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Optimización matemática para ADE y Economía con ejercicios resueltos

Optimización matemática para ADE y Economía con gráficos de ingresos, costes, beneficio, elasticidad y método de Lagrange
Optimización matemática para ADE y Economía

Optimización matemática para ADE y Economía: costes, ingresos, beneficios, elasticidad y Lagrange

Recurso universitario para aprender a construir, derivar e interpretar modelos económicos de una y varias variables. Incluye costes, ingresos, beneficios, elasticidad, excedentes, monopolio, derivadas parciales, Hessiana, Cobb-Douglas y multiplicadores de Lagrange, con problemas desarrollados paso a paso.

ADE · Economía · Finanzas · Matemáticas Empresariales · Optimización · Cálculo · Modelos económicos

La optimización económica no consiste en derivar por rutina. Primero hay que construir bien la función, distinguir variables y parámetros, interpretar la restricción y comprobar que el resultado tiene sentido económico.

1. Mapa del recurso

La ruta natural va desde la construcción de funciones económicas hasta la optimización con restricciones. Cada técnica responde a una pregunta distinta.

Pregunta económicaModeloHerramienta
¿Qué nivel de producción maximiza el beneficio?\(\Pi(q)=R(q)-C(q)\)Derivada y segunda derivada
¿Cuándo es mínimo el coste medio?\(CMe(q)=C(q)/q\)Puntos críticos
¿Cómo responde la demanda al precio?\(q=q(p)\)Elasticidad
¿Cómo repartir dos factores?\(f(x,y)\)Derivadas parciales y Hessiana
¿Cómo optimizar con presupuesto limitado?\(f(x,y)\) sujeto a \(g(x,y)=M\)Lagrange
Coste Ingreso nivel óptimo q

2. Funciones económicas básicas

El coste total suele descomponerse en coste fijo y coste variable:

\[C(q)=CF+CV(q)\]

El ingreso es precio por cantidad. Cuando el precio depende de la cantidad, debe sustituirse primero la función de demanda:

\[R(q)=p(q)\,q\]

El beneficio es la diferencia entre ingreso y coste:

\[\Pi(q)=R(q)-C(q)\]

3. Magnitudes medias y marginales

\[CMe(q)=\frac{C(q)}{q},\qquad CMg(q)=C'(q)\]
\[IMg(q)=R'(q),\qquad \Pi'(q)=IMg(q)-CMg(q)\]

En un máximo interior de beneficio se cumple \(IMg=CMg\). Esta igualdad aparece al imponer \(\Pi'(q)=0\).

4. Optimización en una variable

  1. Construir la función que realmente se quiere optimizar.
  2. Determinar el dominio económico.
  3. Calcular los puntos críticos.
  4. Comprobar la segunda derivada o el cambio de signo.
  5. Comparar extremos si el dominio es cerrado.
  6. Interpretar cantidad, precio, beneficio o coste.

5. Elasticidad e ingreso

\[E(p)=q'(p)\frac{p}{q(p)}\]
ValorClasificaciónLectura
\(|E|<1\)InelásticaLa cantidad responde proporcionalmente menos que el precio
\(|E|=1\)UnitariaVariación proporcional equivalente
\(|E|>1\)ElásticaLa cantidad responde proporcionalmente más
tramo elástico tramo inelástico |E| = 1

6. Excedentes y bienestar

\[EC=\int_0^{q^*}\left(p_D(q)-p^*\right)\,dq\]
\[EP=\int_0^{q^*}\left(p^*-p_O(q)\right)\,dq\]

7. Monopolio y mercados

\[IMg(q^*)=CMg(q^*),\qquad p^*=p(q^*)\]
Error frecuente. Igualar directamente precio y coste marginal en un monopolio conduce al resultado competitivo, no al monopolístico.

8. Funciones de varias variables

\[\nabla f(x,y)=\left(f_x(x,y),f_y(x,y)\right)\]

Un punto crítico interior satisface \(f_x=f_y=0\). Las derivadas parciales tienen interpretación marginal.

9. Hessiana y clasificación

\[H_f(x,y)=\begin{pmatrix}f_{xx}&f_{xy}\\f_{yx}&f_{yy}\end{pmatrix}\]
CondiciónClasificación
\(f_{xx}>0\), \(\det H>0\)Mínimo local
\(f_{xx}<0\), \(\det H>0\)Máximo local
\(\det H<0\)Punto de silla
\(\det H=0\)El criterio no decide
óptimo restricción

10. Multiplicadores de Lagrange

\[\mathcal L(x,y,\lambda)=f(x,y)+\lambda\left(M-g(x,y)\right)\]
\[\mathcal L_x=0,\qquad \mathcal L_y=0,\qquad \mathcal L_\lambda=0\]

Geométricamente, en el óptimo interior los gradientes de la función objetivo y de la restricción son paralelos.

11. Modelos Cobb-Douglas

\[Q(x,y)=A x^\alpha y^\beta\]

Cuando \(\alpha+\beta=1\), los exponentes pueden interpretarse como participaciones del presupuesto en numerosos problemas de maximización con restricción lineal.

12. Cuarenta ejercicios resueltos paso a paso

Ejercicio resuelto 1. Coste total, fijo, variable, medio y marginal

Una empresa tiene \(C(q)=400+12q+0{,}02q^2\). Identifica sus componentes y calcula el coste medio y el coste marginal.

El término independiente es el coste fijo. El resto forma el coste variable.

\[CF=400,\qquad CV(q)=12q+0{,}02q^2\]
\[CMe(q)=\frac{400}{q}+12+0{,}02q\]
\[CMg(q)=C'(q)=12+0{,}04q\]

En \(q=100\), \(CMg(100)=16\): cerca de ese nivel, una unidad adicional incrementa el coste aproximadamente en 16.

Resultado. \(CF=400\), \(CV=12q+0{,}02q^2\), \(CMe=400/q+12+0{,}02q\) y \(CMg=12+0{,}04q\).

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Ejercicio resuelto 2. Mínimo del coste medio

Sea \(C(q)=100+10q+q^2\), con \(q>0\). Calcula el nivel que minimiza el coste medio.

\[CMe(q)=\frac{100}{q}+10+q\]
\[CMe'(q)=-\frac{100}{q^2}+1\]
\[CMe'(q)=0\Longrightarrow q^2=100\]

Como \(q>0\), tomamos \(q=10\).

\[CMe''(q)=\frac{200}{q^3}>0\]
\[CMe(10)=30\]

Resultado. El coste medio mínimo se alcanza en \(q=10\) y vale 30.

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Ejercicio resuelto 3. Interpretación del coste marginal

Para \(C(q)=200+5q+0{,}1q^2\), aproxima el aumento de coste al pasar de 20 a 21 unidades y compáralo con el aumento exacto.

\[CMg(q)=5+0{,}2q\]
\[CMg(20)=9\]

La aproximación marginal predice un aumento cercano a 9.

\[C(21)-C(20)=9{,}1\]

Resultado. El coste marginal predice 9; el aumento exacto es 9,1.

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Ejercicio resuelto 4. Ingreso máximo con demanda lineal

La demanda inversa es \(p(q)=100-2q\). Calcula la cantidad y el precio que maximizan el ingreso.

\[R(q)=p(q)q=100q-2q^2\]
\[R'(q)=100-4q\]
\[R'(q)=0\Longrightarrow q=25\]
\[R''(q)=-4<0\]
\[p(25)=50,\qquad R(25)=1250\]

Resultado. El ingreso máximo es 1250, con \(q=25\) y \(p=50\).

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Ejercicio resuelto 5. Beneficio máximo

Una empresa se enfrenta a \(p(q)=80-q\) y tiene \(C(q)=200+20q\). Calcula producción, precio y beneficio máximos.

\[R(q)=80q-q^2\]
\[\Pi(q)=R(q)-C(q)=60q-q^2-200\]
\[\Pi'(q)=60-2q=0\Longrightarrow q=30\]
\[\Pi''(q)=-2<0\]
\[p(30)=50,\qquad \Pi(30)=700\]

Resultado. El beneficio máximo es 700, produciendo 30 unidades y cobrando 50.

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Ejercicio resuelto 6. Puntos de equilibrio

Con \(\Pi(q)=60q-q^2-200\), calcula los niveles de producción en los que el beneficio es cero.

\[60q-q^2-200=0\]
\[q^2-60q+200=0\]
\[q=\frac{60\pm\sqrt{2800}}{2}=30\pm10\sqrt7\]

Numéricamente, \(q_1\approx3{,}542\) y \(q_2\approx56{,}458\). Entre ambos niveles el beneficio es positivo.

Resultado. Los puntos de equilibrio son \(q=30\pm10\sqrt7\).

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Ejercicio resuelto 7. Efecto de un impuesto por unidad

Partimos de \(p(q)=80-q\) y \(C(q)=200+20q\). Se introduce un impuesto de 6 por unidad. Calcula el nuevo óptimo.

El impuesto añade \(6q\) al coste.

\[\Pi_t(q)=54q-q^2-200\]
\[\Pi_t'(q)=54-2q=0\]
\[q_t=27,\qquad p_t=53\]
\[\Pi_t(27)=529\]

Resultado. El nuevo óptimo es \(q=27\), \(p=53\), con beneficio 529.

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Ejercicio resuelto 8. Elasticidad precio de una demanda lineal

La demanda es \(q(p)=120-3p\). Calcula la elasticidad en \(p=20\).

\[q'(p)=-3,\qquad q(20)=60\]
\[E(p)=q'(p)\frac{p}{q(p)}\]
\[E(20)=-3\frac{20}{60}=-1\]

En valor absoluto, la elasticidad es 1: elasticidad unitaria.

Resultado. La elasticidad es \(-1\).

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Ejercicio resuelto 9. Tramos elástico e inelástico

Para \(q(p)=120-3p\), clasifica la demanda en \(p=10\) y en \(p=30\).

\[E(p)=-\frac{p}{40-p}\]
\[E(10)=-\frac13\]

En \(p=10\), \(|E|<1\): demanda inelástica.

\[E(30)=-3\]

En \(p=30\), \(|E|>1\): demanda elástica.

Resultado. En \(p=10\) es inelástica; en \(p=30\) es elástica.

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Ejercicio resuelto 10. Ingreso máximo y elasticidad unitaria

La demanda es \(q(p)=100-2p\). Demuestra que el ingreso máximo aparece cuando la elasticidad es \(-1\).

\[R(p)=100p-2p^2\]
\[R'(p)=100-4p=0\Longrightarrow p=25\]
\[q(25)=50\]
\[E(25)=-2\frac{25}{50}=-1\]

Resultado. El ingreso se maximiza con \(p=25\), \(q=50\) y elasticidad \(-1\).

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Ejercicio resuelto 11. Elasticidad en una demanda exponencial

Sea \(q(p)=1000e^{-0{,}02p}\). Calcula la elasticidad y determina el precio de elasticidad unitaria.

\[q'(p)=-20e^{-0{,}02p}\]
\[E(p)=q'(p)\frac{p}{q(p)}=-0{,}02p\]
\[|E(p)|=1\Longrightarrow p=50\]

Resultado. La elasticidad es \(E(p)=-0{,}02p\) y es unitaria en \(p=50\).

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Ejercicio resuelto 12. Optimización en intervalo cerrado

El beneficio es \(\Pi(q)=-q^2+50q-200\), pero la capacidad limita la producción a \(0\le q\le20\).

\[\Pi'(q)=-2q+50\]
\[\Pi'(q)=0\Longrightarrow q=25\]

El punto crítico queda fuera del intervalo. Comparamos extremos.

\[\Pi(0)=-200,\qquad \Pi(20)=400\]

Resultado. El máximo factible se alcanza en \(q=20\), con beneficio 400.

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Ejercicio resuelto 13. Excedente del consumidor

La demanda inversa es \(p(q)=100-q\). Si el precio de mercado es 40, calcula el excedente del consumidor.

\[40=100-q\Longrightarrow q^*=60\]
\[EC=\int_0^{60}(100-q-40)\,dq\]
\[EC=\left[60q-\frac{q^2}{2}\right]_0^{60}=1800\]

Resultado. El excedente del consumidor es 1800.

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Ejercicio resuelto 14. Excedente del productor

La oferta inversa es \(p(q)=10+0{,}5q\). Si el precio de mercado es 40, calcula el excedente del productor.

\[40=10+0{,}5q\Longrightarrow q^*=60\]
\[EP=\int_0^{60}\left(40-(10+0{,}5q)\right)\,dq\]
\[EP=\left[30q-\frac{q^2}{4}\right]_0^{60}=900\]

Resultado. El excedente del productor es 900.

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Ejercicio resuelto 15. Monopolio: precio y cantidad óptimos

Un monopolista tiene \(p(q)=120-q\) y \(C(q)=100+20q\). Calcula su decisión óptima.

\[R(q)=120q-q^2,\qquad IMg(q)=120-2q\]
\[CMg(q)=20\]
\[120-2q=20\Longrightarrow q=50\]
\[p=70\]
\[\Pi=70\cdot50-(100+20\cdot50)=2400\]

Resultado. El monopolio produce 50, fija precio 70 y obtiene beneficio 2400.

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Ejercicio resuelto 16. Comparación con el equilibrio competitivo

Con \(p(q)=120-q\) y coste marginal constante 20, compara monopolio y competencia.

\[120-q=20\Longrightarrow q_c=100,\qquad p_c=20\]

El monopolio producía 50 y cobraba 70.

\[PM=\frac12(100-50)(70-20)=1250\]

Resultado. Competencia: \(q=100\), \(p=20\). Monopolio: \(q=50\), \(p=70\). La pérdida de eficiencia es 1250.

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Ejercicio resuelto 17. Precio óptimo en dos mercados

Una empresa vende en dos mercados: \(q_1=80-p_1\) y \(q_2=60-2p_2\). El coste marginal es 20.

\[p_1=80-q_1,\qquad IMg_1=80-2q_1\]
\[80-2q_1=20\Longrightarrow q_1=30,\quad p_1=50\]
\[p_2=30-\frac12q_2,\qquad IMg_2=30-q_2\]
\[30-q_2=20\Longrightarrow q_2=10,\quad p_2=25\]

Resultado. Los precios óptimos son \(p_1=50\) y \(p_2=25\).

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Ejercicio resuelto 18. Relación entre coste medio y marginal

Sea \(C(q)=100+q^2\). Comprueba que el coste medio es mínimo cuando coincide con el marginal.

\[CMe(q)=\frac{100}{q}+q,\qquad CMg(q)=2q\]
\[CMe'(q)=-\frac{100}{q^2}+1=0\]
\[q=10\]
\[CMe(10)=20,\qquad CMg(10)=20\]

Resultado. El coste medio se minimiza en \(q=10\), donde \(CMe=CMg=20\).

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Ejercicio resuelto 19. Optimización con utilidad logarítmica

Sea \(U(x)=50\ln x-2x\), con \(x>0\). Calcula su máximo.

\[U'(x)=\frac{50}{x}-2\]
\[U'(x)=0\Longrightarrow x=25\]
\[U''(x)=-\frac{50}{x^2}<0\]

Resultado. El máximo se alcanza en \(x=25\).

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Ejercicio resuelto 20. Inversión óptima en publicidad

El beneficio adicional generado por una inversión \(x\) es \(100\sqrt{x}\), y su coste es \(10x\).

\[\Pi(x)=100\sqrt{x}-10x\]
\[\Pi'(x)=\frac{50}{\sqrt{x}}-10\]
\[\sqrt{x}=5\Longrightarrow x=25\]
\[\Pi''(x)=-\frac{25}{x^{3/2}}<0\]
\[\Pi(25)=250\]

Resultado. La inversión óptima es 25 y genera un beneficio neto de 250.

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Ejercicio resuelto 21. Derivadas parciales de una función de costes

Sea \(C(x,y)=x^2+xy+2y^2+100\). Calcula las derivadas parciales e interprétalas en \((10,5)\).

\[C_x=2x+y\]
\[C_y=x+4y\]
\[C_x(10,5)=25,\qquad C_y(10,5)=30\]

\(C_x\) mide el aumento aproximado del coste al incrementar una unidad \(x\), manteniendo \(y\) constante; \(C_y\) hace lo mismo para \(y\).

Resultado. En \((10,5)\), una unidad adicional de \(x\) aumenta el coste aproximadamente en 25, y una de \(y\), en 30.

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Ejercicio resuelto 22. Gradiente y dirección de crecimiento

Para \(B(x,y)=40x+30y-x^2-y^2\), calcula el gradiente en \((10,5)\).

\[\nabla B(x,y)=(40-2x,\ 30-2y)\]
\[\nabla B(10,5)=(20,20)\]
\[\|\nabla B(10,5)\|=20\sqrt2\]

El gradiente señala la dirección de crecimiento más rápido.

Resultado. El gradiente es \((20,20)\), con máxima tasa direccional \(20\sqrt2\).

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Ejercicio resuelto 23. Máximo con dos variables y Hessiana

Sea \(B(x,y)=100+20x+30y-x^2-y^2-xy\). Calcula y clasifica su punto crítico.

\[B_x=20-2x-y,\qquad B_y=30-x-2y\]
\[\begin{cases}2x+y=20\\x+2y=30\end{cases}\]
\[x=\frac{10}{3},\qquad y=\frac{40}{3}\]
\[H=\begin{pmatrix}-2&-1\\-1&-2\end{pmatrix}\]
\[\Delta_1=-2<0,\qquad \Delta_2=3>0\]

La Hessiana es definida negativa.

\[B\left(\frac{10}{3},\frac{40}{3}\right)=\frac{1000}{3}\]

Resultado. Máximo en \(\left(10/3,40/3\right)\), con valor \(1000/3\).

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Ejercicio resuelto 24. Mínimo de costes con dos variables

Sea \(C(x,y)=x^2+2y^2-4x-8y+20\). Calcula su mínimo.

\[C_x=2x-4,\qquad C_y=4y-8\]
\[x=2,\qquad y=2\]
\[H=\begin{pmatrix}2&0\\0&4\end{pmatrix}\]
\[\Delta_1=2>0,\qquad \Delta_2=8>0\]
\[C(2,2)=8\]

Resultado. El coste mínimo es 8 y se alcanza en \((2,2)\).

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Ejercicio resuelto 25. Punto de silla

Clasifica el punto crítico de \(f(x,y)=x^2-y^2+4x+2y\).

\[f_x=2x+4,\qquad f_y=-2y+2\]
\[x=-2,\qquad y=1\]
\[H=\begin{pmatrix}2&0\\0&-2\end{pmatrix}\]
\[\det H=-4<0\]

Resultado. El punto \((-2,1)\) es un punto de silla.

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Ejercicio resuelto 26. Clasificación con parámetro

Estudia \(q(x,y)=x^2+2axy+y^2\) según el valor de \(a\).

\[A=\begin{pmatrix}1&a\\a&1\end{pmatrix}\]
\[\Delta_1=1,\qquad \Delta_2=1-a^2\]

Si \(|a|<1\), es definida positiva. Si \(|a|=1\), semidefinida positiva. Si \(|a|>1\), indefinida.

Resultado. Definida positiva si \(|a|<1\), semidefinida si \(|a|=1\) e indefinida si \(|a|>1\).

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Ejercicio resuelto 27. Producto marginal en Cobb-Douglas

Una producción es \(Q(x,y)=10x^{1/2}y^{1/2}\). Calcula los productos marginales en \((25,16)\).

\[PMg_x=5\sqrt{\frac{y}{x}}\]
\[PMg_y=5\sqrt{\frac{x}{y}}\]
\[PMg_x(25,16)=4\]
\[PMg_y(25,16)=\frac{25}{4}=6{,}25\]

Resultado. \(PMg_x=4\) y \(PMg_y=6{,}25\).

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Ejercicio resuelto 28. Producción máxima con presupuesto

Maximiza \(Q(x,y)=\sqrt{xy}\) sujeto a \(4x+2y=120\).

\[\mathcal L=\sqrt{xy}+\lambda(120-4x-2y)\]
\[\mathcal L_x=\frac{y}{2\sqrt{xy}}-4\lambda=0\]
\[\mathcal L_y=\frac{x}{2\sqrt{xy}}-2\lambda=0\]

Dividiendo, \(y/x=2\).

\[y=2x\]
\[4x+2(2x)=120\]
\[x=15,\qquad y=30\]
\[Q_{\max}=15\sqrt2\]

Resultado. El presupuesto óptimo asigna \(x=15\), \(y=30\), con producción \(15\sqrt2\).

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Ejercicio resuelto 29. Minimización de costes para una producción dada

Minimiza \(C=4x+2y\) sujeto a \(xy=450\).

\[\mathcal L=4x+2y+\lambda(450-xy)\]
\[4-\lambda y=0,\qquad 2-\lambda x=0\]
\[\frac{4}{2}=\frac{y}{x}\Longrightarrow y=2x\]
\[x(2x)=450\]
\[x=15,\qquad y=30\]
\[C_{\min}=120\]

Resultado. El coste mínimo es 120, con \(x=15\) e \(y=30\).

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Ejercicio resuelto 30. Utilidad Cobb-Douglas con restricción presupuestaria

Maximiza \(U(x,y)=\sqrt{xy}\) sujeto a \(2x+5y=100\).

\[\frac{U_x}{U_y}=\frac{y}{x}=\frac{2}{5}\]
\[y=\frac{2}{5}x\]
\[2x+5\left(\frac{2}{5}x\right)=100\]
\[x=25,\qquad y=10\]
\[U_{\max}=5\sqrt{10}\]

Resultado. La cesta óptima es \((25,10)\), con utilidad \(5\sqrt{10}\).

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Ejercicio resuelto 31. Cobb-Douglas con exponentes distintos

Maximiza \(U(x,y)=x^{0{,}3}y^{0{,}7}\) sujeto a \(3x+2y=120\).

En una Cobb-Douglas con exponentes que suman 1, cada exponente determina la fracción óptima del presupuesto.

\[3x=0{,}3\cdot120=36\]
\[x=12\]
\[2y=0{,}7\cdot120=84\]
\[y=42\]

Resultado. La cesta óptima es \(x=12\), \(y=42\).

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Ejercicio resuelto 32. Producción Cobb-Douglas con presupuesto

Maximiza \(Q(x,y)=x^{0{,}4}y^{0{,}6}\) sujeto a \(5x+10y=1000\).

\[5x=0{,}4\cdot1000=400\]
\[x=80\]
\[10y=0{,}6\cdot1000=600\]
\[y=60\]

Resultado. La asignación óptima es \(x=80\), \(y=60\).

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Ejercicio resuelto 33. Minimización de costes con tecnología Cobb-Douglas

Minimiza \(C=4x+y\) sujeto a \(\sqrt{xy}=100\).

La restricción equivale a \(xy=10000\).

\[\mathcal L=4x+y+\lambda(10000-xy)\]
\[4-\lambda y=0,\qquad 1-\lambda x=0\]
\[y=4x\]
\[4x^2=10000\]
\[x=50,\qquad y=200\]
\[C_{\min}=400\]

Resultado. El coste mínimo es 400, usando \(x=50\) e \(y=200\).

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Ejercicio resuelto 34. Máximo lineal sobre una circunferencia

Maximiza \(3x+2y\) sujeto a \(x^2+y^2=25\).

\[\mathcal L=3x+2y+\lambda(25-x^2-y^2)\]
\[3-2\lambda x=0,\qquad 2-2\lambda y=0\]

El vector \((x,y)\) debe ser paralelo a \((3,2)\).

\[(x,y)=k(3,2)\]
\[13k^2=25\]
\[x=\frac{15}{\sqrt{13}},\qquad y=\frac{10}{\sqrt{13}}\]
\[3x+2y=5\sqrt{13}\]

Resultado. El máximo es \(5\sqrt{13}\).

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Ejercicio resuelto 35. Minimizar una suma de cuadrados

Minimiza \(x^2+y^2\) sujeto a \(x+y=10\).

\[\mathcal L=x^2+y^2+\lambda(10-x-y)\]
\[2x-\lambda=0,\qquad 2y-\lambda=0\]
\[x=y\]
\[x+y=10\Longrightarrow x=y=5\]
\[x^2+y^2=50\]

Resultado. El mínimo es 50 y se alcanza en \((5,5)\).

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Ejercicio resuelto 36. Producto máximo con suma fija

Maximiza \(xy\) sujeto a \(x+y=20\), con \(x,y\ge0\).

\[\mathcal L=xy+\lambda(20-x-y)\]
\[y-\lambda=0,\qquad x-\lambda=0\]
\[x=y\]
\[x+y=20\Longrightarrow x=y=10\]
\[xy=100\]

Resultado. El producto máximo es 100, con \(x=y=10\).

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Ejercicio resuelto 37. Plan de producción de dos bienes

El beneficio es \(\Pi(x,y)=50x+40y-x^2-2y^2-xy-500\). Calcula el plan óptimo interior.

\[\Pi_x=50-2x-y,\qquad \Pi_y=40-x-4y\]
\[\begin{cases}2x+y=50\\x+4y=40\end{cases}\]
\[x=\frac{160}{7},\qquad y=\frac{30}{7}\]
\[H=\begin{pmatrix}-2&-1\\-1&-4\end{pmatrix}\]
\[\Delta_1=-2<0,\qquad \Delta_2=7>0\]
\[\Pi_{\max}=\frac{6600}{7}\approx942{,}857\]

Resultado. El plan óptimo es \(x=160/7\), \(y=30/7\), con beneficio \(6600/7\).

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Ejercicio resuelto 38. Restricción presupuestaria y tangencia

Maximiza \(U(x,y)=\ln x+2\ln y\) sujeto a \(x+2y=60\).

\[\mathcal L=\ln x+2\ln y+\lambda(60-x-2y)\]
\[\frac1x-\lambda=0\]
\[\frac2y-2\lambda=0\]
\[x=y\]
\[x+2x=60\]
\[x=y=20\]

Resultado. La cesta óptima es \((20,20)\).

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Ejercicio resuelto 39. Interpretación del multiplicador

En \(U(x,y)=\sqrt{xy}\), sujeto a \(2x+5y=M\), calcula el multiplicador cuando \(M=100\).

Del ejercicio 30, \(x=25\), \(y=10\).

\[U_x=\frac{y}{2\sqrt{xy}}=2\lambda\]
\[\lambda=\frac{y}{4\sqrt{xy}}\]
\[\lambda=\frac{10}{4\sqrt{250}}=\frac{\sqrt{10}}{20}\approx0{,}1581\]

El multiplicador aproxima cuánto aumenta la utilidad máxima cuando el presupuesto crece una unidad.

Resultado. \(\lambda=\sqrt{10}/20\approx0{,}1581\).

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Ejercicio resuelto 40. Comparación de candidatos en restricción no lineal

Maximiza \(x+2y\) sujeto a \(x^2+y^2=25\).

\[\mathcal L=x+2y+\lambda(25-x^2-y^2)\]
\[1-2\lambda x=0,\qquad 2-2\lambda y=0\]

El vector \((x,y)\) es paralelo a \((1,2)\).

\[(x,y)=k(1,2)\]
\[5k^2=25\Longrightarrow k=\pm\sqrt5\]
\[x+2y=\pm5\sqrt5\]

Resultado. El máximo es \(5\sqrt5\) en \((\sqrt5,2\sqrt5)\); el mínimo es \(-5\sqrt5\) en el punto opuesto.

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13. Veinte ejercicios propuestos con soluciones

Resuelve primero sin desplegar la solución. Identifica la función económica, el dominio, el método y la interpretación final.

  1. 1. Para \(C(q)=300+8q+0{,}05q^2\), calcula \(CF\), \(CV\), \(CMe\) y \(CMg\).

    Ver solución

    \(CF=300\), \(CV=8q+0{,}05q^2\), \(CMe=300/q+8+0{,}05q\), \(CMg=8+0{,}1q\).

  2. 2. Minimiza el coste medio de \(C(q)=144+12q+q^2\).

    Ver solución

    \(CMe=144/q+12+q\); el mínimo se alcanza en \(q=12\), con \(CMe=36\).

  3. 3. Con \(p(q)=90-q\), calcula la cantidad que maximiza el ingreso.

    Ver solución

    \(R=90q-q^2\); \(q=45\), \(p=45\), \(R_{\max}=2025\).

  4. 4. Con \(p(q)=70-q\) y \(C(q)=100+10q\), maximiza el beneficio.

    Ver solución

    \(\Pi=60q-q^2-100\); \(q=30\), \(p=40\), \(\Pi_{\max}=800\).

  5. 5. Para \(q(p)=150-5p\), calcula la elasticidad en \(p=20\).

    Ver solución

    \(q=50\); \(E=-5(20/50)=-2\). La demanda es elástica.

  6. 6. Calcula el excedente del consumidor si \(p(q)=80-q\) y el precio es 30.

    Ver solución

    \(q=50\); \(EC=\frac12\cdot50\cdot50=1250\).

  7. 7. Calcula el excedente del productor si \(p(q)=5+q\) y el precio es 25.

    Ver solución

    \(q=20\); \(EP=\frac12\cdot20\cdot20=200\).

  8. 8. Maximiza \(U(x)=40\ln x-x\), con \(x>0\).

    Ver solución

    \(U'=40/x-1\); máximo en \(x=40\).

  9. 9. Calcula el gradiente de \(f(x,y)=3x^2+2xy+y^2\) en \((1,2)\).

    Ver solución

    \(\nabla f=(6x+2y,2x+2y)\); \(\nabla f(1,2)=(10,6)\).

  10. 10. Clasifica el punto crítico de \(f(x,y)=x^2+3y^2-4x+6y\).

    Ver solución

    Punto crítico \((2,-1)\). Hessiana definida positiva. Es un mínimo.

  11. 11. Clasifica el punto crítico de \(f(x,y)=-x^2-2y^2+6x+8y\).

    Ver solución

    Punto crítico \((3,2)\). Hessiana definida negativa. Es un máximo.

  12. 12. Estudia \(q(x,y)=x^2+4axy+4y^2\) según \(a\).

    Ver solución

    Matriz \(\begin{pmatrix}1&2a\\2a&4\end{pmatrix}\). Definida positiva si \(|a|<1\), semidefinida si \(|a|=1\), indefinida si \(|a|>1\).

  13. 13. Maximiza \(\sqrt{xy}\) sujeto a \(x+y=40\).

    Ver solución

    \(x=y=20\); valor máximo 20.

  14. 14. Minimiza \(3x+y\) sujeto a \(xy=300\).

    Ver solución

    Condición \(y=3x\); \(x=10\), \(y=30\); coste mínimo 60.

  15. 15. Maximiza \(x^{0{,}25}y^{0{,}75}\) sujeto a \(4x+3y=240\).

    Ver solución

    Se destina el 25 % del presupuesto a \(x\): \(x=15\). El 75 % a \(y\): \(y=60\).

  16. 16. Minimiza \(x^2+y^2\) sujeto a \(2x+y=12\).

    Ver solución

    \((x,y)=(24/5,12/5)\); mínimo \(144/5\).

  17. 17. Maximiza \(2x+y\) sujeto a \(x^2+y^2=16\).

    Ver solución

    Máximo \(4\sqrt5\), en \((8/\sqrt5,4/\sqrt5)\).

  18. 18. Para \(\Pi(x,y)=30x+24y-x^2-y^2\), calcula el máximo.

    Ver solución

    \((x,y)=(15,12)\); \(\Pi_{\max}=369\).

  19. 19. Maximiza \(\ln x+\ln y\) sujeto a \(x+3y=60\).

    Ver solución

    Se reparte el gasto por igual: \(x=30\), \(y=10\).

  20. 20. En \(U(x,y)=\sqrt{xy}\) con \(x+4y=80\), calcula la cesta óptima.

    Ver solución

    \(x=40\), \(y=10\), \(U=20\).

tangencia restricción presupuestaria curva de indiferencia

14. Dos simulacros universitarios

Simulacro 1. Costes, ingresos, elasticidad y beneficio

Tiempo recomendado: 90 minutos.

  1. Una empresa tiene \(C(q)=500+10q+0{,}05q^2\). Calcula coste fijo, variable, medio y marginal.
  2. La demanda inversa es \(p(q)=90-q\). Calcula ingreso e ingreso marginal.
  3. Con el coste del apartado 1 y la demanda del 2, construye el beneficio y calcula el nivel óptimo.
  4. Calcula el precio correspondiente y el beneficio máximo.
  5. Determina los puntos de equilibrio de la empresa.
  6. Para \(q(p)=180-4p\), calcula la elasticidad en \(p=30\).
  7. Explica la relación entre elasticidad unitaria e ingreso máximo.
  8. Calcula el excedente del consumidor si \(p(q)=100-q\) y el precio es 40.
Soluciones orientativas

1. \(CF=500\), \(CV=10q+0{,}05q^2\), \(CMe=500/q+10+0{,}05q\), \(CMg=10+0{,}1q\). 2. \(R=90q-q^2\), \(IMg=90-2q\). 3. \(\Pi=80q-1{,}05q^2-500\); \(q^*=800/21\approx38{,}095\). 4. \(p^*=1090/21\approx51{,}905\); \(\Pi_{\max}\approx1023{,}81\). 5. Resolver \(1{,}05q^2-80q+500=0\). 6. \(q=60\), \(E=-2\). 7. En un máximo interior de ingreso, \(E=-1\). 8. \(EC=1800\).

Simulacro 2. Varias variables, Hessiana y Lagrange

Tiempo recomendado: 100 minutos.

  1. Calcula y clasifica el punto crítico de \(f(x,y)=40x+32y-x^2-y^2-xy\).
  2. Estudia la forma cuadrática \(x^2+2axy+4y^2\) según \(a\).
  3. Maximiza \(\sqrt{xy}\) sujeto a \(3x+2y=120\).
  4. Minimiza \(3x+2y\) sujeto a \(xy=600\).
  5. Maximiza \(x^{0{,}4}y^{0{,}6}\) con presupuesto \(5x+4y=500\).
  6. Interpreta económicamente el multiplicador de Lagrange.
  7. Maximiza \(2x+3y\) sujeto a \(x^2+y^2=25\).
  8. Explica por qué un punto que satisface las condiciones de primer orden no tiene que ser necesariamente máximo.
Soluciones orientativas

1. Punto \((16,8)\); Hessiana definida negativa; máximo. 2. Matriz \(\begin{pmatrix}1&a\\a&4\end{pmatrix}\): definida positiva si \(|a|<2\), semidefinida si \(|a|=2\), indefinida si \(|a|>2\). 3. \(x=20\), \(y=30\). 4. \(x=20\), \(y=30\); coste 120. 5. \(x=40\), \(y=75\). 6. Aproxima la variación del valor óptimo al relajar una unidad la restricción. 7. Máximo \(5\sqrt{13}\), en \((10/\sqrt{13},15/\sqrt{13})\). 8. Puede ser mínimo, punto de silla o punto degenerado; hay que clasificarlo y revisar el dominio.

15. Errores frecuentes

  • Confundir ingreso con beneficio.
  • Olvidar sustituir la demanda antes de construir el ingreso.
  • Usar precio igual a coste marginal en un monopolio.
  • Ignorar el dominio económico o la capacidad máxima.
  • Clasificar un punto crítico sin segunda derivada o Hessiana.
  • Confundir coste medio con coste marginal.
  • Olvidar el signo negativo de la elasticidad de la demanda.
  • Usar Lagrange sin incorporar correctamente la restricción.
  • Aceptar cantidades negativas sin interpretación económica.
  • No comparar candidatos cuando la restricción es cerrada.

16. Ruta dentro del clúster universitario

Este recurso ocupa la zona aplicada del clúster. No sustituye a las piezas técnicas: las reúne alrededor de problemas económicos reales.

17. Preguntas frecuentes

¿Este recurso sirve solo para ADE?

No. También encaja en Economía, Finanzas, Marketing, Matemáticas Empresariales, Ingeniería de Organización y asignaturas de Métodos Cuantitativos.

¿Hay que dominar antes las derivadas?

Conviene manejar derivadas de una variable y tener una base mínima de derivadas parciales. El recurso desarrolla el razonamiento económico, pero no sustituye todo el aprendizaje previo del cálculo.

¿Lagrange siempre da el máximo?

No. Las condiciones de primer orden producen candidatos. Después hay que estudiar la naturaleza del punto, el dominio y, cuando proceda, comparar valores.

¿Por qué aparecen tantas interpretaciones?

Porque en un examen universitario no basta con obtener \(q=30\) o \(\lambda=0{,}15\). Hay que explicar qué representa la cantidad, por qué es óptima y qué significado económico tiene.

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