a) Se considera la función f(x)=x3+bx2+cx−1 donde b y c son números reales. Determine el valor de b y c para que la función f presente un extremo en el punto de abscisa x=31 y además la gráfica de la función f pase por el punto (−2,−3).b) Dada la función g(x)=−x3−x2+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 g y el eje de abscisas.
a) Se considera la función f(x)=x3+bx2+cx−1 donde b y c son números reales. Determine el valor de b y c para que la función f presente un extremo en el punto de abscisa x=31 y además la gráfica de la función f pase por el punto (−2,−3).
La función dada es f(x)=x3+bx2+cx−1. Para que la función presente un extremo en x=31, la primera derivada debe ser cero en ese punto. Primero, calculamos la primera derivada de f(x):
f′(x)=3x2+2bx+c
Aplicamos la condición de extremo en x=31:
f′(31)=3(31)2+2b(31)+c=0
3(91)+32b+c=0
31+32b+c=0
Multiplicamos por 3 para eliminar denominadores:
1+2b+3c=0(1)
Ahora, aplicamos la condición de que la gráfica de la función f pase por el punto (−2,−3), lo que significa que f(−2)=−3:
f(−2)=(−2)3+b(−2)2+c(−2)−1=−3
−8+4b−2c−1=−3
4b−2c−9=−3
4b−2c=6
Dividimos por 2 para simplificar:
2b−c=3(2)
Ahora resolvemos el sistema de ecuaciones formado por (1) y (2):
{2b+3c=−1(1)2b−c=3(2)
Restamos la ecuación (2) de la ecuación (1):
(2b + 3c) - (2b - c) = -1 - 3
4c=−4
c=−1
Sustituimos el valor de c en la ecuación (2):
2b−(−1)=3
2b+1=3
2b=2
b=1
Por lo tanto, los valores de b y c son b=1 y c=−1.
b) Dada la función g(x)=−x3−x2+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 g y el eje de abscisas.
Puntos de corte con los ejes coordenados:
Corte con el eje Y (haciendo x=0):
g(0)=−(0)3−(0)2+(0)+1=1
El punto de corte con el eje Y es (0,1).Corte con el eje X (haciendo g(x)=0):
−x3−x2+x+1=0
Podemos factorizar por grupos o probar raíces enteras (±1).
Si x=1: g(1)=−(1)3−(1)2+(1)+1=−1−1+1+1=0. Entonces x=1 es una raíz.
Si x=−1: g(−1)=−(−1)3−(−1)2+(−1)+1=−(−1)−1−1+1=1−1−1+1=0. Entonces x=−1 es una raíz.Podemos factorizar la expresión: g(x)=−x2(x+1)+(x+1)=(x+1)(−x2+1)=(x+1)(1−x2)=(x+1)(1−x)(1+x)=(x+1)2(1−x).
Las raíces son x=−1 (raíz doble) y x=1 (raíz simple).Los puntos de corte con el eje X son (−1,0) y (1,0).
Monotonía (intervalos de crecimiento y decrecimiento):
Calculamos la primera derivada g′(x):
g′(x)=−3x2−2x+1
Para encontrar los puntos críticos, igualamos g′(x) a cero:
−3x2−2x+1=0
3x2+2x−1=0
Usamos la fórmula cuadrática para encontrar las raíces de g′(x):
x=2(3)−2±22−4(3)(−1)=6−2±4+12=6−2±16=6−2±4
x1=6−2+4=62=31
x2=6−2−4=6−6=−1
Los puntos críticos son x=−1 y x=31. Dividimos la recta real en intervalos y analizamos el signo de g′(x):* Para x∈(−∞,−1), tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=−2:
g′(−2)=−3(−2)2−2(−2)+1=−12+4+1=−7<0
La función g(x) es decreciente en (−∞,−1).* Para x∈(−1,31), tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=0:
g′(0)=−3(0)2−2(0)+1=1>0
La función g(x) es creciente en (−1,31).* Para x∈(31,∞), tomamos un punto de prueba, por ejemplo x=1:
g′(1)=−3(1)2−2(1)+1=−3−2+1=−4<0
La función g(x) es decreciente en (31,∞).Resumen de monotonía:
Decrece en (−∞,−1)∪(31,∞).
Crece en (−1,31).Extremos relativos:
En x=−1, la función pasa de decreciente a creciente, por lo que hay un mínimo local. g(−1)=0. Mínimo local en (−1,0).
En x=31, la función pasa de creciente a decreciente, por lo que hay un máximo local. g(31)=−(31)3−(31)2+(31)+1=−271−91+31+1=27−1−3+9+27=2732. Máximo local en (31,2732).
Esbozo de la gráfica:
La gráfica de g(x) es una cúbica con coeficiente principal negativo, por lo que comienza en +∞ para x→−∞ y termina en −∞ para x→∞.
Pasa por el eje Y en (0,1).
Corta el eje X en (−1,0) (donde tiene un mínimo local y la gráfica "rebota") y en (1,0).
* Tiene un máximo local en (31,2732)≈(0.33,1.19).La gráfica desciende hasta el mínimo local en (−1,0), asciende pasando por (0,1) hasta el máximo local en (31,2732), y luego desciende indefinidamente pasando por (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=−1 y x=1. La función g(x)=(x+1)2(1−x). En el intervalo [−1,1], tanto (x+1)2 como (1−x) son mayores o iguales que cero, por lo tanto g(x)≥0 en este intervalo. El área se calcula como la integral definida de g(x) entre −1 y 1.