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Números · Potencias, raíces y logaritmos

Potencias con exponentes enteros

Te conviene dominar: Operaciones con potencias (Matemáticas de 8.º grado (Pre-Álgebra))
Te conviene dominar: Potencias de números racionales (Matemáticas de 8.º grado (Pre-Álgebra))

Un video se hace viral: a las 3:00 p. m. tiene 800 vistas, y el número de vistas se duplica cada hora. A las 4:00 p. m. tiene $800 \cdot 2^1$ vistas; a las 5:00 p. m., $800 \cdot 2^2$. Pero ¿cuántas vistas tenía a las 2:00 p. m., una hora antes de las 3:00? Hasta ahora, un exponente indicaba cuántas veces multiplicar. Los exponentes que son $0$ o negativos nos dicen qué pasa "ahora" y en el pasado. No multiplican, dividen.

Exponentes cero y negativos

Empecemos con un patrón. Cada paso hacia abajo en la lista divide entre $2$, y el exponente baja $1$. Sigue el patrón más allá de $2^1$.

Una escalera de potencias de 2, desde 2 al cubo hasta 2 a la menos 3: cada paso divide entre 2 y el exponente baja 1. 2³ = 8 2² = 4 2¹ = 2 2⁰ = 1 2⁻¹ = 1/2 2⁻² = 1/4 2⁻³ = 1/8 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 Cada paso abajo: exponente − 1 valor ÷ 2

El patrón obliga a que $2^0 = 1$ (eso es $2 \div 2$) y luego $2^{-1} = \frac{1}{2}$, $2^{-2} = \frac{1}{4}$, y así sucesivamente. Lo mismo se deduce de la regla del cociente. Sabemos que $a^n \div a^n = 1$, y la regla "restar los exponentes" da $a^n \div a^n = a^{n-n} = a^0$. Por lo tanto, $a^0$ tiene que ser $1$.

¿Por qué tiene sentido esta definición? Multiplicar por $a^{-n}$ significa dividir entre $a^n$, que es exactamente lo que hace el patrón de arriba, un paso a la vez. Todas las reglas de exponentes que ya conoces siguen funcionando.

Base Exponente par Exponente impar
positiva, como $3$ $3^{-2} = \frac{1}{9} > 0$ $3^{-3} = \frac{1}{27} > 0$
negativa, como $-3$ $(-3)^{-2} = \frac{1}{9} > 0$ $(-3)^{-3} = -\frac{1}{27} < 0$
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Calcula el valor numérico de las siguientes potencias de exponente negativo, expresando el resultado como una fracción irreducible o un número entero: $3^{-2}$,…

Calcula el valor numérico de las siguientes potencias de exponente negativo, expresando el resultado como una fracción irreducible o un número entero: $3^{-2}$, $(-2)^{-3}$, $5^{-1}$ y $(-1)^{-4}$.

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Analiza y discute razonadamente el signo resultante de la expresión matemática $(-a)^{-n}$ dependiendo de dos factores: si el número real $a$ es estrictamente positivo o…

Analiza y discute razonadamente el signo resultante de la expresión matemática $(-a)^{-n}$ dependiendo de dos factores: si el número real $a$ es estrictamente positivo o negativo, y si el número entero $n$ es par o impar. Elabora un esquema o tabla con los cuatro casos posibles resultantes de esta combinación y acompáñalo de un ejemplo numérico concreto para cada uno de los casos.

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Bases fraccionarias: voltea la fracción

Cuando la base ya es una fracción, un exponente negativo intercambia el numerador y el denominador.

Diagrama que muestra que una fracción elevada a una potencia negativa es igual a la fracción invertida elevada a la potencia positiva. (2/3)⁻⁴ voltea la fracción cambia el signo del exp. (3/2)⁴ = 81/16 Exponente negativo: voltea la fracción y el exponente pasa a ser positivo.
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Expresa las siguientes potencias de base fraccionaria con un exponente positivo y, a continuación, calcula su valor exacto: $\left(\frac{2}{5}\right)^{-3}$ y…

Expresa las siguientes potencias de base fraccionaria con un exponente positivo y, a continuación, calcula su valor exacto: $\left(\frac{2}{5}\right)^{-3}$ y $\left(-\frac{1}{4}\right)^{-2}$.

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Calcula y simplifica al máximo la siguiente expresión, expresando el resultado final como una fracción irreducible:…

Calcula y simplifica al máximo la siguiente expresión, expresando el resultado final como una fracción irreducible:

$\left( \frac{3}{2} \right)^{-2} \cdot \left( \frac{4}{9} \right)^{-1} : \left( \frac{1}{2} \right)^{-3}$

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Simplifica la siguiente expresión con fracciones y exponentes negativos, aplicando las propiedades paso a paso y dando el resultado final como una fracción irreducible…

Simplifica la siguiente expresión con fracciones y exponentes negativos, aplicando las propiedades paso a paso y dando el resultado final como una fracción irreducible sin exponentes negativos:

$\left[ \left( \frac{2}{3} \right)^{-2} \cdot \left( \frac{9}{4} \right)^{-1} \right]^{-3}$

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Misma base: suma, resta y multiplica exponentes

Las reglas del producto, del cociente y de la potencia de una potencia funcionan con exponentes negativos igual que con los positivos. Solo hay que tener cuidado con los signos.

Simplificación de un producto de potencias de 7 sumando los exponentes con sus signos. 7⁴ · 7⁻⁶ · 7⁵ = 7⁴⁻⁶⁺⁵ = 7³ = 343 suma todos los exponentes con su signo
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Aplica las propiedades de la multiplicación de potencias de la misma base para expresar el resultado como una sola potencia: $7^4 \cdot 7^{-6} \cdot 7^5$.

Aplica las propiedades de la multiplicación de potencias de la misma base para expresar el resultado como una sola potencia: $7^4 \cdot 7^{-6} \cdot 7^5$.

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Simplifica la siguiente expresión resolviendo las operaciones en el numerador y el denominador, y expresa el resultado final como una única potencia:…

Simplifica la siguiente expresión resolviendo las operaciones en el numerador y el denominador, y expresa el resultado final como una única potencia: $\frac{5^{-3} \cdot 5^6}{5^2}$.

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Reduce la siguiente expresión a una sola potencia aplicando la propiedad de la potencia de una potencia: $\left((-2)^3\right)^{-4}$.

Reduce la siguiente expresión a una sola potencia aplicando la propiedad de la potencia de una potencia: $\left((-2)^3\right)^{-4}$.

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Bases distintas: mismo exponente o factores primos

A veces las bases son distintas. Primero fíjate en qué tienen en común las potencias.

Guía de decisión: misma base, mismo exponente o ninguno, con la regla que se usa en cada caso. ¿Misma base? Suma o resta los exponentes. ¿Mismo exponente? Multiplica o divide las bases. ¿Ninguno? Factoriza las bases en primos.

Cuando hay varias bases compuestas, descompón cada una en primos y luego reúne el exponente de cada primo por separado.

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Utiliza la propiedad del producto de potencias con el mismo exponente para expresar el siguiente cálculo como una única potencia: $4^{-3} \cdot 2^{-3} \cdot 5^{-3}$.

Utiliza la propiedad del producto de potencias con el mismo exponente para expresar el siguiente cálculo como una única potencia: $4^{-3} \cdot 2^{-3} \cdot 5^{-3}$.

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En un examen de matemáticas, un alumno ha resuelto una operación escribiendo que $2^{-3} \cdot 5^{-3} = 10^{-6}$. Explica detalladamente cuál ha sido el error conceptual…

En un examen de matemáticas, un alumno ha resuelto una operación escribiendo que $2^{-3} \cdot 5^{-3} = 10^{-6}$. Explica detalladamente cuál ha sido el error conceptual del alumno, enuncia la propiedad correcta que debería haber utilizado y calcula el resultado verdadero en forma de fracción.

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Simplifica la siguiente expresión, factorizando previamente las bases compuestas y aplicando las propiedades de las potencias de exponente entero. Deja el resultado como…

Simplifica la siguiente expresión, factorizando previamente las bases compuestas y aplicando las propiedades de las potencias de exponente entero. Deja el resultado como un producto de potencias de números primos:

$\frac{12^3 \cdot 18^{-2}}{6^4 \cdot 2^{-5}}$

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Expresiones con variables

Todas las reglas también funcionan con letras. Recuerda dar la respuesta final con solo exponentes positivos, a menos que se indique otra cosa. Para eliminar un exponente negativo, pasa el factor al otro lado de la barra de fracción y cambia el signo de su exponente.

Un factor con exponente negativo cruza la barra de fracción y su exponente se vuelve positivo. x⁻² y⁻³ y³ x² = Un factor cruza la barra de fracción y su exponente cambia de signo.

A veces los propios exponentes contienen variables. El truco es escribir cada base en términos de primos, como antes, y luego comparar los exponentes.

También te pueden pedir demostrar una identidad. Una demostración parte de la definición y usa solo pasos válidos, hasta llegar al otro lado de la ecuación.

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Simplifica al máximo la siguiente expresión algebraica, donde $a$, $b$ y $c$ son números reales distintos de cero. Aplica las propiedades de las potencias y deja el…

Simplifica al máximo la siguiente expresión algebraica, donde $a$, $b$ y $c$ son números reales distintos de cero. Aplica las propiedades de las potencias y deja el resultado final expresado exclusivamente con exponentes positivos:

$\frac{(a^{-2} \cdot b^3)^{-3} \cdot (a \cdot b^{-1} \cdot c^2)^4}{(a^3 \cdot c^{-5})^{-2}}$

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Demuestra matemáticamente que, para cualquier número real $a \neq 0$ y cualquier número entero $n$, se cumple la identidad $\left(\frac{1}{a}\right)^{-n} = a^n$. Utiliza…

Demuestra matemáticamente que, para cualquier número real $a \neq 0$ y cualquier número entero $n$, se cumple la identidad $\left(\frac{1}{a}\right)^{-n} = a^n$. Utiliza para tu demostración la definición estricta de potencia de exponente negativo y las propiedades de las operaciones con fracciones.

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Simplifica la siguiente expresión algebraica, en la que $m$ y $n$ son números enteros arbitrarios. Tras realizar la simplificación, comprueba y justifica si el resultado…

Simplifica la siguiente expresión algebraica, en la que $m$ y $n$ son números enteros arbitrarios. Tras realizar la simplificación, comprueba y justifica si el resultado final depende de los valores que tomen $m$ y $n$:

$\frac{4^{n+1} \cdot 10^{m-n}}{2^{m+n+2} \cdot 5^{m-n}}$

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Crecimiento y decaimiento

Siempre que una cantidad se multiplica por el mismo factor en cada paso, las potencias la describen. Si empiezas con $A_0$ y multiplicas por $b$ en cada paso, después de $t$ pasos tienes $A_0 \cdot b^t$. Un factor como $\frac{1}{3}$ se puede escribir $3^{-1}$, así que dividir repetidamente es un exponente negativo.

Gráfica de barras de la cantidad de una sustancia que se reduce a la tercera parte en cada filtro, escrita con potencias de 3 a la menos 1. 243 oz 81 oz 27 oz 9 oz inicio 243·3⁻¹ 243·3⁻² 243·3⁻³ cada filtro multiplica por 3⁻¹ = 1/3
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Una colonia de bacterias duplica su población cada hora. Si en el momento inicial de la observación hay $150$ bacterias, escribe una expresión matemática utilizando…

Una colonia de bacterias duplica su población cada hora. Si en el momento inicial de la observación hay $150$ bacterias, escribe una expresión matemática utilizando potencias que indique la cantidad de bacterias transcurridas $h$ horas. ¿Cuántas bacterias habrá en la colonia después de $6$ horas?

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En un laboratorio químico se está filtrando una sustancia tóxica contenida en un líquido. Cada filtro que se instala en el circuito reduce la cantidad de toxinas a su…

En un laboratorio químico se está filtrando una sustancia tóxica contenida en un líquido. Cada filtro que se instala en el circuito reduce la cantidad de toxinas a su tercera parte. Si la cantidad inicial de toxinas es de $81$ onzas, expresa con una potencia de exponente negativo la cantidad de toxina que queda tras pasar por $4$ filtros sucesivos y calcula su valor exacto.

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Un torneo de tenis se juega por eliminatorias directas (en cada partido, el que pierde queda eliminado y el que gana pasa a la siguiente ronda). Si en la primera ronda…

Un torneo de tenis se juega por eliminatorias directas (en cada partido, el que pierde queda eliminado y el que gana pasa a la siguiente ronda). Si en la primera ronda participan $2^7$ jugadores, ¿cuántos partidos en total se habrán jugado cuando finalice el torneo y haya un único ganador absoluto? Expresa tu razonamiento utilizando operaciones con potencias.

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Ecuaciones exponenciales

En una ecuación como $5^{x+2} \cdot 25^{-1} = 125^3$ la incógnita está en el exponente. El hecho clave es que si $b^m = b^n$ (con $b > 0$, $b \ne 1$), entonces $m = n$. Así que el plan es obtener la misma base en ambos lados.

Estrategia de tres pasos para ecuaciones exponenciales: misma base, una potencia por lado, igualar los exponentes. 1. Misma base (25 = 5², 8 = 2³) 2. Una potencia en cada lado 3. Iguala exp. y resuelve

Cuando las potencias se suman o se restan, no puedes simplemente sumar los exponentes. En su lugar, factoriza la menor potencia común.

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Encuentra el valor del número entero $x$ que hace que se cumpla la siguiente ecuación exponencial, expresando todos los términos como potencias de la misma base:…

Encuentra el valor del número entero $x$ que hace que se cumpla la siguiente ecuación exponencial, expresando todos los términos como potencias de la misma base:

$5^{x+2} \cdot 25^{-1} = 125^3$

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Resuelve la siguiente ecuación exponencial. Para ello, aplica las propiedades de las potencias de exponente entero para separar las bases y extrae factor común:…

Resuelve la siguiente ecuación exponencial. Para ello, aplica las propiedades de las potencias de exponente entero para separar las bases y extrae factor común:

$3^{x+1} + 3^{x-1} - 3^x = 21$

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Potencias en contexto: fractales, luz y dinero

Aquí tienes tres situaciones en las que una potencia con exponente entero hace el trabajo pesado.

Un fractal que se encoge

Empieza con un triángulo relleno de área $1$. En cada paso, cada triángulo relleno se divide en cuatro triángulos más pequeños y se quita el del medio. Cada paso conserva $3$ de las $4$ piezas, así que el área se multiplica por $\frac{3}{4}$.

Los primeros tres pasos del triángulo de Sierpinski: un triángulo, tres triángulos, nueve triángulos. Paso 0: 1 Paso 1: 3/4 Paso 2: 9/16

El patrón es $1$, $\frac{3}{4}$, $\left(\frac{3}{4}\right)^2$, … así que después de $n$ pasos el área es $A_0 \cdot r^n$ con $r = \frac{3}{4}$. Multiplicar por un factor constante en cada paso siempre da una potencia.

Luz a través de vidrio polarizado

Si cada panel de vidrio deja pasar una fracción $r$ de la luz, entonces $n$ paneles dejan pasar $I_0 \cdot r^n$. La fracción que se pierde es lo que sobra: $1 - r^n$.

Interés compuesto y exponentes negativos

Una cuenta de ahorros con tasa anual $r$ crece por un factor de $(1 + r)$ cada año, así que $P$ dólares se convierten en $P(1+r)^t$ después de $t$ años. Un exponente negativo hace correr el reloj hacia atrás.

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Una empresa invierte un capital de $\$5000$ en un fondo de inversión que ofrece un interés compuesto anual del $4\%…

Una empresa invierte un capital de $\$5000$ en un fondo de inversión que ofrece un interés compuesto anual del $4\%$. La fórmula matemática correcta para calcular el capital final tras $t$ años es $C = 5000 \cdot (1,04)^t$. Si por un error de computadora el sistema calcula el capital usando un exponente negativo, $C_{erroneo} = 5000 \cdot (1,04)^{-t}$, ¿qué significado financiero tendría este cálculo erróneo? Además, deduce qué relación matemática exacta existe entre el capital correcto a los $5$ años y el capital erróneo calculado para esos mismos $5$ años.

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Se construye un fractal geométrico llamado "Triángulo de Sierpinski" partiendo de un triángulo equilátero relleno de color azul cuya área inicial es $1$ unidad. En cada…

Se construye un fractal geométrico llamado "Triángulo de Sierpinski" partiendo de un triángulo equilátero relleno de color azul cuya área inicial es $1$ unidad. En cada iteración (paso), se divide cada triángulo azul en cuatro triángulos equiláteros más pequeños y se extrae el triángulo central (que queda vacío/negro). Observa la figura que ilustra los primeros pasos. Determina la expresión matemática, en forma de potencia, que representa el área azul restante tras $n$ iteraciones. A partir de esa expresión, ¿cuál será el área azul exacta tras $6$ iteraciones?

Paso 0 Paso 1 Paso 2
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La intensidad de un haz de luz al atravesar un determinado tipo de cristal tintado se reduce a los $\frac{3}{4}$ de su valor incidente. Si superponemos $n$ de estos…

La intensidad de un haz de luz al atravesar un determinado tipo de cristal tintado se reduce a los $\frac{3}{4}$ de su valor incidente. Si superponemos $n$ de estos cristales idénticos, la intensidad de la luz resultante que logra traspasarlos es $I = I_0 \cdot \left(\frac{3}{4}\right)^n$, siendo $I_0$ la intensidad inicial. Expresa la fracción de luz que se pierde (no la que consigue pasar) tras atravesar $3$ cristales, utilizando potencias de exponente entero para tus cálculos. A la vista del resultado, determina si el sistema bloquea más o menos de la mitad de la luz original.

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De vuelta al comienzo: el video tenía $800$ vistas a las 3:00 p. m. y sus vistas se duplican cada hora. Una hora antes tenía $800 \cdot 2^{-1} = 400$ vistas, dos horas antes $800 \cdot 2^{-2} = 200$, y tres horas antes $800 \cdot 2^{-3} = 100$. A las 3:00 p. m. el exponente es $0$, y $800 \cdot 2^0 = 800$.

Resumen

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