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Calculus · real student question

Hallar la derivada de f(x) = x^3 − 3x^2 + 2x y calcular su integral definida en el intervalo [0, 3].

Question

Sea

f(x)=x3−3x2+2xf(x)=x^3-3x^2+2x

Hallar f′(x)f'(x) y calcular después ∫03f(x) dx\displaystyle\int_0^3 f(x)\,dx.

Step-by-step solution

  1. Derivar término a término con la regla de la potencia. Como ddxxn=nxn−1\frac{d}{dx}x^n=nx^{n-1} y la derivación es lineal, cada término se trata por separado:

    ddx(x3)=3x2,ddx(−3x2)=−6x,ddx(2x)=2\frac{d}{dx}\left(x^3\right)=3x^2,\qquad \frac{d}{dx}\left(-3x^2\right)=-6x,\qquad \frac{d}{dx}(2x)=2

    de modo que

    f′(x)=3x2−6x+2f'(x)=3x^2-6x+2

  2. Buscar una antiderivada para la integral. Se invierte la regla de la potencia: se sube cada exponente en uno y se divide entre él:

    F(x)=x44−x3+x2F(x)=\frac{x^4}{4}-x^3+x^2

    La constante de integración se omite a propósito: en una integral definida se cancela al restar, así que sirve cualquier antiderivada. Comprobación rápida: F′(x)=x3−3x2+2x=f(x)F'(x)=x^3-3x^2+2x=f(x).

  3. Aplicar el teorema fundamental del cálculo.

    ∫03f(x) dx=F(3)−F(0)\int_0^3 f(x)\,dx=F(3)-F(0)

    F(3)=814−27+9=814−18=81−724=94F(3)=\frac{81}{4}-27+9=\frac{81}{4}-18=\frac{81-72}{4}=\frac{9}{4}

    F(0)=0F(0)=0

    así que la integral vale 94=2.25\dfrac{9}{4}=2.25.

  4. Observar que se trata de un área con signo, no del área total. Al factorizar, f(x)=x(x−1)(x−2)f(x)=x(x-1)(x-2), así que la curva corta el eje en x=0,1,2x=0,1,2: es positiva en (0,1)(0,1), negativa en (1,2)(1,2) y otra vez positiva en (2,3)(2,3). La integral suma esos trozos con su signo, de modo que resulta menor que el área geométrica entre la curva y el eje.

  5. Verificar separando en las raíces. Con la misma FF:

    ∫01f=F(1)−F(0)=14,∫12f=F(2)−F(1)=0−14=−14,∫23f=F(3)−F(2)=94−0=94\int_0^1 f=F(1)-F(0)=\frac14,\qquad \int_1^2 f=F(2)-F(1)=0-\frac14=-\frac14,\qquad \int_2^3 f=F(3)-F(2)=\frac94-0=\frac94

    Al sumar: 14−14+94=94\tfrac14-\tfrac14+\tfrac94=\tfrac94, que coincide con el paso 3. (El área sin signo, si se pidiera, sería 14+14+94=114\tfrac14+\tfrac14+\tfrac94=\tfrac{11}{4}.)

Answer

f′(x)=3x2−6x+2,∫03f(x) dx=94f'(x) = 3x^2 - 6x + 2,\qquad \int_0^3 f(x)\,dx = \frac{9}{4}

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