Considera las funciones f,g:R→R definidas por f(x)=x3+2 y g(x)=−x2+2x+2.
a) Calcula los puntos de corte de las gráficas de f y g. Esboza sus gráficas.b) Determina el área del recinto limitado por las gráficas de f y g en el primer cuadrante.
Áreas entre curvasGráficasPuntos de corte
a) Calcula los puntos de corte de las gráficas de f y g. Esboza sus gráficas.
Para calcular los puntos de corte de las gráficas de f(x) y g(x), igualamos ambas funciones:
f(x)=g(x)
x3+2=−x2+2x+2
Reordenamos la ecuación para encontrar las raíces:
x3+x2−2x=0
Sacamos factor común x:
x(x2+x−2)=0
Esto nos da una primera solución x=0. Las otras soluciones provienen de la ecuación cuadrática x2+x−2=0. Aplicamos la fórmula general para las ecuaciones de segundo grado:
x=2a−b±b2−4ac
x=2(1)−1±12−4(1)(−2)=2−1±1+8=2−1±9=2−1±3
Esto nos da dos soluciones adicionales:
x1=2−1+3=22=1
x2=2−1−3=2−4=−2
Los puntos de corte se encuentran en x=−2, x=0 y x=1. Ahora calculamos las coordenadas y correspondientes utilizando f(x) (o g(x)):
Para x=−2:f(−2)=(−2)3+2=−8+2=−6⇒(−2,−6)
Para x=0:f(0)=(0)3+2=2⇒(0,2)
Para x=1:f(1)=(1)3+2=3⇒(1,3)
Los puntos de corte son (−2,−6), (0,2) y (1,3).
Esbozo de las gráficas:
Para f(x)=x3+2:- Es una función cúbica, continua y creciente en todo R ya que su derivada f′(x)=3x2≥0 para todo x∈R.- Pasa por los puntos de corte (−2,−6), (0,2) y (1,3).- En x=0, tiene un punto de inflexión con tangente horizontal (la pendiente es 0).Para g(x)=−x2+2x+2:- Es una parábola con concavidad hacia abajo (coeficiente de x2 es negativo).- Sus puntos de corte con los ejes son: con el eje y, g(0)=2, es decir (0,2). Con el eje x, −x2+2x+2=0, x2−2x−2=0, x=22±4−4(1)(−2)=22±12=1±3. Aproximadamente (−0.73,0) y (2.73,0).- El vértice de la parábola se calcula como xv=−2ab=−2(−1)2=1. La coordenada y es g(1)=−(1)2+2(1)+2=−1+2+2=3. El vértice es (1,3).- Pasa por los puntos de corte (−2,−6), (0,2) y (1,3).
b) Determina el área del recinto limitado por las gráficas de f y g en el primer cuadrante.
Los puntos de corte en el primer cuadrante (donde x≥0 y y≥0) son (0,2) y (1,3). Por lo tanto, el área se calculará en el intervalo de x de [0,1].Para determinar qué función está por encima de la otra en el intervalo [0,1], podemos evaluar ambas funciones en un punto intermedio, por ejemplo, x=0.5:
f(0.5)=(0.5)3+2=0.125+2=2.125
g(0.5)=−(0.5)2+2(0.5)+2=−0.25+1+2=2.75
Dado que g(0.5)>f(0.5), la función g(x) está por encima de f(x) en el intervalo [0,1]. El área se calcula mediante la integral definida:
A=∫01(g(x)−f(x))dx
Calculamos la diferencia entre las funciones:
g(x)−f(x)=(−x2+2x+2)−(x3+2)
g(x)−f(x)=−x3−x2+2x
Ahora integramos la expresión resultante:
A=∫01(−x3−x2+2x)dx
A=[−4x4−3x3+22x2]01
A=[−4x4−3x3+x2]01
Evaluamos la primitiva en los límites de integración:
A=(−414−313+12)−(−404−303+02)
A=(−41−31+1)−0
Para sumar las fracciones, encontramos un denominador común, que es 12:
A=12−3−124+1212
A=12−3−4+12
A=125
El área del recinto limitado por las gráficas de f y g en el primer cuadrante es 125 unidades cuadradas.