a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función f en todo su dominio.b) Represente gráficamente la función f.c) Calcule el área de la región limitada por la gráfica de la función f, el eje de abscisas y las rectas x=0 y x=3.
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+1
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función f en todo su dominio.
Continuidad
La función f(x) está definida a trozos por funciones elementales (racional y polinómicas) que son continuas en sus respectivos dominios. Debemos estudiar la continuidad en los puntos donde cambia la definición de la función, que son x=−1 y x=1.• Estudio en x=−1:
f(−1)=−11=−1
limx→−1−f(x)=limx→−1−x1=−1
limx→−1+f(x)=limx→−1+(−3x2+4)=−3(−1)2+4=−3+4=1
Dado que el límite por la izquierda es diferente al límite por la derecha (−1=1), la función f(x) no es continua en x=−1. Presenta una discontinuidad de salto finito.• Estudio en x=1:
f(1)=2(1)−1=1
limx→1−f(x)=limx→1−(−3x2+4)=−3(1)2+4=−3+4=1
limx→1+f(x)=limx→1+(2x−1)=2(1)−1=1
Como f(1)=limx→1−f(x)=limx→1+f(x)=1, la función f(x) es continua en x=1.En resumen, la función f(x) es continua en R∖{−1}.
Derivabilidad
Para que una función sea derivable en un punto, es condición necesaria que sea continua en dicho punto. Dado que f(x) no es continua en x=−1, tampoco es derivable en x=−1.Calculamos la función derivada en los intervalos abiertos:
f′(x)=⎩⎨⎧−x21−6x2si x<−1si −1<x<1si x>1
• Estudio en x=1 (donde la función es continua):
f′(1−)=limx→1−(−6x)=−6(1)=−6
f′(1+)=limx→1+(2)=2
Dado que las derivadas laterales no coinciden (f′(1−)=f′(1+)), la función f(x) no es derivable en x=1.En resumen, la función f(x) es derivable en R∖{−1,1}.
b) Represente gráficamente la función f.
La gráfica de la función f(x) se compone de tres tramos:• Para x≤−1: f(x)=x1. Es un fragmento de una hipérbola. Puntos clave son (−1,−1) (incluido), (−2,−0.5). La asíntota horizontal es y=0 (cuando x→−∞).• Para −1<x<1: f(x)=−3x2+4. Es un fragmento de una parábola que se abre hacia abajo. Su vértice se encuentra en (0,4). Los puntos de conexión son (−1,1) (abierto) y (1,1) (abierto). Otros puntos son (0.5,3.25) y (−0.5,3.25).• Para x≥1: f(x)=2x−1. Es un fragmento de una recta. Puntos clave son (1,1) (incluido), (2,3) y (3,5). Visualmente, la gráfica presentará un salto en x=−1, donde la función pasa de (−1,−1) a (−1,1). En x=1, la gráfica es continua, pero tendrá una 'esquina' debido a la no derivabilidad en ese punto.
c) Calcule el área de la región limitada por la gráfica de la función f, el eje de abscisas y las rectas x=0 y x=3.
El área solicitada se encuentra en el intervalo [0,3]. En este intervalo, la función f(x) cambia su definición en x=1. Por lo tanto, dividiremos la integral en dos partes:
A=∫03∣f(x)∣dx=∫01f(x)dx+∫13f(x)dx
Analizamos el signo de la función en cada subintervalo:• Para x∈[0,1): f(x)=−3x2+4. En este intervalo, la función es siempre positiva, ya que su vértice está en (0,4) y sus raíces son x=±4/3≈±1.15. Por tanto, la parábola está por encima del eje x en [0,1).• Para x∈[1,3]: f(x)=2x−1. En este intervalo, la función es siempre positiva, ya que 2x−1=0 para x=0.5, y para x≥1 la función es creciente.Dado que f(x)≥0 en todo el intervalo [0,3], el área se calcula directamente como: