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Continuidad y Optimización
Problema
2023 · Ordinaria · Suplente
3
Examen
a) Se considera la función
f(x)={ax2+bx+6x2.51.4x+7x>2.5f(x) = \begin{cases} ax^2 + bx + 6 & x \le 2.5 \\ -1.4x + 7 & x > 2.5 \end{cases}

con aa y bb números reales. Calcule el valor de los parámetros aa y bb para que la función sea continua y tenga un máximo en x=1x = 1.

b) Represente gráficamente la función g(x)=2x2+2x+4g(x) = -2x^2 + 2x + 4 y calcule el área de la región acotada, limitada por la gráfica de dicha función y el eje de abscisas.
FuncionesContinuidadOptimización+2
a) Calcule el valor de los parámetros aa y bb para que la función sea continua y tenga un máximo en x=1x = 1.

Para que la función f(x)f(x) sea continua en x=2.5x=2.5, los límites laterales deben ser iguales al valor de la función en ese punto.

limx2.5f(x)=a(2.5)2+b(2.5)+6=6.25a+2.5b+6\lim_{x \to 2.5^-} f(x) = a(2.5)^2 + b(2.5) + 6 = 6.25a + 2.5b + 6
limx2.5+f(x)=1.4(2.5)+7=3.5+7=3.5\lim_{x \to 2.5^+} f(x) = -1.4(2.5) + 7 = -3.5 + 7 = 3.5

Igualando ambos límites obtenemos la primera ecuación:

6.25a+2.5b+6=3.56.25a+2.5b=2.56.25a + 2.5b + 6 = 3.5 \Rightarrow 6.25a + 2.5b = -2.5

Multiplicando por 4 para simplificar, obtenemos:

25a+10b=105a+2b=2(Ecuacioˊn 1)25a + 10b = -10 \Rightarrow 5a + 2b = -2 \quad \text{(Ecuación 1)}

Para que la función tenga un máximo en x=1x=1, la derivada de la primera parte de la función debe ser cero en ese punto. Primero, calculamos la derivada para x2.5x \le 2.5:

f(x)=2ax+bf'(x) = 2ax + b

Establecemos f(1)=0f'(1) = 0:

2a(1)+b=02a+b=0(Ecuacioˊn 2)2a(1) + b = 0 \Rightarrow 2a + b = 0 \quad \text{(Ecuación 2)}

Ahora resolvemos el sistema de ecuaciones formado por (Ecuación 1) y (Ecuación 2).De la Ecuación 2, despejamos bb: b=2ab = -2a.Sustituimos bb en la Ecuación 1:

5a + 2(-2a) = -2
5a4a=25a - 4a = -2
a=2a = -2

Ahora calculamos bb:

b=2a=2(2)=4b = -2a = -2(-2) = 4

Los valores de los parámetros son a=2a = -2 y b=4b = 4.

b) Represente gráficamente la función g(x)=2x2+2x+4g(x) = -2x^2 + 2x + 4 y calcule el área de la región acotada, limitada por la gráfica de dicha función y el eje de abscisas.

La función g(x)=2x2+2x+4g(x) = -2x^2 + 2x + 4 es una parábola que se abre hacia abajo (porque el coeficiente de x2x^2 es negativo).Calculamos sus puntos clave para la representación gráfica:1. Vértice: La coordenada xx del vértice es xv=b2ax_v = -\frac{b}{2a}.

xv=22(2)=24=0.5x_v = -\frac{2}{2(-2)} = -\frac{2}{-4} = 0.5
yv=g(0.5)=2(0.5)2+2(0.5)+4=2(0.25)+1+4=0.5+1+4=4.5y_v = g(0.5) = -2(0.5)^2 + 2(0.5) + 4 = -2(0.25) + 1 + 4 = -0.5 + 1 + 4 = 4.5

El vértice está en (0.5,4.5)(0.5, 4.5).2. Puntos de corte con el eje YY: Hacemos x=0x=0.

g(0)=2(0)2+2(0)+4=4g(0) = -2(0)^2 + 2(0) + 4 = 4

El punto de corte con el eje YY es (0,4)(0, 4).3. Puntos de corte con el eje XX: Hacemos g(x)=0g(x)=0.

2x2+2x+4=0-2x^2 + 2x + 4 = 0

Dividimos por 2-2:

x2x2=0x^2 - x - 2 = 0

Factorizamos la ecuación:

(x2)(x+1)=0(x - 2)(x + 1) = 0

Los puntos de corte con el eje XX son x=2x = 2 y x=1x = -1.La gráfica es una parábola con vértice en (0.5,4.5)(0.5, 4.5), que corta el eje YY en (0,4)(0, 4) y el eje XX en (1,0)(-1, 0) y (2,0)(2, 0).

Cálculo del área

El área de la región acotada limitada por la gráfica de g(x)g(x) y el eje de abscisas se calcula mediante la integral definida de la función entre sus puntos de corte con el eje XX, que son x=1x = -1 y x=2x = 2. Dado que la parábola se abre hacia abajo y el vértice está por encima del eje XX entre estos puntos, la función es positiva en este intervalo.

A=12(2x2+2x+4)dxA = \int_{-1}^{2} (-2x^2 + 2x + 4) dx

Primero, calculamos la integral indefinida:

(2x2+2x+4)dx=2x33+2x22+4x=2x33+x2+4x\int (-2x^2 + 2x + 4) dx = -\frac{2x^3}{3} + \frac{2x^2}{2} + 4x = -\frac{2x^3}{3} + x^2 + 4x

Ahora, evaluamos la integral definida utilizando la regla de Barrow:

A=[2x33+x2+4x]12A = \left[ -\frac{2x^3}{3} + x^2 + 4x \right]_{-1}^{2}
A=(2(2)33+(2)2+4(2))(2(1)33+(1)2+4(1))A = \left( -\frac{2(2)^3}{3} + (2)^2 + 4(2) \right) - \left( -\frac{2(-1)^3}{3} + (-1)^2 + 4(-1) \right)
A=(163+4+8)(2(1)3+14)A = \left( -\frac{16}{3} + 4 + 8 \right) - \left( -\frac{2(-1)}{3} + 1 - 4 \right)
A=(163+12)(233)A = \left( -\frac{16}{3} + 12 \right) - \left( \frac{2}{3} - 3 \right)
A=(16+363)(293)A = \left( \frac{-16 + 36}{3} \right) - \left( \frac{2 - 9}{3} \right)
A=203(73)A = \frac{20}{3} - \left( -\frac{7}{3} \right)
A=203+73=273=9A = \frac{20}{3} + \frac{7}{3} = \frac{27}{3} = 9

El área de la región acotada es de 99 unidades cuadradas.