Cálculo Ejemplos

$f (x) = \frac{3}{20} x^{5} - 2 x^{4} + 8 x^{3}$

Paso 1

Find the $x$ values where the second derivative is equal to $0$ .

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Paso 1.1

Obtener la segunda derivada.

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Paso 1.1.1

Obtén la primera derivada.

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Paso 1.1.1.1

Según la regla de la suma, la derivada de $\frac{3}{20} x^{5} - 2 x^{4} + 8 x^{3}$ con respecto a $x$ es $\frac{d}{d x} [\frac{3}{20} x^{5}] + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$ .

$\frac{d}{d x} [\frac{3}{20} x^{5}] + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2

Evalúa $\frac{d}{d x} [\frac{3}{20} x^{5}]$ .

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Paso 1.1.1.2.1

Como $\frac{3}{20}$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $\frac{3}{20} x^{5}$ con respecto a $x$ es $\frac{3}{20} \frac{d}{d x} [x^{5}]$ .

$\frac{3}{20} \frac{d}{d x} [x^{5}] + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.2

Diferencia con la regla de la potencia, que establece que $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ es $n x^{n - 1}$ donde $n = 5$ .

$\frac{3}{20} (5 x^{4}) + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.3

Combina $5$ y $\frac{3}{20}$ .

$\frac{5 \cdot 3}{20} x^{4} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.4

Multiplica $5$ por $3$ .

$\frac{15}{20} x^{4} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.5

Combina $\frac{15}{20}$ y $x^{4}$ .

$\frac{15 x^{4}}{20} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.6

Cancela el factor común de $15$ y $20$ .

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Paso 1.1.1.2.6.1

Factoriza $5$ de $15 x^{4}$ .

$\frac{5 (3 x^{4})}{20} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.6.2

Cancela los factores comunes.

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Paso 1.1.1.2.6.2.1

Factoriza $5$ de $20$ .

$\frac{5 (3 x^{4})}{5 (4)} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.6.2.2

Cancela el factor común.

$\frac{5 (3 x^{4})}{5 \cdot 4} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.2.6.2.3

Reescribe la expresión.

$\frac{3 x^{4}}{4} + \frac{d}{d x} [- 2 x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.3

Evalúa $\frac{d}{d x} [- 2 x^{4}]$ .

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Paso 1.1.1.3.1

Como $- 2$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $- 2 x^{4}$ con respecto a $x$ es $- 2 \frac{d}{d x} [x^{4}]$ .

$\frac{3 x^{4}}{4} - 2 \frac{d}{d x} [x^{4}] + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.3.2

Diferencia con la regla de la potencia, que establece que $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ es $n x^{n - 1}$ donde $n = 4$ .

$\frac{3 x^{4}}{4} - 2 (4 x^{3}) + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.3.3

Multiplica $4$ por $- 2$ .

$\frac{3 x^{4}}{4} - 8 x^{3} + \frac{d}{d x} [8 x^{3}]$

Paso 1.1.1.4

Evalúa $\frac{d}{d x} [8 x^{3}]$ .

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Paso 1.1.1.4.1

Como $8$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $8 x^{3}$ con respecto a $x$ es $8 \frac{d}{d x} [x^{3}]$ .

$\frac{3 x^{4}}{4} - 8 x^{3} + 8 \frac{d}{d x} [x^{3}]$

Paso 1.1.1.4.2

Diferencia con la regla de la potencia, que establece que $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ es $n x^{n - 1}$ donde $n = 3$ .

$\frac{3 x^{4}}{4} - 8 x^{3} + 8 (3 x^{2})$

Paso 1.1.1.4.3

Multiplica $3$ por $8$ .

$f' (x) = \frac{3 x^{4}}{4} - 8 x^{3} + 24 x^{2}$

Paso 1.1.2

Obtener la segunda derivada.

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Paso 1.1.2.1

Según la regla de la suma, la derivada de $\frac{3 x^{4}}{4} - 8 x^{3} + 24 x^{2}$ con respecto a $x$ es $\frac{d}{d x} [\frac{3 x^{4}}{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$ .

$\frac{d}{d x} [\frac{3 x^{4}}{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2

Evalúa $\frac{d}{d x} [\frac{3 x^{4}}{4}]$ .

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Paso 1.1.2.2.1

Como $\frac{3}{4}$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $\frac{3 x^{4}}{4}$ con respecto a $x$ es $\frac{3}{4} \frac{d}{d x} [x^{4}]$ .

$\frac{3}{4} \frac{d}{d x} [x^{4}] + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.2

Diferencia con la regla de la potencia, que establece que $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ es $n x^{n - 1}$ donde $n = 4$ .

$\frac{3}{4} (4 x^{3}) + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.3

Combina $4$ y $\frac{3}{4}$ .

$\frac{4 \cdot 3}{4} x^{3} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.4

Multiplica $4$ por $3$ .

$\frac{12}{4} x^{3} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.5

Combina $\frac{12}{4}$ y $x^{3}$ .

$\frac{12 x^{3}}{4} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.6

Cancela el factor común de $12$ y $4$ .

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Paso 1.1.2.2.6.1

Factoriza $4$ de $12 x^{3}$ .

$\frac{4 (3 x^{3})}{4} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.6.2

Cancela los factores comunes.

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Paso 1.1.2.2.6.2.1

Factoriza $4$ de $4$ .

$\frac{4 (3 x^{3})}{4 (1)} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.6.2.2

Cancela el factor común.

$\frac{4 (3 x^{3})}{4 \cdot 1} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.6.2.3

Reescribe la expresión.

$\frac{3 x^{3}}{1} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.2.6.2.4

Divide $3 x^{3}$ por $1$ .

$3 x^{3} + \frac{d}{d x} [- 8 x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.3

Evalúa $\frac{d}{d x} [- 8 x^{3}]$ .

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Paso 1.1.2.3.1

Como $- 8$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $- 8 x^{3}$ con respecto a $x$ es $- 8 \frac{d}{d x} [x^{3}]$ .

$3 x^{3} - 8 \frac{d}{d x} [x^{3}] + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.3.2

Diferencia con la regla de la potencia, que establece que $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ es $n x^{n - 1}$ donde $n = 3$ .

$3 x^{3} - 8 (3 x^{2}) + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.3.3

Multiplica $3$ por $- 8$ .

$3 x^{3} - 24 x^{2} + \frac{d}{d x} [24 x^{2}]$

Paso 1.1.2.4

Evalúa $\frac{d}{d x} [24 x^{2}]$ .

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Paso 1.1.2.4.1

Como $24$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $24 x^{2}$ con respecto a $x$ es $24 \frac{d}{d x} [x^{2}]$ .

$3 x^{3} - 24 x^{2} + 24 \frac{d}{d x} [x^{2}]$

Paso 1.1.2.4.2

Diferencia con la regla de la potencia, que establece que $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ es $n x^{n - 1}$ donde $n = 2$ .

$3 x^{3} - 24 x^{2} + 24 (2 x)$

Paso 1.1.2.4.3

Multiplica $2$ por $24$ .

$f'' (x) = 3 x^{3} - 24 x^{2} + 48 x$

Paso 1.1.3

La segunda derivada de $f (x)$ con respecto a $x$ es $3 x^{3} - 24 x^{2} + 48 x$ .

$3 x^{3} - 24 x^{2} + 48 x$

Paso 1.2

Establece la segunda derivada igual a $0$ luego resuelve la ecuación $3 x^{3} - 24 x^{2} + 48 x = 0$ .

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Paso 1.2.1

Establece la segunda derivada igual a $0$ .

$3 x^{3} - 24 x^{2} + 48 x = 0$

Paso 1.2.2

Factoriza el lado izquierdo de la ecuación.

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Paso 1.2.2.1

Factoriza $3 x$ de $3 x^{3} - 24 x^{2} + 48 x$ .

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Paso 1.2.2.1.1

Factoriza $3 x$ de $3 x^{3}$ .

$3 x (x^{2}) - 24 x^{2} + 48 x = 0$

Paso 1.2.2.1.2

Factoriza $3 x$ de $- 24 x^{2}$ .

$3 x (x^{2}) + 3 x (- 8 x) + 48 x = 0$

Paso 1.2.2.1.3

Factoriza $3 x$ de $48 x$ .

$3 x (x^{2}) + 3 x (- 8 x) + 3 x (16) = 0$

Paso 1.2.2.1.4

Factoriza $3 x$ de $3 x (x^{2}) + 3 x (- 8 x)$ .

$3 x (x^{2} - 8 x) + 3 x (16) = 0$

Paso 1.2.2.1.5

Factoriza $3 x$ de $3 x (x^{2} - 8 x) + 3 x (16)$ .

$3 x (x^{2} - 8 x + 16) = 0$

Paso 1.2.2.2

Factoriza con la regla del cuadrado perfecto.

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Paso 1.2.2.2.1

Reescribe $16$ como $4^{2}$ .

$3 x (x^{2} - 8 x + 4^{2}) = 0$

Paso 1.2.2.2.2

Comprueba que el término medio sea dos veces el producto de los números que se elevan al cuadrado en el primer término y el tercer término.

$8 x = 2 \cdot x \cdot 4$

Paso 1.2.2.2.3

Reescribe el polinomio.

$3 x (x^{2} - 2 \cdot x \cdot 4 + 4^{2}) = 0$

Paso 1.2.2.2.4

Factoriza con la regla del trinomio cuadrado perfecto $a^{2} - 2 a b + b^{2} = {(a - b)}^{2}$ , donde $a = x$ y $b = 4$ .

$3 x {(x - 4)}^{2} = 0$

Paso 1.2.3

Si cualquier factor individual en el lado izquierdo de la ecuación es igual a $0$ , la expresión completa será igual a $0$ .

$x = 0$

${(x - 4)}^{2} = 0$

Paso 1.2.4

Establece $x$ igual a $0$ .

$x = 0$

Paso 1.2.5

Establece ${(x - 4)}^{2}$ igual a $0$ y resuelve $x$ .

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Paso 1.2.5.1

Establece ${(x - 4)}^{2}$ igual a $0$ .

${(x - 4)}^{2} = 0$

Paso 1.2.5.2

Resuelve ${(x - 4)}^{2} = 0$ en $x$ .

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Paso 1.2.5.2.1

Establece $x - 4$ igual a $0$ .

$x - 4 = 0$

Paso 1.2.5.2.2

Suma $4$ a ambos lados de la ecuación.

$x = 4$

Paso 1.2.6

La solución final comprende todos los valores que hacen $3 x {(x - 4)}^{2} = 0$ verdadera.

$x = 0, 4$

Paso 2

El dominio de la expresión son todos números reales, excepto cuando la expresión no está definida. En ese caso, no hay ningún número real que haga que la expresión sea indefinida.

Notación de intervalo:

$(- \infty, \infty)$

Notación del constructor de conjuntos:

${x | x \in ℝ}$

Paso 3

Crea intervalos alrededor de los valores de $x$ donde la segunda derivada es cero o indefinida.

$(- \infty, 0) \cup (0, 4) \cup (4, \infty)$

Paso 4

Sustituye cualquier número del intervalo $(- \infty, 0)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 4.1

Reemplaza la variable $x$ con $- 2$ en la expresión.

$f'' (- 2) = 3 {(- 2)}^{3} - 24 {(- 2)}^{2} + 48 (- 2)$

Paso 4.2

Simplifica el resultado.

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Paso 4.2.1

Simplifica cada término.

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Paso 4.2.1.1

Eleva $- 2$ a la potencia de $3$ .

$f'' (- 2) = 3 \cdot - 8 - 24 {(- 2)}^{2} + 48 (- 2)$

Paso 4.2.1.2

Multiplica $3$ por $- 8$ .

$f'' (- 2) = - 24 - 24 {(- 2)}^{2} + 48 (- 2)$

Paso 4.2.1.3

Eleva $- 2$ a la potencia de $2$ .

$f'' (- 2) = - 24 - 24 \cdot 4 + 48 (- 2)$

Paso 4.2.1.4

Multiplica $- 24$ por $4$ .

$f'' (- 2) = - 24 - 96 + 48 (- 2)$

Paso 4.2.1.5

Multiplica $48$ por $- 2$ .

$f'' (- 2) = - 24 - 96 - 96$

Paso 4.2.2

Simplifica mediante la resta de números.

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Paso 4.2.2.1

Resta $96$ de $- 24$ .

$f'' (- 2) = - 120 - 96$

Paso 4.2.2.2

Resta $96$ de $- 120$ .

$f'' (- 2) = - 216$

Paso 4.2.3

La respuesta final es $- 216$ .

$- 216$

Paso 4.3

La gráfica es cóncava en el intervalo $(- \infty, 0)$ porque $f'' (- 2)$ es negativa.

Cóncavo en $(- \infty, 0)$ dado que $f'' (x)$ es negativo

Paso 5

Sustituye cualquier número del intervalo $(0, 4)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 5.1

Reemplaza la variable $x$ con $2$ en la expresión.

$f'' (2) = 3 {(2)}^{3} - 24 {(2)}^{2} + 48 (2)$

Paso 5.2

Simplifica el resultado.

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Paso 5.2.1

Simplifica cada término.

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Paso 5.2.1.1

Eleva $2$ a la potencia de $3$ .

$f'' (2) = 3 \cdot 8 - 24 {(2)}^{2} + 48 (2)$

Paso 5.2.1.2

Multiplica $3$ por $8$ .

$f'' (2) = 24 - 24 {(2)}^{2} + 48 (2)$

Paso 5.2.1.3

Eleva $2$ a la potencia de $2$ .

$f'' (2) = 24 - 24 \cdot 4 + 48 (2)$

Paso 5.2.1.4

Multiplica $- 24$ por $4$ .

$f'' (2) = 24 - 96 + 48 (2)$

Paso 5.2.1.5

Multiplica $48$ por $2$ .

$f'' (2) = 24 - 96 + 96$

Paso 5.2.2

Simplifica mediante suma y resta.

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Paso 5.2.2.1

Resta $96$ de $24$ .

$f'' (2) = - 72 + 96$

Paso 5.2.2.2

Suma $- 72$ y $96$ .

$f'' (2) = 24$

Paso 5.2.3

La respuesta final es $24$ .

$24$

Paso 5.3

La gráfica es convexa en el intervalo $(0, 4)$ porque $f'' (2)$ es positiva.

Convexo en $(0, 4)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Paso 6

Sustituye cualquier número del intervalo $(4, \infty)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 6.1

Reemplaza la variable $x$ con $6$ en la expresión.

$f'' (6) = 3 {(6)}^{3} - 24 {(6)}^{2} + 48 (6)$

Paso 6.2

Simplifica el resultado.

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Paso 6.2.1

Simplifica cada término.

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Paso 6.2.1.1

Eleva $6$ a la potencia de $3$ .

$f'' (6) = 3 \cdot 216 - 24 {(6)}^{2} + 48 (6)$

Paso 6.2.1.2

Multiplica $3$ por $216$ .

$f'' (6) = 648 - 24 {(6)}^{2} + 48 (6)$

Paso 6.2.1.3

Eleva $6$ a la potencia de $2$ .

$f'' (6) = 648 - 24 \cdot 36 + 48 (6)$

Paso 6.2.1.4

Multiplica $- 24$ por $36$ .

$f'' (6) = 648 - 864 + 48 (6)$

Paso 6.2.1.5

Multiplica $48$ por $6$ .

$f'' (6) = 648 - 864 + 288$

Paso 6.2.2

Simplifica mediante suma y resta.

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Paso 6.2.2.1

Resta $864$ de $648$ .

$f'' (6) = - 216 + 288$

Paso 6.2.2.2

Suma $- 216$ y $288$ .

$f'' (6) = 72$

Paso 6.2.3

La respuesta final es $72$ .

$72$

Paso 6.3

La gráfica es convexa en el intervalo $(4, \infty)$ porque $f'' (6)$ es positiva.

Convexo en $(4, \infty)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Paso 7

La gráfica es cóncava cuando la segunda derivada es negativa y convexa cuando la segunda derivada es positiva.

Cóncavo en $(- \infty, 0)$ dado que $f'' (x)$ es negativo

Convexo en $(0, 4)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Convexo en $(4, \infty)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Paso 8