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Análisis de funciones
Problema
2021 · Extraordinaria · Titular
3
Examen

Se considera la función

f(x)={2x+1si x<0x22xsi x0f(x) = \begin{cases} 2^{x+1} & \text{si } x < 0 \\ x^2 - 2x & \text{si } x \ge 0 \end{cases}
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función ff en su dominio.b) Estudie la monotonía de la función ff y calcule el mínimo.c) Calcule 22f(x)dx\int_{-2}^{2} f(x) dx.
ContinuidadDerivabilidadMonotonía+1
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de la función ff en su dominio.

La función f(x)f(x) está definida a trozos:

f(x)={2x+1si x<0x22xsi x0f(x) = \begin{cases} 2^{x+1} & \text{si } x < 0 \\ x^2 - 2x & \text{si } x \ge 0 \end{cases}
Estudio de la continuidad

Para x<0x < 0, f(x)=2x+1f(x) = 2^{x+1} es una función exponencial, que es continua en su dominio.Para x>0x > 0, f(x)=x22xf(x) = x^2 - 2x es una función polinómica, que es continua en su dominio.Debemos estudiar la continuidad en el punto de cambio de definición, x=0x = 0.1. Valor de la función en x=0x=0: f(0)=022(0)=0f(0) = 0^2 - 2(0) = 0.2. Límites laterales en x=0x=0:

limx0f(x)=limx02x+1=20+1=2\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^-} 2^{x+1} = 2^{0+1} = 2
limx0+f(x)=limx0+(x22x)=022(0)=0\lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^+} (x^2 - 2x) = 0^2 - 2(0) = 0

Dado que limx0f(x)=2limx0+f(x)=0\lim_{x \to 0^-} f(x) = 2 \neq \lim_{x \to 0^+} f(x) = 0, los límites laterales no coinciden, por lo tanto, no existe el límite de f(x)f(x) cuando x0x \to 0. La función f(x)f(x) no es continua en x=0x=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)f(x) no es continua en x=0x=0, no es derivable en x=0x=0.Calculamos la derivada para x0x \neq 0:

f(x)={ddx(2x+1)si x<0ddx(x22x)si x>0f'(x) = \begin{cases} \frac{d}{dx}(2^{x+1}) & \text{si } x < 0 \\ \frac{d}{dx}(x^2 - 2x) & \text{si } x > 0 \end{cases}
f(x)={2x+1ln(2)si x<02x2si x>0f'(x) = \begin{cases} 2^{x+1} \ln(2) & \text{si } x < 0 \\ 2x - 2 & \text{si } x > 0 \end{cases}

Las derivadas existen para x<0x < 0 y para x>0x > 0. Por lo tanto, la función f(x)f(x) es derivable en R{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}.

b) Estudie la monotonía de la función ff y calcule el mínimo.

Para estudiar la monotonía, analizamos el signo de la primera derivada f(x)f'(x).

f(x)={2x+1ln(2)si x<02x2si x>0f'(x) = \begin{cases} 2^{x+1} \ln(2) & \text{si } x < 0 \\ 2x - 2 & \text{si } x > 0 \end{cases}

1. Para x<0x < 0:f(x)=2x+1ln(2)f'(x) = 2^{x+1} \ln(2). Como 2x+1>02^{x+1} > 0 para todo xx, y ln(2)>0\ln(2) > 0, entonces f(x)>0f'(x) > 0 para x<0x < 0. La función f(x)f(x) es creciente en (,0)(-\infty, 0).2. Para x>0x > 0:f(x)=2x2f'(x) = 2x - 2. Igualamos a cero para encontrar puntos críticos: 2x2=02x=2x=12x - 2 = 0 \Rightarrow 2x = 2 \Rightarrow x = 1.Analizamos el signo de f(x)f'(x) en los intervalos (0,1)(0, 1) y (1,)(1, \infty):- Si 0<x<10 < x < 1 (por ejemplo, x=0.5x = 0.5): f(0.5)=2(0.5)2=12=1<0f'(0.5) = 2(0.5) - 2 = 1 - 2 = -1 < 0. La función f(x)f(x) es decreciente en (0,1)(0, 1).- Si x>1x > 1 (por ejemplo, x=2x = 2): f(2)=2(2)2=42=2>0f'(2) = 2(2) - 2 = 4 - 2 = 2 > 0. La función f(x)f(x) es creciente en (1,)(1, \infty).

Conclusión de la monotonía

f(x)f(x) es creciente en (,0)(-\infty, 0) y en (1,)(1, \infty).f(x)f(x) es decreciente en (0,1)(0, 1).

Cálculo del mínimo

En x=1x=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)=122(1)=12=1f(1) = 1^2 - 2(1) = 1 - 2 = -1

Dado que en x=0x=0 hay una discontinuidad de salto y los valores de la función a la izquierda de 00 se acercan a 22 mientras que a la derecha de 00 la función comienza en f(0)=0f(0)=0 y decrece hasta f(1)=1f(1)=-1, el mínimo absoluto de la función se encuentra en x=1x=1.El mínimo de la función es f(1)=1f(1) = -1.

c) Calcule 22f(x)dx\int_{-2}^{2} f(x) dx.

Debido a la definición a trozos de f(x)f(x), dividimos la integral en dos partes en el punto de cambio x=0x=0:

22f(x)dx=20f(x)dx+02f(x)dx\int_{-2}^{2} f(x) dx = \int_{-2}^{0} f(x) dx + \int_{0}^{2} f(x) dx
22f(x)dx=202x+1dx+02(x22x)dx\int_{-2}^{2} f(x) dx = \int_{-2}^{0} 2^{x+1} dx + \int_{0}^{2} (x^2 - 2x) dx

Calculamos la primera integral:

202x+1dx\int_{-2}^{0} 2^{x+1} dx

Usamos la sustitución u=x+1u = x+1, du=dxdu = dx. Cuando x=2x=-2, u=1u=-1. Cuando x=0x=0, u=1u=1.

112udu=[2uln(2)]11=21ln(2)21ln(2)=2ln(2)12ln(2)=412ln(2)=32ln(2)\int_{-1}^{1} 2^u du = \left[ \frac{2^u}{\ln(2)} \right]_{-1}^{1} = \frac{2^1}{\ln(2)} - \frac{2^{-1}}{\ln(2)} = \frac{2}{\ln(2)} - \frac{1}{2\ln(2)} = \frac{4 - 1}{2\ln(2)} = \frac{3}{2\ln(2)}

Ahora, calculamos la segunda integral:

02(x22x)dx=[x332x22]02=[x33x2]02\int_{0}^{2} (x^2 - 2x) dx = \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{2x^2}{2} \right]_{0}^{2} = \left[ \frac{x^3}{3} - x^2 \right]_{0}^{2}
=(23322)(03302)=(834)0=8123=43= \left( \frac{2^3}{3} - 2^2 \right) - \left( \frac{0^3}{3} - 0^2 \right) = \left( \frac{8}{3} - 4 \right) - 0 = \frac{8 - 12}{3} = -\frac{4}{3}

Finalmente, sumamos los resultados de ambas integrales:

22f(x)dx=32ln(2)43\int_{-2}^{2} f(x) dx = \frac{3}{2\ln(2)} - \frac{4}{3}