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Continuidad y derivabilidad
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
2
Examen

Considera la función continua ff definida por

f(x)={xcos(x)asen(x)x3si x<0bcos(x)1si x0f(x) = \begin{cases} \frac{x \cos(x) - a \operatorname{sen}(x)}{x^3} & \text{si } x < 0 \\ b \cos(x) - 1 & \text{si } x \geq 0 \end{cases}

Calcula aa y bb.

ContinuidadLímitesL'Hôpital+1
Continuidad de la función

Para que la función f(x)f(x) sea continua en todo su dominio, debe serlo especialmente en el punto de salto x=0x = 0. Esto implica que deben existir y ser iguales el límite por la izquierda, el límite por la derecha y el valor de la función en dicho punto:

limx0f(x)=limx0+f(x)=f(0)\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^+} f(x) = f(0)

Calculamos primero el valor de la función y el límite por la derecha a partir de la expresión para x0x \geq 0:

f(0)=limx0+(bcos(x)1)=bcos(0)1=b1f(0) = \lim_{x \to 0^+} (b \cos(x) - 1) = b \cos(0) - 1 = b - 1

Ahora analizamos el límite por la izquierda utilizando la expresión para x<0x < 0:

limx0xcos(x)asen(x)x3\lim_{x \to 0^-} \frac{x \cos(x) - a \operatorname{sen}(x)}{x^3}

Al evaluar en x=0x = 0, el denominador es 00. Para que el límite pueda ser un número real (requisito de continuidad), el numerador también debe tender a 00 para evitar una asíntota vertical. Evaluando el numerador:

0cos(0)asen(0)=0a0=00 \cdot \cos(0) - a \operatorname{sen}(0) = 0 - a \cdot 0 = 0

Como el numerador es 00 independientemente del valor de aa, aplicamos la regla de L'Hôpital para resolver la indeterminación 00\frac{0}{0}:

limx0ddx(xcos(x)asen(x))ddx(x3)=limx0cos(x)xsen(x)acos(x)3x2\lim_{x \to 0^-} \frac{\frac{d}{dx}(x \cos(x) - a \operatorname{sen}(x))}{\frac{d}{dx}(x^3)} = \lim_{x \to 0^-} \frac{\cos(x) - x \operatorname{sen}(x) - a \cos(x)}{3x^2}

Para que este nuevo límite no sea infinito, el numerador debe ser 00 cuando x0x \to 0, ya que el denominador tiende a 00:

cos(0)0sen(0)acos(0)=1a=0    a=1\cos(0) - 0 \cdot \operatorname{sen}(0) - a \cos(0) = 1 - a = 0 \implies a = 1

Sustituimos a=1a = 1 en el límite y seguimos resolviendo la indeterminación 00\frac{0}{0} simplificando la expresión:

limx0cos(x)xsen(x)cos(x)3x2=limx0xsen(x)3x2=limx0sen(x)3x\lim_{x \to 0^-} \frac{\cos(x) - x \operatorname{sen}(x) - \cos(x)}{3x^2} = \lim_{x \to 0^-} \frac{-x \operatorname{sen}(x)}{3x^2} = \lim_{x \to 0^-} \frac{-\operatorname{sen}(x)}{3x}

Aplicamos L'Hôpital una última vez o utilizamos el límite notable limx0sen(x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\operatorname{sen}(x)}{x} = 1:

limx0cos(x)3=13\lim_{x \to 0^-} \frac{-\cos(x)}{3} = -\frac{1}{3}

Finalmente, igualamos el límite por la izquierda con el valor obtenido para el límite por la derecha para hallar bb:

b1=13    b=113=23b - 1 = -\frac{1}{3} \implies b = 1 - \frac{1}{3} = \frac{2}{3}

Por lo tanto, los valores de las constantes son a=1a = 1 y b=23b = \frac{2}{3}.