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Derivabilidad y recta tangente
Problema
2024 · Ordinaria · Reserva
2
Examen

Sea la función derivable f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)={ae−x+bln⁡(1−x)si x<0x+ln⁡(1+x)si x≥0f(x) = \begin{cases} a e^{-x} + b \ln(1 - x) & \text{si } x < 0 \\ x + \ln(1 + x) & \text{si } x \geq 0 \end{cases} donde ln⁡\ln denota la función logaritmo neperiano.

a) Determina aa y bb.b) Halla la ecuación de la recta tangente y de la recta normal a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=0x = 0.
DerivabilidadRecta tangenteRecta normal
Resolución del ejercicio de continuidad y derivabilidad
a) Determina aa y bb.

Para que la función f(x)f(x) sea derivable en R\mathbb{R}, debe ser, en primer lugar, continua en todo su dominio. El único punto de posible discontinuidad es x=0x = 0. Estudiamos la continuidad en dicho punto exigiendo que los límites laterales coincidan con el valor de la función:

lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(ae−x+bln⁡(1−x))=ae0+bln⁡(1)=a\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^-} (a e^{-x} + b \ln(1 - x)) = a e^0 + b \ln(1) = a
lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(x+ln⁡(1+x))=0+ln⁡(1)=0\lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^+} (x + \ln(1 + x)) = 0 + \ln(1) = 0

Para que sea continua, debe cumplirse que a=0a = 0.Una vez garantizada la continuidad con a=0a = 0, estudiamos la derivabilidad. Calculamos la derivada de la función en los intervalos abiertos:

f′(x)={−ae−x−b1−xsi x<01+11+xsi x>0f'(x) = \begin{cases} -a e^{-x} - \frac{b}{1 - x} & \text{si } x < 0 \\ 1 + \frac{1}{1 + x} & \text{si } x > 0 \end{cases}

Para que la función sea derivable en x=0x = 0, las derivadas laterales deben ser iguales. Sustituimos a=0a = 0 y evaluamos los límites de la derivada:

f′(0−)=lim⁡x→0−(−0⋅e−x−b1−x)=−bf'(0^-) = \lim_{x \to 0^-} \left( -0 \cdot e^{-x} - \frac{b}{1 - x} \right) = -b
f′(0+)=lim⁡x→0+(1+11+x)=1+1=2f'(0^+) = \lim_{x \to 0^+} \left( 1 + \frac{1}{1 + x} \right) = 1 + 1 = 2

Igualando ambas expresiones: −b=2  ⟹  b=−2-b = 2 \implies b = -2. Por tanto, los valores buscados son a=0a = 0 y b=−2b = -2.

b) Halla la ecuación de la recta tangente y de la recta normal a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=0x = 0.

Primero hallamos las coordenadas del punto de tangencia (0,f(0))(0, f(0)) y la pendiente de la recta tangente mt=f′(0)m_t = f'(0):El punto es (0,0)(0, 0), ya que f(0)=0+ln⁡(1)=0f(0) = 0 + \ln(1) = 0. La pendiente es mt=f′(0)=2m_t = f'(0) = 2.La ecuación de la recta tangente se obtiene mediante la fórmula y−f(0)=f′(0)(x−0)y - f(0) = f'(0)(x - 0):

y−0=2(x−0)  ⟹  y=2xy - 0 = 2(x - 0) \implies y = 2x

La pendiente de la recta normal es mn=−1f′(0)=−12m_n = -\frac{1}{f'(0)} = -\frac{1}{2}.La ecuación de la recta normal se obtiene mediante la fórmula y−f(0)=−1f′(0)(x−0)y - f(0) = -\frac{1}{f'(0)}(x - 0):

y−0=−12(x−0)  ⟹  y=−12xy - 0 = -\frac{1}{2}(x - 0) \implies y = -\frac{1}{2}x