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Derivadas y áreas
Problema
2021 · Ordinaria · Titular
4
Examen
a) Calcule la derivada de las siguientes funciones: f(x)=ln(x1x+1)f(x) = \ln \left( \frac{x - 1}{x + 1} \right) g(x)=x3e2x2g(x) = x^3 \cdot e^{2x^2}b) Represente gráficamente la parábola h(x)=x2+x+1h(x) = x^2 + x + 1, indicando el vértice y los puntos de corte con los ejes coordenados.c) Calcule el área del recinto limitado por la gráfica de h(x)=x2+x+1h(x) = x^2 + x + 1, el eje de abscisas y las rectas x=12x = -\frac{1}{2} y x=0x = 0.
DerivadasParábolaÁrea
a) Calcule la derivada de las siguientes funciones:

Para la función f(x)=ln(x1x+1)f(x) = \ln \left( \frac{x - 1}{x + 1} \right), podemos usar las propiedades de los logaritmos para simplificar la expresión antes de derivar:

f(x)=ln(x1)ln(x+1)f(x) = \ln(x - 1) - \ln(x + 1)

Ahora, derivamos término a término, aplicando la regla de la cadena:

f(x)=1x1(1)1x+1(1)f'(x) = \frac{1}{x - 1} \cdot (1) - \frac{1}{x + 1} \cdot (1)
f(x)=1x11x+1f'(x) = \frac{1}{x - 1} - \frac{1}{x + 1}

Para simplificar, hallamos un denominador común:

f(x)=(x+1)(x1)(x1)(x+1)=x+1x+1x21f'(x) = \frac{(x + 1) - (x - 1)}{(x - 1)(x + 1)} = \frac{x + 1 - x + 1}{x^2 - 1}
f(x)=2x21f'(x) = \frac{2}{x^2 - 1}

Para la función g(x)=x3e2x2g(x) = x^3 \cdot e^{2x^2}, aplicamos la regla del producto (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'. Consideramos u=x3u = x^3 y v=e2x2v = e^{2x^2}.Derivadas de uu y vv:

u=ddx(x3)=3x2u' = \frac{d}{dx}(x^3) = 3x^2
v=ddx(e2x2)=e2x2ddx(2x2)=e2x24x=4xe2x2v' = \frac{d}{dx}(e^{2x^2}) = e^{2x^2} \cdot \frac{d}{dx}(2x^2) = e^{2x^2} \cdot 4x = 4x e^{2x^2}

Ahora aplicamos la regla del producto:

g(x)=(3x2)e2x2+x3(4xe2x2)g'(x) = (3x^2) \cdot e^{2x^2} + x^3 \cdot (4x e^{2x^2})
g(x)=3x2e2x2+4x4e2x2g'(x) = 3x^2 e^{2x^2} + 4x^4 e^{2x^2}

Podemos factorizar x2e2x2x^2 e^{2x^2}:

g(x)=x2e2x2(3+4x2)g'(x) = x^2 e^{2x^2} (3 + 4x^2)
b) Represente gráficamente la parábola h(x)=x2+x+1h(x) = x^2 + x + 1, indicando el vértice y los puntos de corte con los ejes coordenados.

La función es una parábola h(x)=x2+x+1h(x) = x^2 + x + 1. Los coeficientes son a=1a=1, b=1b=1, c=1c=1.Cálculo del vértice:La coordenada xx del vértice se calcula con la fórmula xv=b2ax_v = -\frac{b}{2a}.

xv=121=12x_v = -\frac{1}{2 \cdot 1} = -\frac{1}{2}

La coordenada yy del vértice se obtiene sustituyendo xvx_v en la función:

yv=h(12)=(12)2+(12)+1=1412+1=1424+44=34y_v = h\left(-\frac{1}{2}\right) = \left(-\frac{1}{2}\right)^2 + \left(-\frac{1}{2}\right) + 1 = \frac{1}{4} - \frac{1}{2} + 1 = \frac{1}{4} - \frac{2}{4} + \frac{4}{4} = \frac{3}{4}

El vértice de la parábola es V(12,34)V\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{4}\right).Puntos de corte con los ejes coordenados:Corte con el eje yy: Se hace x=0x=0.

h(0)=02+0+1=1h(0) = 0^2 + 0 + 1 = 1

El punto de corte con el eje yy es (0,1)(0, 1).Corte con el eje xx: Se hace h(x)=0h(x)=0.

x2+x+1=0x^2 + x + 1 = 0

Calculamos el discriminante de la ecuación cuadrática Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac.

Δ=124(1)(1)=14=3\Delta = 1^2 - 4(1)(1) = 1 - 4 = -3

Como el discriminante es negativo (Δ<0\Delta < 0), no existen raíces reales, lo que significa que la parábola no corta el eje xx.Representación gráfica:La parábola tiene el vértice en V(12,34)V\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{4}\right), corta el eje yy en (0,1)(0, 1) y no corta el eje xx. Como el coeficiente a=1>0a=1 > 0, la parábola se abre hacia arriba, estando siempre por encima del eje de abscisas.

c) Calcule el área del recinto limitado por la gráfica de h(x)=x2+x+1h(x) = x^2 + x + 1, el eje de abscisas y las rectas x=12x = -\frac{1}{2} y x=0x = 0.

Dado que la función h(x)=x2+x+1h(x) = x^2 + x + 1 es siempre positiva (su mínimo es yv=34>0y_v = \frac{3}{4} > 0), el área se calcula mediante la integral definida de h(x)h(x) entre los límites x=12x = -\frac{1}{2} y x=0x = 0.

Aˊrea=120(x2+x+1)dx\text{Área} = \int_{-\frac{1}{2}}^{0} (x^2 + x + 1) \,dx

Primero, calculamos la integral indefinida:

(x2+x+1)dx=x33+x22+x+C\int (x^2 + x + 1) \,dx = \frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x + C

Ahora, evaluamos la integral definida utilizando la Regla de Barrow:

Aˊrea=[x33+x22+x]120\text{Área} = \left[ \frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x \right]_{-\frac{1}{2}}^{0}
Aˊrea=(033+022+0)((12)33+(12)22+(12))\text{Área} = \left( \frac{0^3}{3} + \frac{0^2}{2} + 0 \right) - \left( \frac{\left(-\frac{1}{2}\right)^3}{3} + \frac{\left(-\frac{1}{2}\right)^2}{2} + \left(-\frac{1}{2}\right) \right)
Aˊrea=0(183+14212)\text{Área} = 0 - \left( \frac{-\frac{1}{8}}{3} + \frac{\frac{1}{4}}{2} - \frac{1}{2} \right)
Aˊrea=(124+1812)\text{Área} = - \left( -\frac{1}{24} + \frac{1}{8} - \frac{1}{2} \right)

Buscamos un denominador común (24) para las fracciones dentro del paréntesis:

Aˊrea=(124+3241224)\text{Área} = - \left( -\frac{1}{24} + \frac{3}{24} - \frac{12}{24} \right)
Aˊrea=(1+31224)\text{Área} = - \left( \frac{-1 + 3 - 12}{24} \right)
Aˊrea=(1024)\text{Área} = - \left( \frac{-10}{24} \right)
Aˊrea=1024=512\text{Área} = \frac{10}{24} = \frac{5}{12}

El área del recinto es 512\frac{5}{12} unidades cuadradas.