a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función f en su dominio.La función f(x) está definida a trozos:
f(x)={2x+1x2−2xsi x<0si x≥0 Estudio de la continuidad
Para x<0, f(x)=2x+1 es una función exponencial, que es continua en su dominio.Para x>0, f(x)=x2−2x es una función polinómica, que es continua en su dominio.Debemos estudiar la continuidad en el punto de cambio de definición, x=0.1. Valor de la función en x=0: f(0)=02−2(0)=0.2. Límites laterales en x=0:
limx→0−f(x)=limx→0−2x+1=20+1=2 limx→0+f(x)=limx→0+(x2−2x)=02−2(0)=0 Dado que limx→0−f(x)=2=limx→0+f(x)=0, los límites laterales no coinciden, por lo tanto, no existe el límite de f(x) cuando x→0. La función f(x) no es continua en x=0 (presenta una discontinuidad de salto).
Estudio de la derivabilidad
Para que una función sea derivable en un punto, debe ser continua en ese punto. Como f(x) no es continua en x=0, no es derivable en x=0.Calculamos la derivada para x=0:
f′(x)={dxd(2x+1)dxd(x2−2x)si x<0si x>0 f′(x)={2x+1ln(2)2x−2si x<0si x>0 Las derivadas existen para x<0 y para x>0. Por lo tanto, la función f(x) es derivable en R∖{0}.
b) Estudie la monotonía de la función f y calcule el mínimo.Para estudiar la monotonía, analizamos el signo de la primera derivada f′(x).
f′(x)={2x+1ln(2)2x−2si x<0si x>0 1. Para x<0:f′(x)=2x+1ln(2). Como 2x+1>0 para todo x, y ln(2)>0, entonces f′(x)>0 para x<0. La función f(x) es creciente en (−∞,0).2. Para x>0:f′(x)=2x−2. Igualamos a cero para encontrar puntos críticos: 2x−2=0⇒2x=2⇒x=1.Analizamos el signo de f′(x) en los intervalos (0,1) y (1,∞):- Si 0<x<1 (por ejemplo, x=0.5): f′(0.5)=2(0.5)−2=1−2=−1<0. La función f(x) es decreciente en (0,1).- Si x>1 (por ejemplo, x=2): f′(2)=2(2)−2=4−2=2>0. La función f(x) es creciente en (1,∞).
Conclusión de la monotonía
f(x) es creciente en (−∞,0) y en (1,∞).f(x) es decreciente en (0,1).
Cálculo del mínimo
En x=1, la función cambia de decreciente a creciente, por lo que hay un mínimo local. Calculamos el valor de la función en este punto:
f(1)=12−2(1)=1−2=−1 Dado que en x=0 hay una discontinuidad de salto y los valores de la función a la izquierda de 0 se acercan a 2 mientras que a la derecha de 0 la función comienza en f(0)=0 y decrece hasta f(1)=−1, el mínimo absoluto de la función se encuentra en x=1.El mínimo de la función es f(1)=−1.
c) Calcule ∫−22f(x)dx.Debido a la definición a trozos de f(x), dividimos la integral en dos partes en el punto de cambio x=0:
∫−22f(x)dx=∫−20f(x)dx+∫02f(x)dx ∫−22f(x)dx=∫−202x+1dx+∫02(x2−2x)dx Calculamos la primera integral:
∫−202x+1dx Usamos la sustitución u=x+1, du=dx. Cuando x=−2, u=−1. Cuando x=0, u=1.
∫−112udu=[ln(2)2u]−11=ln(2)21−ln(2)2−1=ln(2)2−2ln(2)1=2ln(2)4−1=2ln(2)3 Ahora, calculamos la segunda integral:
∫02(x2−2x)dx=[3x3−22x2]02=[3x3−x2]02 =(323−22)−(303−02)=(38−4)−0=38−12=−34 Finalmente, sumamos los resultados de ambas integrales:
∫−22f(x)dx=2ln(2)3−34