a) Estudie la continuidad y derivabilidad de f.b) Represente gráficamente la función f.c) Calcule el área de la región limitada por la gráfica de f y el eje de abscisas entre x=−2 y x=2.
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+2
a) Estudio de la continuidad y derivabilidad de f.
La función 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=−1 y x=2.Continuidad en x=−1:
Como f(−1)=limx→−1−f(x)=limx→−1+f(x)=5, la función es continua en x=−1.Continuidad en x=2:
f(2)=31(10−5(2))=0
limx→2−f(x)=limx→2−31(10−5x)=31(10−5(2))=0
limx→2+f(x)=limx→2+23=23
Dado que limx→2−f(x)=0=limx→2+f(x)=23, la función no es continua en x=2. Presenta una discontinuidad de salto finito.En resumen, f es continua en (−∞,2)∪(2,∞).Derivabilidad en x=−1:Para estudiar la derivabilidad, primero calculamos la derivada de cada tramo en los intervalos abiertos:
f′(x)=⎩⎨⎧8x+16−350x<−1−1<x<2x>2
f′(−1−)=limx→−1−(8x+16)=8(−1)+16=8
f′(−1+)=limx→−1+(−35)=−35
Como las derivadas laterales son distintas (8=−35), la función no es derivable en x=−1.Derivabilidad en x=2:Dado que la función no es continua en x=2, tampoco es derivable en x=2.En resumen, f es derivable en (−∞,−1)∪(−1,2)∪(2,∞).
b) Representación gráfica de la función f.
Para representar gráficamente la función, analizamos cada tramo:Para x<−1: f(x)=4x2+16x+17. Es una parábola con vértice en xv=−2⋅416=−2.f(−2)=4(−2)2+16(−2)+17=16−32+17=1. El vértice es (−2,1).El punto (−1,5) es un punto abierto para este tramo, ya que el intervalo es x<−1. Otros puntos de la parábola: (−3,5).Para −1≤x≤2: f(x)=31(10−5x). Es un segmento de recta.En x=−1, f(−1)=31(10−5(−1))=5. El punto (−1,5) es cerrado.En x=2, f(2)=31(10−5(2))=0. El punto (2,0) es cerrado.Para x>2: f(x)=23. Es una recta horizontal.El punto (2,23) es un punto abierto para este tramo, ya que el intervalo es x>2. Para x=3, f(3)=23.La gráfica consiste en una parábola que decrece desde x=−∞ hasta su vértice (−2,1) y luego sube hasta el punto (−1,5) (abierto en esta parte). A continuación, un segmento de recta une el punto cerrado (−1,5) con el punto cerrado (2,0). Finalmente, una semirrecta horizontal y=23 para x>2 comienza en un punto abierto (2,23) y se extiende hacia la derecha.
c) Cálculo del área de la región limitada por la gráfica de f y el eje de abscisas entre x=−2 y x=2.
El área solicitada se calcula mediante la integral definida de f(x) en el intervalo [−2,2]. El intervalo se divide en dos partes según la definición de f(x):Para x∈[−2,−1), f(x)=4x2+16x+17. El vértice de esta parábola es (−2,1), que es su mínimo. Por lo tanto, f(x)≥1>0 en este intervalo.Para x∈[−1,2], f(x)=31(10−5x). En x=−1, f(−1)=5. En x=2, f(2)=0. Como es una recta decreciente, f(x)≥0 en este intervalo.Dado que f(x)≥0 en todo el intervalo [−2,2], el área A es la suma de las integrales de cada tramo: