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Análisis de funciones
Problema
2023 · Ordinaria · Suplente
2A
Examen

Considera la función f(x)=1xxf(x) = \frac{1}{x|x|}, para x0x \neq 0.

a) Calcula los intervalos de concavidad y de convexidad de ff, así como los puntos de inflexión de su gráfica, si existen.b) Estudia y calcula las asíntotas de la función. Esboza su gráfica.
Análisis de funcionesConcavidadConvexidad+2

Para facilitar el estudio de la función f(x)=1xxf(x) = \frac{1}{x|x|}, la reescribimos como una función definida a trozos eliminando el valor absoluto según el signo de xx:

f(x)={1x2si x>01x2si x<0f(x) = \begin{cases} \frac{1}{x^2} & \text{si } x > 0 \\ -\frac{1}{x^2} & \text{si } x < 0 \end{cases}
a) Calcula los intervalos de concavidad y de convexidad de ff, así como los puntos de inflexión de su gráfica, si existen.

Para determinar la curvatura, calculamos la primera y segunda derivada para cada tramo del dominio (x0x \neq 0):

f(x)={2x3si x>02x3si x<0    f(x)={6x4si x>06x4si x<0f'(x) = \begin{cases} -\frac{2}{x^3} & \text{si } x > 0 \\ \frac{2}{x^3} & \text{si } x < 0 \end{cases} \implies f''(x) = \begin{cases} \frac{6}{x^4} & \text{si } x > 0 \\ -\frac{6}{x^4} & \text{si } x < 0 \end{cases}

Analizamos el signo de la segunda derivada en los dos intervalos que componen el dominio:En el intervalo (,0)(-\infty, 0), f(x)=6x4f''(x) = -\frac{6}{x^4}. Dado que x4>0x^4 > 0 para cualquier x0x \neq 0, la segunda derivada es negativa (f(x)<0f''(x) < 0). Por tanto, la función es cóncava en (,0)(-\infty, 0).En el intervalo (0,+)(0, +\infty), f(x)=6x4f''(x) = \frac{6}{x^4}. Al ser x4>0x^4 > 0, la segunda derivada es positiva (f(x)>0f''(x) > 0). Por tanto, la función es convexa en (0,+)(0, +\infty).En cuanto a los puntos de inflexión, observamos que f(x)f''(x) nunca se anula. Aunque hay un cambio de curvatura en x=0x = 0, la función no está definida en ese punto, por lo que no existen puntos de inflexión.

b) Estudia y calcula las asíntotas de la función. Esboza su gráfica.

Asíntotas verticales: Estudiamos los límites laterales en el punto donde la función no está definida, x=0x = 0:

limx0+1x2=+;limx01x2=\lim_{x \to 0^+} \frac{1}{x^2} = +\infty \quad ; \quad \lim_{x \to 0^-} -\frac{1}{x^2} = -\infty

Al ser los límites infinitos, existe una asíntota vertical en la recta x=0x = 0.Asíntotas horizontales: Calculamos el límite de la función cuando xx tiende a infinito:

limx+1x2=0;limx1x2=0\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x^2} = 0 \quad ; \quad \lim_{x \to -\infty} -\frac{1}{x^2} = 0

Por tanto, existe una asíntota horizontal en la recta y=0y = 0 (el eje XX). Al existir asíntota horizontal, se descarta la existencia de asíntotas oblicuas.Esbozo de la gráfica: La gráfica consta de dos ramas. Para x>0x > 0, la función es positiva, decreciente y convexa, situada en el primer cuadrante y asintótica a los ejes. Para x<0x < 0, la función es negativa, creciente y cóncava, situada en el tercer cuadrante y asintótica a los ejes.