Matemáticas 11.º

Concavidad y gráficas

50 min · DBA 7, 8

Lo que vas a aprender
  • Calcular la segunda derivada de un polinomio y usar su signo para decidir dónde la gráfica es cóncava hacia arriba o hacia abajo.
  • Hallar los puntos de inflexión comprobando que la concavidad cambia.
  • Clasificar puntos críticos con el criterio de la segunda derivada y reconocer cuándo ese criterio no decide.
  • Trazar la gráfica de un polinomio reuniendo cortes, extremos, concavidad e inflexiones.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Dos carreteras pueden subir las dos y, sin embargo, ser muy distintas: una sube cada vez más empinada, como la rampa de una pista de patinaje, y la otra sube cada vez más suave, hasta quedar casi plana. Saber que una función crece no basta para dibujarla: también importa cómo se curva.

Esa información la da la segunda derivada. Con ella vas a saber hacia dónde se dobla la gráfica, dónde cambia la forma de la curva y vas a tener una segunda manera de decidir si un punto crítico es un máximo o un mínimo. Al final reunirás todo lo de la unidad para dibujar la gráfica de un polinomio sin necesitar una tabla larga de valores.

Antes de empezar repasa la tabla de signos de la derivada y el criterio de la primera derivada para máximos y mínimos.

Explicación

La segunda derivada

Si derivas $f'$ obtienes una nueva función, la segunda derivada, que se escribe $f''$. Por ejemplo, si $f(x) = x^3$, entonces $f'(x) = 3x^2$ y $f''(x) = 6x$. Igual que $f'$ dice cómo cambia $f$, la segunda derivada dice cómo cambia la pendiente.

Concavidad

Imagina que recorres la gráfica de izquierda a derecha y miras la pendiente de la tangente.

  • Si las pendientes aumentan, la curva se dobla hacia arriba, como una taza que guarda agua. Se dice que es cóncava hacia arriba. Las tangentes quedan por debajo de la curva.
  • Si las pendientes disminuyen, la curva se dobla hacia abajo, como una taza boca abajo. Es cóncava hacia abajo, y las tangentes quedan por encima.

Como $f'$ aumenta donde su derivada es positiva, la regla es:

  • si $f''(x) > 0$ en un intervalo, la gráfica es cóncava hacia arriba en él;
  • si $f''(x) < 0$ en un intervalo, es cóncava hacia abajo.

Ojo: la concavidad no tiene que ver con que la función suba o baje. Una función puede crecer y ser cóncava hacia abajo a la vez: sube, pero cada vez más despacio.

Puntos de inflexión

Un punto de inflexión es un punto de la gráfica en el que la concavidad cambia. Para un polinomio, $f''$ es continua, y solo puede cambiar de signo donde vale cero. Por eso los candidatos se buscan resolviendo $f''(x) = 0$, y luego se hace una tabla de signos de $f''$ igual a la que ya conoces para $f'$.

Pero un candidato no basta. La función $f(x) = x^4$ tiene $f''(x) = 12x^2$, que vale cero en $x = 0$; sin embargo, $12x^2$ es positiva a los dos lados, la gráfica es cóncava hacia arriba en todas partes y en el origen no hay punto de inflexión: hay un mínimo. Solo hay inflexión si $f''$ cambia de signo.

El criterio de la segunda derivada

Si en un punto crítico $c$ la tangente es horizontal y la curva está doblada hacia arriba, ese punto tiene que ser el fondo de un valle. Si está doblada hacia abajo, es una cima. Así:

  • si $f'(c) = 0$ y $f''(c) > 0$, hay un mínimo relativo en $c$;
  • si $f'(c) = 0$ y $f''(c) < 0$, hay un máximo relativo en $c$;
  • si $f'(c) = 0$ y $f''(c) = 0$, el criterio no decide.

El último caso es una trampa frecuente. Las funciones $x^3$, $x^4$ y $-x^4$ tienen las tres $f'(0) = 0$ y $f''(0) = 0$, y sin embargo la primera no tiene extremo en $0$, la segunda tiene un mínimo y la tercera un máximo. Cuando $f''(c) = 0$ hay que volver al criterio de la primera derivada y mirar el signo de $f'$ a cada lado.

Trazar la gráfica de un polinomio

Con todo lo de la unidad, la gráfica de un polinomio se arma así:

  1. El corte con el eje $y$, $f(0)$, y los cortes con el eje $x$ si son fáciles de hallar.
  2. Con $f'$: los puntos críticos, dónde crece, dónde decrece y los extremos relativos.
  3. Con $f''$: dónde es cóncava hacia arriba o hacia abajo, y los puntos de inflexión.
  4. Qué pasa cuando $x$ se aleja mucho hacia la derecha o hacia la izquierda, que lo decide el término de mayor grado.
  5. Se ubican todos esos puntos y se unen con una curva que respete la dirección y la forma de cada tramo.

Ejemplo resuelto

La gráfica completa de un polinomio de grado tres

Estudia $f(x) =$ $x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5$ con sus dos primeras derivadas y traza su gráfica.

Ver la solución paso a paso
  1. La función es:

    $$x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5$$

  2. Primera derivada.

    $$\frac{d}{dx}\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)$$

  3. $$3 \cdot \left(x + 1\right)\left(x - 3\right)$$

  4. Segunda derivada: derivamos $f'(x) = 3x^2 - 6x - 9$.

    $$\frac{d}{dx}\left(\frac{d}{dx}\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)\right)$$

  5. $$6x - 6$$

  6. Puntos críticos: $f'(x) = 0$ en $x = -1$ y en $x = 3$.

    $$3 \cdot \left(x + 1\right)\left(x - 3\right) = 0$$

  7. Criterio de la segunda derivada. En $x = -1$, $f''$ es negativa: allí hay un máximo relativo.

    $$6 \cdot \left(-1\right) - 6 = -12$$

  8. En $x = 3$, $f''$ es positiva: allí hay un mínimo relativo.

    $$6 \cdot 3 - 6 = 12$$

  9. Concavidad. La gráfica es cóncava hacia arriba donde $f''(x) > 0$:

    $$\frac{d}{dx}\left(\frac{d}{dx}\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)\right) > 0$$

  10. $$x > 1$$

  11. y cóncava hacia abajo donde $f''(x) < 0$:

    $$6x - 6 < 0$$

  12. $$x < 1$$

  13. La concavidad cambia en $x = 1$: allí hay un punto de inflexión. Alturas. El máximo:

    $$\left.\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)\right|_{x=-1}$$

  14. $$10$$

  15. El mínimo:

    $$\left.\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)\right|_{x=3}$$

  16. $$-22$$

  17. El punto de inflexión:

    $$\left.\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)\right|_{x=1}$$

  18. $$-6$$

  19. El corte con el eje $y$:

    $$\left.\left(x^{3} - 3x^{2} - 9x + 5\right)\right|_{x=0}$$

  20. $$5$$

  21. Cuando $x$ se aleja hacia $\pm\infty$. Manda el término $x^3$: la curva baja sin límite hacia la izquierda y sube sin límite hacia la derecha. Ya se puede dibujar: sube cóncava hacia abajo hasta el máximo, baja y cambia de forma en la inflexión, llega al mínimo y vuelve a subir, ya cóncava hacia arriba.

Respuesta: Máximo relativo $(-1;\ 10)$, mínimo relativo $(3;\ -22)$, inflexión en $(1;\ -6)$ y corte con el eje y en $(0;\ 5)$. Cóncava hacia abajo en $(-\infty;\ 1)$ y hacia arriba en $(1;\ +\infty)$.

−3−2−112345−25−20−15−10−551015xyf(x) = x³ − 3x² − 9x + 5(−1; 10)(1; −6)(3; −22)(0; 5)

f(x) = x³ − 3x² − 9x + 5 con su máximo (−1; 10), su punto de inflexión (1; −6), su mínimo (3; −22) y su corte con el eje y, (0; 5). A la izquierda de la inflexión la curva se dobla hacia abajo; a la derecha, hacia arriba.

Ejemplo resuelto

Cuando el criterio de la segunda derivada no decide

Halla los extremos relativos y los puntos de inflexión de $g(x) =$ $x^{4} - 4x^{3}$.

Ver la solución paso a paso
  1. La función es:

    $$x^{4} - 4x^{3}$$

  2. Derivadas.

    $$\frac{d}{dx}\left(x^{4} - 4x^{3}\right)$$

  3. $$4x^{2} \cdot \left(x - 3\right)$$

  4. $$\frac{d}{dx}\left(\frac{d}{dx}\left(x^{4} - 4x^{3}\right)\right)$$

  5. $$12x\left(x - 2\right)$$

  6. Puntos críticos: $x = 0$ y $x = 3$.

    $$4x^{2} \cdot \left(x - 3\right) = 0$$

  7. En $x = 3$ la segunda derivada es positiva: mínimo relativo.

    $$12 \cdot 3 \cdot \left(3 - 2\right) = 36$$

  8. En $x = 0$ la segunda derivada vale cero, y el criterio no decide.

    $$12 \cdot 0 \cdot \left(0 - 2\right) = 0$$

  9. Volvemos a la primera derivada y probamos a cada lado de 0, con $x = -1$ y $x = 1$:

    $$4 \cdot \left(-1\right)^{2} \cdot \left(-1 - 3\right) = -16$$

  10. $$4 \cdot 1^{2} \cdot \left(1 - 3\right) = -8$$

  11. Las dos son negativas: $g$ viene bajando y sigue bajando. En $x = 0$ no hay extremo. Concavidad. La gráfica es cóncava hacia abajo donde $g''(x) < 0$:

    $$12x\left(x - 2\right) < 0$$

  12. es decir, entre 0 y 2:

    $$0 < x < 2$$

  13. Fuera de ese tramo, $g'' > 0$ y es cóncava hacia arriba:

    $$12x\left(x - 2\right) > 0$$

  14. La concavidad cambia en $x = 0$ y en $x = 2$: hay dos puntos de inflexión. Sus alturas:

    $$\left.\left(x^{4} - 4x^{3}\right)\right|_{x=0}$$

  15. $$0$$

  16. $$\left.\left(x^{4} - 4x^{3}\right)\right|_{x=2}$$

  17. $$-16$$

  18. y la del mínimo:

    $$\left.\left(x^{4} - 4x^{3}\right)\right|_{x=3}$$

  19. $$-27$$

  20. En el origen pasa algo curioso: la tangente es horizontal, pero no hay extremo, sino un punto de inflexión.

Respuesta: Mínimo relativo en $(3;\ -27)$; no hay máximo relativo. Puntos de inflexión en $(0;\ 0)$, con tangente horizontal, y en $(2;\ -16)$.

−11234−30−25−20−15−10−55101520xyg(x) = x⁴ − 4x³(0; 0)(2; −16)(3; −27)

g(x) = x⁴ − 4x³. En (0; 0) la tangente es horizontal y la curva cambia de forma sin dejar de bajar; en (2; −16) vuelve a cambiar de concavidad, y el mínimo es (3; −27).

Ejemplo resuelto

Un candidato que no es inflexión

¿Tiene $h(x) =$ $x^{4}$ un punto de inflexión en $x = 0$?

Ver la solución paso a paso
  1. La función es:

    $$x^{4}$$

  2. Su segunda derivada:

    $$\frac{d}{dx}\left(\frac{d}{dx}\left(x^{4}\right)\right)$$

  3. $$12x^{2}$$

  4. El único candidato es la solución de $h''(x) = 0$:

    $$12x^{2} = 0$$

  5. $$x = 0$$

  6. Probamos el signo de $h''$ a cada lado:

    $$12 \cdot \left(-1\right)^{2} = 12$$

  7. $$12 \cdot 1^{2} = 12$$

  8. Es positiva a los dos lados: la concavidad no cambia. La gráfica es cóncava hacia arriba en todas partes, y en el origen tiene un mínimo, no una inflexión.

Respuesta: No. Aunque $h''(0) = 0$, la segunda derivada no cambia de signo, así que no hay punto de inflexión.

Práctica

¿En qué valor de x tiene un punto de inflexión $f(x) =$ $x^{3} - 6x^{2} + 4$?

¿En qué intervalo es cóncava hacia arriba la gráfica de $f(x) =$ $x^{3} + 3x^{2} - 1$?

Para $f(x) =$ $x^{4} - 2x^{3}$, calcula f″(2).

En un valor a se cumple que f′(a) = 0 y f″(a) = 0. ¿Qué se puede concluir?

¿Verdadero o falso? La segunda derivada de $f(x) =$ $x^{4} + x$ nunca es negativa.

¿Verdadero o falso? La función $f(x) =$ $x^{3} - 12x$ tiene un punto crítico en x = −2, y según el criterio de la segunda derivada allí hay un máximo relativo.

Marca todos los valores de x donde la segunda derivada de $f(x) =$ $x^{4} - 6x^{2}$ vale cero.

Marca todas las que apliquen.

¿Verdadero o falso? La gráfica de $f(x) =$ $x^{3} - 3x^{2} + 5$ es cóncava hacia abajo cerca de x = 0.

¿En qué intervalo es cóncava hacia abajo la gráfica de $f(x) =$ $-x^{3} + 6x^{2}$?

¿Cuál es el punto de inflexión de la gráfica de $f(x) =$ $2x^{3} - 6x^{2} + x$?

Reto

Une cada función con su segunda derivada.

A la izquierda está d/dx(d/dx(…)): deriva dos veces.

Reto

Abre el candado de la concavidad.

Cada respuesta es una cifra del código. Deriva dos veces cuando haga falta.

Cierre

En resumen

  • La segunda derivada f″ es la derivada de f′ y dice cómo cambia la pendiente.

  • Donde f″ > 0 la gráfica es cóncava hacia arriba; donde f″ < 0, cóncava hacia abajo.

  • Un punto de inflexión es donde la concavidad cambia; f″ = 0 da los candidatos, pero hay que comprobar el cambio de signo, como muestra x⁴.

  • Si f′(c) = 0 y f″(c) > 0 hay un mínimo relativo; si f″(c) < 0, un máximo; si f″(c) = 0, el criterio no decide y se vuelve a la primera derivada.

  • Para trazar un polinomio se reúnen el corte con el eje y, los extremos, la concavidad, las inflexiones y lo que pasa cuando x se aleja hacia la derecha o hacia la izquierda.

Vocabulario

Segunda derivada

La derivada de la derivada, f″ = (f′)′. Mide cómo cambia la pendiente de la gráfica.

Cóncava hacia arriba

Una gráfica es cóncava hacia arriba en un intervalo si sus pendientes aumentan allí; se curva como una taza que guarda agua. Pasa donde f″ > 0.

Cóncava hacia abajo

Una gráfica es cóncava hacia abajo en un intervalo si sus pendientes disminuyen allí; se curva como una taza boca abajo. Pasa donde f″ < 0.

Punto de inflexión

Un punto de la gráfica donde la concavidad cambia: de hacia arriba a hacia abajo, o al revés.

Criterio de la segunda derivada

Si f′(c) = 0 y f″(c) < 0, en c hay un máximo relativo; si f′(c) = 0 y f″(c) > 0, un mínimo relativo; si f″(c) = 0, el criterio no decide.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Estudiar f(x) = x³ − 6x² + 9x + 1 y g(x) = x⁴ − 6x² con sus dos derivadas: crecimiento, extremos, concavidad e inflexiones. Trazar las dos gráficas con todos esos puntos.