1.8 Función exponencial y logarítmica.

Función exponencial y logarítmica.

Objetivo
Con este blog pretendemos que los/as alumnos/as descubran la belleza de la matemáticas, que la sepan apreciarla en las formas de la naturaleza, en el arte, en su día a día etc.

Potencias, logaritmos y su relación

El producto de n factores iguales a a: n

a · a · ... · a, se llama potencia de base a y exponente n, donde a ð 0 ó n ð 0.

Es de suponer que no sea una operación conmutativa, ya que base y exponente cumplen funciones distintas. (La demostración queda conforme con sólo ver que 23 ð 32).

Algunas propiedades son:

• a0 = 1; 00 no tiene sentido.

• El producto de potencias de igual base es una potencia de la misma base que tiene por exponente la suma de los exponentes.

n m n+m

an · am = a · a · ...· a · a · a · ...· a = a · a · ...· a = an+m

• El producto de potencias de igual e ponente es igual a una potencia del mismo exponente que tiene por base el producto de las bases.

n n n

an · bn = a · a · ...· a · b · b · ...· b = (a · b) · (a · b) ·...· (a · b) = (a · b)n

n n

• (am)n = am · am · ...· am = am+m+m+...+m = amn

• an : am = an - m

• an : bn = (a : b)n

Es importante observar que la potenciación, como consecuencia de no tener propiedad conmutativa, da origen a dos operaciones inversas. Hemos de recordar que operaciones como la adición y la multiplicación ofrecen sólo una operación inversa, respectivamente la sustracción y la división, como consecuencia directa de la propiedad conmutativa.

En la potenciación observamos dos operaciones inversas que explicitan respectivamente la base y el exponente:

Radicación: Si b es potencia enésima de a podemos expresar la base como que a es la raíz enésima de b.

Logaritmación: n = loga b, es un número tal que an = b. Con a>0, b>0 y b ð 1.

Algunas de sus propiedades son:

• Si c>0, es a logac =c

• Si c>0 y c'>0, es: loga(c·c') = logac + logac'. En efecto, siendo c y c' positivos, se cumple:

c = a logac y c'= a logac' .·. c · c' = alogac · alogac = alogac + logac'

.·. loga(c · c') = logac +logac'.

• Si c>o y c'>0, es: loga(c:c') = logac - logac'.

En este caso dividimos:

c : c' = alogac : alogac = alogac - logac'

Corolario: loga1/c = loga1 - logac y, como loga1 = 0, resulta: loga1/c = -logac.

• Si c>0, es logacd = d logac.

En efecto, siendo: c = alogac, es también: cd =(alogac)d = ad logac .·. logacd = d logac.

• logac = logbc / logba.

Función

Cada función consta de tres elementos:

Dominio de definición: conjunto de objetos cualesquiera, en nuestro caso, números reales.

Una ley de correspondencia que nos permite asociar un elemento del dominio de definición con uno del recorrido.

Recorrido: conjunto en el cual se encuentran los correspondientes objetos del dominio.

Dominio Recorrido

Conjunto de reales o parte de él Conjunto de los reales o parte de él

x variable independiente y variable dependiente

Si tenemos un conjunto A de números reales, y a cada número a del conjunto A le asignamos un correspondiente b, decimos que se ha definido una función en el conjunto A. Es pues, ésta una correspondencia unívoca; a cada elemento a se le asigna un b, y para evidenciarlo se escribe b= f (a).

Función inversa

Una función es:

Inyectiva, si para x1 ð x2 se cumple que f(x1) ð f(x2).

Sobreyectiva, si cualquier elemento de R es imagen de un elemento de D.

Cuando la función f(x) cumple estas condiciones, existe la función inversa de la f, cuyo dominio es R y cuyo recorrido el D. La función inversa es además inyectiva y sobreyectiva.

Sea y un elemento de R; por 1. y 2., le asociamos el elemento de D que existe por 2. Esta correspondencia es la función inversa buscada.

Así es que dos funciones y= f(x) e y= ð(x) se llaman inversas entre sí, si para cada par de valores (a, b) que verifican la condición b= f(a), se verifica también la condición a= ð(b), y viceversa. Una de las dos funciones inversas entre sí se puede llamar directa (es indiferente cual de ellas); entonces la otra se llama inversa con respecto a la primera.

Para obtener una inversa de una función directa y= f(x), se deben cambiar de lugares el argumento y la función; la ecuación x= f(y) determina implícitamente la función inversa a y= f(x). Resolviendo x= f(y) con respecto a y se obtiene en forma explícita la función inversa y= ð(x).

Las gráficas de las funciones directas e inversas son simétricas con respecto a las bisectrices de los ángulos del primero y tercer cuadrantes.

Función exponencial

Se llama así a la función y= f(x) = ax, cuando a>0, es decir una potencia donde la variable independiente es el exponente, siendo la base una constante positiva.

Tendremos, por ejemplo, f(3/2)= a3/2. Tomando la raíz aritmética, la función queda unívocamente definida para todo x racional, y su variación en este campo resulta de lo siguiente:

Las potencias de exponente racional de los números positivos mayores(menores) que uno, son mayores(menores) que uno si el exponente es positivo, y son menores(mayores) que uno si es negativo. En ambos casos crecen(decrecen) al crecer el exponente.

Si a=1, se reduce a la función constante f(x) =1 y no la consideramos como función exponencial.

Con lo establecido anteriormente, podemos enunciar las siguientes propiedades de la función exponencial:

Para todo x es ax>0. En particular, la función exponencial no se anula nunca.

f(0) = a0 =1. [Todas las gráficas pasan por el punto (0, 1)]

f(1) = a1 = a.

Para a>1 (es decir, b>0) es monótona creciente desde 0 hasta ð; para a<1(es decir, b<0) es monótona decreciente desde ð hasta 0, tanto más rápidamente cuanto mayor sea ð bð .

lim ax = + ð (a>1) lim ax = 0 (0<a<1)

x →ð ð x →ð ð

La curva se aproxima asintóticamente al eje x(para b>0 a la izquierda, para b<0 a la derecha), tanto más rápidamente cuanto mayor sea ð bð .

lim ax = 0 (a>1) lim ax = +ð (0<a<1)

x →ð ð x →ð ð

Representación gráfica de la función exponencial

Ejemplos de funciones exponenciales

1. La función y = 2x es una función exponencial de base 2. Algunos de los valores que toma esta función, f: R R, son:

2. La función y= 1/2x es una función exponencial de base 1/2. Algunos de los valores que toma esta función son:

Exponenciales expresadas como potencias de e

La ecuación funcional E(a +b) = E(a)E(b) tiene muchas consecuencias interesantes. Por ejemplo podemos utilizarla para demostrar que

(1) E(r) = er

Para todo número racional r.

Tomamos primero b= -a en la ecuación funcional obteniendo

(2) E(a)E(-a)=E(0)=1,

y por lo tanto E(-a)=1/E(a) para todo a real. Tomando b= a, b= 2ª, . . ., b= na en la ecuación funcional obtenemos, sucesivamente, E(2 a)= E(a)2, E(3 a)= E(a)3, y, en general,

(3) E(na)= E(a)n

para todo n entero positivo. En particular, cuando a=1, obtenemos

(4) E(n)= en,

mientras que para a= 1/n, se obtiene E(1)= E(1/n)n. Puesto que E(1/n)>0, ello implica

(5) E(1/n)= e1/n.

Por consiguiente, si ponemos a= 1/m en (3) y aplicamos (5), encontramos

E(n/m)= E(1/m)n= en/m

para m y n enteros positivos cualesquiera. Dicho de otro modo, hemos demostrado (1) para cada número racional positivo. Como E(-r)= 1/E(r)= e-r, también es válida para todo r racional negativo.

Definición de ex para x real cualquiera

En el apartado anterior se ha probado que ex = E(x) cuando x es un racional cualquiera. Ahora se definirá ex para x irracional por

(7) ex = E(x) para cada x real.

La máxima justificación que se puede dar de esta definición es que con ella la ley de los exponentes

eaeb= ea+b

es válida para todos los números reales a y b. Cuando se toma la definición (7), la demostración de (8) es trivial puesto que (8) no es más que la misma afirmación de la ecuación funcional.

Se ha definido la función exponencial de manera que las dos ecuaciones

y= ex y x= ln y signifiquen exactamente lo mismo.

La gráfica de la función exponencial y= ex la obtenemos de la del logaritmo y=L (x) por una simetría respecto a la recta y= x.

Ecuaciones y sistemas de ecuaciones exponenciales

Las ecuaciones en las que la incógnita aparece como exponente son ecuaciones exponenciales.

No existe fórmula general alguna que nos muestre cómo resolver todas las ecuaciones exponenciales. Sólo a través de la práctica podremos determinar, en cada caso, qué camino tomar.

Para resolver estas ecuaciones hay que tener presente algunos resultados y propiedades que ya se han descrito anteriormente.

Ejercicio: resolución de ecuaciones exponenciales

1. Resolver

Resolución:

Expresando 1/8 como potencia de 2:

Basta ahora con resolver esta ecuación de segundo grado: 1 - x2 = -3 → x2 = 4 → x = ± 2

2. Resolver 4x+1 + 2x+3 = 320

Resolución:

En algunas ecuaciones es necesario hacer un cambio de variable para su resolución. Teniendo en cuenta las propiedades de las potencias, la ecuación puede escribirse:

4 · 4x + 23·2x = 320 → 4 · 4x + 8·2x = 320

Expresando 4x como potencia de dos, 4 · 22x + 8 · 2x = 320

Se hace el cambio de variable 2x = y, (por tanto 22x = y2) y se obtiene: 4y2 + 8y = 320

Basta ahora con resolver esta ecuación: y2 + 2y - 80 = 0

Se deshace ahora el cambio y = 2x

y1 = -10 = 2x. No es posible encontrar un x que verifique esta condición (2x es siempre positivo)

y2 = 8 = 2x → x = 3

La solución es, por tanto, x = 3

3. Resolver 5x + 5x+2 + 5x+4 = 651

Resolución: Aplicando las propiedades de las potencias, la ecuación se puede escribir como

5x + 52 ·5x + 54 ·5x = 651

Sacando factor común 5x:

5x (1 + 52 + 54) = 651 5x·651 = 651 → 5x = 1 → x = 0

Función logarítmica

Se llama así a la función inversa a la exponencial, que existe en base a lo demostrado anteriormente:

x = ð (y) = loga y, definida para 0<y<+ð, si a>0 y að1.

Escribamos ahora la función de otra forma:

y = ð (x) = loga x,

donde llamamos de nuevo x a la variable independiente e y a la función, y obtenemos de la gráfica de la función exponencial, la gráfica de la función logarítmica por simetría de primer y tercer cuadrantes.

Por las propiedades de los logaritmos vistas previamente enunciamos las siguientes:

La función logax sólo está definida para x>0.

logaa =1 y loga1=0. [Todas las gráficas pasan por el punto (1, 0)]

Para a>1 (es decir, b>0) es monótona creciente desde -ð hasta +ð; para a<1 (es decir, b<0) es monótona decreciente desde +ð hasta -ð, tanto más lentamente cuanto mayor sea

ð loga xð .

lim logax = + ð (a>1) lim logax = ðð (0<a<1)

x →ð ð x →ð ð

La curva se aproxima asintóticamente al eje y(para a>1 hacia abajo, para a< 1 hacia arriba), tanto más rápidamente cuanto mayor sea ð logaxð .

lim logax = ðð (a>1) lim logax = +ð (0<a<1)

x →0ð x →0+

Representación gráfica de la función logarítmica

Bibliografía

• Introducción al análisis matemático; Luis Osín.

• Calculus, Volumen I; Tom M. Apostol.

• Manual de matemáticas para ingenieros y estudiantes; I. Bronshtein, K. Semendiaev.

• Aritmética 3; C. Repetto, M. Linskens, H. Fesquet.

• Análisis matemático; Tom M. Apostol.

• Análisis matemático, Volumen I; J. Rey Pastor, P. Pi Calleja, C. A. Trejo.

• Matemáticas 3; C. Amigo, P. Peña, A. Pérez, A. Rodríguez, F. Sivit.

• Apuntes de análisis matemático II(del curso del profesor F. Forteza); A. Dieste, C. Pfeif.

• Apuntes de análisis matemático(de las clases del profesor R. Ciganda); Santiago Michelini.

Bibliografía