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Universidad · Cálculo I
Cálculo diferencial · Derivación

Teoremas de Rolle y del valor medio

Un coche recorre 12 km en 6 minutos por un tramo con radar de tramo. El radar no ha visto ningún instante concreto, solo la media: 120 km/h. ¿Puede asegurarse que en algún momento el velocímetro marcó exactamente 120 km/h? Los teoremas de este apartado dicen que sí, y de esa idea sencilla salen desigualdades, conteo de raíces y la identificación de funciones.

Teorema de Rolle

La intuición: si sales de casa, vuelves al mismo punto y tu posición es suave, en algún instante te has parado (cambiaste de sentido). Gráficamente, la gráfica tiene una tangente horizontal.

Gráfica de una función con el mismo valor en los extremos del intervalo y una tangente horizontal en un punto interior. a b f'(c) = 0
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Aplica Rolle a $f(x)=x^2-4x+3$ en $[1,3]$ y encuentra todos los puntos que garantiza. La figura muestra la secante que une los extremos del intervalo.

Aplica Rolle a $f(x)=x^2-4x+3$ en $[1,3]$ y encuentra todos los puntos que garantiza.

La figura muestra la secante que une los extremos del intervalo.

x y 1 2 3 −1 y = x² − 4x + 3 A(1, 0) B(3, 0) secante AB
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Practica★☆☆Sin empezar
Explica por qué Rolle no se aplica a $f(x)=|x|$ en $[-1,1]$, aunque coincidan los valores extremos.

Explica por qué Rolle no se aplica a $f(x)=|x|$ en $[-1,1]$, aunque coincidan los valores extremos.

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Teorema del valor medio de Lagrange

Si quitamos la condición $f(a)=f(b)$, inclinamos la figura: la tangente ya no es horizontal, pero sigue habiendo un punto con tangente paralela a la secante.

Animación de una función con su secante fija entre los extremos: una tangente verde de longitud constante recorre la curva cambiando de pendiente y se detiene en el punto interior donde es paralela a la secante, que se marca con un anillo y se resalta; después vuelve a su posición inicial. a b tangente ∥ secante

Vuelve al principio: la velocidad media del tramo es $f'(c)$ para algún instante $c$. Si es $120$ km/h, en algún momento el velocímetro marcó exactamente eso.

Practica★☆☆Sin empezar
Aplica el teorema del valor medio a $f(x)=\sqrt x$ en $[1,4]$. La figura muestra la secante entre los extremos.

Aplica el teorema del valor medio a $f(x)=\sqrt x$ en $[1,4]$.

La figura muestra la secante entre los extremos.

x y 1 2 3 4 1 1,5 2 A(1, 1) B(4, 2) y = √x Secante AB
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Practica★☆☆Sin empezar
Si $f$ es derivable en $[0,5]$, $f(0)=2$ y $|f'(x)|\le3$, acota $f(5)$.

Si $f$ es derivable en $[0,5]$, $f(0)=2$ y $|f'(x)|\le3$, acota $f(5)$.

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Practica★★☆Sin empezar
Un móvil tiene posición derivable y recorre de $s(0)=0$ m a $s(4)=12$ m. ¿Qué valor de velocidad debe alcanzar? ¿Puede afirmarse que su aceleración se anula? Justifica.…

Un móvil tiene posición derivable y recorre de $s(0)=0$ m a $s(4)=12$ m. ¿Qué valor de velocidad debe alcanzar? ¿Puede afirmarse que su aceleración se anula? Justifica.

La figura recoge únicamente los dos datos de posición conocidos.

0 1 2 3 4 5 2 4 6 8 10 12 14 t (s) s (m) (0, 0) (4, 12)
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Desigualdades con el valor medio

El teorema convierte información sobre $f'$ en información sobre incrementos de $f$: $f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)$ con $c$ desconocido pero localizado. Si sabes acotar $f'$ en el intervalo, acotas la diferencia.

Gráficas de la función logaritmo de uno más x, de la recta x y de la curva x entre uno más x, ordenadas de mayor a menor. x ln(1+x) x/(1+x)
Practica★★☆Sin empezar
Demuestra mediante el valor medio que $|\sen b-\sen a|\le|b-a|$ para todos $a,b\in\mathbb R$.

Demuestra mediante el valor medio que $|\sen b-\sen a|\le|b-a|$ para todos $a,b\in\mathbb R$.

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Practica★★☆Sin empezar
Para $x>0$, demuestra $x/(1+x)<\ln(1+x)<x$ usando valor medio.

Para $x>0$, demuestra $x/(1+x)<\ln(1+x)

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Raíces y funciones con la misma derivada

Gráfica de una función con tres ceros y marcas de dos puntos donde su derivada se anula, uno entre cada pareja de ceros. f' = 0 f' = 0
Practica★★☆Sin empezar
Prueba que la ecuación $x^3+x-1=0$ tiene exactamente una solución real y localízala en un intervalo de longitud $1$.

Prueba que la ecuación $x^3+x-1=0$ tiene exactamente una solución real y localízala en un intervalo de longitud $1$.

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Practica★★☆Sin empezar
Prueba que si $f'=g'$ en un intervalo y $f(a)=g(a)$ en un punto del intervalo, entonces $f=g$ en todo él. Explica por qué hace falta un intervalo.

Prueba que si $f'=g'$ en un intervalo y $f(a)=g(a)$ en un punto del intervalo, entonces $f=g$ en todo él. Explica por qué hace falta un intervalo.

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Practica★★★Sin empezar
Una función $f$ es continua en $[a,b]$, dos veces derivable en $(a,b)$ y tiene tres ceros distintos. Demuestra que $f''$ tiene al menos un cero en $(a,b)$.

Una función $f$ es continua en $[a,b]$, dos veces derivable en $(a,b)$ y tiene tres ceros distintos. Demuestra que $f''$ tiene al menos un cero en $(a,b)$.

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Teorema de Cauchy y problemas más finos

Curva paramétrica en el plano con su cuerda entre los extremos y una tangente paralela a la cuerda en un punto intermedio. (g(t), f(t))
Practica★★☆Sin empezar
Usa el teorema de Cauchy para $f(x)=\ln x$, $g(x)=x^2$ en $[1,2]$ y encuentra el punto $c$ que proporciona.

Usa el teorema de Cauchy para $f(x)=\ln x$, $g(x)=x^2$ en $[1,2]$ y encuentra el punto $c$ que proporciona.

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Practica★★★Sin empezar
Demuestra que $e^x=1+x+x^2/2$ tiene como única solución real $x=0$, sin usar series.

Demuestra que $e^x=1+x+x^2/2$ tiene como única solución real $x=0$, sin usar series.

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Practica★★★Sin empezar
Sea $f\in C^2([0,1])$ con $f(0)=f(1)=0$ y $|f''|\le2$. Demuestra $|f(x)|\le x(1-x)$ usando convexidad o Rolle generalizado.

Sea $f\in C^2([0,1])$ con $f(0)=f(1)=0$ y $|f''|\le2$. Demuestra $|f(x)|\le x(1-x)$ usando convexidad o Rolle generalizado.

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Practica★★★Sin empezar
Si $f\in C^1([0,1])$, $f(0)=0$, $f(1)=1$ y $\int_0^1 f(x)\,dx=1/2$, ¿es forzoso que $f'(c)=1$ en al menos dos puntos distintos? Demuestra la respuesta.

Si $f\in C^1([0,1])$, $f(0)=0$, $f(1)=1$ y $\int_0^1 f(x)\,dx=1/2$, ¿es forzoso que $f'(c)=1$ en al menos dos puntos distintos? Demuestra la respuesta.

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Resumen

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