EJERCICIO 40

Descripción

El departamento de carreteras plantea construir un área de picnic para automovilistas al lado de una carretera principal. Será rectangular, tendrá un área de 5000 yardas2 y estará cercado por los tres lados no adyacentes a la carretera. ¿Cuál es la menor cantidad de cerca que será necesaria para completar el trabajo?

Referencia:

Ejemplo 4.2 del Hoffman / Bradley. Quinta Edición. Página 205.

Solución.

Sean x e y las dimensiones del terreno.

En la figura siguiente se ilustra el terreno a cercar.

Área cercada: A = x y

Puesto que el área cercada es conocida, se tiene:

x y = 5000 (Ecuación 1)

La función objetivo es la cantidad de cerca a utilizar, que se expresa de la siguiente manera:

C = x + 2 y (Ecuación 2)

Es necesario expresar la función objetivo C en función de una sola variable. De la ecuación (1) se despeja la variable y:

\(\displaystyle y = \frac{5000}{x}\) (Ecuación 3)

Se sustituye la ecuación (3) en la ecuación (2):

\( \displaystyle C\,(x) = x+2\left(\frac{5000}{x}\right)\)

\( \displaystyle C\,(x) = x+\frac{10000}{x}\) (Ecuación 4)

Criterio de la primera derivada para máximos y mínimos.

Para un valor extremo de la cantidad de material:

\( \displaystyle \frac{d\,C}{d\,x}=0\) (Condición 1)

Al derivar la ecuación (4):

\( \displaystyle \frac{d\,C}{d\,x}=1-\frac{10000}{x^2}\) (Ecuación 5)

Al aplicar la condición (1):

\( \displaystyle 1-\frac{10000}{x^2}=0\)

Resolver la ecuación anterior con el objeto de determinar los valores críticos.

\( \displaystyle \frac{10000}{x^2}=1\)

x2 = 10000

\( \displaystyle x=\pm\sqrt{10000}\)

x1 = – 100

x2 = 100

Valores críticos: x = – 100 y x = 100.

Puesto que se trata de números positivos, se analiza x = 100.

Criterio de la segunda derivada para máximos y mínimos.

Al derivar la ecuación (5):

\( \displaystyle \frac{d^2C}{d\,x^2}=\frac{20000}{x^3}\)

Al evaluar en x = 100:

\( \displaystyle \frac{d^2C}{d\,x^2}\,\bigg\vert_{x=100}=\frac{20000}{(100)^3}=\frac{1}{50}\)

Puesto que \( \displaystyle \frac{d^2C}{d\,x^2}\,\bigg\vert_{x=100}>0\), la función \( \displaystyle C\,(x) = x+\frac{10000}{x}\) presenta un mínimo relativo en x = 100.

El correspondiente valor de y se obtiene mediante la sustitución de x = 100 en la ecuación (3):

\(\displaystyle y = \frac{5000}{100}\)

y = 50

Cantidad de cerca necesaria.

Para obtener la cantidad mínima de cerca necesaria, se evalúa la función cantidad de cerca (Ecuación 4) en x = 100.

Cmin = C (100)

\( \displaystyle C\,(100) = (100)+\frac{10000}{(100)}\)

C (100) = 100 + 100

C (100) = 200

Conclusión.

La cantidad mínima de cerca es 200 yardas.