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Estudio de funciones
Problema
2024 · Ordinaria · Reserva
1
Examen

Sea la función f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} definida por f(x)=(x2+1)exf(x) = (x^2 + 1)e^x.

a) Calcula los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de ff.b) Determina los intervalos de concavidad y de convexidad de ff y los puntos de inflexión de su gráfica (abscisas donde se obtienen y valores que alcanzan).
MonotoníaCurvaturaPuntos de inflexión
a) Calcula los intervalos de crecimiento y de decrecimiento de ff.

Para determinar los intervalos de monotonía, calculamos la primera derivada de la función f(x)=(x2+1)exf(x) = (x^2 + 1)e^x utilizando la regla del producto:

f(x)=2xex+(x2+1)ex=(x2+2x+1)exf'(x) = 2x \cdot e^x + (x^2 + 1) \cdot e^x = (x^2 + 2x + 1)e^x

Podemos simplificar la expresión factorizando el trinomio cuadrado perfecto:

f(x)=(x+1)2exf'(x) = (x + 1)^2 e^x

Para hallar los puntos críticos, igualamos la derivada a cero:

(x+1)2ex=0(x + 1)^2 e^x = 0

Como la función exponencial exe^x siempre es positiva para cualquier valor de xRx \in \mathbb{R}, la única solución es x=1x = -1. Estudiamos el signo de f(x)f'(x) en la recta real:Dado que (x+1)20(x + 1)^2 \ge 0 y ex>0e^x > 0 para todo xx, se cumple que f(x)0f'(x) \ge 0 en todo el dominio de la función. Aunque la derivada se anula en x=1x = -1, no hay cambio de signo, por lo que la función es estrictamente creciente en todo su dominio.Intervalo de crecimiento: (,+)(-\infty, +\infty).Intervalo de decrecimiento: No existe (conjunto vacío \emptyset).

b) Determina los intervalos de concavidad y de convexidad de ff y los puntos de inflexión de su gráfica (abscisas donde se obtienen y valores que alcanzan).

Para analizar la curvatura, calculamos la segunda derivada de la función a partir de f(x)=(x2+2x+1)exf'(x) = (x^2 + 2x + 1)e^x:

f(x)=(2x+2)ex+(x2+2x+1)ex=(x2+4x+3)exf''(x) = (2x + 2)e^x + (x^2 + 2x + 1)e^x = (x^2 + 4x + 3)e^x

Buscamos los puntos donde la segunda derivada se anula:

(x2+4x+3)ex=0    x2+4x+3=0(x^2 + 4x + 3)e^x = 0 \implies x^2 + 4x + 3 = 0

Resolvemos la ecuación de segundo grado:

x=rac4±4241321=rac4±42=rac4±22x = rac{-4 \pm \sqrt{4^2 - 4 \cdot 1 \cdot 3}}{2 \cdot 1} = rac{-4 \pm \sqrt{4}}{2} = rac{-4 \pm 2}{2}

Obtenemos dos posibles puntos de inflexión en x=3x = -3 y x=1x = -1. Evaluamos el signo de f(x)f''(x) en los intervalos resultantes:En (,3)(-\infty, -3): Si tomamos x=4x = -4, f(4)=(1616+3)e4=3e4>0f''(-4) = (16 - 16 + 3)e^{-4} = 3e^{-4} > 0. La función es convexa (\cup).En (3,1)(-3, -1): Si tomamos x=2x = -2, f(2)=(48+3)e2=e2<0f''(-2) = (4 - 8 + 3)e^{-2} = -e^{-2} < 0. La función es cóncava (\cap).En (1,+)(-1, +\infty): Si tomamos x=0x = 0, f(0)=(0+0+3)e0=3>0f''(0) = (0 + 0 + 3)e^0 = 3 > 0. La función es convexa (\cup).Como existe cambio de signo en x=3x = -3 y x=1x = -1, ambos son puntos de inflexión. Calculamos sus coordenadas ordenadas:Para x=3x = -3: f(3)=((3)2+1)e3=10e3=rac10e3f(-3) = ((-3)^2 + 1)e^{-3} = 10e^{-3} = rac{10}{e^3}.Para x=1x = -1: f(1)=((1)2+1)e1=2e1=rac2ef(-1) = ((-1)^2 + 1)e^{-1} = 2e^{-1} = rac{2}{e}.Resumen de curvatura: Convexa en (,3)(1,+)(-\infty, -3) \cup (-1, +\infty) y cóncava en (3,1)(-3, -1). Los puntos de inflexión se sitúan en (3,rac10e3)(-3, rac{10}{e^3}) y (1,rac2e)(-1, rac{2}{e}).