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Optimización
Problema
2024 · Extraordinaria · Reserva
1
Examen

De entre todos los rectángulos de área 25 cm225 \text{ cm}^2, determina las dimensiones de aquel en el que el producto de las longitudes de sus dos diagonales sea el menor posible.

OptimizaciónGeometría planaFunciones
Optimización: Dimensiones de un rectángulo

Sean xx e yy las longitudes de los lados del rectángulo expresadas en cm. El enunciado establece que el área es constante e igual a 25 cm225 \text{ cm}^2:

xy=25    y=25xx \cdot y = 25 \implies y = \frac{25}{x}

Queremos minimizar el producto de las longitudes de sus dos diagonales. En un rectángulo, ambas diagonales son iguales (d1=d2=dd_1 = d_2 = d). Por el teorema de Pitágoras, sabemos que d2=x2+y2d^2 = x^2 + y^2. Por tanto, el producto de las diagonales es:

P=dd=d2=x2+y2P = d \cdot d = d^2 = x^2 + y^2

Sustituimos la variable yy para obtener la función a minimizar dependiente de una sola variable, f(x)f(x):

f(x)=x2+(25x)2=x2+625x2f(x) = x^2 + \left( \frac{25}{x} \right)^2 = x^2 + \frac{625}{x^2}

Para hallar los puntos críticos, calculamos la derivada de la función e igualamos a cero:

f(x)=2x1250x3f'(x) = 2x - \frac{1250}{x^3}
2x1250x3=0    2x4=1250    x4=625    x=6254=52x - \frac{1250}{x^3} = 0 \implies 2x^4 = 1250 \implies x^4 = 625 \implies x = \sqrt[4]{625} = 5

Como el lado de un rectángulo debe ser positivo, tomamos x=5 cmx = 5 \text{ cm}. Para comprobar que se trata de un mínimo, utilizamos la segunda derivada:

f(x)=2+3750x4f''(x) = 2 + \frac{3750}{x^4}

Evaluamos en x=5x = 5:

f(5)=2+375054=2+3750625=2+6=8>0f''(5) = 2 + \frac{3750}{5^4} = 2 + \frac{3750}{625} = 2 + 6 = 8 > 0

Dado que f(5)>0f''(5) > 0, existe un mínimo relativo en x=5x = 5. Calculamos la longitud del otro lado:

y=255=5 cmy = \frac{25}{5} = 5 \text{ cm}

Por tanto, las dimensiones del rectángulo que minimizan el producto de sus diagonales corresponden a las de un cuadrado de lado 5 cm5 \text{ cm}.