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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

17. Sea $f(x)=(x+1)^{3} e^{\frac{3}{4} x^{2}-5}-3$. Demuestre que para todo $k \in \mathbb{R}$ la ecuación $f(x)=k$ tiene exactamente una solución.

Respuesta

Vamos a hacer un estudio de función completo de la función $f(x)=(x+1)^{3} e^{\frac{3}{4} x^{2}-5}-3$. 

1) Identificamos el dominio de $f(x)$ En este caso no hay ninguna restricción, el dominio de $f$ es todo $\mathbb{R}$. 2) Asíntotas - Asíntotas verticales: Como el dominio es $\mathbb{R}$, esta función no tiene asíntotas verticales. - Asíntotas horizontales: Tomamos los límites cuando $x$ tiende a $\pm \infty$

$ \lim_{x \to +\infty} (x+1)^{3} e^{\frac{3}{4} x^{2}-5}-3 = +\infty $

$ \lim_{x \to -\infty} (x+1)^{3} e^{\frac{3}{4} x^{2}-5}-3 = -\infty $
3) Calculamos $f'(x)$: 

\( f'(x) = 3(x+1)^2 e^{\frac{3}{4} x^2 - 5} + (x+1)^3 e^{\frac{3}{4} x^2 - 5} \cdot \frac{3}{2}x \)

Ahora, pensemos lo siguiente. Si nosotros queremos demostrar que la ecuación $f(x)=k$ tiene exactamente una solución para todo $k$, eso es equivalente a pedir que $f$ sea monótona, o sea que siempre sea creciente o decreciente en todo su dominio. En particular, por el comportamiento que vimos cuando buscamos asíntotas horizontales, debería ser monótona creciente. Entonces, probemos que $f'(x)$ siempre es positiva o negativa. Reescribamosla un poco para que esto sea evidente:

Sacamos factor común la exponencial

\( f'(x) = e^{\frac{3}{4} x^2 - 5} \left[ 3(x+1)^2 + \frac{3}{2}x(x+1)^3 \right] \)

Sacamos factor común $(x+1)^2$

\( f'(x) = e^{\frac{3}{4} x^2 - 5} \cdot (x+1)^2 [3 + \frac{3}{2}x(x+1) ] \)

\( f'(x) = e^{\frac{3}{4} x^2 - 5} \cdot (x+1)^2 [3 + \frac{3}{2}x^2 + \frac{3}{2}x  ] \)

Entonces tenemos multiplicándose: Una exponencial (que siempre es $>0$), el término $(x+1)^2$ que también es siempre $>0$ y por último una cuadrática entre corchetes. Esta cuadrática podés probar que efectivamente siempre es $>0$ (fijate que no tiene raíces y es cóncava hacia arriba, graficala en GeoGebra para convencerte). 

Por lo tanto, $f'(x)$ siempre es positiva (por lo tanto $f$ es siempre creciente). 

De esta manera, juntando el comportamiento de $f$ en $+$ y en $-\infty$ y sabiendo que es monótona creciente, probamos que para todo $k \in \mathbb{R}$ la ecuación $f(x)=k$ tiene exactamente una solución :)
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Gael
24 de mayo 12:40
Una pregunta flor: sabemos que el Dom (f y f´)= R, pero entonces si tomamos f´(-1) no nos daría un punto critico donde f´(x) = 0 en x=-1? Ya que cuando multiplicamos por el factor comun de (x-1)^2 no es >0 sino que sería 0
Flor
PROFE
24 de mayo 21:22
@Gael Hola Gael! Gracias por tu pregunta, porque me di cuenta que escribí algo mal! :O

Efectivamente lo que vos decis es cierto, $f'(x)$ si tiene un punto crítico en $x=-1$ (yo eso lo había puesto mal, porque puse que no tenía ninguno), pero si vos ahora quisieras hacer como siempre de separar en los intervalos $x < -1$ y $x > -1$ y evaluar el signo de $f'(x)$, verias que $f'(x)$ es siempre positiva, y por lo tanto $f$ siempre creciente (entonces ese punto crítico al final no resultó ser ni máximo ni mínimo)

Eso fue lo que hicimos acá directamente, sin buscar los puntos críticos, directamente probamos que $f'(x)$ siempre tenia el mismo signo. Yo ahi acabo de editar dos cositas de la redacción (donde digo que no hay puntos críticos), avisame si ahora queda más claro! Perdón por la confusiónnnn
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