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6.1: Funciones polinómicas

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

  • Hemos visto en secciones anteriores que un monomio es producto de un número y uno o más factores variables, cada uno elevado a una potencia integral positiva, como en3x2 o 4x3y4.
  • También hemos visto que un binomio es la suma o diferencia de dos términos monomiales, como en3x+5,x2+4, o3xy2=2x2y.
  • También hemos visto que un trinomio es la suma o diferencia de tres términos monomiales, como enx22x3 ox24xy+5y2.

La palabra raíz “poli” significa “muchos”, como en polígono (muchos lados) o políglota (hablando muchos idiomas, multilingüe).

  • En álgebra, la palabra polinomio significa “muchos términos”, donde se puede interpretar que la frase “muchos términos” significa desde uno hasta un número arbitrario, pero finito, de términos. En consecuencia, un monomio podría considerarse un polinomio, al igual que binomios y trinomios. En nuestro trabajo, nos concentraremos en su mayor parte en polinomios de una sola variable. Lo que sigue es una definición más formal de un polinomio en una sola variablex.

Definición: Polinomios

La función p, definida por

p(x)=a0+a1x+a2x2++anxn

se llama polinomio enx.

Hay varios puntos importantes que hay que hacer sobre esta definición.

Nota

  1. El polinomio en nuestra definición en la Ecuación\ ref {1} está dispuesto en potencias ascendentes dex. Podríamos tan fácilmente organizar nuestro polinomio en poderes descendentes dex, como enp(x)=anxn++a2x2+a1x+a0
  2. A los númerosa0,a1,a2,,an se les llama los coeficientes del polinomio p. − Si todos los coeficientes son números enteros, entonces decimos que “pes un polinomio con coeficientes enteros”. − Si todos los coeficientes son números racionales, entonces decimos que “pes un polinomio con coeficientes racionales. ” − Si todos los coeficientes son números reales, entonces decimos que “pes un polinomio con coeficientes reales”.
  3. El grado del polinomiop esn, el mayor poder dex.
  4. El término principal del polinomiop es el término con mayor poder dex. En el caso de la Ecuación\ ref {2}, el término principal es unxn.

Veamos un ejemplo.

Ejemplo6.1.1

Considerar el polinomio

p(x)=34x2+5x36x

Encuentre el grado, el término principal y haga una declaración sobre los coeficientes de p haciendo referencia a la Nota anterior para determinar coeficientes enteros o racionales.

Solución

Primero, poner en orden los términos polinomiales. Si usas potencias ascendentes o descendentes de x no hace ninguna diferencia. Elige uno u otro. En potencias descendentes de x,

p(x)=5x34x26x+3

sino en poderes ascendentes dex,

p(x)=36x4x2+5x3

En cualquier caso, Ecuación\ ref {5} o Ecuación\ ref {6}, el grado del polinomio es 3. También, en cualquier caso, el término principal del polinomio es 5x3. Debido a que todos los coeficientes de este polinomio son enteros, decimos que “p es un polinomio con coeficientes enteros”. Sin embargo, todos los coeficientes son también números racionales, por lo que podríamos decir que p es un polinomio con coeficientes racionales. Para el caso, todos los coeficientes de p son números reales, por lo que también podríamos decir que p es un polinomio con coeficientes reales.

Veamos otro ejemplo.

Ejemplo6.1.2

Considerar el polinomio

p(x)=343x+25x29x3+12x4.

Encuentra el grado, el término principal, y haz una declaración sobre los coeficientes dep.

Solución

Afortunadamente, el polinomio p ya está dispuesto en potencias ascendentes de x El grado de p es 4 y el término principal es 12x4. No todos los coeficientes son enteros, por lo que no podemos decir que “p es un polinomio con coeficientes enteros”. Sin embargo, todos los coeficientes son números racionales, por lo que podemos decir que “p es un polinomio con coeficientes racionales”. Debido a que todos los coeficientes de p son números reales, también podríamos decir que “pes un polinomio con coeficientes reales”.

Ejemplo6.1.3

Considera el polinomiop(x)=343x+2x29x3+πx5. Encuentra el grado, el término principal, y haz una declaración sobre los coeficientes de p.

Solución

Afortunadamente, el polinomio p ya está dispuesto en potencias ascendentes de x. El grado de p es 5 y el término principal esπx5. No todos los coeficientes son enteros, por lo que no podemos decir que “p es un polinomio con coeficientes enteros”. No todos los coeficientes son números racionales, por lo que no podemos decir que “p es un polinomio con coeficientes racionales”. Sin embargo, debido a que todos los coeficientes de p son números reales, podemos decir que “p es un polinomio con coeficientes reales”.

La Gráfica dey=xn

El objetivo principal en esta sección es discutir el comportamiento final de polinomios arbitrarios. Por “comportamiento final”, nos referimos al comportamiento del polinomio para valores muy pequeños de x (como −1 000, −10 000, −100 000, etc.) o valores muy grandes de x (como 1 000, 10 000, 100 000, etc.). Antes de que podamos explorar el comportamiento final de polinomios arbitrarios, primero debemos examinar el comportamiento final de algunos monomios muy básicos. Específicamente, necesitamos investigar el comportamiento final de las gráficas dey=xn, donde n = 1, 2, 3,...

Primero examinemos la gráfica dey=xn, cuando n es par. Los gráficos son lo suficientemente simples como para dibujar, ya sea creando una tabla de puntos o usando tu calculadora gráfica. En la Figura6.1.1 (a), (b) y (c), hemos dibujado las gráficas dey=x2,y=x4, yy=x6, respectivamente.

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Figura6.1.1. Ejemplos de la gráfica dey=xn, cuando n es un entero par.

Las gráficas de la Figura6.1.1 comparten un rasgo importante. Al barrer los ojos de izquierda a derecha, cada gráfica cae desde el infinito positivo, se mueve por el origen, luego se eleva de nuevo al infinito positivo.

A continuación, examinemos la gráfica dey=xn, cuando n es impar. Nuevamente, una tabla de puntos o una calculadora gráfica ayudará a producir las gráficas dey=x3,y=x5, yy=x7, como se muestra en la Figura6.1.2 (a), (b) y (c), respectivamente.

Las gráficas de la Figura6.1.2 comparten un rasgo importante. Al barrer los ojos de izquierda a derecha, cada gráfica se eleva desde el infinito negativo, se mueve por el origen, luego se eleva hasta el infinito positivo.

El comportamiento mostrado en la Figura6.1.1 y Figura6.1.2 es típico.

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Figura6.1.2. Ejemplos de la gráfica dey=xn, cuando n es un entero impar.

Propiedad 9

Cuando n es un número natural par, la gráfica dey=xn se verá como la que se muestra en la Figura6.1.3 (a). Si n es un número natural impar, entonces la gráfica dey=xn será similar a la que se muestra en la Figura6.1.3 (b).

  1. Cuando n es par, mientras barres los ojos de izquierda a derecha, la gráfica dey=xn caídas desde el infinito positivo, se mueve por el origen, luego se eleva de nuevo al infinito positivo.
  2. Si n es impar, a medida que barres los ojos de izquierda a derecha, la gráfica dey=xn se eleva desde el infinito negativo, se mueve por el origen, luego se eleva al infinito positivo.
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Figura6.1.3

La Gráfica dey=axn

Ahora que conocemos la forma general de la gráfica dey=xn, escalemos esta función multiplicando por una constante, como eny=axn.

En nuestro estudio de la parábola, aprendimos que si multiplicamos por un factor de a, donde a > 1, entonces estiraremos la gráfica en dirección vertical por un factor de a. a la inversa, si multiplicamos la gráfica por un factor de a, donde 0 < a < 1, entonces comprimiremos la gráfica en la dirección vertical por un factor de 1/a. si a < 0, entonces no solo escalaremos la gráfica, sino que multiplicar por este factor también reflejará la gráfica a través del eje horizontal.

Veamos algunos ejemplos.

Ejemplo6.1.4

Esbozar la gráfica dey=2x3.

Solución

Sabemos cómo sey=x3 ve la gráfica de. Al barrer los ojos de izquierda a derecha, la gráfica se eleva desde el infinito negativo, se mueve por el origen, luego se eleva al infinito positivo. Este comportamiento se muestra en la Figura6.1.4 (a).

Si multiplicamos por un factor de 2, entonces estiramos la gráfica original por un factor de 2 en la dirección vertical. La gráfica dey=2x3 se muestra en la Figura6.1.4 (b). Observe el estiramiento en dirección vertical.

Finalmente, si negamos multiplicando por −2, esto estirará la gráfica por un factor de 2, como en la Figura6.1.4 (b), pero también reflejará la gráfica a través del eje x. La gráfica dey=2x3 se muestra en la Figura6.1.4 (c).

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Figura6.1.4. El escalado por −2 se estira verticalmente por un factor de 2, luego refleja la gráfica a través del eje x.

Veamos otro ejemplo.

Ejemplo6.1.5

Esbozar el gráfico dey=12x4

Solución

Sabemos cómo sey=x4 ve la gráfica de. Al barrer los ojos de izquierda a derecha, la gráfica cae desde el infinito positivo, se mueve por el origen, luego se eleva de nuevo al infinito positivo. Este comportamiento se muestra en la Figura6.1.5 (a).

Si multiplicamos por 1/2, entonces comprimiremos la gráfica por un factor de 2. Obsérvese que la gráfica dey=12x4 la Figura6.1.5 (b) está comprimida por un factor de 2 en la dirección vertical.

Finalmente, si multiplicamos por −1/2, no solo comprimiremos la gráfica por un factor de 2, sino que también reflejaremos la gráfica a través del eje x. La gráfica dey=12x4 se muestra en la Figura6.1.5 (c).

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Figura6.1.5. El escalado por −1/2 comprime verticalmente por un factor de 2, luego refleja la gráfica a través del eje x.

Ojalá, en este punto ahora se pueda esbozar la gráfica dey=axn para cualquier número real a y cualquier número natural n, ya sea par o impar, sin el uso de una calculadora. Pongamos este conocimiento recién descubierto para investigar el comportamiento final de los polinomios.

Comportamiento final

Considera el polinomiop(x)=x37x2+7x+15 Aquí hay un dato clave que usaremos para determinar el comportamiento final de cualquier polinomio.

Propiedad 13

El comportamiento final de un polinomio está completamente determinado por su término principal. Es decir, el comportamiento final de la gráfica del polinomio coincidirá con el comportamiento final de la gráfica de su término principal.

En un momento, mostraremos por qué esta propiedad es cierta. Mientras tanto, aceptemos la veracidad de esta afirmación y la apliquemos al polinomio definido por la ecuación (12). El término principal del polinomiop(x)=x37x2+7x+15 esx3. Conocemos el comportamiento final de la gráfica dey=x3. A medida que barremos nuestros ojos de izquierda a derecha, la gráfica dey=x3 se elevará desde el infinito negativo, se moverá por el origen, luego continuará elevándose hasta el infinito positivo. Nos imaginamos este comportamiento anteriormente en la Figura6.1.4 (a).

La propiedad 13 nos dice que la gráfica del polinomiop(x)=x37x2+7x+15 exhibirá el mismo comportamiento final que la gráfica de su término principal,y=x3. Podemos predecir que, a medida que barremos los ojos de izquierda a derecha, la gráfica del polinomiop(x)=x37x2+7x+15 se elevará desde el infinito negativo, se moverá un poco, luego se elevará al infinito positivo. No sabemos lo que sucede en el medio, pero sí sabemos lo que sucede en los extremos de la izquierda y la derecha.

Nuestra conjetura se verifica dibujando la gráfica (use una calculadora gráfica). La gráfica del polinomiop(x)=x37x2+7x+15 se muestra en la Figura6.1.6. Efectivamente, a medida que barremos los ojos de izquierda a derecha, la gráfica en Figura6.1.6 se eleva desde el infinito negativo como se predijo, se menea un poco, luego continúa su ascenso al infinito positivo.

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Figura6.1.6. Tenga en cuenta que esta gráfica dep(x)=x37x2+7x+15 tiene el mismo comportamiento final que la gráfica dey=x3.

¿Por qué funciona? ¿Por qué la Propiedad 13 predice con tanta precisión el comportamiento final de este polinomio?

p(x)=x37x2+7x+15

Podemos demostrar por qué primero factorizando el término líder.

p(x)=x3(17x+7x2+15x3)

Ahora, haz la siguiente pregunta. ¿Qué pasa con el polinomio a medida que avanzamos hacia el extremo derecho? Es decir, ¿qué pasa con el polinomio ya que utilizamos grandes valores de x, como 1 000, 10 000, o incluso 100 000?

Considera la fracción 7/x Debido a que el numerador se fija en 7, y el denominador es cada vez más grande (creciendo sin límite), la fracción se está acercando cada vez más a cero. Los estudiantes de cálculo usarían la notación

limx7x=0

No se desestime por la notación. Estamos usando notación matemática sofisticada para una idea muy simple que dice “A medida que x se acerca al infinito, la fracción 7/x se acerca a cero”.

Usando razonamiento similar, cada una de las fracciones en la ecuación (14) va a cero a medida que x va al infinito (aumenta sin límite). Así, a medida que x se hace cada vez más grande (a medida que nos movemos cada vez más hacia la derecha),

limxp(x)=limxx3(17x+7x2+15x3)x3(10+0+0+0)x3

Es decir, a medida que x aumenta sin encuadernación, la gráfica dep(x)=x37x2+7x+15 debe aproximarse a la gráfica dey=x3.

Usando razonamiento similar, cada una de las fracciones en la ecuación (14) va a cero como x va a menos infinito. Es decir, si estás poniendo números para x como −1 000, −10 000, −100 000 y similares, las fracciones en la ecuación (14) irán a cero. De ahí que el polinomio p (x) aún debe acercarse a su término inicial x 3 para valores muy pequeños de x (a medida que x se acerca).

Si se superpone la gráfica dey=x3 en la gráfica dep(x)=x37x2+7x+15, como en la Figura6.1.7, queda claro que el polinomio p tiene el mismo comportamiento final que el gráfico de su término principaly=x3.

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Figura6.1.7. A medida que se mueve hacia el extremo izquierdo o derecho, la gráfica dep(x)=x37x2+7x+15 se acerca a la gráfica de su término principaly=x3.

Puede proporcionar una demostración más llamativa de la validez del reclamo en la ecuación (15) trazando tanto el polinomio p como su término principaly=x3 en su calculadora, luego alejando el zoom ajustando los parámetros de la ventana como se muestra en la Figura6.1.8 (b). Observe cómo la gráfica de se parecep(x)=x37x2+7x+15 más a la gráfica de su término inicialy=x3, al menos en los bordes derecho e izquierdo de la ventana de visualización. Cuando alejamos más, ajustando los parámetros de la ventana como se muestra en la Figura6.1.8 (d), observe cómo esa gráfica de p se acerca a la gráfica de su término principaly=x3 aún más de cerca en cada borde de la ventana de visualización.

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Figura6.1.8. Alejar claramente demuestra que el comportamiento final dep(x)=x37x2+7x+15 coincide con el de su término principaly=x3.

Veamos otro ejemplo.

Ejemplo6.1.6

Considera el polinomiop(x)=x4+37x2+24x180. Comenta el comportamiento final de p y usa tu calculadora gráfica para bosquejar su gráfica.

Solución

El término principal dep(x)=x4+37x2+24x180 esy=x4. Conocemos el comportamiento final de la gráfica del término principal. Al barrer los ojos de izquierda a derecha, la gráfica dey=x4 se eleva desde el infinito negativo, se mueve por el origen, luego vuelve a caer a menos infinito. La gráfica de p debe exhibir el mismo comportamiento final. En efecto, en la Figura6.1.9, observe que la gráfica dey=x4 yy=x4+37x2+24x180 ambos comparten el mismo comportamiento final.

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Figura6.1.9. El polinomiop(x)=x4+37x2+24x180 tiene el mismo comportamiento final que la gráfica de su término principaly=x4.

Ejercicio

En los Ejercicios 1 - 8, organizar cada polinomio en potencias descendentes de x, indicar el grado del polinomio, identificar el término principal, luego hacer una declaración sobre los coeficientes del polinomio dado haciendo referencia a la Nota anterior Ejemplo6.1.1  para determinar entero o coeficientes racionales.

Ejercicio6.1.1

p(x)=3xx2+4x3

Contestar

p(x)=x3x2+3x+4, grado = 3, término inicial =x3, “p es un polinomio con coeficientes enteros, polinomio con coeficientes racionales” o “p es

un polinomio con coeficientes reales”.

Ejercicio6.1.2

p(x)=4+3x25x+x3

Ejercicio6.1.3

p(x)=3x2+x4x4

Contestar

p(x)=x4+3x2x4, grado = 4, término inicial =x4, “p es un polinomio con coeficientes enteros”, “p es un polinomio con coeficientes racionales” o “p es

un polinomio con coeficientes reales”.

Ejercicio6.1.4

p(x)=3+x2x3+5x4

Ejercicio6.1.5

p(x)=5x32x3+423x5

Contestar

p(x)=23x532x3+5x+4, grado = 5, término principal =23x5, “p es un polinomio con coeficientes racionales”, o p es un polinomio con coeficientes reales”.

Ejercicio6.1.6

p(x)=32x+573x5+43x3

Ejercicio6.1.7

p(x)=x+23x32x2+πx6

Contestar

p(x)=πx6+23x32x2x, grado = 6, término principal =πx6, “p es un polinomio con coeficientes reales”.

Ejercicio6.1.8

p(x)=3+2x4+3x2x2+5x6

En Ejercicios 9 - 14, se te presenta la gráfica dey=axn. En cada caso, indique si el grado es par o impar, luego indicar si a es un número positivo o negativo.

Ejercicio6.1.9

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.30.28 AM.png

Contestar

y=axn, n impar, a < 0.

Ejercicio6.1.10

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.32.10 AM.png

Ejercicio6.1.11

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.35.40 AM.png

Contestar

y=axn, n incluso, a > 0.

Ejercicio6.1.12

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.37.26 AM.png

Ejercicio6.1.13

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.38.27 AM.png

Contestar

y=axn, n impar, a < 0.

Ejercicio6.1.14

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.39.17 AM.png

En Ejercicios 15 - 20, se te presenta la gráfica del polinomiop(x)=anxn+···+a1x+a0. En cada caso, indique si el grado del polinomio es par o impar, luego indicar si el coeficiente principal a es positivo o negativo.

Ejercicio6.1.15

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.40.55 AM.png

Contestar

impar, positivo

Ejercicio6.1.16

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.42.09 AM.png

Ejercicio6.1.17

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.43.09 AM.png

Contestar

par, negativo

Ejercicio6.1.18

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.43.58 AM.png

Ejercicio6.1.19

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.44.52 AM.png

Contestar

impar, positivo

Ejercicio6.1.20

Screen Shot 2019-08-30 a las 8.46.27 AM.png

Por cada polinomio en los Ejercicios 21 - 30, realizar cada una de las siguientes tareas.

  1. Predecir el comportamiento final del polinomio dibujando un boceto muy aproximado del polinomio. Haga esto sin la ayuda de una calculadora. La única preocupación aquí es que su gráfica muestre el comportamiento final correcto.
  2. Dibuja la gráfica en tu calculadora, ajusta la ventana de visualización para que todos los “puntos de inflexión” del polinomio sean visibles en la ventana de visualización y copia el resultado en tu papel de tarea. Como es habitual, etiquetar y escalar cada eje con xmin, xmax, ymin e ymax. ¿El comportamiento final real concuerda con su comportamiento final previsto?

Ejercicio6.1.21

p(x)=3x3+2x2+8x4

Contestar

Tenga en cuenta que el término principal3x3 (discontinua) tiene el mismo comportamiento final que el polinomio p.

Screen Shot 2019-08-30 a las 9.06.09 AM.png

Ejercicio6.1.22

p(x)=2x33x2+4x8

Ejercicio6.1.23

p(x)=x3+x217x+15

Contestar

Tenga en cuenta que el término principalx3 (discontinua) tiene el mismo comportamiento final que el polinomio p.

Screen Shot 2019-08-30 a las 9.07.12 AM.png

Ejercicio6.1.24

p(x)=x4+2x2+29x30

Ejercicio6.1.25

p(x)=x43x2+4

Contestar

Tenga en cuenta que el término principalx4 (discontinua) tiene el mismo comportamiento final que el polinomio p.

Screen Shot 2019-08-30 a las 9.09.00 AM.png

Ejercicio6.1.26

p(x)=x4+8x212

Ejercicio6.1.27

p(x)=x5+3x4x3+2x

Contestar

Tenga en cuenta que el término principalx5 (discontinua) tiene el mismo comportamiento final que el polinomio p.

Screen Shot 2019-08-30 a las 9.10.12 AM.png

Ejercicio6.1.28

p(x)=2x43x3+x10

Ejercicio6.1.29

p(x)=x64x5+27x4+78x3+4x2+376x480

Contestar

Tenga en cuenta que el término principalx6 (discontinua) tiene el mismo comportamiento final que el polinomio p.

Screen Shot 2019-08-30 a las 9.11.10 AM.png

Ejercicio6.1.30

p(x)=x527x3+30x2124x+120


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