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Análisis de funciones y Cálculo integral
Problema
2020 · Ordinaria · Suplente
3
Examen
a) Se considera la función f(x)=ax2+bx+3f(x) = ax^2 + bx + 3. Calcule los valores aa y bb, sabiendo que la gráfica de ff pasa por el punto (2,3)(2, 3) y que la pendiente de la recta tangente a la gráfica de ff en dicho punto es m=−2m = -2.b) Represente gráficamente la función g(x)=−x2+6x−5g(x) = -x^2 + 6x - 5 y calcule el área comprendida entre la gráfica de la función gg, el eje de abscisas y las rectas x=2x = 2 y x=4x = 4.
DerivadasRecta tangenteIntegrales+1
a) Calcule los valores aa y bb, sabiendo que la gráfica de ff pasa por el punto (2,3)(2, 3) y que la pendiente de la recta tangente a la gráfica de ff en dicho punto es m=−2m = -2.

La función dada es f(x)=ax2+bx+3f(x) = ax^2 + bx + 3. Para encontrar los valores de aa y bb, utilizamos las dos condiciones proporcionadas:1. La gráfica de ff pasa por el punto (2,3)(2, 3). Esto significa que al sustituir x=2x=2 en la función, el valor de f(x)f(x) es 33:

f(2)=a(2)2+b(2)+3=3f(2) = a(2)^2 + b(2) + 3 = 3
4a+2b+3=34a + 2b + 3 = 3
4a+2b=0⇒2a+b=0(Ecuacioˊn 1)4a + 2b = 0 \Rightarrow 2a + b = 0 \quad \text{(Ecuación 1)}

2. La pendiente de la recta tangente a la gráfica de ff en el punto (2,3)(2, 3) es m=−2m = -2. Esto significa que la derivada de la función evaluada en x=2x=2 es −2-2. Primero, calculamos la derivada f′(x)f'(x):

f′(x)=2ax+bf'(x) = 2ax + b

Ahora, igualamos f′(2)f'(2) a −2-2:

f′(2)=2a(2)+b=−2f'(2) = 2a(2) + b = -2
4a+b=−2(Ecuacioˊn 2)4a + b = -2 \quad \text{(Ecuación 2)}

Resolvemos el sistema de ecuaciones formado por la Ecuación 1 y la Ecuación 2:

{2a+b=0(1)4a+b=−2(2)\begin{cases} 2a + b = 0 \quad (1) \\ 4a + b = -2 \quad (2) \end{cases}

De la Ecuación 1, despejamos bb: b=−2ab = -2a.Sustituimos esta expresión de bb en la Ecuación 2:

4a + (-2a) = -2
2a=−22a = -2
a=−1a = -1

Ahora, sustituimos el valor de aa en la expresión de bb:

b=−2(−1)b = -2(-1)
b=2b = 2

Los valores son a=−1a = -1 y b=2b = 2.

b) Represente gráficamente la función g(x)=−x2+6x−5g(x) = -x^2 + 6x - 5 y calcule el área comprendida entre la gráfica de la función gg, el eje de abscisas y las rectas x=2x = 2 y x=4x = 4.
Representación gráfica de $g(x) = -x^2 + 6x - 5$

La función g(x)g(x) es una parábola, ya que es una función cuadrática. Dado que el coeficiente de x2x^2 es negativo (−1-1), la parábola se abre hacia abajo.Para representarla, identificamos sus características principales:* Vértice: La coordenada xx del vértice se calcula como xv=−B/(2A)x_v = -B/(2A), donde A=−1A=-1 y B=6B=6.

xv=−62(−1)=−6−2=3x_v = \frac{-6}{2(-1)} = \frac{-6}{-2} = 3

La coordenada yy del vértice es g(3)g(3):

yv=−(3)2+6(3)−5=−9+18−5=4y_v = -(3)^2 + 6(3) - 5 = -9 + 18 - 5 = 4

El vértice es el punto (3,4)(3, 4).* Puntos de corte con el eje X (raíces): Se obtienen igualando g(x)=0g(x) = 0.

−x2+6x−5=0-x^2 + 6x - 5 = 0
x2−6x+5=0x^2 - 6x + 5 = 0

Factorizando la ecuación cuadrática:

(x−1)(x−5)=0(x - 1)(x - 5) = 0

Los puntos de corte con el eje X son x=1x = 1 y x=5x = 5, es decir, los puntos (1,0)(1, 0) y (5,0)(5, 0).* Punto de corte con el eje Y: Se obtiene haciendo x=0x = 0.

g(0)=−(0)2+6(0)−5=−5g(0) = -(0)^2 + 6(0) - 5 = -5

El punto de corte con el eje Y es (0,−5)(0, -5).Con estos puntos (vértice, cortes con los ejes), se puede dibujar la parábola que se abre hacia abajo, con su punto más alto en (3,4)(3, 4) y cruzando el eje X en 11 y 55.

Cálculo del área

El área solicitada está comprendida entre la gráfica de g(x)g(x), el eje de abscisas (y=0y=0) y las rectas verticales x=2x = 2 y x=4x = 4.Observamos que en el intervalo [1,5][1, 5], la función g(x)g(x) es positiva (ya que la parábola se abre hacia abajo y sus raíces son 11 y 55). Como el intervalo de integración [2,4][2, 4] está contenido en [1,5][1, 5], la función g(x)g(x) es positiva en todo el intervalo [2,4][2, 4]. Por lo tanto, el área se calcula directamente mediante la integral definida:

Aˊrea=∫24g(x) dx=∫24(−x2+6x−5) dx\text{Área} = \int_{2}^{4} g(x) \, dx = \int_{2}^{4} (-x^2 + 6x - 5) \, dx

Calculamos la integral indefinida:

∫(−x2+6x−5) dx=−x33+6x22−5x+C=−x33+3x2−5x+C\int (-x^2 + 6x - 5) \, dx = -\frac{x^3}{3} + 6\frac{x^2}{2} - 5x + C = -\frac{x^3}{3} + 3x^2 - 5x + C

Ahora evaluamos la integral definida utilizando la Regla de Barrow:

Aˊrea=[−x33+3x2−5x]24\text{Área} = \left[ -\frac{x^3}{3} + 3x^2 - 5x \right]_{2}^{4}

Evaluamos en el límite superior (x=4x=4):

(−433+3(42)−5(4))=(−643+3(16)−20)=(−643+48−20)=(−643+28)=−64+843=203\left( -\frac{4^3}{3} + 3(4^2) - 5(4) \right) = \left( -\frac{64}{3} + 3(16) - 20 \right) = \left( -\frac{64}{3} + 48 - 20 \right) = \left( -\frac{64}{3} + 28 \right) = \frac{-64 + 84}{3} = \frac{20}{3}

Evaluamos en el límite inferior (x=2x=2):

(−233+3(22)−5(2))=(−83+3(4)−10)=(−83+12−10)=(−83+2)=−8+63=−23\left( -\frac{2^3}{3} + 3(2^2) - 5(2) \right) = \left( -\frac{8}{3} + 3(4) - 10 \right) = \left( -\frac{8}{3} + 12 - 10 \right) = \left( -\frac{8}{3} + 2 \right) = \frac{-8 + 6}{3} = -\frac{2}{3}

Restamos el valor en el límite inferior del valor en el límite superior:

Aˊrea=203−(−23)=203+23=223\text{Área} = \frac{20}{3} - \left( -\frac{2}{3} \right) = \frac{20}{3} + \frac{2}{3} = \frac{22}{3}

El área comprendida es 223\frac{22}{3} unidades cuadradas.