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Estudio de funciones
Problema
2020 · Extraordinaria · Titular
1
Examen

Considera la función f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} dada por f(x)=ex(x2−5x+6)f(x) = e^x(x^2 - 5x + 6). Determina los intervalos de concavidad y de convexidad de ff y los puntos de inflexión de su gráfica.

CurvaturaPuntos de inflexiónFunción exponencial

Para determinar los intervalos de concavidad y convexidad, así como los puntos de inflexión de la función f(x)f(x), necesitamos calcular la primera y segunda derivada de f(x)f(x).La función dada es f(x)=ex(x2−5x+6)f(x) = e^x(x^2 - 5x + 6).

Cálculo de la primera derivada $f'(x)$

Aplicamos la regla del producto (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv' donde u=exu = e^x y v=x2−5x+6v = x^2 - 5x + 6.

u=ex⇒u′=exu = e^x \Rightarrow u' = e^x
v=x2−5x+6⇒v′=2x−5v = x^2 - 5x + 6 \Rightarrow v' = 2x - 5
f′(x)=ex(x2−5x+6)+ex(2x−5)f'(x) = e^x(x^2 - 5x + 6) + e^x(2x - 5)
f′(x)=ex(x2−5x+6+2x−5)f'(x) = e^x(x^2 - 5x + 6 + 2x - 5)
f′(x)=ex(x2−3x+1)f'(x) = e^x(x^2 - 3x + 1)
Cálculo de la segunda derivada $f''(x)$

Aplicamos nuevamente la regla del producto a f′(x)f'(x), donde ahora u=exu = e^x y v=x2−3x+1v = x^2 - 3x + 1.

u=ex⇒u′=exu = e^x \Rightarrow u' = e^x
v=x2−3x+1⇒v′=2x−3v = x^2 - 3x + 1 \Rightarrow v' = 2x - 3
f′′(x)=ex(x2−3x+1)+ex(2x−3)f''(x) = e^x(x^2 - 3x + 1) + e^x(2x - 3)
f′′(x)=ex(x2−3x+1+2x−3)f''(x) = e^x(x^2 - 3x + 1 + 2x - 3)
f′′(x)=ex(x2−x−2)f''(x) = e^x(x^2 - x - 2)
Determinación de los posibles puntos de inflexión

Para encontrar los posibles puntos de inflexión, igualamos la segunda derivada a cero:

f′′(x)=0⇒ex(x2−x−2)=0f''(x) = 0 \Rightarrow e^x(x^2 - x - 2) = 0

Dado que ex>0e^x > 0 para todo x∈Rx \in \mathbb{R}, debemos resolver la ecuación cuadrática:

x2−x−2=0x^2 - x - 2 = 0

Usando la fórmula general para ecuaciones cuadráticas x=−b±b2−4ac2ax = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}:

x=−(−1)±(−1)2−4(1)(−2)2(1)x = \frac{-(-1) \pm \sqrt{(-1)^2 - 4(1)(-2)}}{2(1)}
x=1±1+82x = \frac{1 \pm \sqrt{1 + 8}}{2}
x=1±92x = \frac{1 \pm \sqrt{9}}{2}
x=1±32x = \frac{1 \pm 3}{2}

Obtenemos dos soluciones:

x1=1−32=−22=−1x_1 = \frac{1 - 3}{2} = \frac{-2}{2} = -1
x2=1+32=42=2x_2 = \frac{1 + 3}{2} = \frac{4}{2} = 2

Estos valores de xx dividen la recta real en tres intervalos para analizar la concavidad/convexidad:

(−∞,−1),(−1,2),(2,∞)(-\infty, -1), (-1, 2), (2, \infty)
Análisis de los intervalos de concavidad y convexidad

Analizamos el signo de f′′(x)=ex(x2−x−2)f''(x) = e^x(x^2 - x - 2) en cada intervalo. Como ex>0e^x > 0, el signo de f′′(x)f''(x) lo determina el factor (x2−x−2)(x^2 - x - 2).

a) Intervalo (−∞,−1)(-\infty, -1):

Tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=−2x = -2:

f′′(−2)=e−2((−2)2−(−2)−2)=e−2(4+2−2)=4e−2>0f''(-2) = e^{-2}((-2)^2 - (-2) - 2) = e^{-2}(4 + 2 - 2) = 4e^{-2} > 0

Dado que f′′(x)>0f''(x) > 0, la función es convexa en (−∞,−1)(-\infty, -1).

b) Intervalo (−1,2)(-1, 2):

Tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=0x = 0:

f′′(0)=e0(02−0−2)=1(−2)=−2<0f''(0) = e^{0}(0^2 - 0 - 2) = 1(-2) = -2 < 0

Dado que f′′(x)<0f''(x) < 0, la función es cóncava en (−1,2)(-1, 2).

c) Intervalo (2,∞)(2, \infty):

Tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=3x = 3:

f′′(3)=e3(32−3−2)=e3(9−3−2)=4e3>0f''(3) = e^{3}(3^2 - 3 - 2) = e^{3}(9 - 3 - 2) = 4e^{3} > 0

Dado que f′′(x)>0f''(x) > 0, la función es convexa en (2,∞)(2, \infty).

Puntos de inflexión

Los puntos de inflexión ocurren donde la segunda derivada es cero y cambia de signo.

a) Para x=−1x = -1:

La concavidad cambia de convexa a cóncava. Calculamos la coordenada yy:

f(−1)=e−1((−1)2−5(−1)+6)f(-1) = e^{-1}((-1)^2 - 5(-1) + 6)
f(−1)=e−1(1+5+6)f(-1) = e^{-1}(1 + 5 + 6)
f(−1)=12e−1=12ef(-1) = 12e^{-1} = \frac{12}{e}

El punto de inflexión es (−1,12e)\left(-1, \frac{12}{e}\right).

b) Para x=2x = 2:

La concavidad cambia de cóncava a convexa. Calculamos la coordenada yy:

f(2)=e2((2)2−5(2)+6)f(2) = e^{2}((2)^2 - 5(2) + 6)
f(2)=e2(4−10+6)f(2) = e^{2}(4 - 10 + 6)
f(2)=e2(0)=0f(2) = e^{2}(0) = 0

El punto de inflexión es (2,0)(2, 0).