Funciones y operaciones b´ asicas
1. Los n´ umeros
1.1. N´ umeros naturales
El conjunto de n´umeros m´as sencillo y conocido es el de los n´umeros naturales, que son los n´umeros que se utilizan en la vida diaria para contar.
Definici´on 1. El conjunto de los n´umeros naturales es N = {1, 2, 3, 4, . . .}.
La suma y la multiplicaci´on de n´umeros naturales da como resultado otro n´umero natural.
La propiedad distributiva del producto sobre la suma establece que para multiplicar un n´umero por una suma se puede sumar el resultado de multiplicar el n´umero por cada uno de los sumandos.
Ejemplo 2.
3· (5 + 4 + 1) = (3 · 5) + (3 · 4) + (3 · 1) = 15 + 12 + 3 = 30
Sin embargo, el resultado de restar o dividir dos n´umeros naturales puede que no sea un n´umero natural, como ocurre si queremos restar 4−7 o dividir 2/3. En esos casos el resultado es un n´umero entero y un n´umero racional, respectivamente. Estudiaremos esos n´umeros en secciones posteriores.
Definici´on 3. El factorial de un n´umero natural n es el producto de todos los numeros nat- urales iguales o menores que n y se denota n!. El factorial de 0 es 1, por definici´on.
Ejemplo 4.
5! = 5· 4 · 3 · 2 · 1 = 120, 0! = 1, 7!
3! = 7· 6 · 5 · 4
Definici´on 5. Un n´umero combinatorio mn, donde n y m son n´umeros naturales, se define como
n m
!
= n!
m!· (n − m)!
Para poder definir un n´umero combinatorio tiene que ser n ≥ m. El resultado de nn es siempre 1.
Ejemplo 6.
6 2
!
= 6!
2!· 4! = 6· 5 · 4!
2!· 4| = 6· 5
2! = 15, 6 0
!
= 6!
0!· 6! = 1 0! = 1
6 6
!
= 6!
6!· 0! = 6!
6!· 1 = 1
1.2. N´ umeros enteros
La resta de n´umeros naturales puede producir como resultado un n´umero que no pertenezca a los naturales. Es por ello que se necesita un conjunto de n´umeros m´as grande.
Definici´on 7. El conjunto de los n´umeros enteros es
Z = {. . . , −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, . . .}.
Los n´umeros enteros est´an compuestos por un signo que precede a un n´umero natural. Si el n´umero es negativo el signo es ‘−’ y si el n´umero es positivo el signo es ‘+’ (aunque a veces no se escribe ning´un signo delante de un n´umero positivo). El n´umero 0 se entiende que no tiene ning´un signo, o al contrario, que puede ser positivo y tambi´en negativo.
Definici´on 8. El opuesto de un n´umero entero es el mismo n´umero natural, pero con el signo contrario.
En el conjunto de los n´umeros enteros es posible efectuar cualquier suma o resta. Realizar operaciones con n´umeros enteros negativos requiere en muchas ocasiones el uso de par´entesis para separar los signos de operaci´on.
Ejemplo 9.
3 + 5 + (−6) − 7 + 1 + (−2) + 9 = 3 + 5 − 6 − 7 + 1 − 2 + 9 = 18 − 15 = 3
Nota 10. No es aconsejable prescindir de los par´entesis en el resto de operaciones con n´umeros negativos.
La resta de n´umeros enteros se efect´ua teniendo en cuenta que restar es sumar el opuesto.
Ejemplo 11.
−3 − (−5) = −3 + 5 = 2
La multiplicaci´on y divisi´on de n´umeros enteros se realiza operando co los n´umeros natu- rales y utilizando la regla de los signos: al multiplicar o dividir dos n´umeros del mismo signo, el resultado es un n´umero positivo; mientras que al multiplicar o dividir dos n´umeros de signo opuesto, el resultado es un n´umero negativo.
Ejemplo 12.
3· 5 = 15, (−3) · 5 = −15, 3 · (−5) = −15, (−3) · (−5) = 15.
Ejemplo 13.
6
3 = 2, −6
3 =−2, 6
−3 =−2, −6
−3 = 2.
La potencia de n´umeros enteros se determina teniendo en cuenta la regla de los signos.
Ejemplo 14.
(−3)2 = (−3) · (−3) = 9, (−3)3 = (−3) · (−3) · (−3) = −27
Si un par´entesis contiene sumas y restas de n´umeros enteros, entonces los par´entesis se pueden eliminar siguiendo la siguiente regla:
Un par´entesis precedido de un signo + puede eliminarse sin realizar ning´un cambio.
Un par´entesis precedido de un signo− puede eliminarse cambiando los signos de todos los t´erminos de dentro del par´entesis.
Ejemplo 15.
2 + 4− 1 − 7 + (10 − 3 − 5) = 2 + 4 − 1 − 7 + 10 − 3 − 5 = 16 − 16 = 0
Uno de los errores m´as habituales en las operaciones de c´alculo se produce al quitar un par´entesis precedido de un signo menos. Es muy importante recordar que deben cambiarse todos los signos de los t´erminos del interior del par´entesis cuando ´estos realizan una operaci´on de suma o resta, pero no se cambian los signos de los n´umeros que est´an implicados en operaciones de multiplicaci´on o divisi´on. En ese caso, primero hay que resolver el resultado de la multiplicaci´on o divisi´on.
Ejemplo 16.
2 + 4− 1 − 7 − (10 − 3 − 5) = 2 + 4 − 1 − 7 − 10 + 3 + 5 = 14 − 18 = −4 Ejemplo 17.
−7 − [10 − [3 · (−5)]] = −7 − [10 − (−15)] = −7 − (10 + 15) = −7 − 10 − 15 = −32 Nota 18. Observa que cuando hay que escribir varios par´entesis seguidos se suele poner en su lugar un corchete.
1.3. N´ umeros racionales
Definici´on 19. Los n´umeros racionales es el conjunto Q formado por todas las fracciones de n´umeros enteros en los que el denominador es distinto de cero.
Nota 20. Es muy importante observar que una fracci´on en la que el denominador es cero no es un n´umero racional. De hecho, no es ning´un n´umero, simplemente no existe.
Ejemplo 21.
1
0 ̸= 1, 1
0 ̸= 0, ya que 1
0 no existe.
Propiedad 22. Si el numerador y el denominador de una fracci´on se multiplican o dividen por el mismo n´umero (distinto de cero) el n´umero racional es el mismo.
Esta propiedad tiene como consecuencia que en ocasiones la fracciones se pueden simplificar, esto es, dividir el numerador y el denominador por un factor com´un a ambos.
Ejemplo 23.
50
12 = (dividiendo numerador y denominador por 2) = 25 6
Como consecuencia se tiene que cada n´umero racional puede ser escrito de diferentes formas, denominadas fracciones equivalentes. Por ejemplo,
1 2 = 2
4 = 3 6 = 4
8 = −1
−2 = −2
−4 =· · ·
Definici´on 24. Se llama fracci´on irreducible a la expresi´on de un n´umero racional que no es posible simplificar m´as.
Nota 25. Es muy recomendable realizar los c´alculos con n´umeros racionales siempre con su fracci´on irreducible.
Si en una fracci´on se efect´ua la divisi´on del numerador y el denominador se obtiene la expresi´on decimal del n´umero racional. La expresi´on decimal de un n´umero racional o bien tiene un n´umero finito de cifras decimales o bien tiene un n´umero infinito y peri´odico de cifras decimales.
Ejemplo 26.
3
5 = 0.6, 2
3 = 0.ó6, 3
14 = 3.2ü142857
Cuando se efect´uan c´alculos con n´umeros racionales es aconsejable no utilizar su expre- si´on decimal ya que aumenta considerablemente la probabilidad de errores en los resultados, especialmente si se han truncado algunas cifras decimales (popularmente conocido como re- dondear) ya que en este caso es seguro que el valor final ser´a inexacto.
Ejemplo 27. Compara la sencillez y los resultados de estas dos operaciones, una realizada con la fracci´on irreducible del n´umero 2/3 y otra con su expresi´on decimal redondeada a la cuarta cifra decimal:
3· 2
3 = 2, 3· 0.ó6≈ 3 · 0.6667 = 2.0001
A partir de la expresi´on decimal de un n´umero racional siempre es posible obtener la representaci´on en forma de fracci´on del n´umero. El procedimiento es ligeramente diferente seg´un las caracter´ısticas de la expresi´on decimal y se ilustrar´a mediante un ejemplo por cada caso: un n´umero finito de cifras decimales, decimales peri´odicos puros (todos los decimales se repiten) y decimales peri´odicos mixtos (los primeros decimales no se repiten, y los otros s´ı).
Ejemplo 28. Consideremos un n´umero con un n´umero finito de cifras decimales, por ejemplo, a = 1.345.
Para pasarlo a su expresi´on racional, multiplicamos por un 1 seguido de tantos ceros (potencia de 10) como decimales tiene a, y luego pasamos esa potencia de 10 dividiendo. Finalmente, simplificamos la fracci´on, si es posible:
a = 1.345 ⇒ 1000a = 1345 ⇒ a = 1345
1000 = 269 200.
Ejemplo 29. Consideremos un n´umero decimal peri´odico puro, por ejemplo, a = 2.47.õ Para pasarlo a su expresi´on racional, multiplicamos a por un 1 seguido de tantos ceros como cifras tiene el periodo, y restamos a; eso hace que al restar, desaparezcan los decimales. Luego calculamos la resta y despejamos a:
a = 2.474747 . . . ⇒ 100a = 247.474747 . . . ⇒ 100a − a = 245 ⇒ a = 245 99 . Ejemplo 30. Consideremos un n´umero decimal peri´odico mixto, por ejemplo, n = 5.961.õ La forma de proceder es combinar las operaciones de los dos casos anteriores. Primero se procede para eliminar el decimal que hay fuera del periodo, y despu´es se procede como en el caso de decimales peri´odicos puros:
10a = 59.616161 . . . ⇒ 1000a = 5961.616161 . . . ⇒ 1000a − 10a = 5902 ⇒ a = 5902 990 .
1.4. Operaciones con fracciones
Propiedad 31. La suma o resta de fracciones del mismo denominador se realiza sumando o restando los numeradores y manteniendo el mismo denominador.
Ejemplo 32.
3 7 +2
7 −9
7 = 3 + 2− 9
7 = −4
7 = (se aconseja escribir del modo siguiente) =−4 7
Definici´on 33. Reducir fracciones a com´un denominador consiste en sustituir todas las frac- ciones por otras equivalente de modo que todas las fracciones resultantes tengan el mismo denominador.
Propiedad 34. Para sumar o restar fracciones de diferente denominador se reducen a com´un denominador y despu´es se suman o restan los numeradores manteniendo el mismo denomi- nador.
Nota 35. Al reducir fracciones a com´un denominador se aconseja que el denominador com´un sea el m´ınimo com´un m´ultiplo de los denominadores.
Ejemplo 36.
3 7 +2
5 − 3 = 15 35+ 14
35− 105
35 = −76
35 =−76 35
Propiedad 37. La multiplicaci´on de fracciones se efect´ua multiplicando los numeradores y los denominadores de las fracciones.
Ejemplo 38.
3 7 · 2
5· (−3) = 3· 2 · (−3)
7· 5 · 1 = −18
35 =−18 35
Nota 39. La multiplicaci´on de fracciones se realiza del mismo modo tanto si los denomi- nadores son iguales como diferentes. Por ejemplo,
2 3 ·7
3 = 2· 7 3· 3 = 14
9
Propiedad 40. El inverso de un n´umero racional es la fracci´on del mismo signo que se obtiene al intercambiar el numerador y el denominador.
Ejemplo 41. El inverso de la fracci´on −35 es −35 ya que −35 · −35 = −15−15 = 1. El inverso de 15 es 5, el inverso de 2 es 12 y el inverso de −3 es −13.
Propiedad 42. La divisi´on de dos fracciones se efect´ua multiplicando la primera fracci´on por la inversa de la segunda fracci´on.
Ejemplo 43.
3/7 2/5 = 3
7 · 5 2 = 15
14,
3/7
−5 = 3 7· 1
−5 = 3
−35
1.5. N´ umeros reales
Existen n´umeros con infinitas cifras decimales no peri´odicas como√
2, π ´o e. Estos n´umeros se denominan n´umeros irracionales y no son n´umeros racionales.
Definici´on 44. Los n´umeros reales es el conjunto IR formado por todos los n´umeros racionales y todos los n´umeros irracionales.
En el conjunto de los n´umeros reales es habitual la utilizaci´on de intervalos para referirse a subconjuntos de IR. Un intervalo es el conjunto de n´umeros de IR situados entre el extremo inferior y el extremo superior. El que los extremos pertenezcan o no al intervalo depende del s´ımbolo utilizado para representar el intervalo: un par´entesis significa que el extremo no est´a incluido y un corchete que s´ı lo est´a.
Ejemplo 45.
[3, 5] es el intervalo formado por todos los n´umeros reales entre 3 y 5 incluyendo tanto al 3 como al 5. Por ejemplo, π pertenece al intervalo pero 2.ó9 no pertenece.
(3, 5] es el intervalo formado por todos los n´umeros reales entre 3 y 5 incluyendo al 5 pero no al 3.
[3, 5) es el intervalo formado por todos los n´umeros reales entre 3 y 5 incluyendo al 3 pero no al 5.
(3, 5) es el intervalo formado por todos los n´umeros reales entre 3 y 5 sin incluir ni al 3 ni al 5.
[3, +∞) es el intervalo formado por todos los n´umeros reales mayores o iguales que 3 (incluyendo al 3).
(3, +∞) es el intervalo formado por todos los n´umeros reales mayores que 3 (sin incluir al 3).
(−∞, 5] es el intervalo formado por todos los n´umeros reales menores o iguales que 5 (incluyendo al 5).
(−∞, 5) es el intervalo formado por todos los n´umeros reales menores que 5 (sin incluir al 5).
2. Operaciones b´ asicas
2.1. Potencias y radicales
Una potencia se denota con dos n´umeros: un valor real que se escribe abajo, la base, y un n´umero racional que se escribe encima de la base, el exponente. Por ejemplo, en la potencia
24 el n´umero 2 es la base y el 4 el exponente.
Definici´on 46. Una potencia en la que el exponente es un n´umero natural consiste en la multiplicaci´on de la base tantas veces como indica el exponente.
Nota 47. Es obvio que si la base es cero el resultado de la potencia es cero. Por ello s´olo se consideran potencias en las que la base es un n´umero distinto de cero.
Nota 48. Cualquier potencia de exponente cero es igual a 1.
Ejemplo 49.
24 = 2· 2 · 2 · 2 = 8, (−5)3 = (−5) · (−5) · (−5) = −125, 2 3
2
= 2 3· 2
3 = 4 9,
−3 5
0
= 1 Propiedad 50. La potencia de una multiplicaci´on o de una divisi´on es el producto o la divisi´on de las potencias de los factores.
Ejemplo 51.
(2· 3)4 = 24· 34,
2 3
2
= 22 32,
(−5) ·3 7
3
= (−5)3·3 7
3
= (−5)3· 33 73
Propiedad 52. El producto de potencias de la misma base es una potencia de la misma base y la suma de los exponentes. La divisi´on de potencias de la misma base es una potencia de la misma base y la resta de los exponentes.
Propiedad 53. El resultado de una potencia elevada a otra potencia es la base elevada al producto de los exponentes.
Ejemplo 54.
2 3
5
·2 3
3
=
2 3
8
= 28
38, (−5)5
(−5)3 = (−5)2, (22)3 2 = 26
2 = 25
Nota 55. No existen propiedades similares para la suma o la resta de potencias de la misma base. Por ejemplo, 22+ 32 = 4 + 9 = 13̸= (2 + 3)2.
Propiedad 56. Una potencia en la que el exponente es un n´umero entero negativo es igual a la potencia cuya base es la inversa de la original y el exponente es el mismo cambiado de signo.
Ejemplo 57.
3 2
−5
=
2 3
5
= 25
35, 5−7 =
1 5
7
= 1
57, (−2)−7 =
1
−2
7
= 1
(−2)7 =− 1 27
Definici´on 58. La ra´ız en´esima de un n´umero real x es el n´umero real que al elevarlo a n da como resultado x, es decir, √n
x = r ⇔ rn = x.
Nota 59. Una ra´ız puede no existir, por ejemplo, √
−4, tener un ´unico valor real √3
8 = 2 o tomar dos valores reales √
9 = ±3.
Propiedad 60. La ra´ız de un producto o una divisi´on es el producto o la divisi´on de las ra´ıces.
Ejemplo 61.
5
Ê
7· 2 3 =√5
7·
√5
2
√5
3,
√12
√3 =
Ê12 3 =√
4 =±2
Nota 62. La ra´ız de una suma o una resta no es la suma o la resta de las ra´ıces. Por ejemplo
√4 + 4 =√ 8̸=√
4 +√ 4 = 2 .
Propiedad 63. La potencia de una ra´ız es igual a la ra´ız en la que el radicando est´a elevado a dicha potencia.
Ejemplo 64.
√7
34 = √7
34, √
22 =√
22 =±2, √
2−2 =√ 2−2 =
Ê1 22 =
√1
√22 =±1 2 Ejemplo 65. Las ra´ıces se pueden simplificar descomponiendo el radicando en factores primos y separando productos de potencias del ´ındice:
√3
18000 =√3
24· 32· 53 =√3 23·√3
2·√3 32 ·√3
53 = 2·√3 2·√3
32· 5 = 10 ·√3
2· 32 = 10√3 18.
√4
214· 59 =√4
212·√4 22 ·√4
58·√4
5 = √4
243·√4
542·√4
22· 5 = 23 · 52·√4
22· 5 = 200√4 20 Propiedad 66. La multiplicaci´on o divisi´on de potencias de diferente ´ındice se realiza re- duciendo todas las ra´ıces a ´ındice com´un.
Ejemplo 67.
√3
2·√5 5·√6
2 = 30√
210· 30√ 56· 30√
25 = 30√
210· 56· 25 = 30√ 215· 56
Propiedad 68. Una potencia en la que el exponente es un n´umero fraccionario es igual a una ra´ız en la que el ´ındice es el denominador y el exponente del radicando es el numerador.
Ejemplo 69.
√2 = 212, 235 =√5 23,
3 5
−43
=
5 3
43
= 3
s5 3
4
= 3
s
54 34
2.2. Racionalizaci´ on
Cuando una fracci´on contiene una ra´ız en el denominador es conveniente obtener una fracci´on equivalente en la que no haya ra´ıces en el denominador. Este proceso se denomina racionalizaci´on.
La situaci´on m´as habitual es cuando en el denominador de la fracci´on aparece una ´unica ra´ız. En este caso se debe multiplicar numerador y denominador por el factor adecuado que permita la cancelaci´on de la ra´ız.
Ejemplo 70.
3 2√
2 = 3·√ 2 2√
2·√
2 = 3√ 2 2√
22
= 3√ 2
2· 2 = 3√ 2 4 Ejemplo 71.
15 4√3
5 = 15·√3 52 4√3
5·√3
52 = 15·√3 52 4√3
53
= 15·√3 52
4· 5 = 3√3 52 4
Tambi´en es frecuente encontrar en el denominador de una fracci´on una suma o resta de ra´ıces cuadradas. La racionalizaci´on se consigue en este caso multiplicando numerador y denominador por el conjugado del denominador.
Ejemplo 72.
√ 1 2−√
5 = 1·√ 2 +√
5
√ 2−√
5·√ 2 +√
5 =
√2 +√
√ 5
22 −√ 52
=
√2 +√ 5 2− 5 =−
√2 +√ 5 3 Ejemplo 73.
√3 4√
5 + 3√ 6 =
√3·4√
5 + 3√ 6
4√
5− 3√
6·4√
5 + 3√
6 = 4√
15 + 3√
18 4√
52 +3√ 62
= 4√
15 + 9√ 2
16· 5 + 9 · 6 = 4√
15 + 9√ 2 134
2.3. El orden de las operaciones
Cuando en un c´alculo se combinan una o m´as operaciones diferentes es importante seguir el orden adecuado al realizar las operaciones ya que de otro modo se podr´ıan obtener resultados incorrectos.
Ejemplo 74. Si en la expresi´on 1− 22 se realiza en primer lugar la resta se obtiene (−1)2 = 1 y si se efect´ua primero la potencia se obtiene 1− 4 = −3.
La primera norma que se debe tener en cuenta es que los par´entesis siempre tienen prior- idad: las operaciones agrupadas en un par´entesis o corchete deben realizarse en primer lugar.
El resto de prioridades se puede establecer con la regla nemot´ecnica del grado de dificultad, que se basa en clasificar las operaciones en cuatro niveles:
Nivel 1. Sumas y restas
Nivel 2. Multiplicaciones y divisiones Nivel 3. Potencias y ra´ıces
Nivel 4. Funciones
y efectuar las operaciones de mayor a menor nivel. En caso de que haya operaciones del mismo nivel, ´estas se realizan de izquierda a derecha.
Ejemplo 75.
1− 22 = 1− 4 = −3, −22 =−4, (−2)2 = 4
2.4. Logaritmos
Definici´on 76. El logaritmo en base a > 0 de un n´umero x es el exponente al que se debe elevar la base a para que el resultado sea x, es decir,
logax = L ⇔ aL= x Ejemplo 77.
log28 = 3 porque 23 = 8, log2 1
8 =−3 porque 2−3 = 1
8, log22√
2= 3
2 porque 232 = 2√ 2
De la definici´on de logaritmo se deduce que en cualquier base el logaritmo de 1 siempre es cero, que el logaritmo de la base elevada a alg´un exponente es dicho exponente. Adem´as, dado que la base es positiva, a > 0, el logaritmo de 0 o de un n´umero negativo no existe.
Ejemplo 78.
log 1 = 0, log55 = 1, log553= 3, log2(−3) no existe
Los logaritmos son las funciones inversas a las exponenciales, esto es, al c´alculo del expo- nente de una potencia. Es por ello que en determinados casos se dice que la exponencial y el logaritmo se cancelan.
Ejemplo 79.
2log25 = 5, log225= 5, elogex = x, loge(ex) = x
Aunque la base de un logaritmo puede ser cualquier valor a > 0, las m´as habituales son los logaritmos de base 10, denominados logaritmos decimales y los logaritmos de base el n´umero e, llamados logaritmos neperianos. En Matem´aticas pr´acticamente los ´unicos logaritmos que se utilizan son los neperianos, de modo que ´estos se denotar´an por ‘log’ o ‘ln’ en lugar de ‘loge’.1
1El n´umero e debe su nombre a un matem´atico del siglo XVIII llamado Euler. Es un n´umero irracional, es decir, tiene infinitas cifras decimales (no peri´odicas) e = 2, 718281828459.... Este n´umero se utiliza para calcular por ejemplo c´omo aumentar´ıa un capital colocado a inter´es compuesto si el inter´es se acumulara a cada momento al capital, o crecimientos de poblaci´on. Puedes estudiar la historia del n´umero e en vviana.es/doc/El Numero e.pdf o http://www.astroseti.org/articulo/3490/.
En cualquier caso, la propiedad siguiente permite calcular un logaritmo a trav´es de loga- ritmos en otras bases.
logax = logbx logba
lo que puede resultar muy ´util, por ejemplo, si s´olo disponemos de una calculadora que permita hallar logaritmos decimales y neperianos.
Ejemplo 80.
log25 = ln 5
ln 2, ln 5 = log105 log10e
Propiedad 81. Se verifican las igualdades siguientes para cualquier a, x, y > 0.
1. loga(x· y) = logax + logay 2. logaxy= logax− logay 3. loga(xy) = y· logax 4. loga(√y
x) = logyax
Ejemplo 82. Sabiendo que log102≈ 0.3, vamos a calcular log10
√20 2
.
log10
20
√2
= log1020− log10
√ 2
= log10(2· 10) − log10
21/2
= log10(2) + log10(10)−1
2log102
≈ 0.3 + 1 − 0.15 = 1.15 Ejemplo 83.
2
3log 8− log42− 23= log
√3
82
− log (16 − 8)
= log 4− log 8
= log
4 8
= log
1 2
= log 1− log 2
=− log 2
1. 1
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