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Continuidad y Derivabilidad
Problema
2021 · Ordinaria · Reserva
3
Examen
BLOQUE B

Se considera la función:

f(x)={2x+2asi 4x22x24asi 2<x28x+bsi 2<x3f(x) = \begin{cases} -2x + 2a & \text{si } -4 \leq x \leq -2 \\ -2x^2 - 4a & \text{si } -2 < x \leq 2 \\ -8x + b & \text{si } 2 < x \leq 3 \end{cases}
a) Calcule los valores aa y bb para que la función sea continua en su dominio. Para esos valores, ¿es ff derivable?b) Para a=2a = -2 y b=16b = 16, estudie la monotonía de la función ff y calcule sus extremos relativos y absolutos.c) Para a=2a = -2 y b=16b = 16, calcule el área del recinto limitado por la gráfica de ff, el eje OXOX y las rectas x=2x = -2 y x=2x = 2.
ContinuidadDerivabilidadOptimización+1
a) Calcule los valores aa y bb para que la función sea continua en su dominio. Para esos valores, ¿es ff derivable?

Para que la función sea continua en su dominio, debe ser continua en los puntos de unión x=2x = -2 y x=2x = 2. La continuidad en un punto x0x_0 requiere que limxx0f(x)=limxx0+f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) = f(x_0). Los tramos de la función son polinomios, que son continuos en sus respectivos intervalos abiertos.Continuidad en x=2x = -2:

f(2)=2(2)+2a=4+2af(-2) = -2(-2) + 2a = 4 + 2a
limx2f(x)=4+2a\lim_{x \to -2^-} f(x) = 4 + 2a
limx2+f(x)=2(2)24a=84a\lim_{x \to -2^+} f(x) = -2(-2)^2 - 4a = -8 - 4a

Igualando los límites para la continuidad:

4+2a=84a    6a=12    a=24 + 2a = -8 - 4a \implies 6a = -12 \implies a = -2

Continuidad en x=2x = 2:

f(2)=2(2)24a=84af(2) = -2(2)^2 - 4a = -8 - 4a
limx2f(x)=84a\lim_{x \to 2^-} f(x) = -8 - 4a
limx2+f(x)=8(2)+b=16+b\lim_{x \to 2^+} f(x) = -8(2) + b = -16 + b

Igualando los límites para la continuidad y sustituyendo a=2a = -2:

84(2)=16+b    8+8=16+b    0=16+b    b=16-8 - 4(-2) = -16 + b \implies -8 + 8 = -16 + b \implies 0 = -16 + b \implies b = 16

Por lo tanto, para que la función sea continua, los valores son a=2a = -2 y b=16b = 16.Ahora, estudiemos la derivabilidad para a=2a = -2 y b=16b = 16. La función es:

f(x)={2x4si 4x22x2+8si 2<x28x+16si 2<x3f(x) = \begin{cases} -2x - 4 & \text{si } -4 \leq x \leq -2 \\ -2x^2 + 8 & \text{si } -2 < x \leq 2 \\ -8x + 16 & \text{si } 2 < x \leq 3 \end{cases}

Las derivadas de cada tramo son:

f(x)={2si 4<x<24xsi 2<x<28si 2<x<3f'(x) = \begin{cases} -2 & \text{si } -4 < x < -2 \\ -4x & \text{si } -2 < x < 2 \\ -8 & \text{si } 2 < x < 3 \end{cases}

Estudiemos la derivabilidad en los puntos de unión x=2x = -2 y x=2x = 2.Derivabilidad en x=2x = -2:

f(2)=2f'(-2^-) = -2
f(2+)=4(2)=8f'(-2^+) = -4(-2) = 8

Como f(2)f(2+)f'(-2^-) \neq f'(-2^+), la función no es derivable en x=2x = -2.Derivabilidad en x=2x = 2:

f(2)=4(2)=8f'(2^-) = -4(2) = -8
f(2+)=8f'(2^+) = -8

Como f(2)=f(2+)f'(2^-) = f'(2^+), la función es derivable en x=2x = 2.En resumen, para a=2a = -2 y b=16b = 16, la función ff es continua pero no es derivable en x=2x = -2.

b) Para a=2a = -2 y b=16b = 16, estudie la monotonía de la función ff y calcule sus extremos relativos y absolutos.

La función es:

f(x)={2x4si 4x22x2+8si 2<x28x+16si 2<x3f(x) = \begin{cases} -2x - 4 & \text{si } -4 \leq x \leq -2 \\ -2x^2 + 8 & \text{si } -2 < x \leq 2 \\ -8x + 16 & \text{si } 2 < x \leq 3 \end{cases}

La derivada es:

f(x)={2si 4<x<24xsi 2<x<28si 2<x<3f'(x) = \begin{cases} -2 & \text{si } -4 < x < -2 \\ -4x & \text{si } -2 < x < 2 \\ -8 & \text{si } 2 < x < 3 \end{cases}

Estudiamos el signo de f(x)f'(x) en cada intervalo:En el intervalo (4,2)(-4, -2): f(x)=2<0f'(x) = -2 < 0. La función es decreciente.En el intervalo (2,2)(-2, 2): f(x)=4xf'(x) = -4x. Igualamos a cero para encontrar puntos críticos: 4x=0    x=0-4x = 0 \implies x = 0. Analizamos el signo: * Si x(2,0)x \in (-2, 0), por ejemplo x=1x = -1, f(1)=4(1)=4>0f'(-1) = -4(-1) = 4 > 0. La función es creciente. * Si x(0,2)x \in (0, 2), por ejemplo x=1x = 1, f(1)=4(1)=4<0f'(1) = -4(1) = -4 < 0. La función es decreciente.En el intervalo (2,3)(2, 3): f(x)=8<0f'(x) = -8 < 0. La función es decreciente.Resumiendo la monotonía:* f(x)f(x) es decreciente en [4,2][-4, -2].* f(x)f(x) es creciente en [2,0][-2, 0].* f(x)f(x) es decreciente en [0,3][0, 3].Cálculo de los extremos relativos:* En x=2x = -2: La función pasa de decreciente a creciente. Hay un mínimo relativo.

f(2)=2(2)4=0f(-2) = -2(-2) - 4 = 0

Mínimo relativo en (2,0)(-2, 0).* En x=0x = 0: La función pasa de creciente a decreciente. Hay un máximo relativo.

f(0)=2(0)2+8=8f(0) = -2(0)^2 + 8 = 8

Máximo relativo en (0,8)(0, 8).* En x=2x = 2: La función pasa de decreciente a decreciente. No hay un extremo relativo.Cálculo de los extremos absolutos:Evaluamos la función en los puntos críticos y en los extremos del dominio [4,3][-4, 3]:

f(4)=2(4)4=84=4f(-4) = -2(-4) - 4 = 8 - 4 = 4
f(2)=0(mıˊnimorelativo)f(-2) = 0 \quad (mínimo \, relativo)
f(0)=8(maˊximorelativo)f(0) = 8 \quad (máximo \, relativo)
f(2)=2(2)2+8=8+8=0f(2) = -2(2)^2 + 8 = -8 + 8 = 0
f(3)=8(3)+16=24+16=8f(3) = -8(3) + 16 = -24 + 16 = -8

Comparando todos los valores:* El valor máximo absoluto es 88 en x=0x = 0.* El valor mínimo absoluto es 8-8 en x=3x = 3.

c) Para a=2a = -2 y b=16b = 16, calcule el área del recinto limitado por la gráfica de ff, el eje OXOX y las rectas x=2x = -2 y x=2x = 2.

El recinto está limitado por las rectas x=2x = -2 y x=2x = 2. En este intervalo, la función f(x)f(x) es f(x)=2x2+8f(x) = -2x^2 + 8.Primero, determinamos si la función es positiva o negativa en el intervalo [2,2][-2, 2]. Los ceros de la función 2x2+8=0-2x^2 + 8 = 0 son x2=4    x=±2x^2 = 4 \implies x = \pm 2. Como f(0)=8>0f(0) = 8 > 0, la función es no negativa en todo el intervalo [2,2][-2, 2]. Por lo tanto, el área se calcula directamente mediante la integral definida:

A=22(2x2+8)dxA = \int_{-2}^{2} (-2x^2 + 8) dx

Calculamos la integral:

A=[2x33+8x]22A = \left[ -\frac{2x^3}{3} + 8x \right]_{-2}^{2}
A=(2(2)33+8(2))(2(2)33+8(2))A = \left( -\frac{2(2)^3}{3} + 8(2) \right) - \left( -\frac{2(-2)^3}{3} + 8(-2) \right)
A=(163+16)(2(8)316)A = \left( -\frac{16}{3} + 16 \right) - \left( -\frac{2(-8)}{3} - 16 \right)
A=(163+483)(163483)A = \left( -\frac{16}{3} + \frac{48}{3} \right) - \left( \frac{16}{3} - \frac{48}{3} \right)
A=323(323)A = \frac{32}{3} - \left( -\frac{32}{3} \right)
A=323+323A = \frac{32}{3} + \frac{32}{3}
A=643A = \frac{64}{3}

El área del recinto es 643\frac{64}{3} unidades cuadradas.