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Optimización
Problema
2022 · Extraordinaria · Titular
2A
Examen

Calcula los vértices y el área del rectángulo de área máxima inscrito en el recinto limitado por la gráfica de la función f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=−x2+12f(x) = -x^2 + 12 y el eje de abscisas, y que tiene su base sobre dicho eje.

OptimizaciónÁreasDerivadas

La función dada es f(x)=−x2+12f(x) = -x^2 + 12. Esta es una parábola que se abre hacia abajo con su vértice en (0,12)(0, 12). El recinto está limitado por esta gráfica y el eje de abscisas (eje X).Primero, encontramos los puntos de corte de la función con el eje de abscisas, donde f(x)=0f(x) = 0:

−x2+12=0  ⟹  x2=12  ⟹  x=±12  ⟹  x=±23-x^2 + 12 = 0 \implies x^2 = 12 \implies x = \pm\sqrt{12} \implies x = \pm 2\sqrt{3}

Los puntos de corte son (−23,0)(-2\sqrt{3}, 0) y (23,0)(2\sqrt{3}, 0). La base del rectángulo estará sobre el eje X y, debido a la simetría de la parábola, el rectángulo será simétrico respecto al eje Y.Sea x0x_0 un valor positivo, tal que los vértices de la base del rectángulo son (−x0,0)(-x_0, 0) y (x0,0)(x_0, 0). La longitud de la base del rectángulo será 2x02x_0.La altura del rectángulo vendrá dada por el valor de la función en x0x_0, es decir, h=f(x0)=−x02+12h = f(x_0) = -x_0^2 + 12. Para que la altura sea positiva, se debe cumplir que −x02+12>0-x_0^2 + 12 > 0, lo que implica x02<12x_0^2 < 12, es decir, 0<x0<230 < x_0 < 2\sqrt{3}.El área del rectángulo, A(x0)A(x_0), es el producto de su base por su altura:

A(x0)=(2x0)(−x02+12)=−2x03+24x0A(x_0) = (2x_0)(-x_0^2 + 12) = -2x_0^3 + 24x_0

Para encontrar el área máxima, derivamos la función A(x0)A(x_0) con respecto a x0x_0 y la igualamos a cero:

A′(x0)=ddx0(−2x03+24x0)=−6x02+24A'(x_0) = \frac{d}{dx_0}(-2x_0^3 + 24x_0) = -6x_0^2 + 24
−6x02+24=0  ⟹  6x02=24  ⟹  x02=4  ⟹  x0=±2-6x_0^2 + 24 = 0 \implies 6x_0^2 = 24 \implies x_0^2 = 4 \implies x_0 = \pm 2

Dado que x0x_0 debe ser positivo (por nuestra definición de los vértices de la base), tomamos x0=2x_0 = 2. Este valor está dentro del rango permitido 0<x0<230 < x_0 < 2\sqrt{3} (ya que 23≈3.462\sqrt{3} \approx 3.46).Para confirmar que este valor corresponde a un máximo, calculamos la segunda derivada:

A′′(x0)=ddx0(−6x02+24)=−12x0A''(x_0) = \frac{d}{dx_0}(-6x_0^2 + 24) = -12x_0

Evaluamos la segunda derivada en x0=2x_0 = 2:

A′′(2)=−12(2)=−24A''(2) = -12(2) = -24

Como A′′(2)<0A''(2) < 0, el área es máxima cuando x0=2x_0 = 2.Ahora calculamos las dimensiones del rectángulo y sus vértices para x0=2x_0 = 2:

a) Vértices del rectángulo:

La base del rectángulo tiene vértices en (−x0,0)(-x_0, 0) y (x0,0)(x_0, 0), que para x0=2x_0 = 2 son (−2,0)(-2, 0) y (2,0)(2, 0).La altura del rectángulo es f(2)=−(2)2+12=−4+12=8f(2) = -(2)^2 + 12 = -4 + 12 = 8.Los vértices superiores serán (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) y (−x0,f(x0))(-x_0, f(x_0)), que para x0=2x_0 = 2 son (2,8)(2, 8) y (−2,8)(-2, 8).Por lo tanto, los vértices del rectángulo de área máxima son: V1(−2,0)V_1(-2, 0), V2(2,0)V_2(2, 0), V3(2,8)V_3(2, 8) y V4(−2,8)V_4(-2, 8).

b) Área máxima del rectángulo:

El área máxima se obtiene sustituyendo x0=2x_0 = 2 en la función del área A(x0)A(x_0):

A(2)=−2(2)3+24(2)=−2(8)+48=−16+48=32A(2) = -2(2)^3 + 24(2) = -2(8) + 48 = -16 + 48 = 32

El área máxima es 3232 unidades cuadradas.