CAPITULO 7 funciones de R^2 en R: f(x,y)=z

6. Más Allá de la Geometría: Modelando Fenómenos con Funciones Lineales

Más Allá de la Geometría: Modelando Fenómenos con Funciones Lineales

Idea inicial

Las funciones lineales en dos variables, representadas por una expresión como \[ f(x,y)=ax+by, \] no solo son útiles en geometría. También pueden servir para modelar situaciones donde dos cantidades aportan a un resultado total.

En esta página exploraremos cómo interpretar y resolver problemas donde intervienen dos variables.

Modelando con Funciones Lineales

Modelo lineal en dos variables

Una función lineal en dos variables relaciona dos variables independientes, \(x\) e \(y\), con un resultado \(f(x,y)\).

Su forma es:

\[ f(x,y)=ax+by \]

Los coeficientes \(a\) y \(b\) indican cuánto aporta cada variable al resultado total.

Interpretación de los coeficientes

En la expresión \[ f(x,y)=ax+by, \] el término \(ax\) representa el aporte de la variable \(x\), mientras que \(by\) representa el aporte de la variable \(y\).

Por ejemplo, si \(a=5\), cada unidad de \(x\) aporta \(5\) unidades al valor final. Si \(b=10\), cada unidad de \(y\) aporta \(10\) unidades al valor final.

Atención

En algunos problemas puede aparecer una cantidad fija, por ejemplo:

\[ f(x,y)=5000+1000x+1500y \]

En ese caso, \(5000\) representa un valor inicial o fijo. Lo importante es identificar qué significa cada parte del modelo.

Ejemplo geométrico: líneas de nivel

En un mapa topográfico, las líneas de nivel conectan puntos de igual elevación.

Si la elevación se modela mediante:

\[ f(x,y)=ax+by, \]

entonces una línea de nivel se obtiene al fijar un valor constante \(c\):

\[ ax+by=c \]

En este caso, \(c\) representa una elevación determinada, y \((x,y)\) representa una ubicación en el plano.

Ejemplos de Aplicaciones

Aplicaciones de modelos lineales

  • Costos: el costo total puede depender de dos cantidades, como materia prima y mano de obra.
  • Distancias: la distancia total puede calcularse sumando aportes de distintos trayectos.
  • Producción: una cantidad producida puede depender de dos recursos distintos.
  • Temperatura: en un modelo simplificado, la temperatura puede cambiar según la posición \((x,y)\).

Modelos simplificados

Muchos fenómenos reales son más complejos que un modelo lineal. En esta página usaremos modelos lineales como una aproximación escolar para estudiar relaciones simples entre variables.

Resolviendo Problemas con Funciones Lineales

Procedimiento

  1. Identifica qué representan \(x\), \(y\) y \(f(x,y)\).
  2. Reconoce cuánto aporta cada variable al resultado total.
  3. Escribe la función lineal correspondiente.
  4. Reemplaza los valores conocidos o despeja la incógnita.
  5. Interpreta el resultado en el contexto del problema.

Ejemplo guiado: costo de producción

Una pequeña empresa modela su costo de producción mediante:

\[ f(x,y)=4x+7y \]

donde \(x\) representa kilogramos de materia prima e \(y\) representa horas de trabajo.

Si usa \(10\) kg de materia prima y \(6\) horas de trabajo, entonces:

\[ f(10,6)=4(10)+7(6) \]

\[ f(10,6)=40+42=82 \]

Interpretación: el costo total es \(82\) unidades monetarias.

Ejemplo gráfico: líneas de igual costo

Consideremos el modelo de costo:

\[ f(x,y)=5x+10y \]

Si fijamos un costo total \(c\), se obtiene la ecuación:

\[ 5x+10y=c \]

Esto representa una recta en el plano cartesiano. Todos los puntos de una misma recta tienen el mismo costo total.

Por ejemplo, los puntos \((10,5)\) y \((0,10)\) están en la recta \(c=100\), porque:

\[ 5(10)+10(5)=100 \]

y también:

\[ 5(0)+10(10)=100. \]

Ejercicio gráfico: combinaciones con el mismo costo

En el modelo \(f(x,y)=5x+10y\), encuentra dos combinaciones distintas de \(x\) e \(y\) que produzcan costo \(150\). Luego interpreta esos puntos en el gráfico.

Ejercicios

Nivel Básico

Ejercicio 1

Un mapa topográfico tiene líneas de nivel representadas por la ecuación \[ 2x+3y=c, \] donde \(c\) es la elevación en metros. Si estás en el punto \((3,4)\), ¿cuál es tu elevación? Si te mueves al punto \((6,2)\), ¿habrás ascendido o descendido?

Ejercicio 2

El costo total de producción de un bien está dado por la función \[ f(x,y)=5x+10y, \] donde \(x\) es la cantidad de materia prima en kilogramos e \(y\) es la cantidad de mano de obra en horas. Si se usan \(20\) kg de materia prima y \(15\) horas de mano de obra, ¿cuál es el costo total de producción?

Ejercicio 3

Un artesano fabrica sillas y mesas. La función que relaciona la cantidad de sillas \(x\) y mesas \(y\) que fabrica en una semana es \[ f(x,y)=2x+4y. \] Si en una semana fabrica \(5\) sillas y quiere obtener un total de producción de \(30\), ¿cuántas mesas deberá fabricar?

Ejercicio 4

Para entrar a un parque de diversiones se debe pagar una entrada fija más un costo por cada juego. La función es \[ f(x,y)=5000+1000x+1500y, \] donde \(x\) es la cantidad de juegos mecánicos e \(y\) es la cantidad de juegos de destreza. Si una persona subió a \(3\) juegos mecánicos y a \(2\) juegos de destreza, ¿cuánto pagó en total?

Nivel Intermedio

Ejercicio 5

Un vehículo realiza dos tipos de trayecto. En el primer tipo recorre \(4\) unidades de distancia por cada hora, y en el segundo tipo recorre \(3\) unidades de distancia por cada hora. Si \(x\) e \(y\) representan las horas dedicadas a cada trayecto, la distancia total recorrida puede modelarse como \[ f(x,y)=4x+3y. \] Si se mueve \(2\) horas en el primer trayecto y \(3\) horas en el segundo, ¿cuál es la distancia total recorrida?

Ejercicio 6

Una población de bacterias crece a razón de \(2\) unidades por cada unidad del nutriente A y \(3\) unidades por cada unidad del nutriente B. Si la función de crecimiento es \[ f(x,y)=2x+3y, \] ¿cuántas unidades debe tener el nutriente B para que la población crezca \(20\) unidades, si se dispone de \(4\) unidades del nutriente A?

Ejercicio 7

El perímetro de un rectángulo se calcula como \[ P(x,y)=2x+2y, \] donde \(x\) es el largo e \(y\) es el ancho. Si el largo de un rectángulo es el doble que el ancho, y el perímetro es \(30\) cm, ¿cuáles son sus dimensiones?

Ejercicio 8

Un vehículo tiene un rendimiento de \(15\) km por litro en carretera y \(10\) km por litro en ciudad. Si la función de distancia recorrida es \[ f(x,y)=15x+10y, \] donde \(x\) son los litros usados en carretera e \(y\) los litros usados en ciudad, ¿cuántos kilómetros puede recorrer si gasta \(5\) litros en carretera y \(8\) litros en ciudad?

Nivel Avanzado

Ejercicio 9

Supón que la temperatura en un punto de una placa de metal está dada por la función \[ T(x,y)=20+2x+3y, \] donde \(x\) e \(y\) son coordenadas en centímetros y \(T\) es la temperatura en grados Celsius. Si te mueves desde el punto \((1,2)\) hasta el punto \((4,6)\), ¿cuánto habrá cambiado la temperatura?

Ejercicio 10

Una empresa produce usando dos recursos, R1 y R2. La función de producción es \[ f(x,y)=10x+15y, \] donde \(x\) es la cantidad de R1 e \(y\) es la cantidad de R2. Si la empresa tiene \(50\) unidades de R1 y \(60\) unidades de R2 disponibles, y se necesita producir al menos \(800\) unidades, ¿es posible alcanzar ese nivel? Da una combinación que produzca exactamente \(800\) unidades sin exceder los recursos disponibles.

Desafío

Ejercicio 11

La función de utilidad de un consumidor está dada por \[ U(x,y)=ax+by, \] donde \(x\) e \(y\) son las cantidades de dos bienes, y \(a\) y \(b\) son constantes positivas. Si el consumidor tiene un ingreso \(I\), y los precios de los bienes son \(p\) y \(q\), respectivamente, ¿cómo puede decidir qué bien le conviene consumir para maximizar su utilidad?

Ejercicio 12

La temperatura en una región del espacio está dada por la función \[ T(x,y)=a+bx+cy, \] donde \(x\) e \(y\) son coordenadas espaciales, y \(a\), \(b\) y \(c\) son constantes. Si se sabe que la temperatura en el punto \((1,1)\) es \(10\) grados, en el punto \((2,3)\) es \(15\) grados, y en el punto \((4,1)\) es \(20\) grados, ¿cuáles son los valores de \(a\), \(b\) y \(c\)?