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Áreas entre curvas
Problema
2025 · Extraordinaria · Reserva
6
Examen

Considera las funciones f,g:RRf, g : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definidas por f(x)=exf(x) = -e^x y g(x)=exg(x) = -e^{-x}.

a) Esboza las gráficas de dichas funciones.b) Calcula la suma de las áreas de los recintos acotados y limitados por las gráficas de dichas funciones y las rectas x=1x = -1 y x=1x = 1.
IntegraciónÁrea de recintosFunciones exponenciales
a) Esboza las gráficas de dichas funciones.

Para esbozar las gráficas, analizamos las propiedades de las funciones dadas:1. La función f(x)=exf(x) = -e^x es la simétrica de la exponencial exe^x respecto al eje XX. Es una función siempre negativa, estrictamente decreciente, con una asíntota horizontal en y=0y = 0 cuando xx \to -\infty y pasa por el punto (0,1)(0, -1).2. La función g(x)=exg(x) = -e^{-x} es la simétrica de f(x)f(x) respecto al eje YY. También es siempre negativa, pero estrictamente creciente. Tiene una asíntota horizontal en y=0y = 0 cuando x+x \to +\infty y pasa por el punto (0,1)(0, -1).Ambas funciones se intersecan en el punto (0,1)(0, -1) y son simétricas entre sí respecto al eje de ordenadas.

b) Calcula la suma de las áreas de los recintos acotados y limitados por las gráficas de dichas funciones y las rectas x=1x = -1 y x=1x = 1.

Primero, igualamos las funciones para confirmar el punto de corte:

ex=ex    ex=1ex    e2x=1    2x=0    x=0-e^x = -e^{-x} \implies e^x = \frac{1}{e^x} \implies e^{2x} = 1 \implies 2x = 0 \implies x = 0

El área se divide en dos recintos debido al cruce en x=0x = 0. Debido a la simetría de las funciones, el área en el intervalo [1,0][-1, 0] es igual al área en el intervalo [0,1][0, 1]. Calcularemos el área total AA como el doble del área en el intervalo [0,1][0, 1].En el intervalo [0,1][0, 1], se observa que g(x)f(x)g(x) \ge f(x) (ya que e10,37-e^{-1} \approx -0,37 y e12,72-e^1 \approx -2,72). Por tanto, la suma de las áreas es:

A=201[g(x)f(x)]dx=201(ex(ex))dx=201(exex)dxA = 2 \int_0^1 [g(x) - f(x)] dx = 2 \int_0^1 (-e^{-x} - (-e^x)) dx = 2 \int_0^1 (e^x - e^{-x}) dx

Calculamos la integral definida aplicando la regla de Barrow:

(exex)dx=[ex+ex]\int (e^x - e^{-x}) dx = [e^x + e^{-x}]
2[ex+ex]01=2[(e1+e1)(e0+e0)]2 \cdot [e^x + e^{-x}]_0^1 = 2 \left[ (e^1 + e^{-1}) - (e^0 + e^0) \right]
2[e+1e(1+1)]=2(e+1e2)2 \left[ e + \frac{1}{e} - (1 + 1) \right] = 2 \left( e + \frac{1}{e} - 2 \right)

El resultado final de la suma de las áreas es:

A=2e+2e4 u22,175 u2A = 2e + \frac{2}{e} - 4 \text{ u}^2 \approx 2,175 \text{ u}^2