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Continuidad, derivabilidad e integración
Problema
2022 · Ordinaria · Reserva
3
Examen
BLOQUE B

Se considera la función

f(x)={4x2+16x+17x<113(105x)1x232x>2f(x) = \begin{cases} 4x^2 + 16x + 17 & x < -1 \\ \frac{1}{3}(10 - 5x) & -1 \le x \le 2 \\ \frac{3}{2} & x > 2 \end{cases}
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de ff.b) Represente gráficamente la función ff.c) Calcule el área de la región limitada por la gráfica de ff y el eje de abscisas entre x=2x = -2 y x=2x = 2.
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+2
a) Estudio de la continuidad y derivabilidad de ff.

La función f(x)f(x) está definida por tramos. Cada tramo es una función polinómica o constante, por lo que es continua y derivable en sus respectivos intervalos abiertos. Solo es necesario estudiar la continuidad y derivabilidad en los puntos de unión: x=1x = -1 y x=2x = 2.Continuidad en x=1x = -1:

f(1)=13(105(1))=153=5f(-1) = \frac{1}{3}(10 - 5(-1)) = \frac{15}{3} = 5
limx1f(x)=limx1(4x2+16x+17)=4(1)2+16(1)+17=416+17=5\lim_{x \to -1^-} f(x) = \lim_{x \to -1^-} (4x^2 + 16x + 17) = 4(-1)^2 + 16(-1) + 17 = 4 - 16 + 17 = 5
limx1+f(x)=limx1+13(105x)=13(105(1))=5\lim_{x \to -1^+} f(x) = \lim_{x \to -1^+} \frac{1}{3}(10 - 5x) = \frac{1}{3}(10 - 5(-1)) = 5

Como f(1)=limx1f(x)=limx1+f(x)=5f(-1) = \lim_{x \to -1^-} f(x) = \lim_{x \to -1^+} f(x) = 5, la función es continua en x=1x = -1.Continuidad en x=2x = 2:

f(2)=13(105(2))=0f(2) = \frac{1}{3}(10 - 5(2)) = 0
limx2f(x)=limx213(105x)=13(105(2))=0\lim_{x \to 2^-} f(x) = \lim_{x \to 2^-} \frac{1}{3}(10 - 5x) = \frac{1}{3}(10 - 5(2)) = 0
limx2+f(x)=limx2+32=32\lim_{x \to 2^+} f(x) = \lim_{x \to 2^+} \frac{3}{2} = \frac{3}{2}

Dado que limx2f(x)=0limx2+f(x)=32\lim_{x \to 2^-} f(x) = 0 \ne \lim_{x \to 2^+} f(x) = \frac{3}{2}, la función no es continua en x=2x = 2. Presenta una discontinuidad de salto finito.En resumen, ff es continua en (,2)(2,)(-\infty, 2) \cup (2, \infty).Derivabilidad en x=1x = -1:Para estudiar la derivabilidad, primero calculamos la derivada de cada tramo en los intervalos abiertos:

f(x)={8x+16x<1531<x<20x>2f'(x) = \begin{cases} 8x + 16 & x < -1 \\ -\frac{5}{3} & -1 < x < 2 \\ 0 & x > 2 \end{cases}
f(1)=limx1(8x+16)=8(1)+16=8f'(-1^-) = \lim_{x \to -1^-} (8x + 16) = 8(-1) + 16 = 8
f(1+)=limx1+(53)=53f'(-1^+) = \lim_{x \to -1^+} (-\frac{5}{3}) = -\frac{5}{3}

Como las derivadas laterales son distintas (8538 \ne -\frac{5}{3}), la función no es derivable en x=1x = -1.Derivabilidad en x=2x = 2:Dado que la función no es continua en x=2x = 2, tampoco es derivable en x=2x = 2.En resumen, ff es derivable en (,1)(1,2)(2,)(-\infty, -1) \cup (-1, 2) \cup (2, \infty).

b) Representación gráfica de la función ff.

Para representar gráficamente la función, analizamos cada tramo:Para x<1x < -1: f(x)=4x2+16x+17f(x) = 4x^2 + 16x + 17. Es una parábola con vértice en xv=1624=2x_v = -\frac{16}{2 \cdot 4} = -2.f(2)=4(2)2+16(2)+17=1632+17=1f(-2) = 4(-2)^2 + 16(-2) + 17 = 16 - 32 + 17 = 1. El vértice es (2,1)(-2, 1).El punto (1,5)(-1, 5) es un punto abierto para este tramo, ya que el intervalo es x<1x < -1. Otros puntos de la parábola: (3,5)(-3, 5).Para 1x2-1 \le x \le 2: f(x)=13(105x)f(x) = \frac{1}{3}(10 - 5x). Es un segmento de recta.En x=1x=-1, f(1)=13(105(1))=5f(-1) = \frac{1}{3}(10 - 5(-1)) = 5. El punto (1,5)(-1, 5) es cerrado.En x=2x=2, f(2)=13(105(2))=0f(2) = \frac{1}{3}(10 - 5(2)) = 0. El punto (2,0)(2, 0) es cerrado.Para x>2x > 2: f(x)=32f(x) = \frac{3}{2}. Es una recta horizontal.El punto (2,32)(2, \frac{3}{2}) es un punto abierto para este tramo, ya que el intervalo es x>2x > 2. Para x=3x=3, f(3)=32f(3) = \frac{3}{2}.La gráfica consiste en una parábola que decrece desde x=x = -\infty hasta su vértice (2,1)(-2,1) y luego sube hasta el punto (1,5)(-1,5) (abierto en esta parte). A continuación, un segmento de recta une el punto cerrado (1,5)(-1,5) con el punto cerrado (2,0)(2,0). Finalmente, una semirrecta horizontal y=32y = \frac{3}{2} para x>2x > 2 comienza en un punto abierto (2,32)(2, \frac{3}{2}) y se extiende hacia la derecha.

c) Cálculo del área de la región limitada por la gráfica de ff y el eje de abscisas entre x=2x = -2 y x=2x = 2.

El área solicitada se calcula mediante la integral definida de f(x)f(x) en el intervalo [2,2][-2, 2]. El intervalo se divide en dos partes según la definición de f(x)f(x):Para x[2,1)x \in [-2, -1), f(x)=4x2+16x+17f(x) = 4x^2 + 16x + 17. El vértice de esta parábola es (2,1)(-2, 1), que es su mínimo. Por lo tanto, f(x)1>0f(x) \ge 1 > 0 en este intervalo.Para x[1,2]x \in [-1, 2], f(x)=13(105x)f(x) = \frac{1}{3}(10 - 5x). En x=1x=-1, f(1)=5f(-1)=5. En x=2x=2, f(2)=0f(2)=0. Como es una recta decreciente, f(x)0f(x) \ge 0 en este intervalo.Dado que f(x)0f(x) \ge 0 en todo el intervalo [2,2][-2, 2], el área AA es la suma de las integrales de cada tramo:

A=21(4x2+16x+17)dx+1213(105x)dxA = \int_{-2}^{-1} (4x^2 + 16x + 17) dx + \int_{-1}^{2} \frac{1}{3}(10 - 5x) dx

Calculamos la primera integral:

21(4x2+16x+17)dx=[4x33+8x2+17x]21\int_{-2}^{-1} (4x^2 + 16x + 17) dx = \left[ \frac{4x^3}{3} + 8x^2 + 17x \right]_{-2}^{-1}
=(4(1)33+8(1)2+17(1))(4(2)33+8(2)2+17(2))= \left( \frac{4(-1)^3}{3} + 8(-1)^2 + 17(-1) \right) - \left( \frac{4(-2)^3}{3} + 8(-2)^2 + 17(-2) \right)
=(43+817)(323+3234)= \left( -\frac{4}{3} + 8 - 17 \right) - \left( -\frac{32}{3} + 32 - 34 \right)
=(439)(3232)= \left( -\frac{4}{3} - 9 \right) - \left( -\frac{32}{3} - 2 \right)
=313(383)=73= -\frac{31}{3} - \left( -\frac{38}{3} \right) = \frac{7}{3}

Calculamos la segunda integral:

1213(105x)dx=13[10x5x22]12\int_{-1}^{2} \frac{1}{3}(10 - 5x) dx = \frac{1}{3} \left[ 10x - \frac{5x^2}{2} \right]_{-1}^{2}
=13[(10(2)5(2)22)(10(1)5(1)22)]= \frac{1}{3} \left[ \left( 10(2) - \frac{5(2)^2}{2} \right) - \left( 10(-1) - \frac{5(-1)^2}{2} \right) \right]
=13[(2010)(1052)]= \frac{1}{3} \left[ \left( 20 - 10 \right) - \left( -10 - \frac{5}{2} \right) \right]
=13[10(252)]=13[202+252]=13[452]=152= \frac{1}{3} \left[ 10 - \left( -\frac{25}{2} \right) \right] = \frac{1}{3} \left[ \frac{20}{2} + \frac{25}{2} \right] = \frac{1}{3} \left[ \frac{45}{2} \right] = \frac{15}{2}

Sumamos ambas áreas para obtener el área total:

A=73+152=146+456=596 u2A = \frac{7}{3} + \frac{15}{2} = \frac{14}{6} + \frac{45}{6} = \frac{59}{6} \text{ u}^2