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Problema resuelto de Matemáticas II: OptimizaciónSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2017 · Junio · Opción A

Comunitat Valenciana · 2017 · Junio · Opción A
Enunciado
Se desea unir un punto MM situado en un lado de una calle, de 66 m de anchura, con el punto NN situado en el otro lado de la calle, 1818 m más abajo, mediante dos cables rectos, uno desde MM hasta un punto PP, situado al otro lado de la calle, y otro desde el punto PP hasta el punto NN. Se representó la calle en un sistema cartesiano y resultó que M=(0,6)M = (0, 6), P=(x,0)P = (x, 0) y N=(18,0)N = (18, 0). El cable MPMP tiene que ser más grueso debido a que cruza la calle sin apoyos intermedios, siendo su precio de 1010 €/m. El precio del cable PNPN es de 55 €/m.

Obtener razonadamente, escribiendo todos los pasos del razonamiento utilizado:

a) El costo total CC de los dos cables en función de la abscisa xx del punto PP, cuando 0≤x≤180 \le x \le 18. (3 puntos)

b) El valor de xx, con 0≤x≤180 \le x \le 18, para el que el costo total CC es mínimo. (4 puntos)

c) El valor de dicho costo total mínimo. (3 puntos)
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Resultado
a) C(x)=10x2+36+5 (18−x) euros,  0≤x≤18\boxed{\text{a) } C(x) = 10\sqrt{x^2 + 36} + 5\,(18 - x)\ \text{euros},\ \ 0 \le x \le 18}b) x=23≈3,46 m\boxed{\text{b) } x = 2\sqrt{3} \approx 3{,}46\ \text{m}}c) Cmin⁡=90+303≈141,96 euros\boxed{\text{c) } C_{\min} = 90 + 30\sqrt{3} \approx 141{,}96\ \text{euros}}
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Estrategia

El punto PP se mueve por la otra acera, entre el pie de MM (que es (0,0)(0, 0)) y NN. Si lo acercamos a NN, el cable caro cruza en diagonal y sale largo; si lo dejamos en (0,0)(0, 0), el caro es el más corto posible (66 m) pero el barato tiene que recorrer los 1818 m enteros. El óptimo está en medio.

El plan: escribir las dos longitudes en función de xx (la de MPMP es una distancia entre dos puntos, con Pitágoras), multiplicar por los precios y buscar el mínimo absoluto de C(x)C(x) en el intervalo cerrado [0,18][0, 18]: puntos críticos dentro del intervalo y comparación con los extremos.
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Desarrollo

a) Longitud de MPMP. Es la distancia de M=(0,6)M = (0, 6) a P=(x,0)P = (x, 0):MP‾=(x−0)2+(0−6)2=x2+36\overline{MP} = \sqrt{(x - 0)^2 + (0 - 6)^2} = \sqrt{x^2 + 36}Longitud de PNPN. Los dos puntos están en el eje de abscisas y x≤18x \le 18:PN‾=18−x\overline{PN} = 18 - xCoste total. Multiplicando cada longitud por su precio:C(x)=10x2+36+5 (18−x) euros,0≤x≤18C(x) = 10\sqrt{x^2 + 36} + 5\,(18 - x) \ \text{euros}, \qquad 0 \le x \le 18b) Derivada. Con la regla de la cadena en la raíz:C′(x)=10⋅2x2x2+36−5=10xx2+36−5C'(x) = 10\cdot\frac{2x}{2\sqrt{x^2 + 36}} - 5 = \frac{10x}{\sqrt{x^2 + 36}} - 5Puntos críticos. C′(x)=0C'(x) = 0:10xx2+36=5  ⟹  2x=x2+36\frac{10x}{\sqrt{x^2 + 36}} = 5 \;\Longrightarrow\; 2x = \sqrt{x^2 + 36}Como x≥0x \ge 0, podemos elevar al cuadrado sin introducir soluciones falsas:4x2=x2+36  ⟹  x2=12  ⟹  x=23≈3,46414x^2 = x^2 + 36 \;\Longrightarrow\; x^2 = 12 \;\Longrightarrow\; x = 2\sqrt{3} \approx 3{,}4641(la raíz negativa queda fuera del intervalo).

Signo de C′C'. C′(0)=−5<0C'(0) = -5 < 0 y, por ejemplo, C′(6)=6072−5≈2,07>0C'(6) = \frac{60}{\sqrt{72}} - 5 \approx 2{,}07 > 0. Como C′C' solo se anula en 232\sqrt{3}:
  • C′<0C' < 0 en [0,23)[0, 2\sqrt{3}): el coste decrece.
  • C′>0C' > 0 en (23,18](2\sqrt{3}, 18]: el coste crece.
Luego en x=23x = 2\sqrt{3} hay un mínimo relativo, y por lo anterior es también el mínimo absoluto en [0,18][0, 18].

Comprobación en los extremos. Comparando con los valores en los bordes del intervalo:C(0)=10⋅6+5⋅18=150 euros,C(18)=10360+0=6010≈189,74 eurosC(0) = 10\cdot 6 + 5\cdot 18 = 150 \ \text{euros}, \qquad C(18) = 10\sqrt{360} + 0 = 60\sqrt{10} \approx 189{,}74 \ \text{euros}los dos mayores que el valor en 232\sqrt{3} (apartado c).

c) Coste mínimo. Con x=23x = 2\sqrt{3}, x2+36=48x^2 + 36 = 48 y 48=43\sqrt{48} = 4\sqrt{3}:C(23)=10⋅43+5 (18−23)=403+90−103=90+303≈141,96 eurosC(2\sqrt{3}) = 10\cdot 4\sqrt{3} + 5\,(18 - 2\sqrt{3}) = 40\sqrt{3} + 90 - 10\sqrt{3} = 90 + 30\sqrt{3} \approx 141{,}96 \ \text{euros}
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Consejo

En un intervalo cerrado, el mínimo puede estar en un extremo: calcula también C(0)C(0) y C(18)C(18) y compáralos con el punto crítico. Es lo que deja claro que el mínimo es absoluto, y el corrector lo mira.

Al elevar al cuadrado 2x=x2+362x = \sqrt{x^2 + 36}, justifica que x≥0x \ge 0 y descarta −23-2\sqrt{3}. Y da el resultado exacto (90+30390 + 30\sqrt{3}) además del aproximado en euros.
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