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Continuidad, derivabilidad e integración
Problema
2024 · Ordinaria · Reserva
4
Examen
EJERCICIO 4

Se considera la función

f(x)={3+exsi x<1x2+ax+2si x1f(x) = \begin{cases} 3 + e^x & \text{si } x < 1 \\ x^2 + ax + 2 & \text{si } x \ge 1 \end{cases}
a) Determine el valor de aa para que la función ff sea continua en R\mathbb{R}. Para ese valor de aa, ¿es ff derivable?b) Para a=3a = -3, calcule la recta tangente a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=0x = 0.c) Para a=3a = -3, represente la región limitada por la gráfica de ff, las rectas x=2x = 2, x=4x = 4 y el eje de abscisas. Calcule el área de dicha región.
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+2
a) Determine el valor de aa para que la función ff sea continua en R\mathbb{R}. Para ese valor de aa, ¿es ff derivable?

Para que f(x)f(x) sea continua en R\mathbb{R}, debe ser continua en cada uno de sus tramos y, además, en el punto de unión x=1x=1. Los tramos x<1x < 1 y x1x \ge 1 son funciones continuas (exponencial y polinómica, respectivamente).La continuidad en x=1x=1 requiere que los límites laterales y el valor de la función en el punto sean iguales:

limx1f(x)=limx1(3+ex)=3+e1=3+e\lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^-} (3 + e^x) = 3 + e^1 = 3 + e
limx1+f(x)=limx1+(x2+ax+2)=12+a(1)+2=1+a+2=3+a\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} (x^2 + ax + 2) = 1^2 + a(1) + 2 = 1 + a + 2 = 3 + a
f(1)=12+a(1)+2=3+af(1) = 1^2 + a(1) + 2 = 3 + a

Para que sea continua, los límites deben ser iguales:

3+e=3+a    a=e3 + e = 3 + a \implies a = e

Ahora, comprobamos si la función es derivable para a=ea=e.La derivada de f(x)f(x) es:

f(x)={exsi x<12x+asi x>1f'(x) = \begin{cases} e^x & \text{si } x < 1 \\ 2x + a & \text{si } x > 1 \end{cases}

Para a=ea=e, la derivada es:

f(x)={exsi x<12x+esi x>1f'(x) = \begin{cases} e^x & \text{si } x < 1 \\ 2x + e & \text{si } x > 1 \end{cases}

Evaluamos los límites de la derivada en x=1x=1:

limx1f(x)=limx1ex=e1=e\lim_{x \to 1^-} f'(x) = \lim_{x \to 1^-} e^x = e^1 = e
limx1+f(x)=limx1+(2x+e)=2(1)+e=2+e\lim_{x \to 1^+} f'(x) = \lim_{x \to 1^+} (2x + e) = 2(1) + e = 2 + e

Dado que e2+ee \ne 2 + e, la función no es derivable en x=1x=1. Por lo tanto, ff no es derivable en R\mathbb{R} para a=ea=e.

b) Para a=3a = -3, calcule la recta tangente a la gráfica de ff en el punto de abscisa x=0x = 0.

Para x=0x=0, que es menor que 1, utilizamos la primera parte de la función: f(x)=3+exf(x) = 3 + e^x.Primero, calculamos la coordenada yy del punto de tangencia:

f(0)=3+e0=3+1=4f(0) = 3 + e^0 = 3 + 1 = 4

El punto de tangencia es (0,4)(0, 4).Ahora, calculamos la derivada de la función para x<1x < 1:

f(x)=exf'(x) = e^x

La pendiente de la recta tangente en x=0x=0 es:

m=f(0)=e0=1m = f'(0) = e^0 = 1

La ecuación de la recta tangente es yy0=m(xx0)y - y_0 = m(x - x_0):

y4=1(x0)y - 4 = 1(x - 0)
y=x+4y = x + 4
c) Para a=3a = -3, represente la región limitada por la gráfica de ff, las rectas x=2x = 2, x=4x = 4 y el eje de abscisas. Calcule el área de dicha región.

Para a=3a = -3, la función es:

f(x)={3+exsi x<1x23x+2si x1f(x) = \begin{cases} 3 + e^x & \text{si } x < 1 \\ x^2 - 3x + 2 & \text{si } x \ge 1 \end{cases}

La región de interés está limitada por x=2x = 2 y x=4x = 4. En este intervalo, x1x \ge 1, por lo que usamos f(x)=x23x+2f(x) = x^2 - 3x + 2.Determinamos los puntos de corte de f(x)f(x) con el eje de abscisas en el intervalo [2,4][2,4]:

x23x+2=0    (x1)(x2)=0x^2 - 3x + 2 = 0 \implies (x-1)(x-2) = 0

Las raíces son x=1x=1 y x=2x=2. En el intervalo [2,4][2,4], la función f(x)f(x) es no negativa (f(2)=0f(2)=0, y para x>2x>2, la parábola x23x+2x^2-3x+2 abre hacia arriba, por lo que toma valores positivos). Por ejemplo, f(3)=323(3)+2=2>0f(3) = 3^2 - 3(3) + 2 = 2 > 0 y f(4)=423(4)+2=6>0f(4) = 4^2 - 3(4) + 2 = 6 > 0.La región está limitada superiormente por la gráfica de f(x)=x23x+2f(x) = x^2 - 3x + 2, inferiormente por el eje de abscisas (y=0y=0), y lateralmente por las rectas verticales x=2x=2 y x=4x=4. Como f(x)0f(x) \ge 0 en [2,4][2,4], el área se calcula mediante la integral definida:

Aˊrea=24(x23x+2)dx\text{Área} = \int_2^4 (x^2 - 3x + 2) dx

Calculamos la integral indefinida:

(x23x+2)dx=x333x22+2x+C\int (x^2 - 3x + 2) dx = \frac{x^3}{3} - \frac{3x^2}{2} + 2x + C

Evaluamos la integral definida:

Aˊrea=[x333x22+2x]24\text{Área} = \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{3x^2}{2} + 2x \right]_2^4
Aˊrea=(4333(42)2+2(4))(2333(22)2+2(2))\text{Área} = \left( \frac{4^3}{3} - \frac{3(4^2)}{2} + 2(4) \right) - \left( \frac{2^3}{3} - \frac{3(2^2)}{2} + 2(2) \right)
Aˊrea=(6433(16)2+8)(833(4)2+4)\text{Área} = \left( \frac{64}{3} - \frac{3(16)}{2} + 8 \right) - \left( \frac{8}{3} - \frac{3(4)}{2} + 4 \right)
Aˊrea=(64324+8)(836+4)\text{Área} = \left( \frac{64}{3} - 24 + 8 \right) - \left( \frac{8}{3} - 6 + 4 \right)
Aˊrea=(64316)(832)\text{Área} = \left( \frac{64}{3} - 16 \right) - \left( \frac{8}{3} - 2 \right)
Aˊrea=(64483)(863)\text{Área} = \left( \frac{64 - 48}{3} \right) - \left( \frac{8 - 6}{3} \right)
Aˊrea=16323=143\text{Área} = \frac{16}{3} - \frac{2}{3} = \frac{14}{3}

El área de la región es 143\frac{14}{3} unidades cuadradas.