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135 3 Gráficas y funciones 3.1 Gráficas 3.2 Funciones 3.3 Funciones lineales: gráficas y aplicaciones 3.4 La forma pendiente-intersección de una ecuación lineal Prueba de mitad de capítulo: s ecciones 3.1-3.4 3.5 La forma punto-pendiente de una ecuación lineal 3.6 Álgebra de funciones 3.7 Graficar desigualdades lineales Resumen del capítulo 3 Ejercicios de repaso del capítulo 3 Prueba de práctica del capítulo 3 Prueba de repaso acumulada Objetivos de este capítulo Los dos principales objetivos de este capítulo son proporcionarte un buen entendimiento de gráficas y funciones. Graficar es un elemento clave para éste y muchos cursos de matemáticas. Las funciones están estrechamente relacionadas con gráficas y son un concepto unifica- dor en las matemáticas. Usaremos ambas, gráficas y funciones, en el resto de este libro. Todos los días vemos gráficas en los periódicos, las revistas y en Inter- net. Verás muchas de estas gráficas en este capítulo. Por ejemplo, en el ejercicio 74 de la página 161, se usa una gráfica para mostrar precios de gasolina ajusta- dos a la inflación. © G lo wi m ag es 136 Capítulo 3 Gráficas y funciones 3.1 Gráficas 1 Trazado de puntos en el sistema de coordenadas cartesianas. 2 Dibujo de gráficas por trazado de puntos. 3 Gráfica de ecuaciones no lineales. 4 Interpretación de gráficas. 1 Trazado de puntos en el sistema de coordenadas cartesianas Es más sencillo entender muchas relaciones algebraicas si podemos ver una representa- ción visual de ellas. Una gráfica es una representación visual que muestra la relación entre dos o más variables en una ecuación. El sistema de coordenadas cartesianas (o rectangulares), que debe su nombre al ma- temático y filósofo francés René Descartes (1596-1650), consiste en dos ejes (o líneas de números) en un plano colocadas en forma perpendicular entre sí (Figura 3.1). Observa cómo los dos ejes forman cuatro cuadrantes, marcados con números romanos I, II, III y IV. Para localizar un punto en el sistema de coordenadas cartesianas, usaremos un par ordenado de la forma (x, y). El primer número, x, se llama coordenada x y el segundo nú- mero, y, se llama coordenada y. Para trazar el punto (3, 5), empieza en el origen, (3, 5) La coordenada x es 3, lo que significa “muévete 3 unidades hacia la derecha”. La coordenada y es 5, lo que significa “muévete 5 unidades hacia arriba”. Los pares ordenados A en (2, 3), B en (0, 2), C en (4, 1) y D en (4, 0) se trazan en la Figura 3.3. �5 �4 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 54321�4�5 �3 �2 �1 y x A D B C FiGura 3.3 y x �4 �5 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 541 2 3�3�4�5 �2�1 (3, 5) 5 unidades hacia arriba 3 unidades hacia la derecha FiGura 3.2 y x �4 �5 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 5431 2�3�4�5 �2�1 Cuadrante I Cuadrante II Cuadrante III Cuadrante IV El eje vertical se llama eje y. El eje horizontal se llama eje x. El punto de intersección de los ejes se llama origen. FiGura 3.1 René Descartes © W iki pe di a, Th e Fr ee E nc yc lo pe di a Sección 3.1 Gráficas 137 a1 2 , -2b -2 = -2 -2 1 - 3 -2 2a1 2 b - 3 y = 2x - 3 -1 = -1 -1 2 - 3 -1 2112 - 3 y = 2x - 3 -5 -5 -5 -2 - 3 -5 21-12 - 3 y = 2x - 3 6 = 5 6 8 - 3 6 2142 - 3 y = 2x - 3 , a 1 2 , -2b , EJEMPLO 1 Traza los siguientes puntos en el mismo sistema de ejes. a) A(1, 4) b) B(4, 1) c) C(0, 2) d) D(3, 0) e) E(3, 1) f) F(2, 4) Solución Resuelve ahora el ejercicio 7 Comprendiendo el álgebra En la Figura 3.4 observa lo siguiente: • (1, 4) es un punto dife- rente de (4, 1) • Cuando la coordenada x es 0 (punto C), el punto está sobre el eje y. • Cuando la coordenada y es 0 (punto D), el punto está sobre el eje x. �5 �4 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 54321�4�5 �3 �2 �1 y x E(�3, �1) D(�3, 0) B(4, 1) C(0, 2) F(2, �4) A(1, 4) FiGura 3.4 Dibujo de gráficas por trazado de puntos En el capítulo 2 resolvimos ecuaciones que contienen una variable. Ahora discutiremos ecuaciones que contienen dos variables. Si una ecuación contiene dos variables, sus solu- ciones son pares ordenados de números. EJEMPLO 2 Determina si los siguientes pares ordenados son soluciones de la ecuación y = 2x 3. a) (1, 1) b) c) (4, 6) d) (1, 5) Solución Sustituimos el primer número en el par ordenado por x y el segundo número por y. Si el resultado es una proposición verdadera, el par ordenado es solu- ción de la ecuación. a) Verdadero b) Verdadero c) Falso d) Verdadero Por lo tanto, los pares ordenados (1,1) y (1,5) son soluciones de la ecuación y = 2x 3. El par ordenado (4, 6) no es solución. Resuelve ahora el ejercicio 17 Existe un número infinito de soluciones para la ecuación del ejemplo 2. Un método para encontrar soluciones para y = 2x 3 es sustituir valores en x y encontrar los valores 2 138 Capítulo 3 Gráficas y funciones correspondientes de y. Por ejemplo, para encontrar la solución cuando x = 0, sustituye x por 0 y resuelve para y. y 2x 3 y 2(0) 3 y 0 3 y 3 Por lo tanto, otra solución a la ecuación es (0, 3). Gráfica de una ecuación La gráfica de una ecuación es una ilustración del conjunto de puntos cuyos pares ordena- dos son soluciones de la ecuación. La siguiente tabla muestra los cuatro pares ordenados que encontramos como solu- ción de y = 2x 3. x y (x, y) 1 5 (1, 5) 0 3 (0, 3) 2 1 1 (1, 1) Cuando trazamos estos puntos vemos que todos están en la misma línea; entonces se dice que los puntos son colineales (ver Figura 3.5a). La gráfica de la ecuación es una línea recta que pasa por estos puntos (ver Figura 3.5b). La línea recta continúa indefinidamente en las dos direcciones como indican las flechas. Comprendiendo el álgebra La ecuación y = 2x 3 tiene un número infinito de soluciones. Cada solución se representa por un punto en la recta en la Figura 3.5b. Ade- más, cada punto en la recta representa una solución de la ecuación y = 2x 3. �5 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 54321�4�5 �3 �2 �1 y x y � 2x � 3(1, �1) ( , �2) (0, �3) (�1, �5) (a) (b) �5 �3 �4 �2 �1 5 4 3 2 2 1 1 54321�4�5 �3 �2 �1 y x FiGura 3.5 Como la gráfica es una línea recta, se dice que la gráfica es lineal y la ecuación se llama ecuación lineal. A la ecuación también se le llama ecuación de primer grado ya que el mayor exponente de cualquiera de sus variables es 1. Consejo útil Consejo de estudio En este capítulo, y en varios de los capítulos siguientes, trazarás puntos y dibujarás gráficas usando el sistema de coordenadas cartesianas. Las siguientes sugerencias pueden mejorar la calidad de las gráficas que elabores. 1. Para tu tarea, el uso del papel para graficar te ayudará a mantener una escala consistente en toda tu gráfica. 2. Tus ejes y líneas se verán mucho mejor y serán más precisas si las trazas con regla o es- cuadra. (continúa en la siguiente página) 1 2 a1 2 , -2b Sección 3.1 Gráficas 139 1. Selecciona valores para x. 2. Calcula y. 3. Pares ordenados. 4. Traza los puntos y dibuja la gráfica. 3. Si no usas papel para graficar, usa una regla para crear una escala consistente en tus ejes. Es imposible obtener una gráfica precisa cuando los ejes están marcados con una escala desigual. 4. Usa un lápiz en lugar de una pluma. Un error se puede corregir rápidamente con lápiz y goma y no tendrás que empezar de nuevo desde el principio. 5. Resuelve todos los problemas de la tarea que se te hayan asignado. EJEMPLO 3 Grafica y x. Solución Primero encontramos algunos pares ordenados que sean soluciones; seleccionamos valores de x y encontramos los valores correspondientes de y. Selec- cionamos 0, algunos valores positivos y algunos valores negativos para x. En general, escogeremos números cercanos a 0 para que los pares ordenados quepan en los ejes.La gráfica se ilustra en la Figura 3.6. x y (x, y) 2 2 (2, 2) 1 1 (1, 1) 0 0 (0, 0) 1 1 (1, 1) 2 2 (2, 2) Resuelve ahora el ejercicio 27 EJEMPLO 4 Grafica y = - 1 3 x + 1. Solución Cuando seleccionemos valores para x, escogeremos algunos valores positivos, algunos valores negativos y 0. Escogeremos múltiplos de 3 para que los valores de y sean valores enteros. La gráfica se ilustra en la Figura 3.7. FiGura 3.6 y � x 54321�4�5 �3�2�1 �5 �4 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 x y y � � x � 1 �5 �6 �4 �3 �2 �1 5 6 4 3 2 1 5 643 3 21 1 �4�5�6 �3 �2 �1 y x FiGura 3.7 1. Selecciona valores para x. 2. Calcula y. 3. Traza los puntos y dibuja la gráfica. x y 6 3 3 2 0 1 3 0 6 1 Comprendiendo el álgebra Cuando grafiques ecuaciones lineales en las que el coefi- ciente de x es una fracción, escoge valores de x que sean múltiplos del denominador. Esto puede dar como resulta- do valores enteros para y. Resuelve ahora el ejercicio 35 140 Capítulo 3 Gráficas y funciones y = - 1 3 x + 1, y = -x 3 + 3 3 = - 1 3 x + 1 y = -x + 3 3 3y = -x + 3 x + 3y = 3 1 1 2 = 1 , 1 2 = 1 2 1 = 2.x = 1 2 , y = 1 0 , y = 1 x . · Si se nos pide graficar una ecuación no resuelta para y, como x 3y 3, nuestro primer paso será resolver la ecuación para y. Por ejemplo, si resolvemos x 3y 3 para y, obtenemos Resta x en ambos lados. Divide ambos lados entre 3. La ecuación que resulta, es la misma ecuación que graficamos en el ejem- plo 4. Por lo tanto, la gráfica de x 3y 3 se ilustra también en la Figura 3.7 en la página 139. 3 Gráfica de ecuaciones no lineales Las ecuaciones cuyas gráficas no son líneas rectas se llaman ecuaciones no lineales. Para graficar ecuaciones no lineales trazando puntos, seguimos el mismo procedimiento que usamos para graficar ecuaciones lineales. Sin embargo, como las gráficas no son líneas rectas, probablemente tengamos que trazar más puntos para obtener la gráfica. EJEMPLO 5 Grafica y x2 4. Solución Seleccionamos algunos valores para x y encontramos los valores co- rrespondientes para y. Después trazamos los puntos y los conectamos por medio de una curva suave. La gráfica se muestra en la Figura 3.8. x y 3 5 2 0 1 3 0 4 1 3 2 0 3 5 y � x2 � 4 �5 �6 �4 �3 �2 �1 5 6 4 3 2 1 5 64321�4�5�6 �3 �2 �1 y x FiGura 3.8 Resuelve ahora el ejercicio 41 EJEMPLO 6 Grafica Solución Cuando escojas valores para x, observa que x = 0 da lo cual es in- definido. Entonces, no habrá gráfica en la parte de x = 0. También observa que cuando obtienes Esta gráfica tiene dos ramas, una a la izquier- da del eje y y otra a la derecha del eje y, como se muestra en la Figura 3.9 en la página 141. Comprendiendo el álgebra Cuando sustituimos valores de x, debemos seguir el orden de operaciones que discuti- mos en la sección 1.4. Sección 3.1 Gráficas 141 y 1 x - 1 3 - 1 2 - 1 2 1 2 1 2 1 3 - 1 3 - 1 2 1 2 1 3 y = 1 x Resuelve ahora el ejercicio 51 En la gráfica del ejemplo 6, observa que para valores lejanos de x a la derecha de 0, o lejanos a la izquierda de 0, la gráfica se aproxima al eje x pero no lo toca. Por ejemplo, cuando x = 1000, y = 0.001 y cuando x = 1000, y = 0.001. EJEMPLO 7 Grafica y x. Solución Para graficar esta ecuación de valor absoluto seleccionamos algunos valores para x y encontramos los valores correspondientes de y. Después trazamos los puntos y dibujamos la gráfica. Observa que esta gráfica tiene forma de V, como se muestra en la Figura 3.10. y � 1 x �5 �4 �1 5 4 3 2 1 54321�4�5 �1 y x FiGura 3.9 x y 3 2 1 1 2 2 1 1 2 3 x y 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 y � �x� �5 �4 �3 �2 �1 5 4 3 2 1 54321�4�5 �3 �2 �1 y x FiGura 3.10 Comprendiendo el álgebra El valor absoluto de un núme- ro x, que se escribe |x|, es la distancia a la que x está de 0 en la recta numérica. Resuelve ahora el ejercicio 45 x 3 2 1 1 2 3 y 1 1 Prevención de errores comunes Cuando grafiques ecuaciones no lineales asegúrate de trazar suficientes puntos para tener una imagen clara de la gráfica. Por ejemplo, al graficar muchos estudiantes conside- ran solo valores enteros de x. A continuación se muestra una tabla con valores para la ecua- ción y dos gráficas que contienen los puntos indicados en la tabla. (continúa en la página siguiente) 142 Capítulo 3 Gráficas y funciones Si seleccionas y trazas valores fraccionarios de x cercanos a 0, como hicimos en el ejem- plo 6, obtendrás la gráfica de la Figura 3.11. La gráfica de la Figura 3.12 no puede ser co- rrecta ya que la ecuación no está definida cuando x es 0 y por lo tanto la gráfica no puede cruzar el eje y. Cuando traces una gráfica que contenga una variable en el denominador, escoge valores para la variable que sean muy cercanos al valor que hace 0 al denominador y observa qué sucede. Por ejemplo, cuando graficas debes usar valores de x cerca- nos a 3, como 2.9 y 3.1 o 2.99 y 3.01, y ve qué valores obtienes para y. Además, cuando graficas ecuaciones no lineales, es una buena idea considerar va- lores positivos y negativos. Por ejemplo, si usaste solo valores positivos de x cuando grafi- caste y x, la gráfica parecería ser una línea recta que pasa por el origen en lugar de la gráfica en forma de V que se muestra en la Figura 3.10 de la página 141. COrrECTO iNCOrrECTO y � x 1 �4 �3 �2 �1 4 3 2 1 4321�4 �1 y x FiGura 3.12 y � x 1 �4 �1 4 3 2 1 4321�4 �1 y x FiGura 3.11 Cómo utilizar tu calculadora graficadora A lo largo de este libro iremos introduciendo algunos de los usos básicos de la calculadora graficadora. El manual de tu calcu- ladora incluye información más detallada. Una ventana es la pantalla en la que se muestra una gráfica. En este libro todas las ventanas y teclas serán las de una calculadora graficadora TI-84 Plus. La Figura 3.13 muestra una ventana estándar y la Figura 3.14 muestra la configuración estándar de una ventana de la TI-84 Plus. Para graficar la ecuación y = 2x 3, oprime La gráfica de la ecuación aparece en la ventana como se muestra en la Figura 3.15. Ymax Ymin Xmin Xmax Yscl Xscl FiGura 3.13 FiGura 3.14 FiGura 3.15 y = 1 x - 3 Y= 1-2 2 X,T, ,n + 3 GRAPH Sección 3.1 Gráficas 143 4 Interpretación de gráficas Todos los días vemos diferentes tipos de gráficas en los periódicos, revistas, en Internet, etc. A lo largo de este libro presentaremos una variedad de gráficas. Ya que poder trazar e interpretar gráficas es muy importante, estudiaremos esto más adelante en la sección 3.2. En el ejemplo 8 deberás entender e interpretar gráficas para responder la pregunta. EJEMPLO 8 Cuando Jim Herring fue a ver a su madre en Cincinnati, abordó un avión de la aerolínea Southwest. El avión estuvo en la pista por 20 minutos y luego despegó. El avión voló aproximadamente a 600 millas por hora por alrededor de 2 horas. Después redujo su velocidad a cerca de 300 millas por hora y se mantuvo dando vueltas sobre el aeropuerto de Cincinnati por alrededor de 15 minutos antes de aterrizar. Después de aterrizar, el avión fue llevado a la puerta y se detuvo. ¿Cuál gráfica de las Figuras 3.16, 3.17, 3.18 o 3.19 ilustra mejor esta situación? Tiempo (minutos) V el oc id ad ( m ph ) 500 600 700 400 300 200 100 50 100 150 200 250 0 0 FiGura 3.16 Tiempo (minutos) V el oc id ad ( m ph ) 500 600 700 400 300 200 100 50 100 150 200 250 0 0 FiGura 3.17 Tiempo (minutos) V el oc id ad ( m ph ) 500 600 700 400 300 200 100 50 100 150 200 250 0 0 FiGura 3.18 Tiempo (minutos) V el oc id ad ( m ph ) 500 600 700 400 300 200 100 50 100 150 200 250 0 0 FiGura 3.19 Solución La gráfica que representa la situación descrita es la de la Figura3.18, que reproducimos con anotaciones en la Figura 3.20. La gráfica muestra la velocidad contra el tiempo, con el tiempo en el eje horizontal. Tiempo (minutos) V el oc id ad ( m ph ) 500 600 700 400 300 200 100 50 100 150 200 250 El avión espera en la pista El avión despega e incrementa su velocidad a 600 mph El avión es llevado a la puerta El avión se detiene en la puerta El avión se acerca al aterrizaje El avión hace círculos a 300 mph El avión baja su velocidad a 300 mphEl avión vuela a 600 mph 0 0 FiGura 3.20 Resuelve ahora el ejercicio 75 144 Capítulo 3 Gráficas y funciones y = x2 x + 1 ? a1 3 , 1 12 b y = x2 + 1 x2 - 1 ? a - 1 2 , - 3 5 b y = ƒx2 ƒ 2 y = 1 x2y = 2x + 4y = 1x y = 1 x + 1y = 1 x + 1 y = -x3 + x2 + x - 1y = x3 - x2 - x + 1 x = y2x = ƒy ƒx2 = 1 + yy = - 1 x y = 1 x y = x3 + 1y = -x3y = x3 y = - ƒx ƒ - 3y = - ƒx ƒy = ƒx ƒ + 2y = ƒx ƒ + 1 y = -x2 + 4y = -x2y = x2 - 2y = x2 y = - 1 3 x + 4y = - 1 3 x + 2y = - 1 2 x - 3y = 1 2 x - 1 y = - 1 3 xy = 1 2 xy = x + 2y = 2x + 4 y = -2x + 2y = -3x - 5y = 3xy = x + 1 a -3, 7 2 b ; 2m2 + 3n = 2a1 2 , 5 2 b ; 2x2 + 6x - y = 01-10, -22; ƒp ƒ -3 ƒq ƒ = 4 12, 12; -a2 + 2b2 = -2a1 4 , 11 4 b ; y = ƒx - 3 ƒ1-2, 52; s = 2r2 - r - 5 CONJUNTO DE EJERCICIOS 3.1 Ejercicios de práctica Llena los espacios en blanco con la palabra, frase o símbolo(s) apropiados de la siguiente lista. coordenada x colineales gráfica coordenada y solución par ordenado Practica tus habilidades Indica los pares ordenados que corresponden a los puntos señalados. 1. Una solución para una ecuación con dos variables es un . 2. La de una ecuación es una ilustración del con- junto de puntos cuyos pares ordenados son soluciones para la ecuación. 3. Si tres o más puntos se encuentran en la misma recta se dice que son . 4. La primera coordenada en un par ordenado es la y la segunda coordenada es la coordenada y. Determina el cuadrante en donde cada punto esté localizado. 9. (1, 3) 10. (9, 1) 11. (4, 3) 12. (36, 43) 13. (12, 18) 14. (31, 8) 15. (11, 19) 16. (8, 52) Determina si el par ordenado es una solución para la ecuación dada. 17. (2, 1); y 2x 5 18. (1, 3); 2x 3y 6 19. (4, 2); y x 3 20. (1, 5); y x2 + x 7 5. �4 �3 �2 �1 4 3 2 1 4321�4�5�8 �7 �6 �3 �2 �1 y x F B E H A C G D 6. �20 �15 �10 �5 20 15 10 5 1412108642�8�10 �6 �4 �2 y x D G F A C E B 7. Grafica los siguientes puntos en el mismo plano cartesiano. A(4, 2) B(6, 2) C(0, 1) D(2, 0) 8. Grafica los siguientes puntos en el mismo plano cartesiano. A(4, 2) B(3, 2) C(2, 3) D(3, 3) 63. ¿El punto representado por el par ordenado forma parte de la gráfica de la ecuación Explica. 64. ¿El punto representado por el par ordenado for- ma parte de la gráfica de la ecuación Explica. 21. 22. 23. 24. 25. 26. Realiza la gráfica de cada ecuación. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. En los ejercicios 55-62, utiliza una calculadora para obtener al menos ocho puntos que sean solución de la ecuación. Después, grafica la ecuación mediante el trazado de los puntos. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62.
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