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Continuidad, derivabilidad y áreas
Problema
2024 · Ordinaria · Suplente
4
Examen

Se consideran las funciones

f(x)={2x2si1x1(x2)2si1<x3;g(x)=1si1x3f(x) = \begin{cases} 2 - x^2 & si & -1 \le x \le 1 \\ (x - 2)^2 & si & 1 < x \le 3 \end{cases} \quad ; \quad g(x) = 1 \quad si \quad -1 \le x \le 3
a) Estudie la continuidad y la derivabilidad de ff y gg en sus dominios.b) Represente el recinto limitado por las gráficas de ambas funciones y calcule su área.
ContinuidadDerivabilidadIntegrales+1
a) Estudie la continuidad y la derivabilidad de ff y gg en sus dominios.
Estudio de la función $f(x)$

La función f(x)f(x) está definida a trozos en el dominio [1,3][-1, 3]:

f(x)={2x2si1x1(x2)2si1<x3f(x) = \begin{cases} 2 - x^2 & si & -1 \le x \le 1 \\ (x - 2)^2 & si & 1 < x \le 3 \end{cases}
Continuidad de $f(x)$

Los trozos de la función f(x)f(x) son polinomios, por lo que son continuos en sus respectivos intervalos abiertos. Solo es necesario estudiar la continuidad en el punto de unión, x=1x=1.Calculamos los límites laterales y el valor de la función en x=1x=1:

limx1f(x)=limx1(2x2)=2(1)2=1\lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^-} (2 - x^2) = 2 - (1)^2 = 1
limx1+f(x)=limx1+(x2)2=(12)2=(1)2=1\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} (x - 2)^2 = (1 - 2)^2 = (-1)^2 = 1
f(1)=2(1)2=1f(1) = 2 - (1)^2 = 1

Como los límites laterales y el valor de la función coinciden en x=1x=1 (1=1=11=1=1), la función f(x)f(x) es continua en x=1x=1. Por lo tanto, f(x)f(x) es continua en todo su dominio [1,3][-1, 3].

Derivabilidad de $f(x)$

Calculamos las derivadas de cada trozo:

f(x)={2xsi1<x<12(x2)si1<x<3f'(x) = \begin{cases} -2x & si & -1 < x < 1 \\ 2(x - 2) & si & 1 < x < 3 \end{cases}

Estudiamos la derivabilidad en el punto de unión x=1x=1.

limx1f(x)=2(1)=2\lim_{x \to 1^-} f'(x) = -2(1) = -2
limx1+f(x)=2(12)=2(1)=2\lim_{x \to 1^+} f'(x) = 2(1 - 2) = 2(-1) = -2

Como las derivadas laterales coinciden en x=1x=1 (2=2-2 = -2), la función f(x)f(x) es derivable en x=1x=1. Por lo tanto, f(x)f(x) es derivable en el intervalo abierto (1,3)(-1, 3).

Estudio de la función $g(x)$

La función g(x)g(x) es g(x)=1g(x) = 1 para 1x3-1 \le x \le 3.

Continuidad de $g(x)$

La función g(x)g(x) es una función constante, que es un tipo de función polinómica. Por lo tanto, es continua en todo su dominio [1,3][-1, 3].

Derivabilidad de $g(x)$

La derivada de una función constante es cero.

g(x)=0si1<x<3g'(x) = 0 \quad si \quad -1 < x < 3

Por lo tanto, g(x)g(x) es derivable en el intervalo abierto (1,3)(-1, 3).

b) Represente el recinto limitado por las gráficas de ambas funciones y calcule su área.
Representación del recinto

La función g(x)=1g(x) = 1 es una recta horizontal.Para f(x)f(x):En [1,1][-1, 1], f(x)=2x2f(x) = 2 - x^2 es una parábola con vértice en (0,2)(0, 2) y pasa por f(1)=1f(-1)=1 y f(1)=1f(1)=1. En este intervalo, f(x)g(x)f(x) \ge g(x).En (1,3](1, 3], f(x)=(x2)2f(x) = (x - 2)^2 es una parábola con vértice en (2,0)(2, 0) y pasa por f(1)=1f(1)=1 y f(3)=1f(3)=1. En este intervalo, g(x)f(x)g(x) \ge f(x).Las funciones se intersecan en x=1,x=1,x=3x=-1, x=1, x=3. No se puede incluir una imagen aquí, pero la descripción permite visualizar el recinto.

Cálculo del área

El área total se divide en dos partes, una donde f(x)g(x)f(x) \ge g(x) y otra donde g(x)f(x)g(x) \ge f(x).Área A1A_1 en el intervalo [1,1][-1, 1]:

A1=11(f(x)g(x))dx=11((2x2)1)dx=11(1x2)dxA_1 = \int_{-1}^{1} (f(x) - g(x)) dx = \int_{-1}^{1} ((2 - x^2) - 1) dx = \int_{-1}^{1} (1 - x^2) dx
A1=[xx33]11=(1133)(1(1)33)A_1 = \left[x - \frac{x^3}{3}\right]_{-1}^{1} = \left(1 - \frac{1^3}{3}\right) - \left(-1 - \frac{(-1)^3}{3}\right)
A1=(113)(1+13)=23(23)=43A_1 = \left(1 - \frac{1}{3}\right) - \left(-1 + \frac{1}{3}\right) = \frac{2}{3} - \left(-\frac{2}{3}\right) = \frac{4}{3}

Área A2A_2 en el intervalo [1,3][1, 3]:

A2=13(g(x)f(x))dx=13(1(x2)2)dxA_2 = \int_{1}^{3} (g(x) - f(x)) dx = \int_{1}^{3} (1 - (x - 2)^2) dx
A2=13(1(x24x+4))dx=13(x2+4x3)dxA_2 = \int_{1}^{3} (1 - (x^2 - 4x + 4)) dx = \int_{1}^{3} (-x^2 + 4x - 3) dx
A2=[x33+2x23x]13A_2 = \left[-\frac{x^3}{3} + 2x^2 - 3x\right]_{1}^{3}
A2=(333+2(32)3(3))(133+2(12)3(1))A_2 = \left(-\frac{3^3}{3} + 2(3^2) - 3(3)\right) - \left(-\frac{1^3}{3} + 2(1^2) - 3(1)\right)
A2=(273+189)(13+23)A_2 = \left(-\frac{27}{3} + 18 - 9\right) - \left(-\frac{1}{3} + 2 - 3\right)
A2=(9+189)(131)=0(43)=43A_2 = (-9 + 18 - 9) - \left(-\frac{1}{3} - 1\right) = 0 - \left(-\frac{4}{3}\right) = \frac{4}{3}

El área total del recinto es la suma de A1A_1 y A2A_2:

A=A1+A2=43+43=83 unidades cuadradasA = A_1 + A_2 = \frac{4}{3} + \frac{4}{3} = \frac{8}{3} \text{ unidades cuadradas}