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Derivadas y límites
Problema
2024 · Ordinaria · Suplente
2
Examen

Considera la función f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=arc tg(x+π)f(x) = \text{arc tg}(x + \pi), donde arc tg\text{arc tg} denota la función arcotangente.

a) Calcula los intervalos de concavidad y convexidad de ff. Estudia y halla, si existen, los puntos de inflexión de ff (abscisas donde se obtienen y valores que se alcanzan).b) Calcula limxπarc tg(x+π)sen(x)\lim_{x \to -\pi} \frac{\text{arc tg}(x + \pi)}{\text{sen}(x)}.
ConcavidadPuntos de inflexiónL'Hôpital+1
a) Calcula los intervalos de concavidad y convexidad de ff. Estudia y halla, si existen, los puntos de inflexión de ff (abscisas donde se obtienen y valores que se alcanzan).

Para estudiar la curvatura y los puntos de inflexión de la función f(x)=arc tg(x+π)f(x) = \text{arc tg}(x + \pi), calculamos primero su primera y segunda derivada.

f(x)=11+(x+π)2f'(x) = \frac{1}{1 + (x + \pi)^2}
f(x)=2(x+π)(1+(x+π)2)2f''(x) = \frac{-2(x + \pi)}{(1 + (x + \pi)^2)^2}

Los posibles puntos de inflexión se encuentran donde la segunda derivada se anula:

f(x)=0    2(x+π)=0    x=πf''(x) = 0 \implies -2(x + \pi) = 0 \implies x = -\pi

Analizamos el signo de f(x)f''(x) en los intervalos definidos por este punto. El denominador (1+(x+π)2)2(1 + (x + \pi)^2)^2 es siempre positivo para cualquier valor de xx, por lo que el signo depende únicamente del numerador 2(x+π)-2(x + \pi):En el intervalo (,π)(-\infty, -\pi), si tomamos un valor como x=2πx = -2\pi, entonces f(2π)=2(π)(1+π2)2>0f''(-2\pi) = \frac{-2(-\pi)}{(1 + \pi^2)^2} > 0. Por tanto, la función es convexa en (,π)(-\infty, -\pi).En el intervalo (π,+)(-\pi, +\infty), si tomamos un valor como x=0x = 0, entonces f(0)=2π(1+π2)2<0f''(0) = \frac{-2\pi}{(1 + \pi^2)^2} < 0. Por tanto, la función es cóncava en (π,+)(-\pi, +\infty).Como hay un cambio de curvatura en x=πx = -\pi y la función es continua en dicho punto, existe un punto de inflexión. Calculamos el valor de la función en la abscisa obtenida:

f(π)=arc tg(π+π)=arc tg(0)=0f(-\pi) = \text{arc tg}(-\pi + \pi) = \text{arc tg}(0) = 0

El punto de inflexión se alcanza en la abscisa x=πx = -\pi y su valor es f(π)=0f(-\pi) = 0.

b) Calcula limxπarc tg(x+π)sen(x)\lim_{x \to -\pi} \frac{\text{arc tg}(x + \pi)}{\text{sen}(x)}.

Al evaluar el límite directamente, obtenemos una indeterminación del tipo 0/00/0:

limxπarc tg(x+π)sen(x)=arc tg(0)sen(π)=00\lim_{x \to -\pi} \frac{\text{arc tg}(x + \pi)}{\text{sen}(x)} = \frac{\text{arc tg}(0)}{\text{sen}(-\pi)} = \frac{0}{0}

Aplicamos la regla de L'Hôpital derivando numerador y denominador de forma independiente:

limxπddx[arc tg(x+π)]ddx[sen(x)]=limxπ11+(x+π)2cos(x)\lim_{x \to -\pi} \frac{\frac{d}{dx}[\text{arc tg}(x + \pi)]}{\frac{d}{dx}[\text{sen}(x)]} = \lim_{x \to -\pi} \frac{\frac{1}{1 + (x + \pi)^2}}{\cos(x)}

Sustituyendo el valor x=πx = -\pi en la expresión resultante:

11+(π+π)2cos(π)=11+01=11=1\frac{\frac{1}{1 + (-\pi + \pi)^2}}{\cos(-\pi)} = \frac{\frac{1}{1 + 0}}{-1} = \frac{1}{-1} = -1