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Continuidad y derivabilidad
Problema
2023 · Ordinaria · Reserva
4
Examen

Se considera la función

f(x)={x3+2x23x11+1x2x>1f(x) = \begin{cases} x^3 + 2x^2 - 3 & x \le 1 \\ 1 + \frac{1}{x - 2} & x > 1 \end{cases}
a) Estudie la continuidad de ff. Si la función no es continua en algún punto, indique el tipo de discontinuidad que presenta.b) Estudie la derivabilidad de ff.c) Determine las asíntotas de ff.
ContinuidadDerivabilidadAsíntotas
a) Estudie la continuidad de ff. Si la función no es continua en algún punto, indique el tipo de discontinuidad que presenta.

Analizamos la continuidad de la función f(x)f(x) en los intervalos donde cada parte está definida y en el punto de "enganche" x=1x=1.1. Para x<1x < 1: f(x)=x3+2x23f(x) = x^3 + 2x^2 - 3 es una función polinómica, por lo tanto, es continua en este intervalo.2. Para x>1x > 1: f(x)=1+1x2f(x) = 1 + \frac{1}{x - 2} es una función racional. Es continua en su dominio, es decir, donde el denominador no se anula. El denominador se anula cuando x2=0x=2x - 2 = 0 \Rightarrow x = 2. Por lo tanto, en x=2x=2 (que está en el intervalo x>1x>1), la función presenta una discontinuidad. Analizamos la discontinuidad en x=2x=2:

limx2f(x)=limx2(1+1x2)=1+10=1=\lim_{x \to 2^-} f(x) = \lim_{x \to 2^-} \left(1 + \frac{1}{x - 2}\right) = 1 + \frac{1}{0^-} = 1 - \infty = -\infty
limx2+f(x)=limx2+(1+1x2)=1+10+=1+=+\lim_{x \to 2^+} f(x) = \lim_{x \to 2^+} \left(1 + \frac{1}{x - 2}\right) = 1 + \frac{1}{0^+} = 1 + \infty = +\infty

Dado que los límites laterales en x=2x=2 son infinitos, la función presenta una discontinuidad de salto infinito (o de segunda especie) en x=2x=2.3. En el punto de "enganche" x=1x=1: Para que la función sea continua en x=1x=1, deben cumplirse tres condiciones: a) f(1)f(1) debe existir:

f(1)=13+2(1)23=1+23=0f(1) = 1^3 + 2(1)^2 - 3 = 1 + 2 - 3 = 0

b) Los límites laterales deben existir y ser iguales:

limx1f(x)=limx1(x3+2x23)=13+2(1)23=0\lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^-} (x^3 + 2x^2 - 3) = 1^3 + 2(1)^2 - 3 = 0
limx1+f(x)=limx1+(1+1x2)=1+112=1+11=11=0\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} \left(1 + \frac{1}{x - 2}\right) = 1 + \frac{1}{1 - 2} = 1 + \frac{1}{-1} = 1 - 1 = 0

c) f(1)=limx1f(x)f(1) = \lim_{x \to 1} f(x):

0=00 = 0

Como se cumplen las tres condiciones, la función es continua en x=1x=1.Conclusión: La función f(x)f(x) es continua en todo R\mathbb{R} excepto en x=2x=2, donde presenta una discontinuidad de salto infinito.

b) Estudie la derivabilidad de ff.

Para estudiar la derivabilidad, primero calculamos la derivada de cada trozo donde la función es continua y derivable.

f(x)={ddx(x3+2x23)x<1ddx(1+1x2)x>1f'(x) = \begin{cases} \frac{d}{dx}(x^3 + 2x^2 - 3) & x < 1 \\ \frac{d}{dx}\left(1 + \frac{1}{x - 2}\right) & x > 1 \end{cases}
f(x)={3x2+4xx<11(x2)2x>1f'(x) = \begin{cases} 3x^2 + 4x & x < 1 \\ -\frac{1}{(x - 2)^2} & x > 1 \end{cases}

1. Derivabilidad en x<1x < 1: f(x)=3x2+4xf'(x) = 3x^2 + 4x existe para todo x<1x < 1.2. Derivabilidad en x>1x > 1: f(x)=1(x2)2f'(x) = -\frac{1}{(x - 2)^2} existe para todo x>1x > 1 excepto en x=2x=2. Como f(x)f(x) no es continua en x=2x=2, no es derivable en x=2x=2.3. Derivabilidad en el punto de "enganche" x=1x=1: Para que ff sea derivable en x=1x=1, debe ser continua en x=1x=1 (lo cual ya hemos comprobado en el apartado a)). Además, las derivadas laterales deben ser iguales.

f(1)=limx1(3x2+4x)=3(1)2+4(1)=3+4=7f'(1^-) = \lim_{x \to 1^-} (3x^2 + 4x) = 3(1)^2 + 4(1) = 3 + 4 = 7
f(1+)=limx1+(1(x2)2)=1(12)2=1(1)2=1f'(1^+) = \lim_{x \to 1^+} \left(-\frac{1}{(x - 2)^2}\right) = -\frac{1}{(1 - 2)^2} = -\frac{1}{(-1)^2} = -1

Como f(1)=7f(1+)=1f'(1^-) = 7 \neq f'(1^+) = -1, la función no es derivable en x=1x=1.Conclusión: La función f(x)f(x) es derivable en R{1,2}\mathbb{R} \setminus \{1, 2\}.

c) Determine las asíntotas de ff.

1. Asíntotas Verticales (AV): Buscamos puntos donde limxaf(x)=±\lim_{x \to a} f(x) = \pm \infty. De la sección de continuidad, sabemos que hay una discontinuidad de salto infinito en x=2x=2.

limx2f(x)=\lim_{x \to 2^-} f(x) = -\infty
limx2+f(x)=+\lim_{x \to 2^+} f(x) = +\infty

Por lo tanto, la recta x=2x=2 es una asíntota vertical.2. Asíntotas Horizontales (AH): Calculamos los límites de f(x)f(x) cuando x±x \to \pm \infty. a) Para xx \to -\infty: Usamos f(x)=x3+2x23f(x) = x^3 + 2x^2 - 3.

limx(x3+2x23)=\lim_{x \to -\infty} (x^3 + 2x^2 - 3) = -\infty

No hay asíntota horizontal cuando xx \to -\infty. b) Para x+x \to +\infty: Usamos f(x)=1+1x2f(x) = 1 + \frac{1}{x - 2}.

limx+(1+1x2)=1+1+=1+0=1\lim_{x \to +\infty} \left(1 + \frac{1}{x - 2}\right) = 1 + \frac{1}{+\infty} = 1 + 0 = 1

Por lo tanto, la recta y=1y=1 es una asíntota horizontal cuando x+x \to +\infty.3. Asíntotas Oblicuas (AO): Una función tiene asíntota oblicua si no tiene asíntota horizontal en esa dirección y se cumplen ciertas condiciones. a) Para xx \to -\infty: Como limxf(x)=\lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty, podría haber una asíntota oblicua. Calculamos m=limxf(x)xm = \lim_{x \to -\infty} \frac{f(x)}{x}.

m=limxx3+2x23x=limx(x2+2x3x)=+m = \lim_{x \to -\infty} \frac{x^3 + 2x^2 - 3}{x} = \lim_{x \to -\infty} \left(x^2 + 2x - \frac{3}{x}\right) = +\infty

Como mm es infinito, no hay asíntota oblicua cuando xx \to -\infty. b) Para x+x \to +\infty: Ya existe una asíntota horizontal (y=1y=1), por lo tanto, no puede haber asíntota oblicua cuando x+x \to +\infty.Conclusión: La función f(x)f(x) tiene una asíntota vertical en x=2x=2 y una asíntota horizontal en y=1y=1 (solo para x+x \to +\infty). No tiene asíntotas oblicuas.