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Continuidad, derivabilidad e integración
Problema
2020 · Extraordinaria · Suplente
4
Examen

Se considera la función

f(x)={ax+12si x1x+1x+3si 1<x1x2bxsi x>1f(x) = \begin{cases} ax + \frac{1}{2} & \text{si } x \leq -1 \\ \frac{x + 1}{x + 3} & \text{si } -1 < x \leq 1 \\ x^2 - bx & \text{si } x > 1 \end{cases}
a) Halle aa y bb para que la función sea continua en todo su dominio. Para esos valores de aa y bb, ¿es ff derivable en x=1x = -1? ¿Y en x=1x = 1?b) Para a=1a = -1 y b=4b = 4, estudie la monotonía de la función ff.c) Para a=1a = -1 y b=4b = 4, calcule 12f(x)dx\int_{1}^{2} f(x)dx.
ContinuidadDerivabilidadIntegral definida+1
Resolución de la función definida a trozos
a) Halle aa y bb para que la función sea continua en todo su dominio. Para esos valores de aa y bb, ¿es ff derivable en x=1x = -1? ¿Y en x=1x = 1?

Para que la función sea continua en todo su dominio, debe ser continua en los puntos de cambio de definición, x=1x = -1 y x=1x = 1. Estudiamos primero la continuidad en x=1x = -1:

limx1f(x)=limx1(ax+12)=a+12\lim_{x \to -1^{-}} f(x) = \lim_{x \to -1^{-}} (ax + \frac{1}{2}) = -a + \frac{1}{2}
limx1+f(x)=limx1+x+1x+3=02=0\lim_{x \to -1^{+}} f(x) = \lim_{x \to -1^{+}} \frac{x + 1}{x + 3} = \frac{0}{2} = 0

Igualando los límites laterales para que exista el límite y coincida con f(1)f(-1): a+12=0    a=12-a + \frac{1}{2} = 0 \implies a = \frac{1}{2}.Ahora estudiamos la continuidad en x=1x = 1:

limx1f(x)=limx1x+1x+3=24=12\lim_{x \to 1^{-}} f(x) = \lim_{x \to 1^{-}} \frac{x + 1}{x + 3} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}
limx1+f(x)=limx1+(x2bx)=1b\lim_{x \to 1^{+}} f(x) = \lim_{x \to 1^{+}} (x^2 - bx) = 1 - b

Igualando los límites: 1b=12    b=121 - b = \frac{1}{2} \implies b = \frac{1}{2}.Para estudiar la derivabilidad, calculamos la derivada de la función en los intervalos abiertos con a=12a = \frac{1}{2} y b=12b = \frac{1}{2}:

f(x)={12si x<12(x+3)2si 1<x<12x12si x>1f'(x) = \begin{cases} \frac{1}{2} & \text{si } x < -1 \\ \frac{2}{(x + 3)^2} & \text{si } -1 < x < 1 \\ 2x - \frac{1}{2} & \text{si } x > 1 \end{cases}

En x=1x = -1: f(1)=12f'(-1^{-}) = \frac{1}{2} y f(1+)=2(1+3)2=24=12f'(-1^{+}) = \frac{2}{(-1 + 3)^2} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}. Como f(1)=f(1+)f'(-1^{-}) = f'(-1^{+}), la función es derivable en x=1x = -1.En x=1x = 1: f(1)=2(1+3)2=216=18f'(1^{-}) = \frac{2}{(1 + 3)^2} = \frac{2}{16} = \frac{1}{8} y f(1+)=2(1)12=32f'(1^{+}) = 2(1) - \frac{1}{2} = \frac{3}{2}. Como f(1)f(1+)f'(1^{-}) \neq f'(1^{+}), la función no es derivable en x=1x = 1.

b) Para a=1a = -1 y b=4b = 4, estudie la monotonía de la función ff.

Calculamos la derivada para los valores dados:

f(x)={1si x<12(x+3)2si 1<x<12x4si x>1f'(x) = \begin{cases} -1 & \text{si } x < -1 \\ \frac{2}{(x + 3)^2} & \text{si } -1 < x < 1 \\ 2x - 4 & \text{si } x > 1 \end{cases}

Analizamos el signo de la derivada en cada tramo:En (,1)(-\infty, -1), f(x)=1<0f'(x) = -1 < 0, por lo que la función es estrictamente decreciente.En (1,1)(-1, 1), f(x)=2(x+3)2>0f'(x) = \frac{2}{(x + 3)^2} > 0, por lo que la función es estrictamente creciente.En (1,)(1, \infty), f(x)=2x4f'(x) = 2x - 4. Igualando a cero, 2x4=0    x=22x - 4 = 0 \implies x = 2. En el intervalo (1,2)(1, 2), f(x)<0f'(x) < 0 (decreciente), y en (2,)(2, \infty), f(x)>0f'(x) > 0 (creciente).

c) Para a=1a = -1 y b=4b = 4, calcule 12f(x)dx\int_{1}^{2} f(x)dx.

En el intervalo [1,2][1, 2], la función está definida por f(x)=x24xf(x) = x^2 - 4x:

12(x24x)dx=[x332x2]12\int_{1}^{2} (x^2 - 4x) dx = \left[ \frac{x^3}{3} - 2x^2 \right]_1^2
(2332(2)2)(1332(1)2)=(838)(132)\left( \frac{2^3}{3} - 2(2)^2 \right) - \left( \frac{1^3}{3} - 2(1)^2 \right) = \left( \frac{8}{3} - 8 \right) - \left( \frac{1}{3} - 2 \right)
8243163=163(53)=113\frac{8 - 24}{3} - \frac{1 - 6}{3} = -\frac{16}{3} - \left( -\frac{5}{3} \right) = -\frac{11}{3}