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Optimización
Problema
2023 · Ordinaria · Suplente
1A
Examen

De entre todos los rectángulos de diagonal 10 cm (cada una), calcula las dimensiones del que tiene mayor área.

OptimizaciónFuncionesDerivadas+1
Optimización del área de un rectángulo

Sean xx e yy las dimensiones (base y altura) del rectángulo en centímetros. La diagonal del rectángulo viene dada por el teorema de Pitágoras, y según el enunciado, su valor es 1010 cm:

x2+y2=102    x2+y2=100x^2 + y^2 = 10^2 \implies x^2 + y^2 = 100

Despejamos una de las variables en función de la otra (considerando y>0y > 0 por ser una longitud):

y=100x2y = \sqrt{100 - x^2}

La función que deseamos maximizar es el área del rectángulo, A=xyA = x \cdot y. Sustituimos la expresión de yy para obtener la función área en términos de una sola variable xx:

A(x)=x100x2=x2(100x2)=100x2x4A(x) = x \sqrt{100 - x^2} = \sqrt{x^2(100 - x^2)} = \sqrt{100x^2 - x^4}

Para simplificar el cálculo del máximo, podemos maximizar el cuadrado de la función área, f(x)=[A(x)]2=100x2x4f(x) = [A(x)]^2 = 100x^2 - x^4, ya que el valor de xx que maximiza el cuadrado de una función positiva también maximiza la función original. Calculamos la derivada de f(x)f(x):

f(x)=200x4x3f'(x) = 200x - 4x^3

Igualamos la derivada a cero para encontrar los puntos críticos:

200x4x3=0    4x(50x2)=0200x - 4x^3 = 0 \implies 4x(50 - x^2) = 0

Como xx debe ser mayor que cero por representar una longitud, la única solución válida es:

x2=50    x=50=52 cmx^2 = 50 \implies x = \sqrt{50} = 5\sqrt{2} \text{ cm}

Comprobamos que se trata de un máximo utilizando la segunda derivada f(x)f''(x):

f(x)=20012x2    f(52)=20012(50)=200600=400<0f''(x) = 200 - 12x^2 \implies f''(5\sqrt{2}) = 200 - 12(50) = 200 - 600 = -400 < 0

Al ser la segunda derivada negativa, confirmamos que en x=52x = 5\sqrt{2} existe un máximo relativo. Calculamos ahora el valor de la otra dimensión yy:

y=100(52)2=10050=50=52 cmy = \sqrt{100 - (5\sqrt{2})^2} = \sqrt{100 - 50} = \sqrt{50} = 5\sqrt{2} \text{ cm}

Por tanto, el rectángulo de diagonal 1010 cm que tiene el área máxima es un cuadrado de lado 525\sqrt{2} cm. Sus dimensiones son aproximadamente x7,07x \approx 7,07 cm e y7,07y \approx 7,07 cm.