CÁLCULO DIFERENCIAL
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<strong>CÁLCULO</strong> <strong>DIFERENCIAL</strong><br />
Amaury Camargo y Favián Arenas A.<br />
Universidad de Córdoba<br />
Facultad de Ciencias Básicas e Ingenierías<br />
Departamento de Matemáticas
UNIDAD 1<br />
2. Funciones y modelos<br />
2.1. Relaciones y funciones<br />
Cálculo Diferencial<br />
Los pares ordenados de números reales desempeñan un papel importante en el estudio que se<br />
va a realizar.<br />
De nición .1 Si a y b son dos elementos de un conjunto, el par ordenado con primera componente<br />
a y segunda componente b se simboliza por (a; b) y es por de nición ffag ; fa; bgg : Esto<br />
es, (a; b) = ffag ; fa; bgg :<br />
Nota .1 Nótese que los pares ordenados (a; b) y (c; d) son iguales si y sólo si a = c y c = d<br />
De nición .2 El producto cartesiano de dos conjuntos A y B, que se nota A B, es el conjunto<br />
de todos los pares ordenados (a; b) con a 2 A y b 2 B; esto es,<br />
A B = f(a; b) : a 2 A y b 2 Bg<br />
De nición .3 Sean X y Y dos conjuntos. R es una relación de X a Y ó de X en Y sí y sólo sí<br />
R X Y . Si la pareja (x; y) está en R se escribe (x; y) 2 R, y se dice que x está relación<br />
por R o según R, con y.<br />
De nición .4 El dominio de R, que se denota DR, es el conjunto de elementos de X que estan<br />
relacionados por R con algún elemento de Y , esto es,<br />
DR = fx 2 X : existe algún y 2 Y tal que (x; y) 2 R g<br />
De nición .5 El recorrido de R, que se denota RR, es el conjunto de elementos de Y que<br />
están relacionados por R con algún elemento de X, es decir,<br />
RR = fy 2 Y : existe algún x 2 X tal que (x; y) 2 R g<br />
De nición .6 Si X y Y son conjuntos de números reales, la gra ca de una relación R de X a<br />
Y es el conjunto de todos los puntos (x; y) del plano coordenado para los cuales (x; y) 2 R.<br />
2.2. Funciones<br />
De nición .7 Sean A y B dos conjuntos no vacíos. Una función f de A en B es una relación de<br />
A en B que satisface la siguiente condición: Para todo elemento x de A existe un único elemento<br />
y en B tal que (x; y) 2 f:<br />
Esto signi ca que:<br />
i). Todo elemento x de A es la primera componente de alguna pareja de f:<br />
ii). Si (x; y1) 2 f; y (x; y2) 2 f; entonces y1 = y2; es decir, en f no hay dos parejas distintas<br />
con la primera componente igual.<br />
Arenas A. 6 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
Prueba de la recta vertical: Una curva en el plano xy es la grá ca de una función de x<br />
si y sólo si ninguna recta vertical se interseca con la curva más de una vez.<br />
Función No es función Función<br />
2.2.1. Funciones seccionalmente continuas<br />
La función del ejemplo siguiente está de nida por fórmulas diferentes en diferentes partes de<br />
sus dominios.<br />
Ejemplo .1 Una función f se de ne por<br />
8<br />
<<br />
:<br />
x 2 1 if x 1<br />
1 x 2 if 1 < x 1<br />
2x 2 + 1 if 1 < x<br />
Evalúe f( 5); f(0); f(5) y trace la grá ca.<br />
Solución: Para esta función en particular, la regla es: primero se considera el valor de la entrada<br />
x: Si sucede que x 1; entonces f(x) = x 2 1: Por otra parte, si x > 1; entonces f(x) =<br />
2x 2 + 1:<br />
Como 5 1; se tiene que f( 5) = ( 5) 2<br />
1 = 24<br />
Como 1 < 0 1; se tiene que f(0) = 1 (0) 2 = 1<br />
Como 5 > 1; se tiene que f(5) = 2(5) 2 + 1 = 51<br />
Figura 1<br />
Arenas A. 7 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
2.2.2. Simetría<br />
Si una función f satisface f( x) = f(x); para todo número x en su dominio, entonces f se<br />
denomina función par. Por ejemplo, la función f(x) = x 2 1 es par porque<br />
f( x) = ( x) 2<br />
1 = x 2<br />
1 = f(x)<br />
Si una función f satisface f( x) = f(x); para todo número x en su dominio, entonces f se<br />
denomina función impar. Por ejemplo, la función f(x) = x 3 x es impar porque<br />
f( x) = ( x) 3<br />
( x) = x 3 + x = x 3<br />
x = f(x)<br />
El signi cado geométrico de una función par es que su grá ca es simétrica con respecto al eje<br />
y: (ver gura 2a), mientras que el signi cado geométrico de una función impar es que su grá ca<br />
es simétrica con respecto origen de coordenadas (ver gura 2b)<br />
Figura 2a Figura 2b<br />
2.2.3. Funciones nuevas a partir de funciones antiguas:<br />
Al resolver problemas de cálculo, encontrará que resulta útil familiarizarse con las grá cas de<br />
algunas funciones cuya presencia es frecuente. En esta sección clasi caremos varios tipos<br />
de funciones y, enseguida , mostraremos cómo se les transforma por el desplazamiento, el<br />
alargamiento y la re exión de sus grá cas. También mostraremos cómo combinar pares de<br />
funciones por medio de operaciones aritméticas estandar o por composición.<br />
2.2.4. Tipos de funciones:<br />
Funciones constantes: La función constante f (x) = c tiene el dominio R y su rango el<br />
único valor c. Su grá ca es una recta horizontal.<br />
Funciones potencia: Una función de la forma f (x) = x a , donde a es una constante, se<br />
llama función potencia. Considaremos varios casos.<br />
a = n, un entero positivo:<br />
Arenas A. 8 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
En la gura que sigue, se muestran las grá cas de f (x) = x n , para n = 1; 2; 3; 4 y 5. Ya<br />
conocemos la forma de las grá cas de y = x (una recta que pasa por el origen con pendiente 1<br />
y y = x 2 una parábola.).<br />
La forma general de la grá ca f (x) = x n depende de si n es par o impar. Si n es par,entonces<br />
f (x) = x n es una función par y su grá ca es similar a la parábola y = x 2 . Si n es impar,<br />
entoces f (x) = x n es una función impar y su grá ca es similar a la de y = x 3 . Sin embargo,<br />
observe la gura y advierta que, conforme n crece, la gra ca de y = x n se vuelve más plana<br />
cerca de 0 y más empinada cuando jxj 1. Si x es pequeña, entonces x 2 es más pequeña, x 3<br />
incluso es más pequeña, x 4 todavía es más pequeña y así sucesivamente.<br />
y = x y = x 2 y = x 3 y = x 4 y = x 5<br />
a = 1:<br />
En la gura siguiente se muestra la grá ca de la función reciproca f (x) = x 1 = 1.<br />
Su grá ca<br />
x<br />
tiene la ecuación y = 1<br />
, o bien, xy = 1. Es una hipérbola equilátera con los ejes de coordenadas<br />
x<br />
como asíntotas.<br />
a = 1<br />
, n un entero positivo:<br />
n<br />
La función f (x) = x 1<br />
n = np x es una función raíz. Para n = 2, es la función raíz cuadrada<br />
f (x) = p x, cuyo dominio es [0; 1) y cuya gra ca es la mitad superior de la parábola x =<br />
y 2 [ver g]. Para otros valores pares de n, la grá ca de y = np x es similar a la de y = p x. Para<br />
n = 3, tenemos la función raíz cubica f (x) = 3p x, cuyo dominio es R (recuérdese que todo<br />
número real tiene una raíz cubica y cuya grá ca se muestra a continuación. La grá ca de y =<br />
np x para n es impar (n > 3) es similar a la de y = 3 p x.<br />
Arenas A. 9 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
y = p x y = 3p x<br />
Polinomios: Una función P recibe el nombre de polinomio si<br />
P (x) = axx n + an 1x n 1 + + a2x 2 + a1x + a0<br />
donde n es un cociente es un entero no negativop y los números a0;a1;a2; ::::::; an son constantes<br />
llamadas coe cientes del polinomio. El dominio de cualquier polinomio es R = ( 1; 1). Si<br />
el primer coe ciente an 6= 0, entonces el grado del polinomio es n. Por ejemplo, la función<br />
P (x) = 2x 6<br />
x 4 + 2<br />
5 x3 + p 2<br />
es un plinomio de grado 6 (o sexto grado).<br />
Un polinomio de primer grado es de la forma P (x) = ax + b y se llama función lineal porque<br />
su grá ca es la recta y = ax + b (pendiente a, ordenada al origen b). Un rasgo característico de<br />
las funciones lineales es que crecen con una razón constante. Por ejemplo, en la gura siguiente<br />
se muestra una grá ca de la función lineal f (x) = 2x + 1 y una tabla de valores muestras. Note<br />
que, siempre que x se incrementa en 1, el valor de y = f (x) aumenta en 2. Por tanto, f (x)<br />
crece dos veces más rapido que x. De este modo, la pendiente de la grá ca y = 2x + 1, a saber,<br />
2, se puede interpretar como la razón de cambio de y con respecto a x:<br />
x -2 -1 0 1 2<br />
y = f(x) -3 -1 1 3 5<br />
Un polinomio de segundo grado es de al forma P (x) = ax 2 + bc + c y se llama función<br />
cuadrática. La grá ca de P siempre es la parábola que se obtiene desplazando la parábola<br />
y = ax 2 . Un polinomio de la forma<br />
P (x) = ax 2 + bc + cx + d<br />
Arenas A. 10 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
se llama función cúbica. A continuación se muestra la grá ca de una función cúbica, en la parte<br />
a, y las grá cas de polinomios de cuarto y quinto grado en las partes b y c.<br />
y = x 3 (a) y = x 4 (b) y = x 5 (c)<br />
Comúnmente, los polinomios se usan para modelar diversas cantidades que se presentan en<br />
las ciencias naturales y sociales. Más adelante, explicaremos por qué los economistas usan a<br />
menudo un polinomio P (x) para representar el costo de producir x unidades de un artículo.<br />
Funciones racionales: Una Funcion racional f es una razón de dos polinomios.<br />
f (x) =<br />
P (x)<br />
Q (x)<br />
donde P y Q son polinomios. El dominio consta de todos los valores de x tales que Q (x) 6= 0.<br />
Por ejemplo, la función<br />
f (x) = 2x x2 + 1<br />
x 2 4<br />
y = f(x)<br />
es una función racional con dominio fx j x 6= 2g. En la gura anterior se muestra su gra ca.<br />
Funciones algebraicas: Una función f recibe el nombre de Función algebraica sí puede<br />
construirse usando operaciones algebraicas (adición, sustracción, multiplicación, división<br />
Arenas A. 11 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
y extracción de raíz) a partir de polinomios. Automáticamente, cualquier función racional<br />
es una función algebraica. Aquí se tienen dos ejemplos más:<br />
f (x) = p x 2 + 1<br />
g (x) = x4 16x 2<br />
x p x + (x 2) 3p x + 1<br />
Cuando tracemos las grá cas de las funciones algebraicas, veremos que esas grá cas pueden<br />
tomar diversas formas.<br />
Funciones trigonométricas:En cálculo, la convención es usar la medida radián (excepto<br />
cuando se indica lo contrario). Por ejemplo, cuando utilizamos la función f (x) = sin x,<br />
se entiende que sin x signi ca el seno del ángulo cuya madida en radianes es x. De este<br />
modo, las grá cas de las funciones seno y coseno son como las que muestran en la gura<br />
Siguiente.<br />
Sen(x) Cos(x)<br />
Nota .2 Nótese que tanto para la función seno como para la coseno, el dominio es ( 1; 1) y<br />
el rango es el intervalo cerrado[ 1; 1]. Por tanto, para todos los valores de x, tenemos<br />
1 sin x 1 1 cos x 1<br />
Asímismo, los ceros de la función senose tienen en los multiplos enteros de , es decir,<br />
sin(x) = 0 cuando x = n n un entero<br />
Una propiedad importante de las funciones seno y coseno es que son periodicas y tienen un<br />
periodo 2 . Esto signi ca que, para todos los valores de x,<br />
sin (x + 2 ) = sin x cos (x + 2 ) = cos x<br />
La naturaleza periódica de estas funciones las hace apropiadas para modelar fenómenos repetitivos,<br />
como mareas, resortes vibrantes y las ondas sonoras. La función tangente esta relacionada<br />
con las funciones seno y coseno por la ecuación<br />
Arenas A. 12 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
tan x =<br />
sin x<br />
cos x<br />
y su grá ca no está de nida cuando cos x = 0, es decir, cuando x = 2 ;<br />
( 1; 1).<br />
y = tan x<br />
3<br />
2<br />
; :::Su rango es<br />
Note que la función tangente tiene período .<br />
Las tres funciones trigonometricas restantes(cosecante, secante y cotangente) son las recíprocas<br />
de las funciones seno, coseno y tangente.<br />
Funciones exponenciales: Son las funciones de la forma f (x) = a x , donde la base a es<br />
una constante positiva. En la gura que sigue se presentan las grá cas de y = 2 x ; y =<br />
2 x y y = 2 x . En los dos casos, el dominio es ( 1; 1) y el rango es (0; 1).<br />
2 x 2 x 2 x<br />
Funciones logarítmicas: Son las funciones f (x) = log a x, donde la base a es una constante<br />
positiva. Son las funciones inversas de las funciones exponenciales y se estudiaran<br />
en la otra sección En la gura siguiente se encuentran las grá cas de cuatro funciones<br />
logarítmicas con diversas bases. En cada caso, el dominio es (0; 1), y el rango ( 1; 1)<br />
Arenas A. 13 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
y la función crece con lentitud cuando x > 1.<br />
Funciones trascendentes: Se trata de las funciones que no son algebraicas. El conjunto<br />
de las funciones trascendentes incluye las trigonométricas, las trigonométricas inversas,<br />
las exponenciales y las logarítmicas., así como un vasto número de otras funciones que<br />
nunca han sido nombradas.<br />
2.2.5. Transformación de funciones:<br />
Al aplicar ciertas transformaciones a la gra ca de una función dada podemos obtener las gra cas<br />
de ciertas funciones relacionadas y, de este modo, reducir el trabajo al trazar esas gra cas. En<br />
primer lugar, consideraremos las traslaciones. Si c es un número positivo, entonces la gra ca<br />
de y = f (x) + c es precisamente la de y = f (x) desplazada hacia arriba una distancia de c<br />
unidades(debido a que cada coordenada y se incrementa el mismo número c). Del mismo modo<br />
, si g (x) = f (x c), donde c > 0, entonces el valor de g en x es el mismo que el valor de f en<br />
x c(c unidades a la izquierda de x). Por lo tanto, la gra ca de y = f (x c) es precisamente<br />
la de y = f (x) desplazada c unidades a la derecha(véase la g. 14)<br />
Desplazamientos verticales y horizontales: Supóngase que c > 0. Para obtener la gra ca<br />
de<br />
1. y = f(x)+c, se desplaza la gra ca de y = f (x) una distancia de unidades c hacia arriba.<br />
2. y = f(x) c, se desplaza la gra ca de y = f (x) una distancia de unidades c hacia abajo.<br />
3. y = f (x c), se desplaza la gra ca de y = f (x) una distancia de unidades c hacia la<br />
derecha.<br />
4. y = f (x + c), se desplaza la gra ca de y = f (x) una distancia de unidades c hacia la<br />
izquierda.<br />
Arenas A. 14 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
y = p x y = p x 2 y = p x 2 y = p x y = p x<br />
Consideremos ahora las transformaciones de alargamiento y re exión. Si c > 1, entonces la<br />
gra ca de y = cf (x) es la de y = f (x) alargada al factor de c en la dirección vertical(porque<br />
cada coordenadad y se multiplica por el mismo número c ). La gra ca de y = f (x) es la de<br />
y = f (x) re ejada respecto al eje x, porque el punto (x; y) remplaza al punto (x; y). (Véase<br />
la lista y la gura a continuación, donde también se dan los resultados de otras transformaciones<br />
de alargamiento, comprensión y re exión).<br />
Alargamientos y re exiones verticales y horizontales: Supóngase que c > 1. Para obtener<br />
la gra ca de<br />
1. y = cf(x), alárguese la gra ca de y = f (x) verticalmente en un factor de c.<br />
2. y = 1<br />
c<br />
f(x), comprímase la gra ca de y = f (x) verticalmente en un factor de c<br />
3. y = f (cx), comprímase la gra ca de y = f (x) horizontalmente en un factor de c.<br />
4. y = f x<br />
c<br />
, alárguese la gra ca de y = f (x) horizontalmente en un factor de c.<br />
5. y = f (x), re éjese la gra ca de y = f (x) respecto al eje x.<br />
6. y = f ( x), re éjese la gra ca de y = f (x) respecto al eje y.<br />
Arenas A. 15 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
Funciones exponenciales<br />
La función f (x) = 2 x se llama función exponencial porque la variable, x, es el exponente.<br />
No debe confundirse con la función ppotencia g (x) = x 2 , en la cual la variable es la base. En<br />
general, una función exponencial es una función de la forma<br />
f (x) = a x<br />
donde a es una constante positiva. Recordemos qué signi ca esto. Si x = n, un entero positivo,<br />
entonces<br />
a n a a a<br />
=<br />
n factores<br />
Si x = 0, entonces a0 = 1 y, si x = n, donde n es un entero positivo, entonces<br />
a n = 1<br />
a n<br />
Si x es un número racional, x = p<br />
, donde p y q son enteros y q > 0, entonces<br />
q<br />
a d = a p<br />
q = qp a p<br />
En la gura 3 se presentan las gra cas de los miembros de la familia de funciones y = a x para<br />
varios valores de la base a. Note que todas estas gra cas pasan por el mismo punto (0;1) porque<br />
a 0 = 1 para a 6= 0. Note también que a medida que la base a se vuelve más grande, la función<br />
exponencial crece con mayor rapidez (para x > 0)<br />
Leyes de los exponentes:<br />
Si a y b son números positivos y x y y son cualesquieras números reales, entonces<br />
1. a x+y = a x + a y<br />
2. a x y = ax<br />
a y<br />
3. (a x ) y = a xy<br />
4. (ab) x = a x b x<br />
Ejemplo .2 Gra que la funcion y = 3 2 x y determine su dominio y su rango.<br />
Solución: En primer lugar, re ejamos la grá ca de y = 2 x ( g. a) respecto al eje x, para obtener<br />
la grá ca de y = 2 x gura b. Luego, desplacemos la gura de y = 2 x tres unidades hacia<br />
arriba para obtener la gra ca de y = 3 2 x gura c. El dominio es R y el rango es ( 1; 3).<br />
Arenas A. 16 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
Fig. (a) Fig. (b) Fig. (c)<br />
Ejemplo .3 La vida maedia del estroncio 90, 90 Sr, es de 25 años. Esto signi ca que la mitad<br />
de cualquier cantidad dada de 90 Sr se desintegrará en 25 años.<br />
Si una muestra de 90 Sr tiene una masa de 24 mg, encuentre una expresión para la masa<br />
m(t) que queda despues de t años.<br />
Encuentre la masa restante después de 40 años, correcta hasta el miligramo más cercano.<br />
Use un gra cador para trazar la gra ca de m(t) y utilice está última a n de estimar el<br />
tiempo requerido para que la masa se reduzca hasta 5 mg.<br />
Solución: En un inicio la masa de 24 mg y se reduce a la mitad durante cada 25 años, por tanto<br />
m (0) = 24<br />
m (25) = 1<br />
2 (24)<br />
m (50) = 1<br />
2<br />
m (75) = 1<br />
2<br />
m (100) = 1<br />
2<br />
1 1<br />
(24) = (24)<br />
2 22 1 1<br />
(24) = (24)<br />
22 23 1 1<br />
(24) = (24)<br />
23 24 Con la base en este patrón, parece que la masa restante despues de t años es:<br />
m (t) = 1<br />
2 t<br />
25<br />
(24) = 24 2 t<br />
25<br />
Esto es una función exponencial con base a = 2 1<br />
25 = 1<br />
La masa que queda después de los 40 años es<br />
2 1 25<br />
m (40) = 24 2 40<br />
25 7;9mg<br />
Arenas A. 17 Camargo B.<br />
:
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
Usamos una calculadora gra cadora o una computadora para trazar la grá ca de la fun-<br />
ción m (t) = 24 2 t<br />
25 . También trazamos la grá ca de la recta m = 5 y utilizamos el<br />
cursor para estimar que m(t) = 5 cuando t 57. Por tanto, la masa de la muestra de<br />
reducirá hasta 5mg después de alrededor de 57 años.<br />
El número e<br />
m(t) = 24(2 t<br />
25 )<br />
De todas las bases posibles para una función exponencial existe una que es la más conveniente<br />
para los nes del cálculo, se trata del número irracional e = 2;71828::.<br />
Ejemplo .4 Gra que la función y = 1<br />
2 e x 1 y dé el dominio y el rango.<br />
y = e x y = 1<br />
2 e x y = 1<br />
2 e x 1<br />
Solución: Partimos de la grá ca de y = e x , y la re ejamos respecto al eje y para obtener la<br />
gra ca de y = e x , (Nótese que la grá ca cruza el eje y con una pendiente m = 1 ) Luego,<br />
comprimimos, verticalmente la grá ca, un factor de 2 para obtener la gra ca de y = 1<br />
2 e x . Por<br />
último, la desplazamos hacia abajo una unidad para lograr la grá ca deseada; el dominio es R<br />
y el rango es ( 1; 1).<br />
Funciones inversas y logarítmicas<br />
De nición .8 Se dice que una función f es una función uno a uno si nunca toma el mismo<br />
valor dos veces; es decir,<br />
Arenas A. 18 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
f (x1) 6= f (x2) siempre que x1 6= x2<br />
Prueba de la recta horizontal: Una función es uno a uno si sólo si ninguna recta horizontal<br />
interseca su gra ca más de una vez.<br />
No es 1-1 Es 1-1 No es 1-1<br />
De nición .9 : Sea f una función uno a uno, con dominio A y rango B. Entonces su función<br />
inversa f 1 tiene dominio B y rango A y la de ne<br />
f 1 (y) = x () f (x) = y (1)<br />
para cualquier y en B.<br />
Esta de nición expresa que si f mapea x en y, entonces f 1 mapea y de regreso a x. (Si f no<br />
fuera uno a uno, entonces f 1 no estaría de nida de manera única). Note que<br />
dominio de f 1 = rango de f<br />
rango de f = dominio de f 1<br />
Tradicionalmente, la letra x se usa la como variable independiente, de modo que cuando nos<br />
concentramos en f 1 , en lugar de f,solemos invertir los papeles de x y y en la ecuación (1) y<br />
escribimos<br />
f 1 (x) = y () f (y) = x (2)<br />
Si en la misma ecuación (1) se sustituye y, así como en (2), se obtienen las siguientes ecuaciones<br />
de cancelación:<br />
f 1 (f (x)) = x para toda x en A<br />
f(f 1 (x)) = x para toda x en B<br />
Cómo hallar la función inversa de una función f uno a uno<br />
Arenas A. 19 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
Paso 1: Escribimos y = f (x)<br />
Paso 2: Resolvemos esta ecuación para x en terminos de y (si es posible)<br />
Paso 3: Para expresar f 1 como función de x, intercambiamos x y y. La ecuación resultante es<br />
y = f 1 (x)<br />
Ejemplo .5 Encuentre la función inversa de f (x) = x 3 + 2.<br />
Solución: Primero escribimos<br />
Luego resolvemos esta ecuación para x:<br />
Por último, intercambiamos x y y:<br />
Por lo tanto, la función inversa es:<br />
y = x 3 + 2:<br />
x 3 = y 2<br />
x = 3p y 2<br />
y = 3p x 2<br />
f 1 (x) = 3p x 2<br />
f(x) = x 3 + 2 f 1 (x) = 3p x 2 f(x) y f 1 (x)<br />
El principio de intercambiar x y y a n de hallar la función inversa también nos proporciona<br />
el método para obtener la grá ca de f 1 , a partir de la de f. Dado que f (a) = b si sólo si<br />
f (b) = a, el punto (a; b) está en la grá ca de f 1 . Pero obtenemos el punto (a; b) por re exión<br />
respecto de la recta y = x ( g. 8).<br />
Por lo tanto, como se ilustra en la gura siguiente:<br />
Se obtiene la gra ca de f 1 al re ejar la gra ca de f respecto a la recta y = x.<br />
Ejemplo .6 Trace la gra ca de f (x) = p 1 x y de su función inversa, usando los mismos<br />
ejes de coordenadas.<br />
Arenas A. 20 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
Solución: Primeo gra camos la curva y = p 1 x (La mitad superior de la parábola y 2 =<br />
1 x, o bien, x = y 2 1) y luego la re ejamos respecto a la recta y = x para lograr la<br />
grá ca de f 1 ( g. 10). Como comprobación de la gra ca, note que la expresión para f 1 es<br />
f 1 (x) = x 2 1; x > 0. De modo que la gra ca de f 1 es la mitad derecha de la parábola<br />
y = x 2 1 y, a partir de la gura , esto parece razonable.<br />
f(x) = p 1 x f 1 (x) = x 2 1 f(x) y f 1 (x)<br />
Funciones logarítmicas<br />
Si a > 0 y a 6= 1, la función exponencial f (x) = a x está creciendo o decreciendo y, por tanto,<br />
es uno a uno. Por consiguiente, tiene una función inversa f 1 , la cual se conoce como función<br />
logaritmica con base a y se denota con log a. Si usamos la formulación de función inversa que<br />
da ,<br />
f 1 (x) = y () f (y) = x<br />
entonces tenemos<br />
log a x = y () a y = x<br />
Por tanto, si a > 0, entonces log a x es el exponente al que debe elvarse la base para a para dar<br />
x. Por ejemplo, log 10 0;001 = 3, porque 10 3 = 0;001. Cuando las ecuaciones de cancelación<br />
se aplican a f (x) = a x y f 1 (x) = log a x, quedan como<br />
log a(x) = x para toda x 2 R<br />
a log a = x para toda x > 0<br />
La función logarítmica log a tiene dominio (0; 1) y rango R. Su gra ca es la re exión de la<br />
gra ca de y = a x respècto a la recta y = x.<br />
En la gura se muestra el caso en dondea > 1(Las funciones logarítimicas más importantes<br />
tienen base a > 1). El hecho de que y = a x sea una función que aumenta con mucha rapidez<br />
para x > 0 se re eja en que y = log a x es una función que aumenta con mucha lentitud para<br />
x > 1.<br />
Leyes de los logaritmos: Si x y y son números positivos, entonces:<br />
Arenas A. 21 Camargo B.
2.2 Funciones Cálculo Diferencial<br />
1. log a (xy) = log a x + log a y<br />
2. log a<br />
x<br />
y = loga x loga y<br />
3. log a (x r ) = r log a x (en donde r es cualquier número real)<br />
Logaritmos naturales<br />
De todas las bases a para los logaritmos, veremos que la elección más conveniente de una base<br />
es el número e, el cual ya se de nió anteriormente. El logaritmo con base e se conoce como<br />
logaritmo natural y tiene una notación especial:<br />
log e x = ln x<br />
Si en las ecuaciones anteriores ponemos a = e y log e = ln, entonces las propiedades de<br />
de nición de la función logaritmo natural quedan<br />
En particular, si se hace x = 1, obtenemos<br />
ln x = y () e y = x<br />
ln (e x ) = x x 2 R<br />
e ln x = x x > 0<br />
ln e = 1<br />
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