Sr Examen

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Gráfico de la función y = (x-sin(x))/x^2

v

Gráfico:

interior superior

Puntos de intersección:

mostrar?

Definida a trozos:

Solución

Ha introducido [src]
       x - sin(x)
f(x) = ----------
            2    
           x     
$$f{\left(x \right)} = \frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x^{2}}$$
f = (x - sin(x))/x^2
Gráfico de la función
Dominio de definición de la función
Puntos en los que la función no está definida exactamente:
$$x_{1} = 0$$
Puntos de cruce con el eje de coordenadas X
El gráfico de la función cruce el eje X con f = 0
o sea hay que resolver la ecuación:
$$\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x^{2}} = 0$$
Resolvermos esta ecuación
Solución no hallada,
puede ser que el gráfico no cruce el eje X
Puntos de cruce con el eje de coordenadas Y
El gráfico cruce el eje Y cuando x es igual a 0:
sustituimos x = 0 en (x - sin(x))/x^2.
$$\frac{\left(-1\right) \sin{\left(0 \right)}}{0^{2}}$$
Resultado:
$$f{\left(0 \right)} = \text{NaN}$$
- no hay soluciones de la ecuación
Extremos de la función
Para hallar los extremos hay que resolver la ecuación
$$\frac{d}{d x} f{\left(x \right)} = 0$$
(la derivada es igual a cero),
y las raíces de esta ecuación serán los extremos de esta función:
$$\frac{d}{d x} f{\left(x \right)} = $$
primera derivada
$$\frac{1 - \cos{\left(x \right)}}{x^{2}} - \frac{2 \left(x - \sin{\left(x \right)}\right)}{x^{3}} = 0$$
Resolvermos esta ecuación
Raíces de esta ecuación
$$x_{1} = 47.038904997378$$
$$x_{2} = 15.4505036738754$$
$$x_{3} = -97.3893722612836$$
$$x_{4} = 53.4070751110265$$
$$x_{5} = 97.3893722612836$$
$$x_{6} = 78.5398163397448$$
$$x_{7} = -40.7426059185751$$
$$x_{8} = -59.6902604182061$$
$$x_{9} = -65.9734457253857$$
$$x_{10} = 34.4415105438615$$
$$x_{11} = -21.9911485751286$$
$$x_{12} = 97.3482884639088$$
$$x_{13} = -34.5575191894877$$
$$x_{14} = -15.707963267949$$
$$x_{15} = 21.9911485751286$$
$$x_{16} = -34.4415105438615$$
$$x_{17} = 191.637151868977$$
$$x_{18} = 8.98681891581813$$
$$x_{19} = -103.672557568463$$
$$x_{20} = -40.8407044966673$$
$$x_{21} = 9.42477796076938$$
$$x_{22} = 34.5575191894877$$
$$x_{23} = -91.0622680279826$$
$$x_{24} = 65.9734457253857$$
$$x_{25} = 84.7758271362638$$
$$x_{26} = -8.98681891581813$$
$$x_{27} = 21.8082433188578$$
$$x_{28} = -21.8082433188578$$
$$x_{29} = 405.265452313083$$
$$x_{30} = -28.2743338823081$$
$$x_{31} = 91.0622680279826$$
$$x_{32} = 28.1323878256629$$
$$x_{33} = -15.4505036738754$$
$$x_{34} = -59.6231975817859$$
$$x_{35} = -53.4070751110265$$
$$x_{36} = 59.6231975817859$$
$$x_{37} = -128.774239181115$$
$$x_{38} = -9.42477796076938$$
$$x_{39} = 40.8407044966673$$
$$x_{40} = -91.106186954104$$
$$x_{41} = -28.1323878256629$$
$$x_{42} = -84.7758271362638$$
$$x_{43} = 59.6902604182061$$
$$x_{44} = 65.912778079645$$
$$x_{45} = 47.1238898038469$$
$$x_{46} = -141.343371423239$$
$$x_{47} = -235.619449019234$$
$$x_{48} = 91.106186954104$$
$$x_{49} = -97.3482884639088$$
$$x_{50} = 78.4888647223284$$
$$x_{51} = 28.2743338823081$$
$$x_{52} = -323.571681455931$$
$$x_{53} = -78.4888647223284$$
$$x_{54} = -47.1238898038469$$
$$x_{55} = -72.2012444887512$$
$$x_{56} = -53.3321085176254$$
$$x_{57} = 72.2012444887512$$
$$x_{58} = -3.14159265358979$$
$$x_{59} = 40.7426059185751$$
$$x_{60} = 72.2566310325652$$
$$x_{61} = -279.587439619171$$
$$x_{62} = -78.5398163397448$$
$$x_{63} = -72.2566310325652$$
$$x_{64} = -84.8230016469244$$
$$x_{65} = 84.8230016469244$$
$$x_{66} = 53.3321085176254$$
$$x_{67} = -47.038904997378$$
$$x_{68} = -65.912778079645$$
$$x_{69} = 15.707963267949$$
$$x_{70} = 3.14159265358979$$
Signos de extremos en los puntos:
(47.03890499737801, 0.021220636028774)

(15.450503673875414, 0.0636561755375016)

(-97.3893722612836, -0.0102680608446384)

(53.40707511102649, 0.0187241109519877)

(97.3893722612836, 0.0102680608446384)

(78.53981633974483, 0.0127323954473516)

(-40.74260591857512, -0.0244853286498844)

(-59.69026041820607, -0.01675315190441)

(-65.97344572538566, -0.0151576136277996)

(34.44151054386154, 0.0289371532895896)

(-21.991148575128552, -0.0454728408833987)

(97.34828846390877, 0.010268060235269)

(-34.55751918948773, -0.0289372623803446)

(-15.707963267948966, -0.0636619772367581)

(21.991148575128552, 0.0454728408833987)

(-34.44151054386154, -0.0289371532895896)

(191.63715186897738, 0.00521819485547198)

(8.986818915818128, 0.106023005437119)

(-103.67255756846318, -0.00964575412678153)

(-40.840704496667314, -0.0244853758602916)

(9.42477796076938, 0.106103295394597)

(34.55751918948773, 0.0289372623803446)

(-91.06226802798255, -0.0109762021211833)

(65.97344572538566, 0.0151576136277996)

(84.77582713626384, 0.0117892538276292)

(-8.986818915818128, -0.106023005437119)

(21.808243318857798, 0.0454717829781287)

(-21.808243318857798, -0.0454717829781287)

(405.2654523130833, 0.00246751849754877)

(-28.274333882308138, -0.0353677651315323)

(91.06226802798255, 0.0109762021211833)

(28.132387825662946, 0.035367466403301)

(-15.450503673875414, -0.0636561755375016)

(-59.62319758178592, -0.0167531448468799)

(-53.40707511102649, -0.0187241109519877)

(59.62319758178592, 0.0167531448468799)

(-128.77423918111484, -0.00776365561006469)

(-9.42477796076938, -0.106103295394597)

(40.840704496667314, 0.0244853758602916)

(-91.106186954104, -0.0109762029718549)

(-28.132387825662946, -0.035367466403301)

(-84.77582713626384, -0.0117892538276292)

(59.69026041820607, 0.01675315190441)

(65.91277807964495, 0.0151576093510719)

(47.1238898038469, 0.0212206590789194)

(-141.343371423239, -0.00707355293181437)

(-235.61944901923448, -0.00424413181578388)

(91.106186954104, 0.0109762029718549)

(-97.34828846390877, -0.010268060235269)

(78.48886472232839, 0.0127323936599357)

(28.274333882308138, 0.0353677651315323)

(-323.57168145593135, -0.00309038724299932)

(-78.48886472232839, -0.0127323936599357)

(-47.1238898038469, -0.0212206590789194)

(-72.20124448875121, -0.0138395575561134)

(-53.33210851762535, -0.0187240986360253)

(72.20124448875121, 0.0138395575561134)

(-3.141592653589793, -0.318309886183791)

(40.74260591857512, 0.0244853286498844)

(72.25663103256524, 0.0138395602688605)

(-279.5874396191708, -0.00357651557197735)

(-78.53981633974483, -0.0127323954473516)

(-72.25663103256524, -0.0138395602688605)

(-84.82300164692441, -0.0117892550438441)

(84.82300164692441, 0.0117892550438441)

(53.33210851762535, 0.0187240986360253)

(-47.03890499737801, -0.021220636028774)

(-65.91277807964495, -0.0151576093510719)

(15.707963267948966, 0.0636619772367581)

(3.141592653589793, 0.318309886183791)


Intervalos de crecimiento y decrecimiento de la función:
Hallemos los intervalos donde la función crece y decrece y también los puntos mínimos y máximos de la función, para lo cual miramos cómo se comporta la función en los extremos con desviación mínima del extremo:
Puntos mínimos de la función:
$$x_{1} = 47.038904997378$$
$$x_{2} = 15.4505036738754$$
$$x_{3} = -59.6902604182061$$
$$x_{4} = -65.9734457253857$$
$$x_{5} = 34.4415105438615$$
$$x_{6} = -21.9911485751286$$
$$x_{7} = -34.5575191894877$$
$$x_{8} = -15.707963267949$$
$$x_{9} = 8.98681891581813$$
$$x_{10} = -40.8407044966673$$
$$x_{11} = 21.8082433188578$$
$$x_{12} = -28.2743338823081$$
$$x_{13} = 28.1323878256629$$
$$x_{14} = -53.4070751110265$$
$$x_{15} = 59.6231975817859$$
$$x_{16} = -9.42477796076938$$
$$x_{17} = -91.106186954104$$
$$x_{18} = 65.912778079645$$
$$x_{19} = -47.1238898038469$$
$$x_{20} = -3.14159265358979$$
$$x_{21} = 40.7426059185751$$
$$x_{22} = -78.5398163397448$$
$$x_{23} = -72.2566310325652$$
$$x_{24} = 53.3321085176254$$
Puntos máximos de la función:
$$x_{24} = 53.4070751110265$$
$$x_{24} = 78.5398163397448$$
$$x_{24} = -40.7426059185751$$
$$x_{24} = 21.9911485751286$$
$$x_{24} = -34.4415105438615$$
$$x_{24} = 9.42477796076938$$
$$x_{24} = 34.5575191894877$$
$$x_{24} = 65.9734457253857$$
$$x_{24} = -8.98681891581813$$
$$x_{24} = -21.8082433188578$$
$$x_{24} = -15.4505036738754$$
$$x_{24} = -59.6231975817859$$
$$x_{24} = 40.8407044966673$$
$$x_{24} = -28.1323878256629$$
$$x_{24} = 59.6902604182061$$
$$x_{24} = 47.1238898038469$$
$$x_{24} = 91.106186954104$$
$$x_{24} = 28.2743338823081$$
$$x_{24} = -53.3321085176254$$
$$x_{24} = 72.2566310325652$$
$$x_{24} = -47.038904997378$$
$$x_{24} = -65.912778079645$$
$$x_{24} = 15.707963267949$$
$$x_{24} = 3.14159265358979$$
Decrece en los intervalos
$$\left[65.912778079645, \infty\right)$$
Crece en los intervalos
$$\left(-\infty, -91.106186954104\right]$$
Puntos de flexiones
Hallemos los puntos de flexiones, para eso hay que resolver la ecuación
$$\frac{d^{2}}{d x^{2}} f{\left(x \right)} = 0$$
(la segunda derivada es igual a cero),
las raíces de la ecuación obtenida serán los puntos de flexión para el gráfico de la función indicado:
$$\frac{d^{2}}{d x^{2}} f{\left(x \right)} = $$
segunda derivada
$$\frac{\sin{\left(x \right)} + \frac{4 \left(\cos{\left(x \right)} - 1\right)}{x} + \frac{6 \left(x - \sin{\left(x \right)}\right)}{x^{2}}}{x^{2}} = 0$$
Resolvermos esta ecuación
Raíces de esta ecuación
$$x_{1} = -5.12945445023088$$
$$x_{2} = -87.8963320787258$$
$$x_{3} = 12.0694975446698$$
$$x_{4} = -75.3185620752303$$
$$x_{5} = -69.0281173186791$$
$$x_{6} = 229.32754211939$$
$$x_{7} = -81.6078867054546$$
$$x_{8} = 31.2237674044649$$
$$x_{9} = -31.2237674044649$$
$$x_{10} = -9.20065100553492$$
$$x_{11} = 9.20065100553492$$
$$x_{12} = 59.6567101581973$$
$$x_{13} = -24.8917038117362$$
$$x_{14} = -56.4423647482988$$
$$x_{15} = -34.4994174254618$$
$$x_{16} = 56.4423647482988$$
$$x_{17} = -15.5781741712189$$
$$x_{18} = 78.5143322661573$$
$$x_{19} = -94.1840745789659$$
$$x_{20} = 72.2289271448257$$
$$x_{21} = 28.203182476741$$
$$x_{22} = 21.8993148392771$$
$$x_{23} = 62.7362145979358$$
$$x_{24} = -37.5392801304156$$
$$x_{25} = 69.0281173186791$$
$$x_{26} = 43.8454532577552$$
$$x_{27} = -12.0694975446698$$
$$x_{28} = 5.12945445023088$$
$$x_{29} = 75.3185620752303$$
$$x_{30} = 100.471246342818$$
$$x_{31} = 50.1458316396606$$
$$x_{32} = 15.5781741712189$$
$$x_{33} = -53.3695654977624$$
$$x_{34} = 47.0813590672185$$
$$x_{35} = -47.0813590672185$$
$$x_{36} = -40.7915962645149$$
$$x_{37} = 97.3688260293297$$
$$x_{38} = 65.9430979521696$$
$$x_{39} = -18.525711160404$$
$$x_{40} = -43.8454532577552$$
$$x_{41} = -100.471246342818$$
$$x_{42} = -78.5143322661573$$
$$x_{43} = -106.757948322377$$
$$x_{44} = 84.7994078316285$$
$$x_{45} = 24.8917038117362$$
$$x_{46} = -84.7994078316285$$
$$x_{47} = 91.0842221974825$$
$$x_{48} = -59.6567101581973$$
$$x_{49} = 40.7915962645149$$
$$x_{50} = -50.1458316396606$$
$$x_{51} = -65.9430979521696$$
$$x_{52} = 53.3695654977624$$
$$x_{53} = -97.3688260293297$$
$$x_{54} = -72.2289271448257$$
$$x_{55} = 81.6078867054546$$
$$x_{56} = -62.7362145979358$$
$$x_{57} = -21.8993148392771$$
$$x_{58} = 94.1840745789659$$
$$x_{59} = 37.5392801304156$$
$$x_{60} = 34.4994174254618$$
$$x_{61} = -28.203182476741$$
$$x_{62} = 87.8963320787258$$
$$x_{63} = 18.525711160404$$
$$x_{64} = -91.0842221974825$$
Además hay que calcular los límites de y'' para los argumentos tendientes a los puntos de indeterminación de la función:
Puntos donde hay indeterminación:
$$x_{1} = 0$$

$$\lim_{x \to 0^-}\left(\frac{\sin{\left(x \right)} + \frac{4 \left(\cos{\left(x \right)} - 1\right)}{x} + \frac{6 \left(x - \sin{\left(x \right)}\right)}{x^{2}}}{x^{2}}\right) = 0$$
$$\lim_{x \to 0^+}\left(\frac{\sin{\left(x \right)} + \frac{4 \left(\cos{\left(x \right)} - 1\right)}{x} + \frac{6 \left(x - \sin{\left(x \right)}\right)}{x^{2}}}{x^{2}}\right) = 0$$
- los límites son iguales, es decir omitimos el punto correspondiente

Intervalos de convexidad y concavidad:
Hallemos los intervales donde la función es convexa o cóncava, para eso veamos cómo se comporta la función en los puntos de flexiones:
Cóncava en los intervalos
$$\left[100.471246342818, \infty\right)$$
Convexa en los intervalos
$$\left(-\infty, -106.757948322377\right]$$
Asíntotas verticales
Hay:
$$x_{1} = 0$$
Asíntotas horizontales
Hallemos las asíntotas horizontales mediante los límites de esta función con x->+oo y x->-oo
$$\lim_{x \to -\infty}\left(\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x^{2}}\right) = 0$$
Tomamos como el límite
es decir,
ecuación de la asíntota horizontal a la izquierda:
$$y = 0$$
$$\lim_{x \to \infty}\left(\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x^{2}}\right) = 0$$
Tomamos como el límite
es decir,
ecuación de la asíntota horizontal a la derecha:
$$y = 0$$
Asíntotas inclinadas
Se puede hallar la asíntota inclinada calculando el límite de la función (x - sin(x))/x^2, dividida por x con x->+oo y x ->-oo
$$\lim_{x \to -\infty}\left(\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x x^{2}}\right) = 0$$
Tomamos como el límite
es decir,
la inclinada coincide con la asíntota horizontal a la derecha
$$\lim_{x \to \infty}\left(\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x x^{2}}\right) = 0$$
Tomamos como el límite
es decir,
la inclinada coincide con la asíntota horizontal a la izquierda
Paridad e imparidad de la función
Comprobemos si la función es par o impar mediante las relaciones f = f(-x) и f = -f(-x).
Pues, comprobamos:
$$\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x^{2}} = \frac{- x + \sin{\left(x \right)}}{x^{2}}$$
- No
$$\frac{x - \sin{\left(x \right)}}{x^{2}} = - \frac{- x + \sin{\left(x \right)}}{x^{2}}$$
- No
es decir, función
no es
par ni impar