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Continuidad y derivadas
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
1
Examen

Sea ff la función continua definida por

f(x)={eλx−ex−xx2si x≠0μsi x=0f(x) = \begin{cases} \frac{e^{\lambda x} - e^x - x}{x^2} & \text{si } x \neq 0 \\ \mu & \text{si } x = 0 \end{cases}
a) Calcula λ\lambda y μ\mu.b) Para λ=2\lambda = 2, calcula la ecuación de la recta tangente a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=1x = 1.
ContinuidadRecta tangenteL'Hôpital+1
a) Calcula λ\lambda y μ\mu.

Para que la función f(x)f(x) sea continua en x=0x=0, se debe cumplir que lim⁡x→0f(x)=f(0)\lim_{x \to 0} f(x) = f(0).Tenemos f(0)=μf(0) = \mu. Por lo tanto, debemos calcular el límite:

μ=lim⁡x→0eλx−ex−xx2\mu = \lim_{x \to 0} \frac{e^{\lambda x} - e^x - x}{x^2}

Al sustituir x=0x=0, obtenemos la indeterminación 00\frac{0}{0}. Aplicamos la regla de L'Hôpital:

μ=lim⁡x→0λeλx−ex−12x\mu = \lim_{x \to 0} \frac{\lambda e^{\lambda x} - e^x - 1}{2x}

Al sustituir x=0x=0 nuevamente, obtenemos λe0−e0−12⋅0=λ−1−10=λ−20\frac{\lambda e^0 - e^0 - 1}{2 \cdot 0} = \frac{\lambda - 1 - 1}{0} = \frac{\lambda - 2}{0}. Para que el límite exista y sea finito, el numerador debe ser cero, por lo tanto:

λ−2=0  ⟹  λ=2\lambda - 2 = 0 \implies \lambda = 2

Ahora, con λ=2\lambda = 2, volvemos a aplicar la regla de L'Hôpital para calcular el límite de μ\mu:

μ=lim⁡x→02e2x−ex−12x\mu = \lim_{x \to 0} \frac{2e^{2x} - e^x - 1}{2x}

Sigue siendo una indeterminación 00\frac{0}{0}, así que aplicamos L'Hôpital de nuevo:

μ=lim⁡x→02⋅2e2x−ex2=lim⁡x→04e2x−ex2\mu = \lim_{x \to 0} \frac{2 \cdot 2e^{2x} - e^x}{2} = \lim_{x \to 0} \frac{4e^{2x} - e^x}{2}

Sustituyendo x=0x=0:

μ=4e0−e02=4−12=32\mu = \frac{4e^0 - e^0}{2} = \frac{4 - 1}{2} = \frac{3}{2}

Por lo tanto, los valores son λ=2\lambda = 2 y μ=32\mu = \frac{3}{2}.

b) Para λ=2\lambda = 2, calcula la ecuación de la recta tangente a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=1x = 1.

La ecuación de la recta tangente a la gráfica de ff en x=1x=1 es y−f(1)=f′(1)(x−1)y - f(1) = f'(1)(x - 1).Primero, calculamos f(1)f(1). Como x=1≠0x=1 \neq 0, usamos la expresión para x≠0x \neq 0 con λ=2\lambda=2:

f(1)=e2⋅1−e1−112=e2−e−1f(1) = \frac{e^{2 \cdot 1} - e^1 - 1}{1^2} = e^2 - e - 1

Ahora, calculamos la derivada de f(x)f(x) para x≠0x \neq 0:

f(x)=e2x−ex−xx2f(x) = \frac{e^{2x} - e^x - x}{x^2}

Usamos la regla del cociente (u/v)′=(u′v−uv′)/v2(u/v)' = (u'v - uv')/v^2, donde u=e2x−ex−xu = e^{2x} - e^x - x y v=x2v = x^2.

u′=2e2x−ex−1v′=2xu' = 2e^{2x} - e^x - 1 \\ v' = 2x
f′(x)=(2e2x−ex−1)x2−(e2x−ex−x)(2x)(x2)2f'(x) = \frac{(2e^{2x} - e^x - 1)x^2 - (e^{2x} - e^x - x)(2x)}{(x^2)^2}

Simplificamos la expresión para f′(x)f'(x) (podemos dividir por xx en numerador y denominador):

f′(x)=(2e2x−ex−1)x−2(e2x−ex−x)x3f'(x) = \frac{(2e^{2x} - e^x - 1)x - 2(e^{2x} - e^x - x)}{x^3}

Ahora, evaluamos f′(1)f'(1):

f′(1)=(2e2⋅1−e1−1)⋅1−2(e2⋅1−e1−1)13f'(1) = \frac{(2e^{2 \cdot 1} - e^1 - 1) \cdot 1 - 2(e^{2 \cdot 1} - e^1 - 1)}{1^3}
f′(1)=(2e2−e−1)−2(e2−e−1)f'(1) = (2e^2 - e - 1) - 2(e^2 - e - 1)
f′(1)=2e2−e−1−2e2+2e+2f'(1) = 2e^2 - e - 1 - 2e^2 + 2e + 2
f′(1)=e+1f'(1) = e + 1

Finalmente, escribimos la ecuación de la recta tangente:

y−(e2−e−1)=(e+1)(x−1)y - (e^2 - e - 1) = (e + 1)(x - 1)
y=(e+1)x−(e+1)+e2−e−1y = (e + 1)x - (e + 1) + e^2 - e - 1
y=(e+1)x−e−1+e2−e−1y = (e + 1)x - e - 1 + e^2 - e - 1
y=(e+1)x+e2−2e−2y = (e + 1)x + e^2 - 2e - 2