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Continuidad, derivabilidad e integración
Problema
2021 · Ordinaria · Suplente
3
Examen

Se considera la función

f(x)={1xsi x13x2+4si 1<x<12x1si x1f(x) = \begin{cases} \frac{1}{x} & \text{si } x \leq -1 \\ -3x^2 + 4 & \text{si } -1 < x < 1 \\ 2x - 1 & \text{si } x \geq 1 \end{cases}
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función ff en todo su dominio.b) Represente gráficamente la función ff.c) Calcule el área de la región limitada por la gráfica de la función ff, el eje de abscisas y las rectas x=0x = 0 y x=3x = 3.
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+1
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función ff en todo su dominio.
Continuidad

La función f(x)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=1x = -1 y x=1x = 1.• Estudio en x=1x = -1:

f(1)=11=1f(-1) = \frac{1}{-1} = -1
limx1f(x)=limx11x=1\lim_{x \to -1^-} f(x) = \lim_{x \to -1^-} \frac{1}{x} = -1
limx1+f(x)=limx1+(3x2+4)=3(1)2+4=3+4=1\lim_{x \to -1^+} f(x) = \lim_{x \to -1^+} (-3x^2 + 4) = -3(-1)^2 + 4 = -3 + 4 = 1

Dado que el límite por la izquierda es diferente al límite por la derecha (11-1 \neq 1), la función f(x)f(x) no es continua en x=1x = -1. Presenta una discontinuidad de salto finito.• Estudio en x=1x = 1:

f(1)=2(1)1=1f(1) = 2(1) - 1 = 1
limx1f(x)=limx1(3x2+4)=3(1)2+4=3+4=1\lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^-} (-3x^2 + 4) = -3(1)^2 + 4 = -3 + 4 = 1
limx1+f(x)=limx1+(2x1)=2(1)1=1\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} (2x - 1) = 2(1) - 1 = 1

Como f(1)=limx1f(x)=limx1+f(x)=1f(1) = \lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^+} f(x) = 1, la función f(x)f(x) es continua en x=1x = 1.En resumen, la función f(x)f(x) es continua en R{1}\mathbb{R} \setminus \{-1\}.

Derivabilidad

Para que una función sea derivable en un punto, es condición necesaria que sea continua en dicho punto. Dado que f(x)f(x) no es continua en x=1x = -1, tampoco es derivable en x=1x = -1.Calculamos la función derivada en los intervalos abiertos:

f(x)={1x2si x<16xsi 1<x<12si x>1f'(x) = \begin{cases} -\frac{1}{x^2} & \text{si } x < -1 \\ -6x & \text{si } -1 < x < 1 \\ 2 & \text{si } x > 1 \end{cases}

• Estudio en x=1x = 1 (donde la función es continua):

f(1)=limx1(6x)=6(1)=6f'(1^-) = \lim_{x \to 1^-} (-6x) = -6(1) = -6
f(1+)=limx1+(2)=2f'(1^+) = \lim_{x \to 1^+} (2) = 2

Dado que las derivadas laterales no coinciden (f(1)f(1+)f'(1^-) \neq f'(1^+)), la función f(x)f(x) no es derivable en x=1x = 1.En resumen, la función f(x)f(x) es derivable en R{1,1}\mathbb{R} \setminus \{-1, 1\}.

b) Represente gráficamente la función ff.

La gráfica de la función f(x)f(x) se compone de tres tramos:• Para x1x \leq -1: f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x}. Es un fragmento de una hipérbola. Puntos clave son (1,1)(-1, -1) (incluido), (2,0.5)(-2, -0.5). La asíntota horizontal es y=0y=0 (cuando xx \to -\infty).• Para 1<x<1-1 < x < 1: f(x)=3x2+4f(x) = -3x^2 + 4. Es un fragmento de una parábola que se abre hacia abajo. Su vértice se encuentra en (0,4)(0, 4). Los puntos de conexión son (1,1)(-1, 1) (abierto) y (1,1)(1, 1) (abierto). Otros puntos son (0.5,3.25)(0.5, 3.25) y (0.5,3.25)(-0.5, 3.25).• Para x1x \geq 1: f(x)=2x1f(x) = 2x - 1. Es un fragmento de una recta. Puntos clave son (1,1)(1, 1) (incluido), (2,3)(2, 3) y (3,5)(3, 5). Visualmente, la gráfica presentará un salto en x=1x=-1, donde la función pasa de (1,1)(-1, -1) a (1,1)(-1, 1). En x=1x=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 ff, el eje de abscisas y las rectas x=0x = 0 y x=3x = 3.

El área solicitada se encuentra en el intervalo [0,3][0, 3]. En este intervalo, la función f(x)f(x) cambia su definición en x=1x = 1. Por lo tanto, dividiremos la integral en dos partes:

A=03f(x)dx=01f(x)dx+13f(x)dxA = \int_0^3 |f(x)| dx = \int_0^1 f(x) dx + \int_1^3 f(x) dx

Analizamos el signo de la función en cada subintervalo:• Para x[0,1)x \in [0, 1): f(x)=3x2+4f(x) = -3x^2 + 4. En este intervalo, la función es siempre positiva, ya que su vértice está en (0,4)(0,4) y sus raíces son x=±4/3±1.15x = \pm \sqrt{4/3} \approx \pm 1.15. Por tanto, la parábola está por encima del eje xx en [0,1)[0,1).• Para x[1,3]x \in [1, 3]: f(x)=2x1f(x) = 2x - 1. En este intervalo, la función es siempre positiva, ya que 2x1=02x-1 = 0 para x=0.5x=0.5, y para x1x \geq 1 la función es creciente.Dado que f(x)0f(x) \geq 0 en todo el intervalo [0,3][0, 3], el área se calcula directamente como:

A=01(3x2+4)dx+13(2x1)dxA = \int_0^1 (-3x^2 + 4) dx + \int_1^3 (2x - 1) dx

Calculamos la primera integral:

01(3x2+4)dx=[x3+4x]01\int_0^1 (-3x^2 + 4) dx = \left[ -x^3 + 4x \right]_0^1
=(13+4(1))(03+4(0))=(1+4)(0)=3= (-1^3 + 4(1)) - (-0^3 + 4(0)) = (-1 + 4) - (0) = 3

Calculamos la segunda integral:

13(2x1)dx=[x2x]13\int_1^3 (2x - 1) dx = \left[ x^2 - x \right]_1^3
=((3)23)((1)21)=(93)(11)=60=6= ((3)^2 - 3) - ((1)^2 - 1) = (9 - 3) - (1 - 1) = 6 - 0 = 6

El área total es la suma de ambas integrales:

A=3+6=9 u2A = 3 + 6 = 9 \text{ u}^2