Hipérbolas, Logaritmos y Exponenciales
Ya hemos visto que podemos definir la función logaritmo como una integral de la hipérbola equilátera 1/x. Esta función se llama logaritmo natural. Podemos esperar que diferentes hipérbolas (obtenidas multiplicando la hipérbola equilátera por un número) den lugar a diferentes funciones logaritmo con las mismas interesantes propiedades.
Llamamos a estas funciones logaritmo en base b. Vamos a explorar la relación entre esta base b y el factor por el que multiplicamos la hipérbola 1/x. Esperamos que Sustituyendo x por b Entonces Obtenemos una relación importante entre estas funciones logaritmo: Logaritmos en base b se obtienen a partir del logaritmo natural multiplicando por una constante (y podemos cambiar la base de los logaritmos con facilidad. En las calculadoras solamente es necesaria una tecla de logaritmo. Con ella podemos calcular los logaritmos en cualquier base).
Podemos obtener la gráfica de la función logaritmo en base b a partir de la de la función logaritmo natural simplemente multiplicando las ordenadas por el mismo factor. Cuando b > 1 este factor es positivo. Un caso que se ha usado particularmente es el logaritmo en base 10 o logaritmo decimal (debido a que usamos el sistema de numeración en base 10): Cuando b < 1, este factor es negativo EXPLORA Explora la forma de diferentes funciones logaritmo. ¿Cuál es la relación entre la gráfica del logaritmo en base b y el logaritmo en base 1/b? No es difícil diferenciar la función logaritmo en base b
(S. Lang, p. 173) Empezando con podemos trabajar con otras funciones exponenciales a^x con a > 0 arbitrario usando las reglas comunes a los logaritmos y exponentes, es decir, para cualquiera números b, c tenemos Podemos definir la exponencial para cualquier a > 0 Por ejemplo Y ahora ya podemos entender el significado de
Algunas propiedades Logaritmos como exponentes: el logaritmo de un número es el exponente al que hay que elevar otro valor fijo (llamado base) para obtener ese número. El logaritmo en base b es la función inversa de bx.
Al igual que hacemos para obtener la gráfica de la función exponencial a partir de la del logaritmo natural por reflexión respecto de la diagonal del primer cuadrante, la recta y=x, la gráfica de estas funciones exponenciales generales se pueden obtener por reflexión de una función logaritmo respecto de la misma diagonal. EXPLORA Explora la forma de diferentes funciones exponenciales. Algunas son crecientes y otras decrecientes. ¿Hay relación entre la gráfica de la función ax y la gráfica de (1/a)x?
Podemos derivar usando la regla de la cadena: Usando la definción de derivada:
Ahora podemos calcular el límite
REFERENCIAS
A. I. Markushevich, Areas and Logarithms, D.C. Heath and Company, 1963.
Serge Lang, A First Course in Calculus, Third Edition, Addison-Wesley Publishing Company.
Tom M. Apostol, Calculus, Second Edition, John Willey and Sons, Inc.
Michael Spivak, Calculus, Third Edition, Publish-or-Perish, Inc.
Otto Toeplitz, The Calculus, a genetic approach, The University of Chicago Press, 1963.
Kenneth A. Ross, Elementary Analysis: The Theory of Calculus, Springer-Verlag New York Inc., 1980.
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Estudiamos varias propiedades de las funciones exponenciales, sus derivadas y una introducción al número e.
Hemos definido la función logaritmo como una integral de la hipérbola equilátera. Esta integral tiene una importante propiedad que nos permitirá usar los logaritmos para transformar multiplicaciones en sumas.
Usando los logaritmos podemos multiplicar dos números haciendo una suma: el logaritmo de un producto es igual a la suma de los logaritmos de los factores.
El número e se puede definir como áquel cuyo logaritmo es 1. Partiendo de esta definición podemos aproximar su valor.
El número e, la base de los logaritmos naturales, se puede definir como una integral o como el límite de una sucesión relacionada con el interés compuesto. Ambas definiciones coinciden.
Al aumentar el grado del polinomio de Taylor se aproxima a la función exponencial en un intervalo más y más amplio.
La función exponencial compleja es periodica. Su desarrollo de Taylor converge en todo el plano complejo.
El Teorema Fundamental del Cálculo afirma que toda función continua tiene una antiderivada y nos muestra cómo construir una usando la integral.
El Segundo Teorema Fundamental del Cálculo nos proporciona una herramienta muy potente para calcular integrales definidas (si conocemos una primitiva o antiderivada de la función).
Como una introducción a las funciones lineales a trozos estudiamos el caso más sencillo, las funciones lineales restringidas a un intervalo abierto: sus gráficas son segmentos.
Una función constante a trozos (o función escalonada) está definida por varias subfunciones que son funciones constantes.
Una función continua lineal a trozos se define con varios segmentos o rayos que están unidos de un modo continuo, sin saltos entre ellos.
La integral de las funciones potencia era conocida por Cavalieri para n=1 hasta n=9. Fermat, entre otros, fue capaz de resolver este problema. Su técnica es un buen ejemplo del uso de progresiones geométricas.
Si la derivada de F(x) es f(x) decimos que F es una antiderivada de f. También decimos que F es una primitiva o una integral indefinida de f.
La integral formaliza el concepto intuitivo de área. Para su definición aproximamos el área usando rectángulos.
Las funciones monótonas definidas en intervalos cerrados son interables. En estos casos podemos acotar el error que cometemos al aproximar la integral usando rectángulos.
Si consideramos el límite inferior de integración fijado y podemos calcular la integral definida para diferentes valores del límite superior de integración entonces podemos definir una nueva función: una integral indefinida de f.
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