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Análisis Matemático I (66) · Unidad 5 — Teoremas del cálculo diferencial

Concavidad y puntos de inflexión

La segunda derivada dice cómo se curva el gráfico: si la sonrisa mira para arriba o para abajo. Los puntos donde cambia esa curvatura son las inflexiones.

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La explicación

Qué mide la segunda derivada

f′ dice si la función sube o baja. f″ dice si esa subida se está acelerando o frenando, y eso es la concavidad:

f″ > 0 → cóncava hacia arriba (forma de taza)
f″ < 0 → cóncava hacia abajo (forma de gorra)

Las dos cosas son independientes: una función puede crecer acelerando (f′ > 0, f″ > 0) o crecer cada vez más despacio (f′ > 0, f″ < 0). Las cuatro combinaciones existen y dan cuatro formas de curva distintas.

Una lectura equivalente que ayuda a dibujar: una curva cóncava hacia arriba queda por encima de todas sus tangentes, y una cóncava hacia abajo, por debajo. De ahí sale directamente si una aproximación lineal sobra o falta.

Puntos de inflexión

Son los puntos donde la concavidad cambia. El procedimiento:

1. Calcular f″ y hallar dónde se anula o no existe.
2. Estudiar el signo de f″ a cada lado de esos puntos.
3. Hay inflexión sólo si el signo cambia.

El paso 3 es el que separa el tema. Que f″ se anule no alcanza: en x⁴ la segunda derivada vale 0 en el origen y sin embargo es positiva de los dos lados, así que no hay inflexión. Es el mismo tipo de error que dar por sentado que f′ = 0 implica extremo.

Y el punto de inflexión es un punto del gráfico: hay que dar las dos coordenadas, no sólo la x.

También puede haber inflexión donde f″ no existe

Basta que f sea continua ahí y que la concavidad cambie. El caso típico es ∛x en el origen: tiene tangente vertical, f″ no existe, y sin embargo pasa de cóncava hacia arriba a cóncava hacia abajo.

El estudio completo de una función

Concavidad es la última pieza. El orden que conviene seguir, y que es el que esperan en el parcial:

1. Dominio y, si se ve fácil, simetrías (par o impar).
2. Ceros y conjuntos de positividad y negatividad.
3. Asíntotas: verticales, horizontales y oblicuas.
4. f′: crecimiento, decrecimiento y extremos.
5. f″: concavidad e inflexiones.
6. Graficar juntando todo.

El gráfico al final no es un adorno: es el control. Si la información no cierra —una función que crece, es cóncava hacia arriba y tiene una asíntota horizontal por encima no puede ser— hay un error en alguno de los pasos anteriores.

Cómo se ve en el dibujo

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Estudiar la concavidad de f(x) = x³ − 6x² y hallar sus puntos de inflexión.

Derivo dos veces:

f ′(x) = 3x² − 12x
f ″(x) = 6x − 12

Busco dónde se anula: 6x − 12 = 0 → x = 2.

Estudio el signo a cada lado:

x < 2 → f ″ < 0 → cóncava
x > 2 → f ″ > 0 → convexa

Cambia de signo, así que x = 2 sí es punto de inflexión. La coordenada y es f(2) = 8 − 24 = −16, o sea el punto es (2, −16).

Como f ″ es lineal, cambia de signo sí o sí en su raíz. Cuando f ″ es una parábola o tiene raíces dobles, ahí hay que mirar con más cuidado.

Anular la segunda derivada no alcanza

Lo que define un punto de inflexión es el cambio de signo de f ″, no que valga cero. El contraejemplo obligatorio es f(x) = x⁴: su segunda derivada es 12x², que se anula en 0 pero es positiva de los dos lados, así que la función es convexa en todo ℝ y en 0 no hay inflexión. Es el mismo razonamiento que con f ′ y los extremos: la derivada que se anula marca un candidato, y lo que decide es qué pasa alrededor.

Qué se sabe ahora de la curva

Con la segunda derivada sola ya se puede decir bastante. Los puntos críticos salen de f ′(x) = 3x(x − 4) = 0, o sea x = 0 y x = 4. En x = 0 la función es cóncava (f ″(0) = −12 < 0), así que hay un máximo local, con f(0) = 0. En x = 4 es convexa (f ″(4) = 12 > 0), así que hay un mínimo local, con f(4) = −32. Y entre los dos, en x = 2, está la inflexión.

El control que cierra todo. El punto de inflexión de una cúbica cae siempre justo en el medio entre el máximo y el mínimo: (0 + 4)/2 = 2 ✓. Y la altura también: f(2) = −16 es exactamente el promedio de 0 y −32 ✓. Si en un ejercicio con una cúbica esas dos cosas no cierran, hay un error de cuenta en alguna de las tres.
Y uno del nivel del parcial

Estudiar la concavidad de f(x) = x⁴ − 6x² + 5 y hallar sus puntos de inflexión. Explicar después por qué x = 0 NO es punto de inflexión de g(x) = x⁴, aunque g″(0) = 0.

La concavidad la decide la derivada segunda, así que se calculan las dos derivadas y se estudia el signo de la segunda.

f ′(x) = 4x³ − 12x
f ″(x) = 12x² − 12 = 12·(x² − 1) = 12·(x − 1)(x + 1)

Los candidatos a inflexión son donde f ″ se anula:

12(x² − 1) = 0 → x = 1 y x = −1

La tabla de signos. f ″ es una parábola con ramas hacia arriba y raíces en ±1:

(−∞, −1): f ″ > 0 → cóncava hacia arriba
(−1, 1): f ″ < 0 → cóncava hacia abajo
(1, +∞): f ″ > 0 → cóncava hacia arriba

Control con valores concretos: f ″(−2) = 36 > 0 ✓, f ″(0) = −12 < 0 ✓, f ″(2) = 36 > 0 ✓.

En los dos puntos hay cambio de concavidad, así que los dos son puntos de inflexión. Se calculan las ordenadas:

f(1) = 1 − 6 + 5 = 0
f(−1) = 1 − 6 + 5 = 0
puntos de inflexión: (1 ; 0) y (−1 ; 0)

Ahora la segunda parte, que es la pregunta conceptual. Para g(x) = x⁴:

g ′(x) = 4x³
g ″(x) = 12x²
g ″(0) = 0

Se anula, sí. Pero no cambia de signo:

g ″(−1) = 12 > 0
g ″(1) = 12 > 0

12x² es un cuadrado por una constante positiva: es ≥ 0 siempre. La función es cóncava hacia arriba a los dos lados del cero, así que en x = 0 la concavidad no cambia y no hay inflexión. Lo que hay ahí es un mínimo.

La regla completa, que es lo que el ejercicio quiere dejar claro: que f ″(x₀) = 0 es condición necesaria pero no suficiente. El punto de inflexión exige que f ″ cambie de signo, y eso hay que verificarlo con la tabla, siempre.

El paralelo con la derivada primera. Es exactamente la misma estructura: f ′(x₀) = 0 no garantiza extremo (x³ en el cero es el contraejemplo), hace falta que f ′ cambie de signo. Los dos teoremas tienen la misma letra chica.

Dónde se pierde el punto: listar como puntos de inflexión todos los ceros de f ″ sin hacer la tabla. En este ejercicio da bien por casualidad —f ″ es una parábola y cambia de signo en las dos raíces— pero con una raíz doble, como en x⁴, la respuesta sería falsa.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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