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Algebra 2 · Matemáticas
Funciones · Tipos de funciones usuales

Funciones racionales

Te conviene dominar: Fracciones algebraicas (Álgebra 1)

El club de robótica de Ava pide sudaderas con capucha personalizadas. La tienda cobra una cuota de preparación de $\$150$ más $\$12$ por sudadera. Cuantas más sudaderas pide el club, menos de la cuota le toca pagar a cada una, pero el costo por sudadera nunca baja de cierto piso, sin importar qué tan grande sea el pedido. ¿Cuál es ese piso y cómo lo encontramos sin adivinar? Las funciones como esta se llaman funciones racionales, y las herramientas de esta sección (dominio, huecos, asíntotas) responden justo ese tipo de preguntas.

Dominio de una función racional

La receta es corta: iguala el denominador a $0$, resuelve y excluye esos valores.

Recta numérica con círculos abiertos en −3 y 3 que dividen el dominio en tres intervalos abiertos. dominiodominiodominio −33 ○ excluido○ excluido (−∞, −3)(−3, 3)(3, ∞) x = −3 y x = 3 hacen 0 el denominador

Mira la gráfica de abajo y fíjate en lo que pasa cerca de $x=-3$ y $x=3$: la curva se rompe.

Dos casos rápidos que conviene reconocer. Un factor repetido, como $x^2 - 10x + 25 = (x-5)^2$, excluye un solo valor, $x = 5$. Y un denominador que nunca es cero, como $x^2 + 1$, no excluye nada: el dominio son todos los números reales.

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Calcula el dominio de definición de la función racional $f(x) = \frac{5x-2}{x^2-9}$.

Calcula el dominio de definición de la función racional $f(x) = \frac{5x-2}{x^2-9}$.

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Determina el dominio de la función $f(x) = \frac{x^2+1}{x^2+4x+4}$.

Determina el dominio de la función $f(x) = \frac{x^2+1}{x^2+4x+4}$.

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Intersecciones, signo y simetría

Para hallar la intersección con el eje $y$, calcula $f(0)$ (si $0$ está en el dominio). Para hallar las intersecciones con el eje $x$, resuelve $P(x) = 0$ y verifica que esos valores no hagan también $0$ el denominador. Una fracción es cero solo cuando su numerador es cero.

Signo de una función racional

¿Por qué? Entre dos números "especiales" consecutivos, ni $P$ ni $Q$ pueden cruzar el cero, así que ninguno cambia de signo. Un punto de prueba te da el signo de todo el intervalo.

Tabla de signos de (x − 4)/(x + 2): positiva a la izquierda de −2, negativa entre −2 y 4, positiva a la derecha de 4. + − + −2 4 no definida f(x) = 0

Par e impar

Para probar la simetría, reemplaza $x$ por $-x$ y simplifica. Si $f(-x) = f(x)$, la función es par (simétrica respecto al eje $y$). Si $f(-x) = -f(x)$, es impar (simétrica respecto al origen). Si no se cumple ninguna, no tiene esa simetría.

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Halla las coordenadas de los puntos de corte con los ejes cartesiano de la función $f(x) = \frac{3x+12}{2x-5}$.

Halla las coordenadas de los puntos de corte con los ejes cartesiano de la función $f(x) = \frac{3x+12}{2x-5}$.

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Estudia el signo de la función racional $f(x) = \frac{x-4}{x+2}$, indicando claramente los intervalos de la recta real donde la función toma valores positivos y donde…

Estudia el signo de la función racional $f(x) = \frac{x-4}{x+2}$, indicando claramente los intervalos de la recta real donde la función toma valores positivos y donde toma valores negativos.

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Comprueba analíticamente si la función $f(x) = \frac{3x}{x^2+1}$ es par, impar o no presenta simetría respecto a los ejes de coordenadas.

Comprueba analíticamente si la función $f(x) = \frac{3x}{x^2+1}$ es par, impar o no presenta simetría respecto a los ejes de coordenadas.

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Asíntotas verticales y huecos

Cuando el denominador es $0$ en $x=a$, ocurre una de dos cosas, según si el numerador también es $0$ ahí.

Gráfica con asíntota vertical x = −3 y asíntota horizontal y = 4. La rama izquierda sube hacia infinito positivo y la rama derecha baja hacia infinito negativo. y = 4 x = −3 f(x) → +∞ f(x) → −∞

Cuando el denominador es una cuadrática con un parámetro desconocido, el discriminante te dice cuántos ceros tiene. Si $b^2 - 4ac < 0$, el denominador no tiene ceros reales, así que no hay asíntotas verticales (ni huecos).

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Determina las ecuaciones de las asíntotas verticales y horizontales de la función $f(x) = \frac{4x-1}{x+3}$.

Determina las ecuaciones de las asíntotas verticales y horizontales de la función $f(x) = \frac{4x-1}{x+3}$.

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Analiza detalladamente la función racional $f(x) = \frac{x^2-5x+6}{x^2-4}$. Determina su dominio, simplifica la expresión algebraica indicando para qué valores es válida…

Analiza detalladamente la función racional $f(x) = \frac{x^2-5x+6}{x^2-4}$. Determina su dominio, simplifica la expresión algebraica indicando para qué valores es válida la simplificación, halla las ecuaciones de sus asíntotas y explica qué fenómeno gráfico se produce exactamente en el punto de abscisa $x = 2$.

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Discute, en función del parámetro real $k$, la existencia de asíntotas verticales para la función $f(x) = \frac{x^2-2x+5}{x^2-kx+9}$. Determina el intervalo de valores…

Discute, en función del parámetro real $k$, la existencia de asíntotas verticales para la función $f(x) = \frac{x^2-2x+5}{x^2-kx+9}$. Determina el intervalo de valores de $k$ para los cuales la función carece por completo de asíntotas verticales.

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Asíntotas horizontales y oblicuas

Las asíntotas verticales te dicen qué pasa cerca de un $x$ especial. Las asíntotas horizontales y oblicuas te dicen qué pasa muy lejos, cuando $x \to \infty$ y $x \to -\infty$ (el comportamiento en los extremos).

Una curva que se acerca por arriba a una recta oblicua discontinua cuando x crece, con la distancia entre ambas cada vez menor. f(x) y = mx + b

¿De qué lado de la asíntota oblicua?

Escribir $f(x) = mx+b+\dfrac{r}{Q(x)}$ también te dice si la curva queda arriba o abajo de la asíntota: mira el signo de la fracción sobrante $\dfrac{r}{Q(x)}$.

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Halla la ecuación de la asíntota oblicua de la función racional $f(x) = \frac{2x^2-5x+4}{x-1}$.

Halla la ecuación de la asíntota oblicua de la función racional $f(x) = \frac{2x^2-5x+4}{x-1}$.

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Halla el dominio, los puntos de corte con los ejes coordenados y las ecuaciones de todas las asíntotas de la función racional $f(x) = \frac{3x^2}{x^2-16}$.

Halla el dominio, los puntos de corte con los ejes coordenados y las ecuaciones de todas las asíntotas de la función racional $f(x) = \frac{3x^2}{x^2-16}$.

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Dada la función $f(x) = \frac{x^2+1}{x}$, determina su dominio, sus asíntotas (verticales, horizontales u oblicuas) y estudia la posición de la curva respecto a su…

Dada la función $f(x) = \frac{x^2+1}{x}$, determina su dominio, sus asíntotas (verticales, horizontales u oblicuas) y estudia la posición de la curva respecto a su asíntota oblicua cuando $x \to +\infty$ y cuando $x \to -\infty$.

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La función recíproca y sus transformaciones

La función racional más simple es la función recíproca $f(x) = \dfrac{1}{x}$. En general, $y = \dfrac{k}{x}$ es variación inversa: $k$ es la constante de proporcionalidad y siempre se cumple $xy = k$.

Por ser una función madre, sigue las reglas usuales de transformación.

Hipérbola con centro en el punto (h, k), asíntotas discontinuas x = h y y = k, una rama arriba a la derecha y otra abajo a la izquierda. x = h y = k (h, k)

Toda función racional de la forma $\dfrac{ax+b}{cx+d}$ (con $c\neq0$ y $ad-bc\neq0$) es una función recíproca transformada. Por eso todas comparten la misma forma: dos ramas alrededor de una asíntota vertical y una horizontal.

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Dada la función $f(x) = \frac{1}{x+2} - 4$, explica qué transformaciones geométricas elementales (desplazamientos horizontales y verticales) se han aplicado a la gráfica…

Dada la función $f(x) = \frac{1}{x+2} - 4$, explica qué transformaciones geométricas elementales (desplazamientos horizontales y verticales) se han aplicado a la gráfica de la hipérbola básica $y = \frac{1}{x}$ para obtenerla.

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Ecuaciones racionales, inversas y composiciones

Cómo resolver $f(x) = c$

Para hallar dónde una función racional toma un valor dado, plantea la ecuación, multiplica ambos lados por el denominador para eliminar la fracción, resuelve y verifica que la respuesta esté en el dominio.

Cómo hallar una inversa

Para hallar $f^{-1}$, intercambia $x$ y $y$ y despeja $y$. Con una función racional, la incógnita aparece dos veces, así que junta los términos con $y$ en un lado y factoriza.

Composición de funciones racionales

Para calcular $f(f(x))$, sustituye toda la expresión dentro de sí misma y luego elimina las fracciones pequeñas multiplicando el numerador y el denominador por el denominador común.

Si alguna vez encuentras que $f(f(x)) = x$ para todo $x$ del dominio, entonces $f$ se deshace a sí misma, así que $f = f^{-1}$. Como la gráfica de una inversa es el reflejo de la gráfica sobre la recta $y=x$, la gráfica de una función así es simétrica respecto a $y=x$. El ejemplo más simple es $y = \dfrac{1}{x}$.

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Encuentra el valor de $x$ para el cual la función $f(x) = \frac{2x+3}{x-1}$ toma exactamente el valor $f(x) = 5$.

Encuentra el valor de $x$ para el cual la función $f(x) = \frac{2x+3}{x-1}$ toma exactamente el valor $f(x) = 5$.

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Calcula la expresión analítica de la función inversa (o recíproca) de $f(x) = \frac{2x-1}{x+3}$ y especifica cuál es el dominio de esta nueva función $f^{-1}(x)$.

Calcula la expresión analítica de la función inversa (o recíproca) de $f(x) = \frac{2x-1}{x+3}$ y especifica cuál es el dominio de esta nueva función $f^{-1}(x)$.

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Sea la función racional $f(x) = \frac{x+2}{x-1}$. Demuestra analíticamente que la función compuesta $(f \circ f)(x) = x$ para todo valor de $x$ perteneciente a su…

Sea la función racional $f(x) = \frac{x+2}{x-1}$. Demuestra analíticamente que la función compuesta $(f \circ f)(x) = x$ para todo valor de $x$ perteneciente a su dominio. ¿Qué conclusión geométrica sobre la gráfica de $f(x)$ puedes extraer de este resultado en relación con la recta bisectriz $y = x$?

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Cómo hallar parámetros desconocidos y leer gráficas

A veces te dan las asíntotas y debes hallar la función. Convierte cada dato de la gráfica en una ecuación.

  • Asíntota vertical en $x=a$: el denominador es $0$ en $x = a$ (y el numerador no).

  • Asíntota horizontal $y = L$ con grados iguales: el cociente de los coeficientes principales es $L$.

  • Asíntota oblicua $y=mx+b$: el cociente de la división es $mx+b$.

  • Pasa por un punto $(x_0, y_0)$: sustituye, $f(x_0)=y_0$.

Cómo leer una gráfica

Cuando te dan una imagen, lee esto en orden. Primero, ¿dónde se rompe la curva? Esos valores de $x$ son las asíntotas verticales y los huecos, y quedan excluidos del dominio. Segundo, ¿a qué altura se estabiliza la curva muy a la izquierda y muy a la derecha? Esa es la asíntota horizontal. Tercero, ¿dónde cruza la curva los ejes? Esas son las intersecciones. Después construye una fórmula que coincida.

Para la familia $f(x)=\dfrac{ax^2}{x^2+b}$, el numerador y el denominador tienen el mismo grado, así que la asíntota horizontal es $y=a$. La intersección con el eje $y$ es $(0,0)$. Si $b>0$, el denominador nunca es cero: no hay asíntotas verticales y el dominio son todos los reales. Si $b<0$, hay asíntotas verticales en $x=\pm\sqrt{-b}$. Por ejemplo, una asíntota horizontal $y=2$ con asíntotas verticales $x=\pm3$ da $a=2$ y $b=-9$, así que $f(x)=\dfrac{2x^2}{x^2-9}$.

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Determina los valores de los parámetros $a$ y $b$ para que la función $f(x) = \frac{ax+7}{3x+b}$ tenga una asíntota vertical en $x = 2$ y una asíntota horizontal en…

Determina los valores de los parámetros $a$ y $b$ para que la función $f(x) = \frac{ax+7}{3x+b}$ tenga una asíntota vertical en $x = 2$ y una asíntota horizontal en $y = \frac{5}{3}$.

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Encuentra los valores de los parámetros $a$, $b$ y $c$ de la función racional $f(x) = \frac{ax^2+bx+c}{x-3}$ sabiendo que tiene una asíntota oblicua de ecuación…

Encuentra los valores de los parámetros $a$, $b$ y $c$ de la función racional $f(x) = \frac{ax^2+bx+c}{x-3}$ sabiendo que tiene una asíntota oblicua de ecuación $y = 2x+1$ y que su gráfica pasa por el punto de coordenadas $(4, 15)$.

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A partir de la siguiente gráfica de una función racional, determina su dominio, las ecuaciones de sus asíntotas (verticales y horizontales) y los puntos de corte con los…

A partir de la siguiente gráfica de una función racional, determina su dominio, las ecuaciones de sus asíntotas (verticales y horizontales) y los puntos de corte con los ejes. A continuación, propón una expresión algebraica del tipo $f(x) = \frac{ax^2}{x^2+b}$ que se ajuste perfectamente a todas estas características visuales.

X Y 0 2 −2 2
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Funciones racionales en situaciones reales

Muchas cantidades reales son "una cantidad fija repartida entre un número que cambia": una cuota de preparación repartida entre sudaderas, sal disuelta en un volumen que crece, una dosis repartida en el tiempo. Cada una es una función racional, y su asíntota horizontal tiene un significado concreto: el valor a largo plazo de la cantidad.

Volvamos al inicio: el piso del costo de las sudaderas de Ava es la asíntota horizontal $y=12$, el precio de una sola sudadera una vez que la cuota de $\$150$ se reparte entre muchas.

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El costo medio de producción (en dólares) de $x$ unidades de un componente electrónico viene dado por la función $C_m(x) = \frac{2500 + 15x}{x}$. Calcula el costo medio…

El costo medio de producción (en dólares) de $x$ unidades de un componente electrónico viene dado por la función $C_m(x) = \frac{2500 + 15x}{x}$. Calcula el costo medio de fabricar 100 unidades y determina el valor hacia el que tiende el costo medio si la producción se hace infinitamente grande, interpretando el resultado en el contexto del problema.

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Un depósito contiene inicialmente 500 galones de agua pura. Se empieza a bombear una solución salina con una concentración de 40 oz/gal a un ritmo de 10 gal/min. La…

Un depósito contiene inicialmente 500 galones de agua pura. Se empieza a bombear una solución salina con una concentración de 40 oz/gal a un ritmo de 10 gal/min. La concentración de sal en el tanque tras $t$ minutos viene dada por la función $C(t) = \frac{400t}{500+10t}$. ¿En qué instante la concentración será exactamente de 25 oz/gal? ¿Cuál es la ecuación de la asíntota horizontal de esta función y qué significado físico tiene?

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Dos operarios trabajan juntos para pintar un muro. El operario más joven tardaría $x$ horas en hacerlo trabajando solo, mientras que el operario de mayor edad tardaría…

Dos operarios trabajan juntos para pintar un muro. El operario más joven tardaría $x$ horas en hacerlo trabajando solo, mientras que el operario de mayor edad tardaría $x+3$ horas. El tiempo total $T(x)$ que tardan si trabajan simultáneamente viene dado por la función $T(x) = \frac{x(x+3)}{2x+3}$. Si trabajando juntos logran terminar el trabajo en exactamente 2 horas, ¿cuánto tiempo habría tardado el operario joven en pintar el muro él solo?

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Herramientas algebraicas: cotas, crecimiento e intersecciones

Sin cálculo todavía puedes responder tres preguntas con álgebra: "¿cuál es el valor más grande?", "¿siempre crece?" y "¿cuántas veces corta una recta a la curva?"

Acotar las salidas con el discriminante

Para hallar qué valores $y$ puede tomar una función, escribe $y=f(x)$, elimina la fracción y trata la ecuación como una cuadrática en $x$. La ecuación tiene una solución real $x$ solo cuando su discriminante es $\ge 0$. Esa condición da los valores posibles de $y$.

Cómo mostrar que una función es creciente

Primero divide los polinomios. Una forma como $A-\dfrac{B}{\text{algo creciente}}$ hace fácil ver la monotonía.

Intersección de una recta con una curva racional

Para hallar dónde una recta corta una curva racional, iguala las dos expresiones, elimina el denominador y estudia la cuadrática resultante. El discriminante te dice cuántos puntos de intersección hay: $\Delta>0$ da dos, $\Delta=0$ da exactamente uno y $\Delta<0$ da ninguno. No olvides descartar cualquier solución que no esté en el dominio y tratar por separado el caso en que el coeficiente principal es $0$.

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La concentración $C(t)$ de un fármaco en el torrente sanguíneo $t$ horas después de su administración intramuscular viene dada por la expresión…

La concentración $C(t)$ de un fármaco en el torrente sanguíneo $t$ horas después de su administración intramuscular viene dada por la expresión $C(t) = \frac{30t}{t^2+9}$ (medida en mg/L). Sin utilizar herramientas de derivación, demuestra de forma puramente algebraica que la concentración máxima nunca puede superar los $5$ mg/L y determina en qué instante exacto $t$ se alcanza dicha concentración máxima. (Sugerencia: Plantea la igualdad $C = \frac{30t}{t^2+9}$ como una ecuación de segundo grado en la variable $t$ y analiza la condición que debe cumplir su discriminante para que el tiempo sea un número real).

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Determina los valores del parámetro real $m$ para los cuales la recta de ecuación $y = mx$ interseca a la curva racional $y = \frac{1}{x-2}$ en exactamente un único…

Determina los valores del parámetro real $m$ para los cuales la recta de ecuación $y = mx$ interseca a la curva racional $y = \frac{1}{x-2}$ en exactamente un único punto. Interpreta geométricamente qué representan esas rectas específicas para la curva.

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La población de una especie de pez en un lago protegido sigue un modelo de crecimiento dado por la función $P(t) = \frac{2000t^2+500}{t^2+1}$, donde $t \ge 0$ se mide en…

La población de una especie de pez en un lago protegido sigue un modelo de crecimiento dado por la función $P(t) = \frac{2000t^2+500}{t^2+1}$, donde $t \ge 0$ se mide en años desde el inicio del estudio. Determina la población inicial, la población a muy largo plazo (límite cuando $t \to +\infty$) y demuestra algebraicamente que la población está siempre creciendo a medida que pasa el tiempo. (Sugerencia: Intenta expresar la fracción en la forma $A - \frac{B}{t^2+1}$ realizando la división polinómica).

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Resumen

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