Funciones
Conceptos básicos
- Una función es una relación entre dos conjuntos numéricos.
- Ejemplo:
- Conjunto A:
1 2 3 4 - Conjunto B:
2 4 6 8 10 - Cada elemento de B es el doble de A →
y = 2xof(x) = 2x
- Conjunto A:
- Representación:
- Algebraica:
y = 2x - Conjuntos: X y Y (A y B)
- Gráfica: Plano cartesiano, puntos correspondientes a pares (x, y)
- Tabla de valores: mostrar cada x con su y
- Algebraica:
- Función de primer grado:
- A partir de la gráfica, se puede calcular y para un x dado sin conocer la expresión algebraica.
- Ejemplo: encontrar
ycuandox = -3.
- Ejemplo:
Dominio y recorrido
- Dominio: conjunto de valores que puede tomar
x.- Determinado a partir de la gráfica.
- Ejemplo: empieza en
-6(punto cerrado) y termina en8(punto abierto) - Notación:
[-6, 8)
- Recorrido: conjunto de valores que puede tomar
y.- Ejemplo: de
-2(cerrado) a7(abierto) - Notación:
[-2, 7)
- Ejemplo: de
Punto de corte con los ejes
- Punto donde la gráfica atraviesa los ejes.
- Eje X: puede tener varios puntos de corte.
- Eje Y: máximo un punto de corte; nunca más de uno.
- Coordenadas:
(x, y) - Signo de la función:
- Intervalos donde la función es positiva o negativa.
- Ejemplo: función positiva del
-4al-3, negativa hasta3, positiva a partir de ahí. - Se indican intervalos de
x, no dey.
Simetría
- Gráfica:
- Función par: simétrica respecto al eje Y
- Función impar: simétrica respecto a la bisectriz del primer cuadrante
- Función sin simetría: no cumple ninguna norma
- Algebraica:
- Una función es par si
f(-x) = f(x)para todox. - Ejemplo:
(-x)^2 = x^2 - Para polinomios: todos los exponentes pares + término independiente → función par.
- Una función es par si
Periodicidad
- Función que se repite en intervalos de longitud
T. - Se repite a lo largo del eje X.
Monotonía
- Crecimiento: aumenta
x→ aumentay - Decrecimiento: aumenta
x→ disminuyey - Se indica mediante intervalos abiertos, usando
∪para unión de intervalos.
Máximos y mínimos
- Relativos:
- Máximo relativo: valor más alto de su entorno
- Mínimo relativo: valor más bajo de su entorno
- Absolutos:
- Máximo absoluto: valor más alto en todo el dominio
- Mínimo absoluto: valor más bajo en todo el dominio
Continuidad y discontinuidad
- Función continua: se puede dibujar sin levantar el lápiz.
- Tipos de discontinuidad:
- Evitable: solo un punto interrumpe
- Salto finito
- Salto infinito
- Asíntota vertical: la función se aproxima a un valor pero no lo toca (tiende al infinito)
Tipos de funciones según su expresión
- Funciones polinómicas
- Grado 0: constante
- Grado 1: lineal
- Grado 2: cuadrática → forma:
ax^2 + bx + c - Grado n: general
- Funciones racionales
- Cociente de polinomios:
f(x) = P(x)/Q(x) - Dominio: valores donde Q(x) ≠ 0
- Cociente de polinomios:
- Funciones radicales
- Contienen raíces:
f(x) = √xof(x) = √(x-3) - Dominio: valores que no generan raíces negativas
- Contienen raíces:
- Funciones exponenciales
- Forma:
f(x) = a^x - Crecen/decrecen rápidamente según
a > 1o0 < a < 1
- Forma:
- Funciones logarítmicas
- Inversa de las exponenciales:
f(x) = log_a(x) - Dominio:
x > 0
- Inversa de las exponenciales:
- Funciones trigonométricas
sen(x),cos(x),tan(x)y sus transformaciones- Periodicidad, amplitud, fase, frecuencia
Transformaciones de funciones
- Traslaciones horizontales y verticales
- Reflexiones respecto a los ejes
- Estiramiento y compresión (factor de escala)
Composición de funciones
- Notación:
(f∘g)(x) = f(g(x)) - Dominio de la composición: valores de x que cumplen con g(x) ∈ dominio de f
Función inversa
- Existe si la función es biyectiva (inyectiva + sobreyectiva)
- Notación:
f⁻¹(x) - Gráfica: simétrica respecto a la bisectriz
y = x
Límites y comportamiento al infinito
- Límite cuando
x → ∞ox → -∞ - Asíntotas horizontales: cuando la función se aproxima a un valor constante
- Asíntotas oblicuas: pendiente diferente de cero
Funciones definidas por partes
- Una función puede definirse con distintas expresiones según el intervalo de
x.- Ejemplo:
f(x) = { x^2, si x < 0; 2x+1, si x ≥ 0 }
- Ejemplo:
- Útil para modelar fenómenos con comportamiento diferente en distintos rangos.
- Dominio y recorrido se analizan considerando cada parte.
Funciones compuestas y encadenadas
- Composición de más de dos funciones:
(f∘g∘h)(x) = f(g(h(x))) - Evaluación paso a paso:
- Primero
h(x) - Luego
g(h(x)) - Finalmente
f(g(h(x)))
- Primero
- Dominio: intersección de dominios de cada función implicada.
Funciones inyectivas, sobreyectivas y biyectivas
- Inyectiva: cada valor de
ytiene a lo sumo un valor dex. - Sobreyectiva: cada valor posible de
yes alcanzado por algúnx. - Biyectiva: cumple ambas → garantiza existencia de inversa.
Funciones crecientes y decrecientes estrictas
- Más estricta que la monotonía:
- Creciente estricta:
x1 < x2 → f(x1) < f(x2) - Decreciente estricta:
x1 < x2 → f(x1) > f(x2)
- Creciente estricta:
- Útil para determinar inyectividad.
Funciones continuas y derivables
- Derivabilidad: existe la derivada
f'(x)en cada punto. - Función derivable → continua, pero función continua → no siempre derivable.
- Relación con extremos locales:
f'(x) = 0→ posibles máximos o mínimos relativos.
Aplicaciones de funciones
- Física: posición, velocidad, aceleración
- Economía: costo, ingreso, beneficio
- Ingeniería: señales, sistemas de control
- Informática: algoritmos de crecimiento, complejidad temporal
Operaciones con matrices
Conceptos básicos
- Operaciones: suma, resta y producto de matrices
- Matrices: n filas × n columnas
- Producto de matrices:
- Número de columnas de la primera = número de filas de la segunda
- Generalmente no conmutativo →
A * B ≠ B * A - Resultado: matriz con n filas de la primera y n columnas de la segunda
- Ejemplo: matriz
3×2→ calcular elemento fila 1, columna 1 → suma de productos
- Suma y resta:
- Solo se pueden sumar/restar matrices de igual dimensión
Matriz transpuesta
- Intercambiar filas por columnas:
A^T - Propiedades:
(A^T)^T = A,(A + B)^T = A^T + B^T,(AB)^T = B^T A^T
Matriz inversa
- Solo para matrices cuadradas
A * A⁻¹ = IdondeIes la identidad- Método de cálculo: Gauss-Jordan, cofactores, adjunta
Determinante
- Valor escalar asociado a matrices cuadradas
- Propiedades:
- Determinante de matriz triangular: producto de la diagonal
- Si se intercambian filas: cambia de signo
- Determinante de producto:
det(AB) = det(A) * det(B)
Rango de una matriz
- Número máximo de filas/columnas linealmente independientes
- Relacionado con solución de sistemas lineales
Operaciones especiales
- Matriz identidad:
I_n - Matriz nula: todos sus elementos son 0
- Matriz diagonal: elementos solo en la diagonal principal
- Matriz simétrica:
A = A^T - Matriz antisimétrica:
A = -A^T
Sistemas de ecuaciones lineales usando matrices
- Representación:
AX = B - Solución:
- Si
det(A) ≠ 0→ solución única:X = A⁻¹ * B - Si
det(A) = 0→ ninguna o infinitas soluciones
- Si
- Método de Gauss, Gauss-Jordan, inversa, regla de Cramer
Propiedades avanzadas de matrices
- Matriz ortogonal:
A^T = A⁻¹ - Matriz triangular: superior o inferior
- Matriz escalar: diagonal con todos los elementos iguales
- Matriz de permutación: reordena filas o columnas
Rango y nulidad
- Rango (Rank): número de filas o columnas linealmente independientes
- Nulidad (Nullity): dimensión del espacio de soluciones homogéneas (
AX = 0) - Teorema fundamental:
rango(A) + nulidad(A) = número de columnas
Determinantes especiales
- Determinante de matriz triangular: producto de la diagonal
- Determinante de matriz diagonal o escalar: producto de los elementos de la diagonal
Matrices y sistemas lineales
- Sistemas homogéneos:
AX = 0→ soluciones triviales o infinitas - Sistemas no homogéneos:
AX = B - Métodos de resolución:
- Eliminación de Gauss
- Inversa de la matriz
- Regla de Cramer (solo si
det(A) ≠ 0)
Eigenvalores y eigenvectores (introducción)
- Para matriz cuadrada
A, vectorvy escalarλ:A*v = λ*v
λ→ eigenvalor,v→ eigenvector- Aplicaciones:
- Transformaciones lineales
- Dinámica de sistemas
- Compresión de datos (PCA)
Matriz simétrica y diagonalización
- Matriz simétrica:
A = A^T - Puede diagonalizarse con matriz ortogonal
P:A = P * D * P^TDdiagonal con eigenvalores
- Útil para simplificar cálculos y resolver sistemas
Cursos con imágenes
curso-mates-Funciones básico
Relación entre dos conjuntos numéricos
Tabla de valores
Punto en la tabla cartesiana
Función de primer grado
A partir de la gráfica, calcular qué valor de x corresponde a un valor de y sin conocer la expresión algebraica.
Ejemplo: hallar el punto y que corresponde a x = -3
Función - Dominio y recorrido
Calcular a partir de una gráfica de una función:
- Empieza en -6 (punto cerrado → pertenece a la gráfica)
- Termina en 8 (punto abierto → no pertenece)
- El dominio son los valores de x donde la función existe
- Función no existe fuera de (-6, 8)
- Dominio = [-6, 8)
- Intervalo cerrado en -6, abierto en 8
Recorrido:
- Valores del eje y
- Va de -2 (cerrado) a 7 (abierto)
- Recorrido = [-2, 7)
Función - Punto de corte con los ejes
Puntos donde la gráfica cruza los ejes.
- Eje X: puede cortar en varios puntos
- Eje Y: como máximo en uno (no puede tener dos valores de y para el mismo x)
Coordenadas de los cortes:
Signo de la función
- y > 0: función positiva
- y = 0: puntos de corte con el eje x
- y < 0: función negativa
Ejemplo:
Función positiva entre -4 y -3 (vale 0 en -3), negativa hasta 3, luego vuelve a ser positiva.
Solo se consideran intervalos de x, no valores específicos de y.
Simetría gráficamente
- Función par: simétrica respecto al eje Y
- Función impar: simétrica respecto a la bisectriz del primer cuadrante
- Sin simetría: no cumple ninguna de las dos condiciones
Simetría algebraicamente
- Si f(-x) = f(x) → función par
- Si f(-x) = -f(x) → función impar
Ejemplos:
- Cuando un signo negativo está elevado a un exponente par, el resultado es positivo:
(-x)² = x² -
Función par: todos los exponentes pares y término independiente.
-
Función impar: todos los exponentes impares.
- Función sin simetría: combina exponentes pares e impares.
Periodicidad
Una función es periódica cuando se repite con un intervalo constante T en el eje X.
Ejemplo: funciones seno y coseno.
Monotonía (crecimiento y decrecimiento)
- Si al aumentar x, y también aumenta → creciente
- Si al aumentar x, y disminuye → decreciente
Los intervalos se expresan como abiertos y se pueden unir con ∪.
Máximos y mínimos (extremos)
- Máximos relativos: puntos más altos del entorno (picos)
-
Mínimos relativos: puntos más bajos del entorno (valles)
- Máximos y mínimos absolutos: valores más altos o más bajos en todo el dominio.
Continuidad y discontinuidad
Una función es continua si puede dibujarse sin levantar el lápiz.
Tipos de discontinuidad:
- Evitable: solo un punto falta.
- Salto finito: salto entre dos valores próximos.
- Salto infinito: la función tiende a ±∞ (asíntota vertical).
Producto, suma y resta de matrices
- Una matriz tiene n filas y m columnas.
-
Para multiplicar matrices, el número de columnas de la primera debe coincidir con el número de filas de la segunda.
- No siempre se puede multiplicar (B×A ≠ A×B) → no conmutativo.
- El resultado A×B tiene las filas de A y las columnas de B.
Ejemplo: Producto entre una matriz 3×2 y una 2×3 → resultado 3×3.
Operaciones adicionales
- Suma y resta: solo entre matrices del mismo tamaño.
- Transpuesta: se intercambian filas por columnas.
- Matriz identidad: multiplicar por ella no altera el resultado.
- Matriz inversa (A⁻¹): solo existe si det(A) ≠ 0.
Extensión: Conceptos avanzados de funciones y matrices
Funciones
Clasificación de funciones
Las funciones pueden clasificarse según la forma de su expresión o su comportamiento gráfico:
- Polinómicas: combinación lineal de potencias de x con coeficientes reales.
Ejemplo: f(x) = 2x³ - 4x + 1 - Racionales: cociente entre dos polinomios.
Ejemplo: f(x) = (x² + 1) / (x - 3) - Irracionales: incluyen raíces con variables.
Ejemplo: f(x) = √(x + 2) - Exponenciales: la variable está en el exponente.
Ejemplo: f(x) = 3ˣ - Logarítmicas: inversas de las exponenciales.
Ejemplo: f(x) = log₂(x) - Trigonométricas: basadas en seno, coseno, tangente, etc.
- Por tramos: definidas con diferentes expresiones según el intervalo de x.
Transformaciones de funciones
Cualquier función puede desplazarse, reflejarse o escalarse:
- Desplazamiento vertical: f(x) + k (sube o baja)
- Desplazamiento horizontal: f(x - a) (se mueve a la derecha o izquierda)
- Reflexión:
- En eje X → -f(x)
- En eje Y → f(-x)
- Escalado vertical: a·f(x) (estira o comprime)
- Escalado horizontal: f(bx) (acorta o ensancha)
Estas transformaciones ayudan a deducir gráficas complejas a partir de funciones base.
Composición de funciones
La composición combina dos funciones:
(f ∘ g)(x) = f(g(x))
- Se evalúa primero g(x) y luego se aplica f al resultado.
- No siempre es conmutativa: f(g(x)) ≠ g(f(x))
- Se usa en modelado de procesos donde una salida depende de otra transformación.
Función inversa
La inversa de una función f(x) es otra función f⁻¹(x) tal que: f(f⁻¹(x)) = x
Propiedades:
- Solo existe si la función es inyectiva (cada y tiene una única x).
- Gráficamente, es simétrica respecto a la bisectriz y = x.
Ejemplo: f(x) = 2x + 3 → f⁻¹(x) = (x - 3)/2
Límites y continuidad avanzada
- Un límite describe el comportamiento de una función cerca de un punto.
Se escribe: lim(x→a) f(x) - Si el límite por la derecha y la izquierda existen y son iguales → función continua.
- Si difieren o no existen → función discontinua.
Tipos de discontinuidades avanzadas:
- Removible: el límite existe, pero la función no está definida en el punto.
- De salto: el límite lateral derecho e izquierdo existen pero son distintos.
- Infinita: el límite tiende a ±∞.
- Oscilatoria: no existe por variaciones extremas (ejemplo: sin(1/x) en x→0).
Derivadas y comportamiento local
La derivada mide el cambio instantáneo de una función: f’(x) = lim(h→0) (f(x+h) - f(x)) / h
Interpretaciones:
- Geométrica: pendiente de la recta tangente.
- Física: velocidad instantánea (si y representa posición).
Aplicaciones:
- Identificar intervalos de crecimiento/decrecimiento.
- Determinar puntos críticos (f’(x)=0 → máximos o mínimos).
- Analizar concavidad y puntos de inflexión (segundas derivadas).
Asintotas
Líneas a las que la función se aproxima sin alcanzarlas.
- Verticales: x = a (cuando f(x) → ±∞)
- Horizontales: y = b (cuando lim(x→∞) f(x) = b)
- Oblicuas: y = mx + n (cuando la función crece linealmente sin límite)
Matrices
Propiedades de las matrices
- Asociativa: (A·B)·C = A·(B·C)
- Distributiva: A·(B + C) = A·B + A·C
- No conmutativa: A·B ≠ B·A
- Identidad: A·I = I·A = A
- Nula: A·0 = 0
Determinante de una matriz
El determinante (det(A) o |A|) indica propiedades geométricas y de invertibilidad.
- Si det(A) = 0 → matriz singular, sin inversa.
- Si det(A) ≠ 0 → matriz invertible.
Para 2×2:
det(A) = ad - bc
Si A = [[a, b], [c, d]]
Para 3×3: Usando la regla de Sarrus: det(A) = aei + bfg + cdh - ceg - bdi - afh
Inversa de una matriz
Solo existe si det(A) ≠ 0.
A⁻¹ = (1 / det(A)) · adj(A)
Propiedad:
A·A⁻¹ = I
Sistemas de ecuaciones lineales
Los sistemas pueden expresarse como una multiplicación matricial: A·X = B
- Si det(A) ≠ 0 → solución única: X = A⁻¹·B
- Si det(A) = 0 → puede tener infinitas o ninguna solución.
Método de Cramer: xᵢ = det(Aᵢ) / det(A)
Donde Aᵢ es la matriz A sustituyendo la columna i por B.
Aplicaciones de las matrices
- Transformaciones lineales: rotación, escalado, traslación en gráficos.
- Grafos y redes: representación de conexiones (matriz de adyacencia).
- Programación y algoritmos: manipulación de datos tabulares y cálculos numéricos.
- Machine learning: operaciones vectoriales en entrenamiento de modelos.
- Criptografía: codificación mediante matrices invertibles.
- Simulaciones físicas: representación de sistemas dinámicos.
Extensión práctica
Ejemplo de rotación 2D con matrices:
import numpy as np
# Punto original
p = np.array([2, 3])
# Ángulo de rotación (en radianes)
theta = np.pi / 4 # 45 grados
# Matriz de rotación
R = np.array([[np.cos(theta), -np.sin(theta)],
[np.sin(theta), np.cos(theta)]])
# Resultado
p_rotado = R @ p
print(p_rotado)
`
Este ejemplo muestra cómo usar una matriz para rotar un punto en el plano.
Representación matricial en programación
En Python o NumPy:
- Los vectores y matrices se manejan como arrays multidimensionales.
- Operaciones como suma, producto o transposición están optimizadas.
Ejemplo:
import numpy as np
A = np.array([[1, 2],
[3, 4]])
B = np.array([[2, 0],
[1, 3]])
# Producto matricial
C = np.dot(A, B)
print(C)
Relación entre funciones y matrices
Ambos conceptos se cruzan en análisis y computación:
- Una función lineal puede representarse como matriz de transformación.
- En álgebra lineal, la evaluación de funciones sobre matrices (f(A)) permite calcular exponentes de matrices, resolviendo ecuaciones diferenciales.
- En Machine Learning, las funciones de activación actúan sobre matrices (tensores) de datos.
Nota complementaria sugerida
Podría ampliarse en una futura nota:
- Derivadas y optimización
- Álgebra lineal aplicada a la IA
- Transformaciones de funciones
- Tipos de discontinuidades y límites especiales
- Matrices en programación científica
Extensión avanzada: temas complementarios de funciones y matrices
Funciones
Funciones compuestas y operaciones
-
Suma, resta, multiplicación y división de funciones:
(f ± g)(x) = f(x) ± g(x)
(f·g)(x) = f(x)·g(x)
(f / g)(x) = f(x)/g(x), g(x) ≠ 0 - Funciones inversas en la práctica:
- Composición con su inversa da la función identidad: f(f⁻¹(x)) = x
- Verificación rápida mediante sustitución
- Funciones definidas por partes:
- Utilizadas para modelar situaciones donde la relación cambia según el intervalo de x
- Ejemplo: función escalón, función valor absoluto
Comportamiento asintótico avanzado
- Asintotas horizontales y oblicuas para funciones racionales:
- Comparar grados del numerador y denominador:
- Grado numerador < denominador → y = 0
- Grados iguales → y = coef_num/coef_den
- Grado numerador = grado denominador + 1 → asintota oblicua
- Comparar grados del numerador y denominador:
-
Asintotas verticales: puntos donde el denominador se anula
- Límites al infinito para funciones exponenciales y logarítmicas:
- eˣ crece más rápido que cualquier polinomio
- log(x) crece lentamente y no tiene límite superior
Funciones especiales
-
Valor absoluto: f(x) = x , simétrica y definida por tramos - Funciones escalón: saltos discretos, utilizadas en sistemas digitales
- Funciones periódicas no trigonométricas: patrones repetitivos en señalización y física
- Funciones implícitas: relaciones F(x, y) = 0 donde y no está despejada
- Funciones paramétricas: describen curvas mediante parámetro t: (x(t), y(t))
Optimización y análisis de funciones
- Puntos críticos: donde f’(x) = 0 o f’(x) no existe
- Concavidad:
- f’‘(x) > 0 → función cóncava hacia arriba
- f’‘(x) < 0 → función cóncava hacia abajo
- Puntos de inflexión: cambio de concavidad, f’‘(x) = 0 y cambio de signo
- Aplicaciones: economía (max/min de ganancias), física (trayectorias), ingeniería (resistencia de materiales)
Matrices
Tipos especiales de matrices
- Diagonal: solo elementos no nulos en la diagonal principal
- Identidad (I): diagonal con 1, resto 0
- Nula (0): todos los elementos 0
- Triangular: superior o inferior, útil para resolución de sistemas
- Simétrica: A = Aᵀ, propiedades en autovalores y descomposición
- Ortogonal: Aᵀ·A = I, preserva normas y ángulos
- Sparsa: muchas entradas cero, optimización en cómputo
Operaciones avanzadas
- Autovalores y autovectores:
- Para A·v = λ·v, λ es autovalor, v es autovector
- Usados en dinámica de sistemas, estabilidad y PCA
- Descomposición de matrices:
- LU: factoriza en triangular inferior y superior
- QR: factorización ortogonal, útil en mínimos cuadrados
- Eigen: descomposición en autovalores y autovectores
- Rango de la matriz: número máximo de filas/columnas linealmente independientes
- Traza (trace): suma de elementos de la diagonal, útil en propiedades de autovalores
Sistemas lineales avanzados
- Compatibilidad:
- Sistema compatible determinado → única solución
- Sistema compatible indeterminado → infinitas soluciones
- Sistema incompatible → sin solución
- Métodos de resolución:
- Sustitución y eliminación (manual)
- Cramer (determinantes)
- Inversa de matriz
- Factorización LU
- Métodos iterativos (Gauss-Seidel, Jacobi)
Aplicaciones prácticas de matrices
- Gráficas y grafos: matrices de adyacencia y de incidencia
- Transformaciones geométricas: rotación, traslación, escala y reflexión
- Modelado físico: sistemas de ecuaciones en circuitos, fuerzas y movimiento
- Machine Learning: tensores, propagación hacia adelante, backpropagation
- Criptografía: cifrado de datos mediante matrices invertibles
- Simulación de Markov: cadenas de estados con matrices estocásticas
Representación en programación avanzada
- Uso de librerías para operaciones eficientes: NumPy, SciPy, TensorFlow, PyTorch
- Multiplicación matricial optimizada: evita bucles explícitos y mejora rendimiento
- Broadcasting: operaciones entre matrices de diferente tamaño compatibles
- Funciones vectorizadas: aplicar funciones a todos los elementos simultáneamente
Ejemplo: multiplicación vectorizada en NumPy
import numpy as np
A = np.array([[1, 2], [3, 4]])
B = np.array([[5, 6], [7, 8]])
# Multiplicación elemento a elemento
C = A * B
# Producto matricial
D = A @ B
`
Conexión funciones y matrices en aplicaciones
- Transformaciones lineales: cualquier función lineal f(x) = Ax puede representarse como multiplicación matricial
- Sistemas dinámicos: xₖ₊₁ = A·xₖ → evolución de estados
- Redes neuronales: matrices representan pesos, funciones aplican activación no lineal
- Procesamiento de señales e imágenes: convoluciones y filtrado mediante matrices
Temas sugeridos para futuras notas
- Funciones vectoriales y multivariables
- Optimización multivariable y derivadas parciales
- Matrices en análisis numérico y simulaciones físicas
- Transformaciones lineales en geometría y gráficos por computadora
- Cadenas de Markov y matrices estocásticas
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