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Análisis Matemático 66

2024 GUTIERREZ (ÚNICA)

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ANÁLISIS MATEMÁTICO 66 CBC
CÁTEDRA GUTIERREZ (ÚNICA)

Práctica 7: Estudio de Funciones

11. Sea $f(x)=x^{2} \ln x$
a) ¿Cuántas soluciones tiene la ecuación $f(x)=-\frac{1}{6}$ ?

Respuesta

Para responder esta pregunta vamos a hacer un estudio de función completo de $f(x)$

$\textbf{1)}$ Identificamos el dominio de $f(x)$
El dominio de $f$ es $(0,+\infty)$.

$\textbf{2)}$ Asíntotas - Asíntotas verticales: Como el dominio es $(0,+\infty)$, el $0$ es candidato a asíntota vertical. Tomamos límite cuando $x$ tiende a $0$ por derecha para ver el comportamiento de la función:

$ \lim_{x \to 0^+} x^2 \ln(x)$

Acordate que $\ln(x)$ tiende a $-\infty$ cuando lo adentro tiende a cero, por lo tanto estamos frente a una indeterminación de tipo "cero por infinito". Vamos a reescribir $f(x)$ de una manera conveniente para poder aplicar L'Hopital.

$ \lim_{x \to 0^+} \frac{\ln(x)}{1/x^2} $

Ahora tenemos una indeterminación de tipo "infinito sobre infinito", impecable, aplicamos L'Hopital.

$ \lim_{x \to 0^+} \frac{1/x}{-2/x^3} = \lim_{x \to 0^+} \frac{-x^3}{2x} = \lim_{x \to 0^+} \frac{-x^2}{2} = 0 $

En $x=0$ no tenemos asíntota vertical

- Asíntotas horizontales: Tomamos el límite cuando $x$ tiende a $+\infty$

\( \lim_{x \to +\infty} x^2 \ln(x) = +\infty \)

Por lo tanto, $f$ no tiene asíntota horizontal

$\textbf{3)}$ Calculamos \( f'(x) \):

\( f'(x) = 2x \ln(x) + x^2 \cdot (1/x) \)

Simplificamos:

\( f'(x) = 2x \ln(x) + x \)

$\textbf{4)}$Igualamos \( f'(x) \) a cero para obtener los "puntos críticos", nuestros candidatos a máximos y mínimos: 

\( 2x \ln(x) + x = 0 \)

Sacamos factor común $x$:
\( x (2 \ln(x) + 1) = 0 \) Acordate que $x$ nunca vale cero (mirá el dominio de la función). Por lo tanto, tenemos que pedir que lo del paréntesis sea cero: \( 2 \ln(x) + 1 = 0 \)
\( \ln(x) = -1/2 \)
\( e^{\ln(x)} = e^{-1/2} \)
\( x = e^{-1/2} \) El punto crítico es \( x = e^{-1/2} \).

$\textbf{5)}$ Dividimos la recta real en intervalos donde sabemos que $f'(x)$ es continua y no tiene raíces:

a) \( 0 < x < e^{-1/2} \)
b) \( x > e^{-1/2} \)

$\textbf{6)}$ Evaluamos el signo de \( f'(x) \) en cada uno de los intervalos:

- Para \( 0 < x < e^{-1/2} \), \( f'(x) \) es negativa y entonces la función es decreciente. - Para \( x > e^{-1/2} \), \( f'(x) \) es positiva y entonces la función es creciente.

Con toda la información que tenemos ya podemos graficar $f(x)$. Te dejo acá abajo el gráfico hecho en GeoGebra... y de paso, ya voy a ir marcando por donde anda $y = -1/6$, que lo vamos a necesitar para responder a la pregunta del enunciado:

2024-04-20%2011:05:33_7806807.png

Entonces ya estamos, mirando el gráfico vemos que la ecuación $f(x)=-\frac{1}{6}$ tiene dos soluciones.
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