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Continuidad y derivabilidad
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
4
Examen

Se considera la función f(x)={ax2+bx+2si x≤14x+1si x>1f(x) = \begin{cases} ax^2 + bx + 2 & \text{si } x \leq 1 \\ \frac{4}{x+1} & \text{si } x > 1 \end{cases} con aa y bb números reales.

a) Calcule aa y bb para que la función ff sea continua y derivable.b) Para a=−1a = -1 y b=1b = 1, realice un esbozo de la gráfica de la función ff.c) Para a=−1a = -1 y b=1b = 1, halle el área del recinto acotado, limitado por la gráfica de ff, la recta x=1x = 1 y el eje OXOX.
ContinuidadDerivabilidadÁrea bajo la curva+1
a) Calcule aa y bb para que la función ff sea continua y derivable.

Para que la función sea continua, debe serlo en el punto x=1x=1. Esto implica que el límite de la función por la izquierda debe ser igual al límite por la derecha y al valor de la función en x=1x=1.

lim⁡x→1−f(x)=a(1)2+b(1)+2=a+b+2\lim_{x \to 1^-} f(x) = a(1)^2 + b(1) + 2 = a + b + 2
lim⁡x→1+f(x)=41+1=42=2\lim_{x \to 1^+} f(x) = \frac{4}{1+1} = \frac{4}{2} = 2

Igualando ambos límites obtenemos la primera ecuación:

a+b+2=2  ⟹  a+b=0(1)a + b + 2 = 2 \implies a + b = 0 \quad (1)

Para que la función sea derivable, debe serlo en x=1x=1. Primero, calculamos las derivadas de cada rama:

f′(x)={2ax+bsi x<1−4(x+1)2si x>1f'(x) = \begin{cases} 2ax + b & \text{si } x < 1 \\ -\frac{4}{(x+1)^2} & \text{si } x > 1 \end{cases}

Para que sea derivable en x=1x=1, las derivadas laterales deben ser iguales:

lim⁡x→1−f′(x)=2a(1)+b=2a+b\lim_{x \to 1^-} f'(x) = 2a(1) + b = 2a + b
lim⁡x→1+f′(x)=−4(1+1)2=−44=−1\lim_{x \to 1^+} f'(x) = -\frac{4}{(1+1)^2} = -\frac{4}{4} = -1

Igualando las derivadas laterales obtenemos la segunda ecuación:

2a+b=−1(2)2a + b = -1 \quad (2)

Ahora resolvemos el sistema de ecuaciones:

{a+b=02a+b=−1\begin{cases} a + b = 0 \\ 2a + b = -1 \end{cases}

De la ecuación (1), despejamos bb: b=−ab = -a. Sustituimos en la ecuación (2):

2a + (-a) = -1 \implies a = -1

Sustituyendo a=−1a = -1 en b=−ab = -a: b=−(−1)=1b = -(-1) = 1.Los valores son a=−1a = -1 y b=1b = 1.

b) Para a=−1a = -1 y b=1b = 1, realice un esbozo de la gráfica de la función ff.

Con a=−1a = -1 y b=1b = 1, la función es:

f(x)={−x2+x+2si x≤14x+1si x>1f(x) = \begin{cases} -x^2 + x + 2 & \text{si } x \leq 1 \\ \frac{4}{x+1} & \text{si } x > 1 \end{cases}

Para x≤1x \leq 1, la función es una parábola y=−x2+x+2y = -x^2 + x + 2. Es una parábola que abre hacia abajo. * Vértice: xv=−12(−1)=12x_v = -\frac{1}{2(-1)} = \frac{1}{2}. f(12)=−(12)2+12+2=−14+12+2=−1+2+84=94=2.25f(\frac{1}{2}) = -(\frac{1}{2})^2 + \frac{1}{2} + 2 = -\frac{1}{4} + \frac{1}{2} + 2 = \frac{-1+2+8}{4} = \frac{9}{4} = 2.25. El vértice es (12,94)(\frac{1}{2}, \frac{9}{4}). * Puntos de corte con el eje OX (y=0y=0): −x2+x+2=0  ⟹  x2−x−2=0  ⟹  (x−2)(x+1)=0-x^2 + x + 2 = 0 \implies x^2 - x - 2 = 0 \implies (x-2)(x+1) = 0. Las raíces son x=2x=2 y x=−1x=-1. Para x≤1x \leq 1, el punto de corte es (−1,0)(-1, 0). * Punto en x=1x=1: f(1)=−(1)2+1+2=2f(1) = -(1)^2 + 1 + 2 = 2. El punto es (1,2)(1, 2).Para x>1x > 1, la función es y=4x+1y = \frac{4}{x+1}. Es una hipérbola. * Asíntota horizontal: y=0y=0 (eje OX) cuando x→∞x \to \infty. * Punto en x=1x=1 (límite por la derecha): lim⁡x→1+4x+1=42=2\lim_{x \to 1^+} \frac{4}{x+1} = \frac{4}{2} = 2. El punto es (1,2)(1, 2). * Algunos puntos adicionales: f(3)=43+1=1  ⟹  (3,1)f(3) = \frac{4}{3+1} = 1 \implies (3, 1); f(7)=47+1=0.5  ⟹  (7,0.5)f(7) = \frac{4}{7+1} = 0.5 \implies (7, 0.5).El esbozo de la gráfica comenzaría en x=−1x=-1 en el eje X, subiendo hasta el vértice (12,94)(\frac{1}{2}, \frac{9}{4}), y luego bajando suavemente hasta el punto (1,2)(1,2). A partir de este punto, la gráfica de la hipérbola continuaría decreciendo suavemente hacia el eje X sin tocarlo.

c) Para a=−1a = -1 y b=1b = 1, halle el área del recinto acotado, limitado por la gráfica de ff, la recta x=1x = 1 y el eje OXOX.

El recinto acotado está limitado por la función f(x)=−x2+x+2f(x) = -x^2 + x + 2 (ya que la recta x=1x=1 y el eje OX limitan la región para x≤1x \leq 1), la recta x=1x=1 y el eje OX (y=0y=0).Necesitamos encontrar los puntos de corte de f(x)f(x) con el eje OX. Ya los calculamos en el apartado anterior: x=−1x=-1 y x=2x=2. Dado que la región está limitada por x=1x=1, el intervalo de integración para la parábola será desde x=−1x=-1 hasta x=1x=1.En el intervalo [−1,1][-1, 1], la función f(x)=−x2+x+2f(x) = -x^2 + x + 2 es positiva, por lo que el área se calcula mediante la integral definida:

A=∫−11(−x2+x+2)dxA = \int_{-1}^{1} (-x^2 + x + 2) dx

Resolvemos la integral:

A=[−x33+x22+2x]−11A = \left[ -\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + 2x \right]_{-1}^{1}
A=(−(1)33+(1)22+2(1))−(−(−1)33+(−1)22+2(−1))A = \left( -\frac{(1)^3}{3} + \frac{(1)^2}{2} + 2(1) \right) - \left( -\frac{(-1)^3}{3} + \frac{(-1)^2}{2} + 2(-1) \right)
A=(−13+12+2)−(−−13+12−2)A = \left( -\frac{1}{3} + \frac{1}{2} + 2 \right) - \left( -\frac{-1}{3} + \frac{1}{2} - 2 \right)
A=(−13+12+2)−(13+12−2)A = \left( -\frac{1}{3} + \frac{1}{2} + 2 \right) - \left( \frac{1}{3} + \frac{1}{2} - 2 \right)
A=(−2+3+126)−(2+3−126)A = \left( \frac{-2 + 3 + 12}{6} \right) - \left( \frac{2 + 3 - 12}{6} \right)
A=136−(−76)A = \frac{13}{6} - \left( -\frac{7}{6} \right)
A=136+76=206=103A = \frac{13}{6} + \frac{7}{6} = \frac{20}{6} = \frac{10}{3}

El área del recinto acotado es 103\frac{10}{3} unidades cuadradas.