Funciones a trozos, continuidad, derivabilidad y optimización
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
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La velocidad media del viento en la zona de Sierra Nevada, prevista para cierto día, viene dada por la función v(t) expresada en km/h, donde t es el tiempo expresado en horas:
v(t)={t2−8t+60−t2+32t−140si 0≤t≤10si 10<t≤24
a) Compruebe que la función v 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 100 y 140 km/h, y rojo para vientos de más de 140 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 v es continua y derivable.
Continuidad
La función 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=10:
v(10)=102−8(10)+60=100−80+60=80 km/h
limt→10−v(t)=limt→10−(t2−8t+60)=102−8(10)+60=80 km/h
limt→10+v(t)=limt→10+(−t2+32t−140)=−(10)2+32(10)−140=−100+320−140=80 km/h
Como v(10)=limt→10−v(t)=limt→10+v(t)=80, la función es continua en t=10. Por lo tanto, v(t) es continua en todo su dominio [0,24].
Derivabilidad
Las derivadas de cada tramo son:
v′(t)={2t−8−2t+32si 0<t<10si 10<t<24
Ahora comprobamos la derivabilidad en el punto de unión t=10. Calculamos las derivadas laterales:
v′(10−)=limt→10−(2t−8)=2(10)−8=12
v′(10+)=limt→10+(−2t+32)=−2(10)+32=−20+32=12
Como las derivadas laterales son iguales (v′(10−)=v′(10+)=12), la función es derivable en t=10. Por lo tanto, v(t) es derivable en todo el intervalo abierto (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<10): v′(t)=2t−8
v′(t)=0⟹2t−8=0⟹t=4
Para 0<t<4, v′(t)<0, la función es decreciente. Para 4<t<10, v′(t)>0, la función es creciente. Hay un mínimo relativo en t=4.
v(4)=42−8(4)+60=16−32+60=44 km/h
Segundo tramo (10<t<24): v′(t)=−2t+32
v′(t)=0⟹−2t+32=0⟹t=16
Para 10<t<16, v′(t)>0, la función es creciente. Para 16<t<24, v′(t)<0, la función es decreciente. Hay un máximo relativo en t=16.
v(16)=−(16)2+32(16)−140=−256+512−140=116 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/h
v(4)=44 km/h (Mıˊnimo relativo)
v(10)=80 km/h (Punto de unioˊn)
v(16)=116 km/h (Maˊximo relativo)
v(24)=−(24)2+32(24)−140=−576+768−140=52 km/h
Comparando todos estos valores, el mínimo absoluto es 44 km/h en t=4 horas, y el máximo absoluto es 116 km/h en t=16 horas.
Representación Gráfica
La gráfica está formada por dos parábolas:De t=0 a t=10: Parábola t2−8t+60. Es una parábola que abre hacia arriba con vértice en (4,44). Pasa por (0,60), (4,44) y (10,80). Decrece de 0 a 4 y crece de 4 a 10.De t=10 a t=24: Parábola −t2+32t−140. Es una parábola que abre hacia abajo con vértice en (16,116). Pasa por (10,80), (16,116) y (24,52). Crece de 10 a 16 y decrece de 16 a 24.(La gráfica sería una curva suave que conecta los puntos (0,60), (4,44), (10,80), (16,116) y (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 100 y 140 km/h, y rojo para vientos de más de 140 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 t para los que v(t)≥100. El máximo absoluto de la función es 116 km/h, por lo que nunca superará los 140 km/h. Solo necesitamos encontrar cuando v(t)≥100.Primer tramo (0≤t≤10): v(t)=t2−8t+60. El valor máximo en este tramo es v(10)=80 km/h, que es menor que 100 km/h. Por lo tanto, no hay alerta naranja en este intervalo.Segundo tramo (10<t≤24): v(t)=−t2+32t−140. Igualamos a 100:
−t2+32t−140=100
−t2+32t−240=0
t2−32t+240=0
t=2(1)−(−32)±(−32)2−4(1)(240)
t=232±1024−960
t=232±64
t=232±8
Obtenemos dos soluciones:
t1=232−8=224=12 horas
t2=232+8=240=20 horas
Como la parábola abre hacia abajo y su máximo está en t=16 (v(16)=116 km/h), la velocidad del viento será igual o superior a 100 km/h entre las 12 y las 20 horas.Se debe emitir una alerta naranja en Sierra Nevada desde las 12:00 hasta las 20:00 horas.
Alerta Roja ($v(t) > 140 \text{ km/h}$)
El máximo absoluto de la velocidad del viento prevista es 116 km/h, que es menor que 140 km/h. Por lo tanto, no se emitiría alerta roja en ningún momento del día.