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Curvatura e integral definida
Problema
2021 · Extraordinaria · Titular
3
Examen
EJERCICIO 3

Considera la función f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por:

f(x)=1+∫0xtetdtf(x) = 1 + \int_0^x t e^t dt

Determina los intervalos de concavidad y de convexidad de ff y sus puntos de inflexión (abscisas donde se obtienen y valores que se alcanzan).

AnálisisTeorema fundamental del cálculoCurvatura+1

Para determinar los intervalos de concavidad y convexidad, así como los puntos de inflexión de la función f(x)f(x), necesitamos calcular su segunda derivada f′′(x)f''(x).

1. Cálculo de la primera derivada $f'(x)$

La función está definida como f(x)=1+∫0xtetdtf(x) = 1 + \int_0^x t e^t dt. Aplicando el Teorema Fundamental del Cálculo, la derivada de una integral definida con límite superior variable es el integrando evaluado en ese límite.

f′(x)=ddx(1+∫0xtetdt)f'(x) = \frac{d}{dx} \left( 1 + \int_0^x t e^t dt \right)
f′(x)=0+xexf'(x) = 0 + x e^x
f′(x)=xexf'(x) = x e^x
2. Cálculo de la segunda derivada $f''(x)$

Ahora, derivamos f′(x)f'(x) usando la regla del producto (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'.

f′′(x)=ddx(xex)f''(x) = \frac{d}{dx} (x e^x)
f′′(x)=(1)ex+x(ex)f''(x) = (1) e^x + x (e^x)
f′′(x)=ex(1+x)f''(x) = e^x (1 + x)
3. Puntos críticos para la concavidad (posibles puntos de inflexión)

Igualamos la segunda derivada a cero para encontrar los posibles puntos de inflexión.

ex(1+x)=0e^x (1 + x) = 0

Dado que exe^x es siempre positivo para cualquier x∈Rx \in \mathbb{R}, el factor exe^x nunca es cero. Por lo tanto, debemos tener:

1+x=0  ⟹  x=−11 + x = 0 \implies x = -1

Este es el único posible punto de inflexión. Ahora, analizamos el signo de f′′(x)f''(x) en los intervalos determinados por x=−1x = -1.

4. Intervalos de concavidad y convexidad
a) Intervalo (−∞,−1)(-\infty, -1):

Tomamos un valor de prueba, por ejemplo, x=−2x = -2.

f′′(−2)=e−2(1+(−2))=e−2(−1)=−e−2f''(-2) = e^{-2} (1 + (-2)) = e^{-2} (-1) = -e^{-2}

Como f′′(−2)<0f''(-2) < 0, la función f(x)f(x) es cóncava (hacia abajo) en el intervalo (−∞,−1)(-\infty, -1).

b) Intervalo (−1,∞)(-1, \infty):

Tomamos un valor de prueba, por ejemplo, x=0x = 0.

f′′(0)=e0(1+0)=1(1)=1f''(0) = e^{0} (1 + 0) = 1 (1) = 1

Como f′′(0)>0f''(0) > 0, la función f(x)f(x) es convexa (hacia arriba) en el intervalo (−1,∞)(-1, \infty).

5. Puntos de inflexión

Dado que la concavidad de la función cambia en x=−1x = -1, este es un punto de inflexión. Calculamos el valor de la función en x=−1x = -1.

f(−1)=1+∫0−1tetdtf(-1) = 1 + \int_0^{-1} t e^t dt

Podemos reescribir la integral como:

f(−1)=1−∫−10tetdtf(-1) = 1 - \int_{-1}^{0} t e^t dt

Para resolver la integral ∫tetdt\int t e^t dt, usamos integración por partes: ∫udv=uv−∫vdu\int u dv = uv - \int v du. Sea u=tu = t y dv=etdtdv = e^t dt, entonces du=dtdu = dt y v=etv = e^t.

∫tetdt=tet−∫etdt=tet−et=et(t−1)\int t e^t dt = t e^t - \int e^t dt = t e^t - e^t = e^t (t - 1)

Ahora evaluamos la integral definida:

∫−10tetdt=[et(t−1)]−10\int_{-1}^{0} t e^t dt = [e^t (t - 1)]_{-1}^{0}
=[e0(0−1)]−[e−1(−1−1)]= [e^0 (0 - 1)] - [e^{-1} (-1 - 1)]
=[1(−1)]−[e−1(−2)]= [1 (-1)] - [e^{-1} (-2)]
=−1−(−2e−1)=−1+2e= -1 - (-2e^{-1}) = -1 + \frac{2}{e}

Sustituimos este valor en la expresión de f(−1)f(-1):

f(−1)=1−(−1+2e)=1+1−2e=2−2ef(-1) = 1 - \left( -1 + \frac{2}{e} \right) = 1 + 1 - \frac{2}{e} = 2 - \frac{2}{e}
Resumen de los resultados
a) Intervalos de concavidad y convexidad:

La función f(x)f(x) es cóncava en (−∞,−1)(-\infty, -1).La función f(x)f(x) es convexa en (−1,∞)(-1, \infty).

b) Puntos de inflexión:

La función tiene un punto de inflexión en la abscisa x=−1x = -1 y el valor que se alcanza es f(−1)=2−2ef(-1) = 2 - \frac{2}{e}.