Cálculo Ejemplos

$f (x) = 10 x^{3} - 3 x^{5}$

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 $10 x^{3} - 3 x^{5}$ con respecto a $x$ es $\frac{d}{d x} [10 x^{3}] + \frac{d}{d x} [- 3 x^{5}]$ .

$f' (x) = \frac{d}{d x} (10 x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 3 x^{5})$

Paso 1.1.1.2

Evalúa $\frac{d}{d x} [10 x^{3}]$ .

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Paso 1.1.1.2.1

Como $10$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $10 x^{3}$ con respecto a $x$ es $10 \frac{d}{d x} [x^{3}]$ .

$f' (x) = 10 \frac{d}{d x} (x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 3 x^{5})$

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 $n = 3$ .

$f' (x) = 10 (3 x^{2}) + \frac{d}{d x} (- 3 x^{5})$

Paso 1.1.1.2.3

Multiplica $3$ por $10$ .

$f' (x) = 30 x^{2} + \frac{d}{d x} (- 3 x^{5})$

Paso 1.1.1.3

Evalúa $\frac{d}{d x} [- 3 x^{5}]$ .

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Paso 1.1.1.3.1

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

$f' (x) = 30 x^{2} - 3 \frac{d}{d x} x^{5}$

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 $n = 5$ .

$f' (x) = 30 x^{2} - 3 (5 x^{4})$

Paso 1.1.1.3.3

Multiplica $5$ por $- 3$ .

$f' (x) = 30 x^{2} - 15 x^{4}$

Paso 1.1.1.4

Reordena los términos.

$f' (x) = - 15 x^{4} + 30 x^{2}$

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 $- 15 x^{4} + 30 x^{2}$ con respecto a $x$ es $\frac{d}{d x} [- 15 x^{4}] + \frac{d}{d x} [30 x^{2}]$ .

$f'' (x) = \frac{d}{d x} (- 15 x^{4}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Paso 1.1.2.2

Evalúa $\frac{d}{d x} [- 15 x^{4}]$ .

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Paso 1.1.2.2.1

Como $- 15$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $- 15 x^{4}$ con respecto a $x$ es $- 15 \frac{d}{d x} [x^{4}]$ .

$f'' (x) = - 15 \frac{d}{d x} x^{4} + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

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 $n = 4$ .

$f'' (x) = - 15 (4 x^{3}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Paso 1.1.2.2.3

Multiplica $4$ por $- 15$ .

$f'' (x) = - 60 x^{3} + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Paso 1.1.2.3

Evalúa $\frac{d}{d x} [30 x^{2}]$ .

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Paso 1.1.2.3.1

Como $30$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $30 x^{2}$ con respecto a $x$ es $30 \frac{d}{d x} [x^{2}]$ .

$f'' (x) = - 60 x^{3} + 30 \frac{d}{d x} (x^{2})$

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 $n = 2$ .

$f'' (x) = - 60 x^{3} + 30 (2 x)$

Paso 1.1.2.3.3

Multiplica $2$ por $30$ .

$f'' (x) = - 60 x^{3} + 60 x$

Paso 1.1.3

La segunda derivada de $f (x)$ con respecto a $x$ es $- 60 x^{3} + 60 x$ .

$- 60 x^{3} + 60 x$

Paso 1.2

Establece la segunda derivada igual a $0$ luego resuelve la ecuación $- 60 x^{3} + 60 x = 0$ .

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Paso 1.2.1

Establece la segunda derivada igual a $0$ .

$- 60 x^{3} + 60 x = 0$

Paso 1.2.2

Factoriza el lado izquierdo de la ecuación.

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Paso 1.2.2.1

Factoriza $- 60 x$ de $- 60 x^{3} + 60 x$ .

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Paso 1.2.2.1.1

Factoriza $- 60 x$ de $- 60 x^{3}$ .

$- 60 x \cdot x^{2} + 60 x = 0$

Paso 1.2.2.1.2

Factoriza $- 60 x$ de $60 x$ .

$- 60 x \cdot x^{2} - 60 x \cdot - 1 = 0$

Paso 1.2.2.1.3

Factoriza $- 60 x$ de $- 60 x (x^{2}) - 60 x (- 1)$ .

$- 60 x (x^{2} - 1) = 0$

Paso 1.2.2.2

Reescribe $1$ como $1^{2}$ .

$- 60 x (x^{2} - 1^{2}) = 0$

Paso 1.2.2.3

Factoriza.

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Paso 1.2.2.3.1

Dado que ambos términos son cuadrados perfectos, factoriza con la fórmula de la diferencia de cuadrados, $a^{2} - b^{2} = (a + b) (a - b)$ , donde $a = x$ y $b = 1$ .

$- 60 x ((x + 1) (x - 1)) = 0$

Paso 1.2.2.3.2

Elimina los paréntesis innecesarios.

$- 60 x (x + 1) (x - 1) = 0$

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 $0$ .

$x = 0$

$x + 1 = 0$

$x - 1 = 0$

Paso 1.2.4

Establece $x$ igual a $0$ .

$x = 0$

Paso 1.2.5

Establece $x + 1$ igual a $0$ y resuelve $x$ .

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Paso 1.2.5.1

Establece $x + 1$ igual a $0$ .

$x + 1 = 0$

Paso 1.2.5.2

Resta $1$ de ambos lados de la ecuación.

$x = - 1$

Paso 1.2.6

Establece $x - 1$ igual a $0$ y resuelve $x$ .

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Paso 1.2.6.1

Establece $x - 1$ igual a $0$ .

$x - 1 = 0$

Paso 1.2.6.2

Suma $1$ a ambos lados de la ecuación.

$x = 1$

Paso 1.2.7

La solución final comprende todos los valores que hacen $- 60 x (x + 1) (x - 1) = 0$ verdadera.

$x = 0, - 1, 1$

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.

$(- \infty, - 1) \cup (- 1, 0) \cup (0, 1) \cup (1, \infty)$

Paso 4

Sustituye cualquier número del intervalo $(- \infty, - 1)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 4.1

Reemplaza la variable $x$ con $- 4$ en la expresión.

$f'' (- 4) = - 60 {(- 4)}^{3} + 60 (- 4)$

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 $- 4$ a la potencia de $3$ .

$f'' (- 4) = - 60 \cdot - 64 + 60 (- 4)$

Paso 4.2.1.2

Multiplica $- 60$ por $- 64$ .

$f'' (- 4) = 3840 + 60 (- 4)$

Paso 4.2.1.3

Multiplica $60$ por $- 4$ .

$f'' (- 4) = 3840 - 240$

Paso 4.2.2

Resta $240$ de $3840$ .

$f'' (- 4) = 3600$

Paso 4.2.3

La respuesta final es $3600$ .

$3600$

Paso 4.3

La gráfica es convexa en el intervalo $(- \infty, - 1)$ porque $f'' (- 4)$ es positiva.

Convexo en $(- \infty, - 1)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Paso 5

Sustituye cualquier número del intervalo $(- 1, 0)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 5.1

Reemplaza la variable $x$ con $- 0.5$ en la expresión.

$f'' (- 0.5) = - 60 {(- 0.5)}^{3} + 60 (- 0.5)$

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 $- 0.5$ a la potencia de $3$ .

$f'' (- 0.5) = - 60 \cdot - 0.125 + 60 (- 0.5)$

Paso 5.2.1.2

Multiplica $- 60$ por $- 0.125$ .

$f'' (- 0.5) = 7.5 + 60 (- 0.5)$

Paso 5.2.1.3

Multiplica $60$ por $- 0.5$ .

$f'' (- 0.5) = 7.5 - 30$

Paso 5.2.2

Resta $30$ de $7.5$ .

$f'' (- 0.5) = - 22.5$

Paso 5.2.3

La respuesta final es $- 22.5$ .

$- 22.5$

Paso 5.3

La gráfica es cóncava en el intervalo $(- 1, 0)$ porque $f'' (- 0.5)$ es negativa.

Cóncavo en $(- 1, 0)$ dado que $f'' (x)$ es negativo

Paso 6

Sustituye cualquier número del intervalo $(0, 1)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 6.1

Reemplaza la variable $x$ con $0.5$ en la expresión.

$f'' (0.5) = - 60 {(0.5)}^{3} + 60 (0.5)$

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 $0.5$ a la potencia de $3$ .

$f'' (0.5) = - 60 \cdot 0.125 + 60 (0.5)$

Paso 6.2.1.2

Multiplica $- 60$ por $0.125$ .

$f'' (0.5) = - 7.5 + 60 (0.5)$

Paso 6.2.1.3

Multiplica $60$ por $0.5$ .

$f'' (0.5) = - 7.5 + 30$

Paso 6.2.2

Suma $- 7.5$ y $30$ .

$f'' (0.5) = 22.5$

Paso 6.2.3

La respuesta final es $22.5$ .

$22.5$

Paso 6.3

La gráfica es convexa en el intervalo $(0, 1)$ porque $f'' (0.5)$ es positiva.

Convexo en $(0, 1)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Paso 7

Sustituye cualquier número del intervalo $(1, \infty)$ en la segunda derivada y evalúa para determinar la concavidad.

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Paso 7.1

Reemplaza la variable $x$ con $4$ en la expresión.

$f'' (4) = - 60 {(4)}^{3} + 60 (4)$

Paso 7.2

Simplifica el resultado.

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Paso 7.2.1

Simplifica cada término.

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Paso 7.2.1.1

Eleva $4$ a la potencia de $3$ .

$f'' (4) = - 60 \cdot 64 + 60 (4)$

Paso 7.2.1.2

Multiplica $- 60$ por $64$ .

$f'' (4) = - 3840 + 60 (4)$

Paso 7.2.1.3

Multiplica $60$ por $4$ .

$f'' (4) = - 3840 + 240$

Paso 7.2.2

Suma $- 3840$ y $240$ .

$f'' (4) = - 3600$

Paso 7.2.3

La respuesta final es $- 3600$ .

$- 3600$

Paso 7.3

La gráfica es cóncava en el intervalo $(1, \infty)$ porque $f'' (4)$ es negativa.

Cóncavo en $(1, \infty)$ dado que $f'' (x)$ es negativo

Paso 8

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

Convexo en $(- \infty, - 1)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Cóncavo en $(- 1, 0)$ dado que $f'' (x)$ es negativo

Convexo en $(0, 1)$ dado que $f'' (x)$ es positivo

Cóncavo en $(1, \infty)$ dado que $f'' (x)$ es negativo

Paso 9