Análisis Matemático I CIBEXmate.unlp.edu.ar/practicas/84_1_21022017102127.pdfReglamento de cursada y promoción Este curso de Análisis Matemático I se rige por los reglamentos

Análisis Matemático I – CIBEX

Facultad de Ciencias Exactas

Universidad Nacional de La Plata

Curso 2017

Reglamento de cursada y promoción

Este curso de Análisis Matemático I se rige por los reglamentos de la Facultadpara CIBEX. Se debe cumplir con la asistencia al 80% de las clases.

Se tomarán dos exámenes parciales teórico-prácticos, que llamaremos PrimerParcial y Segundo Parcial, el primero a mediados del curso y el segundo al �naldel curso. Cada examen se tomará en dos fechas, que llamaremos primera ysegunda fecha de cada Parcial, más una fecha extra que llamaremos �otante. Enla fecha �otante podrán presentarse los alumnos que hayan aprobado al menosuno de los dos Parciales.

Para obtener la materia por promoción se debe cumplir con la asisten-

cia, y obtener un promedio de 6 puntos o más, con al menos 5 puntos

en cada Parcial. La nota �nal será el promedio del resultado obtenido en cadaParcial.

Para obtener la cursada se deben aprobar los dos Parciales con al menos 4puntos cada uno. En ese caso, si no obtuvieron la promoción, para completarla materia deben rendir un examen Final en las fechas del calendario que �ja laFacultad. La cursada será válida por siete semestres a partir del cierre del curso.

Bibliografía

La bibliografía disponible en la Biblioteca de la Facultad incluye variadoslibros de Análisis Matemático. Y tenemos varios ejemplares disponibles en lasaulas (pueden pedirlos a los docentes, se guardan en el aula NC).

El nivel adecuado al curso lo encuentran, por ejemplo, en:

Larson R., Hostetler R., Edwards B., Cálculo I.

Thomas G., Cálculo in�nitesimal y geometría analítica.

Stewart J., Cálculo de una variable: Conceptos y contextos.

Stewart J., Cálculo de una variable: Trascendentes tempranas.

MÓDULO 1

Funciones Numéricas

Contenidos del Módulo 1: Números reales, intervalos, distancia, desigualdades. Fun-ciones numéricas, dominio, codominio e imagen. Funciones elementales y sus gráficas.Operaciones entre funciones (suma, producto, cociente, composición). Funciones expo-nenciales y logarítmicas, gráficas y propiedades. Funciones trigonométricas, gráficas ypropiedades.

1.1. Números reales

Contenidos de la Clase: Números reales. Representación gráfica de números reales.Incremento, valor absoluto, distancia. Desigualdades, intervalos, entornos.

1.1.1. Números Reales

En algún momento del colegio aprendimos que los números naturales son

N = {0, 1, 2, 3, 4, · · · },que los números enteros contienen a los naturales y a sus opuestos (también llamados negativos),

Z = {· · · ,−4,−3,−2,−1, 0, 1, 2, 3, 4, · · · }y que los números racionales se definen como fracciones con numerador y denominador enteros,

Q = {p/q : p ∈ Z, q ∈ Z y q 6= 0}.También aprendimos a representar (o graficar) números como puntos de una recta.

La construcción de los números enteros y racionales es algebraica, basada en sumas, restas, pro-ductos y cocientes. Tomando denominadores q arbitrariamente grandes podemos encontrar númerosracionales arbitrariamente cercanos entre sí, por lo que decimos que Q es un conjunto denso en larecta numérica.

Sin embargo, nos han mostrado también que algunos problemas sencillos tienen resultados que noson números racionales (por ejemplo, medir exactamente la hipotenusa de un triángulo rectángulocon catetos de longitud 1 cm, o medir el perímetro de una circunferencia de radio 1m). A partirde esos ejemplos aceptamos que existen números diferentes a los racionales, que llamamos númerosirracionales. La definición precisa de números irracionales escapa a los programas del colegio, ytambién a nuestro curso. Nos conformamos con reconocer que los números irracionales están asociadosa los puntos de la recta numérica que no se representan como ningún número racional.

Sabemos que los números racionales se pueden escribir con finitas cifras decimales (por ejemplo,12

= 0, 5) o con finitas cifras decimales periódicas (por ejemplo, 2399=0,232323...; 13

6=2,1666... ) .

Los números irracionales, en cambio, se caracterizan por representarse con infinitas cifras deci-males no periódicas.

Los números reales son la unión de los números racionales y los números irracionales. Gráfica-mente, lo que hacemos es asociar cada punto de la recta con un y sólo un número real.

Los números reales se corresponden uno a uno con los puntos de la recta numérica. El conjuntode números reales se anota R.

1

Módulo 1: Funciones Numéricas

A partir de esta presentación, aceptamos que no es fácil definir R (más allá de una noción gráfica).Afortunadamente, la comunidad de matemáticos ha dado forma rigurosa a la noción de números realesy a sus propiedades, incluyendo las operaciones de suma, resta, producto, cociente, potencias, raíces,etc. Para seguir este curso deben operar correctamente con números reales. Si necesitan repasar elmanejo de operaciones numéricas, en el sitio web de la cátedra tenemos un módulo de Pre-Cálculocon material que puede ser útil para alcanzar el nivel apropiado.

1.1.2. Expresiones matemáticas y ecuaciones

Llamamos expresión matemática a una serie de operaciones entre números y letras que conduzcaa un resultado. Por ejemplo,

5x2 − 3

es una expresión matemática cuadrática, donde x representa un número indeterminado.Las ecuaciones aparecen naturalmente al plantear relaciones entre una cantidad desconocida y

ciertos datos. Las encontramos al intentar resolver un problema, cuando planteamos relaciones entredistintas expresiones matemáticas. Para ser precisos, llamamos ecuación en una incógnita x auna igualdad entre expresiones matemáticas que contienen a esa incógnita. Por ejemplo,

2x2 − 6x = 20.

Y llamamos solución de la ecuación al conjunto S de valores de x que satisfacen la ecuación (esdecir, al ser reemplazados en la ecuación verifican la igualdad). En este caso la solución es S = {−2, 5}y contiene dos elementos. También se suele decir que la ecuación tiene dos soluciones, x = −2 y x = 5.

Para seguir este curso, necesitamos asegurarnos de poder resolver con seguridad ecuaciones, co-menzando por las lineales y las cuadráticas.

1.1.3. Operaciones geométricas en la recta real

Desplazamientos. Dado un número real a, que ubicamos en la recta, y otro número real b, elresultado de la suma a+ b es un número desplazado a partir de a en una cantidad b.

Actividad 1.1.1. Les proponemos graficar un número a y distintos desplazamientos b a partirde él:

a = 2, b = 2, 0.5, −1, −3.2

Observemos que sumar un número positivo produce un desplazamiento hacia la derecha, y quesumar un número negativo produce un desplazamiento hacia la izquierda.

Dados dos números a y b, siempre podemos escribir

b = a+ (b− a).

2


Es decir, cualquier número real b se puede obtener a partir de otro número real a desplazándolo b−aunidades a partir de a. Por ejemplo,

Notación: cuando se trabaja con una variable x sobre el eje real, se suele llamar incrementoal desplazamiento que lleva de un punto a otro, y se lo anota como ∆x (se lee "Delta x" y se tratacomo un sólo símbolo, no confundir con el producto de dos cantidades).

Recordemos que el incremento para ir desde a hasta b se calcula

∆x = b− a

En un gráfico se dibuja

Dilataciones y contracciones. Para hacer un zoom en la posición de números en la recta, bastamultiplicarlos por una constante positiva dada, que llamaremos factor de escala. Dado un conjuntode números {x1, x2, · · · } y un factor de escala c > 1, el conjunto de números {cx1, cx2, · · · } se verádilatado respecto del original. Si el factor de escala es c < 1, el conjunto de números se verá contraídorespecto del original.

Reflexión respecto del origen. Observemos la relación gráfica entre un número x y su opuesto,definido como −x:

El cambio de signo se visualiza como una reflexión respecto del origen

1.1.4. Relación de orden

En N,Z,Q ó R, tiene sentido ordenar los números, es decir preguntarnos quién es menor entredos números dados. Gráficamente, a es menor que b si a se representa a la izquierda de b en larecta numérica. A esta relación la anotamos en lenguaje matemático como a < b. También podemosdescribir la misma situación diciendo que b es mayor que a, y lo anotamos con b > a. Entre dosnúmeros a y b distintos siempre hay un orden estricto.

La relación de orden se llama amplia cuando se permite que dos números sean iguales: se anotaa ≤ b, y se lee a es menor o igual que b. Es decir, cabe la posibilidad de que a < b o bien que a = b.Por ejemplo, 2 ≤ 2 porque son iguales; 2 ≤ 3 ya que 2 es menor que 3.

Signo de un número. Un número real dado puede ser positivo, negativo o nulo. Esto significacompararlo con el número 0. Decimos que

x es positivo si x > 0x es negativo si x < 0x es nulo si x = 0. El número 0 no tiene signo.

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Las siguientes propiedades son útiles para operar con desigualdades entre números reales:Supongamos a ≤ b. Entonces,

• para todo c ∈ R, a+ c ≤ b+ c• Si c ≤ d, entonces a+ c ≤ b+ d• Si c > 0, entonces ac ≤ bc• Si c < 0, entonces ac ≥ bc

1.1.5. Cadenas de desigualdades y notación de intervalos

Muchas veces encontrarán desigualdades encadenadas, como

a < b < c

Esta es una forma abreviada de indicar dos desigualdades que se verifican simultáneamente; significaque a < b y que b < c. Así, por ejemplo, 2 < x < 4 indica que 2 < x y que x < 4; graficamente, x seencuentra entre 2 y 4.

Para indicar conjuntos de números reales que van desde un punto a otro se utilizan los intervalos.Las notaciones son las siguientes:

Intervalo cerrado (incluye los extremos): [a, b] = {x ∈ R : a ≤ x ≤ b}

Intervalo abierto (no incluye los extremos): (a, b) = {x ∈ R : a < x < b}

Intervalos semiabiertos -o semicerrados- (incluyen un solo extremo):(a, b] = {x ∈ R : a < x ≤ b},[a, b) = {x ∈ R : a ≤ x < b}

En general se usa un paréntesis para indicar un extremo abierto, cuando el punto extremo no seincluye en el intervalo, y un corchete para indicar un extremo cerrado, cuando el punto extremo síse incluye en el intervalo.

También necesitaremos conjuntos formados por todos los números reales mayores (o menores)que cualquier tope dado; son los intervalos infinitos, no acotados, cuyas notaciones son:

Semirrectas a la derecha: [a,+∞) = {x ∈ R : a ≤ x}, (a,+∞) = {x ∈ R : a < x}Semirrectas a la izquierda: (−∞, b] = {x ∈ R : x ≤ b}, (−∞, b) = {x ∈ R : x < b}

Estos intervalos tienen sólo un extremo real. Los símbolos +∞ y −∞ se leen "más infinito" y“menos infinito”, y no son números reales; se usan para indicar que el intervalo contiene todos losnúmeros reales que se encuentran a la derecha (o a la izquierda) que el tope dado.

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1.1.6. Inecuaciones (desigualdades)

Un tipo de problema asociado a las desigualdades es encontrar una región del eje real que cumplacon ciertas restricciones. Supongamos, por ejemplo, que se busca ubicar los valores de una variablex tales

2x+ 3 < 7x− 5.

Para ser precisos, llamamos inecuación en una incógnita x a una desigualdad entre dos expresionesmatemáticas que dependen de x, y llamamos solución de la inecuación al conjunto S de valores de xque satisfacen la desigualdad. Típicamente el conjunto solución estará dado por uno o más intervalos.

Ejemplo 1.1.2. Veamos cómo encontrar los números x que verifiquen la desigualdad 2x+ 3 <7x − 5. Usaremos varias de las propiedades listadas antes, como sumar una misma cantidad omultiplicar por una constante a ambos miembros de la desigualdad. En la primera columna hacemosuso explícito de las distintas propiedades enunciadas, y en la segunda columna expresamos lo mismousando reglas de "pasaje" de términos y factores:

2x+ 3 < 7x− 52x− 7x+ 3− 3 < 7x− 7x− 5− 3

−5x < −8(−1

5

)(−5x) >

(−1

5

)(−8)

2x+ 3 < 7x− 52x− 7x < −5− 3−5x < −8x > 8/5

Observemos especialmente que al multiplicar ambos miembros por el número negativo −1/5, (oal pasar −5 dividiendo) la desigualdad cambia de sentido.

Signo de una expresión matemática.

Cuando querramos averiguar el signo de una expresión que depende de x, tendremos que escribiruna inecuación comparando la expresión con cero. Es un caso importante de inecuaciones que aparececon frecuencia en el resto del curso.

Ejemplo 1.1.3. Averigüemos en qué intervalos es positiva, y en qué intervalos es negativa, laexpresión x2 − 1.

Para ver dónde es positiva, planteamosx2 − 1 > 0

Conviene factorizar x2 − 1 = (x+ 1)(x− 1) y resolver la inecuación(x+ 1)(x− 1) > 0

Ahora, el producto será positivo cuando x+1 > 0 y x−1 > 0, o bien cuando x+1 < 0 y x−1 < 0.En el primer caso debe ser x > −1 y x > 1, que se cumple en el intervalo (1,+∞). En el

segundo caso necesitamos que x < −1 y x < 1, que se cumple en el intervalo (−∞,−1).Para que el producto sea negativo, se plantea (x+ 1)(x− 1) < 0. En este caso un factor debe

ser negativo y el otro positivo. Encuentren ustedes que esto sucede en el intervalo (−1, 1).

Distancia y valor absoluto

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Distancia. La distancia entre dos puntos a y b del eje real es una noción muy importante enAnálisis Matemático. La podemos calcular a partir del desplazamiento relativo entre dichos puntos.

Ya hemos visto que el desplazamiento entre un punto a y otro punto b se expresa como la restab− a, y notamos que el desplazamiento puede ser positivo (cuando b > a) o negativo (cuando b < a)o incluso nulo (cuando b = a).

La distancia entre dos puntos a y b se calcula como el desplazamiento, pero siempre con signopositivo. Es decir, calculamos la resta b− a y nos fijamos: si el resultado es positivo (o nulo), esa esla distancia; pero si el resultado es negativo, lo cambiamos por su opuesto −(b − a) = a − b, paraque la distancia sea positiva.

La distancia entre dos puntos a y b del eje real, que anotaremos dist(a, b), se define como

dist(a, b) =

{b− a si b ≥ a

a− b si b < a

Noten que esta definición da un solo resultado, aunque haya dos expresiones; se dan dosexpresiones para elegir cuál hay que usar, según la condición que acompaña cada renglón.

Propiedades de la distancia. La distancia tiene tres propiedades características:Dados tres números reales, a, b, c ∈ R,

dist(a, b) ≥ 0, y dist(a, b) = 0 sólo cuando a = b. Esta es la propiedad de positividad.dist(a, b) = dist(b, a). Esta es la propiedad simétrica.dist(a, c) ≤ dist(a, b) + dist(b, c). Esta es la desigualdad triangular.

Las asignaciones que verifican estas tres propiedades se llaman en general distancia y se las encuentraen otros conjuntos, además de los números reales. En particular, valen para la distancia entre puntosdel plano y del espacio.

Valor absoluto. La operación de tomar un número real y generar otro que sea "igual pero

positivo" va a aparecer con frecuencia en nuestro curso. Para indicar esta operación en forma general,se define el valor absoluto de un número: si el número es positivo (o nulo), se lo deja como está, y sies negativo se le cambia el signo:

El valor absoluto de a ∈ R, que denotaremos |a|, se define como

|a| =

{a, si a ≥ 0 (o sea, cuando a no es negativo se deja el número)−a, si a < 0 (o sea, cuando a es negativo se pone el opuesto)

Noten nuevamente que esta definición da un solo resultado, aunque haya dos expresiones; sedan dos expresiones para elegir cuál hay que usar, según la condición que acompaña cada renglón.

Por ejemplo, |2| = 2, | − 2| = 2, | − 3| = 3, |0| = 0.Observen que para cualquier número a, se cumple que |a| = | − a|, y que en ambos casos el

valor del valor absoluto representa su distancia al origen (haciendo b = 0). Entonces podemos usarla notación de valor absoluto para calcular distancias, y viceversa.

Para recordar esta relación importante la redactamos como propiedades:

El valor absoluto de un número real representa su distancia al origen,

|a| = dist(a, 0)

Por ejemplo, |5| = dist(5, 0) = 5. También | − 5| = dist(−5, 0) = 5

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El valor absoluto de un desplazamiento b− a representa la distancia entre a y b,

|b− a| = dist(a, b)

Por ejemplo, dist(2, 3) = |3 − 2| = |1| = 1. Por supuesto, tenemos que también dist(3, 2) =|2− 3| = | − 1| = 1, ya que la distancia siempre es positiva,.

Propiedades del valor absoluto. Presentamos las principales propiedades del valor absoluto:|ab| = |a||b|∣∣ab

∣∣ = |a||b| , si b 6= 0

|an| = |a|n, si n ∈ N|a+ b| ≤ |a|+ |b|.Esta propiedad se llama desigualdad triangular. Si a, b tienen el mismo signo (ambos positivoso ambos negativos), entonces vale el igual, |a+ b| = |a|+ |b|

Conjuntos de puntos caracterizados por distanciasLas soluciones de inecuaciones representan, en general, conjuntos de puntos en el eje real. Nos

interesan en particular las inecuaciones que involucren distancias: quedan escritas como desigualdadesen las que interviene el valor absoluto.

Ejemplo 1.1.4. Ya que el valor absoluto de un número representa su distancia al 0, podemosescribir fácilmente el conjunto de puntos cuya distancia al 0 seamenor (omayor) que una distanciaprefijada. Así,{x : dist(x, 0) < 3} = {x : |x| < 3} = (−3, 3) = {x : −3 < x < 3}

{x : dist(x, 0) > 3} = {x : |x| > 3} = (−∞,−3) ∪ (3,+∞) = {x : x < −3 ó x > 3} .

Para resolver estos conjuntos no hemos realizado un "despeje". Más bien interpretamos las ex-presiones como distancias.

Ejemplo 1.1.5. De la misma manera el valor absoluto nos permite expresar la distancia entredos números reales. Podemos describir un conjunto de puntos que estén a una distancia dada dealgún punto fijo, o que estén más cerca que cierta distancia, o que estén más lejos que ciertadistancia.

Sea A = {x : dist(x, 1) ≤ 3} .A partir del punto 1 nos podríamos mover hasta 3 unidades a la derecha (llegando al punto

1 + 3 = 4, inclusive), o bien hasta 3 unidades a la izquierda (llegando al punto 1 − 3 = −2,inclusive). Es decir

Observemos que−2 y 4 pertenecen a A, ya que se pide que la distancia de x a 1 sea menoro igual que 3. En notación de intervalo, el conjunto solución es [−2, 4]. Ahora, hagámoslo comoinecuaciones, a partir de la definición de valor absoluto:

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|x− 1| ≤ 3−3 ≤ x− 1 ≤ 3

1− 3 ≤ x ≤ 1 + 3−2 ≤ x ≤ 4

(noten que la primer desigualdad impone dos restricciones a x− 1)

Siempre que sea posible, convendrá trabajar las desigualdades que incluyan valores absolutosrazonando con distancias (pero siempre se puede resolver la inecuación correspondiente, desde ya).

Ejemplo 1.1.6. Resolvamos la inecuación| − 5x+ 2| > 1

Podemos usar un poco de álgebra y propiedades del valor absoluto para reescribir| − 5x+ 2| = | − 5 (x− 2/5) | = | − 5||x− 2/5| = 5|x− 2/5|

El problema original queda escrito como5|x− 2/5| > 1

que es equivalente a|x− 2/5| > 1/5

La solución está dada por los puntos que distan del punto 2/5 en más de 1/5. Es decir, la uniónde intervalos (−∞, 1/5) ∪ (3/5,+∞).

1.1.7. Ejercicios

Ejercicio 1.1.1. En las aplicaciones, las ecuaciones plantean relaciones entre distintas expresio-nes matemáticas. Hallen la(s) solución(es) de las siguientes ecuaciones:

−x+ 1 = 6x+ 23x2 + 7x− 8 = 0(2x+ 6)

(x3− 3)

(1− 2x) = 0 (sugerencia: ¿qué posibilidades hay para que un producto décero?)x2 = 25x− 2

x+ 1= 5

Comprueben que la ecuación x2−4x−2

= 4 no tiene solución.No se olviden de verificar cada solución en la ecuación original. Si encuentran dificultades con ecua-ciones, busquen el material de pre-cálculo en nuestro sitio web y consulten en clase.

Ejercicio 1.1.2. En la tabla que sigue, calculen los opuestos y grafiquen:x −x3−40

1.5

¿Hay algún caso en que −x sea positivo? ¿Cómo es x en ese caso?Si no nos dan el signo de x, ¿se puede afirmar que −x es negativo?

Ejercicio 1.1.3. Grafiquen en la recta real los siguientes intervalos(−1, 3)

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[2, 5](−∞, 6)[2,+∞)

Expresen estos intervalos como desigualdades, y decidan si 0, 3, 5 pertenecen a los intervalos dados.

Ejercicio 1.1.4. Calculen, grafiquen y midan sobre el gráfico el desplazamiento relativo y ladistancia entre los puntos

2 y 4; 4 y 2; −3 y −5; −2 y 3

Ejercicio 1.1.5. Resuelvan las siguientes desigualdades, escribiendo el conjunto solución ennotación de intervalo.

1. a) 3x+ 5 ≥ 4 b) x+ 1 < 3x− 72. −1 < 5− x < 2 (recuerden que ésto significa −1 < 5− x y 5− x < 2 al mismo tiempo).3. 2x2 − 32 < 0 (sugerencia: primero factorizar, y luego analizar el signo de cada factor)

4.x− 2

x+ 1≤ 0 (sugerencia: analizar el signo del numerador y del denominador)

5. 1x< 4 (sugerencia: analizar por separado los casos x < 0 y x > 0). ¿Qué ocurre cuando x = 0?

6. 1x−1

< 4 (Atención: cuáles son ahora los casos que debería analizar?)

Ejercicio 1.1.6. La relación entre las escalas de temperatura Celsius C (medida en gradosCelsius) y Fahrenheit F (medida en grados Fahrenheit) está dada por C = 5

9(F − 32).

¿Qué intervalo en la escala Fahrenheit corresponde al rango de temperatura 20 ≤ C ≤ 30?

Ejercicio 1.1.7. Usando distancias, encuentren los valores de x que cumplen las siguientesecuaciones o inecuaciones:

1. |2x| = 32. |3x+ 5| = 13. |3x− 5| ≥ 14. 0 < |x− 3| < 0.001. ¿Qué diferencia tiene este conjunto con |x− 3| < 0.001?

Ejercicio 1.1.8.1. Consideren el intervalo (−2, 5). ¿Existe un número en el intervalo que sea mayor que todos

los demás?2. Consideren el intervalo (−2, 5]. ¿Existe en este caso un número en el intervalo que sea mayor

que todos los demás?3. Consideren el intervalo (−2,+∞). ¿Existe un número en el intervalo que sea mayor que todos

los demás?4. Consideren el intervalo (−∞, 5]. ¿Existe un número en el intervalo que sea menor que todos

los demás?

Lo que hemos discutido parece suficiente para refrescar las ideas de números reales que usaremosen nuestro curso.

Si encontraron dificultades, pidan consejo a los docentes para trabajar con el material de Pre-Cálculo que encuentran en el sitio web de la cátedra.

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Ejercicio con GeoGebra 1.1.9. Les proponemos graficar los siguientes números:

5, −2, 1.7, −2

5, 4× 10−2, −0.003, −102,

√3, −π/3, e2

Para hacerlo con GeoGebra, escribimos en la línea de "Entrada" la instrucción:

(x,y)

que define y muestra en el plano un punto de coordenadas (x, y). Noten que aparece una letramayúscula como nombre del punto. Para elegir el nombre, puede escribir en la entrada:

P=(x,y)Para graficar puntos de la recta real escriban la segunda coordenada y = 0.

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1.2. Funciones

Contenidos de la Clase: Funciones numéricas: dominio, codominio, imagen. Gráficas.Funciones elementales.

1.2.1. Funciones numéricas

Muchas situaciones de la vida real se pueden describir mediante una relación entre dos variables.Hay magnitudes que naturalmente se consideran variables independientes, por ejemplo el transcursodel tiempo. En cambio hay magnitudes que dependen del valor de otras variables; por ejemplo

la temperatura ambiental (depende de la hora en la que se la mide);el área de un rectángulo (depende de las longitudes de su base y su altura);el perímetro de un cuadrado (depende de la longitud de un lado);etc.

Estamos interesados en aquellas relaciones que, dependiendo de un solo valor, nos dan una únicarespuesta. Esto es lo que llamamos una función.

Vamos a formalizar este concepto con una definición:

Dados dos conjuntos A y B, una función f : A→ B es una relación que asigna a cada elementox ∈ A un y sólo un elemento y ∈ B. Para todo x ∈ A, esta asignación se anota como y = f(x).

Esto significa que en una función no puede existir elemento de A sin un correspondiente en B,y que no puede ocurrir que a un elemento de A le corresponda más de un elemento de B comoresultado.

Por ejemplo,a cada persona se le asigna su nombre: es una función, ya que todos tenemos un nombre(aunque coincida con el nombre de otro)a cada persona se le asigna el nombre de su hijo: no es función, ya que hay personas que notienen hijos, y otras que tienen más de unoel número de bacterias de un cultivo específico en función del tiempo: es funciónel perímetro de un cuadrado según la longitud de un lado: es función; es más, si llamamosl a la longitud del lado, y p(l) al perímetro, podemos con geometría elemental escribir unafórmula p(l) = 4 l

Dominio, codominio, regla de asignación, dominio natural.

Es importante que aclaremos algunos nombres:

Dada una función f : A→ B, el conjunto A se llama dominio y todo elemento x ∈ A se llamavariable independiente. El conjunto B se llama codominio de la función y los elementos y ∈ Bse llaman variable dependiente.

Al dominio se lo suele anotar Dom f . En este curso trabajaremos con funciones numéricas: eldominio y el codominio serán siempre un conjunto de números reales. En las aplicaciones estosnúmeros tienen unidades (por ejemplo: tiempo en segundos, precios en pesos, etc.) y representanvalores de magnitudes de interés.

La relación entre la variable independiente x y la variable dependiente y se puede dar de distintasmaneras, siempre que resulte claro y preciso qué valor de y corresponde a cada valor de x. En generalla podemos llamar regla de asignación y se simboliza por y = f(x) (se lee “y es f de x” y significa“y es el valor de f cuando la variable vale x”).

Las funciones se representan por letras. En la práctica las letras más usadas son f, g y h, asícomo las letras más usadas para indicar la variable independiente son x o t.

Las maneras más usuales de expresar una regla de asignación y = f(x) son:11


Un gráfico, donde se puedan ubicar los valores de x y se puedan leer los correspondientesvalores de y:

Una tabla de valores, a dos columnas, donde se puedan ubicar los valores de x y se puedanleer los correspondientes valores de y:

x y

-1 -10 -21 -12 2

Una fórmula matemática, donde se puedan introducir los valores de x y producir, medianteun cálculo algebraico, los correspondientes valores de y:

f(x) = x2 − 2

Un mecanismo (por ejemplo un programa de computadora), que tomando un valor de xproduzca un valor de y:

for x in [-1,0,1,2]:print x*x-2

En un esquema de conjuntos, sencillo y general, podemos reconocer todos los ingredientes de unafunción:

Cuando podemos expresar una función de variable real con una fórmula, tenemos la informaciónmás completa y precisa: podemos elegir cualquier valor de x en el dominio, con tantos decimalescomo queramos, y calcular exactamente el valor y = f(x).

Cuando podemos expresar la función mediante un gráfico, tenemos la información fácil de inter-pretar y recordar. Sin embargo, el gráfico siempre se restringe a un segmento del dominio y no brindaprecisión numérica. Por otro lado, una tabla de valores contiene sólo algunos pocos pares de valores(x, y) que apenas ilustran la función.

En nuestro curso, como en los textos de Análisis Matemático, nos enfocaremos en funcionesnuméricas dadas por fórmulas, y en sus gráficos. El dominio y codominio suelen no estar escritosexplícitamente; utilizaremos la siguiente convención:

12


Dada una función f mediante su fórmula matemática y = f(x), llamamos dominio natural def al mayor conjunto de números reales tales que la fórmula se pueda calcular.Si el codominio no está indicado, asumimos que es R.

Ejemplo 1.2.1. El dominio natural de f(x) = x2 − 2 es R, ya que no hay obstáculos paracalcular x2−2. Algunos de sus valores son: f(0) = −2, f(2) = 22−2 = 2, f(−2) = (−2)2−2 = 2,etc.

El dominio natural de g(x) =√x es el intervalo [0,+∞) porque no se puede calcular la raíz

cuadrada de números negativos. Algunos de sus valores son: g(0) = 0, g(4) =√

4 = 2, etc.

Igualdad de funciones.

Diremos que dos funciones f y g son iguales cuando1. tienen el mismo dominio,2. para cada x del dominio, la regla de asignación da el mismo resultado: f(x) = g(x)

Ejemplo 1.2.2. La función dada por f(x) = x2−4x+2

tiene dominio natural Dom f = (−∞,−2)∪(−2,∞) porque no está definida en x = −2.

Operando algebraicamente,x2 − 4

x+ 2=

(x+ 2)(x− 2)

x+ 2= x− 2

siempre que x 6= −2.Por otro lado, la función dada por g(x) = x− 2 tiene dominio natural Dom g = R.Observen que aunque las fórmulas de f y g dan los mismos resultados casi en todos lados, las

funciones no son iguales porque sus dominios son diferentes.

Imagen (o rango).

La variable dependiente de una función no siempre alcanza todos los valores del codominio. Porejemplo, la función f(x) = x2 nunca toma valores negativos. Hay un nombre especial para el conjuntode valores alcanzados por la función:

Dada una función f : A→ B, se llama imagen (o rango) de f al conjunto de elementos de Bque están relacionados por f con algún elemento de A.

En palabras, la imagen de f es el conjunto de todos los valores de f(x) cuando x recorre todo eldominio A. Lo anotaremos Im f o f(A).

En notación de conjuntos, Im f = {f(x) : x ∈ A}. Por ejemplo, para f(x) = x2 tenemos queIm f = [0,+∞).

Para calcular la imagen de una función conviene, si es posible, construir su gráfica.

1.2.2. Gráfica de una función

Vamos a precisar los elementos con que dibujamos la gráfica de una función numérica. Necesitamosindicar el conjunto dominio, sobre un eje real, y el codominio sobre otro eje real. Para eso utilizamosel plano coordenado R2: ubicamos la variable independiente, es decir el dominio de la función, en eleje horizontal, y la variable dependiente en el eje vertical. El eje horizontal se llama eje de abscisas,o coloquialmente eje x, y el eje vertical eje de ordenadas, o eje y.

Para cada x1 ∈ Dom f , el correspondiente valor f(x1) se indica con un punto de abcisa x1 yordenada y1 = f(x1). Podemos visualizar el punto (x1, y1) junto con la flecha que va de x1 a f(x1):

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Ahora indicamos de la misma manera varios valores de xi y sus correspondientes imágenes f(xi):

En general el Dom f es un intervalo, donde los valores de x forman un continuo; imaginemos querepetimos lo anterior con los infinitos puntos intermedios. Vemos que los puntos de la gráfica de fforman una curva en el plano. Eso es lo que indicamos cuando trazamos una gráfica, con una curvacomo

La gráfica de una función y = f(x) es el conjunto de todos los puntos del plano con coordenadas(x, f(x)), con x ∈ Dom f .

En notación de conjuntos,

gráfico de f = {(x, y) : x ∈ Dom f e y = f(x)}

o biengráfico de f = {(x, f(x)) : x ∈ Dom f}

Por ejemplo, (0, 3) pertenece a la gráfica de f(x) = 2x+ 3, ya que f(0) = 3. En cambio (1, 2) nopertenece a la gráfica de dicha función porque f(1) = 5 6= 2.

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1.2.3. Ecuaciones en dos variables, relaciones y funciones.

En muchas situaciones solemos encontrar una relación entre dos variables x e y, expresada comouna ecuación en dos incógnitas (una igualdad entre expresiones matemáticas que involucran dosnúmeros indeterminados x e y).

Por ejemplo, la ecuación cartesiana de una circunferencia de radio 1 es x2 +y2 = 1. Esta ecuaciónestablece una relación entre valores de x y valores de y: los valores relacionados son las coordenadasde puntos que dibujan la circunferencia en el plano

Recordemos que en una función f(x), para cada x ∈ Dom f , existe un y sólo un valor f(x).Luego, en la gráfica de la función f debe haber un y sólo un par ordenado cuya primera coordenadasea x. En particular, no puede haber dos puntos con el mismo x y distintas alturas y. Entonces, laecuación de la circunferencia no define a y como función de x.

Esta discusión nos permite enunciar un criterio para decidir, a partir de la gráfica de una ecuaciónen dos variables, si una relación es o no una función: para tener una función, cualquier recta verticalque atraviese el dominio debe cortar a la gráfica a lo sumo una vez (de lo contrario, a un valor dex le corresponderían dos o más valores de y). Además, el dominio observado de la función estaráformado por los valores de x tales que una recta vertical que pasa por (x, 0) corte a la gráfica.

1.2.4. Algunas funciones básicas

Necesitamos que recuerden bien algunas funciones que ya habrán visto en el colegio y tambiénen el ingreso. El objetivo es asociar cada tipo de fórmula con su gráfica, será muy útil recordarlas enel resto del curso. Comencemos con las más simples.

Función constante

Una función constante toma siempre el mismo valor. Su fórmula tiene la forma

f(x) = c

donde c es un número dado. El valor de f(x) en este caso no depende de x; es decir, para distintosx la función devuelve siempre el mismo resultado c. El dominio natural son todos los reales, y sugráfica es es la recta horizontal y = c.

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Función lineal

Dados dos números reales m y b, con m 6= 0, una función lineal tiene la fórmula general

l(x) = mx+ b

Su gráfica siempre es una recta. Por ejemplo, l(x) = 0.5x+ 2:

El dominio natural está formado por todo R. Su imagen también es R, porque cubre todo el ejey.

Los coeficientes m y b caracterizan la gráfica de la función lineal. Conociendo el valor de m y de bpodemos reconocer y graficar la recta descripta por la función lineal l(x) = mx+ b, sin necesidadde una tabla de valores. La siguiente actividad sirve para repasar el significado de m y de b.

Ejemplo 1.2.3. Dada la función y = l(x) = 3x+ 5, podemos completar la tabla de valores dedos puntos

x y = l(x)

0 51 8

Graficando estos dos puntos, trazamos la gráfica como la recta que pasa por ellos (notenque, siendo una recta, dos puntos son suficiente).La recta corta al eje y (eje de ordenadas) en y = 5. Por eso se dice que 5 es la ordenada alorigen.El valor de y se desplaza 3 unidades cuando x se desplaza una unidad. Por eso se dice que3 es la pendiente de la recta.Según nociones de trigonometría. el ángulo que la recta forma con el eje x tiene tangente3 (basta dibujar un triángulo rectángulo usando como hipotenusa el segmento de la rectaentre los puntos (0, 5) y (1, 8), y como catetos un segmento horizontal y uno vertical).

Este trabajo se puede repetir con cualquier función lineal y = l(x) = mx + b. Como l(0) = b yl(1) = 1 + b, los puntos (0, b) y (1, b+m) pertenecen a la recta que grafica a la función.

Que la recta pase por (0, b) indica que corta al eje de ordenadas con altura b. Por eso b sellama ordenada al origen.Que también pase por (1, b + m) indica que, cuando x se incrementa en una unidad, y seincrementa m. Por eso m se llama pendiente de la recta.

Si la pendiente m es positiva, la recta está inclinada hacia arriba; y cuanto mayor sea m, mayor es suinclinación. En cambio, si la pendiente m es negativa, la recta está inclinada hacia abajo; y cuantomayor sea el valor absoluto |m|, mayor es su inclinación.

Usando trigonometría, el triángulo rectángulo de vértices (0, b), (1, b) y (1, b + m) permitedecir que la recta forma un ángulo con el eje horizontal cuya tangente es m. Si llamamos φ aese ángulo, recuerden que m = tanφ.

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Si encontramos m = 0, queda l(x) = b. No es una función lineal, sino constante. Su gráfica es unarecta horizontal, se dice que es una recta de pendiente cero.

Ecuación de la recta.

Las gráficas de funciones lineales y constantes, como vimos, son rectas. Conviene mencionar que,en Geometría, se describen las rectas usando ecuaciones en dos incógnitas x e y. Y no debemosconfundir funciones con ecuaciones.

La ecuación general de una recta tiene la forma

Ax+By + C = 0

Si B 6= 0,1 se puede despejar y. Se obtiene una ecuación explícita que siempre tiene la forma

y = mx+ b

Es decir, llamamos m y b a los números que aparezcan en los respectivos lugares. Comprueben quem = −A/B y que b = −C/B.

Esta forma explícita y = mx + b se puede entender como una función, que a cada x le asignaun y. Obviamente la gráfica de la ecuación y = mx + b (en Geometría) y la gráfica de la funciónl(x) = mx+ b (en Análisis Matemático) son el mismo objeto: una recta en el plano. Podemos hablarindistintamente de función lineal y de ecuación de la recta (inclinada), o de función constante y deecuación de la recta horizontal, y aprovechar las técnicas de Geometría para reconocer las gráficasde funciones lineales y constantes.

Pendiente de la recta y razón de cambio.

La característica distintiva de la función lineal y = l(x) = mx + b es que el valor de y varíaen forma proporcional al incremento de la variable x. Dados dos valores x1, x2 distintos, podemosescribir el desplazamiento en x como ∆x = x2 − x1 (ver Clase 1.1.3) y el desplazamiento en y como∆y = l(x2)− l(x1). La razón entre estos desplazamientos, es decir el cociente, se puede calcular como

∆y

∆x=l(x2)− l(x1)

x2 − x1

=mx2 + b−mx1 − b

x2 − x1

= m

y resulta igual a la pendiente m, para cualesquiera valores de x1, x2 elegidos. Geométricamente, estosignifica que la gráfica es una recta: la pendiente entre cualquier par de puntos es siempre la misma.

Para cualquier otra función, este cociente se llama razón de cambio promedio. Las funciones cons-tantes y lineales que estamos considerando son las únicas funciones cuya razón de cambio promedioes constante.

Observación: las rectas verticales son aquellas que tienen constante su primera coordenada; porlo tanto su ecuación es del tipo x = a. No son funciones.

Función cuadrática

Llamamos función cuadrática a cualquiera dada por la fórmula

f(x) = ax2 + bx+ c

con a, b y c números reales y a 6= 0. El dominio es R y la gráfica es siempre una parábola de ejevertical2.

Conviene reconocer el caso más sencillo y = x2:

1Cuando B = 0, se puede despejar x = −C/A. En ese caso la recta es vertical.2Verán en Algebra la definición geométrica de parábola, su ecuación canónica, sus elementos y simetrías.

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En Geometría, como han visto en el Curso de Ingreso, se trabaja la ecuación cuadrática de laforma y = ax2 + bx+ c. Recordarán que esta forma siempre representa parábolas de eje vertical. Estaecuación que da en forma explícita el valor de y se puede entender como una regla de asignación:podemos leer que y es función de x, y = f(x) = ax2 +bx+c. La gráfica de la ecuación y = ax2 +bx+ces la misma que la gráfica de la función f(x) = ax2 + bx + c, y por supuesto podemos aprovechartécnicas de Geometría para reconocer la gráfica de una función cuadrática.

También repasaron en el Curso de Ingreso el caso general f(x) = ax2 +bx+c, que se puede tratar"completando" cuadrados. Con un poco de manipulación algebraica (siendo a 6= 0) podrán ver que

ax2 + bx+ c = a

(x+

b

2a

)2

+ (c− b2

4a)

Luego la función f(x) = ax2 + bx+ c siempre se puede re-escribir con la forma

f(x) = a (x− x0)2 + y0

que permite construir la gráfica como una parábola de apertura a, desplazada en el plano, con el

vértice en el punto (x0, y0). Comprueben que x0 = − b

2ay que y0 = c− b2

4a

1.2.5. Funciones definidas a trozos

En muchas ocasiones, la forma de una función tiene distinto aspecto en diferentes regiones deldominio. En esos casos hay que usar una fórmula distinta en cada región.

Ejemplo 1.2.4. La presión hidrostática en un fluido en reposo depende de la profundidad,medida desde la superficie. En el caso de un recipiente con líquidos no miscibles, como aceite yagua, se forman capas con cada fluido. La presión aumenta en forma proporcional a la profundidadmientras se desciende por un fluido, pero aumenta con distinto ritmo al penetrar el otro fluido.

Consideremos un recipiente con una capa de 10 cm de aceite, flotando sobre 20 cm de agua.

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La profundidad se denota con h (medida en cm); usemos una regla tal que h vale 0 en lasuperficie, 0 < h < 10 en la capa de aceite y 10 < h < 30 en la capa de agua. La presión p (medidaen pascales) que siente un sensor sumergido a una profundidad h se describe con una función conp(h).

La fórmula que asigna el valor de presión a cada profundidad esmientras se mida en aceite, es decir 0 ≤ h ≤ 10, p(h) = 0.08h

peromientras se mida en agua, es decir 10 < h ≤ 30, p(h) = 0.8 + 0.15(h− 10)

Como las dos fórmulas son lineales, con distinta pendiente, la gráfica de la presión en funciónde la profundidad se compone de dos tramos rectos. Sigue una recta mientras h está entre 0 y10 cm, pero sigue otra recta cuando h está entre 10 cm y 30 cm:

Queremos destacar que estamos describiendo una sola función p(h), que se calcula con distintafórmula según el intervalo en que se considere h.

El dominio de esta función es el intervalo [0, 30] por el contexto: no tiene sentido considerarvalores de profundidad negativos, encima del líquido, ni más allá del fondo del recipiente.

En casos como el ejemplo anterior, se dice que la función está definida a trozos. La forma usualde anotar estas funciones es

p(h) =

{0.08h si 0 ≤ h ≤ 10

0.8 + 0.15(h− 10) si 10 < h ≤ 30

Queremos insistir en que la función tiene un solo resultado para cada h en el dominio. Dado unvalor de la variable, la forma correcta de evaluar estas funciones es:

1. primero determinar en qué región del dominio cae el valor de la variable, y elegir el renglónapropiado,

2. evaluar la fórmula de dicho renglón. Por ejemplo,para h = 5, como 0 ≤ 5 ≤ 10 se debe usar el primer renglón y evaluar p(5) = (0.08)5 = 0.4para h = 10, como 10 = 10 también se debe usar el primer renglón y evaluar p(10) =(0.08)10 = 0.8para h = 20, como 10 < 20 ≤ 30 se debe usar el segundo renglón y evaluar p(20) = 0.8 +0.15(20− 10) = 2.3

Ejemplo 1.2.5. Interpretemos la función la dada por la expresión

f(x) =

{x− 1 si x ≤ 1

2− x2 si x > 1

Para calcular la función en un punto x, habrá que ver, en cada caso, si x ≤ 1 o si x > 1. Segúnel caso, se utilizará la fórmula del primer renglón o del segundo renglón.

Por ejemplo, si x = −1 corresponde usar el primer renglón: f(−1) = −1− 1 = −2.De la misma manera, f(0) = 0− 1 = −1 y f(1) = 1− 1 = 0.

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En cambio, si x = 2 corresponde usar el segundo renglón: f(2) = 2− 22 = −2.De la misma manera, f(1.1) = 2− (1.1)2 = 0.79, etc.

El dominio de la función f(x) es R, ya que las regiones indicadas (x ≤ 1 y x > 1) cubren todo el eje.Su gráfica tiene un aspecto para x ≤ 1 pero tiene un aspecto distinto para x > 1: a la izquierda dex = 1 la fórmula es lineal y el gráfico sigue una recta, y a la derecha de x = 1 la fórmula es cuadráticay el gráfico sigue una parábola.

Notemos que la fórmula del primer renglón llega hasta x = 1 inclusive, y la del segundo renglónno se usa en x = 1. Para indicar que el extremo del tramo recto pertenece a la gráfica y que elextremo del trazo parabólico no pertenece a la gráfica, aunque hay puntos de la misma tan cerca deél como se quiera, se suele indicar con un punto lleno (•) al extremo que pertenece a la gráfica, y conun punto vacío (#) al extremo que no pertenece a la misma.

Función valor absoluto

Un ejemplo importante de función definida a trozos es la función valor absoluto, que a cada x realle asigna su valor absoluto (es decir, su distancia al origen). Es tan importante en las aplicacionesque tiene nombre propio y notación propia. Está definida como

abs : R→ R

dada por

abs(x) =

{x si x ≥ 0

−x si x < 0

con gráfica

Es usual anotar a la operación valor absoluto como |x|. La notación abs(x) se usa en los programasde computación; en el papel, puede ayudar a reconocer su rol como función. Por ejemplo,

como 2 ≥ 0, corresponde usar el primer renglón para obtener abs(2) = |2| = 2;como −2 < 0, utilizaremos el segundo renglón para calcular abs(−2) = | − 2| = −(−2) = 2

20


1.2.6. Ejercicios

Ejercicio 1.2.1. Dada la función f(x) = x3 + 1, indiquen su dominio y calculen f(2) y f(−1).¿Cuáles son las coordenadas de los correspondientes puntos de la gráfica?

Discutan cómo se interpretan las expresiones f(t), f(2x) y f(u+ 1).

Ejercicio 1.2.2. Decidan cuál de las siguientes gráficas corresponde a una función y cuál no.Justifiquen la respuesta.

Ejercicio 1.2.3.Analicen si el punto (−1, 0) pertenece a la gráfica de alguna de las siguientes funciones:f(x) = x2 − 1, g(x) = x3, h(x) = 2x. (deben basarse en la definición de gráfica de unafunción).Grafiquen para comprobar la respuesta.Dada una función f : A → B, ¿qué condiciones deben controlar para decidir si un punto(a, b) dado pertenece a la gráfica de la función?

Ejercicio 1.2.4. Observen las gráficas de las funciones f y g:

Indiquen el dominio y la imagen de f y de g.¿Para qué valores de x resulta f(x) = g(x)?Estimen el/los valores de x tales que f(x) = 1.Indiquen la región del dominio en que el valor de g crece al aumentar x.Estimen el valor de x tal que el valor de f(x) resulta el mayor en todo su dominio.

Vamos a utilizar frecuentemente funciones lineales y ecuaciones de rectas, por eso conviene re-pasar cómo construirlas. Para escribir la ecuación de una recta (no vertical) a partir de informacióngeométrica, basta proponer la forma y = mx+ b y encontrar los valores apropiados de m y b. Segúnlos datos disponibles, conviene distinguir dos casos:

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si se conoce que la recta pasa por un punto (x0, y0) y se conoce su pendiente m, se calcula ba partir de y0 = mx0 + b. Reemplazando b = y0 − x0 y sacando m de factor común , resulta

y = m(x− x0) + y0

Conviene recordar esta forma para reemplazar directamente (x0, y0) y m.si se conocen dos puntos (x0, y0) y (x1, y1) que pertenezcan a la recta, con x0 6= x1, recordandoque m = ∆y

∆x= y1−y0

x1−x0 y eligiendo a (x0, y0) como punto de la recta, se puede usar el casoanterior.

Otra forma sería, por ejemplo, calcular m y b a partir del sistema de ecuaciones{y0 = mx0+ b

y1 = mx1+ b,

despejando m =(y1−y0x1−x0

)y b y reemplazando. De las dos maneras llegaremos a la expresión

y − y0 =

(y1 − y0

x1 − x0

)(x− x0)

Conviene recordar esta forma para reemplazar directamente los datos (x0, y0) y (x1, y1).

Ejercicio 1.2.5. Construir una función lineal cuya gráfica:pase por (−2, 3) y por (7, 5)pase por (0, 3) y forme un ángulo de 30o con el eje xtenga pendiente m = −1/3 y pase por (1, 5)

Ejercicio 1.2.6. La presión de un gas P , en un recipiente de cierto volumen fijo, depende de latemperatura T . Según el modelo de gas ideal, el aumento de presión es proporcional al aumento detemperatura.

Escriban una función que represente la presión en función de la temperatura, sabiendo que cuandola temperatura es T = 10oC la presión es de 1 atm y que cuando T = 50oC la presión sube a 2 atm.

Ejercicio 1.2.7. Grafiquen las siguientes funciones, lineales o constantes:l(x) = 3x+ 2l(x) = −xc(x) = 6l(x) = 4− x/2

Ejercicio 1.2.8. Describan y grafiquen la función dada por

f(t) =

t2 si t ≤ −1

1 si − 1 < t < 1

2− t si t ≥ 1

Ejercicio con GeoGebra 1.2.9. Construyan la gráfica de f(x) = (x+ 1)2 − 4, con ayuda dela computadora.Verifiquen en forma gráfica y en forma analítica que (2, 5) y (0,−3) pertenecen a la gráfica, pero que(−1, 1) no pertenece a la misma.

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Según la regla de asignación, ¿cuál es la ubicación del vértice de la parábola? Verifiquen en el gráfico.¿Cuánto debería valer b para que (−1, b) pertenezca a la gráfica?

Para graficar una función basta escribirla en la línea de entrada:f(x)=(x+1)^2-4El programa elige una "ventana" del gráfico, es decir un rango de valores de x y un rango de valores

de y. Esta ventana se puede modificar con el mouse. Intenten desplazar, la ventana, ampliarla o veren detalle una parte del gráfico. Encontrarán herramientas adecuadas en la barra de herramientas.

Podemos hacer mucho más que graficar:Es muy interesante colocar puntos sobre la gráfica de la función. Se hace con la herramienta"Nuevo Punto" en la barra de herramientas.GeoGebra entiende que el punto pertenece a la gráfica, y ajusta su posición con precisión:verán en el panel de vista algebraica las coordenadas (x, y) del punto. Como ya saben, estosvalores de x e y se pueden leer como un renglón en la tabla de valores de la función.Se puede desplazar un punto sobre la gráfica de una función usando el mouse. Para estousaremos la herramienta "Elige y Mueve". GeoGebra entiende que si cambiamos el valor dex, debe cambiar el valor de y según la fórmula de la función. En el panel de vista algebraica,podemos ver cambiar las coordenadas como si recorriéramos una gran tabla devalores.

Ejercicio con GeoGebra 1.2.10. Podemos usar GeoGebra para graficar funciones definidasa trozos. Para eso se usan condiciones. La forma de escribirlo es

Si[condición , acción si se cumple , acción si no se cumple ]

La función del ejercicio 1.2.5 se construye escribiendo en la entrada

f(x)=Si[x<=1, x-1, 2-x^2]

Noten que el programa no marca los extremos de cada tramo para indicar si pertenencen o no ala gráfica.

¿Se animan a graficar la función del ejercicio 1.2.8?

23


1.3. Operaciones con funciones

Contenidos de la Clase: Suma, resta, producto y cociente de funciones. Composiciónde funciones. Interpretación gráfica de algunas operaciones. Más funciones básicas.

1.3.1. Algunas propiedadeses geométricas de gráficas - Más funciones básicas

Paridad y simetría.

A la hora de graficar una función f definida por una fórmula y = f(x), resulta práctico buscarsimetrías. Es decir, si una parte de la gráfica se relaciona en forma evidente con otra parte de lagráfica.

Mencionamos dos casos importantes de simetría, basados en comparar el dibujo en el semiplanoderecho (x > 0) con el del semiplano izquierdo (x < 0). Si los trazos están relacionados, bastaríahacer con cuidado la mitad de la gráfica y luego copiar la otra parte. En la práctica, se trata dever si el dominio es simétrico ante reflexión (es decir que tanto x como su opuesto −x pertenecen aldominio) y de comparar el valor de la función en un punto x del dominio con el valor en el puntoopuesto −x.

Vamos a precisar estas ideas:si el dominio de f(x) es simétrico ante reflexión y para cada x se verifica que f(−x) = f(x),se dice que la función es par. Es decir, la reflexión de la gráfica respecto del eje y coincidecon sí misma: la gráfica es simétrica por reflexión en el eje vertical.

si el dominio de f(x) es simétrico ante reflexión y para cada x se verifica que f(−x) = −f(x),se dice que la función es impar. Es decir, la reflexión de la gráfica respecto del eje y, seguidapor una reflexión respecto del eje x, coincide con sí misma. Gráficamente, la altura del gráficoen cada x y en su opuesto −x es la misma pero cambiada de signo. La parte del semiejenegativo se puede obtener rotando 1800 la parte del semieje positivo.

Ejemplo 1.3.1.24


Consideremos la función f(x) = x2. Su dominio es todo el eje real, que es simétrico antereflexión. Para comparar f(x) con f(−x) tomamos un x genérico, calculamos

f(−x) = (−x)2 = x2

y concluimos que f(−x) = f(x). Luego, la función es par. Dibujen su gráfica para observargeométricamente esta simetría.Veamos ahora la función f(x) = 2x. Su dominio es todo el eje real, que es simétrico antereflexión. Para comparar f(x) con f(−x) calculamos

f(−x) = 2(−x) = −2x = −(2x)

y concluimos que f(−x) = −f(x). Luego, la función es impar. Dibujen su gráfica paraobservar geométricamente esta simetría.Por último, analicemos f(x) = 2x + 3. Su dominio es nuevamente todo el eje real. Sicalculamos

f(−x) = 2(−x) + 3 = −2x+ 3

encontramos que f(x) no coincide con f(−x) ni con −f(−x). Esta función no es par niimpar. Grafiquen para comprobar que no se observan simetrías de reflexión.

Potencias naturales

Consideremos funciones de la forma f(x) = xn , donde n ∈ N es un exponente natural. Eldominio de todas estas funciones son los números reales. Cualitativamente las gráficas son de dosformas diferentes, dependiendo de la paridad del exponente n.

si n es par, f(−x) = (−x)n = (−1)nxn = xn = f(x). Es decir, la función es par. Imf =[0,+∞).si n es impar, f(−x) = (−x)n = (−1)nxn = −xn = −f(x). Es decir, la función es impar.Imf = R

Por ejemplo, encontramos con Geogebra

Función recíproca

Veamos la función dada por la fórmula f(x) =1

x. Una diferencia con las funciones que vimos

hasta ahora es que no está definida para todo real, ya que si x = 0, la operación de división no puederealizarse. Luego, Dom f = R− {0}. Observemos que f(−x) = 1

−x = − 1x

= −f(x); es decir es unafunción impar. Una porción significativa de su gráfica es

25


La curva geométrica correspondiente a esta gráfica es una hipérbola3.

Raíz cuadrada

Consideremos la ecuación en dos variables x = y2. Podemos graficarla como una parábola en elplano (x, y) si interpretamos a x como función de y:

Nos preguntamos si esta ecuación x = y2 define a y como función de x. Lo podemos pensar dedos maneras (equivalentes):

1. Dibujando rectas verticales x = a (con a > 0) vemos que la recta corta al gráfico en dospuntos. Si dibujamos x = a (con a < 0) vemos que la recta no corta al gráfico.

2. Algebraicamente, despejando el cuadrado como raíz cuadrada: y = ±√x. Tenemos dos resul-

tados si x > 0, o un resultado si x = 0, o ningún resultado real si x < 0.Vemos que no tenemos una regla de asignación que a cada x le asigne un y sólo un y: la ecuaciónx = y2 no define a y como función de x. Sin embargo es muy útil trabajar con la raíz cuadrada comosi fuera una función. Para eso necesitamos hacer restricciones.

Mirando el gráfico, podemos restringir x ∈ [0,+∞) y elegir la rama superior de la parábolaimponiendo que y ∈ [0,+∞). De esta forma para cada x ≥ 0 permitimos un solo valor de y ≥ 0 talque y2 = x. A esta regla para calcular y se anota

y = +√x

En la literatura científica se acepta y se usa la siguiente convención: la expresión√x hace refe-

rencia al valor positivo4 de la raíz cuadrada y define una función√

: [0,+∞) → [0,+∞)

que asignax→ y = +

√x

3Verán en Algebra la definición geométrica de hipérbola, su ecuación canónica, sus elementos y simetrías.4En rigor, se debe decir "no negativo" porque se incluye x = 0.

26


Observen que para cada x en el dominio se puede calcular la raíz cuadrada, y que el codominio excluyelos resultados negativos. Es importante notar que las calculadoras incorporan esta convención; porejemplo, calculen con calculadora

√16, ¿cuántas respuestas obtienen?

La misma convención nos permite definir otra función:

g(x) = −√x

Si graficamos en el mismo plano las funciones y =√x e y = −

√x, podemos comprobar que cada

una de las funciones se corresponde con una de las ramas de la parábola de eje x dada por x = y2.

Analicemos qué ocurre si queremos calcular con esta convención√x2. Por ejemplo,

√(−2)2 =√

4 = 2. En general, elevar al cuadrado produce un número positivo, y la convención para la raízcuadrada produce un número positivo. Para expresar este resultado para cualquier x, corresponderecordar:

√x2 = |x|

Raíces de índice n

Recordemos las raíces n-ésimas. Dado un número n natural, se dice que

y = n√x si y sólo si yn = x

En palabras, la raíz n-ésima es la operación inversa a la potencia de exponente n.

El caso n = 2 es la raíz cuadrada que ya discutimos. Hemos tenido que restringir los valores dex y de y para poder tratarla como función. Lo mismo pasa con los valores pares de n.

Por ejemplo, la función y = 4√x, tiene dominio [0,+∞) y se toma el resultado no negativo.

En cambio, a partir del gráfico de x = y3 pueden discutir y observar que y = 3√x es una función

con dominio R: para cada x del eje real, 3√x tiene un y sólo un resultado real.

Conviene recordar que las raíces n-ésimas se pueden anotar como potencias de exponente frac-cionario:

n√x = x1/n

Esta notación es muy conveniente para operar, porque los exponentes fraccionarios cumplen lasmismas propiedades que los exponentes naturales. Sin embargo, si se olvidaran de cuidar si n es paro impar, pueden cometer errores cuando x < 0. Les recomendamos usar la notación de exponentefraccionario solamente para base positiva. Y ser muy cuidadosos con las cantidades negativas cuandotrabajen las raíces de índice par.

1.3.2. Operaciones algebraicas entre funciones

A partir de funciones conocidas, digamos f y g, vamos a construir nuevas funciones, combinándo-las de acuerdo a las operaciones algebraicas entre números reales: la suma, la resta, la multiplicacióny el cociente. Posteriormente, veremos una operación especial entre funciones llamada composición.Finalmente, trabajaremos con composiciones que tienen interpretación gráfica directa.

Dadas dos funciones f(x) y g(x), tiene sentido sumar, restar o multiplicar sus resultados para losvalores de x donde ambas se puedan calcular:

Dadas dos funciones f : A→ R y g : B → R, se llama:suma de f y g: a la función (f + g) : A ∩B → R, dada por (f + g)(x) = f(x) + g(x)resta de f y g: a la función (f − g) : A ∩B → R, dada por (f − g)(x) = f(x)− g(x)multiplicación de f y g: a la función (fg): A ∩B → R, dada por (fg)(x) = f(x)g(x)

27


Observen que llamamos f + g a una función nueva con un dominio nuevo que es la intersecciónDom f ∩Dom g; la regla de asignación de f + g asigna a cada x la suma f(x) + g(x). Lo mismopasa con la resta y la multiplicación.

Ejemplo 1.3.2. Sean f(x) = x2 +1 y g(x) = x2−4, definidas en R, y h(x) =√x, con dominio

en [0,+∞). Calculemos(f + g) (x) = (x2 + 1) + (x2 − 4) = 2x2 − 3 Dom(f + g) = R, ya que R ∩ R = R.(fg)(x) = (x2 + 1)(x2 − 4) = x4 − 3x2 − 4 Dom(fg) = RSi (f − h) (x) = x2 + 1−

√x, Dom(f − h) = [0,+∞), ya que R ∩ [0,+∞) = [0,+∞)

El cociente de dos funciones se puede hacer solamente cuando ambas están definidas y el deno-minador es distinto de cero (en caso contrario, no se podría dividir).

Dadas dos funciones f : A→ R y g : B → R se llama

cociente de f y g: a la función(f

g

): C → R, dada por

(f

g

)(x) =

f(x)

g(x),

donde C = A ∩ B − {x : g(x) = 0} es la intersección de los dominios, excluyendo a los puntosdonde se anule el denominador.

Noten que el dominio C es la intersección Dom f ∩Dom g quitando los valores de x que hacencero el denominador.

Ejemplo 1.3.3. Si f(x) = x2 + 1 y g(x) = x2 − 4, definidas en R, obtenemos(f

g

)(x) =

x2 + 1

x2 − 4Dom

(f

g

)= {x ∈ R : x 6= ±2}, ya que R ∩ R = R pero

g(x) = x2 − 4 = 0 cuando x = 2 y cuando x = −2.Observación: para resolver la condición x2 − 4 = 0 despejamos x = ±

√4; consideramos las dos

soluciones porque interesan todos los valores que hagan x2−4 = 0. No debe confundirse la búsquedade soluciones de una ecuación cuadrática con la convención de elegir un valor para la función raízcuadrada.(

g

f

)(x) =

x2 − 4

x2 + 1Dom

(g

f

)= R, ya que R∩R = R y f(x) = x2 + 1 6= 0 para todo

x real.

Interpretación gráfica de la suma de funciones.

Recordemos que la suma de dos números a + b se interpreta en la recta numérica como el des-plazamiento de a en b unidades (o bien el desplazamiento de b en a unidades, porque la suma esconmutativa). Cuando sumamos dos funciones y = f(x) y y = g(x), estamos haciendo un desplaza-miento en el eje y de la gráfica de una función, en la cantidad indicada por la otra; este desplazamientovaría según la posición de x. En el gráfico, construido con GeoGebra, podemos ver que la gráfica entrazo continuo es la suma de las dos funciones en trazo punteado:

28


1.3.3. Composición de funciones

En muchas situaciones, la relación entre dos magnitudes es indirecta.

Ejemplo 1.3.4. Se conoce que la población de ranas R, calculada en miles en una determinadaregión, depende de la población de insectos I en millones. La población de insectos I a su vez varíacon la cantidad de lluvia mensual c dada en centímetros. Si la población de ranas es R(I) =

65 +√I/8 y la población de insectos es I(c) = 43c+ 7.5,Reemplazando I(c) en R(I), podemos expresar la población de ranas como una función dela lluvia mensual, R(c) = 65 +

√(43c+ 7.5) /8.

Estimen la población de ranas después de un mes en que la lluvia caída fue de 1.5 centí-metros.

Este es un ejemplo de una operación importante entre funciones, llamada composición. Parainterpretarla, conviene pensar a las funciones como un mecanismo que toman un número de entrada(la variable independiente) y producen un número de salida (la variable dependiente). La composiciónes la aplicación sucesiva de este mecanismo: dadas dos funciones f y g, tomamos un número x yaplicando f generamos un primer resultado u; luego a este resultado le aplicamos g y generamos elresultado final y.

En un esquema,

La composición de f con g es una nueva función que expresa la relación resultante entre x e y.Para explicar la composición de f con g como un mecanismo que dado un valor x produce un

resultado y, necesitamos introducir una variable intermedia que hemos llamado u. Siempre que ana-licemos una composición será importante elegir una notación adecuada para no confundir el rol decada variable; en nuestro esquema, u funciona como variable dependiente de la función f ,

u = f(x)

y como variable independiente de la función g,

y = g(u).

29


Para anotar la relación compuesta entre x e y, como se hizo en el ejemplo, se usa la notación

y = g(f(x)),

donde se expresa que el resultado f(x) es la variable de la función g. Además, para que el cálculog(f(x)) tenga sentido, deben verificarse dos condiciones:

que x pertenezca al dominio de f ,y que además el resultado f(x) pertenezca al dominio de g.

Es decir, el dominio de la función compuesta g(f(x)) es un subconjunto del dominio de f ,tal que su imagen esté incluida en el dominio de g.

Todo lo anterior se formaliza en la siguiente definición:

Sean f : A→ R y g : B → R dos funciones. Se llama composición de f con g, que se anota g ◦ fy se lee "f compuesta con g" , a la función

g ◦ f : D → Rcon dominio D = {x : x ∈ A y f(x) ∈ B}, y regla de asignación

(g ◦ f) (x) = g (f(x)) .

La función g ◦ f se muestra en el esquema gráfico como la flecha que va directamente desde xhasta y = g(f(x)):

Volvemos a insistir en que no es esencial la letra que se use para nombrar las variables, sino surol. Una función

f : A→ B

con regla de asignacióny = f(x)

se puede usar con una variable independiente que no se llame x.Por ejemplo, si f(x) = x2 + 1, podemos usarla para evaluar

f(2) = 22 + 1 = 5, si 2 está en el dominio A.f(u) = u2 + 1, si u está en el dominio A.f(5x) = (5x)2 + 1 = 25x2 + 1, si 5x está en el dominio A.f(g(x)) = (g(x))2 + 1, si g(x) está en el dominio A.

o coloquialmentef(álgo´) = (álgo´)2 + 1, si álgo´ está en el dominio A.

En este contexto se suele llamar argumento de f a la expresión matemática que se usa comovariable independiente de f . Por ejemplo al calcular f(5x) se dice que el argumento de f es 5x.Coloquialmente, al calcular f(g(x)) se suele decir que g es la "función de adentro" y que f es la"función de afuera".

Ilustremos la composición de funciones con algunos ejemplos.

30


Ejemplo 1.3.5. Sean cuatro funciones f(x) = x2 + 1, g(x) = x+ 2, h(x) =√x, w(x) = 1/x,

cada una con su dominio natural. Podemos ensayar varias composiciones:Calculemos h ◦ f y su dominio:(h ◦ f) (x) = h (f(x)) =

√x2 + 1.

Como Dom f = R, Domh = [0,+∞) , resultaDom (h ◦ f) = {x : x ∈ Dom f y f(x) ∈ Domh} = {x : x ∈ R y x2 + 1 > 0} = Rporque x2 + 1 > 0 siempre.Calculemos h ◦ g y su dominio:(h ◦ g) (x) = h (g(x)) =

√x+ 2.

Como Dom g = R pero x+ 2 ≥ 0 para x ≥ −2, resulta Dom (h ◦ g) = {x : x ≥ −2}.Calculemos g ◦ h y su dominio:(g ◦ h) (x) = g (h(x)) =

√x+ 2.

Como Domh = {x : x ≥ 0} y g no tiene restricción alguna, resulta Dom (h ◦ f) = {x :x ≥ 0}.Calculemos w ◦ h y su dominio:(w ◦ h) (x) = w (h(x)) = 1/

√x.

Como Domh = {x : x ≥ 0} y√x 6= 0 para x 6= 0, resulta Dom (h ◦ f) = {x : x > 0}.

Calculemos f ◦ h y su dominio:(f ◦ h) (x) = f (h(x)) = (√x)

2+ 1 = x+ 1.

Como Domh = {x : x ≥ 0} y f no tiene restricción alguna, resulta Dom (f ◦ h) = {x :x ≥ 0}.

Notemos en el último ejemplo algo importante. Si sólo miramos la expresión final, diríamos que eldominio natural de la función son los reales. Sin embargo, el dominio correcto de la función compuestaesDom (f ◦ h) = [0,+∞), ya que la primer función que aplicamos fue la raíz cuadrada, que no puedecalcularse para números negativos.

Con las mismas funciones del ejemplo anterior, calculemos(h ◦ g) (0) = h(g(0)) = h(0 + 2) = h(2) =

√2;

(g ◦ h) (0) = g(h(0)) = g(√

0) = g(0) = 0 + 2 = 2.Es decir (h ◦ g) (0) 6= (g ◦ h) (0).

Podemos concluir entonces que en general f ◦ g 6= g ◦ f , es decir la composición no es conmutativa.

1.3.4. Material adicional: Un poco más de tansformaciones geométricasPodemos generar reflexiones, traslaciones y escaleos de la gráfica de una función y = f(x) me-

diante algunas operaciones de suma y composición. En cada caso construimos una función nueva,cuya gráfica es una copia transformada de la gráfca de f .

Reflexiones respecto de los ejes.

Dada una función conocida y = f(x), consideremos la función compuesta g(x) = f(−x). Dadoun valor de x, notemos que primero se calcula su opuesto −x, luego se evalúa f en ese punto y se leasigna este resultado a la función nueva. Gráficamente vemos que la gráfica se copia, como por unespejo, reflejada con respecto al eje y. Por esta razón, la función construida como g(x) = f(−x) sellama reflexión de f(x) con respecto al eje y.

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Consideremos la función compuesta h(x) = −f(x). Dado un valor de x, notemos que primero seevalúa f en ese punto, luego se calcula el opuesto del resultado, y se le asigna este nuevo resultadoa la función nueva. Gráficamente vemos que la gráfica se copia, como por un espejo, reflejada conrespecto al eje x. Por esta razón, la función construida como h(x) = −f(x) se llama reflexión def(x) con respecto al eje x.

Traslaciones en el plano.

Supongamos que tenemos que dibujar en una hoja cuadriculada la gráfica de una función que escomo la de y = x2, pero desplazada dos unidades a la derecha y 5 unidades hacia abajo. Bastaríarecordar la parábola dada por y = x2, contar cuadraditos para ubicar el vértice desplazado, y dibujarla gráfica deseada. Podemos hacer lo mismo con la fórmula de cualquier función.

Si conocemos la gráfica de una función f(x) podemos construir una nueva función g(x) cuyagráfica sea como la de f(x), pero trasladada horizontalmente a unidades mediante la composición

g(x) = f(x− a)

donde a es un número real. Esta receta funciona por lo siguiente (para fijar ideas, pensemos que a espositivo): dado un valor de x, primero calculamos x−a, que es un punto del eje horizontal desplazadoa la izquierda; luego calculamos f en ese punto x − a, y por último asignamos el resultado a g(x).Entonces, para graficar y = g(x), dibujamos el valor de f(x − a) encima del punto x: la gráfica deg(x) aparece trasladada horizontalmente en a unidades a la derecha.

Si conocemos la gráfica de una función f(x) podemos construir una nueva función h(x) cuyagráfica sea como la de f(x), pero trasladada verticalmente b unidades mediante la suma

h(x) = f(x) + b

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donde b es un número real. Para cada x ∈ Dom f , se calcula f(x) y se le suma b. En consecuencia,la gráfica de h(x) aparece desplazada verticalmente b unidades a lo largo del eje y.

Dilataciones y compresiones.

Otra forma de generar gráficas nuevas es estirando (o comprimiendo) la gráfica de una funciónconocida f(x), tanto en forma vertical como en forma horizontal.

Cambio de escala vertical: si multiplicamos el valor de f(x) por un número c > 0, para todo xdel dominio, obtenemos la función

y = cf(x)

Cuando c > 1 la gráfica de cf(x) es como la de y = f(x) pero extendida verticalmente, porque cadaf(x) está multiplicado por la misma constante c > 1, mientras que si 0 < c < 1 la gráfica se comprimeverticalmente. Se conocen con el nombre de dilatación o compresión vertical, respectivamente.

Cambio de escala horizontal: si utilizamos un número c > 0 para realizar la composición

y = f(x/c)

generamos una transformación en el eje horizontal. Cuando c > 1, la función compuesta y = f(x/c)se representa con la gráfica dilatada horizontalmente en un factor c. Cuando 0 < c < 1 la gráfica secontrae horizontalmente. Se denominan compresiones o dilataciones horizontales, respectivamente.

Ejemplo 1.3.6. Consideremos la función f(x) = x2, cuya gráfica es una parábola bien cono-cida, y apliquemos algunas transformaciones:

g(x) = (x− 4)2 se grafica como la parábola original, trasladada 4 unidades a la derecha.e(x) = 3 (x− 4)2 se grafica como la parábola anterior, dilatada verticalmente por un factor3.r(x) = −3 (x− 4)2 se grafica como la parábola anterior, reflejada respecto el eje x.h(x) = −3 (x− 4)2 + 5 se grafica como la parábola anterior, trasladada 5 unidades haciaarriba.

Este ejemplo muestra la conveniencia de completar cuadrados para graficar una función cuadrática:después de completar cuadrados, cualquier función cuadrática f(x) = ax2 + bx + c se puedeinterpretar como traslaciones, escaleos y/o reflexiones de la parábola y = x2.

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1.3.5. Ejercicios

Ejercicio 1.3.1. Grafiquen las funciones f(x) =√x y g(x) = −

√x indicando dominio e imagen.

¿Qué relación gráfica observan?

Ejercicio 1.3.2. Muestren gráficamente que y = 3√x es una función bien definida, con dominio

R. Indiquen su imagen.

Ejercicio 1.3.3. Calculen f + g, fg, f/g, f ◦ g y g ◦ f para las funciones siguientes, indicandoen cada caso su dominio natural:

1. f(x) = x4 + 1/x; g(x) = x3 − x2. f(x) =

√x+ 1; g(x) =

√x− 3

Ejercicio 1.3.4. Observen las siguientes funciones, y propongan alguna forma de escribirlascomo composición de funciones más sencillas:

y =√x3 + 3

y = 1/√x

y = |1− x2|y =

√|1− x2|

Ejercicio 1.3.5. Consideren la gráfica de la función f(x) =√x. Les proponemos graficar las

traslaciones obtenidas mediante g(x) =√x + 2 y h(x) =

√x+ 2. ¿Cuál es el dominio de cada

función?

Ejercicio 1.3.6. Dada la función f(x) = x2, ubiquen en un mismo sistema coordenado lasgráficas de la función original y las correspondientes traslaciones g(x) = x2 + 2;h(x) = x2− 4; v(x) =(x+ 2)2; w(x) = (x− 2)2 − 4.¿Dónde se ubica el vértice de cada parábola? Sugerimos verificar graficando con GeoGebra.

Ejercicio 1.3.7. Dada la función f(x) = x2, les proponemos ubicar en un mismo sistemacoordenado las gráficas de la función original y los correspondientes escaleos g(x) = 2x2; h(x) =(x/3)2; v(x) = 0.5x2. Sugerimos verificar graficando con GeoGebra.

Ejercicio 1.3.8. Grafiquen las siguientes funciones cuadráticas, completando cuadradosf(x) = 1

2x2 − 3x+ 2

g(x) = −2x2 + xh(x) = 2x2 − 3

En cada caso indiquen las transformaciones que se realizan sobre la parábola y = x2, ubicando elvértice y la orientación de la parábola resultante.

Ejercicio con GeoGebra 1.3.9. Grafiquen y = xn para varios valores naturales del exponente,en el mismo plano.

Indiquen dominio e imagen de cada caso.Encuentren los puntos comunes de las gráficas.Analicen las simetrías de cada gráfica, distinguiendo n par o impar.

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Ejercicio 1.3.10. Les proponemos graficar la función f(x) = abs ((x− 2)2 − 4) interpretándolacomo composición de la función w(x) del ejercicio 1.3.6 con la función valor absoluto. Observen quesólo una parte de la gráfica aparece reflejada. Sugerimos verificar graficando con GeoGebra.

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1.4. Práctica

Contenidos de la Clase: Reconocimiento y gráfica de funciones. Magnitudes y unidades.

Sobre las clases de práctica

Una clase por semana estará orientada a aplicar los contenidos presentados en clases anteriores.Las actividades planteadas podrán contener ejercitación básica, problemas de aplicación, discusiónde situaciones, e incluso contenidos específicos importantes que se construyen a partir de contenidosanteriores.

Aprovechamos para insistir en que es conveniente interpretar gráficamente todos los ejercicios.La cuestión misma de qué graficar en cada caso y qué características del gráfico observar hace ala comprensión del tema ejercitado. El programa GeoGebra es muy adecuado para nuestro curso yesperamos que se acostumbren a usarlo como recurso, aunque no lo mencionemos en los enunciados.

Ejercicio 1.4.1. El siguiente gráfico fue proporcionado por el servicio meteorológico de la ciudadde Salto y corresponde a la variación de la temperatura en dicha ciudad durante octubre de 2010:

A partir del gráfico, aunque no conocemos la expresión de la función, respondan las siguientespreguntas:

¿la temperatura se mantuvo constante durante algún período de tiempo?¿cuál fue la mayor temperatura? (y la menor?)¿aproximadamente cuándo se produjo la mayor temperatura? (y la menor?)¿en algún momento hizo 20oC? ¿y temperaturas bajo cero?¿se sabe cuál fue la temperatura el 15 de septiembre?

Ejercicio 1.4.2. Hallen para qué valor de k la gráfica de f(x) = kx3 pasa por el punto indicado1. (1, 4) 2. (−2, 1)

Ejercicio 1.4.3. Dadas las siguientes tablas de valores, realicen varias gráficas de posibles fun-ciones que respeten dicha tabla

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x f(x)

−1 00 21 4

x g(x)

−1 10 01 1

Notemos que una tabla de valores solamente no es suficiente para decidir cuál es su gráfica.Construyan alguna expresión funcional (es decir, fórmula y = f(x)) que pueda corresponder a las

tablas de valores del ejercicio anterior.

Ejercicio 1.4.4. Hallen una expresión para la función y = f(x) cuya gráfica es:la recta que pasa por los puntos (1,−3) con (5, 7).la mitad superior de la parábola x+ (y − 1)2 = 0. ¿Cuál es su dominio?la mitad inferior de la misma parábola.la mitad superior de la circunferencia x2 + y2 = 1. ¿Cuál es su dominio?

Ejercicio 1.4.5. Expresen las siguientes funciones como funciones definidas a trozos. Grafiquenlas funciones y comparen sus gráficas con la de f(x) = |x|.

f(x) = |x− 1|g(x) = |x+ 3|h(x) = −|x|.

Ejercicio 1.4.6. Sea f(x) =

1, si x < −1

x− 1, si − 1 ≤ x < 0

x2, si x ≥ 0

.

Evalúen f(−1); f(0); f(2). Grafiquen la función.Indiquen para qué valores del dominio la función se mantiene constante

¿Existe x tal que f(x) = −1

2?

Ejercicio 1.4.7. Sea f(x) =

x, si x < −1

|x|, si − 1 ≤ x < 2

x2 − 3, si x ≥ 2

.

Evalúen f(−2);f(−1); f(1); f(2);f(3). Grafiquen la función.A partir de la gráfica, encuentren la imagen de la función.Encuentren todos los valores de x tal que f(x) = 1.

Ejercicio 1.4.8. Construyan una expresión para las siguientes funciones definidas a trozos:

Ejercicio 1.4.9. Sean las funciones f(x) = 1/x y g(x) = 3x+ 4.37


Evalúen f(g(1)); g(f(1)).Encuentren los dominios de f ◦ g y de g ◦ f .Calculen las expresiones para (f ◦ g)(x) y (g ◦ f)(x).

Ejercicio 1.4.10. Sean las funciones f(x) = x+ 1 y g(x) =√x.

Encuentren el dominio de f(x) y de g(x).Evalúen (f ◦ g)(4) y (g ◦ f)(4).Encuentren el dominio de (f ◦ g)(x) y de (g ◦ f)(x).Calculen las expresiones para (f ◦ g)(x) y (g ◦ f)(x).

Ejercicio 1.4.11. Escriban estas funciones como el resultado de operar con funciones conocidas.Indiquen sus dominios.

1. f(x) =x− 6

x+ 6; 2. g(x) = x+

x2

√2x− 1

; 3. f(u) = 3√u2 − u; 4. f(x) = 4

√x2 − x

Ejercicio 1.4.12. Los biólogos han notado que la cantidad de chirridos que emiten los grillos decierta especie está relacionada con la temperatura, y que la correspondencia parece ser casi lineal.Un grillo produce 113 chirridos por minuto a 5ºC y 173 chirridos por minuto a 20◦C.

Encuentren una expresión lineal que modele la temperatura como una función del número Nde chirridos por minuto.¿Cuál es la pendiente de la gráfica? ¿Qué representa?Si los grillos están chirriando a 150 chirridos por minuto, estimen la temperatura.

Ejercicio 1.4.13. La siguiente es una tabla a la que le falta información. Complétenla, indicandoademás el dominio de la composición.

f g g ◦ f dominio de g ◦ fx− 1 1/(x− 1)

4√x 4

√x2 − 1

x− 1

x+ 2x+

1

x

Ejercicio 1.4.14. Determinen si las siguientes funciones son pares, impares, o ninguno de esoscasos:

f(x) = 2x3 − x; f(x) = 5 + x4; f(x) = 2x− x4

Comprueben las respuestas graficando las mismas en computadora.

Ejercicio 1.4.15. Relacionen cada gráfica con las funciones propuestas. Justifiquen según lascaracterísticas observadas.

y = x² , y = x5 , y = x8

38


y = 3x, y = 13x, y = x³, y = x

13

Ejercicio 1.4.16. A partir de la gráfica de una función f(x) definida para x ≥ 0, ¿cómo sería lagráfica de y = f(|x|)? Dibujen diferentes situaciones.

De acuerdo lo discutido, indiquen el dominio y grafiquen la función f(x) =√|x|.

Ejercicio 1.4.17. A partir de la gráfica de una función f(x), ¿cómo sería la gráfica de y = |f(x)|?Dibujen diferentes situaciones.

De acuerdo lo discutido, grafiquen la función f(x) = |x2 − 9|.

Ejercicio 1.4.18. Encuentren la expresión funcional que corresponde a cada situacióndado un rectángulo que tiene un perímetro de 20m, expresar su área en función de la longitudde uno de sus ladosexpresar la longitud de un lado de un cuadrado en función de su diagonal d.expresar el área de un cuadrado en función de su diagonal d.

En cada caso, indiquen el dominio adecuado a la situación planteada (que no coincide con el dominionatural).

Ejercicio con GeoGebra 1.4.19. Consideren las funciones de la forma y = xr, donde r puedeser natural o fraccionario, restringidas al dominio [0,+∞).

Grafiquen en un mismo sistema de coordenadas x4, x3,x2, x,√x, 3√x, 4√x.

Verifiquen que todas pasan por (0, 0) y por (1, 1).Comparen el crecimiento de las distintas potencias en los intervalos (0, 1) y (1,+∞).

Ejercicio con GeoGebra 1.4.20. Intenten graficar la función del Ejercicio 1.2.5.

Podemos usar GeoGebra para graficar funciones definidas a trozos. Para eso se usan condicio-nes. La forma de escribirlo es

Si[condición , acción si se cumple , acción si no se cumple ]

El ejemplo anterior se construye escribiendo en la entrada

f(x)=Si[x<=1, x-1, 2-x^2]

Observen en la Vista Algebraica la expresión qué interpretó el programa. Discutan cómo serelaciona esa expresión con el gráfico.

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Noten que el programa no marca los extremos de cada tramo para indicar si pertenecen o noa la gráfica.

Observen en la Vista Algebraica la expresión qué interpretó el programa. Discutan cómo serelaciona esa expresión con el gráfico.

Modelos, magnitudes y unidades

Las funciones utilizadas para modelar situaciones realistas relacionanmagnitudes. Las magnitudesexpresan cantidades medibles, como la masa, la presión, la temperatura, el tiempo, la corrienteeléctrica, etc. Para cada magnitud se han definido unidades apropiadas, incluso distintas unidadespara una misma magnitud. Por ejemplo, la masa de una sustancia se puede expresar en gramos,kilogramos, libras, onzas, etc. El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI) es el nombre querecibe el sistema de unidades que se usa en casi todos los países. Los alumnos de ciencias necesitanestar familiarizados con el uso y los cambios de unidades en cada tema que incorporen.

En expresiones matemáticas, las unidades se manejan como letras en una expresión algebraica:se sacan de factor común, se multiplican y dividen, se simplifican, etc.

Ejemplo 1.4.1. La distancia (d) recorrida por un objeto en movimiento se puede medir enmetros (m), y el tiempo (t) en segundos (s). Digamos que el objeto recorrió d = 5m en t = 20 s.

La velocidad media se calcula como el cociente vmedia = d/t. Entonces,

vmedia =5m

20 s= 0.25

m

sLa fórmula para calcular velocidad media determina sus unidades: m/s. Se dice que la velocidadtiene unidades derivadas de las unidades de longitud y de tiempo.

Los cursos de Análisis Matemático suelen evitar el tecnicismo del manejo de unidades, y presentansus ejemplos con variables adimensionales. Un recurso típico es enunciar, por ejemplo,

La presión en un fluido depende de la profundidad según la relaciónp(h) = 0.4h+ 2

donde la profundidad h se mide en metros y la presión p se obtiene en atmósferas.Se dice que la relación se ha adimensionalizado. Esta fórmula corresponde ciertamente a una

relación con unidades, que en forma completa se escribe

p(h) = 0.4atm

mh+ 2 atm

Puede pasar que por usar mucho las funciones adimensionalizadas tengamos luego alguna difi-cultad para aplicar funciones en otros contextos. Intentaremos mantener presente esta cuestión cadavez que discutamos modelos de aplicación.

Ejercicio 1.4.21. El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado describe la posición x deun objeto en un eje recto en función del tiempo mediante la función x(t) = x0 + v0t + 1

2at2, donde

x0, v0 y a son constantes.En un caso en que x0 = 100 cm, v0 = 5 km/h y a = 2m/s2, elaboren una fórmula adimensiona-

lizada que dé el valor numérico de la posición en metros cuando se introduce el valor numérico deltiempo medido en segundos.

40


Notaciones informales.

En los modelos aplicados conviene usar letras que permitan leer fácilmente las distintas magni-tudes. Más arriba hemos usado x para la coordenada de la posición de un objeto sobre un eje (comoharíamos en geometría), p para la presión y t para el tiempo. También usamos h para la profundidad,o para alturas; esta costumbre proviene de height en inglés o de Hohe en alemán (en español alturano se escribe con h!)

Una vez que las letras se asocian a las magnitudes, no conviene introducir nuevas letras paraindicar las funciones: cuando p depende de h no escribimos p = f(h) sino que directamente escribimos"la función p(h)".

Siguiendo esta costumbre, cuando y es función de x podemos escribir "la función y(x)" o inclusohablar de "la función y".

Estas notaciones informales agilizan la aplicación de los conceptos de Análisis Matemático comoherramientas. Aunque a veces, cuando uno se empieza a complicar, verán que hay que tomarse unmomento para escribir todo completo y pensar con calma.

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1.5. Funciones especiales: exponenciales y logaritmos

Contenidos de la Clase: Exponencial natural. Logaritmo natural. Exponenciales y lo-garitmos en diferentes bases. Funciones hiperbólicas.

En esta sección y la siguiente trabajaremos con algunas funciones especiales, cuya regla de asig-nación no consiste en cálculos algebraicos. Hemos elegido las que aparecen con mayor frecuencia enmodelos matemáticos de Ciencias y que usarán pronto en las materias del CIBEX: exponenciales,logaritmos y funciones trigonométricas. Como testimonio de su importancia las van a encontrar enel teclado de sus calculadoras con un tamaño de tecla apenas menor que el "+" o el "x".

1.5.1. Operaciones exponenciales

Hablamos de expresiones exponenciales cuando aparece un exponente:

Según lo que hayan estudiado anteriormente,¿qué significa 42?¿qué significa 4−2?¿qué significa 41/2?¿qué significa 4

√2?

Darle sentido preciso a la expresión bx, cuando x es cualquier número real y b > 0, es una tareamuy delicada. En realidad, la podrán apreciar después de haber hecho este curso completo. Sinembargo, las funciones exponenciales son de uso cotidiano en ciencias. Las vamos a trabajar desdeahora, en forma de recetas, y comentaremos la definición formal hacia el final del curso. Aceptamosque

Dado un número b > 0, existe una operación exponencial de base b, que para cada número realx permite calcular bx.

Esta operación incluye el cálculo de potencias enteras (por ejemplo b2coincide con el productob · b) y también las raíces n-ésimas (b1/n coincide con el valor positivo de n

√b). Para exponentes

irracionales, genera resultados que interpolan suavemente los de potencias enteras y racionales.Técnicamente, la definición de esta operación resulta más sencilla para un valor especial de la base:

un número irracional e, conocido como número de Euler. Su valor aproximado es e ≈ 2.71828182846...Por este motivo, la operación ex se llama exponencial natural.

En este curso vamos a describir en detalle las propiedades de ex, y a partir de ellas presentar lafunción logaritmo natural. Las demás exponenciales y logaritmos en base b > 0 se pueden expresaren términos de exponenciales y logaritmos naturales.

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1.5.2. Función exponencial natural (ex)

La función exponencial más fundamental es la de base e. Aceptamos que:

Existe una funciónexp : R→ (0,+∞)

con regla de asignaciónexp(x) = ex

Sus valores se pueden leer del gráfico

Observen que esta función tiene nombre propio: en lugar de cualquier letra f se usa exp. Sucálculo, para exponentes irracionales, involucra operaciones no algebraicas; por eso se dice que esuna función trascendente. Hace algunas decenas de años se buscaba su valor en libros de tablas.Ahora se la encuentra en las calculadoras y en los lenguajes de computación con varios decimales deprecisión.

A partir de su gráfica (que conviene recordar) podemos obsevar que es una función siemprepositiva; pasa por el punto (0, 1) y su imagen es el intervalo (0,+∞). Otras características de lafunción exponencial se analizarán en la ejercitación.

La función exp(x) se puede entender como una generalización de las potencias racionales de basee. El cálculo con exponenciales naturales tiene, para cualquier exponente, las mismas propiedadesque el cálculo de potencias enteras:

La función exponencial natural verifica:exp(0) = e0 = 1exp(1) = e1 = esi n ∈ N, entonces exp(n) = en = e.e. · · · .e︸︷︷︸ multiplicado n vecesexp(−1) = e−1 = 1/esi m ∈ N, entonces exp(−m) = e−m = 1/(e.e. · · · .e︸︷︷︸) multiplicado m vecessi p, q ∈ N, con q 6= 0, entonces exp(p/q) = ep/q = q

√ep

En palabras, la función exponencial natural exp(x) coincide con las potencias ex siempre que xsea racional.

La función exp(x) tiene definido un resultado para cualquier x real. Observamos en el gráfico quelos valores de ex, para x irracional, completan una curva suave junto con las potencias racionales dee.

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Todo esto permite operar con exp(x) como si fuera una potencia. Se verifican las siguientespropiedades:

Para todo argumento real, la función exponencial natural verifica:exp(a) exp(b) = exp(a+ b) que conviene recordar como eaeb = ea+b

exp(−a) = 1/ exp(a) que conviene recordar como e−a = 1/ea

exp(a)/ exp(b) = exp(a− b) que conviene recordar como ea/eb = ea−b

(exp(a))b = exp(ab) que conviene recordar como (ea)b = eab

1.5.3. Operaciones logarítmicas

El logaritmo natural se define como la operación inversa de la exponencial natural:

Se dice quey = lnx siempre que x = ey

Por ejemplo, usando esta definición con x = e3 se encuentra que ln (x) = 3. También podemosdecir que ln 1 = 0 porque e0 = 1; o que ln e = 1 porque e1 = e.

Sin embargo, no siempre el logaritmo natural tiene sentido: no existe un resultado y para laexpresión ln(−1), porque nunca ey da −1 (como notamos en la gráfica de la función exponencialnatural).1.5.4. Función logaritmo natural

Observando la gráfica de la función exponencial natural encontramos que se puede calcular ellogaritmo natural de cualquier número positivo, obteniendo un y sólo un resultado real. En cambio,no se puede calcular el logaritmo natural de ningún número negativo ni de 0.Podemos definir unafunción:

La función logaritmo naturalln : (0,+∞)→ R

se define con la regla de asignación

y = ln(x) siempre que x = ey

Su gráfica se puede dibujar mirando la gráfica de la exponencial (intercambiando el rol de x e y)y resulta:

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Cuando tengan que evaluar la función logaritmo natural, lo primero que deberían hacer es recordary dibujar esta gráfica. La pueden usar tanto para reconocer que y = ln x como para reconocer quex = ey.

Los valores precisos del logaritmo natural, cuando sean necesarios, se obtienen con calculadora ocomputadora.

Al igual que la exponencial natural, el logaritmo natural tiene nombre propio: ln. Por este motivose suele anotar la variable sin paréntesis. Por ejemplo, en las expresiones

lnxln2 x ≡ (lnx)2

el símbolo ln es suficiente para indicar la función, y uno tiene que reconocer la variable y las opera-ciones involucradas. En el caso de una función compuesta son necesarios los paréntesis. Por ejemplo,

ln(x2) (¡¡ que no es igual a (lnx)2!!)

La función logaritmo tiene propiedades de cálculo muy útiles. Aunque no tenemos una fórmulaalgebraica para calcular directamente un logaritmo, podemos manipular expresiones mediante lassiguientes propiedades.

La función logaritmo natural verifica:ln(ex) = x para todo x real.elnx = x siempre que x sea positivo.ln(ab) = ln a+ ln b siempre que a y b sean positivos.ln(a/b) = ln a− ln b siempre que a y b sean positivos.ln(br) = r ln b siempre que b sea positivo, para todo r real (la mencionamos, aunque aúnno discutimos qué significa br)

1.5.5. Exponenciales en base b

En la última propiedad, mencionamos una exponencial de base b. Eso nos lleva al problema quecomentamos al inicio de esta sección: ¿qué significa una expresión como 4

√2?

Usando exponenciales y logaritmos naturales, podemos darle sentido a bx para cualquier base bpositiva y cualquier exponente x real.

Una forma de recordar cómo expresar bx es la siguiente:1. Usando propiedades de la exponencial y el logaritmo natural, escribimos b = eln b.2. Luego proponemos construir bx como

(eln b)x.

3. Asumiendo que vale la propiedad de "potencia de potencia", obtenemos la expresión bx =e(ln b)x. Esta expresión involucra solamente la exponencial y el logaritmo naturales.

En rigor, hacemos un poco de trampa al usar la propiedad de "potencia de potencia" cuando aún nohemos definido qué significa "elevar a la x". Tomamos este cálculo como una motivación y definimosla exponencial de base b > 0 en términos de la exponencial natural y el logaritmo natural que yaconocemos:

Dado un número real b > 0, llamado base, y un número real x cualquiera, se define

bx = e(ln b)x

Otro modo de pensarlo: llamando y = bx, aplicamos a ambos miembros logaritmo natural y usa-mos propiedades del logaritmo para escribir: ln y = ln (bx) = x ln b. Ahora aplicamos la exponencial(y usamos su relación con el logaritmo natural) y enontramos que: y = eln y = ex ln b.

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De acuerdo a este mecanismo podemos calcular ahora 4√

2 = e(ln 4)√

2, usando solamente la expo-nencial y el logaritmo naturales.

A partir de esta definición se aprovechan las propiedades de la exponencial natural y el logaritmonatural para demostrar las distintas propiedades de bx:

Para todo real, la operación exponencial de base b > 0 verifica:bxby = bx+y

b−x = 1/bx

bx/by = bx−y

(bx)y = bxy

Esta operación tiene un y sólo un resultado, y en consecuencia define una función:

Dado un valor de b > 0, se llama función exponencial de base b a

expb : R→ (0,+∞)

dada por la regla de asignaciónexpb(x) = bx

La gráfica de la función exponencial en distintas bases se puede obtener a partir de la exponencialnatural. La definición

expb(x) = e(ln b)x

expresa una composición: dado x, primero se lo multiplica por el número ln b para obtener u = (ln b)xy luego se calcula eu. En consecuencia, se genera una gráfica similar a la de ex, pero dilatada, contraídao reflejada.

Si b > 1, resulta ln b > 0. Luego la gráfica se puede interpretar como una dilatación ocontracción de la exponencial natural (dilatación si ln b < 1, o contracción si ln b > 1).Si 0 < b < 1, tenemos que ln b es negativo. Luego la gráfica se puede interpretar como unescaleo de la exponencial natural seguido de una reflexión respecto del eje y.

Para algunos valores de b, las gráficas se ven como sigue. Intenten reconocerlas, de acuerdo al valorde la base.

1.5.6. Función logaritmo de base b

Dado un número b positivo y distinto de 1, que se usa como "base", la operación logaritmo debase b se define como la inversa de la exponencial de base b. Aplicada a números positivos resultauna función:

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La función logaritmo de base b > 0 y b 6= 1 se define como operación inversa de la exponencialde base b:

logb : (0,+∞)→ Rcon regla de asignación

y = logb(x) siempre que x = by

Podemos relacionar esta función con el logaritmo natural introduciendo un "cambio de base":usando que by significa ey ln b escribimos

x = ey ln b

y tomamos logaritmo natural en ambos miembros:

lnx = y ln b

Como b 6= 1, sabemos que ln b 6= 0, luego podemos despejar

y = logb x =lnx

ln b

Dependiendo del valor de b, la gráfica de y = logb(x) se obtiene como un escaleo vertical de la gráficadel logaritmo natural (seguido de una reflexión respecto del eje x cuando ln b < 0). Las gráficas dey = logb(x), para algunos valores de b, se ven así:

Se pueden probar, a partir de propiedades de la exponencial de base b, algunas propiedadesbásicas de los logaritmos de base b:

logb(u.v) = logb u+ logb vlogb(u/v) = logb u− logb vlogb(u

r) = r. logb u

1.5.7. Conclusión

La exponencial natural y el logaritmo natural son funciones fundamentales. Conviene recordarsus gráficos y la forma de operar con ellas.

Las exponenciales y logaritmos de base b (b > 0 y b 6= 1) se pueden escribir en términos de laexponencial y el logaritmo natural:

bx = ex ln b

logb x =lnx

ln bSugerimos expresarlas así, y luego trabajar con exponenciales y logaritmos naturales.

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1.5.8. Ejercicios

Ejercicio 1.5.1. A partir de la definición de y = ln(x), calculen ln 1, ln e, ln(e2), ln(1/e).

Ejercicio 1.5.2. Suponiendo que conocemos el valor de ln 2, apliquen propiedades del logaritmonatural para calcular ln 8, ln

(18

), ln 16

ln 8.

Ejercicio 1.5.3. Aplicando propiedades de la exponencial y el logaritmo natural, encuentren losvalores de x que resuelven las siguientes ecuaciones:

3ex = 52 ln (3x)− ln (x3) = ln 3

Ejercicio 1.5.4. A partir del gráfico de y = exp(x), analicen las siguientes cuestiones:¿Cuál es la imagen de la función exponencial? (para ver cómo la gráfica se acerca al eje x,deberían hacer el gráfico con GeoGebra, y observarlo en detalle para valores de x cada vezmás negativos).¿Hay regiones donde la función sea creciente? ¿Hay regiones donde la función sea decreciente?¿Hay puntos donde se alcance un valor máximo? ¿Hay puntos donde se alcance un valormínimo?

Ejercicio 1.5.5. A partir del gráfico de y = ln(x), analicen las siguientes cuestiones:¿Hay regiones donde la función sea creciente? ¿Hay regiones donde la función sea decreciente?¿Hay puntos donde se alcance un valor máximo? ¿Hay puntos donde se alcance un valormínimo?¿Qué pasa cuando la variable x se acerca a cero? (para ver cómo la gráfica se acerca al ejey deberían hacer el gráfico con GeoGebra y observarlo en detalle para valores de x cada vezmás cercanos a cero).¿Qué pasa cuando la variable x se hace cada vez más grande?

Ejercicio 1.5.6. Interpreten las siguientes ecuaciones como transformaciones geométricas de lagráfica de y = ex. Dibujen la gráfica de cada ecuación.

y = e−x

y = −exy = ex/5

y = 4e(x−2)

y = e3ex

Ejercicio 1.5.7. Usando propiedades de la exponencial y el logaritmo natural comprueben que,para x = n natural, la definición de bn = en ln b coincide con la potencia natural n. Como ejemplo,comprueben que b3 = e3 ln b = b.b.b

Ejercicio 1.5.8. Si 4x = 420, ¿pueden concluir que x = 20? Justifiquen gráficamente que no haymás de una solución.

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Ejercicio 1.5.9. Encuentren el valor exacto delog10 1000, log4 2, log9(1/3)

Ejercicio 1.5.10. Usando el logaritmo natural, resuelvan2x = 8102x = 108

¿Hubiera sido conveniente resolverlo con logaritmos en otra base? ¿Obtendrían el mismo resultado?

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1.6. Funciones especiales: funciones trigonométricas e hiperbólicas

Contenidos de la Clase: Trigonometría de triángulos rectángulos. Medida de ángulosen radianes. Circunferencia trigonométrica. Funciones seno, coseno y tangente.

1.6.1. Triángulos rectángulos

Las nociones básicas de trigonometría se aplican a la descripción de triángulos rectángulos. Sesabe (por el teorema de Tales) que triángulos rectángulos construidos con un mismo ángulo agudoα tienen sus lados proporcionales.

Usando la notación de la figura se definen las relaciones trigonométricas como las razones (ococientes) entre los catetos a y b y la hipotenusa h:

senα =b

h

cosα =a

h

tanα =b

a

Por razones de semejanza de triángulos, estos cocientes dan el mismo valor si usamos a′, b′ y h′. Poreso podemos indicar que dependen sólo del ángulo α.

El teorema de Pitágoras asegura que la longitud de la hipotenusa relacionada con la longitud delos catetos,

a2 + b2 = h2

Una consecuencia importante es que para todo ángulo agudo α se cumple

(senα)2 + (cosα)2 = 1

1.6.2. Medida de ángulos en radianes

Para que valgan algunas propiedades de las funciones seno, coseno y tangente que veremos eneste curso, los ángulos deben medirse en radianes.

Recuerden que a un ángulo α se le asigna un valor en radianes de la siguiente manera:

se lo dibujase traza una circunferencia de radio R con centro en el vértice del ángulose mide la longitud S del arco de circunferencia encerrado por el ángulose calcula el cociente de longitudes S/R

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Se llama medida de un ángulo α en radianes al cociente S/R en la construcción de la figura. Seanota

α =S

R

La medida de un ángulo en radianes no depende del radio elegido, por razones de semejanza.La medida de un ángulo en radianes no tiene unidades (se dice que es adimensional). Porejemplo, si medimos S y R en centímetros, al hacer el cociente se simplifican los cm y noquedan unidades.Los ángulos en el plano se pueden orientar, eligiendo un lado como inicial y el otro comofinal. Se dice que un ángulo es positivo si el arco entre el lado inicial y el lado final serecorre en sentido anti-horario , y es negativo si el arco se recorre en sentido horario �.

Ejemplo 1.6.1. Podemos calcular la medida en radianes de un ángulo recto.Como la longitud de la circunferencia completa de radio R vale 2πR, y un ángulo recto encierra

exactamente un cuarto de cicunferencia, la longitud del arco encerrado vale 2πR/4 = πR/2. Luegoel ángulo recto en radianes mide

α =πR/2

R=π

2Recordemos que π es un número, que vale aproximadamente π ≈ 3.1416. Por lo tanto α ≈

1.5708.Trabajando en radianes, resulta más significativo leer α = π/2 que leer α ≈ 1.5708.

Las medidas de ángulos en radianes o en grados sexagesimales se relacionan por regla de tressimple. Como referencia, podemos recordar que un ángulo llano de 180o mide π radianes.

Si anotamos αG a la medida de un ángulo en grados y αR a la medida del mismo ángulo enradianes, la regla de tres nos dice que

180o −→ π

αG −→ αR

Encontramos queαR =

π

180oαG

1.6.3. Funciones seno y coseno

Las funciones trigonométricas se aplican a variables reales, que se entienden como la medida α deun ángulo en radianes. Conviene dibujar este ángulo en el plano cartesiano, con su vértice en el origeny un lado fijo sobre el semieje x positivo; a partir de allí el ángulo se abre como un abanico, hastaubicar el segundo lado (llamado lado móvil) en el valor α. Se admiten ángulos con medida positiva,que se abren en sentido anti-horario, y ángulos con medida negativa, que se abren en sentido horario.

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Se permite que el lado móvil quede en cualquier cuadrante del plano, y que gire más de una vuelta(el valor del ángulo crece 2π radianes por cada vuelta acumulada).

Para construir las funciones trigonométricas de un ángulo de medida α radianes, se procede así:

se dibuja una circunferencia de radio R (arbitrario) con centro en el origen del plano cartesianoa partir del punto (R, 0) se recorre un arco de circunferencia de longitud |α|R, en sentidoanti-horario si α > 0 u horario � siα < 0así queda determinado un punto de coordenadas (xα, yα) sobre la circunferencia; el ángulocon vértice en el origen, un lado inicial sobre el semieje x positivo y un lado final que pasapor el punto (xα, yα) de la circunferencia tiene medida α en radianescon las coordenadas del punto (xα, yα) y la medida del radio R se calculan las funcionestrigonométricas de α

Con las coordenadas del punto (xα, yα) se definenFunción seno: sen : R→ R dada por

sen (α) = yα/R

Función coseno: cos : R→ R dada por

cos (α) = xα/R

Observaciones:

Si usamos R = 1 esta construcción se llama circunferencia trigonométrica. La ventaja es quela división por 1 es trivial y nos permite visualizar sen(α) directamente como la coordenadayα y cos(α) directamente como xα.Las coordenadas xα e yα pueden ser nulas, positivas o negativas. En consecuencia cos(α) ysen(α) tienen signo + o − según el cuadrante en que se ubique el lado final del ángulo α.Notación: las funciones seno y coseno tienen nombre propio. En vez de inventar una letrapara nombrarlas se usa sen(α) y cos(α). Más aún, es usual no usar los paréntesis y escribirdirectamente senα o cos α.5

En general no hay manera de calcular algebraicamente el resultado de las funciones seno y cosenode un número dado. Por eso es muy importante recordar sus gráficos:

5Quizás les resulte conveniente agregar los paréntesis para acostumbrarse a manejar sen(α) y cos(α) en pie deigualdad con cualquier otra función.

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En adelante, cada vez que tengan que evaluar un seno o un coseno les recomendamos que haganal margen un esquema de estos gráficos (¡antes de recurrir a la calculadora!) .

El seno y coseno de α = 0,π

2, π,

3π

2, 2π (cuando el lado final del ángulo cae sobre un eje

cartesiano) se leen directamente del gráfico o de la circunferencia trigonométrica. Es importantereconocer para qué angulos el seno y coseno valen 1, 0 o −1.

Para los llamados ángulos notables, α =π

6,π

4,π

3, se pueden usar relaciones geométricas de

triángulos para expresar las coordenadas involucradas y calcular exactamente las funciones trigono-métricas. Lo dejamos como ejercicio.

1.6.4. Otras funciones trigonométricas

A partir del seno y el coseno se definen las demás funciones trigonométricas como cocientes.Obviamente, no están definidas cuando el divisor vale 0.

Dado un número α real, se definen las funciones:tangente, dada por

tan(α) =sen(α)

cos(α)( si cos(α) 6= 0 )

cotangente, dada por

cot(α) =cos(α)

sen(α)( si sen(α) 6= 0 )

secante, dada por

sec(α) =1

cos(α)( si cos(α) 6= 0 )

cosecante, dada por

cosec(α) =1

sen(α)( si sen(α) 6= 0 )

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Recomendamos siempre trabajar estas funciones reemplazándolas por su expresión en términos desenos y cosenos. Cuando ganen confianza, pueden recordar reglas prácticas para trabajar directamentecon ellas. Y siempre que no estén seguros, vuelvan a ecribirlas en términos de senos y cosenos.

1.6.5. Identidades trigonométricas

Las funciones trigonométricas tienen numerosas relaciones entre sí, conocidas como identidadestrigonométricas. El uso de propiedades adecuadas puede simplificar cualquier trabajo, reemplazandoexpresiones elaboradas por expresiones más sencillas. Sin embargo, no podríamos recordarlas todas.

Recomendamos recordar bien unas pocas relaciones básicas:

para cualquier número α,

(sen(α))2 + (cos(α))2 = 1.

Esta identidad se conoce como "relación pitagórica"; se demuestra aplicando el teorema dePitágoras al triángulo rectángulo que se dibuja en la circunferencia trigonométrica.para cualesquiera dos números α y β,

sen (α + β) = sen (α) cos (β) + cos (α) sen (β, )

cos (α + β) = cos (α) cos (β)− sen (α) sen (β) .

Estas identidades se demuestran a partir de la suma de ángulos dibujados en la circun-ferencia trigonométrica. Noten que valen para β negativo, es decir que también permitencalcular seno y coseno de una resta.la función seno es impar: para cualquier número α,

sen(−α) = −sen(α)

la función coseno es par: para cualquier número α,cos(−α) = cos(α)

Con estas relaciones básicas y un poco de práctica podrán ustedes mismos generar muchas otrasrelaciones útiles.

Notación: van a encontrar una notación especial para las potencias de funciones trigonométricas,anotando el exponente junto a los símbolos sen o cos. Por ejemplo,

sen2 α significa (sen(α))2

En el resto del curso será habitual usar la letra x como variable independiente de las funcionestrigonométricas, escribiendo por ejemplo

y = cosx

No se debe confundir el uso de x e y como variables de la función con el uso de x e y comocoordenadas en la circunferencia trigonométrica.

1.6.6. Funciones hiperbólicas

Las llamadas funciones hiperbólicas se pueden definir geométricamente a partir de las coordenadasde puntos sobre una hipérbola en forma análoga a la construcción de la circunferencia trigonométrica(pueden ver por ejemplo la página "Función Hiperbólica" de la Wikipedia).

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Afortunadamente se las puede calcular con operaciones algebraicas sencillas entre funciones ex-ponenciales. En la práctica conviene recordar las definiciones:

Se llama seno hiperbólico a la función

senh : R→ R con regla de asignación senhx =ex − e−x

2

Se llama coseno hiperbólico a la función

cosh : R→ R con regla de asignación coshx =ex + e−x

2

Se llama tangente hiperbólica a la función

tanh : R→ R con regla de asignación tanh(x) =senhxcoshx

=ex − e−x

ex + e−x

Existe una identidad fundamental de las funciones hiperbólicas: para todo número real x,

cosh2 x− senh2x = 1,

que es muy simple comprobar a partir de las definiciones. Observen la diferencia con la relaciónpitagórica que verifican las funciones trigonométricas.

En la ejercitación encontrarán ésta y otras propiedades importantes de estas funciones. Cuandotengan que trabajar con estas funciones, les recomendamos que las escriban en término de exponen-ciales.

1.6.7. Ejercicios

Ejercicio 1.6.1. Dibujen ángulos de 0o, 45o, 90o, 180o, 270o.Usando que la longitud de la circunferencia completa de radio R vale 2πR, calculen la medida en

radianes de los ángulos dibujados. ¿Encuentran alguna relación entre la medida de cada ángulo y lafracción de vuelta que representan?

Ejercicio 1.6.2.Calculen la medida en radianes de los ángulos notables de 30o, 45o y 60o.Grafíquenlos en la circunferencia y visualicen las medidas en radianes como fracciones delángulo llano.Intenten calcular exactamente el seno y el coseno de los ángulos de 0o, 30o, 45o, 60o y 90o.Conviene recordar los resultados con alguna regla ayuda-memoria, como la tabla

ángulo 0 π6

π4

π3

π2

sen√

02

√1

2

√2

2

√3

2

√4

2

cos√

42

√3

2

√2

2

√1

2

√0

2

Ejercicio 1.6.3. Indiquen el signo del seno y el coseno de los ángulos según el cuadrante al quepertenecen. Relacionen lo que observan en la circunferencia trigonométrica con lo que observan en elgráfico de las funciones.

Ejercicio 1.6.4. Encuentren todos los ángulos entre 0 y 2π que verifiquen:cosx = 1

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senx = 1/2cosx = 0

Ejercicio 1.6.5. A partir del seno y coseno de una suma, prueben que

cos(2α) = cos2 α− sen2α

sen(2α) = 2senα cosα

Usando ahora la identidad pitagórica, demuestren que

cos2 α =1 + cos(2α)

2

sen ² α =1− cos(2α)

2

Para la resta de dos ángulos, prueben que

sen (α− β) = sen (α) cos (β)− cos (α) sen (β)

cos (α− β) = cos (α) cos (β) + sen (α) sen (β)

Estas identidades son de uso frecuente y es útil recordarlas. Sin embargo siempre pueden volver aobtenerlas recordando simplemente la identidad pitagórica, el seno y coseno de una suma y la paridadde seno y coseno.

Ejercicio con GeoGebra 1.6.6. Las funciones trigonométricas están predefinidas en Geo-Gebra. La variable, como en las demás funciones, se debe llamar x. Los nombres que reconoce elprograma son

sin(x), cos(x), tan(x),cot(x), sec(x), cosec(x)

Grafiquen sen x y cosx, y describan las características observadas (ceros, máximos, mínimos,regiones de positividad y negatividad, etc.)Anticipen características de la gráfica de tanx, construida como cociente de dos gráficasconocidas. Indiquen su dominio natural y su imagen. Grafiquen con GeoGebra para comprobarsus observaciones.

Ejercicio con GeoGebra 1.6.7. Intenten hacer con GeoGebra una circunferencia trigonomé-trica, eligiendo R = 1. Si lo hacen adecuadamente, el punto P = (xα, yα) se podrá mover con elmouse; el seno y coseno estarán a la vista y sus valores se leerán en el panel algebraico.

A continuación tienen instrucciones. También pueden encontrar un archivo modelo en nuestrositio web.

Pueden crear la circunferencia con la entrada

x^2+y^2=1

El punto P sobre la circunferencia y el origen se pueden crear con el mouse.La semirrecta desde el origen, que pasa por el punto, se puede crear con la herramienta "Semirrecta

que pasa por dos puntos".Las rectas que pasan por el punto P y son perpendiculares a los ejes se pueden crear con la

herramienta "Recta Perpendicular".Los puntos xα e yα sobre los ejes se pueden crear con la herramienta "Intersección entre Dos

Objetos".56


Con este esquema, los objetos creados están asociados al punto P . Al mover el punto, lo acom-pañan todos los objetos asociados.

Para limpiar y destacar el gráfico, se pueden editar las propiedades de cada objeto: renombrar,mostrar/ocultar, color, estilo de trazo, etc.

Podría verse similar a la figura

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1.7. Práctica

Contenidos de la Clase: Funciones trigonométricas y exponenciales.

Ejercicio 1.7.1. Es importante acostumbrarse a analizar la información de las funciones seno ycoseno, tanto a partir de sus gráficos como de la circunferencia trigonométrica.

Observen en la circunferencia trigonométrica si la función seno crece, decrece o llega a unvalor máximo o mínimo. Lo mismo con el coseno. Verifiquen sobre el gráfico de las funciones.Observen qué sucede (en la circunferencia y en el gráfico) con cada función cuando un dadovalor de α se incrementa en 2π, 4π, 6π, etc (un número entero de vueltas). Deben reconocerque las funciones seno y coseno son periódicas con período 2π.Observen qué sucede con el seno y el coseno cuando un dado valor de α se cambia por −α.Reconozcan la paridad o imparidad de cada funciónIdentifiquen (en la circunferencia y en el gráfico) la imagen de las funciones seno y coseno.Identifiquen (en la circunferencia y en el gráfico) los ceros de las funciones seno y coseno, esdecir los valores de α donde las funciones seno y coseno dan 0.

Ejercicio 1.7.2. Sobre la circunferencia trigonométrica,dibujen un ángulo α en el primer cuadrante y también π/2 − α. ¿Qué relaciones observanentre sus senos y cosenos?dibujen un ángulo α en el segundo cuadrante y también π−α. ¿Qué relaciones observan entresus senos y cosenos?dibujen un ángulo α en el tercer cuadrante y también α− π. ¿Qué relaciones observan entresus senos y cosenos?dibujen un ángulo α en el cuarto cuadrante y también 2π−α. ¿Qué relaciones observan entresus senos y cosenos?

En la clase anterior encontraron expresiones para calcular el seno y el coseno de la resta de dosángulos. A partir de ellas demuestren las relaciones que acaban de observar.

aplicación: dibujen un ángulo de 5π/6 radianes y encuentren el valor exacto de su seno ycoseno.

La primera situación da relaciones entre seno y coseno de ángulos complementarios. Las siguientes seconocen como "fórmulas de reducción al primer cuadrante" porque permiten relacionar las funcionestrigonométricas de cualquier ángulo con la trigonometría de un triángulo rectángulo.

Ejercicio 1.7.3. Mirando las gráficas de seno y coseno, o la circunferencia trigonométrica,hallen dos ángulos distintos α, β en el intervalo [0, 2π) tales que sen α = sen β.hallen dos ángulos distintos α, β en el intervalo [0, 2π) tales que cosα = cos β.hallen los ángulos α tales que senα = cos β

Ejercicio 1.7.4. A partir de la gráfica de senx, obtengan mediante transformaciones geométricaslas gráficas de:

a) 2senx; b) −senx; c) sen(x) + 1; d) sen(x− π/2).Para cada una de las funciones, indiquen

en qué puntos se anula,cuáles son los valores máximos y mínimos alcanzados.

Ejercicio 1.7.5. Grafiquen la función f(x) = | cosx|.

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Ejercicio 1.7.6. Consideren el conjunto de triángulos rectángulos que tienen igual base de 10 cmy distintas alturas, y construyan una función que exprese el área de cada triángulo en función delángulo adyacente a la base.

Para la situación que se describe, indiquen el dominio de la función construida.

Ejercicio 1.7.7. Usando propiedades de exponenciales y logaritmos, resuelvan las siguientesecuaciones:

53−x = 125(ex+1)

2= 2ex+2

lnx− ln(x3) = 8ln2 x+ lnx = 0

Ejercicio 1.7.8. Grafiquen la función f(x) = ln |x|.

Ejercicio 1.7.9. Prueben, a partir de sus definiciones, las siguientes propiedades de las funcioneshiperbólicas:

senh0 = 0;senhx es una función impar.cosh 0 = 1;coshx es una función par.cosh2 x− senh2x = 1.

Ejercicio 1.7.10. Comprueben los cuatro primeros incisos del ejercicio anterior a partir de lasgráficas de las funciones hiperbólicas (generadas, por ejemplo, con el GeoGebra).

Ejercicio 1.7.11. Ajuste de modelos exponenciales.Muchos modelos en ciencias tienen un comportamiento exponencial. Por alguna ley empírica o

por resolver una situación a partir de leyes fundamentales, uno sabe que una variable y depende deotra variable x con la forma

y = Aekx

donde A > 0 y k son números reales fijos. Se dice en estos casos que el modelo sigue una leyexponencial. Para aplicarlo a un problema, será necesario averiguar el valor de A y el valor de k quese ajusten a los datos del problema.

El objetivo de los ejercicios siguientes es que descubran los cálculos necesarios para ajustar mo-delos exponenciales. Verán que es necesario trabajar con logaritmos y con sistemas de ecuaciones.

hallen A y k para que la función f(x) = Aekx ajuste los datos f(0) = 10 y f(5) = 2.hallen A y k para que la función f(x) = Aekx ajuste f(2) = 2 y f(10) = 10.

En ambos casos grafiquen la función hallada y los datos dados. Observen el comportamiento segúnel signo de k.

Ejercicio 1.7.12. La población de bacterias crecidas en un medio nutriente homogéneo se des-cribe mediante una función p(t), donde p es la cantidad de bacterias y t es el tiempo transcurridodesde que se introdujo la población inicial. Se sabe que la función p(t) sigue una ley exponencial.

Se estima al microscopio que hay 2000 bacterias a los 60 minutos, y el doble a los 120 minutos.Calculen la población inicial de bacterias.Estimen cuántas bacterias habrá al cabo de 12 horas.

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