Ejercicios: Operaciones con fracciones algebraicas

Simplifica al máximo la siguiente fracción algebraica factorizando el numerador y el denominador:

$\frac{x^2 - 9}{x^2 + 6x + 9}$

Realiza la siguiente multiplicación de fracciones algebraicas y expresa el resultado en su forma más simple:

$\frac{2x}{x-1} \times \frac{x^2 - 1}{4x^2}$

Calcula la división de las siguientes fracciones algebraicas y simplifica el resultado obtenido:

$\frac{x^2 + 2x}{x - 3} : \frac{x^2 - 4}{x^2 - 9}$

Efectúa la suma de las siguientes fracciones algebraicas que tienen el mismo denominador:

$\frac{3x - 1}{x^2 + 1} + \frac{x + 5}{x^2 + 1}$

Resta las siguientes fracciones algebraicas reduciendo previamente a común denominador:

$\frac{5}{x+2} - \frac{3}{x^2 - 4}$

Realiza la siguiente suma de fracciones algebraicas con denominadores de grado uno:

$\frac{x}{x-2} + \frac{2}{x+3}$

Opera la expresión dentro del paréntesis y luego multiplica para simplificar el resultado final:

$\frac{x^2 - x}{x+1} \times \left( \frac{1}{x} + \frac{1}{x-1} \right)$

Efectúa la siguiente operación combinada de fracciones algebraicas y simplifica al máximo:

$\frac{x^2+x}{x^2-1} - \frac{1}{x-1}$

Lucía tiene que simplificar en un examen la fracción algebraica $\frac{x^2 - 4x}{x^2 - 16}$. Su desarrollo ha sido el siguiente: «Como aparece $x^2$ tanto en el numerador como en el denominador, cancelo ambos términos y me queda $\frac{-4x}{-16}$, que al simplificar los signos negativos y dividir entre $4$ resulta $\frac{x}{4}$».

1. a) Explica detalladamente qué error conceptual comete Lucía con respecto a la propiedad fundamental de simplificación de fracciones algebraicas (cancelación de sumandos frente a cancelación de factores).
2. b) Elige un valor numérico concreto para $x$ (por ejemplo, $x = 5$) que sirva de contraejemplo para demostrar que la fracción original y el resultado obtenido por Lucía no toman el mismo valor.
3. c) Realiza la simplificación correcta factorizando previamente por completo el numerador y el denominador.

Encuentra un polinomio $P(x)$ de segundo grado que haga cierta la siguiente igualdad de operaciones con fracciones algebraicas:

1. a) Plantea la división como una multiplicación por la fracción inversa y deduce la expresión factorizada de $P(x)$ tras simplificar los factores comunes.
2. b) Escribe el polinomio $P(x)$ en su forma polinómica desarrollada ($a \times x^2 + b \times x + c$).
3. c) Señala justificadamente qué valores reales de $x$ deben excluirse del dominio para que ninguna de las fracciones ni divisiones intermedias quede indefinida (denominadores nulos).

En un circuito eléctrico, dos resistencias $R_1$ y $R_2$ están conectadas en paralelo. La resistencia equivalente $R_{eq}$ cumple la relación $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$. Si el valor de las resistencias viene dado por los polinomios $R_1 = x^2 - 4$ y $R_2 = x^2 + 4x + 4$, obtén la expresión simplificada de la resistencia equivalente $R_{eq}$ en función de $x$.

La base de un panel solar rectangular viene dada por la expresión $b = \frac{x^3 - x}{x^2 + 2x + 1}$ metros, y su altura por $h = \frac{x^2 + x}{x^2 - 2x + 1}$ metros. Calcula el área del panel solar expresando el resultado como una única fracción algebraica simplificada.

Realiza las siguientes operaciones combinadas respetando la jerarquía y simplifica el resultado al máximo:

$\left( \frac{x+1}{x-1} - \frac{x-1}{x+1} \right) : \frac{4x}{x^2 - 1}$

La fórmula de las lentes delgadas en óptica establece que $\frac{1}{f} = \frac{1}{s_o} + \frac{1}{s_i}$. Si la distancia del objeto al centro óptico es $s_o = \frac{x^2+x}{2}$ y la distancia de la imagen es $s_i = \frac{x^2-1}{3}$, determina la expresión algebraica simplificada de la distancia focal $f$.

Dos impresoras 3D industriales fabrican un lote de piezas trabajando en equipo. La primera impresora tarda $x$ horas en completar el trabajo sola, y la segunda tarda $x+3$ horas. La porción del trabajo que realizan juntas en una hora es la suma de sus tasas de trabajo individuales. Escribe y simplifica la fracción algebraica que representa dicha porción de trabajo por hora.

Simplifica la siguiente fracción algebraica compleja reduciendo primero el numerador y el denominador de forma independiente:

$\frac{1 - \frac{1}{x^2}}{1 + \frac{1}{x}}$

Efectúe la suma y resta de las siguientes fracciones algebraicas. Utilice la regla de Ruffini y los productos notables para factorizar previamente los denominadores y encontrar el mínimo común múltiplo:

$\frac{2x}{x^3 - 3x^2 + 3x - 1} - \frac{1}{x^2 - 2x + 1} + \frac{3}{x-1}$

El costo medio de producción de un componente electrónico está dado por la expresión $C_m(x) = \frac{x^3 + 2x^2 - 5x - 6}{x^2 - 4}$, donde $x$ es el volumen de producción en miles de unidades. Por un ajuste de subsidios, se le debe restar una tasa representada por la fracción $\frac{x^2-1}{x+2}$. Calcule la nueva expresión del costo medio simplificando previamente la primera fracción.

Para simplificar la siguiente fracción compleja:

se proponen dos estrategias algebraicas distintas:

• Método 1: Operar por separado el numerador y el denominador globales obteniendo en cada uno una sola fracción irreducible con su respectivo mínimo común múltiplo, y efectuar al final la división multiplicando por la fracción inversa.

• Método 2: Multiplicar simultáneamente el numerador y el denominador principales por el mínimo común múltiplo global de todos los denominadores parciales presentes, eliminando todas las fracciones internas en un único paso.

1. a) Realiza la simplificación completa aplicando ambos métodos y comprueba que conduces exactamente al mismo resultado irreducible.
2. b) Compara el número de pasos, factorizaciones intermedias y posibles puntos de error en el manejo de signos de cada método. Justifica cuál de los dos resulta más eficiente en este caso.

En una instalación solar fotovoltaica para autoconsumo en una explotación agraria de la Región de Murcia, se conectan en paralelo dos ramales de paneles cuyas resistencias internas son $R_1$ y $R_2$. La resistencia equivalente $R_{eq}$ del circuito viene dada por la relación física:

Debido a las oscilaciones térmicas durante la jornada, las resistencias de cada ramal (en ohmios) dependen de la temperatura $T$ del panel (en grados Celsius, con $T > 10$) según los modelos racionales:

1. a) Escribe las expresiones de $\frac{1}{R_1}$ y $\frac{1}{R_2}$ factorizando previamente sus términos y calcula la suma $\frac{1}{R_{eq}}$ reduciendo al mínimo común múltiplo de los denominadores.
2. b) Obtén la expresión simplificada de $R_{eq}$ como una única fracción algebraica en función de $T$.
3. c) Si en las horas de máxima insolación estival se registra una temperatura de $T = 30\text{ }^\circ\text{C}$, calcula el valor exacto de $R_{eq}$ expresado como fracción irreducible y determina si se mantiene por debajo del límite reglamentario de seguridad de $0.7$ ohmios.

Demuestra que la siguiente igualdad algebraica es cierta para cualquier valor de las variables $x$ e $y$ que no anule los denominadores, desarrollando las operaciones y simplificando el miembro izquierdo:

$\left( \frac{x^2 - y^2}{x+y} \right) \times \left( \frac{x^3 + y^3}{x^2 - xy + y^2} \right) = x^2 - y^2$

Una lancha motora viaja por un canal desde el embarcadero hasta una boya a una velocidad $v+w$ (donde $w$ es la velocidad de la corriente a favor) y regresa a una velocidad $v-w$ (corriente en contra). La distancia entre los puntos es $d$. Obtén la expresión simplificada de la velocidad media del recorrido completo, dada por $v_m = \frac{2d}{\frac{d}{v+w} + \frac{d}{v-w}}$, y comprueba si es equivalente a la expresión $\frac{v^2 - w^2}{v}$.

Determina los valores numéricos de los parámetros $A$, $B$ y $C$ para que se cumpla la siguiente identidad de descomposición en fracciones simples para todo $x$:

$\frac{5x^2 - x + 2}{x^3 - x^2 + x - 1} = \frac{A}{x-1} + \frac{Bx+C}{x^2+1}$

Un circuito mixto tiene una resistencia equivalente entre los terminales A y B dada por la fórmula $R_{eq} = R_1 + \frac{1}{\frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}}$. Si los valores de las resistencias en ohmios vienen dados por las expresiones algebraicas $R_1 = \frac{x}{x+1}$, $R_2 = \frac{x^2-1}{x}$ y $R_3 = \frac{x^2-1}{2}$, calcula la expresión simplificada de la resistencia equivalente $R_{eq}$.

Simplifica la siguiente expresión algebraica iterada (fracción continua) operando desde el nivel más profundo hacia arriba, hasta obtener una fracción irreducible:

$1 + \frac{1}{1 + \frac{1}{1 + \frac{1}{x-1}}}$

Realiza las operaciones indicadas con tres variables y demuestra que el resultado final se simplifica a un número entero constante:

$\frac{x^2}{(x-y)(x-z)} + \frac{y^2}{(y-x)(y-z)} + \frac{z^2}{(z-x)(z-y)}$

En un laboratorio de química se tienen dos disoluciones de un mismo ácido. La primera tiene una concentración $C_1 = \frac{x}{x^2+2x+1}$ y la segunda $C_2 = \frac{2}{x^2-1}$. Se mezclan volúmenes iguales de ambas disoluciones, por lo que la concentración de la mezcla resultante es la media aritmética de ambas concentraciones, es decir, $C_m = \frac{1}{2}(C_1 + C_2)$. Obtén la expresión algebraica simplificada de la concentración final de la mezcla $C_m$.

El área superficial de un envase cilíndrico diseñado para minimizar el uso de material plástico viene dada por la expresión $S(x) = 2\pi x^2 + \frac{1000}{x}$. Para analizar la tasa de cambio del material respecto al radio $x$, un ingeniero necesita calcular y simplificar la expresión del cociente de diferencias $\frac{S(x+h) - S(x)}{h}$. Realiza esta operación y expresa el resultado como una única fracción algebraica simplificada en términos de $x$ y $h$.

Dos conducciones de la red de distribución del SANAA vierten agua simultáneamente a un depósito de retención en Tegucigalpa. La conducción moderna $A$ tarda $x$ horas en llenar el depósito completo en solitario, mientras que la conducción antigua $B$, con menor caudal, tarda $x + 4$ horas (con $x > 0$).

1. a) Estime: Sin realizar operaciones algebraicas exactas, considere el caso en que $x = 6$ horas (la tubería $A$ tarda 6 horas y la $B$ tarda 10 horas). Razone de forma cualitativa entre qué dos números enteros de horas debe situarse obligatoriamente el tiempo total de llenado conjunto $T$. (Pista: Compare el caudal del sistema con dos situaciones hipotéticas: dos conducciones idénticas a la rápida o dos idénticas a la lenta).
2. b) Calcule: Sabiendo que los caudales horarios se suman (satisfaciendo la relación $\frac{1}{T(x)} = \frac{1}{x} + \frac{1}{x+4}$), opere y simplifique para expresar el tiempo conjunto $T(x)$ como una única fracción algebraica irreducible.
3. c) Compruebe y generalice: Calcule el valor exacto de $T(6)$ a partir de la fórmula hallada, conviértalo a horas y minutos, y compruebe si su estimación del apartado (a) fue correcta. A continuación, analice el signo de la diferencia algebraica $T(x) - \frac{x}{2}$ y demuestre formalmente por qué el tiempo conjunto nunca podrá rebajar la mitad del tiempo de la tubería más rápida, sea cual sea el valor de $x$.

En un laboratorio de óptica aplicada del CSIC, se ajusta un banco de pruebas que contiene una lente convergente delgada de distancia focal $f$ conocida y fija ($f > 0$). La distancia desde el objeto luminoso hasta la lente es $s$ (con $s > f$) y la distancia desde la lente hasta la imagen enfocada sobre una pantalla es $s'$. Dichas variables satisfacen la ecuación de Descartes:

1. a) Despeja $s'$ como una única fracción algebraica en función de $s$ y $f$. A partir de ella, obtén la expresión simplificada de la distancia total entre el objeto y la pantalla de proyección, $L(s) = s + s'$, como una única fracción algebraica con el denominador factorizado.
2. b) Problema inverso: Para verificar de forma puramente algebraica que la separación total entre objeto y pantalla nunca puede ser inferior a cuatro veces la distancia focal ($L(s) \ge 4f$), plantea la resta $D(s) = L(s) - 4f$, reduce a común denominador y factoriza completamente el numerador resultante reconociendo una identidad notable.
3. c) Analiza el signo del numerador y del denominador de la fracción obtenida para $D(s)$ teniendo en cuenta que $s > f$. Concluye rigurosamente por qué $L(s) \ge 4f$ y deduce razonadamente qué posición debe ocupar el objeto ($s$ en función de $f$) para lograr que la distancia entre objeto y pantalla sea exactamente la mínima posible ($4f$).

Reto del tema. Optimización de una microred solar doméstica.

1. Datos y fasores: Acceda a la página web de la Empresa Nacional de Energía Eléctrica (ENEE) y anote la generación solar fotovoltaica horaria de su departamento en dos momentos clave, asociándoles fasores de potencia en forma polar: $z_1 = r_{1,\alpha}$ y $z_2 = r_{2,\beta}$. Calcule su cociente en forma polar para evaluar el desfase de generación.

2. Álgebra compleja y trigonometría: Convierta dicho cociente a forma binómica para multiplicarlo por la impedancia de red $Z = 2 + 1.5i$. Compruebe analíticamente la parte real e imaginaria aplicando las razones trigonométricas del ángulo resta: $\cos(\alpha - \beta)$ y $\sin(\alpha - \beta)$.

3. Modelización polinómica: En GeoGebra, ajuste un polinomio cúbico $P(t)$ a la curva diaria de potencia. Conociendo la hora entera de inicio de producción solar como raíz, factorice $P(t)$ aplicando la regla de Ruffini hasta su completa factorización. Después, calcule la derivada del polinomio $P'(t)$ para hallar la hora exacta de máxima producción ($P'(t) = 0$).

4. Propuesta técnica: Redacte un informe breve con la gráfica de GeoGebra y los cálculos realizados, justificando la hora óptima de consumo.

Se valorará:

• Precisión en las operaciones con números complejos en forma polar y binómica, y en el desarrollo del ángulo resta.

• Destreza en la regla de Ruffini, la factorización de polinomios y el cálculo de la derivada polinómica.

• Rigor en el uso de datos reales de la ENEE y claridad argumentativa en el informe final.