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Continuidad, derivabilidad e integración
Problema
2020 · Extraordinaria · Reserva
4
Examen

Se considera la función

f(x)={2x+1si x<2x2+asi x2f(x) = \begin{cases} \frac{2}{x + 1} & \text{si } x < -2 \\ x^2 + a & \text{si } x \ge -2 \end{cases}
a) Calcule el valor de aa para que ff sea continua en todo su dominio. Para ese valor de aa, ¿es derivable la función ff?b) Para a=6a = -6, halle la ecuación de la recta tangente a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=3x = 3.c) Para a=6a = -6, esboce la gráfica de ff y calcule el área de la región limitada por la gráfica de la función ff, el eje de abscisas y las rectas x=3x = 3 y x=5x = 5.
ContinuidadDerivabilidadCálculo de áreas+1
a) Calcule el valor de aa para que ff sea continua en todo su dominio. Para ese valor de aa, ¿es derivable la función ff?

Para que la función sea continua en su dominio, debe serlo en el punto de unión x=2x = -2. En el resto de los puntos, las funciones que definen cada rama son continuas en sus respectivos intervalos (la función racional 2x+1\frac{2}{x + 1} solo presenta una discontinuidad en x=1x = -1, pero este punto no pertenece al intervalo (,2)(-\infty, -2)). Estudiamos los límites laterales en x=2x = -2:

limx2f(x)=limx22x+1=22+1=2\lim_{x \to -2^-} f(x) = \lim_{x \to -2^-} \frac{2}{x + 1} = \frac{2}{-2 + 1} = -2
\lim_{x \to -2^+} f(x) = \lim_{x \to -2^+} (x^2 + a) = (-2)^2 + a = 4 + a

Para que f(x)f(x) sea continua, los límites laterales deben ser iguales al valor de la función: 4+a=2    a=64 + a = -2 \implies a = -6.Para analizar la derivabilidad en x=2x = -2 con a=6a = -6, calculamos las derivadas laterales utilizando la función derivada en los entornos del punto:

f(x)={2(x+1)2si x<22xsi x>2f'(x) = \begin{cases} \frac{-2}{(x + 1)^2} & \text{si } x < -2 \\ 2x & \text{si } x > -2 \end{cases}

Calculamos los límites de la derivada por la izquierda y por la derecha:

f(2)=2(2+1)2=2f'(-2^-) = \frac{-2}{(-2 + 1)^2} = -2
f(2+)=2(2)=4f'(-2^+) = 2(-2) = -4

Como las derivadas laterales no coinciden (f(2)f(2+)f'(-2^-) \neq f'(-2^+)), la función no es derivable en x=2x = -2.

b) Para a=6a = -6, halle la ecuación de la recta tangente a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=3x = 3.

En x=3x = 3, la función se rige por la rama f(x)=x26f(x) = x^2 - 6. Calculamos la ordenada del punto y la pendiente de la tangente (la derivada):

f(3)=326=3f(3) = 3^2 - 6 = 3
f(3)=2(3)=6f'(3) = 2(3) = 6

Aplicamos la ecuación punto-pendiente yf(3)=f(3)(x3)y - f(3) = f'(3)(x - 3):

y3=6(x3)    y=6x15y - 3 = 6(x - 3) \implies y = 6x - 15
c) Para a=6a = -6, esboce la gráfica de ff y calcule el área de la región limitada por la gráfica de la función ff, el eje de abscisas y las rectas x=3x = 3 y x=5x = 5.

Esbozo de la gráfica: para x<2x < -2 tenemos una hipérbola que decrece desde la asíntota y=0y = 0 hasta el punto (2,2)(-2, -2). Para x2x \ge -2, es una parábola con vértice en (0,6)(0, -6) que pasa por (2,2)(-2, -2), corta al eje xx en 62,45\sqrt{6} \approx 2,45 y pasa por (3,3)(3, 3).En el intervalo [3,5][3, 5], la función es f(x)=x26f(x) = x^2 - 6, que es siempre positiva. El área se calcula mediante la integral definida:

Aˊrea=35(x26)dx=[x336x]35\text{Área} = \int_{3}^{5} (x^2 - 6) dx = \left[ \frac{x^3}{3} - 6x \right]_{3}^{5}
(5336(5))(3336(3))=(125330)(918)\left( \frac{5^3}{3} - 6(5) \right) - \left( \frac{3^3}{3} - 6(3) \right) = \left( \frac{125}{3} - 30 \right) - (9 - 18)
353(9)=35+273=623 u2\frac{35}{3} - (-9) = \frac{35 + 27}{3} = \frac{62}{3} \text{ u}^2