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Continuidad y derivabilidad
Problema
2020 · Extraordinaria · Titular
3
Examen
BLOQUE B

Se considera la función

f(x)={2+ax1si x<0a+bexsi x0f(x) = \begin{cases} 2 + \frac{a}{x - 1} & \text{si } x < 0 \\ a + b e^x & \text{si } x \ge 0 \end{cases}
a) Calcule los valores aa y bb para que la función sea continua y derivable en su dominio.b) Para a=2a = 2 y b=2b = -2, estudie la monotonía de la función ff y calcule sus extremos relativos.c) Para a=2a = 2 y b=2b = -2, determine las ecuaciones de las asíntotas de ff, si existen.
ContinuidadDerivabilidadMonotonía+1
Resolución de la función definida a trozos
a) Calcule los valores aa y bb para que la función sea continua y derivable en su dominio.

Para que la función sea continua en su dominio, dado que cada trozo es continuo en sus respectivos intervalos de definición (el primer trozo solo presenta una discontinuidad en x=1x = 1, que no pertenece al intervalo x<0x < 0), solo debemos asegurar la continuidad en el punto de unión x=0x = 0.

{limx0f(x)=limx0(2+ax1)=2alimx0+f(x)=limx0+(a+bex)=a+bf(0)=a+b\begin{cases} \lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^-} \left( 2 + \frac{a}{x-1} \right) = 2 - a \\ \lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^+} (a + b e^x) = a + b \\ f(0) = a + b \end{cases}

Igualando los límites laterales para que exista el límite y la función sea continua: 2a=a+b2a+b=22 - a = a + b \Rightarrow 2a + b = 2.Para que sea derivable, calculamos la derivada de la función en cada tramo y forzamos la igualdad de las derivadas laterales en x=0x = 0:

f(x)={a(x1)2si x<0bexsi x>0f'(x) = \begin{cases} \frac{-a}{(x - 1)^2} & \text{si } x < 0 \\ b e^x & \text{si } x > 0 \end{cases}
{f(0)=limx0a(x1)2=af(0+)=limx0+bex=b\begin{cases} f'(0^-) = \lim_{x \to 0^-} \frac{-a}{(x-1)^2} = -a \\ f'(0^+) = \lim_{x \to 0^+} b e^x = b \end{cases}

Igualando las derivadas laterales: a=b-a = b. Sustituimos esta relación en la ecuación de la continuidad:

2a + (-a) = 2 \Rightarrow a = 2

Sustituyendo el valor de aa en b=ab = -a, obtenemos b=2b = -2.

b) Para a=2a = 2 y b=2b = -2, estudie la monotonía de la función ff y calcule sus extremos relativos.

Sustituyendo los valores, la función y su derivada son:

f(x)={2(x1)2si x<02exsi x0f'(x) = \begin{cases} \frac{-2}{(x - 1)^2} & \text{si } x < 0 \\ -2 e^x & \text{si } x \ge 0 \end{cases}

Analizamos el signo de la derivada en cada tramo:Para x<0x < 0, f(x)=2(x1)2f'(x) = \frac{-2}{(x-1)^2}. Como (x1)2(x-1)^2 siempre es positivo, la fracción es siempre negativa. Por tanto, ff es estrictamente decreciente en (,0)(-\infty, 0).Para x0x \ge 0, f(x)=2exf'(x) = -2 e^x. Como exe^x es siempre positivo, el producto 2ex-2 e^x es siempre negativo. Por tanto, ff es estrictamente decreciente en [0,)[0, \infty).Dado que la función es continua y la derivada es negativa en todo el dominio (f(0)=2f'(0) = -2), la función es estrictamente decreciente en todo R\mathbb{R} y no presenta extremos relativos (máximos o mínimos).

c) Para a=2a = 2 y b=2b = -2, determine las ecuaciones de las asíntotas de ff, si existen.

1. Asíntotas Verticales: El único punto donde la función podría tener una asíntota vertical es x=1x = 1 (donde se anula el denominador del primer tramo), pero ese punto no pertenece al dominio de definición de dicho tramo (x<0x < 0). Por tanto, no existen asíntotas verticales.2. Asíntotas Horizontales: Calculamos los límites en el infinito.

limxf(x)=limx(2+2x1)=2+0=2\lim_{x \to -\infty} f(x) = \lim_{x \to -\infty} \left( 2 + \frac{2}{x-1} \right) = 2 + 0 = 2

Existe una asíntota horizontal y=2y = 2 cuando xx \to -\infty.

limx+f(x)=limx+(22ex)=2=\lim_{x \to +\infty} f(x) = \lim_{x \to +\infty} (2 - 2 e^x) = 2 - \infty = -\infty

No existe asíntota horizontal cuando x+x \to +\infty.3. Asíntotas Oblicuas: Analizamos la rama hacia ++\infty.

m=limx+f(x)x=limx+22exx=limx+2ex1=m = \lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to +\infty} \frac{2 - 2 e^x}{x} = \lim_{x \to +\infty} \frac{-2 e^x}{1} = -\infty

Como el límite es infinito, no existe asíntota oblicua. En resumen, la única asíntota es y=2y = 2 en -\infty.