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Radicales y exponentes racionales

Te conviene dominar: Potencias con exponentes racionales: radicales (Álgebra 2)
Te conviene dominar: Propiedades de los radicales y racionalización (Álgebra 2)

Emma va a enviar un tubo para pósters desde una caja que mide $2$ ft por $3$ ft por $5$ ft. ¿Cuál es la varilla recta más larga que cabe dentro, de una esquina a la esquina opuesta? El teorema de Pitágoras da una raíz cuadrada, y la calculadora da un decimal largo. Un alumno de Precálculo debe poder escribir la respuesta exacta en su forma más simple y manipularla. En esta sección aprenderás cómo, con una sola idea: un radical es solo una potencia con exponente fraccionario.

Radicales como exponentes racionales

Este hecho convierte cada regla de los radicales en una regla de exponentes que ya conoces: $a^p \cdot a^q = a^{p+q}$, $(a^p)^q = a^{pq}$, $\dfrac{a^p}{a^q} = a^{p-q}$.

En toda esta página, las variables representan números reales positivos. Así nunca nos preocupamos por raíces pares de números negativos. (Sin esta suposición, $\sqrt[4]{a^2}$ sería $\sqrt{|a|}$.)

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Exprese en forma de potencia de exponente fraccionario y simplifique al máximo la expresión $\sqrt[6]{x^4 y^2 z^8}$, asumiendo que todas las variables representan…

Exprese en forma de potencia de exponente fraccionario y simplifique al máximo la expresión $\sqrt[6]{x^4 y^2 z^8}$, asumiendo que todas las variables representan números reales positivos.

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Determine si los radicales $\sqrt[4]{25x^2}$ y $\sqrt{5x}$ son equivalentes para cualquier valor de $x > 0$. Justifique su procedimiento utilizando exponentes…

Determine si los radicales $\sqrt[4]{25x^2}$ y $\sqrt{5x}$ son equivalentes para cualquier valor de $x > 0$. Justifique su procedimiento utilizando exponentes fraccionarios.

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Simplificación de radicales

Un radical está en forma más simple cuando ningún factor del radicando es una potencia $n$-ésima perfecta y el índice es lo más pequeño posible. Algunos problemas dicen sacar factores del radical; eso es exactamente simplificar.

Simplificación de la raíz cuadrada de 72 separándola en la raíz cuadrada de 36 por 2, lo que da 6 por la raíz cuadrada de 2. √72 = √(36·2) = 6√2 36 es el mayor cuadrado perfecto que divide a 72

Un atajo para variables: divide el exponente entre el índice. El cociente sale y el residuo se queda dentro. Para $\sqrt{x^7}$, $7 \div 2 = 3$ residuo $1$, así que $\sqrt{x^7} = x^3\sqrt{x}$.

Potencia de un radical. $\left(\sqrt[n]{a}\right)^m = \sqrt[n]{a^m}$. Con exponentes, lo más fácil es multiplicar el exponente antes de simplificar.

Raíz de una raíz. $\sqrt[n]{\sqrt[m]{a}} = \sqrt[nm]{a}$ porque $(a^{1/m})^{1/n} = a^{1/(mn)}$. Los índices se multiplican.

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Extraiga todos los factores posibles del interior del siguiente radical, simplificando la expresión al máximo: $\sqrt[3]{108 a^5 b^7 c^3}$.

Extraiga todos los factores posibles del interior del siguiente radical, simplificando la expresión al máximo: $\sqrt[3]{108 a^5 b^7 c^3}$.

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Calcule la potencia del siguiente radical y simplifique el resultado extrayendo todos los factores posibles (asuma variables positivas): $(\sqrt[4]{8x^3y^2})^2$.

Calcule la potencia del siguiente radical y simplifique el resultado extrayendo todos los factores posibles (asuma variables positivas): $(\sqrt[4]{8x^3y^2})^2$.

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Simplifique la siguiente expresión aplicando la propiedad de la raíz de una raíz y expresando el resultado con un único radical: $\sqrt[3]{a^2 \sqrt{a}}$.

Simplifique la siguiente expresión aplicando la propiedad de la raíz de una raíz y expresando el resultado con un único radical: $\sqrt[3]{a^2 \sqrt{a}}$.

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Reducción a índice común

¿Cómo comparas $\sqrt{3}$ y $\sqrt[3]{5}$? Tienen índices distintos, así que no puedes comparar los radicandos directamente. Escribe ambos con el mismo índice, usando el mcm de los índices.

El mismo truco permite multiplicar y dividir radicales de índices distintos: conviértelos a exponentes y suma o resta los exponentes.

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Reduzca a índice común los radicales $\sqrt[3]{5}$, $\sqrt[4]{10}$ y $\sqrt[6]{30}$, y ordénelos de menor a mayor justificando su respuesta.

Reduzca a índice común los radicales $\sqrt[3]{5}$, $\sqrt[4]{10}$ y $\sqrt[6]{30}$, y ordénelos de menor a mayor justificando su respuesta.

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Efectúe la siguiente operación combinada con radicales de distinto índice, expresando el resultado final con un único radical simplificado:…

Efectúe la siguiente operación combinada con radicales de distinto índice, expresando el resultado final con un único radical simplificado: $\frac{\sqrt{2x} \cdot \sqrt[3]{4x^2}}{\sqrt[6]{8x^5}}$.

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Suma, resta y multiplicación de radicales

Suma y resta de radicales paso a paso: simplifica cada radical a un múltiplo de la raíz cuadrada de 2 y luego combina los coeficientes. 3√50 + 2√18 − √8 = 3·5√2 + 2·3√2 − 2√2 = 15√2 + 6√2 − 2√2 = 19√2

Multiplicación de radicales con el mismo índice: $\sqrt[n]{a}\cdot\sqrt[n]{b} = \sqrt[n]{ab}$. Multiplica los radicandos y luego simplifica.

Los productos especiales también funcionan con radicales. Trata cada radical como una variable. Recuerda que $(\sqrt{k})^2 = k$.

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Realice las sumas y restas de los siguientes radicales semejantes, extrayendo factores previamente para poder simplificar el resultado:…

Realice las sumas y restas de los siguientes radicales semejantes, extrayendo factores previamente para poder simplificar el resultado: $5\sqrt{18} - 2\sqrt{50} + \sqrt{8}$.

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Multiplique los siguientes radicales del mismo índice y extraiga los factores posibles del resultado final: $\sqrt[4]{27a^2b^3} \cdot \sqrt[4]{3a^3b}$.

Multiplique los siguientes radicales del mismo índice y extraiga los factores posibles del resultado final: $\sqrt[4]{27a^2b^3} \cdot \sqrt[4]{3a^3b}$.

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Desarrolle la siguiente expresión utilizando las identidades notables para el cuadrado de una resta y el producto de binomios, y agrupe los términos semejantes:…

Desarrolle la siguiente expresión utilizando las identidades notables para el cuadrado de una resta y el producto de binomios, y agrupe los términos semejantes: $(\sqrt{5} - 2\sqrt{3})^2 - (2\sqrt{5} + \sqrt{3})(\sqrt{5} - \sqrt{3})$.

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Racionalización de denominadores

Por convención, una respuesta simplificada no tiene radicales en el denominador. Racionalizar es lo que convierte $\dfrac{1}{\sqrt{2}}$ en $\dfrac{\sqrt{2}}{2}$. Ambos son el mismo número, pero el segundo es más fácil de sumar, comparar y estimar a mano.

Dos ejemplos de racionalización: un denominador de un término multiplicado por su propio radical y un denominador de dos términos multiplicado por su conjugado. 6 √3 · √3 √3 = 6√3 3 = 2√3 un término: multiplica arriba y abajo por el mismo radical 4 √5−1 · √5+1 √5+1 conjugado: (√5−1)(√5+1) = 5−1 = 4

Tres términos. Agrupa dos de ellos para que el denominador tenga la forma $A - B$ y usa el conjugado $A + B$. Quizás tengas que racionalizar una segunda vez.

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Racionalice el denominador de la siguiente expresión y simplifique el resultado final extrayendo factores si es posible: $\frac{6x}{\sqrt[5]{8x^2y^3}}$.

Racionalice el denominador de la siguiente expresión y simplifique el resultado final extrayendo factores si es posible: $\frac{6x}{\sqrt[5]{8x^2y^3}}$.

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Racionalice el denominador multiplicando por la expresión conjugada y simplifique operando el numerador: $\frac{2\sqrt{3} - \sqrt{2}}{\sqrt{3} + 2\sqrt{2}}$.

Racionalice el denominador multiplicando por la expresión conjugada y simplifique operando el numerador: $\frac{2\sqrt{3} - \sqrt{2}}{\sqrt{3} + 2\sqrt{2}}$.

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Racionalice el denominador de la siguiente fracción que contiene tres términos radicales y simplifique el resultado final: $\frac{4}{\sqrt{2} + \sqrt{3} - \sqrt{5}}$.

Racionalice el denominador de la siguiente fracción que contiene tres términos radicales y simplifique el resultado final: $\frac{4}{\sqrt{2} + \sqrt{3} - \sqrt{5}}$.

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Radicales en geometría y física

Los radicales aparecen siempre que una cantidad está elevada al cuadrado: el teorema de Pitágoras, el periodo de un péndulo y las leyes de energía y de escala. En estos problemas la respuesta debe ser exacta y simplificada, no un decimal redondeado.

Una caja rectangular con aristas a, b y c y su diagonal espacial D, trazada desde una esquina de la base hasta la esquina opuesta de arriba. a b c D

Escalas con raíces. El periodo de un péndulo es $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}$. Observa que $T$ es proporcional a $\sqrt{L}$. Si quieres que el periodo sea $k$ veces mayor, necesitas $\sqrt{L'} = k\sqrt{L}$, así que elevando al cuadrado ambos lados: $L' = k^2 L$.

Exponentes fraccionarios en leyes científicas. Muchas leyes de escala se ven como $R = kM^{3/4}$. Si la masa se multiplica por $c$, la cantidad se multiplica por $c^{3/4}$.

Volvamos al principio: la caja de Emma tiene aristas de $2$, $3$ y $5$ ft, así que la varilla más larga mide $D = \sqrt{4 + 9 + 25} = \sqrt{38}$ ft. Como $38 = 2 \cdot 19$ no tiene factores cuadrados perfectos, $\sqrt{38}$ ft ya está en su forma más simple. Eso es aproximadamente $6.16$ ft.

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El período $T$ de un péndulo simple viene dado por la fórmula física $T = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}$, donde $L$ es la longitud de la cuerda y $g$ la gravedad. Si un…

El período $T$ de un péndulo simple viene dado por la fórmula física $T = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}$, donde $L$ es la longitud de la cuerda y $g$ la gravedad. Si un ingeniero necesita que el nuevo período sea exactamente $\sqrt{2} + 1$ veces el período original, ¿por qué factor exacto debe multiplicar la longitud $L$ original? Exprese su razonamiento algebraicamente desarrollando el binomio al cuadrado.

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En un prisma rectangular, las longitudes de sus tres aristas concurrentes miden exactamente $\sqrt{2}$ pies, $\sqrt{3}$ pies y $\sqrt{5}$ pies. Calcule el valor exacto…

En un prisma rectangular, las longitudes de sus tres aristas concurrentes miden exactamente $\sqrt{2}$ pies, $\sqrt{3}$ pies y $\sqrt{5}$ pies. Calcule el valor exacto de la diagonal espacial del prisma ($D = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2}$) y el volumen del mismo, expresando ambos resultados en su forma radical más simple.

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Según la Ley de Kleiber en biología, la tasa metabólica basal $R$ de un mamífero escala con su masa corporal $M$ según la relación $R = k \sqrt[4]{M^3}$, donde $k$ es…

Según la Ley de Kleiber en biología, la tasa metabólica basal $R$ de un mamífero escala con su masa corporal $M$ según la relación $R = k \sqrt[4]{M^3}$, donde $k$ es una constante. Si un animal $A$ tiene una masa exactamente $27$ veces mayor que la de un animal $B$, determine la razón exacta $\frac{R_A}{R_B}$ utilizando propiedades de los radicales y extrayendo factores.

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Retos de geometría: alturas y espirales

Dos figuras clásicas necesitan el teorema de Pitágoras una y otra vez, y las respuestas son radicales anidados o crecientes.

Alturas de un triángulo y de un trapecio isósceles

Si un triángulo isósceles tiene lados iguales $\ell$ y base $b$, la altura sobre la base la divide por la mitad, así que $h = \sqrt{\ell^2 - \left(\tfrac{b}{2}\right)^2}$.

Un trapecio isósceles con bases $B > b$ y lados no paralelos $\ell$ tiene dos triángulos rectángulos en los extremos. Cada uno tiene un cateto horizontal $\dfrac{B-b}{2}$ e hipotenusa $\ell$, así que $h = \sqrt{\ell^2 - \left(\tfrac{B-b}{2}\right)^2}$.

Un pentágono regular de lado $L$ tiene sus cinco diagonales iguales a $D = L\Phi$, donde $\Phi = \dfrac{1+\sqrt{5}}{2}$ es la razón áurea. Una diagonal horizontal lo corta en un triángulo isósceles arriba (lados $L$, base $D$) y un trapecio isósceles abajo (bases $D$ y $L$, lados $L$). La altura del pentágono es la suma de las dos alturas.

Un pentágono regular cortado por una diagonal horizontal D en un triángulo isósceles de altura h1 y un trapecio isósceles de altura h2. D h₁ h₂ L L L

El truco de elevar al cuadrado es el mismo que verás en la sección de retos: para simplificar una suma de dos radicales, elévala al cuadrado y deja que el término cruzado $2h_1h_2$ se simplifique.

La espiral de Teodoro

Empieza con un triángulo rectángulo cuyos dos catetos miden $a$. Cada nuevo triángulo rectángulo usa la hipotenusa anterior como un cateto y un cateto nuevo de longitud $a$. El área de un triángulo rectángulo es $\tfrac{1}{2}\cdot\text{cateto}\cdot\text{cateto}$.

Sea $h_n$ la hipotenusa del $n$-ésimo triángulo. Entonces $h_n^2 = h_{n-1}^2 + a^2$, y partiendo de $h_1^2 = 2a^2$ cada paso suma $a^2$:

$$h_n = a\sqrt{n+1}$$

El $n$-ésimo triángulo tiene catetos $h_{n-1} = a\sqrt{n}$ y $a$. Su área y su perímetro son

$$A_n = \tfrac{1}{2}\cdot a\cdot a\sqrt{n} = \dfrac{a^2\sqrt{n}}{2}, \qquad P_n = a\left(\sqrt{n} + 1 + \sqrt{n+1}\right).$$
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En un pentágono regular de lado $L = 2$ cm, la longitud de cualquier diagonal $D$ está relacionada con el lado mediante el número áureo $\Phi = \frac{1+\sqrt{5}}{2}$,…

En un pentágono regular de lado $L = 2$ cm, la longitud de cualquier diagonal $D$ está relacionada con el lado mediante el número áureo $\Phi = \frac{1+\sqrt{5}}{2}$, cumpliendo $D = L \cdot \Phi$. Trace una diagonal horizontal para dividir el pentágono en un triángulo isósceles superior y un trapecio isósceles inferior. Utilizando el teorema de Pitágoras, calcule el valor exacto de la altura total $h$ del pentágono sumando las alturas de ambas figuras. Exprese el resultado final de la forma más simplificada posible.

L = 2 h D
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Considere la espiral de Teodoro, construida mediante triángulos rectángulos contiguos. El primer triángulo tiene catetos iguales de longitud $a$. El enésimo triángulo…

Considere la espiral de Teodoro, construida mediante triángulos rectángulos contiguos. El primer triángulo tiene catetos iguales de longitud $a$. El enésimo triángulo tiene como catetos la hipotenusa del triángulo anterior y un nuevo cateto de longitud $a$. Si el área del sexto triángulo de la secuencia es exactamente $A_6 = 12\sqrt{6}$ cm², calcule el valor exacto del parámetro $a$ y, con él, determine el perímetro exacto del tercer triángulo de la espiral simplificando los radicales.

a a a a a a a√2 a√3
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Reto: radicales anidados y conjugados ingeniosos

Tres técnicas cubren los problemas más difíciles.

1. Radicales anidados con variables. Convierte todo a exponentes, trabaja de adentro hacia afuera y lleva el exponente acumulado de cada variable.

2. Elevar al cuadrado para desenmascarar una suma de radicales. Para mostrar que algo como $\sqrt{A} \pm \sqrt{B}$ es un número agradable, iguálalo a $x$, elévalo al cuadrado y usa $(p \pm q)^2 = p^2 \pm 2pq + q^2$. El término cruzado $2\sqrt{AB}$ suele simplificarse porque $AB$ es una diferencia de cuadrados.

3. Fracciones con radicales conjugados. Combina sobre un denominador común. El denominador se vuelve una diferencia de cuadrados y los radicales desaparecen.

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Simplifique al máximo la siguiente expresión con radicales anidados, reduciéndola a un único radical y extrayendo todos los factores posibles (asuma que las variables…

Simplifique al máximo la siguiente expresión con radicales anidados, reduciéndola a un único radical y extrayendo todos los factores posibles (asuma que las variables son reales positivos):

$\sqrt[4]{\frac{x^3 y}{z} \sqrt[3]{\frac{z^2}{x y^2} \sqrt{\frac{x}{y}}}}$.

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Demuestre algebraicamente que el número irracional $x = \sqrt{7 + 4\sqrt{3}} + \sqrt{7 - 4\sqrt{3}}$ es, en realidad, un número entero. Plantee la ecuación $x^2$ y…

Demuestre algebraicamente que el número irracional $x = \sqrt{7 + 4\sqrt{3}} + \sqrt{7 - 4\sqrt{3}}$ es, en realidad, un número entero. Plantee la ecuación $x^2$ y utilice las identidades notables para resolverlo.

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Simplifique completamente la siguiente expresión algebraica, operando las fracciones mediante un denominador común y aplicando las propiedades de los radicales…

Simplifique completamente la siguiente expresión algebraica, operando las fracciones mediante un denominador común y aplicando las propiedades de los radicales conjugados:

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

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Resumen

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