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Análisis de funciones
Problema
2023 · Ordinaria · Titular
3
Examen
BLOQUE B - EJERCICIO 3

Se considera la función f(x)=x33x2+2xf(x) = x^3 - 3x^2 + 2x.

a) Halle los puntos de corte con los ejes, los intervalos de crecimiento y decrecimiento, los extremos relativos de ff y su curvatura.b) Represente gráficamente la función ff.c) Calcule el área del recinto acotado, limitado por la gráfica de ff y el eje de abscisas.
DerivadasCrecimientoCurvatura+2
a) Halle los puntos de corte con los ejes, los intervalos de crecimiento y decrecimiento, los extremos relativos de ff y su curvatura.

Corte con el eje Y: Se evalúa la función en x=0x=0.

f(0)=033(0)2+2(0)=0f(0) = 0^3 - 3(0)^2 + 2(0) = 0

El punto de corte con el eje Y es (0,0)(0,0).Corte con el eje X: Se iguala la función a cero para encontrar las raíces.

f(x)=x33x2+2x=0x(x23x+2)=0x(x1)(x2)=0f(x) = x^3 - 3x^2 + 2x = 0 \\ x(x^2 - 3x + 2) = 0 \\ x(x-1)(x-2) = 0

Las raíces son x=0x=0, x=1x=1 y x=2x=2. Los puntos de corte con el eje X son (0,0)(0,0), (1,0)(1,0) y (2,0)(2,0).Intervalos de crecimiento y decrecimiento y extremos relativos: Se calcula la primera derivada y se iguala a cero para encontrar los puntos críticos.

f(x)=3x26x+2f(x)=03x26x+2=0f'(x) = 3x^2 - 6x + 2 \\ f'(x) = 0 \Rightarrow 3x^2 - 6x + 2 = 0

Se resuelve la ecuación cuadrática:

x=(6)±(6)24(3)(2)2(3)=6±36246=6±126=6±236=1±33x = \frac{-(-6) \pm \sqrt{(-6)^2 - 4(3)(2)}}{2(3)} = \frac{6 \pm \sqrt{36 - 24}}{6} = \frac{6 \pm \sqrt{12}}{6} = \frac{6 \pm 2\sqrt{3}}{6} = 1 \pm \frac{\sqrt{3}}{3}

Los puntos críticos son x1=1330.42x_1 = 1 - \frac{\sqrt{3}}{3} \approx 0.42 y x2=1+331.58x_2 = 1 + \frac{\sqrt{3}}{3} \approx 1.58. Se analizan los signos de f(x)f'(x) en los intervalos determinados por estos puntos.Para x<133x < 1 - \frac{\sqrt{3}}{3} (ej. x=0x=0): f(0)=2>0f'(0) = 2 > 0 \Rightarrow la función es creciente.Para 133<x<1+331 - \frac{\sqrt{3}}{3} < x < 1 + \frac{\sqrt{3}}{3} (ej. x=1x=1): f(1)=36+2=1<0f'(1) = 3 - 6 + 2 = -1 < 0 \Rightarrow la función es decreciente.Para x>1+33x > 1 + \frac{\sqrt{3}}{3} (ej. x=2x=2): f(2)=3(2)26(2)+2=1212+2=2>0f'(2) = 3(2)^2 - 6(2) + 2 = 12 - 12 + 2 = 2 > 0 \Rightarrow la función es creciente.Intervalos de crecimiento: (,133)(-\infty, 1 - \frac{\sqrt{3}}{3}) y (1+33,)(1 + \frac{\sqrt{3}}{3}, \infty).Intervalo de decrecimiento: (133,1+33)(1 - \frac{\sqrt{3}}{3}, 1 + \frac{\sqrt{3}}{3}).Extremos relativos: \\ Máximo relativo en x=133x = 1 - \frac{\sqrt{3}}{3}.

f(133)=(133)33(133)2+2(133)=239f(1 - \frac{\sqrt{3}}{3}) = (1 - \frac{\sqrt{3}}{3})^3 - 3(1 - \frac{\sqrt{3}}{3})^2 + 2(1 - \frac{\sqrt{3}}{3}) = \frac{2\sqrt{3}}{9}

El máximo relativo es (133,239)(1 - \frac{\sqrt{3}}{3}, \frac{2\sqrt{3}}{9}).Mínimo relativo en x=1+33x = 1 + \frac{\sqrt{3}}{3}.

f(1+33)=(1+33)33(1+33)2+2(1+33)=239f(1 + \frac{\sqrt{3}}{3}) = (1 + \frac{\sqrt{3}}{3})^3 - 3(1 + \frac{\sqrt{3}}{3})^2 + 2(1 + \frac{\sqrt{3}}{3}) = -\frac{2\sqrt{3}}{9}

El mínimo relativo es (1+33,239)(1 + \frac{\sqrt{3}}{3}, -\frac{2\sqrt{3}}{9}).Curvatura: Se calcula la segunda derivada y se iguala a cero para encontrar posibles puntos de inflexión.

f(x)=6x6f(x)=06x6=0x=1f''(x) = 6x - 6 \\ f''(x) = 0 \Rightarrow 6x - 6 = 0 \Rightarrow x = 1

Se analiza el signo de f(x)f''(x) en los intervalos determinados por x=1x=1.Para x<1x < 1 (ej. x=0x=0): f(0)=6<0f''(0) = -6 < 0 \Rightarrow la función es cóncava hacia abajo (convexa).Para x>1x > 1 (ej. x=2x=2): f(2)=6(2)6=6>0f''(2) = 6(2) - 6 = 6 > 0 \Rightarrow la función es cóncava hacia arriba (cóncava).Punto de inflexión en x=1x=1.

f(1)=133(1)2+2(1)=13+2=0f(1) = 1^3 - 3(1)^2 + 2(1) = 1 - 3 + 2 = 0

El punto de inflexión es (1,0)(1,0).

b) Represente gráficamente la función ff.

Para representar gráficamente la función, se utilizan los puntos de corte con los ejes, los extremos relativos y el punto de inflexión calculados en el apartado anterior. \\ Los puntos clave son: \\ - Cortes con los ejes: (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (2,0)(2,0) \\ - Máximo relativo: (133,239)(0.42,0.38)(1 - \frac{\sqrt{3}}{3}, \frac{2\sqrt{3}}{9}) \approx (0.42, 0.38) \\ - Mínimo relativo: (1+33,239)(1.58,0.38)(1 + \frac{\sqrt{3}}{3}, -\frac{2\sqrt{3}}{9}) \approx (1.58, -0.38) \\ - Punto de inflexión: (1,0)(1,0) \\ La función crece hasta el máximo, decrece hasta el mínimo y vuelve a crecer. La concavidad cambia en el punto de inflexión.

c) Calcule el área del recinto acotado, limitado por la gráfica de ff y el eje de abscisas.

El recinto acotado está limitado por la función f(x)=x(x1)(x2)f(x) = x(x-1)(x-2) y el eje de abscisas (y=0). Los puntos de corte con el eje X son x=0x=0, x=1x=1 y x=2x=2. Esto divide el área en dos regiones, una entre x=0x=0 y x=1x=1, y otra entre x=1x=1 y x=2x=2.Se analiza el signo de f(x)f(x) en cada intervalo: \\ - En (0,1)(0,1), por ejemplo, para x=0.5x=0.5: f(0.5)=0.5(0.51)(0.52)=0.5(0.5)(1.5)=0.375>0f(0.5) = 0.5(0.5-1)(0.5-2) = 0.5(-0.5)(-1.5) = 0.375 > 0. \\ - En (1,2)(1,2), por ejemplo, para x=1.5x=1.5: f(1.5)=1.5(1.51)(1.52)=1.5(0.5)(0.5)=0.375<0f(1.5) = 1.5(1.5-1)(1.5-2) = 1.5(0.5)(-0.5) = -0.375 < 0.El área total AA se calcula como la suma de las integrales de los valores absolutos en cada intervalo.

A=01f(x)dx+12f(x)dxA = \int_{0}^{1} f(x) \, dx + \left| \int_{1}^{2} f(x) \, dx \right|

Primero, se encuentra la primitiva de f(x)f(x):

F(x)=(x33x2+2x)dx=x44x3+x2F(x) = \int (x^3 - 3x^2 + 2x) \, dx = \frac{x^4}{4} - x^3 + x^2

Cálculo de la primera integral:

01(x33x2+2x)dx=[x44x3+x2]01=(14413+12)(04403+02)=(141+1)0=14\int_{0}^{1} (x^3 - 3x^2 + 2x) \, dx = \left[ \frac{x^4}{4} - x^3 + x^2 \right]_{0}^{1} \\ = \left( \frac{1^4}{4} - 1^3 + 1^2 \right) - \left( \frac{0^4}{4} - 0^3 + 0^2 \right) \\ = \left( \frac{1}{4} - 1 + 1 \right) - 0 = \frac{1}{4}

Cálculo de la segunda integral:

12(x33x2+2x)dx=[x44x3+x2]12=(24423+22)(14413+12)=(1648+4)(141+1)=(48+4)14=014=14\int_{1}^{2} (x^3 - 3x^2 + 2x) \, dx = \left[ \frac{x^4}{4} - x^3 + x^2 \right]_{1}^{2} \\ = \left( \frac{2^4}{4} - 2^3 + 2^2 \right) - \left( \frac{1^4}{4} - 1^3 + 1^2 \right) \\ = \left( \frac{16}{4} - 8 + 4 \right) - \left( \frac{1}{4} - 1 + 1 \right) \\ = (4 - 8 + 4) - \frac{1}{4} = 0 - \frac{1}{4} = -\frac{1}{4}

Finalmente, se suman los valores absolutos de las integrales.

A=14+14=14+14=24=12A = \frac{1}{4} + \left| -\frac{1}{4} \right| = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}

El área del recinto acotado es 12\frac{1}{2} unidades cuadradas.