AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Cálculo de áreas
Problema
2021 · Extraordinaria · Suplente
4A
Examen
EJERCICIO 4

Considera la función f:[0,+)Rf : [0, +\infty) \to \mathbb{R} definida por f(x)=xexf(x) = xe^x.

a) Esboza el recinto limitado por la gráfica de ff y las rectas x=2x = 2, y=xy = x.b) Determina el área del recinto anterior.
ÁreaRecintoIntegración por partes
a) Esboza el recinto limitado por la gráfica de ff y las rectas x=2x = 2, y=xy = x.

Para esbozar el recinto, analizamos las funciones dadas:1. La función f(x)=xexf(x) = xe^x: - Intersección con el eje yy: f(0)=0e0=0f(0) = 0 \cdot e^0 = 0. Pasa por el origen (0,0)(0,0). - Derivada primera: f(x)=1ex+xex=ex(1+x)f'(x) = 1 \cdot e^x + x \cdot e^x = e^x(1+x). Para x[0,+)x \in [0, +\infty), f(x)>0f'(x) > 0, lo que implica que f(x)f(x) es estrictamente creciente en su dominio. - Derivada segunda: f(x)=ex(1+x)+ex(1)=ex(2+x)f''(x) = e^x(1+x) + e^x(1) = e^x(2+x). Para x[0,+)x \in [0, +\infty), f(x)>0f''(x) > 0, lo que implica que f(x)f(x) es convexa (cóncava hacia arriba) en su dominio.2. La recta y=xy = x: Pasa por el origen (0,0)(0,0) y tiene pendiente 1.3. La recta x=2x = 2: Es una línea vertical en x=2x=2.Comparación de f(x)f(x) con y=xy=x: Para x>0x > 0, ex>1e^x > 1. Por lo tanto, f(x)=xex>x1=xf(x) = xe^x > x \cdot 1 = x. Esto significa que f(x)f(x) siempre está por encima de la recta y=xy=x para x>0x > 0. Ambas funciones se intersecan en x=0x=0.El recinto limitado está formado por la región entre la gráfica de f(x)f(x) (la función superior) y la recta y=xy=x (la función inferior), desde x=0x=0 hasta x=2x=2. El esbozo mostraría la recta y=xy=x partiendo del origen, la curva f(x)f(x) partiendo también del origen y creciendo más rápidamente que y=xy=x, y la línea vertical x=2x=2 que cierra la región por la derecha.

b) Determina el área del recinto anterior.

El área del recinto se calcula integrando la diferencia entre la función superior y la función inferior en el intervalo [0,2][0, 2]. Como hemos determinado en el apartado anterior, f(x)=xexf(x) = xe^x está por encima de y=xy=x en el intervalo (0,2](0,2]. Por lo tanto, el área AA viene dada por la integral:

A=02(f(x)x)dx=02(xexx)dxA = \int_{0}^{2} (f(x) - x) \, dx = \int_{0}^{2} (xe^x - x) \, dx

Resolvemos la integral por partes para xexdx\int xe^x \, dx:

Sea u=x    du=dxSea dv=exdx    v=ex\text{Sea } u = x \implies du = dx \\ \text{Sea } dv = e^x \, dx \implies v = e^x
xexdx=uvvdu=xexexdx=xexex=ex(x1)\int xe^x \, dx = uv - \int v \, du = xe^x - \int e^x \, dx = xe^x - e^x = e^x(x-1)

Ahora, evaluamos la integral definida:

A=[ex(x1)x22]02A = \left[ e^x(x-1) - \frac{x^2}{2} \right]_{0}^{2}
A=(e2(21)222)(e0(01)022)A = \left( e^2(2-1) - \frac{2^2}{2} \right) - \left( e^0(0-1) - \frac{0^2}{2} \right)
A=(e2(1)42)(1(1)0)A = \left( e^2(1) - \frac{4}{2} \right) - \left( 1(-1) - 0 \right)
A=(e22)(1)A = (e^2 - 2) - (-1)
A=e22+1A = e^2 - 2 + 1
A=e21A = e^2 - 1

El área del recinto es e21e^2 - 1 unidades cuadradas.