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Optimización
Problema
2023 · Ordinaria · Reserva
1
Examen

Determina las longitudes de los lados de un rectángulo de área máxima que está inscrito en una semicircunferencia de 6 cm6 \text{ cm} de radio, teniendo uno de sus lados sobre el diámetro de ella.

OptimizaciónFuncionesExtremos relativos
Optimización del área de un rectángulo inscrito en una semicircunferencia

Consideramos una semicircunferencia de radio R=6R = 6 centrada en el origen (0,0)(0,0) en el semiplano superior de un sistema de ejes coordenados. La ecuación de la circunferencia es x2+y2=36x^2 + y^2 = 36.Un rectángulo inscrito con su base sobre el eje XX (el diámetro) tendrá sus vértices superiores en la semicircunferencia. Si llamamos (x,y)(x, y) al vértice del primer cuadrante, la base del rectángulo será 2x2x y su altura será yy.La función que queremos maximizar es el área del rectángulo:

A=basealtura=2xyA = \text{base} \cdot \text{altura} = 2x \cdot y

Utilizamos la relación de la semicircunferencia para expresar yy en función de xx:

x2+y2=36y=36x2x^2 + y^2 = 36 \Rightarrow y = \sqrt{36 - x^2}

Sustituimos en la función del área para obtener una función con una única variable xx:

A(x)=2x36x2A(x) = 2x\sqrt{36 - x^2}

Para simplificar el cálculo de la derivada, podemos maximizar el cuadrado del área f(x)=[A(x)]2f(x) = [A(x)]^2, ya que el valor de xx que maximiza A(x)A(x) es el mismo que maximiza su cuadrado (siempre que A(x)>0A(x) > 0):

f(x)=4x2(36x2)=144x24x4f(x) = 4x^2(36 - x^2) = 144x^2 - 4x^4

Calculamos la derivada de f(x)f(x) e igualamos a cero para encontrar los puntos críticos en el intervalo 0<x<60 < x < 6:

f(x)=288x16x3f'(x) = 288x - 16x^3
16x(18x2)=016x(18 - x^2) = 0

Como xx debe ser mayor que cero, descartamos x=0x = 0:

18x2=0x=18=3218 - x^2 = 0 \Rightarrow x = \sqrt{18} = 3\sqrt{2}

Comprobamos que es un máximo utilizando la segunda derivada:

f(x)=28848x2f''(x) = 288 - 48x^2
f(32)=28848(18)=288864=576<0f''(3\sqrt{2}) = 288 - 48(18) = 288 - 864 = -576 < 0

Al ser la segunda derivada negativa, confirmamos que en x=32x = 3\sqrt{2} existe un máximo relativo.Calculamos las longitudes de los lados del rectángulo:

Base: b=2x=232=62 cmb = 2x = 2 \cdot 3\sqrt{2} = 6\sqrt{2} \text{ cm}Altura: h=y=36(32)2=3618=18=32 cmh = y = \sqrt{36 - (3\sqrt{2})^2} = \sqrt{36 - 18} = \sqrt{18} = 3\sqrt{2} \text{ cm}

Por tanto, los lados del rectángulo de área máxima miden 62 cm6\sqrt{2} \text{ cm} y 32 cm3\sqrt{2} \text{ cm}.