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Funciones a trozos, continuidad, derivabilidad y optimización
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
4
Examen

La velocidad media del viento en la zona de Sierra Nevada, prevista para cierto día, viene dada por la función v(t)v(t) expresada en km/hkm/h, donde tt es el tiempo expresado en horas:

v(t)={t2−8t+60si 0≤t≤10−t2+32t−140si 10<t≤24v(t) = \begin{cases} t^2 - 8t + 60 & \text{si } 0 \leq t \leq 10 \\ -t^2 + 32t - 140 & \text{si } 10 < t \leq 24 \end{cases}
a) Compruebe que la función vv es continua y derivable.b) Represente gráficamente la función, estudiando previamente la monotonía y calculando los extremos absolutos.c) La Agencia Estatal de Meteorología emite avisos de alerta por vientos siguiendo el código de colores: naranja para vientos entre 100100 y 140 km/h140 \text{ km/h}, y rojo para vientos de más de 140 km/h140 \text{ km/h}. Según la previsión, indique si se debe emitir alguna alerta naranja en Sierra Nevada ese día y durante qué horas estaría activa. ¿Se emitiría alerta roja?
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+1
a) Compruebe que la función vv es continua y derivable.
Continuidad

La función v(t)v(t) está definida por dos polinomios, que son funciones continuas en sus respectivos intervalos. Debemos comprobar la continuidad en el punto de unión t=10t=10:

v(10)=102−8(10)+60=100−80+60=80 km/hv(10) = 10^2 - 8(10) + 60 = 100 - 80 + 60 = 80 \text{ km/h}
lim⁡t→10−v(t)=lim⁡t→10−(t2−8t+60)=102−8(10)+60=80 km/h\lim_{t \to 10^-} v(t) = \lim_{t \to 10^-} (t^2 - 8t + 60) = 10^2 - 8(10) + 60 = 80 \text{ km/h}
lim⁡t→10+v(t)=lim⁡t→10+(−t2+32t−140)=−(10)2+32(10)−140=−100+320−140=80 km/h\lim_{t \to 10^+} v(t) = \lim_{t \to 10^+} (-t^2 + 32t - 140) = -(10)^2 + 32(10) - 140 = -100 + 320 - 140 = 80 \text{ km/h}

Como v(10)=lim⁡t→10−v(t)=lim⁡t→10+v(t)=80v(10) = \lim_{t \to 10^-} v(t) = \lim_{t \to 10^+} v(t) = 80, la función es continua en t=10t=10. Por lo tanto, v(t)v(t) es continua en todo su dominio [0,24][0, 24].

Derivabilidad

Las derivadas de cada tramo son:

v′(t)={2t−8si 0<t<10−2t+32si 10<t<24v'(t) = \begin{cases} 2t - 8 & \text{si } 0 < t < 10 \\ -2t + 32 & \text{si } 10 < t < 24 \end{cases}

Ahora comprobamos la derivabilidad en el punto de unión t=10t=10. Calculamos las derivadas laterales:

v′(10−)=lim⁡t→10−(2t−8)=2(10)−8=12v' (10^-) = \lim_{t \to 10^-} (2t - 8) = 2(10) - 8 = 12
v′(10+)=lim⁡t→10+(−2t+32)=−2(10)+32=−20+32=12v' (10^+) = \lim_{t \to 10^+} (-2t + 32) = -2(10) + 32 = -20 + 32 = 12

Como las derivadas laterales son iguales (v′(10−)=v′(10+)=12v'(10^-) = v'(10^+) = 12), la función es derivable en t=10t=10. Por lo tanto, v(t)v(t) es derivable en todo el intervalo abierto (0,24)(0, 24).

b) Represente gráficamente la función, estudiando previamente la monotonía y calculando los extremos absolutos.
Monotonía y Extremos Relativos

Analizamos el signo de la derivada en cada tramo.Primer tramo (0<t<100 < t < 10): v′(t)=2t−8v'(t) = 2t - 8

v′(t)=0  ⟹  2t−8=0  ⟹  t=4v'(t) = 0 \implies 2t - 8 = 0 \implies t = 4

Para 0<t<40 < t < 4, v′(t)<0v'(t) < 0, la función es decreciente. Para 4<t<104 < t < 10, v′(t)>0v'(t) > 0, la función es creciente. Hay un mínimo relativo en t=4t=4.

v(4)=42−8(4)+60=16−32+60=44 km/hv(4) = 4^2 - 8(4) + 60 = 16 - 32 + 60 = 44 \text{ km/h}

Segundo tramo (10<t<2410 < t < 24): v′(t)=−2t+32v'(t) = -2t + 32

v′(t)=0  ⟹  −2t+32=0  ⟹  t=16v'(t) = 0 \implies -2t + 32 = 0 \implies t = 16

Para 10<t<1610 < t < 16, v′(t)>0v'(t) > 0, la función es creciente. Para 16<t<2416 < t < 24, v′(t)<0v'(t) < 0, la función es decreciente. Hay un máximo relativo en t=16t=16.

v(16)=−(16)2+32(16)−140=−256+512−140=116 km/hv(16) = -(16)^2 + 32(16) - 140 = -256 + 512 - 140 = 116 \text{ km/h}
Extremos Absolutos y Puntos de Interés para la Gráfica

Para determinar los extremos absolutos y facilitar la representación gráfica, evaluamos la función en los extremos del intervalo, los puntos críticos y el punto de unión:

v(0)=02−8(0)+60=60 km/hv(0) = 0^2 - 8(0) + 60 = 60 \text{ km/h}
v(4)=44 km/h (Mıˊnimo relativo)v(4) = 44 \text{ km/h (Mínimo relativo)}
v(10)=80 km/h (Punto de unioˊn)v(10) = 80 \text{ km/h (Punto de unión)}
v(16)=116 km/h (Maˊximo relativo)v(16) = 116 \text{ km/h (Máximo relativo)}
v(24)=−(24)2+32(24)−140=−576+768−140=52 km/hv(24) = -(24)^2 + 32(24) - 140 = -576 + 768 - 140 = 52 \text{ km/h}

Comparando todos estos valores, el mínimo absoluto es 44 km/h44 \text{ km/h} en t=4t=4 horas, y el máximo absoluto es 116 km/h116 \text{ km/h} en t=16t=16 horas.

Representación Gráfica

La gráfica está formada por dos parábolas:De t=0t=0 a t=10t=10: Parábola t2−8t+60t^2 - 8t + 60. Es una parábola que abre hacia arriba con vértice en (4,44)(4, 44). Pasa por (0,60)(0, 60), (4,44)(4, 44) y (10,80)(10, 80). Decrece de 00 a 44 y crece de 44 a 1010.De t=10t=10 a t=24t=24: Parábola −t2+32t−140-t^2 + 32t - 140. Es una parábola que abre hacia abajo con vértice en (16,116)(16, 116). Pasa por (10,80)(10, 80), (16,116)(16, 116) y (24,52)(24, 52). Crece de 1010 a 1616 y decrece de 1616 a 2424.(La gráfica sería una curva suave que conecta los puntos (0,60)(0,60), (4,44)(4,44), (10,80)(10,80), (16,116)(16,116) y (24,52)(24,52), mostrando los cambios de monotonía descritos.)

c) La Agencia Estatal de Meteorología emite avisos de alerta por vientos siguiendo el código de colores: naranja para vientos entre 100100 y 140 km/h140 \text{ km/h}, y rojo para vientos de más de 140 km/h140 \text{ km/h}. Según la previsión, indique si se debe emitir alguna alerta naranja en Sierra Nevada ese día y durante qué horas estaría activa. ¿Se emitiría alerta roja?
Alerta Naranja ($100 \leq v(t) \leq 140$)

Buscamos los valores de tt para los que v(t)≥100v(t) \geq 100. El máximo absoluto de la función es 116 km/h116 \text{ km/h}, por lo que nunca superará los 140 km/h140 \text{ km/h}. Solo necesitamos encontrar cuando v(t)≥100v(t) \geq 100.Primer tramo (0≤t≤100 \leq t \leq 10): v(t)=t2−8t+60v(t) = t^2 - 8t + 60. El valor máximo en este tramo es v(10)=80 km/hv(10) = 80 \text{ km/h}, que es menor que 100 km/h100 \text{ km/h}. Por lo tanto, no hay alerta naranja en este intervalo.Segundo tramo (10<t≤2410 < t \leq 24): v(t)=−t2+32t−140v(t) = -t^2 + 32t - 140. Igualamos a 100100:

−t2+32t−140=100-t^2 + 32t - 140 = 100
−t2+32t−240=0-t^2 + 32t - 240 = 0
t2−32t+240=0t^2 - 32t + 240 = 0
t=−(−32)±(−32)2−4(1)(240)2(1)t = \frac{-(-32) \pm \sqrt{(-32)^2 - 4(1)(240)}}{2(1)}
t=32±1024−9602t = \frac{32 \pm \sqrt{1024 - 960}}{2}
t=32±642t = \frac{32 \pm \sqrt{64}}{2}
t=32±82t = \frac{32 \pm 8}{2}

Obtenemos dos soluciones:

t1=32−82=242=12 horast_1 = \frac{32 - 8}{2} = \frac{24}{2} = 12 \text{ horas}
t2=32+82=402=20 horast_2 = \frac{32 + 8}{2} = \frac{40}{2} = 20 \text{ horas}

Como la parábola abre hacia abajo y su máximo está en t=16t=16 (v(16)=116 km/hv(16)=116 \text{ km/h}), la velocidad del viento será igual o superior a 100 km/h100 \text{ km/h} entre las 1212 y las 2020 horas.Se debe emitir una alerta naranja en Sierra Nevada desde las 12:0012:00 hasta las 20:0020:00 horas.

Alerta Roja ($v(t) > 140 \text{ km/h}$)

El máximo absoluto de la velocidad del viento prevista es 116 km/h116 \text{ km/h}, que es menor que 140 km/h140 \text{ km/h}. Por lo tanto, no se emitiría alerta roja en ningún momento del día.