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Números reales · Sucesiones

Sucesiones exponenciales. El número e

Te conviene dominar: Interés del dinero simple y compuesto (1er año de preparatoria (semestres 1 y 2))
Te conviene dominar: Fracciones algebraicas (1er año de preparatoria (semestres 1 y 2))

Si metes tus ahorros en un banco y te pagan intereses cada vez más veces al año (cada mes, cada día, cada segundo…), ¿cuánto más puedes ganar? La respuesta tiene un tope muy concreto, y ese tope es uno de los números más importantes de las matemáticas: el número $e$.

La sucesión que define el número $e$

Calcula $\left(1+\dfrac{1}{n}\right)^n$ para $n$ cada vez más grande: con $n=1$ da $2$; con $n=10$, $2.5937\ldots$; con $n=100$, $2.7048\ldots$; con $n=10{,}000$, $2.71814\ldots$

Gráfica de la sucesión (1+1/n)^n: los puntos suben desde el eje hacia la asíntota discontinua del número e, con saltos cada vez más pequeños, sin superarla. e ≈ 2.71828… (1+1/n)^n crece y se acerca a e, pero nunca llega a superarlo

Observa cómo la sucesión se acerca a $e$ sin superarlo, por grande que sea $n$:

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Calcula el límite de la siguiente sucesión exponencial: $a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{3n}$

Calcula el límite de la siguiente sucesión exponencial:

$a_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{3n}$

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Determina el valor al que tiende la sucesión $b_n$ cuando $n \to \infty$: $b_n = \left( 1 + \frac{1}{2n} \right)^{2n}$

Determina el valor al que tiende la sucesión $b_n$ cuando $n \to \infty$:

$b_n = \left( 1 + \frac{1}{2n} \right)^{2n}$

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Calcula el límite de la sucesión con término general: $e_n = \left( 1 - \frac{1}{n} \right)^n$

Calcula el límite de la sucesión con término general:

$e_n = \left( 1 - \frac{1}{n} \right)^n$

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La fórmula general para $1^{\infty}$

La misma idea se repite con muchas bases y exponentes. Hay una fórmula que convierte cualquier $1^{\infty}$ en un límite más sencillo: exponente por (base menos 1).

Esquema de la indeterminación 1 elevado a infinito y su resolución con una potencia de base e. Si la base → 1 y el exponente → ∞: lím (base)^(exponente) = e^L L = lím exponente · (base − 1) exponente · (base − 1)(se calcula primero) ese número L
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Halla el límite de la sucesión formada por el cociente de polinomios elevado a $n$: $c_n = \left( \frac{n+1}{n} \right)^n$

Halla el límite de la sucesión formada por el cociente de polinomios elevado a $n$:

$c_n = \left( \frac{n+1}{n} \right)^n$

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Determina el límite de la siguiente sucesión, sabiendo que presenta una indeterminación del tipo $1^\infty$: $f_n = \left( 1 + \frac{4}{n} \right)^n$

Determina el límite de la siguiente sucesión, sabiendo que presenta una indeterminación del tipo $1^\infty$:

$f_n = \left( 1 + \frac{4}{n} \right)^n$

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Calcula el límite de la siguiente sucesión, resolviendo la indeterminación correspondiente: $a_n = \left( \frac{n+3}{n-1} \right)^{2n}$

Calcula el límite de la siguiente sucesión, resolviendo la indeterminación correspondiente:

$a_n = \left( \frac{n+3}{n-1} \right)^{2n}$

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Determina el límite de la siguiente sucesión resolviendo la indeterminación del tipo $1^\infty$: $b_n = \left( \frac{2n+5}{2n+1} \right)^{3n-2}$

Determina el límite de la siguiente sucesión resolviendo la indeterminación del tipo $1^\infty$:

$b_n = \left( \frac{2n+5}{2n+1} \right)^{3n-2}$

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Exponente algebraico más complicado

A veces el exponente no es $n$ ni un múltiplo simple, sino una fracción algebraica. El procedimiento es idéntico: calcula $b_n(a_n-1)$ y resuelve ese límite con las técnicas de siempre (comparar grados, simplificar fracciones algebraicas…).

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Halla el límite de la sucesión exponencial cuyo exponente es $n+5$: $g_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{n+5}$

Halla el límite de la sucesión exponencial cuyo exponente es $n+5$:

$g_n = \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{n+5}$

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Halla el límite de la sucesión combinando polinomios de segundo grado en la base: $c_n = \left( \frac{n^2+2n}{n^2-1} \right)^{5n}$

Halla el límite de la sucesión combinando polinomios de segundo grado en la base:

$c_n = \left( \frac{n^2+2n}{n^2-1} \right)^{5n}$

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Calcula el límite de la siguiente sucesión, que presenta un exponente algebraico en forma de fracción: $d_n = \left( \frac{n-2}{n+4} \right)^{\frac{n^2+1}{n}}$

Calcula el límite de la siguiente sucesión, que presenta un exponente algebraico en forma de fracción:

$d_n = \left( \frac{n-2}{n+4} \right)^{\frac{n^2+1}{n}}$

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Calcula el límite de la sucesión exponencial formada por polinomios de segundo grado tanto en la base como en el exponente:…

Calcula el límite de la sucesión exponencial formada por polinomios de segundo grado tanto en la base como en el exponente:

$a_n = \left( \frac{2n^2-3n+1}{2n^2+n-5} \right)^{\frac{n^2+3}{n}}$

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El número $e$ en el interés compuesto continuo

Si capitalizas un capital $C$ a un interés nominal anual $r$, $n$ veces al año, tras un año tienes $C\left(1+\dfrac{r}{n}\right)^n$. Cuando $n\to\infty$ (capitalización continua, instante a instante), aparece el número $e$.

Diagrama que muestra el paso de capitalización anual a mensual y a continua, con factor límite e elevado a r. anual mensual continua (1+r/n)^n → e^r cuando n → ∞ a más capitalizaciones al año, más se acerca al límite e^r
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Se depositan $100\,000$ pesos en una institución financiera a una tasa de interés anual del $4\%$. La fórmula del capital final después de $n$ años con capitalización…

Se depositan $100\,000$ pesos en una institución financiera a una tasa de interés anual del $4\%$. La fórmula del capital final después de $n$ años con capitalización continua está dada por la sucesión $C_n = 100\,000 \times e^{0.04n}$. Calcula el capital acumulado después de $10$ años y compáralo con el capital obtenido si la capitalización fuera anual, cuya expresión es $C'_n = 100\,000 \times (1,04)^n$.

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Se invierten $200\,000$ pesos a una tasa de interés nominal anual del $5\%$. La sucesión que describe el capital final si los intereses se capitalizan $n$ veces al año…

Se invierten $200\,000$ pesos a una tasa de interés nominal anual del $5\%$. La sucesión que describe el capital final si los intereses se capitalizan $n$ veces al año es $C_n = 200\,000 \left( 1 + \frac{0.05}{n} \right)^n$. Calcula el límite de esta sucesión cuando $n \to \infty$ para hallar el capital final bajo capitalización continua. Compara este resultado con el capital obtenido si se capitaliza trimestralmente ($n=4$).

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Crecimiento y decaimiento exponencial con $e$

Muchos procesos (desintegración radiactiva, enfriamiento, eliminación de un medicamento) se describen con $a_n = a_0\,e^{kn}$, con $k>0$ para crecimiento y $k<0$ para decaimiento. También las sucesiones geométricas $a_0 r^n$ siguen la misma idea: si $|r|<1$ tienden a $0$; si $r>1$ crecen sin límite.

Gráficas de crecimiento y decaimiento exponencial según el signo de k. decaimiento: k < 0, el valor tiende a 0 crecimiento: k > 0, el valor tiende a +∞
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Indica cuál es el límite de la siguiente sucesión geométrica: $d_n = 5 \times \left( \frac{2}{3} \right)^n$

Indica cuál es el límite de la siguiente sucesión geométrica:

$d_n = 5 \times \left( \frac{2}{3} \right)^n$

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La cantidad de un isótopo radiactivo en una muestra disminuye de forma exponencial según la sucesión $M_n = 200 \times e^{-0.1n}$, donde $n$ es el número de años…

La cantidad de un isótopo radiactivo en una muestra disminuye de forma exponencial según la sucesión $M_n = 200 \times e^{-0.1n}$, donde $n$ es el número de años transcurridos y $M_n$ se mide en gramos. ¿Cuántos gramos quedarán en la muestra tras $20$ años? ¿A qué valor tiende la masa a largo plazo (cuando $n \to \infty$)?

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Un vehículo pierde un $15\%$ de su valor cada año debido a la depreciación. Si su precio inicial en la agencia es de $480\,000$ pesos, el valor después de $n$ años está…

Un vehículo pierde un $15\%$ de su valor cada año debido a la depreciación. Si su precio inicial en la agencia es de $480\,000$ pesos, el valor después de $n$ años está dado por la sucesión $V_n = 480\,000 \times (0,85)^n$. ¿Cuál será su valor después de $5$ años? ¿Qué ocurre con su valor a medida que el número de años tiende a infinito?

n Vₙ ($) 0 2 4 6 8 10 480,000 240,000
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En un experimento de termodinámica, la diferencia de temperatura entre un cuerpo metálico y su entorno disminuye exponencialmente siguiendo la sucesión…

En un experimento de termodinámica, la diferencia de temperatura entre un cuerpo metálico y su entorno disminuye exponencialmente siguiendo la sucesión $T_n = 80 \times e^{-0.05n}$, siendo $n$ los minutos transcurridos desde el inicio del enfriamiento. Calcula la diferencia de temperatura a los $30$ minutos y determina el límite de la sucesión cuando $n \to \infty$.

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Casos más difíciles

Con la misma fórmula se resuelven bases con raíces, parámetros desconocidos o acumulaciones de dosis.

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Calcula el límite de la sucesión: $h_n = \left( \frac{n}{n+1} \right)^n$

Calcula el límite de la sucesión:

$h_n = \left( \frac{n}{n+1} \right)^n$

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Halla el valor del parámetro real $a$ para que se cumpla la siguiente igualdad con el número $e$: $\lim_{n \to \infty} \left( \frac{n+a}{n+1} \right)^{2n} = e^6$

Halla el valor del parámetro real $a$ para que se cumpla la siguiente igualdad con el número $e$:

$\lim_{n \to \infty} \left( \frac{n+a}{n+1} \right)^{2n} = e^6$

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Un paciente recibe una dosis de $50$ mg de un medicamento cada $24$ horas. Sabiendo que el cuerpo elimina el $40\%$ del medicamento presente en ese intervalo de tiempo,…

Un paciente recibe una dosis de $50$ mg de un medicamento cada $24$ horas. Sabiendo que el cuerpo elimina el $40\%$ del medicamento presente en ese intervalo de tiempo, la cantidad acumulada en el cuerpo justo después de la dosis $n$-ésima sigue la sucesión geométrica $C_n = 50 + 50 \times 0.6 + 50 \times 0.6^2 + \dots + 50 \times 0.6^{n-1}$. Calcula la cantidad acumulada a largo plazo (el límite de la sucesión cuando $n \to \infty$).

n Cₙ (mg) Límite = ? 1 3 5 7 9 50 100
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Calcula el valor de los parámetros $a$ y $b$ para que la siguiente sucesión tenga como límite $e^{-4}$, sabiendo que $a$ es un número real positivo:…

Calcula el valor de los parámetros $a$ y $b$ para que la siguiente sucesión tenga como límite $e^{-4}$, sabiendo que $a$ es un número real positivo:

$\lim_{n \to \infty} \left( \frac{an+3}{2n+1} \right)^{bn} = e^{-4}$

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Halla el límite de la sucesión que combina raíces cuadradas en su base y un exponente lineal: $c_n = \left( \sqrt{\frac{n+2}{n-1}} \right)^{3n+1}$

Halla el límite de la sucesión que combina raíces cuadradas en su base y un exponente lineal:

$c_n = \left( \sqrt{\frac{n+2}{n-1}} \right)^{3n+1}$

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La concentración de un contaminante en un lago se reduce de forma natural mediante un proceso que sigue la sucesión $C_n = C_0 \left( 1 - \frac{2}{n} \right)^n$, donde…

La concentración de un contaminante en un lago se reduce de forma natural mediante un proceso que sigue la sucesión $C_n = C_0 \left( 1 - \frac{2}{n} \right)^n$, donde $n$ representa la cantidad de etapas de filtrado aplicadas. Si se aplican infinitas etapas de filtrado, demuestra matemáticamente a qué fracción exacta de la concentración inicial $C_0$ se reducirá el contaminante.

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Calcula el límite de la sucesión resolviendo la indeterminación generada por el cociente algebraico en el exponente:…

Calcula el límite de la sucesión resolviendo la indeterminación generada por el cociente algebraico en el exponente:

$d_n = \left( \frac{n^2+5n-2}{n^2+3n+1} \right)^{\frac{n^3}{n^2+1}}$

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Vuelve al principio: si inviertes a una tasa anual $r$, pagar los intereses de forma continua no dispara tus ganancias al infinito: tu capital queda acotado por $C\,e^r$. Al $5\%$, el rendimiento pasa de $5\%$ a un tope de $5.13\%$.

Resumen

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