4. iv ´
INDICE GENERAL
1.6.6. El cuadrado del senh y del cosh . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.6.7. Gr´fica de las funciones hiperb´licas
a o . . . . . . . . . . . . . . 80
1.6.8. Funciones hiperb´licas inversas . . .
o . . . . . . . . . . . . . . 81
1.6.9. Identidad hiperb´lica . . . . . . . . .
o . . . . . . . . . . . . . . 82
1.6.10. F´rmula logar´
o ıtmica de las funciones hiperb´licas
o inversas . . 82
1.7. Problemas propuestos del Cap´ ıtulo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2. Funciones de varias variables: L´ ımites 85
2.1. Funciones de varias variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.1.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.1.2. Dominio de una funci´n de varias variables . . . . . . . .
o . . 89
2.1.3. Operaciones con funciones de varias variables. . . . . . . . . . 94
2.1.4. Composici´n de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . 96
2.1.5. Gr´fica de una funci´n de dos variables . . . . . . . . . .
a o . . 102
2.1.6. Otras representaciones de las funciones de varias variables . . 110
2.2. L´
ımite y continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.2.1. Introducci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . 111
2.2.2. Entorno de un punto en el plano . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.2.3. L´ımite y continuidad en dos variables . . . . . . . . . . . . . 113
2.2.4. L´ımite de las funciones elementales . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.2.5. Comprobando l´ ımites aplicando la definici´n . . . . . . .
o . . 118
2.2.6. C´lculo de l´
a ımites mediante operaciones algebraicas . . . . . 122
2.2.7. Teorema del encaje y de la acotaci´n . . . . . . . . . . . .
o . . 124
2.2.8. Infinit´simos equivalentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e . . 125
2.2.9. Inexistencia de l´ımites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2.2.10. L´
ımites en el infinito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.3. Problemas propuestos del Cap´ ıtulo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3. Derivada de Funciones de una variable 141
3.1. Derivada y continuidad. Tangente y normal . . . . . . . . . . . . . . 141
3.1.1. Idea intuitiva de recta tangente. . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.1.2. Rectas tangentes no intuitivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.1.3. La pendiente de la recta tangente . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.1.4. Definici´n de derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . 144
3.1.5. Otra forma de la derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.1.6. Derivadas laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.1.7. Derivada y continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.1.8. Significado gr´fico de la derivada: Suavidad. . . . . . . . . .
a . 148
3.1.9. La ecuaci´n de la recta tangente . . . . . . . . . . . . . . .
o . 148
3.1.10. La ecuaci´n de la recta normal . . . . . . . . . . . . . . . .
o . 150
3.1.11. Curvas de tangente horizontal y curvas de tangente vertical . 150
3.2. Funci´n derivada. reglas de derivaci´n. . . . . . . . . . . . . . . . .
o o . 151
3.2.1. Funci´n derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . 151
3.2.2. Reglas de derivaci´n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . 152
3.2.3. Derivadas de funciones con un punto aparte . . . . . . . . . . 154
3.2.4. Derivada de funciones definidas a trozos . . . . . . . . . . . . 156
3.2.5. Derivaci´n de funciones impl´
o ıcitas . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.2.6. Derivaci´n logar´
o ıtmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3.2.7. Derivadas de orden superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.2.8. Aproximaci´n lineal y notaci´n diferencial . . . . . . . . . .
o o . 162
5. ´
INDICE GENERAL v
3.3. L´
ımite de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.3.1. Infinit´simos equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e 164
3.3.2. Infinit´simos m´s frecuentes en z → 0 . . . . . . . . . . . . .
e a 164
3.3.3. Formas indeterminadas. Reglas de L’Hˆpital. . . . . . . . . .
o 165
3.4. L´
ımite de sucesiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.5. Estudio local de funciones. Polinomio de Taylor . . . . . . . . . . . . 175
3.5.1. Introducci´n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o 175
3.5.2. Algunas propiedades de los polinomios . . . . . . . . . . . . . 176
3.5.3. Polinomio de Taylor de una funci´n no polin´mica . . . . . .
o o 179
3.5.4. Polinomio de Taylor de las funciones elementales . . . . . . . 181
3.5.5. Resto de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.5.6. Aplicaciones de la f´rmula de Taylor a c´lculos aproximados .
o a 185
3.5.7. Aplicaciones de la F´rmula de Taylor al c´lculo de l´
o a ımites . . 187
3.6. Extremos de funciones de una sola variable . . . . . . . . . . . . . . 188
3.6.1. M´ximos y m´
a ınimos absolutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.6.2. M´ximos y m´
a ınimos relativos o locales . . . . . . . . . . . . . 192
3.6.3. Determinaci´n de funciones conocidos sus puntos cr´
o ıticos . . 196
3.6.4. Problemas de aplicaci´n de m´ximos y m´
o a ınimos . . . . . . . . 196
3.7. Problemas propuestos del Cap´ ıtulo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
4. Derivaci´n de funciones multivariables
o 203
4.1. Derivadas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.1.1. Introducci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . . 203
4.1.2. Definici´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . . 204
4.1.3. La funci´n derivada parcial . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . . 206
4.1.4. Funciones de m´s de dos variables . . . . . . . . . .
a . . . . . 208
4.1.5. Raz´n de cambio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . . 210
4.1.6. Interpretaci´n geom´trica de las derivadas parciales
o e . . . . . 211
4.1.7. Continuidad y derivadas parciales . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.2. Derivadas parciales de ´rdenes superiores . . . . . . . . . .
o . . . . . 214
4.3. Derivadas direccionales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.3.1. Derivadas direccionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.3.2. Derivada direccional y derivadas parciales . . . . . . . . . . . 223
4.4. Diferenciabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
4.4.1. Generalizaci´n del concepto de diferenciabilidad . .
o . . . . . 226
4.4.2. Diferenciabilidad y derivadas parciales . . . . . . . . . . . . . 229
4.4.3. La diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.4.4. Diferenciabilidad y continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.4.5. Diferenciabilidad de funciones de n variables . . . . . . . . . 235
4.4.6. Condici´n suficiente para la diferenciabilidad . . . .
o . . . . . 236
4.4.7. Caracterizaci´n de las funciones diferenciables . . . .
o . . . . . 238
4.4.8. Diferenciabilidad y derivadas direccionales . . . . . . . . . . . 240
4.4.9. La derivada seg´n una direcci´n curva . . . . . . . .
u o . . . . . 241
4.5. Gradiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4.5.1. Definici´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . . 241
4.5.2. Vector gradiente y derivada direccional . . . . . . . . . . . . . 243
4.5.3. Gradiente y curvas de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.6. Plano tangente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.6.1. Vectores normales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6. vi ´
INDICE GENERAL
4.6.2. Plano tangente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
4.6.3. Recta tangente y plano normal a una curva en el espacio . . . 252
4.6.4. La diferencial como aproximaci´n del incremento . . . . . .
o . 254
4.7. Funciones vectoriales y matriz Jacobiana . . . . . . . . . . . . . . . . 259
4.7.1. Funciones vectoriales de variable vectorial . . . . . . . . . . . 259
4.7.2. Continuidad de las funciones vectoriales . . . . . . . . . . . . 260
4.7.3. Derivadas parciales de funciones vectoriales . . . . . . . . . . 262
4.7.4. Funciones vectoriales diferenciables . . . . . . . . . . . . . . . 263
4.8. Regla de la cadena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
4.8.1. Funciones compuestas, inversas e impl´ ıcitas de una variable . 267
4.8.2. Composici´n de funciones vectoriales . . . . . . . . . . . . .
o . 268
4.8.3. Regla de la cadena. Perspectiva te´rica: Diferencial . . . . .
o . 271
4.8.4. Regla de la cadena. Perspectiva pr´ctica: Parciales . . . . .
a . 273
4.8.5. Regla de la cadena. Perspectiva general: Matriz jacobiana . . 281
4.9. Funciones impl´ ıcitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
4.9.1. Funciones de una variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
4.9.2. Funciones de dos variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.10. Extremos de las funciones de varias variables . . . . . . . . . . . . . 296
4.10.1. Introducci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . 296
4.10.2. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
4.10.3. Estudio de la naturaleza de los puntos cr´ ıticos . . . . . . . . 298
4.10.4. Extremos condicionados. Multiplicadores de Lagrange . 305
4.10.5. M´ximos y m´
a ınimos absolutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
4.11. Problemas propuestos del Cap´ ıtulo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5. Integral definida. C´lculo de primitivas
a 319
5.1. La estimaci´n de un ´rea. Sumas de Riemann. . . . . . . . .
o a . . . . 319
5.1.1. Significado geom´trico de la integral . . . . . . . . . .
e . . . . 319
5.1.2. C´lculo de l´
a ımites utilizando el concepto de integral . . . . . 324
5.1.3. Propiedades de la integral definida . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.2. El teorema fundamental del C´lculo . . . . . . . . . . . . . .
a . . . . 333
5.2.1. Regla de Barrow: La integral como una primitiva . . . . . . . 337
5.3. Integraci´n inmediata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . 341
5.3.1. Propiedades de la integral indefinida . . . . . . . . . . . . . . 341
5.3.2. Tabla de integrales inmediatas . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
5.4. Integraci´n mediante cambio de variable . . . . . . . . . . . .
o . . . . 343
5.5. Integraci´n por partes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . 346
5.6. Integraci´n de funciones racionales . . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . 350
5.6.1. Integraci´n de fracciones elementales . . . . . . . . . .
o . . . . 350
5.6.2. Integraci´n mediante desarrollo en fracciones simples .
o . . . . 351
5.7. Integraci´n de expresiones trigonom´tricas . . . . . . . . . . .
o e . . . . 358
5.7.1. Integraci´n de potencias de funciones trigonom´tricas
o e . . . . 358
5.7.2. Integraci´n de funciones racionales del sen y del cos .
o . . . . 360
5.8. Integraci´n de funciones irracionales . . . . . . . . . . . . . .
o . . . . 362
5.8.1. Radicales semejantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
5.8.2. La sustituci´n trigonom´trica . . . . . . . . . . . . . .
o e . . . . 363
5.9. Problemas propuestos del Cap´ ıtulo 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
7. ´
INDICE GENERAL vii
6. Aplicaciones de la integral. 367
6.1. C´lculo del ´rea de una figura plana. . . . . . . . . . . . . . . . . .
a a . 367
6.2. C´lculo del volumen de un cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a . 370
6.2.1. Volumen de un cuerpo cualquiera: M´todo de secciones . .
e . 370
6.2.2. Volumen de un s´lido de revoluci´n: M´todo de discos . . .
o o e . 371
6.2.3. Volumen de un s´lido de revoluci´n: M´todo de los cilindros
o o e . 371
6.3. L´
ımite de sumas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
6.4. Problemas propuestos del Cap´ ıtulo 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Soluciones a los ejercicios y problemas propuestos 379
Bibliograf´
ıa 383
´
Indice alfab´tico
e 384
Copyright c by Salvador Vera Ballesteros, 1998-2004.
9. Cap´
ıtulo 1
Conceptos b´sicos
a
1.1. La recta real
Suponemos conocidos los n´meros reales, as´ como su representaci´n en la
u ı o
recta real.
Los n´meros reales se pueden representar mediante expresiones deci-
u
males finitas o infinitas. Si la expresi´n decimal es finita o peri´dica infinita,
o o
entonces el n´mero real se puede expresar como el cociente de dos n´meros
u u
enteros y se dice que el n´mero real es racional. Rec´
u ıprocamente cualquier
n´mero racional (cociente de dos enteros) se puede expresar mediante una
u
expresi´n decimal finita o infinita peri´dica. Cuando la expresi´n decimal
o o o
tiene infinitas cifras que no se repiten de manera peri´dica se dice que el
o
n´mero real es irracional.
u
Los n´meros reales admiten una representaci´n geom´trica en una recta.
u o e
En dicha representaci´n cada n´mero real se representa por un solo punto
o u
de la recta y cada punto de la recta representa un solo n´mero real. En con-
u
secuencia, hablaremos indistintamente de n´mero o de punto. Por convenio,
u
los n´meros positivos se representan a la derecha del cero y los negativos a
u
la izquierda. Se llama recta real a una recta en la que se han representado
los n´meros reales.
u
−3 −2 −1 0 1 2 3
−1
√ π
2 2
Figura 1.1: La recta real
1.1.1. Orden, desigualdades e intervalos
Definici´n 1.1 (N´ meros positivos y n´ meros negativos). 1) Para
o u u
cada n´mero real a est´ definida una y s´lo una de las siguientes relaciones:
u a o
1
10. 2 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
a) a es mayor que cero (es positivo), a > 0;
b) a es igual a cero, a = 0;
c) a es menor que cero (es negativo), a < 0.
2) Si a y b son n´meros positivos, entonces
u
a) Su suma es positiva, a + b > 0.
b) Su producto es tambi´n positivo, ab > 0.
e
Definici´n 1.2 (Orden en la recta real). Dados dos n´meros reales a y
o u
b. Se dice que a es menor que b y se denota a < b, si b − a es positivo.
a<b ⇔ b−a>0
Si a es menor que b, tambi´n se dice que b es mayor que a y se escribe b > a
e
ımbolo a ≤ b significa que a es menor o igual que b.
El s´
Si a < b, entonces a se representa en la recta a la izquierda de b.
Proposici´n 1.1 (Propiedades de las desigualdades). Si a, b, c y d
o
son n´meros reales, se tiene:
u
1. Transitiva: Si a < b y b < c, entonces a < c
2. Aditiva: Si a < b y c < d, entonces a + c < b + d
a+c<b+c
3. Si a < b, entonces, para cualquier n´mero real c
u
a−c<b−c
4. Si a < b y p > 0, entonces ap < bp
5. Si a < b y n < 0, entonces an > bn
Nota: En consecuencia, podemos decir que con las desigualdades se pueden realizar las
mismas transformaciones que con las igualdades, salvo que al multiplicar o dividir, ambos
miembros, por un n´mero negativo hay que invertir el sentido de la desigualdad. As´
u ı,
−2x < 6 ↔ x > −3
Una desigualdad en la que aparecen una o varias variables tambi´n se llama inecuaci´n.
e o
Definici´n 1.3 (Intervalos). Sean a y b dos n´meros reales tales que
o u
a ≤ b. Se llama intervalo abierto de extremos a y b, al conjunto de puntos
comprendidos entre a y b, excluidos dichos puntos
(a, b) = {x ∈ R/ a < x < b}
Se llama intervalo cerrado de extremos a y b, al conjunto de puntos com-
prendidos entre a y b, incluidos dichos puntos
[a, b] = {x ∈ R/ a ≤ x ≤ b}
Nota: Usamos par´ntesis (a, b), tanto para representar el intervalo abierto (a, b), como
e
para indicar el punto del plano de coordenadas (a, b). No obstante, el contexto determi-
nar´ en cada caso a qu´ nos estamos refiriendo.
a e
11. 1.1. LA RECTA REAL 3
Tambi´n se definen los siguientes tipos de intervalos:
e
Intervalos semiabiertos
[a, b) = {x ∈ R/ a ≤ x < b}
(a, b] = {x ∈ R/ a < x ≤ b}
Intervalos infinitos
(−∞, b] = {x ∈ R/ x ≤ b}
(−∞, b) = {x ∈ R/ x < b}
(a, +∞) = {x ∈ R/ a < x}
[a, +∞) = {x ∈ R/ a ≤ x}
(−∞, +∞) = R
Ejemplo 1.1 (Resolviendo inecuaciones). Hallar el conjunto soluci´n de las
o
siguientes desigualdades
a) 2x − 3 < 5 b) 3 − 2x < 5
Soluci´n. a) Operando, como si se tratara de una ecuaci´n, resulta:
o o
8
2x − 3 < 5 → 2x < 5 + 3 → x< → x<2
2
Por tanto, el conjunto soluci´n es el intervalo (−∞, 2).
o
b) En este caso operamos de la misma manera, pero al dividir por -2 inver-
timos el sentido de la desigualdad. As´ı,
2
3 − 2x < 5 → −2x < 5 − 3 → x> → x > −1
−2
Luego el conjunto soluci´n es el intervalo (−1, +∞).
o
Ejemplo 1.2 (Resolviendo sistemas de inecuaciones). Hallar el conjunto
soluci´n del siguiente sistema de desigualdades
o
2x + 1 ≥ −1
3x − 7 ≤ 2
Soluci´n. Se trata de hallar la intersecci´n de los conjuntos soluci´n de
o o o
cada una de las desigualdades. Para ello, resolvemos ambas inecuaciones
por separado y luego hallamos la intersecci´n
o
2x + 1 ≥ −1 2x ≥ −1 − 1 2x ≥ −2 x ≥ −1
3x − 7 ≤ 2 3x ≤ 2 + 7 3x ≤ 9 x≤3
Luego el intervalo soluci´n es [−1, 3]
o
12. 4 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Ejemplo 1.3 (Resolviendo inecuaciones dobles). Hallar el conjunto soluci´n
o
del siguiente sistema de desigualdades
2 − 3x ≥ −1
2 − 3x ≤ 11
Soluci´n. Podemos resolver cada inecuaci´n por separado, o bien, utilizar el
o o
hecho de que la expresi´n 2 − 3x aparece en ambas inecuaciones y trabajar
o
conjuntamente. As´ı,
2 − 3x ≥ −1
− 1 ≤ 2 − 3x ≤ 11
2 − 3x ≤ 11
restando 2 en los tres miembros, resulta
−3 ≤ −3x ≤ 9
y dividiendo por -3
1 ≥ x ≥ −3
Luego el conjunto soluci´n es el intervalo [−3, 1].
o
Ejemplo 1.4 (Resolviendo inecuaciones cuadr´ticas). Hallar el conjunto
a
soluci´n de la inecuaci´n x
o o 2 < 6x − 8
Soluci´n. El camino m´s f´cil para resolver estas inecuaciones es dejar sola-
o a a
mente cero en el segundo miembro. As´ ı,
x2 − 6x + 8 < 0
ıces del polinomio p(x) = x2 − 6x + 8,
hallamos las ra´
√
2 6 ± 36 − 32 6±2 4
x − 6x + 8 = 0 → x = = =
2 2 2
Teniendo en cuenta que un polinomio cambia de signo s´lo en sus ceros1 ,
o
podemos resolver la desigualdad probando el signo del polinomio en cada
uno de los intervalos
x < 2, 2 < x < 4, x>4
que puede hacerse eligiendo un punto cualquiera en cada uno de los intervalos
y viendo el valor del polinomio en ese punto (puesto que en todo el intervalo
el polinomio conserva el signo). As´ı,
p(0) = +8 > 0, p(3) = 9 − 18 + 8 = −1 < 0, p(5) = 25 − 30 + 8 = +3 > 0
Como la desigualdad se cumple s´lo en el intervalo central, se concluye que
o
el conjunto soluci´n es
o
2 < x < 4 es decir, el intervalo (2, 4)
1
ver Corolario 1.3 en la p´gina 61
a
13. 1.1. LA RECTA REAL 5
Ejemplo 1.5 (Resolviendo inecuaciones racionales). Hallar el conjunto solu-
ci´n de la desigualdad
o
x−2
<2
x−4
Soluci´n. Dejamos cero en el segundo miembro, y operamos
o
x−2 x−2 x − 2 − 2x + 8 6−x
<2 → −2<0 → <0 → <0
x−4 x−4 x−4 x−4
Consideramos la funci´n racional
o
6−x
r(x) =
x−4
Y teniendo en cuenta que una funci´n racional puede cambiar de signo tanto
o
en los ceros del numerador como en los ceros del denominador, resulta que la
funci´n puede cambiar de signo en los puntos: x = 4 y x = 6. Luego podemos
o
resolver la desigualdad comprobando el signo de la funci´n racional en cada
o
uno de los intervalos
x<4 4<x<6 x>6
que puede hacerse eligiendo un punto cualquiera en cada uno de los intervalos
y viendo el valor de la funci´n en ese punto. As´
o ı,
6 1 −1
r(0) = < 0, r(5) = > 0, r(7) = <0
−4 1 3
Como la desigualdad se cumple s´lo en los dos intervalos de los extremos,
o
se concluye que el conjunto soluci´n es
o
x < 4 ´ x > 6, es decir, la uni´n de los intervalos (−∞, 4) ∪ (6, +∞)
o o
1.1.2. Valor absoluto y distancia
Definici´n 1.4 (Valor absoluto). Se llama valor absoluto de un n´mero
o u
ımbolo |x|, a dicho n´mero si es positivo, y a su
real x, y se denota por el s´ u
opuesto si es negativo.
x si x ≥ 0
| x |=
−x si x < 0
Es decir, |x| representa la distancia desde el origen al punto x.
Ejemplo, |3| = 3, |0| = 0, | − 3| = 3.
Nota: El valor absoluto de un n´mero nunca es negativo. Puede sorprender que −x sea
u
positivo, sin embargo, esto no es nada sorprendente, ya que podemos pensar en −(−3) =
+3 que tambi´n es positivo, a pesar del signo menos inicial, ya que los dos signos menos
e
se compensan. Igual ocurre con −x donde el signo menos que aparece de manera expl´
ıcita
se compensa con el signo menos que x tiene impl´
ıcitamente, ya que hemos supuesto, en el
segundo apartado, que x es negativo.
14. 6 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Ejemplo 1.6. Eliminar el valor absoluto en las siguientes expresiones:
√ √ √ √
(a) |1 + 2 − 3| (b) |1 + 2 − 10|
Soluci´n. Tenemos que comprobar si la expresi´n que hay dentro del valor
o o
absoluto da como resultado un n´mero positivo o negativo, si es positivo la
u
dejamos igual, y si es negativo la cambiamos de signo para convertirlo en
positivo. En consecuencia:
√ √ √ √
(a) |1 + √2 − √3| = 1 + 2 − 3 √
√ √ √
(b) |1 + 2 − 10| = −(1 + 2 − 10) = −1 − 2 + 10
Propiedades del valor absoluto
1. |x| ≥ 0 El valor absoluto nunca es negativo.
2. |x| = 0 ⇔ x = 0 El valor absoluto igualado a cero se puede suprimir.
3. |x|2 = |x2 | = x2 El valor absoluto elevado al cuadrado se puede suprimir.
4. |x| = | − x| Dentro del valor absoluto se puede cambiar de signo.
√
5. x2 = |x|
6. −|x| ≤ x ≤ |x|
7. |x + y| ≤ |x| + |y|
8. |xy| = |x| · |y|
Si p es positivo, se tiene: |x| < p
9. |x| ≤ p ⇔ −p ≤ x ≤ p −p 0 p
k
Q
x≥p ' |x| = p E
10. |x| ≥ p ⇔ o k
Q
x ≤ −p |x| p
Aunque formalmente no es correcto, esta propiedad puede expresarse
de la forma:
|x| ≥ p ⇔ −p ≥ x ≥ p
Habr´ que tener en cuenta que cada desigualdad va por separado.
a
Nota: Tenemos que tanto x como −x son ra´ ıces cuadradas de x2 , ya que (+x)2 = x2 y
√
(−x)2 = x2 . Sin embargo, en C´lculo, para evitar la ambivalencia, el s´
a ımbolo x denota
exclusivamente la ra´ no-negativa de x.
ız
√
As´ por ejemplo, aunque 4 tenga dos ra´
ı, ıces cuadradas, 2 y -2, con el s´ımbolo 4
√
solamente nos referimos a la ra´ cuadrada positiva 4 = +2. Para indicar la ra´ cuadrada
ız ız
√
negativa tendremos que explicitarlo con un signo menos − 4 = −2.
15. 1.1. LA RECTA REAL 7
Ejemplo 1.7 (Ecuaciones con valor absoluto). Resolver las siguientes ecua-
ciones:
1. |x − 5| = 4, 2. |x − 5| = −4, 3. |x − 5| = 0, 4. |x + 1| = 3x − 9
Soluci´n.
o
x−5=4 x=9
1. |x − 5| = 4 ⇒ o
´
x − 5 = −4 x=1
2. |x − 5| = −4 No tiene soluci´n.
o
3. |x − 5| = 0 ⇒ x−5=0 ⇒ x=5
3x − 9 ≥ 0 ⇒ 3x ≥ 9 ⇒ x ≥ 3
y
x+1≥0
x ≥ −1
x=5
4. |x + 1| = 3x − 9 ⇒ x + 1 = 3x − 9 10 = 2x ⇒x=5
o
´
x+1≤0
x ≤ −1
No
−x − 1 = 3x − 9 8 = 4x
En general, el m´todo m´s directo de atacar un problema referente a va-
e a
lores absolutos requiere la consideraci´n por separado de distintos casos. En
o
particular, siempre habr´ que considerar si lo que hay dentro del valor abso-
a
luto es positivo o es negativo. Sin embargo, en ocasiones pueden emplearse
otros m´todos m´s sencillo, por ejemplo, la ecuaci´n |x+1| = 3x−9 tambi´n
e a o e
puede resolverse gr´ficamente, estudiando los puntos de corte de las gr´ficas
a a
de las funciones f (x) = |x + 1| y g(x) = 3x − 9. Otra manera de abordar
esta ecuaci´n es resolviendo la ecuaci´n irracional: (x + 1)2 = 3x − 9
o o
Ejemplo 1.8 (Desigualdades con valor absoluto). Resolver las siguientes
desigualdades:
1. |x − 1| ≤ 3, 2. |2 − 4x| ≤ 6, 3. |x| ≥ 2
4. |x − 1| ≥ 2 5. |2x − 3| ≤ −2, 6. |2x − 3| ≥ −2
Soluci´n.
o
1. |x − 1| ≤ 3 ⇒ −3 ≤ x − 1 ≤ 3 ⇒ −2 ≤ x ≤ 4 ⇒ x ∈ − 2, 4
2. |2 − 4x| ≤ 6 ⇒ −6 ≤ 2 − 4x ≤ 6 ⇒ −8 ≤ −4x ≤ 4 ⇒ 2 ≥ x ≥ −1 ⇒
⇒ −1 ≤ x ≤ 2 ⇒ x ∈ − 1, 2
x≥2
3. |x| ≥ 2 ⇒ ⇒ x ∈ − ∞, −2 ∪ 2, +∞
x ≤ −2
16. 8 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
x≥3
4. |x − 1| ≥ 2 ⇒ −2 ≥ x − 1 ≥ 2 ⇒ −1 ≥ x ≥ 3 ⇒ ⇒
x ≤ −1
⇒ x ∈ ∞, −1 ∪ 3, +∞
5. |2x − 3| ≤ −2 ⇒ No tiene soluci´n.
o
6. |2x − 3| ≥ −2 ⇒ Se cumple siempre, luego x ∈ (−∞, +∞)
Ejemplo 1.9 (Sistemas de desigualdades). Resolver el sistema de desigual-
dades:
|2x − 2| ≤ 4
|2x − 3| ≥ 1
Soluci´n. Resolvemos cada desigualdad por separado y luego hallamos la
o
intersecci´n de los conjuntos soluci´n.
o o
|2x − 2| ≤ 4 −4 ≤ 2x − 2 ≤ 4 ⇒ −2 ≤ 2x ≤ 6 ⇒ −1 ≤ x ≤ 3
x≥2 ⇒
|2x − 3| ≥ 1 −1 ≥ 2x − 3 ≥ 1 ⇒ 2 ≥ 2x ≥ 4 ⇒ 1 ≥ x ≥ 2 ⇒ x ≤ 1
⇒ x ∈ − 1, 1 ∪ 2, 3
Expresi´n de intervalos mediante valor absoluto
o
Cualquier intervalo se puede expresar en t´rminos de valor absoluto de la
e
siguiente forma:
a+b b−a
a, b = x ∈ R/ |x − |≤
2 2
Si m es el punto medio del intervalo [a, b], y r el radio, entonces:
|x − m| ≤ r
Para hallar el punto medio de un intervalo basta con hallar la media aritm´tica de sus
e
extremos. es decir, el punto medio del intervalo (a, b) es
a+b
m=
2
Ejemplo 1.10 (Expresi´n de intervalos mediante valor absoluto). Expresar
o
mediante valor absoluto los siguientes intervalos:
1. − 2, 2 , 2. − 1, 3 , 3. − ∞, −2 ∪ 2, +∞ , 4. − ∞, 1 ∪ 5, +∞ .
Soluci´n.
o
1. − 2, 2 = {x ∈ R/ |x| ≤ 2}
17. 1.1. LA RECTA REAL 9
2. − 1, 3 = {x ∈ R/ |x − 1| ≤ 2}
3. − ∞, −2 ∪ 2, +∞) = {x ∈ R/ |x| ≥ 2}
4. − ∞, 1 ∪ 5, +∞) = {x ∈ R/ |x − 3| ≥ 2}
Ejemplo 1.11. Expresi´n mediante valor absoluto de un entorno reducido,
o
es decir, de un entorno en el que se ha suprimido el centro. Por ejemplo,
un entorno reducido de 4 de radio 2.
Soluci´n.
o
(2, 4) ∪ (4, 6) = {x ∈ R/ 0 |x − 4| 2}
La manera de expresar que x = 4 es mediante la desigualdad 0 |x − 4|
Distancia entre dos puntos de la recta real
Definici´n 1.5 (Distancia entre dos puntos de la recta real). La
o
distancia entre dos puntos x1 y x2 de la recta real, viene definida por el
valor absoluto de su diferencia
d = |x2 − x1 | = (x2 − x1 )2
Nota: El orden en que se restan los puntos x1 y x2 no importa, ya que |x2 −x1 | = |x1 −x2 |
A la diferencia de los n´meros (sin el valor absoluto) se le llama distancia dirigida.
u
As´
ı,
a) la distancia dirigida de x1 a x2 es x2 − x1 ; y,
b) la distancia dirigida de x2 a x1 es x1 − x2 .
En consecuencia, la distancia dirigida es positiva cuando se mide hacia la derecha
(orden creciente de los n´meros) y negativa cuando se mide hacia la izquierda (orden
u
decreciente de los n´meros).
u
Ejemplo 1.12 (Distancia en la recta). Hallar la distancia entre -2 y 5
Soluci´n. a) La distancia entre -2 y 5 viene dada por:
o
d = |5 − (−2)| = |7| = 7
b) La distancia dirigida desde -2 a 5 es 5-(-2)=7
c) La distancia dirigida desde 5 a -2 es -2-5=-7
Distancia = 7
−3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 6
Figura 1.2: Distancia en la recta real
18. 10 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Ejercicios propuestos de la secci´n 1.1. La recta real
o
Soluciones en la p´gina 379
a
1.1.1. Resolver las desigualdades:
1
a) x b) 3 ≤ x2 − 6x + 8 ≤ 8
x
1.1.2. Resolver las ecuaciones:
x−2
a) |3x − 6| = x + 2 b) =3
x−1
1.1.3. Resolver las desigualdades
x−2
a) |3x − 6| x + 2 b) 3
x−1
1.2. El plano y el espacio cartesiano
1.2.1. Sistema rectangular de coordenadas cartesianas
a) Plano cartesiano. Un sistema de coordenadas rectangulares o carte-
siano, en el plano, se construye mediante dos rectas perpendiculares, lla-
madas ejes de coordenadas. La recta real horizontal se llama tradicional-
mente eje x y la vertical eje y. Su punto de intersecci´n se llama origen de
o
coordenadas.
Los ejes de coordenadas dividen al plano en cuatro partes llamadas cua-
drantes.
Cada punto del plano se identifica por un par ordenado (x, y) de n´meros
u
reales, llamados coordenadas del punto. El n´mero x se llama coordenada x
u
o abscisa y representa la distancia dirigida desde el eje y al punto. El n´mero
u
y se llama coordenada y u ordenada y representa la distancia dirigida desde
el eje x al punto.
y
Cuadrante II 3 Cuadrante I
2 x (x, y)
y
1 y
x
−3 −2 −1 1 2x3
−1
−2 Origen
Cuadrante III −3 Cuadrante IV
Figura 1.3: El plano cartesiano
20. 12 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
a los ejes de coordenadas, y aplicamos el teorema de Pit´goras.
a
y
y1 (x1 , y1 )
|y2 − y1 | d
y2 (x2 , y2 )
|x2 − x1 |
x1 x2 x
Figura 1.6: Distancia entre dos puntos
En su virtud, resulta
d2 = (x2 − x1 )2 + (y2 − y1 )2
de donde, tomando la ra´ cuadrada positiva, ya que la distancia entre dos
ız
puntos es un n´mero positivo, resulta
u
d= (x2 − x1 )2 + (y2 − y1 )2
Proposici´n 1.2 (Distancia entre dos puntos del plano). La distancia
o
d entre los puntos (x1 , y1 ) y (x2 , y2 ) viene dada por
d= (x2 − x1 )2 + (y2 − y1 )2
b) En el espacio. Para hallar la distancia entre dos puntos del espacio,
(x1 , y1 , z1 ) y (x2 , y2 , z2 ), se aplica el teorema de Pit´goras dos veces y se
a
obtiene la siguiente f´rmula o
d= (x2 − x1 )2 + (y2 − y1 )2 + (z2 − z1 )2
c) En el espacio n-dimensional. Se llama punto x de un espacio n-
dimensional al conjunto ordenado (n-upla) de n´meros reales (x1 , x2 , · · · , xn )
u
El n´mero xi se llama coordenada i-´sima del punto x; i = 1, 2, . . . , n.
u e
Definici´n 1.6 (Distancia entre dos puntos de Rn ). La distancia
o
entre dos puntos x = (x1 , · · · , xn ) e y = (y1 , · · · , yn ) se define por la
f´rmula
o
d(x, y) = (x1 − y1 )2 + · · · (xn − yn )2 (1.1)
Ejemplo 1.13 (Distancia entre dos puntos). Hallar la distancia:
a) Entre los puntos (−2, 4) y (2, 1).
b) Entre los puntos (2, 2, 3) y (3, 4, 5).
Soluci´n. Aplicando, en cada caso, la f´rmula (1.1), resulta
o o
√ √
a) d = [2 − (−2)]2 + (1 − 4)2 = 16 + 9 = 25 = 5
√ √
b) d = (3 − 2)2 + (4 − 2)2 + (5 − 3)2 = 1 + 4 + 4 = 9 = 3
21. 1.2. EL PLANO Y EL ESPACIO CARTESIANO 13
1.2.3. El c´
ırculo y la esfera
a) La circunferencia en el plano. Teniendo en cuenta que la circunferen-
cia de centro (x0 , y0 ) y radio r est´ formada por los puntos del plano cuya
a
distancia al centro (x0 , y0 ) es el radio r, resulta
Proposici´n 1.3 (Ecuaci´n de la circunferencia). El punto (x, y)
o o
est´ en la circunferencia de centro (x0 , y0 ) y radio r si y s´lo si
a o
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 = r2 (1.2)
Demostraci´n. En efecto, si (x, y) es un punto de la circunferencia, su dis-
o
tancia al centro (x0 , y0 ), ser´ r, en consecuencia
a
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 = r
y elevando al cuadrado los dos miembros de la igualdad se obtiene la ecuaci´n
o
de la circunferencia
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 = r2
Si la circunferencia tiene su centro en el origen de coordenadas (0, 0) y
radio r, su ecuaci´n ser´
o a
x2 + y 2 = r2
Se llama c´
ırculo o disco al interior de una circunferencia. En consecuencia
Proposici´n 1.4 (Ecuaci´n de un c´
o o ırculo o disco). El punto (x, y)
ırculo de centro (x0 , y0 ) y radio r si y s´lo si
est´ en el c´
a o
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 r2 (1.3)
Si consideramos que el c´
ırculo incluye la circunferencia, su ecuaci´n es
o
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 ≤ r2
y y
(x0 , y0 ) (x0 , y0 )
r r
(x, y) (x, y)
x x
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 = r2 (x − x0 )2 + (y − y0 )2 r2
Figura 1.7: Circunferencia y c´
ırculo
Ejemplo 1.14 (Hallando la ecuaci´n de una circunferencia). Una circunfe-
o
rencia tiene su centro en el punto (−2, 1) y contiene al punto (1, 3)
a) Halla la ecuaci´n de la circunferencia
o
b) Halla la ecuaci´n del c´
o ırculo delimitado por la circunferencia
22. 14 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Soluci´n. El radio es la distancia entre el centro (−2, 1) y el punto (1, 3). En
o
consecuencia,
√ √
r = [1 − (−2)]2 + (3 − 1)2 = 9 + 4 = 13
Por lo tanto, se tiene: a) Ecuaci´n de la circunferencia.
o
√
[x − (−2)]2 + (y − 1)2 = ( 13)2
de donde,
(x + 2)2 + (y − 1)2 = 13
b) Ecuaci´n del c´
o ırculo.
(x + 2)2 + (y − 1)2 13
y
(1, 3)
(−2, 1)r
x
Figura 1.8: (x + 2)2 + (y − 1)2 ≤ 13
Ecuaci´n general de la circunferencia. Si en la ecuaci´n can´nica de la
o o o
circunferencia
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 = r2
eliminamos los par´ntesis y simplificamos, resulta una ecuaci´n del tipo
e o
Ax2 + Ay 2 + Dx + Ey + F = 0, A=0 (1.4)
que es la forma general de la ecuaci´n de la circunferencia.
o
Nota: Observese que los coeficientes de x2 y de y 2 han de ser iguales para que se trate
de una circunferencia.
Ejemplo 1.15 (Completando cuadrados). Hallar el centro y el radio de la
circunferencia cuya ecuaci´n en forma general es
o
4x2 + 4y 2 + 4x − 16y + 13 = 0
Soluci´n. Pasamos de la forma general a la forma can´nica completando
o o
cuadrados. Para ello, en primer lugar dividimos por 4 para que los coefi-
cientes de x2 e y 2 sean 1.
13
4x2 + 4y 2 + 4x − 16y + 13 = 0 → x2 + y 2 + x − 4y + =0
4
23. 1.2. EL PLANO Y EL ESPACIO CARTESIANO 15
en segundo lugar agrupamos los t´rminos semejantes.
e
13
(x2 + x+ ) + (y 2 − 4y+ )=−
4
Completamos los cuadrados
1 13 1
x2 + 1x + + (y 2 − 4y + 4) = − + +4
4 4 4
(mitad)2
(mitad)2
de donde resulta
2
1
x+ + (y − 2)2 = 1
2
y por tanto, la circunferencia tiene centro en el punto ( −1 , 2) y radio 1.
2
Ejemplo 1.16 (Conjunto soluci´n con un unico punto). Discutir la gr´fica
o ´ a
de la ecuaci´n
o
3x2 + 3y 2 − 18x − 12y + 39 = 0
Soluci´n. Pasamos de la forma general a la forma can´nica completando
o o
cuadrados. Para ello, en primer lugar dividimos por 3 para que los coefi-
cientes de x2 e y 2 sean 1.
3x2 + 3y 2 − 18x − 12y + 39 = 0 → x2 + y 2 − 6x − 4y + 13 = 0
en segundo lugar agrupamos los t´rminos semejantes
e
(x2 − 6x+ ) + (y 2 − 4y+ ) = −13
completamos los cuadrados, con lo que resulta
(x2 − 6x + 9) + (y 2 − 4y + 4) = −13 + 9 + 4
de donde
(x − 3)2 + (y − 2)2 = 0
y esta ecuaci´n s´lo se cumple cuando x = 3 e y = 2. Es decir, la gr´fica de
o o a
la ecuaci´n se reduce al punto (3, 2)
o
Ejemplo 1.17 (Ecuaci´n sin conjunto soluci´n). Discutir la gr´fica de la
o o a
ecuaci´n
o
x2 + y 2 + 2x − 4y + 9 = 0
24. 16 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Soluci´n. Pasamos de la forma general a la forma can´nica completando
o o
cuadrados. Agrupamos los t´rminos semejantes, tenemos
e
(x2 + 2x+ ) + (y 2 − 4y+ )+9=0
completando cuadrados
(x + 1)2 − 1 + (y − 2)2 − 4 + 9 = 0
de donde resulta
(x + 1)2 + (y − 2)2 = −4
que no tiene soluci´n ya que la suma de dos cuadrados no puede dar un
o
resultado negativo.
Nota: La ecuaci´n general Ax2 + Ay 2 + Dx + Ey + F = 0 no siempre representa una
o
circunferencia, sino que, en algunas ocasiones se reduce a un punto, y en otras no tiene
soluci´n
o
b) La esfera en el espacio. Teniendo en cuenta que la superficie esf´rica e
de centro (x0 , y0 , z0 ) y radio r est´ formada por los puntos del espacio cuya
a
distancia al centro (x0 , y0 , z0 ) es el radio r, resulta la siguiente
Proposici´n 1.5 (Ecuaci´n de la superficie esf´rica). El punto
o o e
(x, y, z) est´ en la superficie esf´rica de centro (x0 , y0 , x0 ) y radio r si
a e
y s´lo si
o
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 + (z − z0 )2 = r2 (1.5)
Demostraci´n. En efecto, si (x, y, z) es un punto de la superficie esf´rica, su
o e
distancia al centro (x0 , y0 , z0 ), ser´ r. En consecuencia
a
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 + (z − z0 )2 = r
y elevando al cuadrado los dos miembros de la igualdad se obtiene la ecuaci´n
o
de la superficie esf´rica
e
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 + (z − z0 )2 = r2
Si la esfera tiene su centro en el origen de coordenadas (0, 0, 0) y radio
r, la ecuaci´n de la superficie esf´rica ser´
o e a
x2 + y 2 + z 2 = r2
Se llama esfera o bola al interior de una superficie esf´rica. En conse-
e
cuencia
Proposici´n 1.6 (Ecuaci´n de una esfera o bola). El punto (x, y, z)
o o
est´ en la esfera de centro (x0 , y0 , z0 ) y radio r si y s´lo si
a o
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 + (z − z0 )2 r2 (1.6)
Si consideramos que la esfera incluye la superficie esf´rica, su ecuaci´n es
e o
(x − x0 )2 + (y − y0 )2 + (z − z0 )2 ≤ r2
25. 1.3. FUNCIONES 17
Ejemplo 1.18 (Hallando la ecuaci´n de una esfera). Una superficie esf´rica
o e
tiene su centro en el punto (−2, 1, 3) y contiene al punto (1, 3, 2)
a) Halla la ecuaci´n de la superficie esf´rica
o e
b) Halla la ecuaci´n de la esfera delimitada por la superficie esf´rica
o e
Soluci´n. El radio es la distancia entre el centro (−2, 1, 3) y el punto (1, 3, 2).
o
En consecuencia,
√ √
r = [1 − (−2)]2 + (3 − 1)2 + (2 − 3)2 = 9 + 4 + 1 = 14
Por lo tanto, se tiene: a) Ecuaci´n de la superficie esf´rica.
o e
√
[x − (−2)]2 + (y − 1)2 + (z − 3)2 = ( 14)2
de donde,
(x + 2)2 + (y − 1)2 + (z − 3)2 = 14
b) Ecuaci´n de la esfera.
o
(x + 2)2 + (y − 1)2 + (z − 3)2 ≤ 14
Ejercicios propuestos de la secci´n 1.2. El plano y el espacio
o
cartesiano
Soluciones en la p´gina 379
a
1.2.1. Hallar x tal que la distancia del origen al punto (x, 4) sea 5.
1.2.2. Hallar y de modo que la distancia de (−1, 2) a (2, y) sea 5.
1.2.3. Discutir las gr´ficas de las ecuaciones:
a
a) x2 + y 2 + 6x − 4y + 12 b) x2 + y 2 − 2x + 4y + 5 = 0 c) x2 + y 2 − 4x − 6y + 14 = 0
1.2.4. Hallar, en cada caso, el conjunto de todos los puntos que verifican la desigualdad
a) x2 +y 2 −6x−4y +9 ≤ 0 b) x2 +y 2 −4x−2y +1 0 c) x2 +y 2 +2x−4y +6 0
1.3. Funciones
1.3.1. Definiciones
En la vida real nos encontramos con magnitudes que est´n relacionadas entre
a
s´ bien, porque existe una relaci´n num´rica entre ella, de manera que el
ı, o e
valor de una de ellas depende del valor de la otra. Por ejemplo la distancia
recorrida por un autom´vil depende del tiempo que lleva circulando. La
o
demanda de un determinado producto depende de su precio; o bien, porque
existe entre ellas una relaci´n no num´rica, de cualquier naturaleza. Por
o e
26. 18 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
ejemplo los ciudadanos y los pa´ ıses del mundo est´n relacionados por la
a
nacionalidad.
De las causas de estas relaciones se ocupan las distintas ramas del saber
(F´ısica, Econom´ Derecho, etc.). En C´lculo nos ocupamos del estudio de
ıa, a
estas relaciones vistas en s´ mismas, desposey´ndolas del significado material
ı e
de las magnitudes que intervienen. Adem´s, nos limitamos, en gran medida,
a
a un tipo particular de relaciones denominadas funciones.
Una funci´n es una correspondencia entre dos magnitudes (num´ricas
o e
o no num´ricas). Ahora bien, cuando nos referimos a funciones, la corres-
e
pondencia siempre hay que entenderla en una direcci´n determinada, por
o
ejemplo, el espacio funci´n del tiempo (el espacio ser´ la imagen y el tiem-
o ıa
po el origen). No obstante, hay que advertir que no se considera funci´n a o
cualquier correspondencia, sino que para que una correspondencia sea fun-
ci´n, la imagen de cada elemento tiene que ser unica y estar bien determi-
o ´
nada. Por ejemplo, la relaci´n entre los ciudadanos y los pa´ del mundo
o ıses
mediante la nacionalidad no es una funci´n, porque existen ciudadanos con
o
doble nacionalidad. Es decir, para que una correspondencia sea funci´n, los
o
originales no pueden tener m´s de una imagen, si bien, varios originales
a
distintos s´ que pueden tener la misma imagen. En consecuencia una corres-
ı
pondencia puede ser funci´n en un sentido y no serlo en el sentido contrario.
o
Nota: Aunque el concepto de funci´n nace del estudio de la relaci´n existente entre
o o
dos magnitudes que est´n vinculadas por una relaci´n de causalidad (causa-efecto), y se
a o
establece la causa como variable independiente y el efecto como variable dependiente. Sin
embargo, en Matem´ticas se pueden establecer funciones entre dos magnitudes, aunque
a
no exista ning´n tipo de causalidad entre ellas. Es decir, se pueden establecer relaciones
u
de manera artificial.
La idea de ((funci´n)) que se adquiere en los primeros contactos con el
o
C´lculo, tanto en la Ense˜anza Secundaria como en el Bachillerato, por
a n
lo com´n, suele identificar el concepto de funci´n con una ((f´rmula)), por
u o o
ejemplo
f (x) = x2 − 5x + 6,
y se entiende que esta f´rmula asocia a cada n´mero real x otro n´mero real
o u u
f (x). Basta sustituir x por un n´mero concreto y hacer las operaciones indi-
u
cadas, para obtener su imagen. Tambi´n se comprende que ciertas f´rmulas,
e o
tales como √
g(x) = x − 4,
no est´n definidas para todos los n´meros reales, y por tanto, que haya
e u
n´meros reales que no tengan imagen mediante dichas funciones, de ah´ el
u ı
estudio de los dominios. Sin embargo, el alumno de Secundaria, e incluso el
de Bachillerato, se suele resistir a comprender que haya funciones definidas
((a trozos)), ((en partes)), o ((seg´n los casos)). Es decir, funciones en las que
u
no todos los n´meros tienen el mismo tratamiento, sino que seg´n sea el
u u
n´mero se le aplica una f´rmula u otra para calcular su imagen. El ejemplo
u o
27. 1.3. FUNCIONES 19
m´s caracter´
a ıstico de este tipo de funciones es la funci´n valor absoluto
o
h(x) = |x|
que se define ((a trozos)) de la siguiente forma
x si x ≥ 0
h(x) =
−x si x 0
M´s incomprensible suelen se las funciones que se definen ((con un punto
a
aparte)) como la funci´n
o
sen x
x si x = 0
k(x) =
1 si x = 0
o las funciones definidas ((seg´n la naturaleza)) del punto, como por ejemplo
u
x si x ∈ Q
l(x) =
−x si x ∈ R − Q
en donde a los n´meros racionales se les aplica una f´rmula y a los irra-
u o
cionales otra.
Dentro de esta asociaci´n de ideas, funci´n versus f´rmula, todav´ es
o o o ıa
mucho m´s incomprensible el hecho de que haya funciones para las que no
a
exista una ((f´rmula)) que las represente.
o
Otra asociaci´n de ideas que tambi´n suele resultar perniciosa a la ho-
o e
ra de generalizar el concepto de funci´n es el identificar la funci´n con su
o o
((gr´fica)). Tanto la ((f´rmula)) como la ((gr´fica)) son dos instrumentos que
a o a
nos ayudan, enormemente, a comprender el concepto de ((funci´n)), pero no
o
debemos identificar los instrumentos con el concepto mismo, ni sentirnos
“atrapados” por los instrumentos a la hora de generalizar los conceptos.
Estas identificaciones de ideas que realizan los alumnos de Secundaria y
Bachillerato no nos deben de preocupar en demas´ ya que responden a las
ıa
mismas identificaciones de ideas que han realizado los matem´ticos a lo largo
a
de la historia de las Matem´ticas, pero es bueno explicitarlas y ponerlas de
a
manifiesto con objeto de superarlas.
Estas observaciones ponen de manifiesto que el requisito de que una fun-
ci´n sea una f´rmula es indebidamente restrictivo, y m´s a´n, el identificar
o o a u
las funciones con sus gr´ficas. Por otro lado, tambi´n resulta importante
a e
hacer una clara distinci´n entre la funci´n misma y los valores de la funci´n.
o o o
Es decir, una cosa es la funci´n f y otra el valor f (x).
o
Una primera aproximaci´n al concepto de funci´n podr´ ser la siguiente
o o ıa
definici´n:
o
Una funci´n f de un conjunto A a un conjunto B (A y B no necesaria-
o
mente distintos) es una regla de correspondencia que asigna a cada elemento
x de un cierto subconjunto D de A, un elemento (y s´lo uno) bien determi-
o
nado y de B (adem´s, ni A ni B pueden ser el conjunto vac´
a ıo).
28. 20 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Esto lo indicaremos de la siguiente forma,
f
D ⊆ A − B o bien f : D ⊆ A → B
→
f : x → y, o bien y = f (x)
Esta definici´n admite la posibilidad de que la funci´n pueda no estar
o o
definida para ciertos elementos de A, as´ como que haya elementos de B que
ı
no sean im´genes de elementos de A. Es decir, que tanto en A como en B
a
puede haber elementos no relacionados mediante la funci´n f . Y adem´s,
o a
admite la consideraci´n de funciones para las cuales los conjuntos A y B no
o
son necesariamente de n´meros reales. Sin embargo, la definici´n presenta
u o
un inconveniente y es que no es totalmente clara, ya que no se define lo que
deba interpretarse por ((regla de correspondencia)).
Una forma m´s precisa de definir el concepto de funci´n consiste en
a o
imaginarla como el conjunto formado por las parejas de elementos que est´n
a
relacionados entre s´ La funci´n as´ concebida ser´ un conjunto de pares
ı. o ı ıa
ordenados f ⊆ A×B. Evidentemente cualquier conjunto de pares ordenados
no define una funci´n, ya que el primer elemento de las parejas no se puede
o
repetir dentro del conjunto. La funci´n, as´ concebida, ser´ un conjunto, y
o ı ıa
la podemos pensar como el conjunto de puntos que integran la gr´fica de la
a
funci´n. La definici´n, en estos t´rminos, es la siguiente:
o o e
Definici´n 1.7 (Funci´n). Sean A y B conjuntos (no vac´ y no nece-
o o ıos
sariamente distintos). Una funci´n de A a B es un conjunto f de pares
o
ordenados de A × B con la propiedad de que si (a, b) y (a, b′ ) son elementos
de f , entonces b = b′ .
f = {(a, b) ∈ A × B / (a, b) ∈ f y (a, b′ ) ∈ f ⇒ b = b′ }
Resulta conveniente tener siempre presente esta doble concepci´n de las
o
funciones: una est´tica, como un conjunto de pares ordenados (a, b); y otra
a
din´mica, como una transformaci´n del primer elemento de cada par en el
a o
segundo b = f (a).
Si (a, b) es un elemento de una funci´n f , entonces, en vez de escribir
o
(a, b) ∈ f , se escribe:
b = f (a) o
´ f : a→b
es decir, por lo general, se hace referencia al elemento b como el valor de f
en el punto a, o la imagen de a bajo f .
Al exigir que la imagen ha de estar bien determinada lo que estamos
haciendo es eliminar la posibilidad de definir una funci´n mediante la que
o
se estableciera, por ejemplo, que la imagen de 4 ser´ 2 o −2, seg´n nos
a u
convenga en cada caso.
Dominio y recorrido de una funci´n
o
29. 1.3. FUNCIONES 21
Dominio. Al conjunto de todos los elementos de A que pueden aparecer
como primeros miembros de elementos de f se le llama dominio de f , y
se denota por Df , o simplemente D. Es decir, el dominio est´ formado
a
por todos los elementos de A que tienen imagen.
Recorrido. Al conjunto de todos los elementos de B que puedan aparecer
como segundos miembros de elementos de f se le llama rango, recor-
rido, imagen o conjunto de valores de f y se denota por Rf , o simple-
mente R. Es decir, el recorrido est´ formado por todos los elementos
a
de B que son imagen.
En el caso de que Df = A, la funci´n se llama ((aplicaci´n)), y se dice que
o o
f mapea o proyecta A en B (o que es un mapeo o proyecci´n de A en B) y
o
se escribe f : A → B.
Nota: No obstante, hay que advertir que algunos autores exigen en la definici´n de funci´n
o o
que el dominio coincida con el conjunto inicial, Df = A, e identifican ((funci´n)) con
o
((aplicaci´n)).
o
Sin embargo, nosotros entendemos que no es necesario incluir dicha restricci´n en la
o
definici´n de funci´n, y preferimos considerar las ((aplicaciones)) como un caso particular
o o
de las ((funciones)).
Nosotros hablaremos indistintamente de la funci´n f : A → B con dominio D ⊆ A, y
o
de la aplicaci´n f : D → B, salvo que, por cualquier motivo, tengamos que diferenciarlas.
o
Y, en general, escribiremos f : D ⊆ A → B para hacer referencia a cualquiera de las dos
funciones.
En las funciones que se estudian en C´lculo los conjuntos A y B son
a
subconjuntos de R o de Rn , y escribiremos:
f : D ⊆ R −→ R
f : x −→ y o bien, y = f (x)
En esta notaci´n se enfatiza el dominio D de la funci´n, sin embargo, el
o o
rango no queda expl´ ıcito. En C´lculo nos ocupamos mucho m´s del dominio
a a
que del rango. Las funciones de este tipo se llaman funciones reales de una
variable real (funciones reales porque las im´genes, f (x), son n´meros reales;
a u
de una variable real porque x ∈ R).
1.3.2. Representaci´n de funciones
o
Existen diversas maneras de visualizar una funci´n, las m´s usuales son
o a
mediante las cuatro representaciones siguientes:
1. Verbal – mediante una descripci´n con palabras.
o
2. Num´rica – mediante una tabla de valores.
e
3. Algebraica – mediante una ecuaci´n.
o
4. Visual – mediante – una gr´fica,
a
– un diagrama de flechas,
– una m´quina.
a
30. 22 CAP´ ´
ITULO 1. CONCEPTOS BASICOS
Unas representaciones responden mejor a la concepci´n est´tica de la
o a
funci´n, como conjunto de pares ordenados; y otras a la concepci´n din´mi-
o o a
ca, como proyecci´n o transformaci´n.
o o
Nota: Si bien, una misma funci´n puede representarse mediante todas las maneras posi-
o
bles, incluso, a veces, es conveniente utilizar varias representaciones de una misma funci´n
o
para tener un conocimiento m´s completo de la misma. Hay que tener en cuenta que
a
ciertas funciones se describen de manera m´s natural con uno de los m´todos que con
a e
otro.
a) Descripci´n verbal. Una funci´n puede venir definida mediante una
o o
descripci´n verbal. Por ejemplo, la funci´n que indica la relaci´n existente
o o o
entre el peso de las manzanas y el precio que hay que pagar por ellas,
suponiendo que el kilo de manzanas cuesta 1.5 euros.
b) Representaci´n tabular. Una manera importante de representar una
o
funci´n es mediante una tabla. Es lo que hacemos, normalmente, cuando
o
vamos a representar gr´ficamente una funci´n: darle valores y formar una
a o
tabla con ellos. La tabla puede construirse de manera horizontal o vertical.
x y
x0 y0 x x0 x1 · · ·
x1 y1 y y 0 y1 · · ·
.
. .
.
. .
Este procedimiento es especialmente util cuando se trata de representar
´
funciones no num´ricas. Por ejemplo, si queremos asociar una serie de pa´
e ıses
con sus capitales, podemos tener la siguiente funci´n:
o
Pa´ıs Capital
Argentina Buenos Aires
Chile Santiago
Espa˜a
n Madrid
M´xico
e M´xico
e
Per´u Lima
c) Expresi´n algebraica. En C´lculo la principal manera de representar
o a
una funci´n es mediante una ecuaci´n que liga a las variables (dependiente e
o o
independiente). Para evaluar la funci´n se a´ la variable dependiente en la
o ısla
parte izquierda de la ecuaci´n, con objeto de obtener la relaci´n funcional.
o o
As´ si escribimos la ecuaci´n 3x + 2y = 1 de la forma
ı, o
1 − 3x
y=
2
tenemos descrita y como funci´n de x y podemos denotar la relaci´n fun-
o o
cional mediante la expresi´n
o
1 − 3x
f (x) =
2
31. 1.3. FUNCIONES 23
Lo que nos permite evaluar la funci´n f en cualquier punto de su dominio,
o
sin m´s que sustituir x por el valor concreto. As´
a ı,
1 − 3(5) −14
f (5) = = = −7
2 2
Esta manera de expresar las funciones permite definir funciones por sec-
ciones, es decir, mediante varias f´rmulas, de tal manera que seg´n los casos
o u
se aplica una u otra.
Ejemplo 1.19 (Evaluando una funci´n definida por varias f´rmulas). Dada
o o
la funci´n definida por
o
x2 + 3 si x ≥ 1
f (x) =
2x + 5 si x 1
Evaluar f (0), f (1) y f (2).
Soluci´n. Lo que significa la expresi´n de f (x) es que antes de decidirnos por
o o
la f´rmula a aplicar hay que ver de qu´ n´mero se trata. As´ para evaluar los
o e u ı,
n´meros mayores o iguales que 1 se aplica la expresi´n x2 + 3, y para evaluar
u o
los n´meros menores que 1 se aplica la expresi´n 2x + 5. En consecuencia,
u o
f (0) = 2 · 0 + 5 = 0 + 5 = 5
f (1) = 12 + 3 = 1 + 3 = 4
f (2) = 22 + 3 = 4 + 3 = 7
d) Gr´fica. Una manera de visualizar una funci´n es por medio de una
a o
gr´fica. La gr´fica de una funci´n de una variable, por lo general, es una
a a o
curva en el plano. Sin embargo, no toda curva del plano es la representaci´n
o
de una funci´n. Para que una curva represente una funci´n no puede tener
o o
dos puntos en la misma vertical, ya que para que una correspondencia entre
dos magnitudes sea funci´n, la imagen tiene que ser unica. Por lo tanto, una
o ´
recta vertical puede cortar a la gr´fica de una funci´n a los sumo una vez
a o
(test de la recta vertical ).
y
T y
T • y2
y = f (x)
•y
x
E • y1
x x
E
x
Figura 1.9: Gr´fica de una funci´n de una variable. La circunferencia no es la gr´fica de
a o a
una funci´n (test de la recta vertical).
o