo.
Para empezar, asumir que el lmite existe y es igual a y. Forma
indeterminada 00 . Tomar un logaritmo natural de cada lado.
Continuidad. Forma indeterminada 0 ( ). Forma indeterminada . Regla
de LHpital. Forma indeterminada 0 0. Regla de LHpital. Ahora,
porque ln y 0, concluir que y e0 1, y se sigue que lm x 0 sen x x
1. lm x 0 2x sec2 x 0 lm x 0 x2 tan x lm x 0 cot x 1 x2 lm x 0 ln
sen x 1 x lm x 0 x ln sen x lm x 0 ln sen x x ln y ln lm x 0 sen x
x y lm x 0 sen x x Al aplicar la frmula para la longitud de arco a
una curva, hay que asegurarse de que la curva se recorra una sola
vez en el intervalo de integracin. Por ejemplo, el crculo dado por
y y sen t, recorre una sola vez el intervalo pero recorre dos veces
el inter- valo I0 t 4. 0 t 2,x cos t NOTA Clculos clsicos con
relevancia contempornea TEOREMAS Los teoremas proporcionan el marco
conceptual del clculo; se enuncian claramente y se distinguen del
resto del texto por medio de recuadros para tener una rpida
referencia visual. Las demostraciones ms importantes muchas veces
siguen al teorema, y se proporcionan otras ms en un apndice.
DEFINICIONES Al igual que con los teoremas, las definiciones se
enuncian claramente utilizando palabras sencillas y precisas;
tambin se separan del texto mediante recuadros para tener una rpida
referencia visual. PROCEDIMIENTOS Los procedimientos aparecen
separados del texto para brindar una referencia fcil. Estas lneas
propor- cionan a los estudiantes instruccio- nes paso a paso que
les ayudarn a resolver problemas de manera rpida y eficiente. NOTAS
Las notas proporcionan detalles adicionales acerca de los teoremas,
definiciones y ejemplos. Ofrecen una profundiza- cin adicional o
generalizaciones importantes que los estu- diantes podran omitir
involuntariamente. Al igual que las ayudas de estudio, las notas
resultan invalua- bles para los estudiantes.
17. Caractersticas xv Ampliar la experiencia del clculo
Ecuaciones diferenciales En este captulo se estudiar una de las ms
importantes aplicaciones del clculo: las ecuaciones diferenciales.
El lector aprender nuevos mtodos para resolver diferentes tipos de
ecuaciones diferen- ciales, como las homogneas, lineales de primer
orden y de Bernoulli. Posterior- mente aplicar esas reglas para
resolver ecuaciones diferenciales en problemas de aplicacin. En
este captulo, se aprender: Cmo generar un campo den pendientes de
una ecuacin diferencial y encontrar una solucin particular. (6.1)
Cmo usar una funcin exponencialn para modelos de crecimiento y
decrecimiento. (6.2) Como usar el mtodo de separacinn de variables
para resolver ecuaciones diferenciales. (6.3) Cmo resolver
ecuacionesn diferenciales lineales de primer orden y la ecuacin
diferencial de Bernoulli. (6.4) Segn el tipo de bacteria, el tiempo
que le toma duplicar su peso al cul- tivo puede variar mucho, desde
varios minutos hasta varios das. Cmo usara una ecuacin diferencial
para modelar la tasa de crecimiento del peso del cultivo de una
bacteria? (Vea la seccin 6.3, ejercicio 84.) Una funcin y f(x) es
una solucin de una ecuacin diferencial, si la ecuacin se satisface
cuando y y sus derivadas se remplazan por f(x) y sus derivadas. Una
manera de resolver una ecuacin diferencial es mediante los campos
de pendientes, los cuales muestran la forma de todas las soluciones
de una ecuacin diferencial. (Ver seccin 6.1) 6 405405 Dr. Dennis
Kunkel/Getty Images E X P L O R A C I N Converso del teorema 4.4 Es
verdadero el converso del teorema 4.4 ? Esto es, si una funcin es
integrable, tiene que ser continua? Explicar el razonamiento y pro-
porcionar ejemplos. Describir las relaciones entre continuidad,
derivabilidad e integrabilidad. Cul es la condicin ms fuerte? Cul
es la ms dbil? Qu condiciones implican otras condiciones? E X P L O
R A C I N Suponer que se pide encontrar una de las siguientes
integrales. Cul elegira? Explicar la respuesta. a) b) o o tan 3x dx
tan 3x sec2 3x dx x2 x3 1 dx x3 1 dx 133. Cul es mayor n n 1 o n 1
n donde n 8? 134. Demostrar que si x es positivo, entonces Estos
problemas fueron preparados por el Committee on the Putnam Prize
Competi- tion. The Mathematical Association of America. Todos los
derechos reservados. Preparacin del examen Putnam loge 1 1 x > 1
1 x . Utilizar una herramienta de gracacin para representar la
funcin y1 sen2t en el intervalo 0 t . Sea F(x) la siguiente funcin
de x. F x x 0 sen2 t dt a) Completar la tabla. Explicar por qu los
valores de estn cre- ciendo. b) Utilizar las funciones de
integracin de una herramienta de gra- cacin para representar F. c)
Emplear las funciones de derivacin de una herramienta de gra- cacin
para hacer la grca de F (x). Cmo se relaciona esta grca con la grca
de la parte b)? d) Vericar que la derivada de y (1 2)t (sen 2t) 4
es sen2t. Gracar y y escribir un pequeo prrafo acerca de cmo esta
grca se relaciona con las de los apartados b) y c). PROYECTO DE
TRABAJO Demostracin del teorema fundamental 0 F x 5 62 3236x LA
SUMA DE LOS PRIMEROS CIEN ENTEROS El maestro de Carl Friedrich
Gauss (1777- 1855) pidi a sus alumnos que sumaran todos los enteros
desde 1 hasta 100. Cuando Gauss regres con la respuesta correcta
muy poco tiempo despus, el maestro no pudo evitar mirarle atnito.
Lo siguiente fue lo que hizo Gauss: Esto se generaliza por medio
del teorema 4.2, donde 100 101 2 5 050 1 100 101 2 99 101 3 98 101
. . . . . . . . . 100 1 101 100 t 1 i 100 101 2 5 050. BLAISE
PASCAL (1623-1662) Pascal es bien conocido por sus contribuciones a
diversas reas de las matemticas y de la fsica, as como por su
inuencia con Leibniz.Aunque buena parte de su obra en clculo fue
intuitiva y carente del rigor exigible en las matemticas modernas,
Pascal anticip muchos resultados relevantes. TheGrangerCollection
ENTRADAS DE CAPTULO EXPLORACIONES Las exploraciones proporcionan a
los estudiantes retos nicos para estudiar conceptos que no se han
cubierto formalmente. Les permiten aprender mediante el
descubrimiento e introdu- cen temas relacionados con los que estn
estudiando en el momento. Al explorar temas de esta manera, se
estimula a que los estudiantes piensen de manera ms amplia. NOTAS
HISTRICAS Y BIOGRAFAS Las notas histricas proporcionan a los
estudiantes informacin sobre los fundamentos del clculo; las
biografas les ayudan a sensibilizar y a ensearles acerca de las
personas que contribuyeron a la creacin formal del clculo. DESAFOS
DEL EXAMEN PUTNAM Las preguntas del examen Putnam aparecen en
algunas secciones y se toman de los exmenes Putnam reales. Estos
ejercicios extendern los lmites del entendimiento de los
estudiantes en relacin con el clculo y brindarn desafos adicionales
para aquellos ms interesados. PROYECTOS DE SECCIN Los proyectos
aparecen en algunas secciones y exploran a mayor profundidad las
aplicaciones relacionadas con los temas que se estn estudiando.
Proporcionan una forma interesante y entretenida para que los
estudiantes trabajen e investiguen ideas de manera conjunta. Las
entradas de captulo proporcionan motivacin inicial para el material
que se abordar en el captulo. Adems de los objetivos, en la entrada
de cada captulo un concepto importante se relaciona con una
aplicacin del mundo real. Esto motiva a los estudiantes a que
descubran la relevancia del clculo en la vida.
18. EJEMPLO 5 Cambio de variables Encontrar x 2x 1 dx. Solucin
Como en el ejemplo previo, considerar que u 2x 1 para obtener dx du
2. Como el integrando contiene un factor de x, se tiene que
despejar x en trminos de u, como se muestra. x u 1 2u 2x 1 Resolver
para x en trminos de u. Despus de esto, utilizando la sustitucin,
se obtiene 1 10 2x 1 5 2 1 6 2x 1 3 2 C. 1 4 u5 2 5 2 u3 2 3 2 C 1
4 u3 2 u1 2 du x 2x 1 dx u 1 2 u1 2 du 2 Razonamiento grco En los
ejercicios 55 a 58, a) usar una herramienta de gracacin para
representar grcamente la funcin, b) representar su funcin inversa
utilizando la herramien- ta de gracacin y c) determinar si la grca
de la relacin inver- sa es una funcin inversa. Explicar la
respuesta. 55. 56. h x x 4 x2 f x x3 x 4 TECNOLOGA La regla de
Simpson puede usarse para dar una buena aproximacin del valor de la
integral en el ejemplo 2 (para n 10, la aproximacin es 1.839). Al
usar la integracin numrica, sin embargo, se debe estar consciente
de que la regla de Simp- son no siempre da buenas aproximaciones
cuando algunos de los lmites de integracin estn cercanos a una
asntota vertical. Por ejemplo, usando el teorema fundamental del
clculo, se obtiene Aplicando la regla de Simpson (con n 10) para
esta integral se produce una aproxi- macin de 6.889. 1.99 0 x 3 4
x2 dx 6.213. Campos de pendientes En los ejercicios 67 a 72, usar
un sistema algebraico por computadora para a) trazar la grfica del
campo de pendientes para la ecuacin diferencial y b) trazar la
grfica de la solucin que satisface la condicin inicial
especificada. 67. 68. 69. 70. 71. 72. y 0 2 dy dx 1 2 e x 8 sen y 4
, y 0 1 dy dx 0.4y 3 x , y 0 9 dy dx 0.2x 2 y , y 0 2 dy dx 0.02y
10 y , y 0 6 dy dx 4 y, y 0 4 dy dx 0.25y, CAS En los ejercicios 33
a 40, usar un sistema algebraico por computado- ra para determinar
la primitiva que atraviesa el punto dado. Usar el sistema para
hacer la grca de la antiderivada resultante. 33. 34. 35. 36. 3, 4
x3 x2 4 2 dx,0, 1 x2 x 2 x2 2 2 dx, 2, 1 6x2 1 x2 x 1 3 dx,6, 0 5x
x2 10x 25 dx, CAS - a En los ejercicios 79 a 82, usar un sistema
algebraico por compu- tadora para encontrar la integral. Usar el
sistema algebraico por computadora para hacer la grfica de dos
antiderivadas. Describir la relacin entre las grficas de las dos
antiderivadas. 79. 80. 81. 82. x 2 x2 4x 13 dx CAS 1 x2 4x 13 dx 1
1 sen d ex e x 2 3 dx Tecnologa integrada para el mundo actual xvi
Caractersticas Los ejemplos a lo largo del libro se acompaan de
investigaciones que emplean un sistema algebraico por computadora
(por ejemplo, Maple) para explorar de manera adicional un ejemplo
relacionado en el libro. Permiten a los estudiantes explorar el
clculo manipulando funciones, grficas, etc., y observar los
resultados. INVESTIGACIONES CON SISTEMAS ALGEBRAICOS POR
COMPUTADORA La comprensin con frecuencia mejora utilizando una
grfica o visualizacin. Los ejercicios de tecnologa de graficacin
piden a los estudiantes recurrir a una herramienta de graficacin
para ayudar a encontrar una solucin. EJERCICIOS CON HERRAMIENTAS DE
GRAFICACIN A lo largo del libro, los recuadros de tecnologa dan a
los estudiantes una visin de cmo la tecnologa puede usarse para
ayudar a resolver problemas y explorar los conceptos del clculo. No
slo proporcionan discusiones acerca de dnde la tecnologa tiene
xito, sino tambin sobre dnde puede fracasar. TECNOLOGA NUEVO! De
igual manera que los ejercicios con herramientas de graficacin,
algunos ejercicios pueden resolverse mejor utilizando un sistema
algebraico por computadora. Estos ejercicios son nuevos en esta
edicin. EJERCICIOS CON SISTEMAS ALGEBRAICOS POR COMPUTADORA
19. Jeremy Walker/Getty Images Preparacin para el clculo En
este captulo se revisan varios concep- tos que lo ayudarn a
prepararse para el estudio del clculo. Estos conceptos in- cluyen
el dibujo de grficas y funciones as como el ajuste de modelos
matemti- cos a conjuntos de datos. Es importante repasar estos
conceptos antes de adentrar- se en el clculo. En este captulo, se
aprender: Cmo identificar las caractersticas den las ecuaciones y
dibujar sus grficas. (P.1) Cmo encontrar y graficar ecuacionesn de
rectas, incluidas rectas paralelas y perpendiculares, utilizando el
concep- to de pendiente. (P.2) Cmo evaluar y graficar funciones yn
sus diferentes transformaciones. (P.3) Cmo ajustar modelos
matemticos an conjuntos de datos encontrados en la vida real. (P.4)
En 2006, China rebas a Estados Unidos como el mayor emisor de
dixido de carbono del mundo, el principal gas del efecto
invernadero. Dadas las concen- traciones de dixido de carbono en la
atmsfera durante varios aos, pueden los viejos modelos matemticos
predecir con exactitud las futuras concentra- ciones atmosfricas en
comparacin con modelos ms recientes? (Ver la seccin P.1, ejemplo
6.) Los modelos matemticos se usan generalmente para describir
conjuntos de datos y pueden representarse por diferen- tes tipos de
funciones tales como las lineales, cuadrticas, cbicas, racionales y
trigonomtricas. (Ver la seccin P.4.) 1 P
20. REN DESCARTES (1596-1650) Descartes hizo numerosas
contribuciones a la losofa, la ciencia y las matemticas. En su
libro La Gomtrie, publicado en 1637, describi la idea de
representar los puntos del plano por medio de pares de nmeros
reales y las curvas en el plano mediante ecuaciones. Procedimiento
grco: 3x y 7 Figura P.1 ArchivePhotos Trazar la grca de una
ecuacin. Encontrar las intersecciones de una grca con los ejes.
Analizar las posibles simetras de una grca con respecto a un eje y
el origen. Encontrar los puntos de interseccin de dos grcas.
Interpretar modelos matemticos con datos de la vida real. La grca
de una ecuacin En 1637, el matemtico francs Ren Descartes
revolucion las matemticas al unir sus dos ramas principales: lgebra
y geometra. Con ayuda del plano coordenado de Descartes, los
conceptos geomtricos se pudieron formular de manera analtica y los
algebraicos visuali- zarse de forma grfica. La potencia de este
mtodo es tal que durante un siglo se consigui desarrollar la mayor
parte del clculo. Las posibilidades de xito en el clculo aumentarn
siguiendo el mismo mtodo. Es decir, realizar el clculo desde
mltiples perspectivas grca, analtica y numrica incrementar la
comprensin de los conceptos fundamentales. Considerar la ecuacin 3x
+ y 7. El punto (2, 1) es un punto solucin de la ecuacin puesto que
esta ltima se satisface (es verdadera) cuando se sustituye x por 2
y y por 1. Esta ecuacin tiene muchas otras soluciones, como (1, 4)
y (0, 7). Para encontrarlas de manera sistemtica, despejar y de la
ecuacin inicial. y 7 3x Mtodo analtico. Ahora, elaboramos una tabla
de valores dando valores de x. 0 1 2 3 4 7 4 1 52y x Mtodo numrico.
A partir de la tabla, puede verse que (0, 7), (1, 4), (2, 1), (3,
2) y (4, 5) son soluciones de la ecuacin inicial 3x + y 7. Al igual
que muchas ecuaciones, sta tiene una cantidad infinita de
soluciones. El conjunto de todos los puntos solucin constituye la
grfica de la ecuacin, como ilustra la figura P.1. NOTA Aunque se
mencione el dibujo de la gura P.1 como la grca de 3x + y 7, en
realidad slo representa una porcin de la misma. La grca completa se
extendera fuera de la pgina. En este curso se estudiarn varias
tcnicas para la representacin grca. La ms simple consiste en
dibujar puntos hasta que la forma esencial de la grca se haga
evidente. EJEMPLO 1 Dibujo de una grca mediante el trazado de
puntos Dibujar la grfica de y x2 2. Solucin Primero construimos una
tabla de valores.A continuacin, marcamos los puntos dados en la
tabla. 0 1 2 3 2 2 7121y 12x Por ltimo, unir los puntos con una
curva suave, como se muestra en la gura P.2. Esta grca es una
parbola. Se trata de una de las cnicas que se estudiarn en el
captulo 10. La parbola y x2 2 Figura P.2 864 8 6 4 2 4 6 2 2 x (3,
2) (4, 5) (2, 1) (1, 4) (0, 7) 3x y 7 y x 4 3 2 2 3 4 7 6 5 4 3 2 1
y x2 2 y P.1 Grficas y modelos 2 CAPTULO P Preparacin para el
clculo
21. SECCIN P.1 Grcas y modelos 3 Uno de los inconvenientes de
la representacin mediante el trazado de puntos radica en que la
obtencin de una idea conable de la forma de una grca puede exigir
que se marque un gran nmero de puntos. Utilizando slo unos pocos,
se corre el riesgo de obtener una visin deformada de la grca. Por
ejemplo, suponiendo que para dibujar la grca de y 1 30 x 39 10x2 x4
se han marcado slo cinco puntos: ( 3, 3), ( 1, 1), (0, 0), (1, 1) y
(3, 3), como se muestra en la gura P.3a. A partir de estos cinco
puntos, se podra concluir que la grca es una recta. Sin embargo,
esto no es correcto. Trazando varios puntos ms puede verse que la
grca es ms complicada, como se observa en la gura P.3b. TECNOLOGA
La tecnologa moderna ha simplicado el dibujo de grcas. No obstante,
incluso recurriendo a ella, es posible desgurar una grca. Por
ejemplo, las pantallas de una herramienta de gracacin de la gura
P.4 muestran una porcin de la grca de y x3 x2 25. La pantalla de la
izquierda puede inducir a pensar que la grfica es una recta. Sin
embar- go, la de la derecha muestra que no es as. Entonces, cuando
se dibuja una grfica ya sea a mano o mediante una herramienta de
gracacin, debe tenerse en cuenta que las dife- rentes ventanas de
representacin pueden dar lugar a imgenes muy distintas de la gr-
fica. Al elegir una ventana, la clave est en mostrar una imagen de
la grfica que se adecue al contexto del problema. x 3 2 1 1 2 3 3 2
1 1 2 3 (0, 0) (1, 1) (3, 3) ( 3, 3) ( 1, 1) Si se marcan pocos
puntos, puede obtenerse una grfica incorrecta y y x 3 2 1 1 2 3 3 2
1 1 2 3 y x(39 10x2 x4 ) Figura P.3 a) b) E X P L O R A C I N
Comparacin de los mtodos grco y analtico Utilizar una herramienta
de gracacin para representar cada una de las siguientes ecuaciones.
En cada caso, encontrar una ventana de representacin que muestre
las principales caractersticas de la grca. a) y x3 3x2 2x 5 b) y x3
3x2 2x 25 c) y x3 3x2 20x 5 d) y 3x3 40x2 50x 45 e) y (x 12)3 f) y
(x 2)(x 4)(x 6) Resolver este problema usando slo mtodos grcos
conllevara una estrategia simple de intuicin, comprobacin y
revisin. Qu tipo de aspectos podra involucrar un planteamiento
analtico? Por ejemplo, tiene simetras la grca?, tiene inexiones? Si
es as, dnde estn? A medida que se avance por los captulos 1, 2 y 3
de este texto, se estudiarn muchas herramientas analticas nuevas
que sern de ayuda para analizar grcas de ecuaciones como stas.
Visualizaciones en la pantalla de una herramienta de gracacin de y
x3 x2 25 Figura P.4 10 10 10 10 5 35 5 5 NOTA En este libro, el
trmino herramienta de gracacin se refiere a una calculadora
graficadora o a un programa graficador como Maple, Mathematica o a
la calculadora TI-89.
22. 4 CAPTULO P Preparacin para el clculo Intersecciones de una
grca con los ejes Dos tipos de puntos solucin tiles al representar
grficamente una ecuacin son aquellos en los que la coordenada x o y
es cero. Tales puntos se denominan intersecciones con los ejes
porque son los puntos en que la grfica corta (hace interseccin con)
el eje x o el eje y. Un punto del tipo (a, 0) es una interseccin en
x de la grfica de una ecuacin si es un punto solucin de sta. Para
determinar las intersecciones en x de una grfica, igualar y a cero
y despejar x de la ecuacin resultante. De manera anloga, un punto
del tipo (0, b) es una interseccin en y de la grfica de una ecuacin
si es un punto solucin de la misma. Para encontrar las
intersecciones en y de una grfica, igualar x a cero y despejar y de
la ecuacin resultante. NOTA En algunos textos se denomina x
interseccin a la coordenada x del punto (a, 0) en lugar del propio
punto. Salvo que sea necesario distinguirlos, se usar el trmino
interseccin para denotar tanto al punto de interseccin con el eje x
como a su abscisa. Es posible que una grca carezca de
intersecciones con los ejes, o que presente varias de ellas. Por
ejemplo, considerar las cuatro grcas de la gura P.5. EJEMPLO 2
Determinacin de las intersecciones con los ejes x y y Encontrar las
intersecciones con los ejes en la grfica de y x3 4x. Solucin Para
determinar las intersecciones en x, hacer y igual a cero y despejar
x. x3 4x 0 y se iguala a cero. x(x 2) (x 2) 0 Factorizar. x 0, 2 o
2 Despejar x. Puesto que esta ecuacin admite tres soluciones, se
puede concluir que la grca tiene tres intersecciones en x: (0, 0),
(2, 0) y ( 2, 0) Intersecciones en x. Para encontrar las
intersecciones en y, igualar x a cero. Resulta entonces y 0. Por
tanto, la interseccin en y es (0, 0) Interseccin en y. (Ver la
figura P.6.) TECNOLOGA En el ejemplo 2 se utiliza un mtodo analtico
para determinar las intersecciones con los ejes. Cuando no es
posible tal enfoque analtico, se puede recu- rrir a mtodos grcos,
buscando los puntos donde la grca toca los ejes. Utilizar una
herramienta de gracacin para aproximar las intersecciones. x y x y
x y x y No hay interseccionesNo hay intersecciones con el eje x Una
interseccin con el eje y Figura P.5 Tres intersecciones con el eje
x Una interseccin con el eje y Una interseccin con el eje x Dos
intersecciones con el eje y Intersecciones de una grca Figura P.6 4
3 1 1 3 4 4 3 2 1 3 4 x (2, 0)(0, 0)( 2, 0) y x3 4x y
23. SECCIN P.1 Grcas y modelos 5 Simetras de una grca Es til
conocer la simetra de una grfica antes de intentar trazarla, puesto
que slo se ne- cesitarn la mitad de los puntos para hacerlo. Los
tres tipos siguientes de simetras pueden servir de ayuda para
dibujar la grfica de una ecuacin (ver la figura P.7). 1. Una grca
es simtrica respecto al eje y si, para cada punto (x, y) de la
grca, el punto ( x, y) tambin pertenece a la grca. Esto signica que
la porcin de la grca situada a la izquierda del eje y es la imagen
especular de la situada a la derecha de dicho eje. 2. Una grca es
simtrica respecto al eje x si, para cada punto (x, y) de la grca,
el punto (x, y) tambin pertenece a la grca. Esto quiere decir que
la porcin de la grca situada sobre el eje x es la imagen especular
de la situada bajo el mismo eje. 3. Una grca es simtrica respecto
al origen si, para cada punto (x, y) de la grca, el punto ( x, y)
tambin pertenece a la grca. Esto signica que la grca permanece
inalterada si se efecta una rotacin de 180 respecto al origen.
CRITERIOS DE SIMETRA 1. La grca de una ecuacin en x y y es simtrica
respecto al eje y si al sustituir x por x en la ecuacin se obtiene
una ecuacin equivalente. 2. La grca de una ecuacin en x y y es
simtrica respecto al eje x si al sustituir y por y en la ecuacin
resulta una ecuacin equivalente. 3. La grca de una ecuacin en x y y
es simtrica respecto al origen si al sustituir x por x y y por y en
la ecuacin se obtiene una ecuacin equivalente. La grca de un
polinomio es simtrica respecto al eje y si cada uno de los trminos
tiene exponente par (o es una constante). Por ejemplo, la grca de y
2x4 x2 2 es simtrica respecto al eje y. La grfica de un polinomio
es simtrica respecto al origen si cada uno de los trminos tiene
exponente impar, como se ilustra en el ejemplo 3. EJEMPLO 3
Comprobacin de la simetra Verificar si la grfica de y 2x3 x es
simtrica respecto al eje y y respecto al origen. Solucin Simetra
respecto al eje y: y 2x3 x Escribir ecuacin original. y 2( x)3 ( x)
Sustituir x por x. y 2x3 x Simplificar. No es una ecuacin
equivalente. Simetra respecto al origen: y 2x3 x Escribir ecuacin
original. y 2( x)3 ( x) Sustituir x por x y y por y. y 2x3 x
Simplicar. y 2x3 x Ecuacin equivalente. Puesto que la sustitucin x
por x y y por y produce una ecuacin equivalente, se con- cluye que
la grfica de y 2x3 x es simtrica con respecto al origen, como se
muestra en la figura P.8. Figura P.7 x (x, y)( x, y) Simetra con
respecto al eje y y x (x, y) (x, y)Simetra con respecto al eje x y
x ( x, y) (x, y) Simetra con respecto al origen y x 2 1 1 2 2 1 1 2
(1, 1) ( 1, 1) y = 2x3 xy Simetra con respecto al origen Figura
P.8
24. 6 CAPTULO P Preparacin para el clculo EJEMPLO 4 Uso de las
intersecciones y de las simetras para representar una grca Dibujar
la grfica de x y2 1. Solucin La grfica es simtrica respecto al eje
x porque al sustituir y por y se obtiene una ecuacin equivalente. x
y2 1 Escribir ecuacin original. x ( y)2 1 Sustituir y por y. x y2 1
Ecuacin equivalente. Esto significa que la porcin de la grfica
situada bajo el eje x es una imagen especular de la porcin situada
sobre el eje. Para dibujar la grfica, graficar primero la
interseccin con el eje x y la porcin sobre el eje x. Despus,
reflejar el dibujo en el eje x y obtener la grfi- ca completa, como
se muestra en la figura P.9. TECNOLOGA
Lasherramientasdegracacinestndiseadasparadibujarconmayor facilidad
ecuaciones en las que y est en funcin de x (ver la denicin de
funcin en la seccin P.3). Para representar otro tipo de ecuaciones,
es necesario dividir la grca en dos o ms partes, o bien, utilizar
un modo grco diferente. Por ejemplo, la grca de la ecuacin del
ejemplo 4, puede dividirse en dos partes: y x1 1 Porcin superior de
la grca. y x2 1 Porcin inferior de la grca. Puntos de interseccin
Se llama punto de interseccin de las grficas de dos ecuaciones a
todo punto que satisfa- ga ambas ecuaciones. Los puntos de
interseccin de dos grficas se determinan al resolver sus ecuaciones
de manera simultnea. EJEMPLO 5 Determinacin de los puntos de
interseccin Calcular los puntos de interseccin de las grficas de x2
y 3 y x y 1. Solucin Comenzar por representar las grficas de ambas
ecuaciones en el mismo sistema de coordenadas rectangulares, como
se muestra en la figura P.10. Hecho esto, resulta evi- dente que
las grficas tienen dos puntos de interseccin. Para determinarlos,
se puede proceder como sigue. Despejar y de la primera ecuacin.
Despejar y de la segunda ecuacin. Igualar los valores obtenidos de
y. Escribir la ecuacin en la forma general. Factorizar. Despejar x.
Los valores correspondientes de y se obtienen sustituyendo x 2 y x
l en cualquiera de las ecuaciones originales. Resultan as los dos
puntos de interseccin: (2, 1) y ( 1, 2) Puntos de interseccin.
Figura P.9 x 2 o 1 x 2 x 1 0 x2 x 2 0 x2 3 x 1 y x 1 y x2 3 5432 2
1 1 2 x (1, 0) (2, 1) (5, 2)x y2 1 Interseccin en x y Dos puntos de
interseccin Figura P.10 x y 1 x 2 1 1 2 2 1 1 2( 1, 2) (2, 1) x2 y
3 y AYUDA DE ESTUDIO Vericar los puntos de interseccin del ejemplo
5 sustituyndolos en la ecuacin original o usando la funcin de
interseccin de su herramienta de gracacin o computadora.
25. SECCIN P.1 Grcas y modelos 7 Modelos matemticos Al aplicar
las matemticas en la vida real con frecuencia se usan ecuaciones
como modelos matemticos. Si se desarrolla un modelo matemtico con
el fin de representar datos reales, debe esforzarse por alcanzar
dos objetivos a menudo contradictorios: precisin y sencillez. Es
decir, el modelo deber ser lo bastante sencillo como para poder
manejarlo, pero tambin preciso como para producir resultados
significativos. En la seccin P.4 se tratan estos obje- tivos con ms
detalle. EJEMPLO 6 El aumento de dixido de carbono atmosfrico El
observatorio de Mauna Loa, Hawai, registra la concentracin de
dixido de carbono (en partes por milln) en la atmsfera terrestre.
En la figura P.11 se muestran los registros co- rrespondientes al
mes de enero de varios aos. En el nmero de julio de 1990 de
Scientific American, se utilizaron esos datos para pronosticar el
nivel de dixido de carbono en la atmsfera terrestre en el ao 2035,
utilizando el modelo cuadrtico: y 316.2 0.70t 0.018t2 Modelo
cuadrtico para los datos de 1960 a 1990. donde t 0 representa a
1960, como se muestra en la figura P.11a. Los datos que se muestran
en la gura P.11b representan los aos 1980 a 2007, y pueden
modelarse mediante y 304.1 l.64t Modelo lineal para los datos de
1980 a 2007. donde t 0 representa a 1960. Cul fue el pronstico dado
en el artculo de Scientific American de 1990? Dados los datos ms
recientes de los aos 1990 a 2007, parece exacta esa prediccin para
el ao 2035? Solucin Para responder a la primera pregunta, se
sustituye t 75 (para el ao 2035) en el modelo cuadrtico. y 316.2
0.70(75) 0.018(75)2 469.95 Modelo cuadrtico. De tal manera, el
pronstico establecido en el artculo de Scientific American deca que
la concentracin de dixido de carbono en la atmsfera terrestre
alcanzara alrededor de 470 partes por milln en el ao 2035.
Utilizando el modelo lineal con los datos de los aos 1980 a 2007,
el pronstico para el ao 2035 es y 304.1 1.64(75) 427.1 Modelo
lineal. Por tanto, de acuerdo con el modelo lineal para los aos
1980 a 2007, parece que el prons- tico de 1990 fue demasiado
elevado. El observatorio de Mauna Loa en Hawai ha medido el
incremento en la concentracin de dixido de carbono en la atmsfera
terrestre desde 1958. El dixido de carbono es el principal gas
causante del efecto invernadero responsable directo del
calentamiento global. JGPhotography/Alamy NOTA Los modelos del
ejemplo 6 se han elaborado usando un mtodo denominado ajuste por
mnimos cuadrados (ver la seccin 13.9). El modelo lineal tiene una
correlacin dada por r2 0.997 y el modelo cuadrtico por r2 0.994.
Cuanto ms prximo es r2 a 1, mejor es el modelo. Figura P.11 t y 315
320 325 330 335 340 345 350 360 355 375 370 380 385 365 5 10 15 20
25 40 50453530 2 (0 1960) CO(enpartespor) t y 315 320 325 330 335
340 345 350 360 355 375 370 380 385 365 5 10 15 20 25 40 50453530
2CO(enpartespor) (0 1960) a) b)
26. 8 CAPTULO P Preparacin para el clculo En los ejercicios 1 a
4, relacionar cada ecuacin con su grfica. a) b) c) d) 1. 3. En los
ejercicios 5 a 14, elaborar la grfica de la ecuacin mediante el
trazado de puntos. En los ejercicios 15 y 16, describir las
ventanas de la figura. 15. 16. En los ejercicios 17 y 18, utilizar
una herramienta de graficacin para representar la ecuacin.
Desplazar el cursor a lo largo de la curva para determinar de
manera aproximada la coordenada desconocida de cada punto solucin,
con una exactitud de dos decimales. 17. a) b) 18. a) b) Ejercicios
x 1 1 1 1 2 y x y 1 1 2 3 1 1 2 3 21 2 1 1 2 2 x y x 22 2 2 4 y 2.
4. y x3 xy 3 x2 y 9 x2y 3 2 x 3 x, 40.5, yy x5 5x x, 32, yy 5 x En
los ejercicios 19 a 28, encontrar todas las intersecciones con los
ejes. El smbolo seala los ejercicios donde se pide utilizar
tecnologa grca o un sistema de lgebra computacional. La resolucin
de los dems ejercicios tambin puede simplicarse mediante el uso de
la tecnologa adecuada. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. y 1 x 2 y
3 x y x 2y x 6 y x 1y x 2 y x 3 2y 4 x2 y 5 2xy 1 2 x 2 y x x 16y
x3 4x2 3 63. 64. 65. 66. y x 1x y 4 x 3 y2 x2 y 6 4x 2y 104x y 7 3x
2y 4x y 8 59. 60. 61. 62. 3x 4y2 8x 3y2 6 x2 4y2 4y2 x 9 41. 42.
43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. y 6
xy 6 x y 10 x2 1 y 8 x x y2 4x y3 y 25 x2y x x 5 y x3 4xy x3 2 y
2x2 xy x 3 2 y x2 3y 9 x2 y 2 3 x 1y 1 2 x 4 y 3 2x 6y 2 3x 29. 30.
31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. y x 3y x3 x y x2 x2 1 y x
x2 1 xy 4 x2 0y 4 x 3 xy2 10xy 4 y x3 xy2 x3 8x y x2 xy x2 6 19.
20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. y 2x x2 1x2y x2 4y 0 y x2 3x 3x
1 2 y 2 x 5x y x 1 x2 1y x 16 x2 y2 x3 4xy x2 x 2 y 4x2 3y 2x 5 En
los ejercicios 29 a 40, buscar si existe simetra respecto a cada
uno de los ejes y respecto al origen. En los ejercicios 41 a 58,
trazar la grfica de la ecuacin. Iden- tificar todas las
intersecciones con los ejes y determinar si existe simetra. En los
ejercicios 59 a 62, utilizar una herramienta de graficacin para
dibujar la grfica de la ecuacin. Identificar toda intersec- cin con
los ejes y determinar si existe simetra. En los ejercicios 63 a 70,
encontrar los puntos de interseccin de las grficas del par de
ecuaciones. 67. 68. 3x y 15x y 1 x2 y2 25x2 y2 5 P.1
27. SECCIN P.1 Grcas y modelos 9 En los ejercicios 71 a 74,
utilizar una herramienta de graficacin para encontrar los puntos de
interseccin de las grficas.Verificar los resultados de manera
analtica. 75. Modelado matemtico En la tabla se muestra el ndice de
Precios al Consumidor (IPC) para una seleccin de varios aos.
(Fuente: Bureau of Labor Statistics.) a) Utilizar una herramienta
de gracacin para el clculo de regresin con el n de encontrar un
modelo matemtico de la forma y at2 bt c para los datos. En este
modelo, y representa el IPC y t representa el ao, donde t 5 co-
rresponde a 1975. b) Representar el modelo en la calculadora y
comparar los datos. c) Utilizar el modelo para predecir el IPC del
ao 2010. 76. Modelo matemtico La siguiente tabla muestra el nmero
de usuarios de telfonos mviles (en millones) en Estados Unidos en
los aos mostrados. (Fuente: Cellular Telecommunications and
Internet Association.) a) Utilizar la funcin de regresin de una
herramienta de gra- cacin y encontrar as un modelo matemtico de la
forma y at2 bt c de los datos. En este modelo, y representa el
nmero de usuarios y t representa el ao, donde t 0 corresponde a
1990. b) Utilizar una herramienta de gracacin para colocar los
datos y gracar el modelo. Comparar los datos con el modelo. c)
Utilizar el modelo para predecir el nmero de usuarios de telfonos
mviles en Estados Unidos en el ao 2015. 77. Punto de equilibrio
Calcular las ventas necesarias para alcan- zar el punto de
equilibrio (R C), si el costo* C de producir x unidades es: C x5 5
10 000. Ecuacin de costo. y los ingresos R por vender x unidades
son: R 3.29x. Ecuacin de ingresos. 78. Alambre de cobre La
resistencia y en ohms** de 1 000 pies de alambre de cobre a 77 F
admite el modelo matemtico 5 x 100y 10 770 x2 0.37, 1975 1980 1985
1990 1995 2000 2005 53.8 82.4 107.6 130.7 152.4 172.2 195.3IPC 1990
1993 1996 1999 2002 2005 5 16 44 86 141 208 *En Espaa se le
denomina coste. **En Espaa las siguientes unidades de medicin se
denominan: volts voltios; amperes amperios; ohms ohmios; henrys
henrios; decibeles decibelios; watts watios. 69. 70. y x 2y x y x3
4xy x3 71. 72. 73. 74. y 6 xy x2 4x y 2x 3 6y x 6 y 1 x2y x2 3x 1 y
x4 2x2 1y x3 2x2 x 1 donde x es el dimetro en milsimas de pulgada.
Representar el modelo en la herramienta de gracacin. Si se duplica
el dime- tro del hilo, en qu factor aproximado vara la resistencia?
Desarrollo de conceptos En los ejercicios 79 y 80, escribir una
ecuacin cuya grfica tenga la propiedad que se indica (puede existir
ms de una respuesta correcta). 79. La grca tiene intersecciones en
x 4,x 3 2, x 3x 4, y 80. La grca tiene intersecciones en y 81. a)
Comprobar que si una grca es simtrica con respecto al eje x y al
eje y, entonces es simtrica con respecto al origen. Dar un ejemplo
que muestre que lo contrario no es cierto. b) Comprobar que si una
grca es simtrica con respecto a cualquiera de los ejes y al origen,
entonces es simtrica con respecto al otro eje. Para discusin 82.
Relacionar la ecuacin o ecuaciones con las caractersticas dadas. i)
ii) iii) iv) v) vi) a) Simtrica con respecto al eje y b) Tres
intersecciones con el eje x c) Simtrica con respecto al eje x d) (
2, 1) es un punto de la grca e) Simtrica con respecto al origen f)
La grca pasa por el origen Verdadero o falso? En los ejercicios 83
a 86, determinar cundo la afirmacin es verdadera o falsa. Si es
falsa, explicar por qu o proporcionar un ejemplo que demuestre que
es falsa. 83. Si ( 4, 5) es el punto de una grca simtrica con
respecto al eje x, entonces (4, 5) tambin es un punto de dicha
grca. 84. Si ( 4, 5) es el punto de una grca simtrica con respecto
al eje y, entonces (4, 5) tambin es un punto de dicha grca. 85. Si
b2 4ac 0 y a 0, entonces la grca de y ax2 bx c tiene dos
intersecciones con x. 86. Si b2 4ac 0 y a 0, entonces la grca de y
ax2 bx c slo tiene una interseccin con x. En los ejercicios 87 y
88, encontrar una ecuacin de la grfica que se compone de todos los
puntos (x, y) que tienen la distancia dada respecto al origen
(repasar la frmula de la distancia en el apndice C). 87. La
distancia respecto al origen es el doble de la distancia que hay
desde (0, 3). 88. La distancia respecto al origen se obtiene al
multiplicar la dis- tancia que hay desde el punto (2, 0) por K (K
1). y x 3 y 3x 3 x 5 2. x 8. y 3 x y 3x3 3x y 3x2 3 y x 3 2
73.
28. Encontrar la pendiente de una recta que pasa por dos
puntos. Escribir la ecuacin de una recta dados un punto y su
pendiente. Interpretar la pendiente como razn o ritmo en
aplicaciones cotidianas. Trazar la grca de una ecuacin lineal en la
forma pendiente-interseccin. Escribir las ecuaciones de rectas que
son paralelas o perpendiculares a una recta dada. La pendiente de
una recta La pendiente de una recta no vertical es una medida del
nmero de unidades que la recta asciende (o desciende) verticalmente
por cada unidad de variacin horizontal de izquierda a derecha.
Considerar los dos puntos (x1, y1) y (x2, y2) de la recta de la
gura P.12. Al des- plazarse de izquierda a derecha por la recta, se
produce una variacin vertical de y y2 y1 Cambio en y. unidades por
cada variacin horizontal de x x2 x1 Cambio en x. unidades. ( es la
letra griega delta mayscula y los smbolos y y x se leen delta de y
y delta de x.) DEFINICIN DE LA PENDIENTE DE UNA RECTA La pendiente
m de una recta no vertical que pasa por los puntos (x1, y1) y (x2,
y2) es m y x y y x x x x2 1 2 1 1 2, . La pendiente no est denida
por rectas verticales. NOTA Al aplicar la frmula de la pendiente,
observar que y y x x y y x x y y x x 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 ( ) (
) . Por tanto, no importa el orden en que se reste, siempre que sea
coherente y las dos coordenadas restadas provengan del mismo punto.
En la gura P.13 se muestran cuatro rectas con pendiente: una
positiva, otra cero, otra negativa y otra indenida. En general,
cuanto mayor sea el valor absoluto de la pendiente de una recta,
mayor es su inclinacin. Por ejemplo, en la gura P.13, la recta con
pendiente 5 est ms inclinada que la de pendiente Si m es indenida,
la recta es vertical Si m es positiva, la recta sube de izquierda a
derecha Figura P.13 x x2 y2 x1 y1 x x2 x1 y y2 y1 (x2 , y2 ) (x1,
y1) y y y2 y1 cambio en y x x2 x1 cambio en x Figura P.12 x 2 1 1 1
2 3 4 3 2 1 ( 2, 0) (3, 1) m1 = 1 5 y x 2 1 1 1 2 3 4 3 1 m2 0 (2,
2)( 1, 2) y x 1 1 2 3 4 4 3 2 1 (1, 1) (0, 4) m3 y x 1 1 21 4 4 3 2
1 (3, 1) (3, 4) y m4 est indefinida Si m es negativa, la recta baja
de izquierda a derecha Si m es cero, la recta es hori- zontal 1 5.
10 CAPTULO P Preparacin para el clculo P.2 Modelos lineales y
ritmos o velocidades de cambio
29. SECCIN P.2 Modelos lineales y ritmos o velocidades de
cambio 11 Ecuaciones de las rectas Para calcular la pendiente de
una recta pueden utilizarse dos de sus puntos cualesquiera. Esto
puede vericarse con ayuda de los tringulos semejantes de la gura
P.14. (Recordar que los cocientes de los lados correspondientes de
dos tringulos semejantes son todos iguales.) Se puede escribir la
ecuacin de una recta si se conocen su pendiente y las coordenadas
de uno de sus puntos. Dada la pendiente m y un punto (x1, y1). Si
(x, y) denota cualquier otro punto de la recta, entonces y y x x m1
1 . Esta ecuacin, que involucra las dos variables x y y, se puede
escribir de la forma y y1 m(x x1), la cual es conocida como ecuacin
punto-pendiente de una recta. ECUACIN PUNTO-PENDIENTE DE UNA RECTA
La ecuacin de la recta con pendiente m que pasa por el punto (x1,
y1) est dada por y y1 m(x x1). EJEMPLO 1 Determinacin de la ecuacin
de una recta Encontrar la ecuacin de la recta con pendiente 3 que
pasa por el punto (1, 2). Solucin y y1 m(x x1) Forma
punto-pendiente. y ( 2) 3(x 1) Sustituir y1 por 2, x1 por l y m por
3. y 2 3x 3 Simplicar. y 3x 5 Despejar y. (Ver la gura P.15.) NOTA
Recordar que la pendiente puede usarse slo para describir una recta
no vertical. De tal ma- nera, las rectas verticales no pueden
expresarse mediante ecuaciones punto-pendiente. Por ejemplo, la
ecuacin de la recta vertical que pasa por el punto (1, 2) es x 1. E
X P L O R A C I N Estudio de ecuaciones de rectas Utilizar una
herramienta de gra- cacin para dibujar cada una de las siguientes
ecuaciones lineales. Qu punto es comn a las siete rectas? Qu nmero
determina la pendien- te de la recta en cada ecuacin? a) b) c) d)
e) f) g) Utilizar los resultados para construir la ecuacin de una
recta que pase por ( 1, 4) con una pendiente de m. Cualquier par de
puntos de una recta determina su pendiente Figura P.14 x m y2* y1*
x2* x1* y2 y1 x2 x1 (x1*, y1*) (x2 *, y2 *) (x1, y1) (x2, y2) y La
recta de pendiente 3 que pasa por el punto (1, 2) Figura P.15 x 1 1
2 3 4 5 1 3 4 y 3x 5 y 3 x 1 y y 4 2 x 1 y 4 1 x 1 y 4 1 2 x 1 y 4
0 x 1 y 4 1 2 x 1 y 4 1 x 1 y 4 2 x 1
30. 12 CAPTULO P Preparacin para el clculo Razones y ritmos o
velocidades de cambio La pendiente de una recta puede interpretarse
ya sea como una razn o como una propor- cin, o bien como una tasa,
ritmo o velocidad de cambio. Si los ejes x y y tienen la misma
unidad de medida, la pendiente no tiene unidades y es una razn o
proporcin. Si los ejes x y y tienen distintas unidades de medida,
la pendiente es una tasa, ritmo o velocidad de cambio. Al estudiar
clculo, se encontrarn aplicaciones relativas a ambas
interpretaciones de la pendiente. EJEMPLO 2 Crecimiento de
poblaciones y diseo tcnico a) La poblacin de Colorado era de
3827000 habitantes en 1995 y de 4665000 en 2005. Durante este
periodo de 10 aos, el ritmo o velocidad de cambio promedio de la
po- blacin fue: Ritmo o velocidad de cambio = cambio en poblaacin
cambio en aos 4 665 000 3827 000 2005 19995 83 800 personas por ao.
Si la poblacin de Colorado contina creciendo a este ritmo durante
los prximos 10 aos, en 2015 alcanzar 5503000 habitantes (ver la
gura P.16). (Fuente: U.S. Census Bureau.) b) En un torneo de saltos
de esqu acutico, la rampa se eleva hasta una altura de 6 pies sobre
una balsa de 21 pies de largo, como se ilustra en la gura P.17. La
pendiente de la rampa de esqu es el cociente entre su altura
(ascenso) y la longitud de su base (avance). Pendiente de la rampa
= ascenso avance 6 pies 21 pies 2 7 Observar que, en este caso, la
pendiente es una proporcin y se expresa sin unidades. El ritmo o
velocidad de cambio calculado en el ejemplo 2a es un ritmo o
velocidad de cambio medio. Un ritmo o velocidad de cambio medio
siempre se calcula con respecto a un intervalo que en este caso es
[1995, 2005]. En el captulo 2 se estudiar otro tipo de ritmo o
velocidad de cambio, denominado ritmo o velocidad de cambio
instantnea. Poblacin de Colorado en el censo Figura P.16 1995 2005
2015 4 3 2 1 5 6 10 838 000 Ascenso es el cambio vertical, avance
es el cambio horizontal. Dimensiones de una rampa de esqu acutico
Figura P.17 21 pies 6 pies
31. SECCIN P.2 Modelos lineales y ritmos o velocidades de
cambio 13 Representacin grca de modelos lineales Muchos de los
problemas de geometra analtica pueden clasicarse en dos categoras
bsicas: 1) dada una grca, cul es su ecuacin?, y 2) dada una
ecuacin, cul es su grca? La ecuacin punto-pendiente de una recta
puede emplearse para resolver ciertos problemas de la primera
categora. No obstante, esta forma no resulta til para resolver
problemas de la segunda categora. La forma que mejor se adapta al
trazado de la grca de una recta es la forma pendiente-interseccin
de la ecuacin de una recta. ECUACIN PENDIENTE-INTERSECCIN DE UNA
RECTA La grca de la ecuacin lineal y mx b es una recta que tiene
pendiente m y una interseccin con el eje y en (0, b). EJEMPLO 3
Trazado de rectas en el plano Dibujar la grca de cada una de las
siguientes ecuaciones. a) y 2x 1 b) y 2 c) 3y x 6 0 Solucin a)
Puesto que b 1, la interseccin en y es (0, 1). Como la pendiente es
m 2, se sabe que la recta asciende dos unidades por cada unidad que
se mueve hacia la derecha, como se muestra en la gura P.18a. b)
Dado que b 2, la interseccin en y es (0, 2). Como la pendiente es m
0, se sabe que es horizontal, como se ilustra en la gura P.18b. c)
Comenzar por escribir la ecuacin en forma pendiente-interseccin.
Ecuacin original. Despejar el trmino en y. Forma
pendiente-interseccin. De esta forma, puede verse que la
interseccin en y es (0, 2) y la pendiente m . Esto quiere decir que
la recta desciende una unidad por cada tres unidades que se mueve
hacia la derecha, como se muestra en la gura P.18c. a) m 2; la
recta sube b) m 0; la recta es horizontal c) m ; la recta baja
Figura P.18 x 321 2 3 (0, 1) x 1 y 2 y 2x 1 y x y 2 321 1 3 (0, 2)
y x 3 4 5 621 1 3 (0, 2) x 3 y 1 x 2y 1 3 y y 1 3 x 2 3y x 6 3y x 6
0
32. 14 CAPTULO P Preparacin para el clculo Dado que la
pendiente de una recta vertical no est denida, su ecuacin no puede
escribirse con la forma pendiente-interseccin. Sin embargo, la
ecuacin de cualquier recta puede escribirse en la forma general: Ax
By C 0 Forma general de la ecuacin de una recta. donde A y B no son
ambos cero. Por ejemplo, la recta vertical dada por x a puede
repre- sentarse por la ecuacin general x a 0. Resumen de ecuaciones
de las rectas 1. Forma general: Ax By C 0, (A, B 0) 2. Recta
vertical: x a 3. Recta horizontal: y b 4. Forma punto-pendiente: y
y1 m(x x1) 5. Forma pendiente-interseccin: y mx b Rectas paralelas
y perpendiculares La pendiente de una recta es til para determinar
si dos rectas son paralelas o perpendi- culares, como se muestra en
la gura P.19. En especco, dos rectas no verticales con la misma
pendiente son paralelas, y dos rectas no verticales cuyas
pendientes son recprocas negativas son perpendiculares. RECTAS
PARALELAS Y RECTAS PERPENDICULARES 1. Dos rectas no verticales
distintas son paralelas si y slo si sus pendientes son iguales, es
decir, si y slo si m1 m2. 2. Dos rectas no verticales son
perpendiculares si y slo si sus pendientes son recprocas negativas,
es decir, si y slo si m m 1 2 1 . Rectas paralelas Rectas
perpendiculares Figura P.19 AYUDA DE ESTUDIO En matemticas, la
expresin si y slo si es una manera de establecer dos implicaciones
en una misma armacin. Por ejemplo, la pri- mera armacin de la
derecha equivale a las dos implicaciones siguientes: a) Si dos
rectas no verticales distintas son paralelas, entonces sus pen-
dientes son iguales. b) Si dos rectas no verticales distintas
tienen pendientes iguales, entonces son paralelas. x m1 m2 m1 m2 y
x m1 m2 m1 m2 y
33. SECCIN P.2 Modelos lineales y ritmos o velocidades de
cambio 15 EJEMPLO 4 Rectas paralelas y rectas perpendiculares
Hallar la forma general de las ecuaciones de las rectas que pasan
por el punto (2, 1) y son a) paralela a la recta 2x 3y 5 b)
perpendicular a la recta 2x 3y 5. (Ver la gura P.20.) Solucin Al
escribir la ecuacin lineal 2x 3y 5 en forma punto-pendiente, y x ,
se ve que la recta dada tiene pendiente m . a) La recta que pasa
por (2, 1) y es paralela a la recta dada tiene tambin pendiente de
. y y1 m(x x1) Forma punto-pendiente. y ( 1) 2 3 (x 2) Sustituir.
3(y 1) 2(x 2) Simplicar. 2x 3y 7 0 Forma general. Observar la
similitud con la ecuacin original. b) Calculando el recproco
negativo de la pendiente de la recta dada, se determina que la
pendiente de toda recta perpendicular a la inicial es . Por tanto,
la recta que pasa por el punto (2, 1) y es perpendicular a la recta
dada tiene la siguiente ecuacin. y y1 m(x x1) Forma
punto-pendiente. y ( 1) (x 2) Sustituir. 2(y 1) 3(x 2) Simplicar.
3x 2y 4 0 Forma general. CONFUSIN TECNOLGICA La pendiente de una
recta aparece distorsionada si se utilizan diferentes escalas en
los ejes x y y. Por ejemplo, las dos pantallas decalculadora grca
de las guras P.21a y P.21b muestran las rectas dadas por y 2x y y x
3. Puesto que las pendientes de estas rectas son una el negativo
del inverso de la otra, las rectas son perpendiculares. Sin
embargo, en la gura P.21a no lo parecen, debido a que la escala del
eje x no es la misma que la escala del eje y. En la gura P.21b
aparecen perpendiculares debido a que la escala utilizada del eje x
es igual a la empleada para el eje y. Este tipo de ventanas se
denominan ventanas cuadradas. Rectas paralela y perpendicular a 2x
3y 5 Figura P.20 a) La escala del eje x no es la misma que la del
eje y Figura P.21 b) La escala del eje x es la misma que la del eje
y x 1 2 1 1 4 (2, 1) 2x 3y 7 3x 2y 4 2x 3y 5 y 10 10 10 10 9 6 9
6
34. 16 CAPTULO P Preparacin para el clculo indefinida m 22, 2m
31, 7 m4, 3m 06, 2 PendientePuntoPendientePunto 7 8, 3 4 , 5 4, 1 4
1 2, 2 3 , 3 4, 1 6 3, 5 , 5, 54, 6 , 4, 1 1, 1 , 2, 73, 4 , 5, 2
En los ejercicios 1 a 6, calcular la pendiente de la recta a partir
de su grfica. 1. 2. 3. 4. 5. 6. En los ejercicios 7 y 8, trazar las
rectas que pasan por el punto dado con la pendiente indicada.
Dibujar en un mismo sistema de coordenadas. Punto Pendientes 7. (3,
4) a) 1 b) 2 c) d) indefinida 8. ( 2, 5) a) 3 b) 3 c) d) 0 En los
ejercicios 9 a 14, dibujar el par de puntos y calcular la pendiente
de la recta que pasa por ellos. 9. 10. 11. 12. 13. 14. En los
ejercicios 15 a 18, utilizar el punto de la recta y su pendiente
para determinar otros tres puntos por los que pase la recta (hay ms
de una respuesta correcta). 15. 16. 17. 18. x 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4
3 2 1 y x 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 1 y x 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 3 2 1
y x 1 2 3 4 5 6 6 5 4 3 2 1 y x 1 2 3 5 6 7 24 28 20 16 12 8 4 y x
1 2 3 4 5 6 7 60 70 50 40 30 20 10 y 19. Diseo de una cinta Se est
construyendo una cinta trans- portadora de manera que se eleve 1
metro por cada 3 metros de avance horizontal. a) Calcular la
pendiente de la cinta. b) Suponer que la cinta corre entre dos
pisos de una fbrica. Calcular la longitud de la cinta si la
distancia vertical entre ambos pisos es de 10 pies. 20. Ritmo de
cambio Cada uno de los siguientes datos es la pen- diente de una
recta que representa los ingresos diarios y en tr- minos del tiempo
x en das. Utilizar la pendiente para interpretar la variacin en los
ingresos correspondiente a un incremento de un da. a) m 800 b) m
250 c) m 0 21. Modelo matemtico La siguiente tabla muestra las
poblaciones y (en millones) de Estados Unidos durante 2000-2005. La
va- riable t representa el tiempo en aos, t 0 corresponde a 2000.
(Fuente: U.S. Bureau of the Census.) a) Dibujar los datos a mano y
unir los puntos adyacentes con un segmento de lnea. b) Utilizar la
pendiente de cada segmento de lnea con objeto de determinar en qu
ao se increment la poblacin con menor rapidez. 22. Modelo matemtico
La siguiente tabla muestra el ritmo o velocidad r (en millas por
hora) al que se est moviendo un vehculo transcurridos t segundos.
a) Dibujar la grfica a mano y unir los puntos adyacentes con un
segmento de lnea. b) Utilizar la pendiente de cada segmento de lnea
con objeto de determinar en qu intervalo cambi ms rpidamente el
ritmo o velocidad del vehculo. Cmo cambi el ritmo o velocidad? En
los ejercicios 23 a 28, calcular la pendiente y la interseccin en y
(si es posible) de la recta. 23. y 4x 3 24. x y 1 25. x 5y 20 26.
6x 5y 15 27. x 4 28. y l En los ejercicios 29 a 34, encontrar la
ecuacin de la recta que pasa por el punto y tiene la pendiente
indicada. Trazar la recta. 29. 30. 31. 32. 33. 34. indefinida m 3
52, 4m 33, 2 m 00, 4m 2 30, 0 m5, 2m 3 40, 3
PendientePuntoPendientePunto t 0 1 2 3 4 5 y 282.4 285.3 288.2
291.1 293.9 296.6 EjerciciosP.2 t 5 10 15 20 25 30 r 57 74 85 84 61
43
35. SECCIN P.2 Modelos lineales y ritmos o velocidades de
cambio 17 Xmn = 6 Xmx = 6 Xscl = 1 Ymn = 4 Ymx = 4 Yscl = 1 Xmn = 5
Xmx = 5 Xscl = 1 Ymn = 5 Ymx = 5 Yscl = 1 En los ejercicios 35 a
44, encontrar la ecuacin de la recta que pasa por los puntos y
trazar la recta. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45.
Determinar la ecuacin de la recta vertical con interseccin en x en
3. 46. Demostrar que la recta con intersecciones con los ejes en
(a, 0) y (0, b) tiene la siguiente ecuacin. x a y b a b1 0 0, , En
los ejercicios 47 a 50, utilizar el resultado del ejercicio 46 para
escribir la ecuacin de la recta. 47. interseccin en x: (2, 0) 48.
interseccin en x: 2 3, 0 interseccin en y: (0, 3) interseccin en y:
(0, 2) 49. Punto de la recta: (1, 2) 50. Punto de la recta: ( 3, 4)
interseccin en x: (a, 0) interseccin en x: (a, 0) interseccin en y:
(0, a) interseccin en y: (0, a) (a 0) (a 0) En los ejercicios 51 a
58, trazar la grfica de la ecuacin. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58.
59. Configuracin cuadrada Utilizar una herramienta de gra- ficacin
para dibujar ambas rectas en cada ventana de visor. Comparar las
grficas. Las rectas aparecen perpendiculares? Lo son? Explicar la
respuesta. a) b) 60. Una recta est representada por la ecuacin ax
by 4. a) Cundo la recta es paralela al eje x? b) Cundo la recta es
paralela al eje y? c) Dar valores para a y b de manera que la recta
tenga una pendiente de . d) Dar valores para a y b de manera que la
recta sea per- pendicular a la recta y x 3. e) Dar valores para a y
b de manera que la recta coincida con la grca de 5x 6y 8. En los
ejercicios 61 a 66, escribir la ecuacin de la recta que pase por el
punto y que sea: a) paralela a la recta dada, y b) perpen- dicular
a la recta dada. 61. 63. 65. Ritmo o velocidad de cambio En los
ejercicios 67 a 70, se da el valor de un producto, en dlares,
durante 2004 y el ritmo o velo- cidad al que se espera que vare su
valor durante los prximos 5 aos. Utilizar esta informacin para
escribir una ecuacin lineal que proporcione el valor en dlares V
del producto en trminos del ao t. (Sea t 0 representativo del ao
2000.) Valor en 2008 Ritmo o velocidad 67. $1 850 $250 aumento
anual 68. $156 $4.50 aumento anual 69. $17 200 $1600 reduccin anual
70. $245 000 $5 600 reduccin anual En los ejercicios 71 y 72,
utilizar una herramienta de grafica- cin para representar las
parbolas y encontrar sus puntos de interseccin. Encontrar la
ecuacin de la recta que pasa por los puntos de interseccin y
dibujar su grfica en la misma ventana de representacin. 71. 72. En
los ejercicios 73 y 74, determinar si los puntos son colineales.
(Se dice que tres puntos son colineales si pertenecen a una misma
recta.) 73. 74. Desarrollo de conceptos En los ejercicios 75 a 77,
encontrar las coordenadas del punto de interseccin de los segmentos
dados. Explicar el razona- miento. 75. 76. Bisectrices
perpendiculares Medianas 77. Alturas 78. Demostrar que los puntos
de interseccin en los ejercicios 75, 76 y 77 son colineales. 79.
Conversin de temperaturas Encontrar la ecuacin lineal que exprese
la relacin que existe entre la temperatura en grados 62. 64. 66. 3x
4y 74, 55x 3y 0 3 4, 7 8 x y 73, 24x 2y 32, 1 y 31, 0x 17, 2 Punto
Punto ( a, 0) (a, 0) (b, c) ( a, 0) (a, 0) (b, c) ( a, 0) (a, 0)
(b, c) y x2 2x 3y 4x x2 y x2 4x 3y x2 0, 4 , 7, 6 , 5, 112, 1 , 1,
0 , 2, 2 Para discusin Recta Recta x 2y 6 02x y 3 0 y 1 3 x 4y 2 3
2 x 1 y 1 3 x 1y 2x 1 x 4y 3 7 8, 3 4 , 5 4, 1 4 1 2, 7 2 , 0, 3 4
1, 2 , 3, 26, 3 , 6, 8 3, 6 , 1, 22, 8 , 5, 0 2, 2 , 1, 72, 1 , 0,
3 0, 0 , 1, 50, 0 , 4, 8
36. 18 CAPTULO P Preparacin para el clculo Celsius C y la
temperatura en grados Fahrenheit F. Utilizar el hecho de que el
agua se congela a 0 C (32 F) y hierve a 100 C (212 F) para
convertir 72 F a grados Celsius. 80. Reembolso de gastos Una compaa
reembolsa a sus repre- sentantes de ventas $175 diarios por
alojamiento y comidas ms 48 por milla recorrida. Escribir una
ecuacin lineal que exprese el costo diario C para la compaa en
trminos de x, el nmero de millas recorridas. Cunto le costar a la
empresa que uno de sus representantes de ventas recorra 137 millas?
81. Eleccin profesional Un empleado tiene dos opciones a pues- tos
en una gran corporacin. En un puesto le pagan $14.50 por hora ms un
bono de $0.75 por unidad producida. En el otro, $11.20 por hora ms
un bono de $1.30. a) Representar grficamente las ecuaciones
lineales corres- pondientes a los salarios por hora W en trminos de
x, el nmero de unidades producidas por hora, para cada una de las
opciones. b) Representar con una heramienta de graficacin las ecua-
ciones lineales y encontrar el punto de interseccin. c) Interpretar
el significado del punto de interseccin de las grficas del apartado
b). Cmo usara esta informacin para seleccionar la opcin correcta si
su objetivo fuera obtener el mayor sueldo por hora? 82. Depreciacin
lineal Un pequeo negocio adquiere un equipo de $875. Transcurridos
5 aos el equipo ser obsoleto, carente de valor. a) Escribir una
ecuacin lineal que proporcione el valor y del equipo en trminos del
tiempo x, 0 x 5. b) Encontrar el valor del equipo cuando x 2. c)
Calcular el momento en que el valor del equipo es $200 (con una
precisin de dos cifras decimales). 83. Alquiler de apartamentos Una
agencia inmobiliaria maneja un complejo de 50 apartamentos. Cuando
el alquiler es de $780 mensuales, los 50 apartamentos estn
ocupados. Sin embargo, cuando el alquiler es de $825, el nmero
promedio de aparta- mentos ocupados desciende a 47. Suponer que la
relacin entre el alquiler mensual p y la demanda x es lineal.
(Nota:Aqu se usa el trmino demanda para referirse al nmero de
apartamentos ocupados.) a) Escribir una ecuacin lineal que
proporcione la demanda x en trminos del alquiler p. b) Extrapolacin
lineal Utilizar una herramienta de grafica- cin para representar la
ecuacin de la demanda y emplear la funcin trace para pronosticar el
nmero de apartamentos ocupados si el alquiler aumenta a $855. c)
Interpolacin lineal Pronosticar el nmero de apartamentos ocupados
si el alquiler baja a $795. Verificar el resultado grficamente. 84.
Modelo matemtico Un profesor pone cuestionarios de 20 puntos y
exmenes de 100 puntos a lo largo de un curso de ma-
temticas.Lascalificacionespromediodeseisestudiantes,dadas como
pares ordenados (x, y), donde x es la calificacin media en los
cuestionarios y y la calificacin media en los exmenes, son (18,
87), (10, 55), (19, 96), (16, 79), (13, 76) y (15, 82). a)
Empleando una herramienta de graficacin con programa para el clculo
de regresiones, encontrar la recta de regre- sin, por mnimos
cuadrados, para los datos. b) Utilizar una herramienta de
graficacin para trazar los pun- tos y graficar la recta de regresin
en una misma ventana. c) Utilizar la recta de regresin para
pronosticar la calificacin promedio en los exmenes de un estudiante
cuya califica- cin promedio en los cuestionarios es 17. d)
Interpretar el significado de la pendiente de la recta de regresin.
e) Si el profesor aade 4 puntos a la calificacin promedio en los
exmenes de cada alumno, describir el cambio de posicin de los
puntos trazados y la modificacin de la ecuacin de la recta. 85.
Recta tangente Encontrar la ecuacin de la recta tangente al crculo
x2 y2 169 en el punto (5, 12). 86. Rect