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Cálculo de áreas
Problema
2022 · Extraordinaria · Titular
4A
Examen

Considera las funciones f,g:RRf, g : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definidas por f(x)=x3+2f(x) = x^3 + 2 y g(x)=x2+2x+2g(x) = -x^2 + 2x + 2.

a) Calcula los puntos de corte de las gráficas de ff y gg. Esboza sus gráficas.b) Determina el área del recinto limitado por las gráficas de ff y gg en el primer cuadrante.
Áreas entre curvasGráficasPuntos de corte
a) Calcula los puntos de corte de las gráficas de ff y gg. Esboza sus gráficas.

Para calcular los puntos de corte de las gráficas de f(x)f(x) y g(x)g(x), igualamos ambas funciones:

f(x)=g(x)f(x) = g(x)
x3+2=x2+2x+2x^3 + 2 = -x^2 + 2x + 2

Reordenamos la ecuación para encontrar las raíces:

x3+x22x=0x^3 + x^2 - 2x = 0

Sacamos factor común xx:

x(x2+x2)=0x(x^2 + x - 2) = 0

Esto nos da una primera solución x=0x = 0. Las otras soluciones provienen de la ecuación cuadrática x2+x2=0x^2 + x - 2 = 0. Aplicamos la fórmula general para las ecuaciones de segundo grado:

x=b±b24ac2ax = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}
x=1±124(1)(2)2(1)=1±1+82=1±92=1±32x = \frac{-1 \pm \sqrt{1^2 - 4(1)(-2)}}{2(1)} = \frac{-1 \pm \sqrt{1 + 8}}{2} = \frac{-1 \pm \sqrt{9}}{2} = \frac{-1 \pm 3}{2}

Esto nos da dos soluciones adicionales:

x1=1+32=22=1x_1 = \frac{-1 + 3}{2} = \frac{2}{2} = 1
x2=132=42=2x_2 = \frac{-1 - 3}{2} = \frac{-4}{2} = -2

Los puntos de corte se encuentran en x=2x = -2, x=0x = 0 y x=1x = 1. Ahora calculamos las coordenadas yy correspondientes utilizando f(x)f(x) (o g(x)g(x)):

Para x=2:f(2)=(2)3+2=8+2=6(2,6)\text{Para } x = -2: f(-2) = (-2)^3 + 2 = -8 + 2 = -6 \Rightarrow (-2, -6)
Para x=0:f(0)=(0)3+2=2(0,2)\text{Para } x = 0: f(0) = (0)^3 + 2 = 2 \Rightarrow (0, 2)
Para x=1:f(1)=(1)3+2=3(1,3)\text{Para } x = 1: f(1) = (1)^3 + 2 = 3 \Rightarrow (1, 3)

Los puntos de corte son (2,6)(-2, -6), (0,2)(0, 2) y (1,3)(1, 3).

Esbozo de las gráficas:

Para f(x)=x3+2f(x) = x^3 + 2:- Es una función cúbica, continua y creciente en todo R\mathbb{R} ya que su derivada f(x)=3x20f'(x) = 3x^2 \ge 0 para todo xRx \in \mathbb{R}.- Pasa por los puntos de corte (2,6)(-2, -6), (0,2)(0, 2) y (1,3)(1, 3).- En x=0x=0, tiene un punto de inflexión con tangente horizontal (la pendiente es 0).Para g(x)=x2+2x+2g(x) = -x^2 + 2x + 2:- Es una parábola con concavidad hacia abajo (coeficiente de x2x^2 es negativo).- Sus puntos de corte con los ejes son: con el eje yy, g(0)=2g(0)=2, es decir (0,2)(0,2). Con el eje xx, x2+2x+2=0-x^2+2x+2=0, x22x2=0x^2-2x-2=0, x=2±44(1)(2)2=2±122=1±3x = \frac{2 \pm \sqrt{4-4(1)(-2)}}{2} = \frac{2 \pm \sqrt{12}}{2} = 1 \pm \sqrt{3}. Aproximadamente (0.73,0)(-0.73, 0) y (2.73,0)(2.73, 0).- El vértice de la parábola se calcula como xv=b2a=22(1)=1x_v = -\frac{b}{2a} = -\frac{2}{2(-1)} = 1. La coordenada yy es g(1)=(1)2+2(1)+2=1+2+2=3g(1) = -(1)^2 + 2(1) + 2 = -1 + 2 + 2 = 3. El vértice es (1,3)(1, 3).- Pasa por los puntos de corte (2,6)(-2, -6), (0,2)(0, 2) y (1,3)(1, 3).

b) Determina el área del recinto limitado por las gráficas de ff y gg en el primer cuadrante.

Los puntos de corte en el primer cuadrante (donde x0x \ge 0 y y0y \ge 0) son (0,2)(0,2) y (1,3)(1,3). Por lo tanto, el área se calculará en el intervalo de xx de [0,1][0, 1].Para determinar qué función está por encima de la otra en el intervalo [0,1][0, 1], podemos evaluar ambas funciones en un punto intermedio, por ejemplo, x=0.5x = 0.5:

f(0.5)=(0.5)3+2=0.125+2=2.125f(0.5) = (0.5)^3 + 2 = 0.125 + 2 = 2.125
g(0.5)=(0.5)2+2(0.5)+2=0.25+1+2=2.75g(0.5) = -(0.5)^2 + 2(0.5) + 2 = -0.25 + 1 + 2 = 2.75

Dado que g(0.5)>f(0.5)g(0.5) > f(0.5), la función g(x)g(x) está por encima de f(x)f(x) en el intervalo [0,1][0, 1]. El área se calcula mediante la integral definida:

A=01(g(x)f(x))dxA = \int_{0}^{1} (g(x) - f(x)) dx

Calculamos la diferencia entre las funciones:

g(x)f(x)=(x2+2x+2)(x3+2)g(x) - f(x) = (-x^2 + 2x + 2) - (x^3 + 2)
g(x)f(x)=x3x2+2xg(x) - f(x) = -x^3 - x^2 + 2x

Ahora integramos la expresión resultante:

A=01(x3x2+2x)dxA = \int_{0}^{1} (-x^3 - x^2 + 2x) dx
A=[x44x33+2x22]01A = \left[ -\frac{x^4}{4} - \frac{x^3}{3} + \frac{2x^2}{2} \right]_{0}^{1}
A=[x44x33+x2]01A = \left[ -\frac{x^4}{4} - \frac{x^3}{3} + x^2 \right]_{0}^{1}

Evaluamos la primitiva en los límites de integración:

A=(144133+12)(044033+02)A = \left( -\frac{1^4}{4} - \frac{1^3}{3} + 1^2 \right) - \left( -\frac{0^4}{4} - \frac{0^3}{3} + 0^2 \right)
A=(1413+1)0A = \left( -\frac{1}{4} - \frac{1}{3} + 1 \right) - 0

Para sumar las fracciones, encontramos un denominador común, que es 12:

A=312412+1212A = \frac{-3}{12} - \frac{4}{12} + \frac{12}{12}
A=34+1212A = \frac{-3 - 4 + 12}{12}
A=512A = \frac{5}{12}

El área del recinto limitado por las gráficas de ff y gg en el primer cuadrante es 512\frac{5}{12} unidades cuadradas.