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Estudio completo de funciones racionales
Problema
2022 · Extraordinaria · Reserva
4
Examen

Se considera la función f(x)=x3x+2f(x) = \frac{x-3}{x+2}

a) Determine el dominio de la función y estudie su monotonía y curvatura.b) Calcule las ecuaciones de las asíntotas de ff si existen. Calcule los puntos de corte de la gráfica de ff con los ejes de coordenadas.c) Represente la gráfica de la función ff.
DominioMonotoníaCurvatura+3
a) Determine el dominio de la función y estudie su monotonía y curvatura.

La función f(x)=x3x+2f(x) = \frac{x-3}{x+2} es una función racional. El dominio está restringido por los valores de xx que anulan el denominador.

x+2=0    x=2x+2 = 0 \implies x = -2

Por lo tanto, el dominio de la función es D(f)=R{2}D(f) = \mathbb{R} \setminus \{-2\}.

Monotonía

Para estudiar la monotonía, calculamos la primera derivada de f(x)f(x):

f(x)=1(x+2)(x3)1(x+2)2=x+2x+3(x+2)2=5(x+2)2f'(x) = \frac{1 \cdot (x+2) - (x-3) \cdot 1}{(x+2)^2} = \frac{x+2-x+3}{(x+2)^2} = \frac{5}{(x+2)^2}

Como f(x)=5(x+2)2f'(x) = \frac{5}{(x+2)^2}, y para xD(f)x \in D(f), el numerador es 5>05 > 0 y el denominador (x+2)2>0(x+2)^2 > 0, entonces f(x)>0f'(x) > 0 para todo xD(f)x \in D(f).La función f(x)f(x) es estrictamente creciente en todo su dominio, es decir, en los intervalos (,2)(-\infty, -2) y (2,+)(-2, +\infty).

Curvatura

Para estudiar la curvatura, calculamos la segunda derivada de f(x)f(x):

f(x)=ddx(5(x+2)2)=5(2)(x+2)31=10(x+2)3=10(x+2)3f''(x) = \frac{d}{dx} \left( 5(x+2)^{-2} \right) = 5 \cdot (-2)(x+2)^{-3} \cdot 1 = -10(x+2)^{-3} = \frac{-10}{(x+2)^3}

No existen puntos de inflexión ya que f(x)0f''(x) \neq 0 para ningún valor de xx. Estudiamos el signo de f(x)f''(x):* Si x<2x < -2, por ejemplo x=3x=-3: (x+2)3=(1)3=1(x+2)^3 = (-1)^3 = -1. Entonces f(x)=101=10>0f''(x) = \frac{-10}{-1} = 10 > 0. La función es convexa (cóncava hacia arriba) en (,2)(-\infty, -2).* Si x>2x > -2, por ejemplo x=0x=0: (x+2)3=(2)3=8(x+2)^3 = (2)^3 = 8. Entonces f(x)=108<0f''(x) = \frac{-10}{8} < 0. La función es cóncava (cóncava hacia abajo) en (2,+)(-2, +\infty).

b) Calcule las ecuaciones de las asíntotas de ff si existen. Calcule los puntos de corte de la gráfica de ff con los ejes de coordenadas.
Asíntotas Verticales (AV)

Las asíntotas verticales se encuentran en los puntos donde el denominador es cero y el numerador no. En este caso, x=2x=-2 es un punto candidato.

limx2x3x+2=232+2=50=+\lim_{x \to -2^-} \frac{x-3}{x+2} = \frac{-2-3}{-2+2^-} = \frac{-5}{0^-} = +\infty
limx2+x3x+2=232+2+=50+=\lim_{x \to -2^+} \frac{x-3}{x+2} = \frac{-2-3}{-2+2^+} = \frac{-5}{0^+} = -\infty

Por lo tanto, la recta x=2x = -2 es una asíntota vertical.

Asíntotas Horizontales (AH)

Calculamos el límite de la función cuando x±x \to \pm\infty:

limx±x3x+2=limx±x(13/x)x(1+2/x)=limx±13/x1+2/x=101+0=1\lim_{x \to \pm\infty} \frac{x-3}{x+2} = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{x(1 - 3/x)}{x(1 + 2/x)} = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{1 - 3/x}{1 + 2/x} = \frac{1-0}{1+0} = 1

Por lo tanto, la recta y=1y = 1 es una asíntota horizontal.

Asíntotas Oblicuas (AO)

Al existir asíntota horizontal, no existen asíntotas oblicuas.

Puntos de corte con los ejes

* Corte con el eje Y (cuando x=0x=0):

f(0)=030+2=32f(0) = \frac{0-3}{0+2} = \frac{-3}{2}

El punto de corte con el eje Y es (0,3/2)(0, -3/2).* Corte con el eje X (cuando y=0y=0):

x3x+2=0    x3=0    x=3\frac{x-3}{x+2} = 0 \implies x-3 = 0 \implies x = 3

El punto de corte con el eje X es (3,0)(3, 0).

c) Represente la gráfica de la función ff.

Para representar la gráfica de la función, utilizamos la información obtenida en los apartados anteriores:* Dominio: D(f)=R{2}D(f) = \mathbb{R} \setminus \{-2\}.* Asíntota Vertical: x=2x = -2.* Asíntota Horizontal: y=1y = 1.* Puntos de corte: Con el eje Y en (0,3/2)(0, -3/2) y con el eje X en (3,0)(3, 0).* Monotonía: Siempre creciente en su dominio.* Curvatura: Convexa en (,2)(-\infty, -2) y cóncava en (2,+)(-2, +\infty).La gráfica se aproxima a la asíntota vertical x=2x=-2 tendiendo a + +\infty por la izquierda y a -\infty por la derecha. Se aproxima a la asíntota horizontal y=1y=1 cuando x±x \to \pm\infty. Pasa por los puntos (0,1.5)(0, -1.5) y (3,0)(3, 0), y es siempre creciente. La forma general de la gráfica es una hipérbola con sus ramas en los cuadrantes superior izquierdo y inferior derecho respecto al nuevo origen de coordenadas (2,1)(-2,1) formado por las asíntotas.