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Recta tangente e integrales
Problema
2021 · Extraordinaria · Reserva
3
Examen

Considera la función f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=exf(x) = e^x.

a) Calcula aa para que la recta tangente a la gráfica de ff en el punto (a,f(a))(a, f(a)) pase por el origen de coordenadas.b) Calcula el área del recinto limitado por la gráfica de ff, la recta tangente a la misma en el punto (1,f(1))(1, f(1)) y el eje de ordenadas.
Funciones exponencialesRecta tangenteCálculo de áreas
a) Calcula aa para que la recta tangente a la gráfica de ff en el punto (a,f(a))(a, f(a)) pase por el origen de coordenadas.

La función dada es f(x)=exf(x) = e^x. Su derivada es f(x)=exf'(x) = e^x.La ecuación de la recta tangente a la gráfica de ff en un punto (a,f(a))(a, f(a)) se obtiene con la fórmula yf(a)=f(a)(xa)y - f(a) = f'(a)(x - a).Sustituyendo f(a)=eaf(a) = e^a y f(a)=eaf'(a) = e^a, la ecuación de la recta tangente es:

y - e^a = e^a(x - a)

Para que esta recta pase por el origen de coordenadas (0,0)(0,0), sustituimos x=0x=0 e y=0y=0 en la ecuación de la tangente:

0 - e^a = e^a(0 - a)
ea=aea-e^a = -ae^a

Dividimos ambos lados por eae^a, que siempre es positivo y distinto de cero:

1=a-1 = -a
a=1a = 1

Por lo tanto, el valor de aa para que la recta tangente pase por el origen es 11.

b) Calcula el área del recinto limitado por la gráfica de ff, la recta tangente a la misma en el punto (1,f(1))(1, f(1)) y el eje de ordenadas.

Primero, calculamos la ecuación de la recta tangente a f(x)=exf(x) = e^x en el punto (1,f(1))(1, f(1)). El punto de tangencia es (1,e1)=(1,e)(1, e^1) = (1, e).La pendiente de la recta tangente en x=1x=1 es f(1)=e1=ef'(1) = e^1 = e.La ecuación de la recta tangente es:

yf(1)=f(1)(x1)y - f(1) = f'(1)(x - 1)
ye=e(x1)y - e = e(x - 1)
ye=exey - e = ex - e
y=exy = ex

El recinto está limitado por la gráfica y=exy = e^x, la recta tangente y=exy = ex y el eje de ordenadas (x=0x=0). El punto de tangencia es x=1x=1.En el intervalo [0,1][0, 1], la función f(x)=exf(x) = e^x está por encima de su recta tangente y=exy = ex (debido a la convexidad de la función exponencial). Por lo tanto, el área se calcula como la integral de la diferencia exexe^x - ex desde x=0x=0 hasta x=1x=1.

Aˊrea=01(exex)dx\text{Área} = \int_0^1 (e^x - ex) dx

Calculamos la integral indefinida:

(exex)dx=exex22+C\int (e^x - ex) dx = e^x - e\frac{x^2}{2} + C

Ahora evaluamos la integral definida utilizando la Regla de Barrow:

Aˊrea=[exex22]01\text{Área} = \left[ e^x - e\frac{x^2}{2} \right]_0^1
Aˊrea=(e1e122)(e0e022)\text{Área} = \left( e^1 - e\frac{1^2}{2} \right) - \left( e^0 - e\frac{0^2}{2} \right)
Aˊrea=(ee2)(10)\text{Área} = \left( e - \frac{e}{2} \right) - \left( 1 - 0 \right)
Aˊrea=e21\text{Área} = \frac{e}{2} - 1

El área del recinto limitado es e21\frac{e}{2} - 1 unidades cuadradas.