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Cálculo de parámetros, extremos y áreas
Problema
2022 · Extraordinaria · Titular
3
Examen
EJERCICIO 3
a) Se considera la función f(x)=x3+bx2+cx1f(x) = x^3 + bx^2 + cx - 1 donde bb y cc son números reales. Determine el valor de bb y cc para que la función ff presente un extremo en el punto de abscisa x=13x = \frac{1}{3} y además la gráfica de la función ff pase por el punto (2,3)(-2, -3).b) Dada la función g(x)=x3x2+x+1g(x) = -x^3 - x^2 + x + 1, realice el esbozo de su gráfica, estudiando los puntos de corte con los ejes coordenados y su monotonía. Determine el área del recinto acotado, limitado por la gráfica de la función gg y el eje de abscisas.
Funciones polinómicasExtremos relativosCálculo integral+1
a) Se considera la función f(x)=x3+bx2+cx1f(x) = x^3 + bx^2 + cx - 1 donde bb y cc son números reales. Determine el valor de bb y cc para que la función ff presente un extremo en el punto de abscisa x=13x = \frac{1}{3} y además la gráfica de la función ff pase por el punto (2,3)(-2, -3).

La función dada es f(x)=x3+bx2+cx1f(x) = x^3 + bx^2 + cx - 1. Para que la función presente un extremo en x=13x = \frac{1}{3}, la primera derivada debe ser cero en ese punto. Primero, calculamos la primera derivada de f(x)f(x):

f(x)=3x2+2bx+cf'(x) = 3x^2 + 2bx + c

Aplicamos la condición de extremo en x=13x = \frac{1}{3}:

f(13)=3(13)2+2b(13)+c=0f'\left(\frac{1}{3}\right) = 3\left(\frac{1}{3}\right)^2 + 2b\left(\frac{1}{3}\right) + c = 0
3(19)+2b3+c=03\left(\frac{1}{9}\right) + \frac{2b}{3} + c = 0
13+2b3+c=0\frac{1}{3} + \frac{2b}{3} + c = 0

Multiplicamos por 3 para eliminar denominadores:

1+2b+3c=0(1)1 + 2b + 3c = 0 \quad (1)

Ahora, aplicamos la condición de que la gráfica de la función ff pase por el punto (2,3)(-2, -3), lo que significa que f(2)=3f(-2) = -3:

f(2)=(2)3+b(2)2+c(2)1=3f(-2) = (-2)^3 + b(-2)^2 + c(-2) - 1 = -3
8+4b2c1=3-8 + 4b - 2c - 1 = -3
4b2c9=34b - 2c - 9 = -3
4b2c=64b - 2c = 6

Dividimos por 2 para simplificar:

2bc=3(2)2b - c = 3 \quad (2)

Ahora resolvemos el sistema de ecuaciones formado por (1) y (2):

{2b+3c=1(1)2bc=3(2)\begin{cases} 2b + 3c = -1 \quad (1) \\2b - c = 3 \quad (2) \end{cases}

Restamos la ecuación (2) de la ecuación (1):

(2b + 3c) - (2b - c) = -1 - 3
4c=44c = -4
c=1c = -1

Sustituimos el valor de cc en la ecuación (2):

2b(1)=32b - (-1) = 3
2b+1=32b + 1 = 3
2b=22b = 2
b=1b = 1

Por lo tanto, los valores de bb y cc son b=1b = 1 y c=1c = -1.

b) Dada la función g(x)=x3x2+x+1g(x) = -x^3 - x^2 + x + 1, realice el esbozo de su gráfica, estudiando los puntos de corte con los ejes coordenados y su monotonía. Determine el área del recinto acotado, limitado por la gráfica de la función gg y el eje de abscisas.
Puntos de corte con los ejes coordenados:

Corte con el eje Y (haciendo x=0x = 0):

g(0)=(0)3(0)2+(0)+1=1g(0) = -(0)^3 - (0)^2 + (0) + 1 = 1

El punto de corte con el eje Y es (0,1)(0, 1).Corte con el eje X (haciendo g(x)=0g(x) = 0):

x3x2+x+1=0-x^3 - x^2 + x + 1 = 0

Podemos factorizar por grupos o probar raíces enteras (±1\pm 1). Si x=1x = 1: g(1)=(1)3(1)2+(1)+1=11+1+1=0g(1) = -(1)^3 - (1)^2 + (1) + 1 = -1 - 1 + 1 + 1 = 0. Entonces x=1x = 1 es una raíz. Si x=1x = -1: g(1)=(1)3(1)2+(1)+1=(1)11+1=111+1=0g(-1) = -(-1)^3 - (-1)^2 + (-1) + 1 = -(-1) - 1 - 1 + 1 = 1 - 1 - 1 + 1 = 0. Entonces x=1x = -1 es una raíz.Podemos factorizar la expresión: g(x)=x2(x+1)+(x+1)=(x+1)(x2+1)=(x+1)(1x2)=(x+1)(1x)(1+x)=(x+1)2(1x)g(x) = -x^2(x+1) + (x+1) = (x+1)(-x^2+1) = (x+1)(1-x^2) = (x+1)(1-x)(1+x) = (x+1)^2(1-x). Las raíces son x=1x = -1 (raíz doble) y x=1x = 1 (raíz simple).Los puntos de corte con el eje X son (1,0)(-1, 0) y (1,0)(1, 0).

Monotonía (intervalos de crecimiento y decrecimiento):

Calculamos la primera derivada g(x)g'(x):

g(x)=3x22x+1g'(x) = -3x^2 - 2x + 1

Para encontrar los puntos críticos, igualamos g(x)g'(x) a cero:

3x22x+1=0-3x^2 - 2x + 1 = 0
3x2+2x1=03x^2 + 2x - 1 = 0

Usamos la fórmula cuadrática para encontrar las raíces de g(x)g'(x):

x=2±224(3)(1)2(3)=2±4+126=2±166=2±46x = \frac{-2 \pm \sqrt{2^2 - 4(3)(-1)}}{2(3)} = \frac{-2 \pm \sqrt{4 + 12}}{6} = \frac{-2 \pm \sqrt{16}}{6} = \frac{-2 \pm 4}{6}
x1=2+46=26=13x_1 = \frac{-2 + 4}{6} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}
x2=246=66=1x_2 = \frac{-2 - 4}{6} = \frac{-6}{6} = -1

Los puntos críticos son x=1x = -1 y x=13x = \frac{1}{3}. Dividimos la recta real en intervalos y analizamos el signo de g(x)g'(x):* Para x(,1)x \in (-\infty, -1), tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=2x = -2:

g(2)=3(2)22(2)+1=12+4+1=7<0g'(-2) = -3(-2)^2 - 2(-2) + 1 = -12 + 4 + 1 = -7 < 0

La función g(x)g(x) es decreciente en (,1)(-\infty, -1).* Para x(1,13)x \in (-1, \frac{1}{3}), tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=0x = 0:

g(0)=3(0)22(0)+1=1>0g'(0) = -3(0)^2 - 2(0) + 1 = 1 > 0

La función g(x)g(x) es creciente en (1,13)(-1, \frac{1}{3}).* Para x(13,)x \in (\frac{1}{3}, \infty), tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=1x = 1:

g(1)=3(1)22(1)+1=32+1=4<0g'(1) = -3(1)^2 - 2(1) + 1 = -3 - 2 + 1 = -4 < 0

La función g(x)g(x) es decreciente en (13,)(\frac{1}{3}, \infty).Resumen de monotonía: Decrece en (,1)(13,)(-\infty, -1) \cup (\frac{1}{3}, \infty). Crece en (1,13)(-1, \frac{1}{3}).Extremos relativos: En x=1x = -1, la función pasa de decreciente a creciente, por lo que hay un mínimo local. g(1)=0g(-1) = 0. Mínimo local en (1,0)(-1, 0). En x=13x = \frac{1}{3}, la función pasa de creciente a decreciente, por lo que hay un máximo local. g(13)=(13)3(13)2+(13)+1=12719+13+1=13+9+2727=3227g(\frac{1}{3}) = -(\frac{1}{3})^3 - (\frac{1}{3})^2 + (\frac{1}{3}) + 1 = -\frac{1}{27} - \frac{1}{9} + \frac{1}{3} + 1 = \frac{-1 - 3 + 9 + 27}{27} = \frac{32}{27}. Máximo local en (13,3227)(\frac{1}{3}, \frac{32}{27}).

Esbozo de la gráfica:

La gráfica de g(x)g(x) es una cúbica con coeficiente principal negativo, por lo que comienza en ++\infty para xx \to -\infty y termina en -\infty para xx \to \infty. Pasa por el eje Y en (0,1)(0, 1). Corta el eje X en (1,0)(-1, 0) (donde tiene un mínimo local y la gráfica "rebota") y en (1,0)(1, 0). * Tiene un máximo local en (13,3227)(0.33,1.19)(\frac{1}{3}, \frac{32}{27}) \approx (0.33, 1.19).La gráfica desciende hasta el mínimo local en (1,0)(-1, 0), asciende pasando por (0,1)(0,1) hasta el máximo local en (13,3227)(\frac{1}{3}, \frac{32}{27}), y luego desciende indefinidamente pasando por (1,0)(1,0).

Área del recinto acotado, limitado por la gráfica de la función $g$ y el eje de abscisas:

Los puntos de corte con el eje de abscisas son x=1x = -1 y x=1x = 1. La función g(x)=(x+1)2(1x)g(x) = (x+1)^2(1-x). En el intervalo [1,1][-1, 1], tanto (x+1)2(x+1)^2 como (1x)(1-x) son mayores o iguales que cero, por lo tanto g(x)0g(x) \ge 0 en este intervalo. El área se calcula como la integral definida de g(x)g(x) entre 1-1 y 11.

A=11(x3x2+x+1)dxA = \int_{-1}^{1} (-x^3 - x^2 + x + 1) dx

Calculamos la integral indefinida:

(x3x2+x+1)dx=x44x33+x22+x+C\int (-x^3 - x^2 + x + 1) dx = -\frac{x^4}{4} - \frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x + C

Ahora evaluamos la integral definida:

A=[x44x33+x22+x]11A = \left[ -\frac{x^4}{4} - \frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x \right]_{-1}^{1}
A=((1)44(1)33+(1)22+1)((1)44(1)33+(1)22+(1))A = \left( -\frac{(1)^4}{4} - \frac{(1)^3}{3} + \frac{(1)^2}{2} + 1 \right) - \left( -\frac{(-1)^4}{4} - \frac{(-1)^3}{3} + \frac{(-1)^2}{2} + (-1) \right)
A=(1413+12+1)(14+13+121)A = \left( -\frac{1}{4} - \frac{1}{3} + \frac{1}{2} + 1 \right) - \left( -\frac{1}{4} + \frac{1}{3} + \frac{1}{2} - 1 \right)
A=(34+6+1212)(3+4+61212)A = \left( \frac{-3 - 4 + 6 + 12}{12} \right) - \left( \frac{-3 + 4 + 6 - 12}{12} \right)
A=(1112)(512)A = \left( \frac{11}{12} \right) - \left( \frac{-5}{12} \right)
A=1112+512=1612A = \frac{11}{12} + \frac{5}{12} = \frac{16}{12}
A=43A = \frac{4}{3}

El área del recinto acotado es 43\frac{4}{3} unidades cuadradas.