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Continuidad, derivabilidad e integración
Problema
2024 · Extraordinaria · Suplente
4
Examen

Se considera la función

f(x)={−x2+2xsi x<2x2−2xsi x≥2f(x) = \begin{cases} -x^2 + 2x & \text{si } x < 2 \\ x^2 - 2x & \text{si } x \ge 2 \end{cases}
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de ff.b) Represente el recinto limitado por las rectas y=2x,x=−1,x=1y = 2x, x = -1, x = 1 y la gráfica de ff. Calcule su área.
Funciones a trozosContinuidadDerivabilidad+2
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de ff.
Continuidad

La función f(x)f(x) está definida por polinomios en los intervalos (−∞,2)(-\infty, 2) y [2,∞)[2, \infty), que son funciones continuas en sus respectivos dominios. Por lo tanto, solo necesitamos estudiar la continuidad en el punto donde cambia la definición de la función, es decir, en x=2x = 2.Para que la función sea continua en x=2x = 2, se deben cumplir tres condiciones:1. La función debe estar definida en x=2x = 2:

f(2)=22−2(2)=4−4=0f(2) = 2^2 - 2(2) = 4 - 4 = 0

2. Los límites laterales deben existir y ser iguales:

lim⁡x→2−f(x)=lim⁡x→2−(−x2+2x)=−(2)2+2(2)=−4+4=0\lim_{x \to 2^-} f(x) = \lim_{x \to 2^-} (-x^2 + 2x) = -(2)^2 + 2(2) = -4 + 4 = 0
lim⁡x→2+f(x)=lim⁡x→2+(x2−2x)=(2)2−2(2)=4−4=0\lim_{x \to 2^+} f(x) = \lim_{x \to 2^+} (x^2 - 2x) = (2)^2 - 2(2) = 4 - 4 = 0

Dado que ambos límites laterales son iguales a 00, el límite de f(x)f(x) cuando x→2x \to 2 existe y es 00.3. El valor de la función en el punto debe ser igual al límite:

lim⁡x→2f(x)=0=f(2)\lim_{x \to 2} f(x) = 0 = f(2)

Como se cumplen las tres condiciones, la función f(x)f(x) es continua en x=2x = 2. Por lo tanto, f(x)f(x) es continua en todo su dominio, x∈Rx \in \mathbb{R}.

Derivabilidad

Primero, calculamos la derivada de cada rama de la función:

f′(x)={−2x+2si x<22x−2si x>2f'(x) = \begin{cases} -2x + 2 & \text{si } x < 2 \\ 2x - 2 & \text{si } x > 2 \end{cases}

En los intervalos (−∞,2)(-\infty, 2) y (2,∞)(2, \infty), la función es derivable ya que sus derivadas son polinomios. Necesitamos estudiar la derivabilidad en el punto x=2x = 2. Para que f(x)f(x) sea derivable en x=2x = 2, las derivadas laterales deben ser iguales (y la función debe ser continua en ese punto, lo cual ya hemos demostrado).1. Derivada por la izquierda en x=2x = 2:

f−′(2)=lim⁡x→2−f′(x)=lim⁡x→2−(−2x+2)=−2(2)+2=−4+2=−2f'_-(2) = \lim_{x \to 2^-} f'(x) = \lim_{x \to 2^-} (-2x + 2) = -2(2) + 2 = -4 + 2 = -2

2. Derivada por la derecha en x=2x = 2:

f+′(2)=lim⁡x→2+f′(x)=lim⁡x→2+(2x−2)=2(2)−2=4−2=2f'_+(2) = \lim_{x \to 2^+} f'(x) = \lim_{x \to 2^+} (2x - 2) = 2(2) - 2 = 4 - 2 = 2

Dado que las derivadas laterales no son iguales (−2≠2-2 \neq 2), la función f(x)f(x) no es derivable en x=2x = 2.En resumen, f(x)f(x) es continua para todo x∈Rx \in \mathbb{R} y derivable para todo x∈R∖{2}x \in \mathbb{R} \setminus \{2\}.

b) Represente el recinto limitado por las rectas y=2x,x=−1,x=1y = 2x, x = -1, x = 1 y la gráfica de ff. Calcule su área.

El recinto está limitado por las rectas verticales x=−1x = -1 y x=1x = 1, la recta y=2xy = 2x y la gráfica de la función f(x)f(x).En el intervalo de integración [−1,1][-1, 1], el valor de xx es menor que 22. Por lo tanto, la definición de f(x)f(x) que debemos usar es f(x)=−x2+2xf(x) = -x^2 + 2x.Así, el recinto está acotado por y=2xy = 2x, y=−x2+2xy = -x^2 + 2x, x=−1x = -1 y x=1x = 1.Para calcular el área, necesitamos determinar qué función está por encima de la otra en el intervalo [−1,1][-1, 1]. Consideramos la diferencia entre las dos funciones:

(2x)−(−x2+2x)=2x+x2−2x=x2(2x) - (-x^2 + 2x) = 2x + x^2 - 2x = x^2

Dado que x2≥0x^2 \ge 0 para todo x∈[−1,1]x \in [-1, 1], la recta y=2xy = 2x está por encima o es igual a la gráfica de f(x)=−x2+2xf(x) = -x^2 + 2x en todo el intervalo. El único punto de contacto es x=0x=0.El área del recinto se calcula mediante la integral definida de la diferencia de las funciones:

A=∫−11((2x)−(−x2+2x))dxA = \int_{-1}^{1} ( (2x) - (-x^2 + 2x) ) dx
A=∫−11x2dxA = \int_{-1}^{1} x^2 dx

Ahora procedemos a calcular la integral:

A=[x33]−11A = \left[ \frac{x^3}{3} \right]_{-1}^{1}
A=(133)−((−1)33)A = \left( \frac{1^3}{3} \right) - \left( \frac{(-1)^3}{3} \right)
A=13−(−13)A = \frac{1}{3} - \left( -\frac{1}{3} \right)
A=13+13A = \frac{1}{3} + \frac{1}{3}
A=23A = \frac{2}{3}

El área del recinto es 23\frac{2}{3} unidades cuadradas.