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574 Capítulo 9 Funciones exponenciales y logarítmicas EJEMPLO 4 a) Determina la función inversa de f (x) 5 4x 1 2. b) Grafica f (x) y f 21(x) en los mismos ejes. Solución a) Ésta es una función uno a uno, por lo tanto, seguiremos el procedimiento de cua- tro pasos que se acaba de explicar. f (x) 5 4x 1 2 Función original. Paso 1 y 5 4x 1 2 Reemplaza f (x) con y. Paso 2 x 5 4y 1 2 Intercambia x con y. Paso 3 x 2 2 5 4y Despeja y. o f -1 1x 2 = x - 2 4 y = x - 2 4 x - 2 4 = y Paso 4 Reemplaza y con f 21(x). b) A continuación se muestran tablas de valores para f (x) y f 21(x). Las gráficas correspondientes se muestran en la Figura 9.9. x y = f(x) 0 2 1 6 x y = f –1(x) 2 0 6 1 �3 �2 7 6 5 4 3 2 1 765431 2�3�2 x y y � x f (x) f�1(x) FIGURA 9.9 Observa la simetría de f (x) y de f 21(x) respecto a la recta y = x. También observa que tanto el dominio como el rango de f (x) y de f 21(x) son el conjunto de los números reales, R. Resuelve ahora el ejercicio 67 EJEMPLO 5 a) Determina la función inversa de f (x) 5 x3 1 2. b) Grafica f (x) y f 21(x) en los mismos ejes. Solución a) Ésta es una función uno a uno; por lo tanto, seguiremos el procedimiento de cua- tro pasos que se acaba de explicar para determinar su inversa. f (x) 5 x3 1 2 Función original. Paso 1 y 5 x3 1 2 Reemplaza f (x) con y. Paso 2 x 5 y3 1 2 Intercambia x con y. Paso 3 x 2 2 5 y3 Despeja y. Saca la raíz cúbica de ambos lados. o f -1 1x 2 = !3 x - 2 y = !3 x - 2 !3 x - 2 = y !3 x - 2 = "3 y3 Paso 4 Reemplaza y con f 21(x). Sección 9.1 Funciones compuestas e inversas 575 En la Figura 9.10 se muestran las gráficas de f (x) y de f 21(x). Observa que para cada punto (a, b) en la gráfica de f (x), el punto (b, a) aparece en la gráfica de f 21(x). Por ejemplo, los puntos (2, 10) y (22, 26), marcados en azul, aparecen en la gráfica de f (x), y los puntos (10, 2) y (26, 22), marcados en negro, aparecen en la gráfica de f 21(x). Resuelve ahora el ejercicio 61 4 Determinar la composición de una función y su inversa Para ayudar a fortalecer la relación entre una función y su inversa, evaluaremos la com- posición de f 21(x) y f (x) a partir del ejemplo 5 para los valores de x 5 22, x 5 0 y x 5 2. ( f 21 + f )(22) 5 f 21[ f (22)] 5 f 21(26) 5 22 ( f 21 + f )(0) 5 f 21[ f (0)] 5 f 21(2) 5 0 ( f 21 + f )(2) 5 f 21[ f (2)] 5 f 21(10) 5 2 Observa que el resultado de la composición de una función y su inversa es siempre igual al valor dado. De manera similar, evaluaremos la composición de f (x) y f 21(x) a partir del ejemplo 5 para los valores de x 5 26, x 5 2 y x 5 10. ( f + f 21)(26) 5 f [ f 21(26)] 5 f (22) 5 26 ( f + f 21)(2) 5 f [ f 21(2)] 5 f (0) 5 2 ( f + f 21)(10) 5 f [ f 21(10)] 5 f (2) 5 10 Observa de nuevo, que el resultado siempre es igual al valor dado. Esta relación se resume del modo siguiente. x y = f(x) 22 26 21 1 0 2 1 3 2 10 x y = f –1(x) 26 22 1 21 2 0 3 1 10 2 FIGURA 9.10 10 128642�8�10�12 �6 �4 y x y � x f (x) f�1(x) �10 �12 �8 �4 �2 10 12 8 6 4 �6 b) A continuación se muestran las tablas de valores para f (x) y f 21(x). Para cualquier función uno a uno f (x) y su inversa f 21(x), ( f + f 21)(x) 5 x y ( f 21 + f )(x) 5 x. La composición de una función y su inversa 576 Capítulo 9 Funciones exponenciales y logarítmicas EJEMPLO 7 En el ejemplo 5, determinamos que f (x) 5 x3 1 2 y f -1 1x2 = !3 x - 2 son funciones inversas. Demuestra que a) ( f + f 21)(x) 5 x b) ( f 21 + f )(x) 5 x Solución a) Para determinar ( f + f 21)(x), sustituye cada x de f (x) por f 21(x). = x - 2 + 2 = x 1 f f -12 1x2 = 1 !3 x - 2 2 3 + 2 f 1x2 = x 3 + 2 b) Para determinar ( f 21 + f )(x), sustituye cada x de f 21(x) por f (x). = "3 x3 = x 1 f -1 f 2 1x2 = "3 1 x3 + 2 2 - 2 f -1 1x2 = "3 x - 2 Por lo tanto, ( f + f 21)(x) 5 ( f 21 + f )(x) 5 x Resuelve ahora el ejercicio 79 EJEMPLO 6 En el ejemplo 4, determinamos que para f (x) 5 4x 1 2, f -1 1x2 = x - 2 4 . Demuestra que a) ( f + f 21)(x) 5 x b) ( f 21 + f )(x) 5 x Solución a) Para determinar ( f + f 21)(x), sustituye cada x de f (x) por f 21(x). = x - 2 + 2 = x 1 f f -12 1x2 = 4a x - 2 4 b + 2 f 1x2 = 4 x + 2 b) Para determinar ( f + f 21)(x), sustituye cada x de f 21(x) por f (x) = 4x 4 = x 1 f -1 f 2 1x2 = 4x + 2 - 2 4 f -1 1x2 = x - 2 4 Por lo tanto, ( f + f 21)(x) 5 ( f 21 + f )(x) 5 x Resuelve ahora el ejercicio 77 Como una función y su inversa “se anulan” entre ellas, la función compuesta de una función con su inversa tiene como resultado el valor dado en el dominio. Por ejemplo, para cualquier función f (x) y su inversa f -1 1x2 , 1 f -1 f 2 132 = 3, y 1 f f -12 a- 1 2 b = - 1 2 . Sección 9.1 Funciones compuestas e inversas 577 CONJUNTO DE EJERCICIOS 9.1 Ejercicios de práctica Llena los espacios en blanco con la palabra, frase o símbolo(s) apropiados de la siguiente lista. inversa dominio horizontal x f(x) vertical rango uno a uno composición y 1. Cuando una variable es una función de otra variable, que a su vez es una función de una tercera variable, describimos la relación entre tales funciones como una de funciones. 2. Una función es una función si a cada elemen- to del rango le corresponde un único elemento del dominio. 3. La prueba de la recta establece que si se traza una recta de modo que interseque una gráfica en más de un punto, entonces la gráfica no es la gráfica de una función. 4. La prueba de la recta establece que si se traza una recta de modo que interseque la gráfica de una función en más de un punto, la función no es una función uno a uno. 5. Si una función uno a uno tiene pares ordenados de la forma (x, y), la función es una función uno a uno con pares ordenados de la forma (y, x). 6. Para una función uno a uno f (x) y su función inversa f 21(x), el dominio de f (x) es el de f 21(x). 7. Para una función uno a uno f (x) y su función inversa f 21(x), el rango de f (x) es el de f 21(x). 8. Para cualquier función uno a uno f (x) y su inversa f 21(x), ( f + f 21)(x) 5 y ( f 21 + f )(x) 5 . Practica tus habilidades Para cada par de funciones, determina a) ( f + g)(x), b) ( f + g)(4), c) (g + f)(x) y d) (g + f)(4). 9. 10. 11. .41.31.21 .71.61.51 18. 19. 20. f 1 x 2 = !x + 6, x Ú -6, g1 x 2 = x + 7f 1 x 2 = x - 4, g1 x 2 = !x + 5, x Ú -5f 1 x 2 = x2 - 4, g1 x 2 = x2 + 3 f 1 x 2 = x2 + 1, g1 x 2 = x2 + 5f 1 x 2 = x2 - 5, g1 x 2 = 4 x f 1 x 2 = 3x + 1, g1 x 2 = 3 x f 1 x 2 = 2 x , g1 x 2 = x2 + 1f 1 x 2 = 1 x , g1 x 2 = 2x + 3f 1 x 2 = x + 2, g1 x 2 = x2 + 4x - 2 f 1 x 2 = x + 3, g1 x 2 = x2 + x - 4f 1 x 2 = 3x - 2, g1 x 2 = x + 1f 1 x 2 = x + 4, g1 x 2 = 2x - 3 En los ejercicios 21–42, determina si cada función es una función uno a uno. .42.32.22.12 25. {(1, 2), (2, 3), (3, 4), (4, 5)} 26. {(1, 1), (2, 2), (3, 3), (4, 4)} 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. y = x3y = !3 xy = - ƒx ƒ y = ƒx ƒy = -!xy = !x y = x2 - 9, x … 0y = x2 - 9, x Ú 0y = x2 - 2x + 6, x Ú 1 y = x2 - 2x + 5y = -x2 + 3y = x2 - 1 y = 3x - 8y = 2x + 5{1 0, 52 , 1 1, 42 , 1 -3, 52 , 1 4, 22 } {1 -4, 22 , 1 5, 32 , 1 0, 22 , 1 4, 82 } x y x y x y x y En los ejercicios 43-48, para la función dada, determina el dominio y el rango tanto de f (x) como de f 21(x). 43. {1 4, 02 , 1 8, 92 , 1 2, 72 , 1 -1, 62 , 1 -2, 42 } 44. e 1 -2, -32 , 1 -4, 02 , 1 5, 32 , 1 6, 22 , a2, 1 2 b f 578 Capítulo 9 Funciones exponenciales y logarítmicas 45. 4 2 1 4 2 3 3 1 4214 2 33 1 y x 46. 4 2 1 4 2 3 3 1 4214 2 33 1 y x 47. x y 2 48. x y Para cada función, a) determina si es uno a uno; b) si es uno a uno, determina su función inversa. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66. h1 x 2 = ƒx ƒh1 x 2 = x2 - 4, x Ú 0 f 1 x 2 = x2 - 3, x Ú 0g1 x 2 = !x+ 2, x Ú -2 f 1 x 2 = !x , x Ú 0g1 x 2 = x3 - 6 g1 x 2 = x3 + 9f 1 x 2 = x2 + 10 h1 x 2 = 5 x g1 x 2 = 1 x m1 x 2 = -x2 + x + 8t1 x 2 = x2 + 3 r1 x 2 = ƒx ƒp1 x 2 = 3x2 k1 x 2 = 2x - 7h1 x 2 = 4x f 1 x 2 = x - 4f 1 x 2 = x + 3 Para cada función uno a uno, a) determina f 21(x) y b) grafica f (x) y f 21(x) en los mismos ejes. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. 76. f 1 x 2 = 1 x f 1 x 2 = 1 x , x 7 0 f 1 x 2 = !3 x + 3f 1 x 2 = !3 x f 1 x 2 = !x + 4, x Ú -4f 1 x 2 = !x - 1, x Ú 1 f 1 x 2 = -!x , x Ú 0f 1 x 2 = !x , x Ú 0 f 1 x 2 = -3x + 6f 1 x 2 = 2x + 8 Para cada par de funciones inversas, demuestra que ( f + f 21)(x) 5 x y ( f 21 + f )(x) 5 x. 77. 78. 79. 80. .28.18 .48.38 f 1 x 2 = !x + 5, f -11 x 2 = x2 - 5, x Ú 0f 1 x 2 = 3 x , f -11 x2 = 3 x f 1 x 2 = !3 x + 9, f -11 x 2 = x3 - 9f 1 x 2 = !3 x - 2, f -11 x 2 = x3 + 2 f 1 x 2 = - 1 3 x + 2, f -11 x 2 = -3x + 6f 1 x 2 = 1 2 x + 3, f -11 x 2 = 2x - 6 f -11 x2 = x 3 f 1 x 2 = 3x,f -11 x 2 = x - 5f 1 x 2 = x + 5, Resolución de problemas 85. La función f (x) 5 3x convierte yardas, x, en pies. Determina la función inversa para convertir pies en yardas. ¿Qué repre- sentan x y f 21(x) en la función inversa? 86. La función f (x) 5 12x convierte pies, x, en pulgadas. De- termina la función inversa para convertir pulgadas en pies. ¿Qué representan x y f 21(x) en la función inversa? 87. La función f 1 x 2 = 5 9 1x - 322 convierte grados Fahrenheit, x, en grados Celsius. Determina la función inversa para con- vertir grados Celsius en grados Fahrenheit. 88. La función f 1 x 2 = 22 15 x convierte millas por hora, x, en pies por segundo. Determina la función inversa para convertir pies por segundo en millas por hora. 40 20 0 �20 �40 �60 60 80 100 120 140 160 180 200 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 �10 �20 �30 �40 �50 C F Ver ejercicio 87. Sección 9.1 Funciones compuestas e inversas 579 En los ejercicios 89 - 92, se dan las funciones f (x) y g(x). Determina la composición ( f + g)(x). Para la función composición, ¿qué repre- sentan x y ( f + g)(x)? 89. f (x) 5 16x convierte libras, x, en onzas. g(x) 5 28.35x con- vierte onzas, x, en gramos. 90. f (x) 5 2000x convierte toneladas, x, en libras. g(x) 5 16x convierte libras, x, en onzas. 91. f (x) 5 3x convierte yardas, x, en pies. g(x) 5 0.305x con- vierte pies, x, en metros. 92. f (x) 5 1760x convierte millas, x, en yardas. g(x) 5 0.915x convierte yardas, x, en metros. Ejercicios de conceptos y escritura 93. ¿Es ( f + g)(x) 5 (g + f )(x) para todos los valores de x? Ex- plica y proporciona un ejemplo que apoye tu respuesta. 94. Considera las funciones f 1 x 2 = !x + 5, x Ú -5, y g(x) 5 x2 2 5, x 0. a) Demuestra que ( f + g)(x) 5 (g + f )(x) para x 0. b) Explica por qué es necesario estipular que x 0 para que el inciso a) sea verdadero. 95. Considera las funciones f (x) 5 x³ 1 2 y g1 x 2 = !3 x - 2. a) Demuestra que ( f + g)(x) 5 (g + f )(x). b) ¿Cuáles son los dominios de f (x), g(x),( f + g)(x) y (g + f ) (x)? Explica. 96. Para la función f (x) 5 x³, f (2) 5 2³ 5 8. Explica por qué f 21(8) 5 2. 97. Para la función f (x) 5 x4, x . 0, f (2) 5 16. Explica por qué f 21(16) 5 2. 98. a) ¿La función f (x) 5 ƒx ƒ tiene inversa? Explica. b) Si el dominio está limitado a x 0, ¿La función tiene inversa? Explica. c) Determina la función inversa de f (x) 5 ƒx ƒ, x 0. Problemas de desafío 99. Área Cuando se arroja una piedra a un estanque, el círcu- lo (onda) que se forma con el golpe de la piedra en el agua se expande con el tiempo. El área del círculo en expansión puede determinarse mediante la fórmula A 5 pr2. El radio del círculo, r, en pies, es una función del tiempo, t, en segun- dos. Supón que la función es r(t) 5 2t. © D an ie l R yb kin /S hu tte rs to ck a) Determina el radio del círculo 3 segundos después de que la piedra golpea el agua. b) Determina el área del círculo 3 segundos después de que la piedra golpea el agua. c) Expresa el área como una función del tiempo, deter- mina A + r. d) Mediante la función que encontraste en el inciso c), de- termina el área del círculo 3 segundos después de que la piedra golpea el agua. e) ¿Las respuestas a los incisos b) y d) coinciden? Si no es así, explica por qué. 100. Área de la superficie El área de la superficie, S, de un globo esférico de radio, r, en pulgadas, se determina me- diante S(r) 5 4pr2. Si el globo se está inflando con una máquina a una velocidad constante, entonces el radio del globo es una función del tiempo. Supongamos que esta función es r(t) 5 1.2t, donde t está en segundos. a) Determina el radio del globo a los 2 segundos. b) Determina el área de la superficie a los 2 segundos. c) Expresa el área de la superficie como una función del tiempo, determina S + r. d) Mediante la función que encontraste en el inciso c), de- termina el área de la superficie después de 2 segundos. e) ¿Las respuestas a los incisos b) y d) coinciden? Si no es así, explica por qué. Actividad de grupo Analicen y respondan en grupo el ejercicio 101. 101. Consideren la función f (x) 5 2x. Éste es un ejemplo de una función exponencial, de la cual hablaremos en la sección si- guiente. a) Grafiquen esta función sustituyendo valores para x y determinando los valores correspondientes de f (x). b) ¿Ustedes creen que esta función tenga inversa? Expli- quen su respuesta. c) Con la gráfica obtenida en el inciso a), tracen la función inversa, f 21(x) en los mismos ejes. d) Expliquen cómo obtuvieron la gráfica f 21(x). Ejercicios de repaso acumulados [1.3] 102. Divide ` -9 4 ` , ` -4 9 `. [3.5] 103. Determina, en la forma general, la ecuación de una recta que pase por a1 2 , 3b y que sea paralela a la grá- fica de 2x 1 3y 2 9 5 0. [6.3] 104. Simplifica 3 x2 - 2 x x 6 . [6.4] 105. Despeja p de 1 f = 1 p + 1 q . [8.1] 106. Resuelve la ecuación x² 1 2x 2 10 5 0 completando el cuadrado. 580 Capítulo 9 Funciones exponenciales y logarítmicas 9.2 Funciones exponenciales 1 Graficar funciones exponenciales. 2 Resolver problemas de aplicación con funciones exponenciales. 1 Graficar funciones exponenciales Existen muchas aplicaciones para las funciones exponenciales. Algunos ejemplos incluyen el crecimiento de poblaciones, la duplicación de una bacteria en un experimento biológi- co, el valor del dinero en una cuenta de banco con interés compuesto, el decaimiento de la cantidad de carbono 14 en los restos de un fósil y muchos otros. Las gráficas que se mues- tran en la Figura 9.11 y la Figura 9.12 muestran dos ejemplos de funciones exponenciales. N úm er o de b ac te ri as Crecimiento de bacterias 1000 0 50 10 15 2000 3000 4000 5000 Horas FIGURA 9.11 Crecimientos de $1000 $0 0 10 $12,000 $14,000 $10,000 $8,000 $6,000 $4,000 $2,000 Años 20 30 40 50 60 D ól ar es FIGURA 9.12 Como se ve en la definición siguiente, una función exponencial siempre tendrá a la variable como exponente. Una función exponencial es una función de la forma f (x) 5 ax o y 5 ax, donde a es un nú- mero real positivo distinto de 1. Observa que la variable está en el exponente. Ejemplos de funciones exponenciales f 1x 2 = 2x, y = 5x, g 1x 2 = a1 2 b x Las funciones exponenciales pueden graficarse seleccionando valores para x, deter- minando los correspondientes valores de y [o f (x)], y trazando los puntos. Antes de graficar funciones exponenciales, analizaremos algunas de sus características. Comprendiendo el álgebra ¿Cuál es la diferencia entre las dos funciones f (x) 5 2x y g(x) 5 x²? Función exponencial f 1x 2 = 2x S la variable es el exponente Observa la localización de la variable x. En una función exponencial, la variable está en la posición del exponente. Función polinomial (cuadrática) g 1x 2 = x2 S la variable es la base En una función polinomial (en este caso cuadrática), la variable está en la posición de la base.Para cualquier número real a . 0 y a 1, f (x) 5 ax o y 5 ax es una función exponencial. Función exponencial Para toda función exponencial de la forma y 5 ax o f (x) 5 ax, donde a . 0 y a 1, 1. El dominio de la función es (2q, q). 2. El rango de la función es (0, q). 3. La gráfica pasa por los puntos a -1, 1 a b , 1 0, 12 , y (1, a). Gráficas de funciones exponenciales Sección 9.2 Funciones exponenciales 581 EJEMPLO 1 Grafica la función exponencial y 5 2x. Establece el dominio y el rango de la función. Solución La función es de la forma y 5 ax, donde a 5 2. Primero construimos una tabla de valores. En ella, los tres puntos del paso 3 en el recuadro de la página 580 se muestran en azul. x -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 y 1 16 1 8 1 4 1 2 1 2 4 8 16 Ahora trazamos estos puntos y los conectamos mediante una curva suave (Figura 9.13). Los tres pares ordenados en azul en la tabla están marcados en azul en la gráfica. 5 9 8 7 6 4 3 2 4321�4 �3 �2 �1 y � 2x x y FIGURA 9.13 El dominio de esta función es el conjunto de los números reales ℝ. El rango es {y ƒ y 7 0}. Resuelve ahora el ejercicio 7 Comprendiendo el álgebra Cuando graficamos funciones de la forma y 5 ax o f (x) 5 ax, podemos predecir la forma de la gráfica al observar los tres puntos a-1, 1 a b , (0, 1) y (1, a) • Cuando a > 1, la gráfica se vuelve casi horizontal a la izquierda de a-1, 1 a b , y casi vertical a la derecha de (1, a); ver ejemplo 1. • Cuando 0 < a < 1, la gráfica es casi horizontal a la derecha de (1, a) y casi vertical a la izquierda de a-1, 1 a b; ver ejemplo 2. Consejo útil Cuando graficamos funciones exponenciales de la forma y 5 ax donde x . 0, si • a . 1, la grafica ascenderá de izquierda a derecha. Ve la gráfica de y 5 2x en la Figura 9.13. • 0 , a , 1, la gráfica descenderá de izquierda a derecha. Ve la gráfica de y = a1 2 b x en la Figura 9.14. EJEMPLO 2 Grafica y = a1 2 b x . Establece el dominio y el rango de la función. Solución Esta función es de la forma y 5 ax, donde a = 1 2 . Construimos una tabla de valores para trazar la curva ( F igura 9.14). x -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 y 16 8 4 2 1 1 2 1 4 1 8 1 16 5 9 8 7 6 4 3 2 4321�4 �3 �2 �1 y � �q�x x y FIGURA 9.14 El dominio es el conjunto de los números reales ℝ. El rango es {y ƒ y 7 0}. Resuelve ahora el ejercicio 13 Observa que las gráficas en las Figuras 9.13 y 9.14 representan funciones uno a uno, ya que cada gráfica cumple el criterio de la recta horizontal.
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