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Monotonía y Áreas
Problema
2021 · Ordinaria · Titular
3
Examen

Considera la función f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=4x3x4f(x) = 4x^3 - x^4.

a) Determina los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de ff.b) Esboza la gráfica de ff y calcula el área del recinto limitado por dicha gráfica y el eje de abscisas.
MonotoníaCálculo de áreasIntegrales definidas
a) Determina los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de ff.

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

f(x)=4x3x4f(x)=12x24x3f(x) = 4x^3 - x^4 \\ f'(x) = 12x^2 - 4x^3

Ahora, encontramos los puntos críticos igualando la primera derivada a cero:

f(x)=012x24x3=04x2(3x)=0f'(x) = 0 \\ 12x^2 - 4x^3 = 0 \\ 4x^2(3 - x) = 0

Esto nos da dos puntos críticos: x=0x = 0 y x=3x = 3. Estos puntos dividen la recta real en tres intervalos: (,0)(-\infty, 0), (0,3)(0, 3) y (3,)(3, \infty). Analizamos el signo de f(x)f'(x) en cada intervalo.* En (,0)(-\infty, 0), por ejemplo, para x=1x = -1: f(1)=4(1)2(3(1))=4(1)(4)=16>0f'(-1) = 4(-1)^2(3 - (-1)) = 4(1)(4) = 16 > 0. La función es creciente.* En (0,3)(0, 3), por ejemplo, para x=1x = 1: f(1)=4(1)2(31)=4(1)(2)=8>0f'(1) = 4(1)^2(3 - 1) = 4(1)(2) = 8 > 0. La función es creciente.* En (3,)(3, \infty), por ejemplo, para x=4x = 4: f(4)=4(4)2(34)=4(16)(1)=64<0f'(4) = 4(4)^2(3 - 4) = 4(16)(-1) = -64 < 0. La función es decreciente.Por lo tanto:La función f(x)f(x) es creciente en los intervalos (,0](-\infty, 0] y [0,3][0, 3], lo que se puede expresar como (,3](-\infty, 3].La función f(x)f(x) es decreciente en el intervalo [3,)[3, \infty).

b) Esboza la gráfica de ff y calcula el área del recinto limitado por dicha gráfica y el eje de abscisas.

Para esbozar la gráfica, identificamos los puntos de corte con el eje de abscisas, los límites en el infinito y los extremos relativos.* Cortes con el eje OXOX (donde f(x)=0f(x) = 0):

4x3x4=0x3(4x)=04x^3 - x^4 = 0 \\ x^3(4 - x) = 0

Los puntos de corte son x=0x = 0 (con multiplicidad 3) y x=4x = 4. Por tanto, la gráfica pasa por (0,0)(0,0) y (4,0)(4,0).* Corte con el eje OYOY (donde x=0x = 0): f(0)=4(0)3(0)4=0f(0) = 4(0)^3 - (0)^4 = 0. La gráfica pasa por (0,0)(0,0).* Límites en el infinito:

limx(4x3x4)=limx(x4)=limx(4x3x4)=limx(x4)=\lim_{x \to \infty} (4x^3 - x^4) = \lim_{x \to \infty} (-x^4) = -\infty \\ \lim_{x \to -\infty} (4x^3 - x^4) = \lim_{x \to -\infty} (-x^4) = -\infty

* Extremos relativos (a partir del apartado a)): En x=0x=0, f(x)f'(x) no cambia de signo (de creciente a creciente), por lo que es un punto de inflexión con tangente horizontal (silla de montar). f(0)=0f(0)=0.En x=3x=3, la función pasa de creciente a decreciente, por lo que hay un máximo relativo. f(3)=4(3)3(3)4=4(27)81=10881=27f(3) = 4(3)^3 - (3)^4 = 4(27) - 81 = 108 - 81 = 27. El máximo está en (3,27)(3, 27).Esbozo de la gráfica: La gráfica comienza desde -\infty, sube hasta el origen (0,0)(0,0) donde tiene una tangente horizontal (punto de inflexión), continúa subiendo hasta el máximo local en (3,27)(3,27), y luego desciende, cruza el eje OXOX en (4,0)(4,0) y continúa hacia -\infty.Cálculo del área: El recinto limitado por la gráfica de f(x)f(x) y el eje de abscisas se encuentra entre los puntos de corte x=0x = 0 y x=4x = 4. En este intervalo, f(x)=x3(4x)f(x) = x^3(4-x) es no negativa (x30x^3 \ge 0 y 4x04-x \ge 0 para x[0,4]x \in [0,4]), por lo tanto, el área se calcula mediante la integral definida:

A=04(4x3x4)dxA = \int_0^4 (4x^3 - x^4) dx

Calculamos la antiderivada:

(4x3x4)dx=4x44x55+C=x4x55+C\int (4x^3 - x^4) dx = 4\frac{x^4}{4} - \frac{x^5}{5} + C = x^4 - \frac{x^5}{5} + C

Ahora evaluamos la integral definida:

A=[x4x55]04A=(44455)(04055)A=(25610245)(0)A=256510245A=128010245A=2565A = \left[ x^4 - \frac{x^5}{5} \right]_0^4 \\ A = \left( 4^4 - \frac{4^5}{5} \right) - \left( 0^4 - \frac{0^5}{5} \right) \\ A = \left( 256 - \frac{1024}{5} \right) - (0) \\ A = \frac{256 \cdot 5 - 1024}{5} \\ A = \frac{1280 - 1024}{5} \\ A = \frac{256}{5}

El área del recinto es 2565\frac{256}{5} unidades de área.