Operaciones con expresiones racionales
Ya sabes que $\dfrac{10}{15}$ se simplifica a $\dfrac{2}{3}$ porque los dos números comparten el factor $5$. ¿Puedes hacer lo mismo con $\dfrac{x^2-9}{x^2+6x+9}$? ¿Y se comporta $\dfrac{5}{x+2}-\dfrac{3}{x^2-4}$ como $\dfrac12-\dfrac13$? Sí. Una expresión racional es una fracción cuyo numerador y denominador son polinomios, y sigue las mismas reglas que las fracciones numéricas. La única destreza nueva es factorizar, que cumple el papel que tienen los factores primos en los números.
Simplificar factorizando
Para simplificar una expresión racional, factoriza por completo el numerador y el denominador y luego cancela los factores que comparten. Sin factorizar no hay nada que cancelar.
Esta es tu caja de herramientas de factorización. La usarás en cada página de esta sección.
| Patrón | Forma factorizada |
|---|---|
| Máximo factor común | $6x^2+9x = 3x(2x+3)$ |
| Diferencia de cuadrados | $a^2-b^2=(a-b)(a+b)$ |
| Trinomio cuadrado perfecto | $a^2\pm 2ab+b^2=(a\pm b)^2$ |
| Cubo perfecto (cubo de un binomio) | $a^3\pm 3a^2b+3ab^2\pm b^3=(a\pm b)^3$ |
| Suma de cubos | $a^3+b^3=(a+b)(a^2-ab+b^2)$ |
| Diferencia de cubos | $a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)$ |
| Trinomio $x^2+bx+c$ | busca dos números que multipliquen $c$ y sumen $b$ |
Las gráficas lo confirman. Las dos expresiones siguientes trazan la misma curva, salvo que la original tiene un hueco en $x=-3$.
Simplifica al máximo la siguiente fracción algebraica factorizando el numerador y el denominador: $\frac{x^2 - 9}{x^2 + 6x + 9}$
Simplifica al máximo la siguiente fracción algebraica factorizando el numerador y el denominador:
$\frac{x^2 - 9}{x^2 + 6x + 9}$
Multiplicar y dividir
Multiplica expresiones racionales como multiplicas fracciones: numeradores por un lado y denominadores por el otro. Para dividir, multiplica por el recíproco del divisor.
¿Por qué se invierte? Dividir entre $\dfrac{C}{D}$ pregunta "¿cuántos $\dfrac{C}{D}$ caben aquí?", y multiplicar por $\dfrac{D}{C}$ hace exactamente eso. Factoriza antes de multiplicar para poder cancelar sobre la marcha. Si multiplicas primero, creas polinomios grandes que son difíciles de volver a factorizar.
Realiza la siguiente multiplicación de fracciones algebraicas y expresa el resultado en su forma más simple: $\frac{2x}{x-1} \cdot \frac{x^2 - 1}{4x^2}$
Realiza la siguiente multiplicación de fracciones algebraicas y expresa el resultado en su forma más simple:
$\frac{2x}{x-1} \cdot \frac{x^2 - 1}{4x^2}$
Calcula la división de las siguientes fracciones algebraicas y simplifica el resultado obtenido: $\frac{x^2 + 2x}{x - 3} : \frac{x^2 - 4}{x^2 - 9}$
Calcula la división de las siguientes fracciones algebraicas y simplifica el resultado obtenido:
$\frac{x^2 + 2x}{x - 3} : \frac{x^2 - 4}{x^2 - 9}$
Demuestre 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…
Demuestre 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:
$\left( \frac{x^2 - y^2}{x+y} \right) \cdot \left( \frac{x^3 + y^3}{x^2 - xy + y^2} \right) = x^2 - y^2$
Sumar y restar
Con el mismo denominador, suma o resta los numeradores y conserva el denominador:
$$\frac{A}{D}\pm\frac{B}{D}=\frac{A\pm B}{D}$$Con denominadores distintos, reescribe cada fracción sobre el mínimo común denominador (MCD). Para encontrarlo, factoriza cada denominador y toma cada factor con su mayor exponente.
Efectúa la suma de las siguientes fracciones algebraicas que tienen el mismo denominador: $\frac{3x - 1}{x^2 + 1} + \frac{x + 5}{x^2 + 1}$
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: $\frac{5}{x+2} - \frac{3}{x^2 - 4}$
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: $\frac{x}{x-2} + \frac{2}{x+3}$
Realiza la siguiente suma de fracciones algebraicas con denominadores de grado uno:
$\frac{x}{x-2} + \frac{2}{x+3}$
Denominadores más complicados y factores opuestos
Los problemas reales tienen denominadores con factores repetidos, cúbicos o factores que son opuestos entre sí. Aquí tienes tres herramientas.
Factores repetidos. Toma la mayor potencia de cada factor. Para $(x-2)^2$ y $(x-2)(x+2)$, el MCD es $(x-2)^2(x+2)$.
Factores opuestos. $a-b=-(b-a)$. Así, $x-3$ y $3-x$ son opuestos, y $\dfrac{3-x}{x-3}=-1$. Cuando dos denominadores son opuestos, reescribe uno para que los factores coincidan:
$$\frac{1}{x-3}+\frac{2}{3-x}=\frac{1}{x-3}-\frac{2}{x-3}=\frac{-1}{x-3}$$Denominadores cúbicos. Primero busca un patrón de la caja de herramientas. Un cúbico con signos alternados como $x^3-3x^2+3x-1$ es un cubo perfecto. Si no, busca un cero por tanteo y usa la división sintética para extraer un factor. Algunos problemas la llaman regla de Ruffini; es el mismo procedimiento.
Efectúe la suma y resta de las siguientes fracciones algebraicas. Utilice la regla de Ruffini y las identidades notables para factorizar previamente los denominadores y…
Efectúe la suma y resta de las siguientes fracciones algebraicas. Utilice la regla de Ruffini y las identidades notables para factorizar previamente los denominadores y hallar 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…
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 subvenciones, 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.
Realice las operaciones indicadas con tres variables y demuestre que el resultado final se simplifica a un número entero constante:…
Realice las operaciones indicadas con tres variables y demuestre que el resultado final se simplifica a un número entero constante:
$\frac{x^2}{(x-y)(x-z)} + \frac{y^2}{(y-x)(y-z)} + \frac{z^2}{(z-x)(z-y)}$
Operaciones combinadas
Cuando una expresión mezcla paréntesis, sumas, productos y cocientes, sigue el orden de las operaciones exactamente como con los números: primero los paréntesis, luego multiplicación y división de izquierda a derecha, y después suma y resta de izquierda a derecha.
Opera la expresión dentro del paréntesis y luego multiplica para simplificar el resultado final: $\frac{x^2 - x}{x+1} \cdot \left( \frac{1}{x} + \frac{1}{x-1} \right)$
Opera la expresión dentro del paréntesis y luego multiplica para simplificar el resultado final:
$\frac{x^2 - x}{x+1} \cdot \left( \frac{1}{x} + \frac{1}{x-1} \right)$
Efectúa la siguiente operación combinada de fracciones algebraicas y simplifica al máximo: $\frac{x^2+x}{x^2-1} - \frac{1}{x-1}$
Efectúa la siguiente operación combinada de fracciones algebraicas y simplifica al máximo:
$\frac{x^2+x}{x^2-1} - \frac{1}{x-1}$
Realice las siguientes operaciones combinadas respetando la jerarquía y simplifique el resultado al máximo:…
Realice las siguientes operaciones combinadas respetando la jerarquía y simplifique el resultado al máximo:
$\left( \frac{x+1}{x-1} - \frac{x-1}{x+1} \right) : \frac{4x}{x^2 - 1}$
Fracciones complejas
Una fracción compleja tiene fracciones en el numerador, en el denominador o en ambos. Hay dos métodos confiables.
Método 1. Combina la parte de arriba en una sola fracción y la de abajo en otra, y luego divide (multiplica por el recíproco).
Método 2. Multiplica el numerador y el denominador de toda la fracción por el MCD de todos los denominadores pequeños. Así eliminas todas las fracciones internas de una vez. Es válido porque multiplicas por $\dfrac{\text{MCD}}{\text{MCD}}=1$.
Las letras distintas de $x$ funcionan igual. En un problema con $\dfrac{2d}{\frac{d}{v+w}+\frac{d}{v-w}}$, la letra $d$ es simplemente otro factor común que se cancela. Sácala como factor del denominador y verás cómo desaparece.
Simplifique la siguiente fracción algebraica compleja reduciendo primero el numerador y el denominador de forma independiente: $\frac{1 - \frac{1}{x^2}}{1 + \frac{1}{x}}$
Simplifique la siguiente fracción algebraica compleja reduciendo primero el numerador y el denominador de forma independiente:
$\frac{1 - \frac{1}{x^2}}{1 + \frac{1}{x}}$
Simplifique la siguiente expresión algebraica iterada (fracción continua) operando desde el nivel más profundo hacia arriba, hasta obtener una fracción irreducible:…
Simplifique la siguiente expresión algebraica iterada (fracción continua) operando desde el nivel más profundo hacia arriba, hasta obtener una fracción irreducible:
$1 + \frac{1}{1 + \frac{1}{1 + \frac{1}{x-1}}}$
Un dron de reparto viaja de un almacén a una zona residencial a una velocidad $v+w$ (donde $w$ es la velocidad del viento a favor) y regresa a una velocidad $v-w$…
Un dron de reparto viaja de un almacén a una zona residencial a una velocidad $v+w$ (donde $w$ es la velocidad del viento a favor) y regresa a una velocidad $v-w$ (viento en contra). La distancia entre los puntos es $d$. Obtenga 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 compruebe si es equivalente a la expresión $\frac{v^2 - w^2}{v}$.
Fórmulas de circuitos y tasas de trabajo
Muchas fórmulas de la ciencia y de la vida diaria suman recíprocos. En física, dos resistencias en paralelo tienen una resistencia equivalente $R$ con
$$\frac{1}{R}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}$$El mismo patrón aparece con las tasas de trabajo: si un trabajo te toma $t$ horas tú solo, terminas $\dfrac1t$ del trabajo por hora, y las tasas se suman cuando se trabaja en equipo. El plan siempre es el mismo: suma las fracciones, simplifica y luego invierte para obtener $R$ (o el tiempo).
En un circuito eléctrico, dos resistencias $R_1$ y $R_2$ están conectadas en paralelo. La resistencia equivalente $R_{eq}$ cumple la relación…
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 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…
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 $s_i = \frac{x^2-1}{3}$, determine 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…
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. Escriba y simplifique la fracción algebraica que representa dicha porción de trabajo por hora.
Cómo construir expresiones: viajes, áreas y promedios
En algunos problemas no te dan las fracciones. Tienes que construirlas a partir de la situación y luego simplificar. Estas fórmulas aparecen mucho:
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$\text{tiempo}=\dfrac{\text{distancia}}{\text{velocidad}}$
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Promedio de dos cantidades $=\dfrac12(\text{primera}+\text{segunda})$
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Velocidad promedio $=\dfrac{\text{distancia total}}{\text{tiempo total}}$ (¡no es el promedio de las dos velocidades!)
La base de un panel solar rectangular viene dada por la expresión $b = \frac{x^3 - x}{x^2 + 2x + 1}$ pies, y su altura por $h = \frac{x^2 + x}{x^2 - 2x + 1}$ pies.…
La base de un panel solar rectangular viene dada por la expresión $b = \frac{x^3 - x}{x^2 + 2x + 1}$ pies, y su altura por $h = \frac{x^2 + x}{x^2 - 2x + 1}$ pies. Calcule el área del panel solar expresando el resultado como una única fracción algebraica simplificada.
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…
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 $R_3 = \frac{x^2-1}{2}$, calcule la expresión simplificada de la resistencia equivalente $R_{eq}$.
En un laboratorio de química se tienen dos soluciones de un mismo ácido. La primera tiene una concentración $C_1 = \frac{x}{x^2+2x+1}$ y la segunda…
En un laboratorio de química se tienen dos soluciones 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 soluciones, por lo que la concentración de la mezcla resultante es la media aritmética de ambas concentraciones, es decir, $C_m = \frac{1}{2}(C_1 + C_2)$. Obtenga la expresión algebraica simplificada de la concentración final de la mezcla $C_m$.
Cocientes de diferencias y fracciones parciales
Dos tipos de trabajo con expresiones racionales reaparecen en Precálculo y en cálculo.
El cociente de diferencias. Para una función $f$, la expresión $\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}$ mide la razón de cambio promedio en un paso diminuto $h$. Con funciones racionales restas dos fracciones y luego divides entre $h$. La clave es que el numerador siempre contiene un factor $h$, que se cancela.
La descomposición en fracciones parciales hace la suma al revés. Separas una fracción en una suma de fracciones más simples con numeradores desconocidos. Luego igualas ambos lados como polinomios. Puedes sustituir valores convenientes de $x$ o comparar coeficientes.
Las dos curvas coinciden, así que la descomposición es una identidad. Cuando el denominador tiene un factor cuadrático irreducible como $x^2+1$, el numerador sobre ese factor puede ser lineal, $Bx+C$. Entonces es más fácil comparar los coeficientes de $x^2$, de $x$ y el término constante.
Determine los valores numéricos de los parámetros $A$, $B$ y $C$ para que se cumpla la siguiente identidad de descomposición en fracciones simples para todo $x$:…
Determine los valores numéricos de los parámetros $A$, $B$ y $C$ para que se cumpla la siguiente identidad de descomposición en fracciones simples para todo $x$:
$\frac{5x^2 - x + 2}{x^3 - x^2 + x - 1} = \frac{A}{x-1} + \frac{Bx+C}{x^2+1}$
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…
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 $\frac{S(x+h) - S(x)}{h}$. Realice esta operación y exprese el resultado como una única fracción algebraica simplificada en términos de $x$ y $h$.
Resumen
Volvamos al principio: $\dfrac{x^2-9}{x^2+6x+9}$ se simplifica a $\dfrac{x-3}{x+3}$ cuando factorizas, y $\dfrac{5}{x+2}-\dfrac{3}{x^2-4}$ se convierte en $\dfrac{5x-13}{(x-2)(x+2)}$ sobre el MCD. Las expresiones racionales se comportan como las fracciones numéricas. La diferencia es que debes factorizar para ver los factores comunes.