libro de Álgebra

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    LGEBRA PARA FUTUROS PROFESORES DE ENSEANZA BSICA

    JULIO 2012

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    P R O H I B I D A S U R E P R O D U C C I N T O T A L O P A R C I A L P g i n a | 2

    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    AUTORES DE LA COLECCIN

    Anita Araneda, Pontificia Universidad Catlica de Chile

    Eugenio Chanda, Universidad de Chile

    Pablo Dartnell, Universidad de Chile

    Luis Dissett, Pontificia Universidad Catlica de Chile

    Mara Jos Garca, Pontificia Universidad Catlica de Chile

    Macarena Larran, Universidad Del Desarrollo

    Renato Lewin, Pontificia Universidad Catlica de Chile

    Alejandro Lpez, Universidad Nacional Andrs Bello

    Rubn Lpez, Universidad Catlica de la Santsima Concepcin

    Salom Martnez, Universidad de Chile

    Andrs Ortz, Universidad Catlica de la Santsima Concepcin

    Cristin Reyes, Universidad de Chile

    Horacio Solar, Universidad Catlica de la Santsima Concepcin

    Mara Alejandra Sorto, Texas State University

    Mara Leonor Varas, Universidad de Chile

    Pierina Zanocco, Universidad Santo Toms

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    CONTENIDO

    CAPTULO 1: EXPRESIONES ALGEBRAICAS 1.1 Introduccin 1.2 Conceptos Fundamentales 1.3 Potencias 1.4 Monomios y Polinomios 1.5 Factorizacin 1.6 Orientaciones para el Trabajo en Aula

    CAPTULO 2: ECUACIONES e INECUACIONES

    2.1 La igualdad 2.2 Ecuaciones 2.3 Sistema de Ecuaciones 2.4 Desigualdades e Inecuaciones 2.5 Orientaciones para el Trabajo en Aula

    CAPTULO 3: PATRONES

    3.1 Patrones 3.2 Secuencias 3.3 Orientaciones para el Trabajo en Aula

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    Expresiones Algebraicas

    1.1 Introduccin

    El uso de smbolos nos permite expresar relaciones u operaciones entre cantidades o magnitudes,

    de tal manera que en una sola expresin o "frmula" podemos resumir muchos casos.

    Por ejemplo, para describir un nmero par cualquiera, podemos usar la expresin 2 n con n un nmero natural cualquiera. Esto es debido a que los nmeros pares son aquellos que son

    mltiplos de 2, es decir son iguales a 2 multiplicado por un nmero natural n , o sea 2 n . Mediante smbolos, o lenguaje algebraico tambin podemos describir la siguiente situacin: la

    suma de dos nmeros es 25, como 25a b . Notamos que a y b denotan los dos nmeros, los

    cuales no conocemos, y a b es su suma, la situacin descrita es entonces 25a b .

    En geometra aparecen numerosos ejemplos de expresiones que involucran smbolos. Por

    ejemplo, decimos que el rea de un rectngulo es su largo multiplicado por el ancho, lo cual se

    puede expresar convenientemente como rea l a , donde l es el largo del rectngulo y a es su

    ancho. Por ejemplo, el rea de un rectngulo de largo 5 cm y ancho 4 cm es 20 cm 2 . La frmula

    de rea nos permite obtener el rea de cualquier rectngulo, slo debemos conocer su largo y su

    ancho.

    El lenguaje algebraico tambin nos permite expresar propiedades de los nmeros. Por ejemplo, la

    propiedad conmutativa de la suma la podemos expresar como sigue:

    Para todos los nmeros a y b se cumple que a b b a .

    En este caso las letras a y b representan nmeros, la frase anterior dice que siempre se tendr

    que a b b a , es decir, no importa el orden en que se realice la suma.

    Un aspecto fundamental, que debemos siempre tener en cuenta al trabajar con expresiones que

    involucren smbolos, es que stos representan nmeros, as todas las operaciones se deben

    realizar de igual manera que se haran con nmeros y en particular se satisfacen las mismas

    propiedades. Por ejemplo, se tiene que (3 ) 3x z x x z como consecuencia de la

    propiedad distributiva.

    El uso de smbolos o letras, nos permite expresar propiedades y frmulas de manera compacta y

    sencilla facilitando su comprensin y estudio. Antiguamente, las frmulas y propiedades se

    expresaban en lenguaje natural, como puede verse por ejemplo en el libro "al-Kitab almukhtasar fi

    hisab al-jabr wal-mukabalaque fue traducido en el siglo XII al latn como "Algebra et Almucabal"

    de donde se acua el trmino moderno de lgebra.

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    El ttulo de este libro puede traducirse como "Libro de la reduccin y la cancelacin, del

    matemtico rabe Mohammed ibn Musa al-Khowarizmi (780-850 A.C.). En este libro se encuentra

    la siguiente frmula:

    ``la cosa y diez es multiplicado por la cosa menos diez, entonces esto es lo mismo que si se dijera la

    cosa multiplicado por la cosa, es un cuadrado positivo, y diez por la cosa es diez cosas positivas;

    menos diez por la cosa es diez cosas negativas, ahora restamos lo negativo de lo positivo, y slo

    queda un cuadrado. Menos diez multiplicado por diez es cien, que se debe sustraer del cuadrado.

    Por lo tanto resulta un cuadrado menos cien''.

    En notacin moderna este texto nos dice:

    2( 10)( 10) 10 10 1010 100.x x x x x x x

    Tal como lo muestra el ejemplo anterior el lenguaje natural puede ser muy confuso, por ejemplo

    considere el siguiente truco:

    Piensa en un nmero, smale 8, multiplcalo por 4, rstale 3, smale 7, divdelo por 4 y rstale 9.

    Seguro terminaste con el mismo nmero que pensaste!

    No es fcil entender por qu el truco funciona sin usar lenguaje algebraico, pero al usar una

    expresin que traduzca esta situacin es clara la explicacin. Describamos el procedimiento

    utilizado en el truco, usando lenguaje algebraico:

    denotamos x el nmero pensado

    8x es el nmero ms8

    al multiplicar este resultado por 4 obtenemos ( 8) 4x

    si a este resultado le restamos 3 resulta ( 8) 4 3x

    al sumar 7 obtenemos ( 8) 4 3 7x , es decir ( 8) 4 4x

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    si dividimos el nmero resultante por 4 el resultado es (( 8) 4 4) 4x que es igual a

    (( 8) 4) 4 4 4 ( 8) 1 9x x x

    si a este nmero le restamos 9 queda 9 9x x , es decir, luego de seguir los pasos

    del truco el resultado es el nmero pensado x .

    Es importante notar que el uso correcto de parntesis es clave para expresar la situacin descrita.

    En el lenguaje natural no se usan parntesis y esto puede llevar a ambigedades al escribir

    expresiones algebraicas. Por ejemplo, para representar algebraicamente el enunciado el triple de,

    un nmero cualquiera ms dos la expresin algebraica que lo representa es . Sin

    embargo, si no nos fijamos en la coma que separa las dos partes de la frase, podemos pensar

    que la expresin algebraica es , es decir, el triple de un nmero cualquiera ms dos. Es

    evidente que podran darse ambigedades, sobre todo al escuchar este enunciado pues en el

    lenguaje oral las comas no siempre se aprecian con claridad. Por ello, para usar el parntesis de

    manera apropiada al traducir del lenguaje natural al lenguaje algebraico, se requiere de una

    lectura extremadamente cuidadosa.

    1.2 Conceptos Fundamentales Desde pequeos los nios se familiarizan con expresiones numricas como

    3 4

    2 3

    24 :8 .

    Estas expresiones matemticas sencillas nos acompaan toda la vida. Por ejemplo para sumar el

    precio de una compra que consiste de 3kg de papas a $659 cada uno y 1 litro de aceite a $1.459,

    escribimos

    3 659 1.459 .

    Ejemplos

    1. Se quiere cambiar el piso de una cocina para lo cual hay que calcular el rea de esta

    superficie, que tiene una forma de L, cuyas medidas se indican en el dibujo

    3,8m

    2,6m 2,4m

    1,4m

    1,2m 1m

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    La expresin que nos permitir realizar los clculos se obtendr dividiendo la figura en dos

    rectngulos, es decir, calculando

    1.4 2.6 2.4 1.2 .

    2. Daniel tena 4 veces la cantidad de bolitas que tiene Jos pero perdi 5. Si Jos tiene 12

    bolitas, Cuntas tiene ahora Daniel? La expresin que permitir responder la pregunta es

    4 12 5

    Ejercicio

    Escriba dos expresiones que le permitan calcular el rea sombreada, suponiendo que cada

    cuadradito es de 1cm por 1cm.

    El paso de estas expresiones numricas a expresiones algebraicas puede ser bastante natural. Por

    ejemplo se puede decir que en el ejemplo 2 anterior, no hemos contado an la cantidad de bolitas

    que tiene Jos y que sin embargo tenemos una expresin para calcular cuntas bolitas tiene

    Daniel, dependiendo de cuntas tenga Jos, lo que anotaremos como J mientras tanto:

    4 5J

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    Una expresin algebraica es una secuencia de nmeros y letras unidos mediante operaciones

    matemticas.

    Las letras en las expresiones algebraicas se denominan variables y representan un nmero

    cualquiera dentro de un conjunto determinado (o que se subentiende dependiendo del contexto).

    Por ejemplo x y es una expresin algebraica que representa la suma de las variables x e y , en

    esta expresin dichas variables pueden ser nmeros cualesquiera. Tambin 1x

    es una expresin

    algebraica que expresa 1 dividido por x, pero en este caso la variable x no puede tomar el valor 0

    Muchas veces las variables en las expresiones algebraicas producen confusin, por ejemplo,

    cmo podramos calcular el valor de x y si no conocemos el valor de x ni el de y ? Para

    comprender esta expresin, no debemos olvidar que ella representa un nmero, el cual solamente

    podemos determinar si es que conocemos el valor de x y el valor de y .

    Al trabajar con expresiones algebraicas usaremos algunas convenciones. Al escribir

    multiplicaciones y remplazaremos el signo por (x) utilizando en su lugar el punto () para no

    confundir expresiones como 2 3 con 2 3x . Ms an, para denotardos veces x o el doble de x se

    utilizar 2x o tambin 2x , sin embargo debemos usar el signo () cuando aparezcan

    multiplicaciones con nmeros. Observamos que el orden en que se multiplica x y 2 no importa

    debido a que la multiplicacin es conmutativa, es decir , es lo mismo que , pero por

    convencin en una multiplicacin denotaremos primero los nmeros y luego las letras as en este

    caso lo usual es usar 2x . Al igual que al trabajar con nmeros tambin omitiremos el signo por (

    ) ) cuando hay parntesis en las expresiones. As 2( )x y denota 2( ).x y Es importante

    sealar que lo anterior es una convencin de escritura, pero no es incorrecto no usarla.

    Ejercicios:

    1. Encuentre una expresin numrica que permita contar el nmero de puntos de la figura

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    2. Exprese los siguientes enunciados, utilizando expresiones algebraicas:

    a) La cuarta parte de un nmero.

    b) El doble del doble de un nmero.

    c) Un mltiplo de 11.

    d) La suma de tres nmeros naturales consecutivos.

    e) El triple de un nmero menos la quinta parte de l.

    f) El producto entre dos nmeros impares consecutivos.

    g) La suma de tres nmeros pares consecutivos.

    h) La diferencia de dos nmeros impares.

    i) El producto entre un nmero natural y el sucesor de l.

    3. Exprese en lenguaje natural las siguientes expresiones:

    a) 2 2a

    b) 3( 4)x

    c) 1

    22

    b

    d) 2a b

    e) ( 1)( 2)m m

    4. En cada uno de los siguientes enunciados, escriba al menos dos expresiones que pueden

    representarlo y fundamente acerca de si dichas expresiones son iguales o no En cada caso

    explicita la relacin entre la frase, el uso de parntesis y la expresin resultante.

    a) El doble de un nmero menos su quinta parte.

    b) Un nmero menos su mitad ms su doble

    Como mencionamos en la introduccin, muchas frmulas de geometra se representan mediante

    expresiones algebraicas.

    Ejemplos:

    1. Teorema de Pitgoras: En un tringulo rectngulo de catetos con longitud a y b y de

    hipotenusa con longitud c , se tiene que 2 2 2a b c .

    2. El rea de un tringulo rectngulo de base b y altura h est dada por 1

    2bh

    .

    3. El rea de un paralelogramo de base a y altura h est dada por ah .

    Las expresiones algebraicas tambin nos permiten expresar frmulas que provienen de otros

    contextos, por ejemplo: la edad de Isabel hace tres aos se puede expresar mediante la expresin

    3i , donde i representa la edad de Isabel. As, podemos hacer uso de las expresiones algebraicas

    para describir situaciones que aparecen en problemas de enunciado, por ejemplo:

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    Antonia tena inicialmente l lpices de los cuales son de cera y el resto son de palo. Ella pierde

    1/ 3 de sus lpices de cera, 1/ 4 de sus lpices de palo y le regalan una caja de 20 lpices de cera.

    Cuntos lpices tiene Antonia?

    Para encontrar el nmero de lpices que tiene Antonia, primero notamos que ella inicialmente

    tiene l c lpices de palo. Ella pierde 1

    3c lpices de cera y

    1( )

    4l c lpices de palo, por lo que le

    quedan 2

    3c lpices de cera y

    3( )

    4l c lpices de palo. Como le regalan 20 lpices de palo, ella

    tiene un nmero total de lpices dado por 2 3

    ( ) 203 4

    c l c .

    Ejercicios:

    1) Encuentre expresiones algebraicas para describir las siguientes situaciones:

    a) Edad de Juan en 5 aos ms.

    b) n filas de 6 sillas cada una.

    c) 54 personas repartidas equitativamente en n buses. d) La edad de Pedro ms 7 veces la de Agustn.

    2) Para cada una de las siguientes expresiones algebraicas escriba un problema con enunciado tal

    que su respuesta se exprese con dicha expresin:

    a) El 55% de a

    b) 4 2x

    c) 2 1a

    d) ( 5) 100i

    e) 0,125 3b

    f) ( 1) /a b

    Las expresiones algebraicas nos permiten tambin expresar regularidades o patrones, como se

    muestra en el siguiente problema:

    En la figura se muestran tringulos equilteros cuyos lados estn formados por crculos, partiendo

    por el primero cuyo lado tiene 2 crculos, el siguiente cuyo lado tiene 3 crculos y as sucesivamente

    tal como se muestra en la figura:

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    Cuntos crculos se necesitan para formar el tringulo nmero 10?cuntos para el nmero 154?

    y cuntos para el tringulo nmero n ?

    En este problema se nos solicita descubrir una regularidad o patrn. Se puede continuar la

    secuencia para responder a la primera pregunta, pero si queremos encontrar el nmero de

    crculos para la figura 154 es ms razonable describir esta regularidad usando una expresin

    algebraica que exprese el nmero de crculos que se necesitan para la figura n y despus

    reemplazar en dicha expresin el valor 154n . Para encontrar la expresin, observamos que en

    cada paso incrementamos en un crculo el lado del tringulo. En el tringulo 1 tenemos tres

    crculos que corresponden a los vrtices del tringulo, en el dos tenemos los tres crculos en los

    vrtices ms un crculo por lado, es decir tenemos 3 3 6 crculos. En el tringulo 3 tenemos los

    tres crculos en los vrtices y dos crculos en cada lado, como tenemos tres lados el nmero de

    crculos es 3 2 3 9 . Podemos anotar en una tabla los valores encontrados

    N de tringulo N de crculos por lado sin contar vrtices

    N de crculos en el tringulo

    1 0 3

    2 1 3+3=6

    3 2 3+3x2=9

    4 3 3+3x3=12

    Observamos que en la primera columna aparece la variable nmero de tringulo (primer

    tringulo, segundo tringulo, etc). En la segunda columna aparece el nmero de crculos que

    tiene cada uno de los lados sin contar los vrtices, por ejemplo, el primer tringulo slo tiene tres

    vrtices, as el nmero de crculos del lado del primer tringulo sin contar los vrtices es 0. Vemos

    que los valores que aparecen en la segunda columna se pueden determinar si se conocen los

    valores de la primera columna, es decir podemos determinar el nmero de crculos por lado sin

    contar vrtices en trminos de la variable nmero de tringulo. Tambin observamos que la

    tercera columna de la tabla se determina de las primeras dos, para calcular el nmero de crculos

    en el tringulo, basta multiplicar por tres el nmero de crculos por lados (sin contar los vrtices) y

    luego sumarle tres crculos (correspondientes a los vrtices).

    Al continuar la tabla nos damos cuenta que en el tringulo n tenemos 1n crculos en cada uno de los 3 lados (sin contar los crculos de los vrtices), por lo que el nmero de crculos en el

    tringulo n est dado por3 3( 1) 3n n . Esta frmula vale para cualquier n , por lo que

    podemos reemplazar 154n para determinar el nmero de crculos del tringulo 154, as

    obtenemos que tiene 3154 462 crculos.

    Es importante notar que una misma expresin algebraica puede aparecer en distintas frmulas. Su

    sentido depender del contexto. Por ejemplo la expresin 4a puede expresar el permetro de un

    cuadrado de lado a , puede ser el rea de un tringulo de base a y altura 8 , y tambin puede ser

    el valor de cuatro dulces de valor a pesos cada uno.

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    EN RESUMEN:

    El uso del lenguaje algebraico nos facilita describir situaciones sin las ambigedades del lenguaje natural

    Las expresiones algebraicas nos ayudan a: - expresar frmulas - modelar situaciones provenientes de distintos contextos - expresar regularidades

    Las letras o variables siempre representan nmeros.

    Ejercicios:

    1) Considere la secuencia de figuras formadas por palitos de fsforo, tal como se muestra en la

    figura.

    Si se contina la misma secuencia de ir agregando cuadrados, a la izquierda de la figura anterior,

    cuntos palitos de fsforos se usaran en la figura 10? cuntos para la figura n ?

    2) En el problema anterior, algunos alumnos y alumnas escribieron las siguientes respuestas para

    determinar la cantidad de palitos que tiene la figura . A saber:

    Respuesta 1:

    Respuesta 2: .

    Fundamente cmo llegaron a expresar dichos resultados. Qu estaban pensando, para llegar

    a dichas expresiones?

    3) Proponga dos secuencias de figuras cuyo trmino n est dado por ( 2) 1n y 2( 1)n

    respectivamente.

    Al trabajar con expresiones algebraicas, siempre debemos tener presente que las expresiones

    algebraicas representan nmeros y por lo tanto las propiedades de las operaciones de los nmeros

    que conocemos son vlidas cuando trabajamos con dichas expresiones. As, las operaciones entre

    expresiones algebraicas se rigen por las mismas propiedades que las operaciones entre nmeros,

    vale decir, verifican la conmutatividad, asociatividad, distributividad, etc.

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    Mediante estas propiedades podemos deducir frmulas a partir de otras conocidas. Es importante

    notar que puede haber muchas maneras de deducir una misma frmula. A modo de ejemplo,

    deduzcamos una frmula para el rea del trapecio de base mayor b , base menor y altura h

    como se muestra en la figura:

    Una primera manera de deducirla es usando la frmula del rea del paralelogramo, procediendo

    como se muestra en la figura.

    Otra forma de deducirla, es dividiendo el trapecio en tres figuras disjuntas: un rectngulo de lado 'b y altura h cuya rea est dada por

    'b h , un tringulo rectngulo de base a y altura h con rea

    1

    2ah , y otro de base c y altura h con rea

    1

    2ch . As el rea del trapecio A est dada por

    1 1

    2 2A b h ah ch , y por la propiedad distributiva obtenemos que

    1( 2 ) .

    2A a c b h

    Queremos que nuestra frmula quede slo en trminos de b , 'b y h , para esto observamos que

    a c b b , es decir a c b b . Utilizando esto obtenemos que 1

    ( 2 )2

    A b b b h , es

    decir 1

    ( )2

    A b b h .

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    Las propiedades de las operaciones y los nmeros se expresan en trminos de expresiones

    algebraicas y como dijimos anteriormente son vlidas al trabajar con expresiones. Dada la

    importancia de estas propiedades, las volveremos a enunciar:

    1.2.1 Propiedades de las Operaciones

    Sean , ,x y z nmeros reales, entonces se cumplen las siguientes propiedades de las operaciones:

    Conmutatividad de la adicin: x y y x

    Asociatividad de la adicin: ( ) ( )x y z x y z

    Elemento neutro de la adicin: 0x x

    Inverso aditivo de la adicin: Para cada nmero x existe un nmero que denotaremos

    x tal que ( ) 0x x

    Conmutatividad de la multiplicacin: xy yx

    Asociatividad de la multiplicacin: ( ) ( )x yz xy z

    Elemento neutro de la multiplicacin:1 x x

    Inverso multiplicativo: Para cada nmero x distinto de cero existe un nmero que

    denotamos por 1x

    1

    x tal que

    1 1xx

    Distributividad de la multiplicacin respecto a la suma: ( )x y z xy xz

    La propiedad asociativa de la adicin dice que no necesitamos usar parntesis para sumar tres

    nmeros, ya que podemos sumarlos en cualquier orden. As, sin lugar a confusin podemos

    escribir ( )x y z ( )x y z como x y z . De igual manera, la propiedad asociativa de la

    multiplicacin dice que no hay que usar parntesis para denotar xyz .

    A partir de las propiedades mencionadas arriba se pueden deducir otras, por ejemplo:

    Para todo nmero real 0 0x .

    Esta propiedad se conoce como la propiedad absorbente del 0, la podemos deducir a partir de las

    propiedades de las operaciones de los nmeros enunciadas anteriormente las cuales sabemos

    ciertas. Llamaremos teorema a una propiedad que se puede demostrar a partir de propiedades ya

    conocidas.

    Teorema:

    Para todo nmero real 0 0x .

    Demostracin:

    Sabemos que

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    multiplicando por un nmero real , a ambos lados de la igualdad

    utilizando la propiedad distributiva, se tiene y, finalmente sumando a ambos lados el inverso aditivo de , se tiene

    Asociando y aplicando propiedad del inverso aditivo se tiene

    Ejemplo:

    Verifiquemos que 15 (3 ) 45 15x y x xy . Primero, usando la propiedad distributiva tenemos

    que 15 (3 ) (15 )3 (15 )x y x x y , luego por la propiedad conmutativa de la multiplicacin

    tenemos que (15 )3 (15 ) 3(15 ) (15 )x x y x x y y por la propiedad asociativa de la

    multiplicacin tenemos que 3(15 ) (15 ) 45 15x x y x xy , as 15 (3 ) 45 15x y x xy .

    Ejercicios:

    Indique que propiedades se estn utilizando para obtener las siguientes igualdades:

    a) 4( 2 ) 4 8x y x y

    b) 4 12 3 4

    x z x x z

    c) (3 )(5 ) 15x y xy

    d) 0 0xy

    e) (15 ) 15xy xy

    f) 2 2(15 ) (15 )x z zy z x y

    1.2.2 La regla de los signos

    La propiedad distributiva es clave para entender la denominada ``regla de los signos", resumida en

    el dictum menos por menos da ms", la cual memorizamos desde nios y que muchas veces

    jams comprendimos cabalmente porque nos resulta contra intuitiva. A menudo esta regla se

    explica usando metforas o analogas que incluyen enemigos, amigos, enemigos de los enemigos,

    etc. Lo cierto es que este no es un problema trivial, los ms grandes matemticos de occidente

    tuvieron serios problemas con l durante 400 aos. No fue sino hasta comienzos del siglo XIX que

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    fue plenamente aceptada para los nmeros, si bien ya se usaba libremente para expresiones

    algebraicas. Existan hasta ese momento dos operatorias, una para los nmeros, sin la regla de los

    signos, y otra para las letras, en donde s vala la regla. Esta dificultad probablemente se debi al

    profundo arraigo entre los matemticos de la idea de nmero como magnitud geomtrica, de

    modo que poco sentido tena el considerar nmeros negativos, ya que no hay magnitudes

    geomtricas negativas. Los nmeros negativos aparecieron en la India, probablemente en el

    contexto del comercio, donde hay haberes y deudas. Como dijimos, su adopcin en occidente fue

    difcil. Lo cierto es que la regla de los signos es el resultado necesario de exigir que las operaciones

    con los nmeros negativos verifiquen las mismas reglas que las operaciones con nmeros

    positivos.

    La regla de los signos se expresa en el siguiente teorema, el cual demostraremos a partir de las

    propiedades de los nmeros.

    Teorema: Si a y b son nmeros reales, entonces ( )( )a b ab y ( ) ( )a b ab .

    Demostracin:

    En efecto, si a y b son dos nmeros reales se tiene que:

    ( )( ) ( ) ( )( ) ,

    ( )

    0

    0

    a b a b a b b

    a

    distributividad

    definicin de inverso aditivo,

    propiedad del 0.

    Por otra parte,

    ( ) ( ( ) )

    0

    0

    ab a b a a b

    b

    distributividad,

    definicindeinverso aditivo,

    propiedadde

    l 0,

    o sea, ( )( ) ( ) ( ) ,a b a b ab a b luego podemos cancelar ( )a b y obtenemos

    ( )( )a b ab .

    Dejamos como ejercicio al lector probar que ( ) ( )a b ab .

    Vemos que para demostrar la regla de los signos slo hemos usado propiedades generales de los

    nmeros, as la regla de los signos es cierta independiente de nuestras intuiciones.

    1.2.3 Evaluacin de Expresiones Algebraicas

    Definicin: Evaluar una expresin algebraica significa dar un valor numrico concreto a cada letra

    que en ella aparece y calcular el nmero resultante.

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Por ejemplo al evaluar la expresin 2

    2aa

    en 2a obtenemos 2

    2 2 32

    , observamos que

    debemos remplazar el valor 2 cada vez que aparece a en la expresin. Al evaluar expresiones que involucran ms de una variable los valores considerados pueden ser iguales o distintos, por

    ejemplo podemos evaluar la expresin 4xy x en 1x , 1y y obtenemos 4 1 5 , pero

    tambin la podemos evaluar en 5x , 3y lo que entrega

    45( 3) 5 60 5 55

    No siempre es posible evaluar una expresin algebraica en cualquier valor, por ejemplo la

    expresin algebraica

    3a xy

    x y

    no se puede evaluar cuando x y , ya que para poder evaluarla el denominador de la expresin

    debe ser un nmero distinto de 0. Por lo tanto los valores numricos asignados a x e y deben

    ser distintos.

    Al evaluar expresiones debemos calcular el resultado de una expresin numrica, por ejemplo

    para evaluar 23 5 3x x en 3x debemos calcular

    23 3 5 3 3

    y realizando las operaciones directamente obtenemos

    23 3 5 3 3 3 9 15 3 27 18 45.

    Sin embargo, es ms sencillo realizar el clculo usando las propiedades de las operaciones,

    procediendo de la siguiente manera

    2 23 3 5 3 3 3(3 5 1) 3(9 5 1) 3 15 45.

    Tambin es til realizar simplificaciones al evaluar expresiones que involucren fracciones. Por

    ejemplo si deseamos evaluar la expresin

    3 1

    3 (25 )1 3

    x xx x

    x x

    en 4x debemos calcular el resultado de la siguiente expresin

    3 4 4 1 7 53 4 (25 4) 3 4 29 .

    4 1 4 3 3 7

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Podemos calcular esta expresin fcilmente si simplificamos de la siguiente manera

    7 5 5 145 3413 4 29 4 7 29 28 .

    3 7 7 7 7

    Ejercicios:

    1. Escriba una situacin para cada una de las siguientes expresiones algebraicas. Luego calcule el

    valor de cada expresin para a = 36. Asegrese que su expresin tenga sentido para el valor

    a=36.

    a) a 6;

    b) 5 + a;

    c) a 4;

    d) 100 a;

    e) a 5;

    f) a 12;

    g) ;

    h) 2a 2;

    2. Evale la expresin

    3

    2 (25 5 )5

    xy x

    x

    en 2y y 12.x

    3. Explique cmo calcular, sin usar calculadora, la expresin numrica

    33 27 19 7

    3 .81 11 5 4

    4. Al evaluar la expresin 3

    55

    x

    x

    en 4x un alumno obtuvo 3 , cul es el posible error que

    el alumno cometi.

    1.2.4 Operaciones entre Expresiones Algebraicas

    Como dijimos previamente, las operaciones con expresiones algebraicas tienen las mismas

    propiedades que las operaciones con nmeros, ya que las variables siempre representan nmeros.

    Por ejemplo, para multiplicar (3 )( 2)x y usamos la propiedad distributiva y obtenemos

    (3 )( 2) 3( 2) ( 2) 3 6 2 .x y y x y y xy x

    Vemos que el procedimiento utilizado es anlogo al que se realiza con nmeros, de hecho para

    multiplicar (3 10)(20 2) podemos proceder de manera similar:

  • Versi

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    (3 10)(20 2) 3 (20 2) 10(20 2) 3 22 10 22 66 220 286.

    Notamos que para realizar el clculo anterior no usamos el algoritmo usual de la multiplicacin.

    Tambin podemos sumar expresiones algebraicas, por ejemplo

    (3 3 5) (4 2 2 ) 3 3 5 4 2 2

    3 2 3 4 5 2 5 7 3.

    x y y x x y y x

    x x y y x y

    Vemos que hemos utilizados diversas propiedades de las operaciones (cules?) en los distintos

    pasos realizados. Al igual que en el ejercicio anterior podemos ilustrar que el procedimiento

    utilizado para realizar la suma, es anlogo a lo que se realiza para sumar nmeros, por ejemplo:

    (3 100 3 10 5) (4 10 2 2 100) 300 30 5 40 2 200

    300 200 30 40 5 2 500 70 3 573.

    Cuando queremos operar con expresiones algebraicas que involucran fracciones procedemos de

    igual modo. Por ejemplo para calcular

    1 1

    xy x

    partimos encontrando un denominador comn, por ejemplo 2xy x x y as

    2

    1 1.

    x xy

    xy x x y

    Esta expresin puede ser simplificada notando que (1 )x xy x y o sea x es un factor del

    numerador, as:

    2

    1 1 (1 ) 1.

    x xy x y y

    xy x x y x x y xy

    Podramos haber obtenido la misma expresin observando que xy es un denominador comn y

    por lo tanto:

    1 1 1

    ,y

    xy x xy

    que es la misma expresin que obtuvimos anteriormente luego de simplificar. El procedimiento

    utilizado es similar al que usamos para sumar fracciones:

    1 1 1 7 8

    13 7 13 13 7 91

    .

  • Versi

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    Ejercicios:

    1) Realice las siguientes operaciones explicando las similitudes de los procedimientos

    utilizados:

    a) 2 5

    3 5 7

    y

    2

    7

    y

    x y

    .

    b) 1 3

    ( 5)( 3) 5x x x

    y

    1 3

    ( 3)y x y

    .

    c) 2( 3 1)( 5)x x x y (100 30 1)(10 5) .

    1.2.5 Igualdad de Expresiones Algebraicas

    Muchas expresiones algebraicas distintas pueden representar siempre los mismos nmeros, por

    ejemplo ( 4)( 4)x x y 2 16x siempre son iguales, ya que si x es un nmero cualquiera

    usando las propiedades de las operaciones (cules?) podemos probar que se tiene

    2 2( 4)( 4) ( 4) 4( 4) 4 4 16 16x x x x x x x x x

    lo que es una igualdad entre dos expresiones. Lo anterior, es particularmente importante pues

    uno de los objetivos del lgebra es precisamente determinar cuando dos expresiones son iguales y

    a veces bajo que condiciones se tiene igualdad.

    Definicin: Diremos que dos expresiones algebraicas son iguales si es posible transformar una en

    la otra usando las propiedades de los nmeros. A una igualdad entre dos expresiones algebraicas

    se le llamar una identidad.

    Observamos que si dos expresiones son iguales, entonces al evaluarlas en valores de sus variables

    deben entregar el mismo valor.

    Ejemplo:

    1) Veamos expresiones algebraicas que son iguales y los conjuntos en los que se cumple la

    igualdad.

    a) Las expresiones

    y1, son iguales siempre que 0x . Esta restriccin se imponepara que

    exista el inverso de x que es 1

    x .

    b) Las expresiones 2( )x y 2x son siempre iguales ya que

    2 2( ) ( ) ( ) ( 1 )( 1 ) ( 1)( 1) .x x x x x x x x

    qu propiedades usamos para probar esta igualdad?

  • Versi

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    2) Las expresiones2( )a b y

    2 2a b no son iguales. Por ejemplo si evaluamos ambas

    expresiones en 1a , 1b obtenemos 2(1 1) 4 en la primera expresin, y

    2 21 1 2 en

    la segunda. Por lo tanto no pueden ser iguales.

    Tal como mencionamos anteriormente, cuando dos expresiones son iguales al evaluarlas en

    cualquier valor de sus variables debemos obtener el mismo nmero. Por ejemplo, si evaluamos

    directamente ( 4)( 4)x x en 20x debemos calcular 24 16 , pero si usamos la igualdad de

    las expresiones 2( 4)( 4) 16x x x podemos calcular 24 16 fcilmente, ya que es igual a:

    220 16 20 20 16 400 16 384.

    Ejercicios:

    1) Pruebe la identidad ( ) ( ) (1 )ay x b y x a x y x y .

    2) Evalue la expresin 5 1 1

    2 63 3 9

    xx

    x x

    en 2x .

    1.2.6 Productos Notables

    Vamos a distinguir ciertas identidades de expresiones que sern muy tiles en distintos contextos,

    les denominaremos productos notables.

    a) Cuadrado del binomio: 2 2 2( ) 2a b a ab b

    b) Cubo del binomio: 3 3 2 2 3( ) 3 3a b a a b ab b

    c) Suma por la diferencia: 2 2( )( )a b a b a b

    Recordamos que si x es un nmero entonces denotamos 2x xx y 3x xxx .

    La palabra binomio que aparece en los nombre de estas identidades, se usa para denominar una

    algebraica que es suma de otras dos ms simples, en este caso las expresiones a y b . Ms

    adelante en el captulo definiremos ms precisamente que es un binomio.

    Demostremos que se cumple la identidad a). Para esto recordemos que

    2( ) ( )( )a b a b a b

    y usamos la propiedad distributiva para hacer esta multiplicacin obteniendo

    ( )( ) ( ) ( ) .a b a b a a b b a b aa ab ba bb

    Luego, usando que 2 2,aa a bb b por la conmutatividad del producto ab ba se tiene que 2 2 2 2 2( ) 2a b a ab ab b a ab b .

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Ejercicio:

    Demuestre las identidades b) y c) explicando en cada paso que propiedades de las operaciones de

    los nmeros se utiliza.

    A partir de estas igualdades es posible obtener otras. Por ejemplo, usando a) podemos obtener

    d) 2 2 2( ) 2a b a ab b

    Para probar las propiedades d) se puede usar una tcnica de demostracin que consiste en utilizar

    una propiedad ya conocida. Por ejemplo observamos que de la propiedad a) sabemos que

    2 2 2 2 2( ( )) 2 ( ) ( ) 2a b a a b b a ab b

    ya que 2 ( ) 2a b ab y 2 2( )b b . Como 2 2( ( )) ( )b ba a obtenemos la igualdad

    deseada.

    Esta tcnica de demostracin utilizada se conoce coloquialmente como el Principio de la Tetera

    y proviene del siguiente chiste:

    Se le plantea el siguiente problema a un matemtico y un fsico: ante usted hay una

    tetera vaca y una hornalla de gas apagada, qu hara para hervir el agua? El

    matemtico contesta: Hay que llenar la tetera con agua, prender el gas y poner la

    tetera sobre la hornalla. Y si ahora est la tetera est llena y la hornalla est

    encendida? Muy fcil, dice el fsico, solo hay que poner la tetera en la hornalla.

    De ninguna manera! exclam el matemtico. Hay que apagar la hornalla, vaciar

    la tetera y as llegamos al primer problema, que ya sabemos resolver.

    Ejemplo:

    Determinemos los siguientes productos

    a) 2 2( )( )( )x y x y x y

    b) 2 2(3 9 )(1 3 )x x

    c) 2( 4)x

    Solucin. Usaremos los productos notables.

    a) Primero usamos la propiedad conmutativa para obtener que: 2 2 2 2( )( )( ) ( )( )( )x y x y x y x y x y x y

    Ahora, por la frmula de la suma por la diferencia obtenemos 2 2( )( )x y x y x y . Usando

    esta frmula de nuevo obtenemos tambin que 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4( )( ) ( ) ( )x y x y x y x y

    As, obtenemos que 2 2 2 2 2 2 2 2( )( )( ) ( )( ) ( ) ( )( )x y x y x y x y x y x y x y x y

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    2 2 2 2 4 4( ) ( )x y x y

    b) Notemos que 2 2(3 9 ) 3(1 3 )x x . Por lo tanto usando la frmula del cuadrado del

    binomio obtenemos:

    2 2 2 2 2 2 2 2 2(3 9 )(1 3 ) 3(1 3 )(1 3 ) 3(1 3 ) 3 1 213 (3 )x x x x x x x 2 4 2 43(1 6 9 ) 3 18 27x x x x .

    c) Usamos la frmula del binomio al cuadrado. 2 2 2 2( 4) 2 4 4 8 16.x x x x x

    Ejercicio:

    Determine los siguientes productos

    )8)(42)(2( 3322 yxyxyxyx

    )3)(19(3 22 xx

    3(2 )x a

    Los productos notables nos pueden facilitar el clculo de operaciones aritmticas. Esto puede

    permitirnos realizar estas operaciones mentalmente sin el uso de papel y lpiz. Por ejemplo si

    calcular 3129 escribimos 31 30 1 y 29 30 1 as usando suma por diferencia obtenemos

    que

    23129 (30 1)(30 1) 30 1 900 1 899

    Tambin podemos calcular fcilmente 299 , para esto usamos la frmula del cuadrado de binomio

    observando primero que 99 100 1 . As

    2 2 299 (100 1) 100 2100 1 10.000 200 1 9.800 1 9.801

    Ejemplo:

    Calculemos 21.001 usando la factorizacin mediante los productos notables. Para tal efecto, escribimos a la expresin como una diferencia de cuadrados. Para eso restamos y sumamos 1 a la expresin aritmtica. Claramente, esta operacin no cambia su valor. Posteriormente usamos la factorizacin mediante la diferencia de cuadrados. Veamos estas operaciones en la siguiente cadena de igualdades:

    2 21.001 (1.001 1) 1 (1.001 1)(1.001 1) 1 1.000 1.002 1 1.002.000 1 1.002.001

    Ejercicio:

    Calcule mentalmente describiendo el procedimiento utilizado:

    a) 1213

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    b) 1921

    c) 2 265 63

    d) 219

    e) 29.999 .

    EN RESUMEN: Debido a que las variables en las expresiones algebraicas representan nmeros,

    al realizar operaciones con expresiones algebraicas son vlidas todas las propiedades de las operaciones aritmticas.

    Evaluar una expresin algebraica es remplazar la incgnita por un valor numrico determinado.

    Una identidad es una igualdad entre expresiones algebraicas. Es necesario especificar para que valores de las variables involucradas es vlida.

    1.2.7 Visualizacin de identidades

    Las operaciones con nmeros tienen dos visualizaciones clsicas, la primera es a travs de piedras

    o fichas, esta es especialmente adecuada para operar nmeros naturales. Recordemos que la

    palabra clculo proviene del latn calculus que significa piedra (ver libro de Nmeros). En la

    primera visualizacin, para sumar dos nmeros n y m , representados por montones o bolsitas con las respectivas cantidades de piedras, las juntamos en un solo montn o bolsa. Para visualizar

    la multiplicacin de n y m , hacemos un arreglo con n filas por m columnas de piedras. Por ejemplo, veamos en la siguiente figura la multiplicacin de 3 por 4, hacemos un arreglo de 3 filas

    por 4 columnas.

    Otra manera de visualizar la suma y la multiplicacin de dos nmeros positivos es usando

    segmentos geomtricos de magnitudes dadas. A diferencia de las piedras, sta es especialmente

    adecuada para operar nmeros racionales y reales positivos.

    La suma de dos segmentos de largos respectivamente a y b consiste simplemente de poner uno a continuacin del otro.

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Para multiplicarlos construimos un rectngulo de lados a y b .

    Insistiremos especialmente en esta ltima. La representacin geomtrica del producto de dos

    expresiones como el rea de un rectngulo nos permite verificar visualmente las propiedades de

    las operaciones. Por ejemplo el rea de los siguientes rectngulos

    representan a ab y ba . Las dos reas son iguales, ya que una figura se obtiene de la otra por

    medio de una isometra: una traslacin seguida de una rotacin (o viceversa). Esto ilustra que el

    producto sea conmutativo, es decir la identidad ab ba .

    Usando el siguiente diagrama podemos visualizar ahora la propiedad distributiva:

    ( ) .a b c ab ac

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Es importante hacer notar que el dibujo anterior y todos los que hagamos a continuacin, estn en

    el terreno de la intuicin y no constituyen una demostracin de las propiedades, stas no se

    demuestran: son supuestos bsicos que gobiernan las operaciones. Sin embargo estas

    visualizaciones sirven como inspiracin y ayudan a ver con nuestros propios ojos que estas

    propiedades son intuitivamente correctas: as esperamos que se comporten las operaciones con

    los nmeros. Es importante sealar que las propiedades de las operaciones no se demuestran

    utilizando reas, sino que la misma nocin de rea descansa sobre las propiedades de las

    operaciones, de tal manera que si se pretende usar reas de figuras como justificacin de dichas

    propiedades, se cae en un crculo vicioso.

    Ejercicio:

    Demuestre la frmula: ( )( )a b c d ac ad bc bd indicando las propiedades que utiliza

    para la demostracin. Usando el diagrama de abajo visualice la igualdad cuando a , b , c y d son positivos.

    A continuacin mostraremos cmo se pueden visualizar otras identidades algebraicas.

    Para visualizar la identidad 2 2 22x x x podemos usar el siguiente diagrama:

  • Versi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Este rectngulo tiene un rea igual a: 2(2 ) 2x x x . Si descomponemos este rectngulo en dos

    tringulos rectngulos iguales mediante la diagonal, cada uno de los rectngulos tiene un rea

    igual a: 2(2 ) 2x x x . Como el rea del rectngulo es igual a la suma de las reas de los dos

    tringulos rectngulos, concluimos que:

    2 2 22x x x .

    Veamos ahora la visualizacin de la identidad 2 2 23 4x x x . Para esto usamos la siguiente

    figura compuesta por tres cuadrados de lado x . Observamos que esta figura tiene un rea igual a

    la suma de las reas de tres cuadrados de lado x , es decir, es igual a: 23x .

    Esta figura puede obtenerse cortando del cuadrado de lado 2x un cuadrado en la esquina de lado

    x . De esta manera el rea de la figura es igual al rea del cuadradode lado 2x menos el rea del

    cuadrado de lado x , es decir, es igual a : 2 2 2 2(2 ) 4x x x x . Por lo tanto, concluimos que:

    2 2 23 4x x x .

    Ejercicio:

    Dada la siguiente figura compuesta por un cuadrado de lado x y un rectngulo de lados 3 y x .

    1) De las siguientes expresiones, determine la expresin que representa el rea de la figura

    compuesta. En cada tem conjeture cmo se encontr el rea y por qu se cometi error en

    caso que la expresin sea incorrecta.

    a) 2 3x

    b) 2( 3)x

    c) ( 3)x x

    d) 2 3x x

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    2) Determine la expresin que representa el permetro de la figura compuesta. En cada tem

    conjeture cmo se encontr el rea y por qu se cometi error en caso que la expresin sea

    incorrecta.

    a) 3(x+3)

    b) 5x+6

    c) 4x+6

    d) 2x+2(x+3)

    Algunos productos notables tambin pueden ser visualizados de manera pictrica lo que es una

    manera instructiva y fcil de recordar.

    Cuadrado del binomio:

    La frmula del cuadrado del binomio: 2 2 2( ) 2a b a ab b puede ser ilustrada para nmeros

    positivos. El siguiente dibujo ilustra la frmula. El rea del cuadrado ms grande es 2a y se

    descompone en el rea de cuatro cuadrados pequeos de reas 2a , ab , ab y 2b . Es decir

    2 2 2( ) 2a b a ab b

    Suma por diferencia:

    La frmula de la suma por diferencia 2 2 ( )( )a b a b a b puede ser ilustrada para nmeros

    positivos. El siguiente dibujo permite visualizar esta identidad, se deja al lector que explique como

    usar este dibujo para ilustrarla.

    En particular, siguiente dibujo ilustra la igualdad 2 25 2 (5 2)(5 3) :

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    Ejercicios:

    1. Demuestre la siguiente frmula (cubo del binomio) y utilizando los siguientes dos dibujos

    explique como se puede visualizar.

    3 3 2 2 3( ) 3 3a b a a b ab b .

    2. Demuestre la frmula 3 3 2 2( )( )a b a b a ab b . Usando los siguientes dibujos

    explique por qu es vlida

    EN RESUMEN

    Aunque la visualizacin de identidades mediante un diagrama o dibujo no constituye una demostracin, si nos ayuda a comprender por qu stas son vlidas.

    Ejercicios de la Seccin:

    1. Deducir una frmula para el rea de un trapecio cualquiera, cuyos lados paralelos son a y

    b y su altura es h . Explique por qu su frmula es vlida para todas las situaciones

    posibles.

    2. Encuentre una frmula para el rea de un tringulo equiltero de lado a . Indicacin: Recuerde el teorema de Pitgoras.

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    x

    x

    3. Juan tiene una coleccin de autitos y C cajas, cada una de las cuales puede guardar 3

    autitos. Juan ocupa todas sus cajas para guardar sus autitos, pero le quedan 5 sin guardar.

    Escriba una frmula, en trminos del nmero de cajas, para el nmero de autitos que

    tiene Juan.

    4. Mara tiene un 24% ms lpices que Toms, escribe una frmula para describir esto.

    5. Escribe un problema de enunciado para cada una de las siguientes expresiones

    algebraicas:

    a) 4 0,5c b

    b) 3

    ( 35)4

    b b

    c) 24 1 5b .

    6. Proponga un truco matemtico basado en la expresin algebraica (10(x-1)+2)/2+6.

    7. Invente un truco en el que el resultado sea el doble del nmero pensado.

    8. Escribir dos expresiones para el nmero total de cuadrados en la siguiente figura:

    9. Escribir dos expresiones para el nmero total de cuadrados en la siguiente figura:

    10. Utilice lenguaje algebraico para expresar la informacin que se pide de cada figura.

    a) Figura 1:

    - El permetro de la figura

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    - El rea de la figura

    - El volumen del cubo que se puede formar con esta red

    Figura 2:

    - El rea de la parte blanca de esta figura

    - El rea de uno de los tringulos grises de la figura

    - La mitad del permetro del cuadrado

    b)

    - El rea de cada figura sombreada.

    11. Considere dos secuencias numricas, en la primera el trmino n est dado por la

    expresin 2 3n , y en la segunda el trmino n est dado por 3 2n .

    a) En una tabla escriba los primeros 10 trminos de cada una de las secuencias.

    b) Se sabe que el nmero 783 es un trmino de una de las dos secuencias. Determina de

    cul de las dos.

    c) El nmero 352 es un trmino de la segunda secuencia, calcula el trmino siguiente a

    352.

    12. El propsito de este ejercicio es encontrar una frmula para la suma de los n primeros

    nmeros naturales. Se dice que Gauss, un matemtico, resolvi este problema cuando era

    muy joven usando el siguiente procedimiento que ilustramos para 10n

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

    10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

    11 11 11 11 11 11 11 11 11 11

    10 11

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    es decir, si desplegamos dos veces la suma de los nmeros del 1 al 10 y sumamos los

    nmeros de a dos tal como se muestra arriba, entonces obtenemos que la suma total es

    10 11 . Ahora como duplicamos los nmeros debemos dividir el resultado obtenido entre

    2 y as la suma buscada es 10 11 2 5 11 55 .

    a. Determine la suma de los nmeros del 1 al 12, del 1 al 13 y del 1 al 20.

    b. Proponga una expresin para la suma de los nmeros del 1 al n .

    13. Los nmeros triangulares 1, 3, 6, 10, 15 se construyen de la siguiente forma:

    a) Haga una tabla que muestre los 10 primeros nmeros triangulares.

    b) Encuentre una frmula para el nmero triangular n . Para esto le ser til el ejercicio

    anterior.

    14. La secuencia 7,9,11,13, tiene su trmino n dado por 2 5n .

    a) Evale los primeros 10 trminos de esta secuencia.

    b) Cul es la expresin para el trmino 1n ?

    c) Si uno calcula el segundo trmino menos el primero, se obtiene 9-7=2. Calcule la resta

    entre el trmino 3 y el 2; el trmino 4 y el 3; el trmino 5 y el 4.

    d) Determine una expresin para la diferencia entre el trmino 1n y el trmino n de la

    secuencia.

    15. Explique porqu el siguiente procedimiento usado para calcular 30 48

    42

    es incorrecto

    30 48 40

    .42 7

    16. Explique cmo podra calcular 25674567893 con lpiz, papel y una calculadora que solo

    muestra 11 dgitos.

    17. Calcule mentalmente:

    a) 21.002 2004

    b) 3 211 11 c) 2999

    18. Demuestre la identidad 3 ( 1)( 1)a a a a a

    Proponga un diagrama para ilustrar esta identidad. Le puede ser til usar el siguiente

    dibujo que permite visualizar la igualdad 34 4 345.

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    19. Qu identidades se pueden deducir de los siguientes diagramas?

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    1.3 Potencias

    En el apartado anterior recordamos algunas potencias, como por ejemplo el cuadrado de un

    nmero 2x xx y el cubo de un nmero 3x xxx . Tal como ilustran estos ejemplos, las potencias

    son muy tiles como notacin abreviada de multiplicaciones repetidas.

    El uso de potencias aparece de manera natural en la notacin posicional. Por ejemplo, el nmero 3 2 1503 5 10 0 10 3 10 , donde hemos usado la convencin (que discutiremos ms

    adelante) 110 10 . Mostraremos tambin cmo se usan las potencias en la llamada notacin

    cientfica que permite escribir de manera cmoda nmeros muy grandes o muy chicos. Tambin

    aparecen las potencias en la descomposicin de un nmero en factores primos, en donde cada

    nmero se escribe como una multiplicacin de factores que son potencias de nmeros primos.

    Dicha descomposicin permite calcular el mximo comn divisor y mnimo comn mltiplo entre

    dos nmeros.

    Las potencias son expresiones que pueden ser parte de expresiones ms complejas. En esta

    seccin estudiaremos sus propiedades de manera general, en particular abordaremos las

    potencias de exponente negativo, y estudiaremos la notacin cientfica.

    Comencemos diciendo entonces que si a es un nmero cualquiera multiplicado tres veces por s

    mismo, escribiremos 3a , es decir,

    3 .a a a a

    Esto lo podemos generalizar a cualquier nmero de factores, de tal manera que si multiplicamos

    a por s mismo n veces escribiremos

    ...... .n

    n

    a a a a

    Por ejemplo, 52 2 2 2 2 2 32.

    La potencia na se lee a a la n o tambin a elevado a la n -sima potencia o algo intermedio

    como a elevado a n . En particular, 2a y 3a se leen a al cuadrado y a al cubo

    respectivamente, 4a se lee a a la cuarta y 5a se lee a a la quinta.

    Para pensar

    Por qu crees que decir que 4a es multiplicar a por s mismo 4 veces puede ser confuso? De

    qu manera podra ser interpretado esto? De qu otra manera puedes explicar qu es 4a ?

    Las distintas partes de una potencia tambin reciben nombres.

    exponentbase

    n ea

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Es decir, si escribimos 35 , diremos que la base es 5 y que el exponente es 3.

    Para pensar

    Por qu 2a se lee a al cuadrado y 3a se lee a al cubo?

    Las potencias no siempre se indicaron como lo hacemos actualmente. El primer intento

    sistemtico de anotar potencias corresponde a Rafael Bombelli en 1572, quin para indicar que la

    incgnita estaba elevada al cuadrado dibujaba una semicircunferencia con la potencia

    correspondiente sobre el coeficiente. Por ejemplo, lo que actualmente escribimos como 5x2,

    Bombelli lo representaba como

    Por razones de espacio en la edicin impresa de sus manuscritos, escriba

    Esta notacin fue modificada levemente por Stevinus en 1586, sustituyendo la semicircunferencia

    por una circunferencia completa. En 1592 Vieta escribe A, A cuad, A cub para representar A, A2, A3,

    y para las mismas potencias Harriot en 1631 escribe A, AA, AAA. En 1634 P. Herigonous escribe A,

    A2, A3 para representar lo que actualmente denotamos como A, A2, A3. La notacin actual es

    introducida por Descartes en 1637, aunque solo para potencias naturales. En 1659 Wallis utiliza

    ndices negativos y fraccionarios tales como A-1, A1/2. Finalmente, es Newton quien en 1676 utiliza

    la notacin An con n un nmero sin restricciones.

    Lo anterior es un ejemplo de cmo la escritura usada en matemtica evoluciona hasta encontrar

    una forma clara e intuitiva. Desde Descartes, la notacin de potencias se ha mantenido intacta. Si

    esto no es argumento suficiente, y el lector an duda de las bondades de la notacin actual, un

    buen ejercicio es tratar de escribir alguna de las propiedades de potencias que se presentan en

    secciones posteriores usando alguna de las notaciones antiguas.

    Ejemplos

    1) Escribamos los productos en forma de potencias:

    a) 72222222 2

    b) 4(0,3)(0,3)(0,3)(0,3) (0,3)

    c) 6( 4)( 4)( 4)( 4)( 4)( 4) ( 4)

    d)

    52 2 2 2 2 2

    3 3 3 3 3 3

    .

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    2) Escribamos las potencias en forma de productos:

    a) 52 22222 32

    b) 3( 0,5) ( 0,5)( 0,5)( 0,5) 0,125

    c)

    31 1 1 1 4 4 4 444 64

    1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 333 27

    d) 64 444444 4.096

    e) 4( 2) ( 2)( 2)( 2)( 2) 16

    f)

    37 7 7 7 777 343

    4 4 4 4 444 64

    .

    Observamos en los dos ltimos tems del ejemplo anterior que al calcular potencias donde la base

    es negativa, el signo del resultado depender del exponente. Para analizar cmo afecta el

    exponente al signo del resultado consideremos el ejemplo ilustrativo que sigue. Calculemos ( 1)n

    para diversos valores de n . Por ejemplo, si 3n entonces

    Si 4n entonces

    Probaremos que en general ( 11)n si n es par y ( 11)n si n es impar. Para demostrar

    esto observamos que si n es par, podemos escribirlo como el doble de un nmero natural ,k es

    decir, 2n k y en este caso, siguiendo el procedimiento anterior observamos

    Si n es impar, es decir, si 2 1n k tenemos que

    Para obtener estos resultados hemos usado repetidamente la regla de los signos: el producto de

    dos nmeros del mismo signo es positivo y el producto de dos nmeros de signos contrarios es

    negativo. Si cambiamos el ejemplo tendremos que calcular los productos que evitamos en el

    ejemplo anterior al usar 1. Pero el signo del resultado tambin depender de si el exponente es

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    par o impar. Por ejemplo, agrupando de dos en dos los factores para usar la regla de los signos

    tendremos que

    y en cambio

    Del mismo modo podemos resolver los ejercicios que siguen.

    Ejercicios :

    1. Justifique los clculos que siguen, en particular el signo del resultado:

    a) 2( 0,3) ( 0,3) ( 0,3) 0,09

    b) 3 3( 5) ( 5 ) ( 125) 125

    c) 5 5

    2 2

    ( 2) 2 322

    ( 4) 4 16

    2. Calcule

    a) 2 3( 3) ( 2)

    b) 3

    6

    ( 3)

    ( 2)

    Resumiendo podemos establecer la siguiente relacin entre la paridad del exponente, el signo de

    la base y el signo de la potencia.

    Teorema:

    Sea a un nmero real y n un nmero natural. Si n es par, entonces 0na

    Si n es impar, entonces el signo de na depende del signo de la base:

    Si 0a , entonces 0na .

    Si 0a , entonces 0na .

    Demostracin

    Si n es par, entonces 2n k y podemos agrupar de dos en dos todos los factores de na como

    sigue

    2 2 2

    2 ...... .n k

    a a a

    k veces

    a a a a a a a a

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Es claro que sin importar el signo de a , gracias a la regla de los signos, 2a a a ser siempre

    positivo y por lo tanto na ser el producto de k factores positivos. As na ser siempre positivo,

    excepto que 0a , caso en el que todos los factores son nulos y tambin lo ser na .

    Si n es impar, entonces 2 1n k , entonces al agrupar los factores de na de dos en dos quedar

    uno sobrante,

    2 2 2

    2 1 ...... .n k

    a a a

    k veces

    a a a a a a a a a

    Tal como argumentamos antes el factor que corresponde a k veces 2a multiplicado por s

    mismo ser siempre positivo independientemente del signo de a , por lo que el signo de esta

    expresin depender del signo del ltimo factor, es decir, del signo de la a que queda sobrante.

    Observacin. Es importante tener mucho cuidado con el uso de parntesis. Por ejemplo 42 y4( 2) son distintos. En efecto,

    4 42 (2 ) (2222) 16

    4( 2) ( 2)( 2)( 2)( 2) 16

    pero puede ocurrir que se confundan exclusivamente por una desprolijidad en la escritura,

    suponiendo que hay parntesis donde no los hay. Otras posibles confusiones se originan en

    recuerdos poco precisos de propiedades que se aplican descuidadamente, como por ejemplo:

    42 16 porque una base negativa elevada a un exponente par es positiva, suponiendo un

    parntesis inexistente que permitira considerar a ( 2) como base, o

    4

    2 16 porque menos por menos da ms y 42 16 , lo que tambin se relaciona con un

    descuido en la comprensin del rol que juega el parntesis en este caso.

    1.3.1 Propiedades de las potencias

    Observemos que al multiplicar 35 por 65 obtenemos

    3 6 95 5 (555)(555555) 5 ,

    ya que hay 9 factores iguales a 5, es decir, 5 aparece 9 veces. Estas 9 veces resultan de sumar las 3

    veces que aparece el factor 5 en 35 ms las 6 veces que aparece el factor 5 en 65 . Usando la

    notacin introducida diremos que el exponente 9 result de la suma de los exponentes de las dos

    potencias de base 5 que multiplicamos. Esto lo podemos generalizar en un teorema que se

    refiere a varias operaciones con potencias.

  • Versi

    n Pr

    elimi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    Teorema (Propiedades de las operaciones con potencias de igual base)

    Dados un nmero a distinto de cero y dos nmeros naturales n y m se tiene que:

    a) ,n m n ma a a

    b) ( ,)n m n ma a

    c) n

    n m

    m

    aa

    a

    si .n m

    Demostracin:

    a) ( )( ) ( ).n m

    n m n m

    a a a a a a a a a a a

    Vemos que se trata de un producto de a multiplicada por s misma n m veces, luego

    .n m n ma a a

    b) ( ) ( )( ) ( )n m

    n n n

    m

    a a a a a a a a a a

    En este caso se trata de un producto de a multiplicada por s misma n m veces, luego( ) .n m n ma a

    c) ( ) (

    n n m

    m

    n

    m

    a a a a a a a a a a

    a a a a

    a a )

    m

    a a a

    m

    .

    En este caso, como n m hay ms factores a en el numerador que en el denominador, de

    modo que si cancelamos uno a uno estos factores, sobrarn n m en el numerador y luego,

    .n

    n m

    m

    aa

    a

    Tal como vimos antes al trabajar con expresiones algebraicas o numricas, es deseable obtener

    expresiones iguales pero que sean lo ms simple posible. Para eso, surge la necesidad de

    simplificar las expresiones algebraicas. Como modelo de esta simplificacin usamos lo que sucede

    con las expresiones aritmticas. Por ejemplo, veamos la fraccin 24

    60. Buscamos una fraccin ms

    simple que sea igual a esta fraccin. Para eso descomponemos el numerador y denominador en

    sus factores primos, es decir, 324 2 2 2 3 2 3 y 260 2 2 3 5 2 3 5 usando la notacin

    de potencias que veremos ms adelante. Remplazando estas descomposiciones y simplificando

    obtenemos:

  • Versi

    n Pr

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    24 2

    60

    2 2 3

    2 2 3

    2.

    55

    Por lo tanto 24

    60 y

    2

    5 son dos nmeros iguales.

    De manera anloga si tomamos x en lugar de 2 , y en lugar de 3 y z en lugar de 5 . Usando

    nuevamente la notacin de potencias, podemos escribir

    3

    2

    xx y

    x yz

    x x y

    x x y.

    x

    zz

    Por lo tanto, las expresiones 3

    2

    x y

    x yz y

    x

    z son iguales siempre que 0x , 0y y tambin 0z .

    Observemos que si bien 1a no tiene sentido como multiplicacin reiterada, estas propiedades

    obligan a establecer que 1a a pues sta es la nica opcin razonable a la luz de este teorema.

    En efecto, segn la propiedad a) 1 1 1 1 2a a a a y por definicin tenemos que 2a a a , as,

    no hay otra posibilidad para 1a , ms que ser 1a a .

    Definicin. Para cualquier nmero a , se define 1a a .

    Tampoco 0a tiene sentido como multiplicacin reiterada y necesitamos una definicin para ella. La

    misma propiedad podra servir para definir 0a de la nica manera razonable posible. Si queremos

    que la propiedad a) del teorema anterior tambin se aplique al caso del exponente nulo entonces 0 0n n na a a a , y dividiendo por na ambos lados de la igualdad obtenemos que 0 1a . El

    razonamiento anterior condiciona nuestra conclusin a que 0na lo cual se cumple solo cuando

    0a .

    Definicin. Para cualquier nmero 0,a 0 1.a

    Otra forma de justificar esta definicin, tambin podemos extendemos la regla de la divisin de

    potencias al caso n m ,

    (

    =

    nn n

    n

    n

    n

    a a a a aa

    a a a a

    a a )

    (

    n

    a a a1,

    )

    n

    por lo tanto 0 1n na a . Tambin en este razonamiento hay que excluir el caso 0a .

  • Versi

    n Pr

    elimi

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    PARA PENSAR

    Qu pasara si en el razonamiento anterior no se considera que 0a ?Existe un nico valor

    posible para 00 de tal manera que la propiedad a) se cumpla?

    Estableceremos otras propiedades relacionadas con la multiplicacin de potencias de distinta base

    pero con el mismo exponente. Estas propiedades se deducen de la definicin de potencia y de

    propiedades de la multiplicacin tales como la conmutatividad y la asociatividad, como veremos

    en la demostracin.

    Teorema (Propiedades del producto y la divisin de potencias de distinta base y mismo

    exponente)

    Dados dos nmeros a y b donde b es distinto de cero, y un entero positivo n se tiene:

    a) ( ) ,n n na b ab

    b) ( ) .n

    n

    n

    a a

    b b

    Demostracin:

    a) Observemos que por definicin )( .( )n

    n n

    n

    a b a a a b b b

    Reordenando, usando la asociatividad y la conmutatividad de la multiplicacin se obtiene

    ( ) .n n n

    n

    a b ab ab ab ab

    b) Por definicin de potencia tenemos en este caso que

    ,

    n

    n

    n

    n

    a a a a

    b b b b

    y usando ahora propiedades de las fracciones tenemos que ( )( ) ( ) .

    nn

    n

    n

    a a a a a

    b b b b b

    Ejercicios:

    1) Para 3a , 4b y 2n , evaluar ( )n n na b a b .

  • Versi

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    2) Para 2a , 4b y 3n , evaluar

    nn

    n

    a a

    b b

    .

    3) Verificar que se satisfacen todas las propiedades establecidas por ambos teoremas.

    ( )n n na b a b , cuando 0a , 0b y 0n ,

    nn

    n

    a a

    b b

    , cuando 0a , 0b y 0n ,

    ( ,)n m n ma a cuando 0a , 0n y m es cualquier nmero natural,

    n

    n m

    m

    aa

    a

    , cuando 0a , 0m y n es cualquier nmero natural.

    4) Muchos errores comunes se originan en el mal uso de las propiedades de las potencias,

    como se muestra en los siguientes desarrollos:

    3 3n nb b ,

    2 214

    8 2 ,

    13 13 13 13 13 13 393 3 3 3 3 .

    Para cada uno de estos errores encuentre una explicacin acerca de cul es la posible

    confusin subyacente de quin los cometi y cmo podra un profesor organizar su enseanza

    para evitar que sus alumnos los cometan.

    EN RESUMEN

    Las potencias nos ayudan a expresar de manera sinttica productos iterados de un nmero.

    Las propiedades de las potencias de exponente natural son consecuencia de las propiedades de la multiplicacin.

    Se definen las potencias de exponente 0 y 1 a partir de las propiedades de las potencias, para que haya consistencia.

  • Versi

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    1.3.2 Potencias con exponente negativo

    Tal como hicimos para definir potencias con exponente 1 o con exponente 0 , donde la idea de

    multiplicacin reiterada no tena sentido, usaremos las propiedades para definir potencias de

    exponente negativo. Es decir, queremos que las reglas de los exponentes valgan para todos los

    nmeros enteros, positivos, negativos y cero. Entonces si usramos la regla del producto de

    potencias de igual base, para 0,a en el caso del exponente 1 tendramos que,

    1 1 1 1 1 0 . 1a a a a a a

    Si consideramos que 1a es nuestra incgnita y la llamamos x , es decir, 1x a , entonces la

    ecuacin anterior dir

    1x a .

    De aqu resulta claro que si 0a entonces1

    xa

    , es decir, 1 1 .a

    a

    Observemos que para que esto funcione, a debe ser distinto de cero, ya que 0 no tiene inverso

    multiplicativo.

    Para obtener una definicin razonable de 2a proponemos usar la propiedad de la multiplicacin

    de potencias de igual base que queremos extender a los exponentes negativos, es decir, queremos

    que

    2 1 1 1 1a a a a ,

    y como ya hemos obtenido que 1 1a

    a

    , siempre que 0a , tendremos que

    2

    2

    1 1 1a

    a a a

    .

    Otra alternativa habra sido razonar como lo hicimos para obtener 1a , es decir, considerar que 2a es nuestra incgnita x , es decir, usar 2x a en la ecuacin

    2 2 2 2 0 1a a a a

    de donde obtenemos

    2 1x a

    cuya solucin, en el caso de 0a , es 21

    xa

    , es decir,

  • Versi

    n Pr

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    2

    2

    1a

    a

    .

    Ejercicio:

    Deducir que3

    3

    1a

    a

    .

    Observacin:

    Notemos que si usamos la propiedad b) del teorema acerca de potencias de distinta base y mismo

    exponente, tendremos que

    222

    2 2

    1 1 1.a

    a a a

    Anlogamente, 3 31( )a

    a

    y, en general, 1

    ( ) .n naa

    Esto motiva la definicin general de potencia con exponente entero.

    Definicin. Si a es un nmero distinto de cero y n es un nmero entero, entonces:

    Si n es positivo

    0

    1

    1 1 1( )( ) ( )

    n

    n

    n

    n

    a a a a

    a

    aa a a

    Debe observarse que si 0,n la definicin tambin vale para a 0, es decir, 0 0n , para

    cualquier n positivo. Por la forma en que llegamos a la definicin de potencia con exponente

    entero, resulta natural esperar que en este caso tambin valgan las propiedades de las potencias

    con exponente natural y obtenemos una extensin de esos teoremas.

    Teorema

    Dados un nmero a distinto de cero y enteros n y m, entonces:

    a) ,n m n ma a a

    b) ( ,)n m n ma a

  • Versi

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    c) n

    n m

    m

    aa

    a

    .

    Demostracin:

    a) Si n y m son enteros positivos, entonces la propiedad est garantizada por el teorema

    anterior. Si m es un entero negativo, entonces 1m

    ma

    a y por lo tanto usando el

    teorema mencionado se tendr que ( )n

    n m n m n m

    m

    aa a a a

    a

    . Del mismo modo se

    puede demostrar el caso en que n es un entero negativo y m es un entero positivo. Si

    tanto n como m son enteros negativos usando el teorema y la definicin anteriores se

    tendr

    ( ) ( )

    1 1 1 1 1n m n m n mn m n m n m n m

    a a a a aa a a a a a

    .

    Si 0m entonces 1ma y 01n m n n n n ma a a a a a independientemente del

    signo de n o si es nulo.

    La demostracin de las partes b) y c) quedan como ejercicio para el lector.

    Observaciones:

    1)En la demostracin anterior reiteradamente se deben revisar casos dependiendo del signo del

    exponente, donde ste se representa por una letra. Se debe tomar en cuenta que en ma el

    exponente m puede ser positivo o negativo. Por ejemplo si 2m , se tiene que 2ma a .

    2) El uso del exponente negativo puede producir confusin. Es comn encontrar en trabajos

    escolares afirmaciones como: 42 16 . Es necesario considerar la posibilidad de este error

    cuando se planifique la enseanza de potencias con exponentes negativos.

    3) Una manera para ilustrar la definicin de potencias de exponente negativo o cero proviene de la

    siguiente regularidad:

  • Versi

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    elimi

    nar

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    27=33

    3entredividimos

    9=32

    3entredividimos

    3=31

    3entredividimos

    1=30

    3entredividimos

    3

    1=3 1

    3entredividimos

    2

    2

    3

    1=

    9

    1=3

    Esta regularidad no remplaza el razonamiento deductivo que hicimos antes, pero es interesante

    como complemento. Puede servir tambin en la tarea de enseanza y para enfrentar un error

    comn: olvidar que 3 es tambin igual a 13 .

    Tal como advertimos antes, el teorema que establece las propiedades de potencias con distinta

    base y exponente natural tiene tambin una versin ms general, para exponentes enteros.

    Teorema

    Dados dos nmeros a y b donde b es distinto de cero, y un entero n se tiene:

    a) ( ) ,n n na b ab

    b) ( ) .n

    n

    n

    a a

    b b

    La demostracin se deja como ejercicio para el lector. Recuerde considerar todos los casos

    posibles para el exponente n en cada una de las propiedades.

  • Versi

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    elimi

    nar

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    Ejemplos:

    Mostramos a continuacin varios ejercicios donde se aplican propiedades estudiadas

    anteriormente, algunas veces con el fin de calcular un resultado y otras veces con el propsito de

    mostrar expresiones ms simples o simplemente alternativas. En lo que sigue zyxba ,,,, son

    nmeros reales y a , b y x no son nulos:

    1) 3 4 1 3 4 1 2

    2

    1 12 2 2 = 2 = 2 = =

    2 4

    2) 4 2 2 4 2 2( 2) ( 3) ( 4) = 2 3 4 =16 9 16 = 2.304

    Notemos que todos los signos negativos se pierden debido a que los exponentes son todos

    pares. Esta no es la nica manera de obtener el resultado, tambin podemos escribir 24 como

    una potencia de base 2 usando el hecho que 24 2 . Es decir,

    4 2 2 4 2 2 4 2 2 2 4 2 4( 2) ( 3) ( 4) = 2 3 4 = 2 3 (2 ) 2 3 2 16 9 16 = 2.304

    3) 3 2 4 3 2 4 5

    5 4 1

    3 1 3 4= = = = =

    x x x x xx x x

    x x x x

    4) 03 15 5 52 = 2 = 2 = 32

    5) 2 3 4 2 3 4 24 24 24((( ) ) ) = ( ) = ( ) =xy xy xy x y

    6) 6 12 6 6 2 6 6 2 6= ( ) = ( )x y z x y z xy z

    7) 5 3 2 5 2 3 2 5 2 3 2 10 6( ) = ( ) ( ) = =x y x y x y x y

    8) 3 3

    3 31 1= = 5 5 = 1255 5

    9)

    85353

    ==

    b

    a

    b

    a

    b

    a

    a

    b

    b

    a.

    Es interesante notar aqu a pesar de que el exponente resultante es par, el signo menos no

    desapareci. Esto se debe a que el exponente 8 se obtuvo como la suma de los exponentes de la

    potencias de igual base : a

    b y que esta suma de exponentes no se pudo hacer antes, cuando las

    bases eran a

    b y

    b

    a.

    Ejercicios

    1. Calcule como en los ejemplos anteriores:

    a) 3 4 1( 2) ( 2) ( 2)

    b) 2 3 4((( ) ) )xy

  • Versi

    n Pr

    elimi

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    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o F O N D E F D 0 9 I - 1 0 2 3

    2. Calcule el signo de 1( 2) , 2( 2) , 3( 2) . Puede enunciar una regla acerca del signo del

    resultado y la paridad del exponente? Justifique su afirmacin.

    Las potencias pueden ser muy tiles para simplificar la notacin y el manejo de los nmeros como

    veremos en las dos aplicaciones relevantes que siguen.

    1.3.3 Notacin cientfica

    Si hacemos la siguiente multiplicacin con una calculadora

    123.456.789,123 987.654.321,456

    la respuesta que entregar es

    1,21932631290413 17e

    Lo que significa 171,21932631290413 10 escrito en notacin cientfica. Esta notacin permite

    escribir de manera compacta nmeros que de otro modo tendran expresiones bastante largas,

    como son los nmeros muy grandes o muy chicos.

    El matemtico y filsofo griego Arqumedes (287 a.C.-212 a.C.) fue el primero en intentar

    representar nmeros extremadamente grandes. l estim que el nmero de granos de arena en el

    universo era de 6310 (que es un nmero igual a uno seguido de 63 ceros).

    Otro nmero extremadamente grande es la distancia de la tierra al sol que aproximadamente es

    . .150 000 000.000 metros y un nmero extremadamente pequeo es el dimetro de un tomo

    que aproximadamente es 0,00000000010586 metros.

    En notacin cientfica un nmero real N se escribe en la forma:

    10nN a

    donde a es un nmero decimal que tiene exactamente un dgito distinto de cero a la izquierda de

    la coma decimal, llamado coeficiente, y n es un nmero entero llamado exponente u orden de

    magnitud.

    En los textos escolares, usualmente cuando se escribe un nmero en notacin cientfica se usa el

    signo en vez del signo , asse denota 10nN a .

    Podemos escribir los nmeros de los ejemplos anteriores en notacin cientfica como: 111,5 10 y

    101,0586 10 respectivamente. Los nmeros 1015 10 , 110,10586 10 , 532,84567 10 y

    30,25739 10 no estn escritos en notacin cientfica.

  • Versi

    n Pr

    elimi

    nar

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    Ejemplos:

    1) Veamos cmo escribir nmeros en notacin cientfica.

    a) 734 000 000 34000000,0 3,4 0. .. 1 Observe que la coma se desplaza siete unidades

    hacia la izquierda del nmero y colocamos un exponente positivo.

    b) 50,000068 6,8 10 . Observe que la coma se desplaza cinco unidades hacia la derecha

    del nmero y colocamos un exponente negativo.

    c) 8 2 8 10523,4 10 (5,234 10 ) 10 5,234 10 .

    d) 50 5 50 450,0000125 10 (1,25 10 ) 10 1,25 10 .

    2) En el vaco la luz recorre 1 metro en aproximadamente 0,000000003 segundos.

    Calculemos en cunto tiempo la luz recorre la distancia de la tierra al sol.

    Como vimos anteriormente la distancia de la tierra al sol es de aproximadamente 111,5 10 metros.

    Por lo tanto, el tiempo que tarda la luz en recorrer de la tierra al sol es 11 9(1,5 10 )(3 10 )

    segundos, es decir, 24,5 10 segundos. Sabemos que 1 minuto tiene 60 segundos y por lo tanto la

    luz tarda en recorrer de la tierra al sol aproximadamente2

    2 14,5 10 4,54,5 10 : 60 10 0,75 10 (7,5 10 ) 10 7,56 10 6

    minutos.

    La teora del Big Bang o teora de la gran explosin es un modelo cientfico que explica el origen

    del Universo y evolucin a partir de una singularidad espacio-temporal. En 1927 el astrnomo y

    sacerdote belga Georges Lematre (1884-1966) afirm en un artculo cientfico que el Universo se

    est expandiendo. En la actualidad muchos cientficos consideran que esta teora es vlida y que el

    Universo comenz a expandirse hace aproximadamente 13,7 millardos de aos por una explosin

    desde un punto infinitamente pequeo, llamado singularidad espacio-tiempo. Este evento se

    llama Big Bang. La edad del universo, del planeta tierra y de la existencia del hombre se

    muestran en la tabla que sigue.

    Objeto Edad en aos Universo 13,7 millardos= 13.700.000.000=1,37 1010 Planeta Tierra 4,6 millardos= 4.600.000.000=4,6 910 Hombre 100 mil = 1,0 510

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    elimi

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    P R O H I B I D A S U R E P R O D U C C I N T O T A L O P A R C I A L P g i n a | 51

    D o c u m e n t o e l a b o r a d o e n e l m a r c o d e l p r o y e c t o