a) Determina los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de f.Para determinar los intervalos de crecimiento y decrecimiento, calculamos la primera derivada de f(x).
f(x)=4x3−x4f′(x)=12x2−4x3 Ahora, encontramos los puntos críticos igualando la primera derivada a cero:
f′(x)=012x2−4x3=04x2(3−x)=0 Esto nos da dos puntos críticos: x=0 y x=3. Estos puntos dividen la recta real en tres intervalos: (−∞,0), (0,3) y (3,∞). Analizamos el signo de f′(x) en cada intervalo.* En (−∞,0), por ejemplo, para x=−1: f′(−1)=4(−1)2(3−(−1))=4(1)(4)=16>0. La función es creciente.* En (0,3), por ejemplo, para x=1: f′(1)=4(1)2(3−1)=4(1)(2)=8>0. La función es creciente.* En (3,∞), por ejemplo, para x=4: f′(4)=4(4)2(3−4)=4(16)(−1)=−64<0. La función es decreciente.Por lo tanto:La función f(x) es creciente en los intervalos (−∞,0] y [0,3], lo que se puede expresar como (−∞,3].La función f(x) es decreciente en el intervalo [3,∞).
b) Esboza la gráfica de f y calcula el área del recinto limitado por dicha gráfica y el eje de abscisas.Para esbozar la gráfica, identificamos los puntos de corte con el eje de abscisas, los límites en el infinito y los extremos relativos.* Cortes con el eje OX (donde f(x)=0):
4x3−x4=0x3(4−x)=0 Los puntos de corte son x=0 (con multiplicidad 3) y x=4. Por tanto, la gráfica pasa por (0,0) y (4,0).* Corte con el eje OY (donde x=0): f(0)=4(0)3−(0)4=0. La gráfica pasa por (0,0).* Límites en el infinito:
limx→∞(4x3−x4)=limx→∞(−x4)=−∞limx→−∞(4x3−x4)=limx→−∞(−x4)=−∞ * Extremos relativos (a partir del apartado a)): En x=0, f′(x) no cambia de signo (de creciente a creciente), por lo que es un punto de inflexión con tangente horizontal (silla de montar). f(0)=0.En x=3, la función pasa de creciente a decreciente, por lo que hay un máximo relativo. f(3)=4(3)3−(3)4=4(27)−81=108−81=27. El máximo está en (3,27).Esbozo de la gráfica: La gráfica comienza desde −∞, sube hasta el origen (0,0) donde tiene una tangente horizontal (punto de inflexión), continúa subiendo hasta el máximo local en (3,27), y luego desciende, cruza el eje OX en (4,0) y continúa hacia −∞.Cálculo del área: El recinto limitado por la gráfica de f(x) y el eje de abscisas se encuentra entre los puntos de corte x=0 y x=4. En este intervalo, f(x)=x3(4−x) es no negativa (x3≥0 y 4−x≥0 para x∈[0,4]), por lo tanto, el área se calcula mediante la integral definida:
A=∫04(4x3−x4)dx Calculamos la antiderivada:
∫(4x3−x4)dx=44x4−5x5+C=x4−5x5+C Ahora evaluamos la integral definida:
A=[x4−5x5]04A=(44−545)−(04−505)A=(256−51024)−(0)A=5256⋅5−1024A=51280−1024A=5256 El área del recinto es 5256 unidades de área.