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Integrales y análisis gráfico
Problema
2020 · Extraordinaria · Titular
4
Examen

Se considera la función

f(x)={x+2si x2x2+6x8si 2<x<4x3xsi x4f(x) = \begin{cases} -x + 2 & \text{si } x \le 2 \\ -x^2 + 6x - 8 & \text{si } 2 < x < 4 \\ \frac{x - 3}{x} & \text{si } x \ge 4 \end{cases}
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de ff en su dominio.b) Determine los intervalos de crecimiento y decrecimiento de la función ff.c) Calcule 23f(x)dx\int_{2}^{3} f(x)dx.
ContinuidadIntegral definidaMonotonía
Análisis de la función definida a trozos
f(x)={x+2si x2x2+6x8si 2<x<4x3xsi x4f(x) = \begin{cases} -x + 2 & \text{si } x \le 2 \\ -x^2 + 6x - 8 & \text{si } 2 < x < 4 \\ \frac{x - 3}{x} & \text{si } x \ge 4 \end{cases}
a) Estudie la continuidad y derivabilidad de ff en su dominio.

La función está compuesta por tramos polinómicos y una función racional. El dominio de la función es R\mathbb{R}. En el tramo racional x3x\frac{x - 3}{x}, el punto de discontinuidad x=0x = 0 no pertenece a su dominio de definición [4,)[4, \infty).Analizamos la continuidad en el punto de unión x=2x = 2:

limx2(x+2)=0,limx2+(x2+6x8)=0,f(2)=0\lim_{x \to 2^-} (-x + 2) = 0, \quad \lim_{x \to 2^+} (-x^2 + 6x - 8) = 0, \quad f(2) = 0

Como los límites laterales coinciden con el valor de la función, ff es continua en x=2x = 2.Analizamos la continuidad en el punto de unión x=4x = 4:

limx4(x2+6x8)=0,limx4+434=14,f(4)=14\lim_{x \to 4^-} (-x^2 + 6x - 8) = 0, \quad \lim_{x \to 4^+} \frac{4 - 3}{4} = \frac{1}{4}, \quad f(4) = \frac{1}{4}

Al ser los límites laterales distintos, existe una discontinuidad de salto finito en x=4x = 4. El dominio de continuidad es R{4}\mathbb{R} \setminus \{4\}.Para la derivabilidad, obtenemos la derivada en los tramos abiertos:

f(x)={1si x<22x+6si 2<x<43x2si x>4f'(x) = \begin{cases} -1 & \text{si } x < 2 \\ -2x + 6 & \text{si } 2 < x < 4 \\ \frac{3}{x^2} & \text{si } x > 4 \end{cases}

En x=2x = 2: f(2)=1f'(2^-) = -1 y f(2+)=2(2)+6=2f'(2^+) = -2(2) + 6 = 2. Al ser distintas, la función no es derivable en x=2x = 2. En x=4x = 4 no es derivable por no ser continua. El dominio de derivabilidad es R{2,4}\mathbb{R} \setminus \{2, 4\}.

b) Determine los intervalos de crecimiento y decrecimiento de la función ff.

Estudiamos el signo de la derivada f(x)f'(x) en cada tramo:En (,2)(-\infty, 2): f(x)=1<0f'(x) = -1 < 0, por lo que la función es decreciente.En (2,4)(2, 4): f(x)=2x+6f'(x) = -2x + 6. La derivada se anula en x=3x = 3. Para x(2,3)x \in (2, 3), f(x)>0f'(x) > 0 (creciente). Para x(3,4)x \in (3, 4), f(x)<0f'(x) < 0 (decreciente).En (4,)(4, \infty): f(x)=3x2>0f'(x) = \frac{3}{x^2} > 0, por lo que la función es creciente.Resumen: Decreciente en (,2)(3,4)(-\infty, 2) \cup (3, 4) y creciente en (2,3)(4,)(2, 3) \cup (4, \infty).

c) Calcule 23f(x)dx\int_{2}^{3} f(x)dx.

En el intervalo [2,3][2, 3], la función está definida como f(x)=x2+6x8f(x) = -x^2 + 6x - 8. Calculamos la integral definida:

23(x2+6x8)dx=[x33+3x28x]23\int_{2}^{3} (-x^2 + 6x - 8) \, dx = \left[ -\frac{x^3}{3} + 3x^2 - 8x \right]_{2}^{3}

Aplicamos la regla de Barrow evaluando en los límites de integración:

F(3)F(2)=(333+3(3)28(3))(233+3(2)28(2))F(3) - F(2) = \left( -\frac{3^3}{3} + 3(3)^2 - 8(3) \right) - \left( -\frac{2^3}{3} + 3(2)^2 - 8(2) \right)
(9+2724)(83+1216)=6(203)=6+203=23(-9 + 27 - 24) - \left( -\frac{8}{3} + 12 - 16 \right) = -6 - \left( -\frac{20}{3} \right) = -6 + \frac{20}{3} = \frac{2}{3}