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Optimización y límites
Problema
2023 · Ordinaria · Titular
1
Examen
BLOQUE A

Considera la función f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=1ex+exf(x) = \frac{1}{e^x + e^{-x}}.

a) Estudia y halla los máximos y mínimos absolutos de ff (abscisas donde se obtienen y valores que se alcanzan).b) Calcula limx+(x2f(x))\lim_{x \to +\infty} (x^2 f(x)).
Función exponencialExtremos absolutosLímites
Resolución del ejercicio de Funciones
a) Estudia y halla los máximos y mínimos absolutos de ff (abscisas donde se obtienen y valores que se alcanzan).

Para estudiar los extremos de la función f(x)=1ex+exf(x) = \frac{1}{e^x + e^{-x}}, calculamos primero su derivada utilizando la regla de la cadena para una función recíproca:

f(x)=(exex)(ex+ex)2f'(x) = \frac{-(e^x - e^{-x})}{(e^x + e^{-x})^2}

Buscamos los puntos críticos igualando la derivada a cero:

(exex)(ex+ex)2=0    exex=0    ex=ex\frac{-(e^x - e^{-x})}{(e^x + e^{-x})^2} = 0 \implies e^x - e^{-x} = 0 \implies e^x = e^{-x}

Multiplicando ambos miembros por exe^x, obtenemos e2x=1e^{2x} = 1, lo que implica que 2x=02x = 0, es decir, x=0x = 0.Analizamos el signo de la derivada en los intervalos definidos por el punto crítico:1. Si x<0x < 0, entonces ex<exe^x < e^{-x}, por lo que exex<0e^x - e^{-x} < 0. Al haber un signo negativo delante en la derivada, f(x)>0f'(x) > 0. La función es creciente en (,0)(-\infty, 0).2. Si x>0x > 0, entonces ex>exe^x > e^{-x}, por lo que exex>0e^x - e^{-x} > 0. Esto implica que f(x)<0f'(x) < 0. La función es decreciente en (0,+)(0, +\infty).Puesto que la función es continua en todo R\mathbb{R}, crece hasta x=0x = 0 y decrece a partir de dicho punto, en x=0x = 0 se alcanza el máximo absoluto. El valor que alcanza la función en este punto es:

f(0)=1e0+e0=11+1=12f(0) = \frac{1}{e^0 + e^{-0}} = \frac{1}{1 + 1} = \frac{1}{2}

Para los mínimos absolutos, observamos el comportamiento de la función en los extremos del dominio:

\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{e^x + e^{-x}} = 0$ y $\lim_{x \to -\infty} \frac{1}{e^x + e^{-x}} = 0

Como f(x)>0f(x) > 0 para todo xRx \in \mathbb{R} y la función tiende a 00 cuando xx tiende a infinito, pero nunca alcanza dicho valor, no existe un mínimo absoluto.

b) Calcula limx+(x2f(x))\lim_{x \to +\infty} (x^2 f(x)).

Planteamos el límite solicitado:

limx+x2ex+ex\lim_{x \to +\infty} \frac{x^2}{e^x + e^{-x}}

Al sustituir xx por ++\infty obtenemos una indeterminación del tipo \frac{\infty}{\infty}. Aplicamos la regla de L'Hôpital derivando numerador y denominador:

limx+2xexex\lim_{x \to +\infty} \frac{2x}{e^x - e^{-x}}

Se mantiene la indeterminación \frac{\infty}{\infty}. Aplicamos de nuevo la regla de L'Hôpital:

limx+2ex+ex\lim_{x \to +\infty} \frac{2}{e^x + e^{-x}}

Al evaluar el límite final obtenemos:

2+0=0\frac{2}{\infty + 0} = 0