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Análisis Matemático 66

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ANÁLISIS MATEMÁTICO 66 CBC
CÁTEDRA PALACIOS PUEBLA

Práctica 4 - Funciones elementales II

8. Considere la función $f(x)=2 \cos (2 x+\pi)-\sqrt{3}$.
b) Elija un intervalo de longitud igual al período de la función y encuentre analíticamente los valores de $x$ en este intervalo para los cuales la función tiene una raíz, cuando es positiva, cuando es negativa, cuando crece y cuando decrece. Indique cuales son los valores máximos y mínimos de cada función y halle los puntos en los cuales se alcanzan.

Respuesta

En el item anterior vimos que el período de $f$ es $\pi$. Así que podemos elegir el intervalo $[0,\pi]$ 

Raíces

Vamos a arrancar buscando las raíces de $f$ en este intervalo igualando la función a cero:

$2 \cos (2 x+\pi)-\sqrt{3} = 0$

Despejamos para reacomodar un poco:

$2\cos (2 x+\pi) = \sqrt{3}$

$\cos (2 x+\pi) = \frac{\sqrt{3}}{2}$

¿Ahora entendés cuál era mi objetivo y por qué empecé a despejar? Porque fijate que así nos quedó una ecuación muy parecida a las que estuvimos resolviendo en la tercer clase de Funciones Trigonométricas y acá en la guía en el Ejercicio $7$. 

Lo primero que me pregunto es... ¿Dónde el coseno vale $\frac{\sqrt{3}}{2}$? Bueno, en el primer cuadrante eso era en $\frac{\pi}{6}$, pero también hay otro ángulo, en el cuarto cuadrante, donde el coseno vale $\frac{\sqrt{3}}{2}$ y es $\frac{11\pi}{6}$. Por lo tanto, tooooodos los ángulos para los cuales se cumple que $\cos(x) = \frac{\sqrt{3}}{2}$ son $\frac{\pi}{6} + 2k\pi$ y $\frac{11\pi}{6} + 2k\pi$. 

Es decir, vamos a tener que igualar $2x+\pi$ a estas soluciones. 

Primer grupo de soluciones

$2x + \pi = \frac{\pi}{6} + 2k\pi$

$2x = \frac{\pi}{6} + 2k\pi - \pi$

$x = \frac{\pi}{12} + k\pi - \frac{\pi}{2}$

$x = -\frac{5\pi}{12} + k\pi$

De acá la única solución que pertenece a nuestro intervalo sale con $k = 1$ y es $x = \frac{7}{12} \pi$

Segundo grupo de soluciones

$2x + \pi = \frac{11\pi}{6} + 2k\pi$

$2x = \frac{11\pi}{6} + 2k\pi - \pi$

$x = \frac{11\pi}{12} + k\pi - \frac{\pi}{2}$

$x = \frac{5\pi}{12} + k\pi$

Y de acá la única solución que pertenece a nuestro intervalo es la que tenemos con $k=0$ y es $x = \frac{5}{12} \pi$

Ahora, no te me olvides que tenés GeoGebra en la otra pestaña, podés verificar esta respuesta! Agregá otra entrada en el mismo gráfico y escribí los puntos $(\frac{5}{12} \pi, 0)$ y $(\frac{7}{12} \pi, 0)$ ¿son las raíces o no?

Conjuntos de positividad y negatividad

Lo más difícil ya está, ahora ya sabemos dónde $f$ tiene raíces y además sabemos que es continua. Bolzano nos asegura que en los intervalos donde $f$ es continua y no tiene raíces, mantiene el mismo signo. Nos armamos nuestra tablita y evaluamos $f$ en algún punto cualquiera de cada intervalo:

2024-04-22%2012:57:42_9687662.png

Entonces,

Conjunto de positividad: $(\frac{5}{12} \pi, \frac{7}{12} \pi)$

Conjunto de negatividad: $(0, \frac{5}{12} \pi) \cup (\frac{7}{12} \pi, \pi)$

Volvé a la pestaña donde tenés abierto GeoGebra ¿coincide con lo que estás viendo en el gráfico?

Máximos y mínimos

A ver si me seguís en esta. Nosotros sabemos que $\cos(2x + \pi)$ oscila entre $1$ y $-1$. Lo podría escribir así:

$-1 \leq \cos(2x + \pi) \leq 1$

Ahora, multiplico todos los miembros por $2$

$-2 \leq 2\cos(2x + \pi) \leq 2$

Y ahora en todos los miembros restamos $\sqrt{3}$

$-2 - \sqrt{3} \leq 2\cos(2x + \pi) - \sqrt{3} \leq 2 - \sqrt{3}$

Y mirá lo que me quedó en el medio, es $f(x)$! Es decir,

$-2 - \sqrt{3} \leq f(x) \leq 2 - \sqrt{3}$

El máximo valor que toma $f$ es $2 - \sqrt{3}$ y el mínimo valor $-2 - \sqrt{3}$. Estas van a ser las coordenadas en $y$ de los máximos y mínimos de $f$. Ahora nos falta para qué valores en $x$ se alcanzan. 

Freno un segundo... Ahora ya podemos volver al punto a) y escribir la imagen un poco más linda no? 

Máximos

Buscamos los $x$ que verifican que:

$f(x) = 2 - \sqrt{3}$

$2\cos(2x + \pi) - \sqrt{3}  = 2 - \sqrt{3}$

$\cos(2x + \pi) = 1$

Y ahora resolvemos esta ecuación igual que como venimos haciendo en todas las que nos fuimos cruzando hasta ahora. Voy a ir un poquito más rápido porque ya resolvimos varias. Sabemos que $\cos(x)$ vale $1$ en todos los $x$ de la forma $x = 0 + 2k\pi$. Entonces tenemos que pedir que...

$ 2x + \pi = 0 + 2k\pi$

y despejando $x$ nos queda...

$x = -\frac{\pi}{2} + k\pi$

Y la única solución dentro del intervalo $[0,\pi]$ se da con $k=1$ y es $x = \frac{\pi}{2}$

Por lo tanto, $f$ alcanza un máximo en el punto $(\frac{\pi}{2}, 2 - \sqrt{3})$. 

Graficá ahora este punto en GeoGebra... ¿es o no es el máximo de $f$ en ese intervalo?

Mínimos

Ahora buscamos los $x$ que verifican que:

$f(x) = -2 - \sqrt{3}$

$2\cos(2x + \pi) - \sqrt{3}  = -2 - \sqrt{3}$

$\cos(2x + \pi) = -1$

¿Te animás a resolverla vos, igual que como hicimos recién? 

Deberías llegar a que $x = 0$ y $x = \pi$ son las soluciones en el intervalo. Como siempre, les abro la posibilidad a que dejen las fotos de sus hojas acá abajo en la ExaComunidad así vemos como lo hicieron y corregimos lo que sea necesario 😊

Entonces, los puntos mínimos de $f$ en el intervalo $[0,\pi]$ son $(0, -2-\sqrt{3})$ y en $(\pi, -2-\sqrt{3})$

Intervalos de crecimiento y decrecimiento

Conociendo dónde $f$ alcanza sus máximos y mínimos en el intervalo $[0,\pi]$, tenemos que:

Intervalo de crecimiento: $(0, \frac{\pi}{2})$

Intervalo de decrecimiento: $(\frac{\pi}{2}, \pi)$

Si te hiciste lío usando GeoGebra, o no te diste cuenta cómo graficar algunas cosas, te dejo acá el link con mi gráfico final, con $f(x)$ y todos los resultados a los que fuimos llegando 👉 https://www.geogebra.org/graphing/rreggeqz

Fijate como en la columna de la izquierda grafiqué $f(x)$, las raíces, los máximos y mínimos. Y para chequear la imagen te puede servir agregar los gráficos de las rectas $y = -2 -\sqrt{3}$ y $y = 2 - \sqrt{3}$
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