Laboratorio 5 · Cálculo de una variable

Funciones inversas y exponencial natural

La Clase 12 lo abre por el final: el ejercicio 7 (derivar un producto con una integral adentro, y una corrección al pizarrón) y las integrales del 8 con \(e^{x}\) — la que pide una raíz, la que se resiste al conjugado y la que estrena una sustitución trigonométrica. Los ejercicios de inversas (1 a 6) y la mitad del 8 quedaron para trabajar en el cuaderno: aquí está el enunciado fiel, una pista, la respuesta para comparar y la parte del curso donde vive cada herramienta.

📄 Enunciado oficial → Laboratorio 5 · Cálculo Diferencial e Integral II (ITAM) PDF 📄 Más práctica del mismo tema → Cuaderno de ejercicios · Cálculo III, Tarea 6: técnicas de integración (Dra. Lorena Zogaib, ITAM) p. 16 📄 …y sus soluciones oficiales — consúltalas solo después de intentarlo p. 48
Los ejercicios

Ejercicio por ejercicio, con su parte

El enunciado fiel, y debajo el botón a la parte de la clase interactiva donde se resuelve — o, si quedó pendiente, la parte donde vive la herramienta. Lo honesto: primero inténtalo en tu cuaderno.

1Dominio, imagen e inversa

Encuentra el dominio, imagen y la función inversa de las siguientes funciones:

$$\text{a)}\; f(x) = -8x^{3}-2 \qquad \text{b)}\; g(x) = \sqrt{x+2} \qquad \text{c)}\; h(x) = \frac{3x+5}{x-4} \qquad \text{d)}\; i(x) = \ln(5-3x)$$

✍️ Para tu cuaderno — pendiente en clase; la receta de los cuatro pasos de la Clase 7: despejar \(x\), intercambiar, y cuidar que el dominio de la inversa sea la imagen de la original. Respuestas para comparar: \(f^{-1}(y)=\sqrt[3]{-(y+2)/8}\) (todo \(\mathbb{R}\)); \(g^{-1}(y)=y^2-2\) con \(y\ge0\); \(h^{-1}(y)=\dfrac{4y+5}{y-3}\) (dominio \(x\ne4\), imagen \(y\ne3\)); \(i^{-1}(y)=\dfrac{5-e^{y}}{3}\) (dominio \(x\lt 5/3\), imagen \(\mathbb{R}\)).

▶ Clase 7 · Parte 7 — en la práctica: los cuatro pasos ▶ Clase 7 · Parte 8 — la otra rama: x ≤ 0 — cuidar el dominio 📖 Para profundizar → Thomas §7.1 · cómo hallar la inversa (proceso de dos pasos) p. 364

2g = 1/f⁻¹ y su derivada

Sea \(f\) una función invertible, con inversa \(f^{-1}\), y sea \(g = \dfrac{1}{f^{-1}}\). Si \(f(2) = -3\) y \(f'(2) = \dfrac{2}{3}\), encuentra \(g'(-3)\).

✍️ Para tu cuaderno — pendiente. Las dos armas: \((f^{-1})'(-3) = 1/f'(2) = 3/2\) y \(f^{-1}(-3) = 2\); luego \(g' = -\dfrac{(f^{-1})'}{(f^{-1})^2}\) da \(g'(-3) = -\dfrac{3/2}{4} = -\dfrac38\).

▶ Clase 7 · Parte 9 — la derivada de la inversa ▶ Clase 9 · Parte 4 — la duda: ¿de x o de y? — evaluar en el punto correcto 📖 Para profundizar → Thomas §7.1 · Teorema 1, derivada de la inversa p. 366

3Una f con exponencial e integral

Sea \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) definida por \(\displaystyle f(x) = 3e^{7x} + \int_{0}^{x} \sqrt{9 + 2t^{4} + t^{6}}\,dt\).

a) Justifica que \(f\) es diferenciable en su dominio.   b) Demuestra que \(f\) posee una inversa \(f^{-1}\) en \(\mathbb{R}\).   c) Encuentra \((f^{-1})'(3)\).

✍️ Para tu cuaderno — pendiente. \(f'(x) = 21e^{7x} + \sqrt{9+2x^4+x^6} \gt 0\): creciente, luego inyectiva. Como \(f(0) = 3\), \((f^{-1})'(3) = 1/f'(0) = 1/(21+3) = 1/24\).

▶ Clase 11 · Parte 4 — Problema 7: ¿por qué es derivable… y cuánto vale h′? ▶ Clase 10 · Parte 3 — la gráfica de y = eˣ: siempre creciente 📖 Para profundizar → Thomas §7.1 · Ejemplo 5: (f⁻¹)′ sin conocer f⁻¹ p. 366

4Las dos regiones y la integral de f⁻¹

Sea \(0 \le a \lt b\) y \(f\) no negativa, creciente y continua en \([a,b]\) de modo que \(f^{-1}\) existe. Ver la gráfica.

xy ab f(a)f(b) R₁R₂ y = f(x)

a) Sean \(A_1\) y \(A_2\) respectivamente las áreas de \(R_1\) y \(R_2\). Muestra que \(A_1 + A_2 = b\,f(b) - a\,f(a)\).

b) Usa el inciso anterior para mostrar que \(\displaystyle\int_{a}^{b} f(x)\,dx = b\,f(b) - a\,f(a) - \int_{f(a)}^{f(b)} f^{-1}(y)\,dy\).

✍️ Para tu cuaderno — pendiente. (a) es geometría pura: \(R_1 \cup R_2\) es el rectángulo grande \([0,b]\times[0,f(b)]\) menos el rectángulo chico \([0,a]\times[0,f(a)]\). En (b), \(A_2 = \int_a^b f\) y \(A_1\) es la misma región vista desde el eje \(y\): \(\int_{f(a)}^{f(b)} f^{-1}(y)\,dy\).

▶ Clase 7 · Parte 6 — la parábola y su inversa: ¿cuál es la gráfica? — la reflexión en y = x ▶ Clase 3 · Parte 28 — linealidad, un punto y un signo — las propiedades de la integral 📖 Para profundizar → Thomas §7.1 · la gráfica de la inversa p. 363

7Derivar con exponenciales adentro

Analiza la diferenciabilidad de las siguientes funciones. Derivar y simplificar:

$$\text{a)}\; f(x) = \int_{1}^{e^{(x^{2})}} \ln\!\bigl(\sqrt{t}\,\bigr)\,dt \qquad \text{b)}\; f(x) = \int_{0}^{5\ln(x)} e^{2x}\,\ln\!\bigl(e^{t} + e^{-t}\bigr)\,dt,\; x \gt 0.$$
▶ Clase 12 · Parte 1 — Laboratorio 5: derivar un producto con integral — el inciso (b) ▶ Clase 12 · Parte 1 — el término que faltaba ▶ Clase 12 · Parte 1 — inciso (a): un paso más allá del pizarrón — f′ = x³e^{x²}

✍️ Para tu cuaderno — en (a) el pizarrón dejó \(\bigl(e^{x^2}\bigr)^{1/2} = e^{x}\) y no es: es \(e^{x^2/2}\), y la derivada correcta es \(f'(x) = x^{3}e^{x^{2}}\) — la Clase 12 lo corrige con calma. En (b) la \(e^{2x}\) sale de la integral como factor: producto + TFC con límite compuesto.

📖 Para profundizar → Thomas §5.4 · TFC con límite variable p. 276

8Seis integrales con eˣ

Integrar:

$$\text{a)}\;\int_{-\ln(3)}^{0} \sqrt{e^{x}}\,dx \qquad \text{b)}\;\int \frac{\tan(e^{-3x})}{e^{3x}}\,dx \qquad \text{c)}\;\int_{0}^{\ln(2)} \frac{1}{e^{x}+1}\,dx$$ $$\text{d)}\;\int_{1}^{2} \frac{e^{2x}}{1-e^{x}}\,dx \qquad \text{e)}\;\int \frac{e^{2t}-2}{e^{2t}+3}\,dt \qquad \text{f)}\;\int_{\ln(\pi/4)}^{\ln(\pi/3)} e^{w}\tan(e^{w})\,dw$$
▶ Clase 12 · Parte 2 — (a): √(eˣ) entre −ln 3 y 0 ▶ Clase 12 · Parte 3 — (e): ¿conjugado o separar? ▶ Clase 12 · Parte 4 — (c): el conjugado que sí sirve… y una integral que no es logaritmo ▶ Clase 12 · Parte 5 — (c): solo a la potencia 1 — la tabla de sustituciones trigonométricas ▶ Clase 12 · Parte 6 — (c): de sec/tan a la cosecante… y de vuelta a x; el valor ln(4/3) ▶ Clase 12 · Parte 9 — (e), separada: u = eᵗ y la ventaja de u·du ▶ Clase 12 · Parte 10 — (e): una sola sustitución… y «no hay un método único»

✍️ Para tu cuaderno — pendientes (b), (d) y (f), de la misma familia: en (b) \(u = e^{-3x}\) y queda \(\tfrac13\ln|\cos(e^{-3x})| + C\); en (d) \(u = e^{x}\) convierte \(e^{2x}dx\) en \(u\,du\) y el resultado es \(e - e^{2} - \ln(1+e)\); en (f) \(u = e^{w}\) da \(\int_{\pi/4}^{\pi/3}\tan u\,du = \tfrac12\ln 2\). Resultados para comparar: (a) \(2 - \tfrac{2}{\sqrt3}\), (c) \(\ln\tfrac43\), (e) \(\tfrac56\ln(e^{2t}+3) - \tfrac{2t}{3} + C\).

▶ Clase 6 · Parte 5 — inciso (g): ∫dx/(eˣ+1) por dos caminos — el camino corto ▶ Clase 9 · Parte 13 — el truco de la secante… y la cosecante (∫tan, ∫csc) 📖 Para profundizar → Thomas §5.6 · Teorema 7: sustitución en integrales definidas p. 292

Cazuelazo semanal

Sea \(f\) una función diferenciable en todo \(\mathbb{R}\). Prueba que para toda función que satisface la ecuación \(f'(x) = r f(x)\) para todo \(x \in \mathbb{R}\), con \(r \in \mathbb{R}\), existe una constante \(k \in \mathbb{R}\) tal que \(f(x) = k e^{rx}\) en todo \(\mathbb{R}\).

Muestra la Desigualdad de Jordan, es decir, se satisface:

$$\int_{0}^{\pi/2} e^{-R\operatorname{sen}(x)}\,dx \;\lt\; \frac{\pi}{2R}, \qquad \text{para toda } R \gt 0.$$

Ayuda: muestra primero que \(\operatorname{sen}(x) \ge \dfrac{2x}{\pi}\) para toda \(x \in \bigl[0, \tfrac{\pi}{2}\bigr]\).

✍️ Para tu cuaderno — pendiente. Primera parte: deriva \(g(x) = f(x)e^{-rx}\) y verás que \(g' = 0\), luego \(g\) es constante (Clase 4, corolario del valor medio). Segunda: si \(\operatorname{sen}x \ge 2x/\pi\) entonces \(e^{-R\operatorname{sen}x} \le e^{-2Rx/\pi}\), y la dominancia da \(\int_0^{\pi/2} e^{-2Rx/\pi}dx = \dfrac{\pi}{2R}\bigl(1 - e^{-R}\bigr) \lt \dfrac{\pi}{2R}\). La desigualdad del seno sale de la concavidad en \([0,\pi/2]\): la cuerda queda por debajo de la curva.

▶ Clase 10 · Parte 6 — demostración 1: pasar al logaritmo ▶ Clase 4 · Parte 8 — mín–máx: la cota √2 — acotar integrales por dominancia ▶ Clase 8 · Parte 14 — la gráfica del seno, cuadrante por cuadrante: cóncava en [0, π/2] 📖 Para profundizar → Thomas §4.2 · corolario 2: misma derivada ⇒ difieren en una constante p. 192

Las clases donde vive este laboratorio ▸

La Clase 12 resuelve los ejercicios 7 y 8; las herramientas de inversas están en la Clase 7 y las de la exponencial en la Clase 10. ¿Vienes del principio? El Laboratorio 4 está antes.