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Integrales
Problema
2021 · Extraordinaria · Suplente
3A
Examen
EJERCICIO 3

Considera la función f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=x2+x1f(x) = x^2 + |x - 1|.

a) Determina los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de ff.b) Calcula 02f(x)dx\int_{0}^{2} f(x) dx.
MonotoníaIntegral definidaValor absoluto

La función f(x)=x2+x1f(x) = x^2 + |x - 1| se puede expresar como una función a trozos debido al valor absoluto. Analizamos el signo de (x1)(x - 1):Si x10x - 1 \ge 0, es decir, x1x \ge 1, entonces x1=x1|x - 1| = x - 1. La función es f(x)=x2+(x1)=x2+x1f(x) = x^2 + (x - 1) = x^2 + x - 1.Si x1<0x - 1 < 0, es decir, x<1x < 1, entonces x1=(x1)=1x|x - 1| = -(x - 1) = 1 - x. La función es f(x)=x2+(1x)=x2x+1f(x) = x^2 + (1 - x) = x^2 - x + 1.Por lo tanto, la función f(x)f(x) se define como:

f(x)={x2x+1si x<1x2+x1si x1f(x) = \begin{cases} x^2 - x + 1 & \text{si } x < 1 \\ x^2 + x - 1 & \text{si } x \ge 1 \end{cases}
a) Determina los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de ff.

Para determinar los intervalos de crecimiento y decrecimiento, calculamos la primera derivada de la función f(x)f(x):

f(x)={2x1si x<12x+1si x>1f'(x) = \begin{cases} 2x - 1 & \text{si } x < 1 \\ 2x + 1 & \text{si } x > 1 \end{cases}

La función f(x)f(x) es continua en x=1x=1, ya que limx1(x2x+1)=11+1=1\lim_{x \to 1^-} (x^2 - x + 1) = 1 - 1 + 1 = 1 y limx1+(x2+x1)=1+11=1\lim_{x \to 1^+} (x^2 + x - 1) = 1 + 1 - 1 = 1. Sin embargo, la derivada no es continua en x=1x=1 porque f(1)=2(1)1=1f'(1^-) = 2(1) - 1 = 1 y f(1+)=2(1)+1=3f'(1^+) = 2(1) + 1 = 3. Por lo tanto, x=1x=1 es un punto crítico.Buscamos los puntos críticos igualando f(x)=0f'(x)=0 en cada tramo:Para x<1x < 1: 2x1=0    x=1/22x - 1 = 0 \implies x = 1/2. Este punto se encuentra en el intervalo.Para x>1x > 1: 2x+1=0    x=1/22x + 1 = 0 \implies x = -1/2. Este punto no se encuentra en el intervalo x>1x > 1, por lo que no es un punto crítico en esta rama.Los puntos a considerar para el estudio del signo de f(x)f'(x) son x=1/2x = 1/2 y x=1x = 1. Dividimos la recta real en intervalos:1. Intervalo (,1/2)(-\infty, 1/2) (usando f(x)=2x1f'(x) = 2x - 1): Tomamos x=0x=0, f(0)=1<0f'(0) = -1 < 0. La función es decreciente.2. Intervalo (1/2,1)(1/2, 1) (usando f(x)=2x1f'(x) = 2x - 1): Tomamos x=0.75x=0.75, f(0.75)=2(0.75)1=1.51=0.5>0f'(0.75) = 2(0.75) - 1 = 1.5 - 1 = 0.5 > 0. La función es creciente.3. Intervalo (1,)(1, \infty) (usando f(x)=2x+1f'(x) = 2x + 1): Tomamos x=2x=2, f(2)=2(2)+1=5>0f'(2) = 2(2) + 1 = 5 > 0. La función es creciente.Conclusión:La función f(x)f(x) es decreciente en el intervalo (,1/2](-\infty, 1/2].La función f(x)f(x) es creciente en el intervalo [1/2,)[1/2, \infty).

b) Calcula 02f(x)dx\int_{0}^{2} f(x) dx.

Para calcular la integral, debemos dividirla en dos partes debido a la definición de f(x)f(x) a trozos en x=1x=1:

02f(x)dx=01(x2x+1)dx+12(x2+x1)dx\int_{0}^{2} f(x) dx = \int_{0}^{1} (x^2 - x + 1) dx + \int_{1}^{2} (x^2 + x - 1) dx

Calculamos la primera integral:

01(x2x+1)dx=[x33x22+x]01\int_{0}^{1} (x^2 - x + 1) dx = \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{x^2}{2} + x \right]_{0}^{1}
=(133122+1)(033022+0)= \left( \frac{1^3}{3} - \frac{1^2}{2} + 1 \right) - \left( \frac{0^3}{3} - \frac{0^2}{2} + 0 \right)
=1312+1=23+66=56= \frac{1}{3} - \frac{1}{2} + 1 = \frac{2 - 3 + 6}{6} = \frac{5}{6}

Calculamos la segunda integral:

12(x2+x1)dx=[x33+x22x]12\int_{1}^{2} (x^2 + x - 1) dx = \left[ \frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} - x \right]_{1}^{2}
=(233+2222)(133+1221)= \left( \frac{2^3}{3} + \frac{2^2}{2} - 2 \right) - \left( \frac{1^3}{3} + \frac{1^2}{2} - 1 \right)
=(83+22)(13+121)= \left( \frac{8}{3} + 2 - 2 \right) - \left( \frac{1}{3} + \frac{1}{2} - 1 \right)
=83(2+366)=83(16)= \frac{8}{3} - \left( \frac{2 + 3 - 6}{6} \right) = \frac{8}{3} - \left( \frac{-1}{6} \right)
=83+16=166+16=176= \frac{8}{3} + \frac{1}{6} = \frac{16}{6} + \frac{1}{6} = \frac{17}{6}

Sumamos los resultados de ambas integrales:

02f(x)dx=56+176=226=113\int_{0}^{2} f(x) dx = \frac{5}{6} + \frac{17}{6} = \frac{22}{6} = \frac{11}{3}