1. Clculo diferencial e integralNOVENA EDICINPurcellVarbergRigdon

2. FORMAS HIPERBLICAS 78L81L84L87L90Lsenh u du = cosh u + C79coth u du = ln senh u + C821 u senh 2u + C 4 2senh2 u du =85coth2 u du = u - coth u + C88sech u tanh u du = -sech u + C91L L L L Lcosh u du = senh u + C80sech u du = tan-1 senh u + C831 u senh 2u + + C 4 2cosh2 u du =86sech2 u du = tanh u + C89L L L Ltanh u du = ln(cosh u) + C csch u du = ln 2 tanhu2 + C 2tanh2 u du = u - tanh u + C csch2 u du = -coth u + Ccsc u coth u du = -csch u + CFORMAS ALGEBRAICAS DIVERSAS 92.L94Lb u - 2 ln au + b + C a a u(au + b)n + 1u(au + b)n du =a(n + 1)-93(au + b)n + 2 a2(n + 1)(n + 2)Lu(au + b)-2 du =+ C1 a2cln^ au + b +b d + C au + bsi n Z - 1, -21 du u + (2n - 3) b si n Z 1 a 2a2(n - 1) (a2 u2)n - 1 (a2 u2)n - 1 L 2 (3au - 2b)(au + b)3/2 + C u 2au + b du = 15a2 L 2 aun(au + b)3/2 - nb un - 1 2au + b dub un 2au + b du = a(2n + 3) L L du952 2 n L (a u )96 97u du98L 2au + b=2=23adu100a101u(au + b)-1 du =L u 2au + b du L un 2au + b==(au - 2b) 1ln 22b 2au -2au2au 2au + bb(n - 1)un - 1+ b + C+ b + b + -2b 2 2bun du99 + CL 2au + bsi b 7 0 100b(2n - 3)a du (2n - 2)b L un - 1 au + b 2=2 un - 1 du a un 3au + b - nb b a(2n + 1) L 2au + b duL u 2au + b=22-btan-1Aau + b + C -bsi b 6 0si n Z 1du u - a a2 u - a 2 -1 u - a + C 103 + C = sen-1 22au - u + 2 sen 2 a a L u 22au - u2 L n-1 2 3/2 u (2au - u ) (2n + 1)a 104 un 22au - u2 du = + un - 1 22au - u2 du n + 2 n + 2 L L 2 (2n - 1)a un du un - 1 du un - 1 22au - u du = 2au - u2 + a sen-1 u - a + C 2 105 106 = 22au - u + 2 n n u a L L 2au - ug2 L 22au - u222au102107108 109 1102 22auLu- u2 du =- u2ndu L un 22au - u2 L(2au - u2)3/2du =(3 - 2n)aun=22aua(1 - 2n)un( 22au - u2)n du = duL ( 22au - u )2 n=- u222au- u2+n - 3 (2n - 3)a L+du n - 1 (2n - 1)a L un - 1 2au - u2 2un-1duu - a na2 (2au - u2)n/2 + ( 2au - u2)n - 2 du n + 1 n + 1L 2 u - a(n - 2)a2( 22au - u2)2 - n +n - 3du(n - 2)a2 L ( 22au - u2)n - 2q`qINTEGRALES DEFINIDAS1 p 2 e-au du = (a 7 0) 2Aa 0 L 1 3 5 (n - 1) p si n es un entero par y n 2 p/2 p/2 246 n 2 n 113 senn u du = cos u du = 2 4 6 (n - 1) 0 0 L L si n es un entero impar y n 3 357 n 1110 Lune - u du = (n + 1) = n!(n 0)112 3. 17001600Descartes NewtonLeibniz EulerJ. Kepler (1571-1630)R. Descartes (1596-1650)B. Pascal (1623-1662) I. Newton (1642-1727)G. Leibniz (1646-1716)LHpital (1661-1704)J. Bernoulli (1667-1748)L. Euler (1707-1783)M. Agnesi (1718-1799)Kepler Pascal LHpital BernoulliContribuidores del Clculo [El clculo es] el resultado de una dramtica lucha intelectual que ha durado los ltimos veinticinco siglos. Richard Courant16091637Leyes de Kepler del movimiento planetario16651696Newton descubre el clculo Geometra analtica de Descartes1728Euler introduce ePrimer texto de clculo (LHpital) 4. 18001900Otros contribuidores Pierre de Fermat (1601-1665) Michel Rolle (1652-1719) Brook Taylor (1685-1731) Colin Maclaurin (1698-1746)LagrangeThomas Simpson (1710-1761) Pierre-Simon de Laplace (1749-1827) George Green (1793-1841) George Gabriel Stokes (1819-1903)Gauss Cauchy RiemannLebesgue J. Lagrange (1736-1813) C. Gauss (1777-1855)A. Cauchy (1789-1857)K. Weierstrass (1815-1897)G. Riemann (1826-1866) J. Gibbs (1839-1903)S. Kovalevsky (1850-1891) H. Lebesgue (1875-1941)AgnesiWeierstrass Kovalevsky 1756Lagrange inicia su Mcanique analytique17991821Gauss demuestra el teorema fundamental del lgebra Nocin precisa de lmite (Cauchy)18541873Integral de RiemannGibbs 1902Integral de Lebesgue e es trascendental (Hermite) 5. FRMULAS DE GEOMETRA TringuloCilindro circular recto rea = rea =a1 bh 2 1 ab sen u 2rea lateral = 2prhrhu bParalelogramohEsferaVolumen = pr2hrea = 4pr2rea = bh hVolumen =r4 Pr3 3bTrapecioCono circular rectoarea = ha + b h 2rea lateral = prs shVolumen = rbCrculoTronco de un cono circular recto rCircunferencia = 2pr rrea = 2prrea lateral = ps(r + R)hsVolumen =1 P(r2 + rR + R2)h 3Volumen =1 (rea B)h 3RSector circularCono general Longitud de arco = rus u radrea = r1 2 ru 2Rectngulo polar Rr1 Pr2h 3u rad Rrh BCua rea =R + r (R - r)u 2`A uBrea A = (rea B) sec u 6. Clculo diferencial e integral NOVENA EDICINEdwin J. Purcell University of ArizonaDale Varberg Hamline UniversitySteven E. Rigdon Southern Illinois University EdwardsvilleTraduccin:Revisin Tcnica:Vctor Hugo Ibarra Mercado Escuela de actuara, Universidad Anhuac ESFM-IPNLinda Margarita Medina Herrera Natella Antonyan Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Ciudad de Mxico Jorge Arturo Rodrguez Chaparro Jefe del Departamento de Matemticas Colegio San Jorge de Inglaterra Bogot Colombia 7. Datos de catalogacin bibliogrfica PURCELL, EDWIN J., VARBERG, DALE; RIGDON, STEVEN E. Clculo diferencial e integral PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007 ISBN: 978-970-26-0989-6 rea: Bachillerato Formato: 21 27 cmPginas: 520Authorized adaptation from the English language edition, entitled Calculus, 9e by Dale Varberg, Edwin J. Purcell and Steven E. Rigdon published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2007. All rights reserved. ISBN 0131429248 Adaptacin autorizada de la edicin en idioma ingls, Calculus, 9e por Dale Varberg, Edwin J. Purcell y Steven E. Rigdon publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright 2007. Todos los derechos reservados. Esta edicin en espaol es la nica autorizada. Edicin en espaol Editor: Enrique Quintanar Duarte e-mail: enrique.quintanar@pearsoned.com Editora de desarrollo: Claudia C. Martnez Amign Supervisor de produccin: Rodrigo Romero Villalobos Edicin en ingls Acquisitions Editor: Adam Jaworski Editor-in-Chief: Sally Yagan Project Manager: Dawn Murrin Production Editor: Debbie Ryan Assistant Managing Editor: Bayani Mendoza de Leon Senior Managing Editor: Linda Mihatov Behrens Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Manufacturing Buyer: Lisa McDowell Manufacturing Manager: Alexis Heydt-Long Director of Marketing: Patrice Jones Executive Marketing Manager: Halee Dinsey Marketing Assistant: Joon Won Moon Development Editor: Frank Purcell Editor-in-Chief, Development: Carol TrueheartArt Director: Heather Scott Interior Designer: Judith Matz-Coniglio Cover Designer: Tamara Newnam Art Editor: Thomas Benfatti Creative Director: Juan R. Lpez Director of Creative Services: Paul Belfanti Manager, Cover Visual Research & Permissions: Karen Sanatar Director, Image Resource Center: Melinda Reo Manager, Rights and Permissions: Zina Arabia Manager, Visual Research: Beth Brenzel Image Permission: Vickie Menanteaux Cover Photo: Massimo Listri/Corbis; Interior view of Burj Al Arab Hotel, Dubai, United Arab EmiratesNOVENA EDICIN, 2007 D.R. 2007 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5to. piso Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico E-mail: editorial.universidades@pearsoned.com Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031 Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-0989-5 ISBN 13: 978-970-26-0989-6 Impreso en Mxico. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07 8. A Pat, Chris, Mary y Emily 9. Contenido Prefacio0xiPreliminares10.1 Nmeros reales, estimacin y lgica 1 0.2 Desigualdades y valor absoluto 8 0.3 El sistema de coordenadas rectangulares 0.4 Grficas de ecuaciones 24 0.5 Funciones y sus grficas 29 0.6 Operaciones con funciones 35 0.7 Funciones trigonomtricas 41 0.8 Repaso del captulo 51 Problemas de repaso e introduccin 541Lmites16551.1 Introduccin a lmites 55 1.2 Estudio riguroso (formal) de lmites 61 1.3 Teoremas de lmites 68 1.4 Lmites que involucran funciones trigonomtricas 1.5 Lmites al infinito; lmites infinitos 77 1.6 Continuidad de funciones 82 1.7 Repaso del captulo 90 Problemas de repaso e introduccin 922La derivada932.1 Dos problemas con el mismo tema 93 2.2 La derivada 100 2.3 Reglas para encontrar derivadas 107 2.4 Derivadas de funciones trigonomtricas 2.5 La regla de la cadena 118 2.6 Derivadas de orden superior 125 2.7 Derivacin implcita 130 2.8 Razones de cambio relacionadas 135 2.9 Diferenciales y aproximaciones 142 2.10 Repaso del captulo 147 Problemas de repaso e introduccin 150373Aplicaciones de la derivada1141513.1 Mximos y mnimos 151 3.2 Monotona y concavidad 155 3.3 Extremos locales y extremos en intervalos abiertos 3.4 Problemas prcticos 167 3.5 Graficacin de funciones mediante clculo 178 3.6 El teorema del valor medio para derivadas 185 3.7 Solucin numrica de ecuaciones 190 3.8 Antiderivadas 197 3.9 Introduccin a ecuaciones diferenciales 203 3.10 Repaso del captulo 209 Problemas de repaso e introduccin 214162vii 10. viii Contenido4La integral definida2154.1 4.2 4.3 4.4Introduccin al rea 215 La integral definida 224 El Primer Teorema Fundamental del Clculo 232 El Segundo Teorema Fundamental del Clculo y el mtodo de sustitucin 243 4.5 El teorema del valor medio para integrales y el uso de la simetra 253 4.6 Integracin numrica 260 4.7 Repaso del captulo 270 Problemas de repaso e introduccin 2745Aplicaciones de la integral2755.1 El rea de una regin plana 275 5.2 Volmenes de slidos: capas, discos, arandelas 281 5.3 Volmenes de slidos de revolucin: cascarones 288 5.4 Longitud de una curva plana 294 5.5 Trabajo y fuerza de un fluido 301 5.6 Momentos y centro de masa 308 5.7 Probabilidad y variables aleatorias 316 5.8 Repaso del captulo 322 Problemas de repaso e introduccin 3246Funciones trascendentales3256.1 La funcin logaritmo natural 325 6.2 Funciones inversas y sus derivadas 331 6.3 La funcin exponencial natural 337 6.4 Funciones exponencial y logartmica generales 342 6.5 Crecimiento y decaimiento exponenciales 347 6.6 Ecuaciones diferenciales lineales de primer orden 355 6.7 Aproximaciones para ecuaciones diferenciales 359 6.8 Funciones trigonomtricas inversas y sus derivadas 365 6.9 Funciones hiperblicas y sus inversas 374 6.10 Repaso del captulo 380 Problemas de repaso e introduccin 3827Tcnicas de integracin 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5383Reglas bsicas de integracin 383 Integracin por partes 387 Algunas integrales trigonomtricas 393 Sustituciones para racionalizar 399 Integracin de funciones racionales por medio de fracciones parciales 404 7.6 Estrategias de integracin 411 7.7 Repaso del captulo 419 Problemas de repaso e introduccin 422 11. Contenido8Formas indeterminadas e integrales impropias 423 8.1 Formas indeterminadas del tipo 0/0 423 8.2 Otras formas indeterminadas 428 8.3 Integrales impropias: lmites de integracin infinitos 8.4 Integrales impropias: integrandos infinitos 442 8.5 Repaso del captulo 446 Problemas de repaso e introduccin 448Apndice A.1 A.2A-1Induccin matemtica A-1 Demostracin de varios teoremasA-3Respuestas a problemas con nmero impar A-7 ndiceI-1Crditos de fotografasC-1433ix 12. Agradecimientos Agradecemos a todos los profesores que han sido leales usuarios y han impartido la materia de Clculo en los pases de habla hispana con el apoyo del reconocido libro de Purcell. Sus valiosos comentarios han servido para enriquecer el desarrollo de la actual edicin. Esperamos que con el uso de este texto cumplan satisfactoriamente los objetivos del programa del curso y preparen a sus alumnos para enfrentar los retos actuales dentro del mbito de las matemticas. En especial deseamos agradecer el apoyo y retroalimentacin que nos han dado los siguientes profesores:COLOMBIA Clermont Mauricio Roa Colegio Agustiniano Ciudad Salitre Hugo Hernn Rubio Colegio Agustiniano de Suba John Jairo Surez Colegio Agustiniano Norte Yazmn Castro Colegio Bautista Luis Hernando Lpez Colegio Berchmans Arnaldo Ruiz Colegio Calasanz Armando Villamizar Colegio Calatrava Francisco Valderrama Colegio Cervantes Norte Juan Lizrraga Colegio del Rosario Santo Domingo Rosalba Corredor Colegio El Pinar Freddy Mondragn Colegio Emmanuel Dalzon Alexis Valencia Colegio Franciscano De Pio Xii Jos Luis Prez Colegio Hispanoamericano Ral Vacca Marabely Ramrez Colegio Jordn de Sajonia Jos Romero Colegio Nuestra Seora del Rosario Gloria AguilarGimnasio Britnico Jos Vicente Contreras John Jairo Estrada Gimnasio La Arboleda Esperanza Snchez Gimnasio La Montaa Claudia Rodrguez Gimnasio Los Andes Martn Tello Gimnasio Moderno Hugo Hernn Chvez Lpez Inst. San Bernardo de La Salle Augusto Vivas Instituto Colsubsidio de Educacin Femenina ICEF Yolanda Cruz Nuevo Colombo Britnico Astrid Torregrosa Portales Zulema Len Rosario Quinta Mutis Wilson Alcntara San Facon Aura Beatriz Garca San Patricio Jorge Pea San Tarsicio Jorge VelascoMXICO CEBETIS # 225 Uriel Garca Rico CECyT # 9 Hermenegildo Barrera Hernndez Ubaldo Bonilla JimnezColegio Santa Clara Luis VillamizarCETI-Colomos Jess Salvador Escobedo Sols Asuncin Gonzlez Loza Francisco Javier Hernndez Patio Patricia Lamas Huerta scar Mesina Reyes ngel Villagrana VillaColegio Santa Dorotea Octavio CambindoColegio Anhuac Chapalita Humberto Contreras PrezColegio San Antonio Mara Claret Patricia Duarte Colegio San Patricio Jorge Enrique Pea 13. Prefacio De nuevo, la novena edicin de Clculo es una revisin modesta. Se han agregado algunos temas y otros se han reacomodado, pero el espritu del libro ha permanecido sin alteraciones. Los usuarios de las ediciones precedentes nos han informado del xito que tuvieron y no tenemos la intencin de restarle ventajas a un texto bastante viable. Para muchos, este libro an ser considerado como un texto tradicional. En su mayora, se demuestran los teoremas, se dejan como ejercicio o se dejan sin demostrar cuando la comprobacin es demasiado difcil. Cuando esto ltimo sucede, tratamos de dar una explicacin intuitiva para que el resultado sea plausible, antes de pasar al tema siguiente. En algunos casos, damos un bosquejo de una demostracin, en cuyo caso explicamos por qu es un bosquejo y no una demostracin rigurosa. El objetivo sigue siendo la comprensin de los conceptos de clculo. Aunque algunos ven al nfasis en la presentacin clara y rigurosa como una distraccin para la comprensin del clculo, nosotros vemos que ambas son complementarias. Es ms probable que los estudiantes comprendan los conceptos si los trminos se definen con nitidez y los teoremas se enuncian y demuestran claramente.Un texto breve La novena edicin contina siendo la obra ms breve de los principales textos de clculo exitosos. Hemos tratado de no saturar el texto con temas nuevos y enfoques alternativos. En menos de 800 pginas tratamos la mayor parte de los temas de clculo; entre ellos, un captulo preliminar y el material de lmites a clculo vectorial. En dcadas recientes, los estudiantes han desarrollado malos hbitos. Desean encontrar el ejemplo resuelto de modo que coincida con el problema de su tarea. Nuestro objetivo con este texto contina manteniendo al clculo como un curso centrado en determinadas ideas bsicas en torno a palabras, frmulas y grficas. La resolucin de los conjuntos de problemas, crucial para el desarrollo de habilidades matemticas, no debe eclipsar el objetivo de comprensin del clculo. Problemas de revisin de conceptosPara alentar a los estudiantes a leer y entender el texto, a cada conjunto de problemas le preceden cuatro cuestiones para completar. stas prueban el dominio del vocabulario bsico, comprensin de los teoremas y la habilidad para aplicar los conceptos en contextos ms sencillos. Los estudiantes deben responder estos cuestionamientos antes de pasar a los problemas siguientes. Fomentamos esto para dar una retroalimentacin inmediata; las respuestas correctas se proporcionan al final del conjunto de problemas. Estos puntos tambin hacen algunas preguntas de examen para ver si los estudiantes han hecho la lectura necesaria y estn preparados para la clase.Problemas de repaso e introduccinTambin hemos incluido un conjunto de problemas de repaso e introduccin entre el final de un captulo y el inicio del siguiente. Muchos de estos problemas obligan a los estudiantes a repasar temas anteriores antes de iniciar el nuevo captulo. Por ejemplo. Captulo 3, Aplicaciones de la derivada: se les pide a los estudiantes resolver desigualdades como las que surgen cuando preguntamos en dnde una funcin es creciente/decreciente o cncava hacia arriba/hacia abajo. Captulo 7, Tcnicas de integracin: se les pide a los estudiantes evaluar varias integrales que incluyen el mtodo de sustitucin, la nica tcnica significativa que han aprendido hasta ese momento. La falta de prctica en la aplicacin de esta tcnica podra significar un desastre en el captulo 7.Otros problemas de repaso e introduccin piden a los estudiantes utilizar lo que ya conocen para obtener una ventaja en el captulo siguiente. Por ejemplo, Captulo 5, Aplicaciones de la integral: se les pide a los estudiantes determinar la longitud de un segmento de lnea entre dos funciones, exactamente la habilidad que se requiere en el captulo para realizar lo que llamaremos rebanar, aproximarxi 14. xii Prefacio e integrar. Adems, se les pide a los estudiantes determinar el volumen de un disco pequeo, una arandela y un cascarn. Al haber resuelto esto antes de iniciar el captulo los estudiantes estarn mejor preparados para comprender la idea de rebanar, aproximar e integrar, y su aplicacin para calcular volmenes de slidos de revolucin. Captulo 8, Formas indeterminadas e integrales impropias: se les pide a los estuadiantes calcular el valor de una integral como0 Le -x dx, para a = 1, 2, 4, 8, 16.Esperamos que los estudiantes resuelvan un problema como ste y se den cuenta de que conforme a crece, el valor de la integral se aproxima a 1; de este modo se establece la idea de integrales impropias. Antes del captulo, hay problemas similares que incluyen sumas sobre series infinitas.Sentido numrico El sentido numrico contina desempeando un papel importante en el texto. Todos los estudiantes de clculo cometen errores numricos al resolver problemas, pero aquellos con sentido numrico reconocen una respuesta absurda y tratan de resolver nuevamente el problema. Para impulsar y desarrollar esta importante habilidad, hemos enfatizado el proceso de estimacin. Sugerimos cmo hacer estimaciones mentalmente y cmo llegar a las respuestas numricas aproximadas. En el texto hemos aumentado el uso de esta caracterstica mediante el smbolo L , en donde se hace una aproximacin numrica. Esperamos que los estudiantes hagan lo mismo, en especial en los problemas con el icono L .Uso de tecnologa Muchos problemas en la novena edicin estn marcados con uno de los siguientes smbolos:C indica que sera til una calculadora cientfica ordinaria. GC indica que se requiere una calculadora grfica. CAS indica que se necesita un sistema de lgebra computacional. Los proyectos de tecnologa que estaban al final de los captulos en la octava edicin, ahora estn disponibles en la Web en archivos PDF.Cambios en la novena edicin La estructura bsica y el espritu primordial del texto han permanecido sin cambio. A continuacin estn los cambios ms importantes en la novena edicin. Hay un conjunto de problemas de repaso e introduccin entre el final de un captulo y el inicio del siguiente. El captulo preliminar, ahora denominado captulo 0, se ha condensado. Los temas de preclculo (que en la octava edicin estaban al inicio del captulo 2) se colocaron ahora en el captulo 0. En la novena edicin, el captulo 1 inicia con lmites. Todo lo que se requiera estudiar del captulo 0 depende de los antecedentes de los estudiantes y variar de una institucin educativa a otra. Las secciones sobre antiderivadas y una introduccin a ecuaciones diferenciales se han cambiado al captulo 3. Esto permite claridad entre los conceptos de tasa de cambio y acumulacin, ya que ahora el captulo 4 inicia con rea, seguida de inmediato con la integral definida y los teoremas fundamentales del clculo. La experiencia del autor ha sido que muchos estudiantes de primer ao se equivocan al hacer una distincin clara entre los diferentes conceptos de la integral indefinida (o antiderivada) y la integral definida como el lmite de una suma. Esto fue en la primera edicin, publicada en 1965, y sigue siendo cierto ahora. Esperamos que al separar estos temas se atraer la mirada a la distincin. Probabilidad y presin de fluidos se agreg al captulo 5, Aplicaciones de la integral. Enfatizamos que los problemas de probabilidad son tratados como problemas de masa a lo largo de una recta. El centro de masa es la integral de x por la 15. Prefacioxiiidensidad, y la esperanza en probabilidad es la integral de x por la densidad (probabilidad). El material sobre secciones cnicas se ha resumido de cinco secciones a tres. Los estudiantes han visto mucho (si no es que todo) de este material en sus cursos de preclculo. Hay ejemplos y un ejercicio sobre las leyes de Kepler del movimiento planetario. El material sobre vectores termina en la deduccin de las leyes de Kepler a partir de la ley de Newton de la gravitacin. Deducimos la segunda y tercera leyes de Kepler en los ejemplos, y dejamos como ejercicio la primera ley. En esta prctica, se gua a los estudiantes a travs de los pasos, (a) a (l), de la deduccin. Las secciones sobre mtodos numricos se han colocado en lugares apropiados a lo largo del texto. Por ejemplo, la seccin sobre la resolucin de ecuaciones de forma numrica se ha convertido en la seccin 3.7, la integracin numrica es la seccin 4.6; las aproximaciones para ecuaciones diferenciales se convirtieron en la seccin 6.7. El nmero de preguntas de conceptos se ha incrementado de manera significativa. Muchos problemas ms preguntan al estudiante acerca de grficas. Tambin hemos aumentado el uso de mtodos numricos, tal como el mtodo de Newton y la integracin numrica, en problemas que no pueden tratarse de manera analtica.Agradecimientos Quisiera agradecer al equipo de Prentice Hall, incluyendo a Adam Jaworski, Eric Franck, Dawn Murrin, Debbie Ryan, Bayani deLeon, Sally Yagan, Halee Dinsey, Patrice Jones, Heather Scott y Thomas Benfatti por su apoyo y paciencia. Tambin deseo agradecer a quienes leyeron el manuscrito cuidadosamente, entre ellos, Frank Purcell, Brad Davis, Pat Daly (compaa Paley) y Edith Baker (Writewith, Inc.).Tengo una gran deuda de gratitud con Kevin Bodden y Christopher Rigdon, quienes trabajaron sin descanso en la preparacin de los manuales de soluciones, y con Brbara Kniepkamp y Brian Rife por la preparacin de las respuestas del final del libro. Adems, quiero agradecer a los profesores de la Southern Illinois University Edwardsville (y de otros lugares), en especial a George Pelekanos, Rahim Karimpour, Krzysztof Jarosz, Alan Wheeler y Paul Phillips, por sus valiosos comentarios. Tambin agradezco a los siguientes profesores por su cuidadosa revisin y tiles comentarios durante la preparacin de la novena edicin. Fritz Keinert, Iowa State University Michael Martin, Johnson County Community College Christopher Johnston, University of Missouri-Columbia Nakhle Asmar, University of Missouri-Columbia Zhonghai Ding, University de Nevada Las Vegas Joel Foisy, SUNY Potsdam Wolfe Snow, Brooklyn College Ioana Mihaila, California State Polytechnic University, Pomona Hasan Celik, California State Polytechnic University Jeffrey Stopple, University of California, Santa Barbara Jason Howell, Clemson University John Goulet, Worcester Polytechnic Institute Ryan Berndt, The Ohio State University Douglas Meade, University of South Carolina Elgin Johnston, Iowa State University Brian Snyder, Lake Superior State University Bruce Wenner, University of Missouri-Kansas City Linda Kilgariff, University of North Carolina en Greensboro Joel Robbin, University of Wisconsin-Madison John Johnson, George Fox University Julie Connolly, Wake Forest University Chris Peterson, Colorado State University Blake Thornton, Washington University en Saint Louis Sue Goodman, University of North Carolina-Chapel Hill John Santomos, Villanova University 16. xiv Prefacio Por ltimo, agradezco a mi esposa Pat y a mis hijos Chris, Mary y Emily por tolerar todas las noches y fines de semana que estuve en la oficina.S. E. R. srigdon@siue.edu Southern Illinois University EdwardsvilleRECURSOS PARA LOS PROFESORES (EN INGLS) Distribucin de recursos para el profesor Todos los recursos para el profesor pueden descargarse del sitio web www.pearsoneducacion.net/purcell Seleccione Browse our catalog, luego d clic en Mathematics, seleccione su curso y elija su texto. En Resources, en el lado izquierdo, elija instructor y el complemento que necesita descargar. Se le pide que realice un registro antes de que pueda completar este proceso. TestGen Crea con facilidad exmenes a partir de secciones del texto. Las preguntas se generan con un algoritmo que permite versiones ilimitadas. Edite problemas o genere los propios.Archivo con preguntas de examen Un banco de exmenes obtenidos de TestGen.Diapositivas en PowerPoint de Clases Son diapositivas que se pueden editar por completo y van de acuerdo con el texto. Proyectos en clase o para un website en un curso en lnea.Manual de soluciones para el profesor Soluciones totalmente desarrolladas de todos los ejercicios del libro y los proyectos del captulo.Proyectos de tecnologa 17. PrefacioxvMathXL MathXL es un poderoso sistema en lnea para tareas, tutoriales y asignaciones que acompaa a su libro de texto. Los instructores pueden crear, editar y asignar tareas y exmenes en lnea mediante ejercicios generados por medio de un algoritmo y que estn correlacionados al nivel de objetivo para el texto. El trabajo del estudiante es seguido en un registro de avance. Los estudiantes pueden hacer exmenes de captulo y recibir planes de estudio personalizados con base en sus resultados. El plan de estudio diagnostica las debilidades y vincula a los estudiantes con ejercicios por objetivos que necesitan. Adems, los estudiantes pueden tener acceso a videoclips de los ejercicios seleccionados. MathXL est disponible para quienes adopten el libro y estn cualificados. Para mayor informacin, visite nuestro sitio web en www.pearsoneducacion.net/purcell,MyMathLab MyMathLab es un curso en lnea personalizable, de texto especfico, para sus libros. MyMathLab est sustentado por el ambiente en lnea de enseanza y aprendizaje CourseCompassTM de Pearson Educacin, y por MathXL nuestro sistema de tareas, tutoriales y evaluacin en lnea. MyMathLab le proporciona las herramientas necesarias para poner todo o parte de su curso en lnea, si sus estudiantes estn en un laboratorio o trabajando en casa. MyMathLab proporciona un conjunto rico y flexible de materiales para el curso, con la caracterstica que los ejercicios de respuesta abierta son generados de manera algortmica para prctica ilimitada. Los estudiantes pueden utilizar las herramientas en lnea, tales como clases en video y un libro de texto en multimedia para mejorar su desempeo. Los instructores pueden utilizar los administradores de tareas y exmenes de MyMathLAb para seleccionar y asignar ejercicios en lnea relacionados con el libro, y pueden importar exmenes de TestGen para agregar flexibilidad. El nico archivo de calificaciones diseado especficamente para matemticas lleva un registro automtico de tareas y resultados de exmenes de los estudiantes y le permite al instructor el clculo de las evaluaciones finales. MyMathLab est disponible para quienes adopten el libro y estn cualificados. Para mayor informacin, visite nuestro sitio web en www.pearsoneducacion.net/purcell 18. CAPTULO0Preliminares0.1 Nmeros reales, estimacin y lgica0.10.2 Desigualdades y valor absolutoEl clculo est basado en el sistema de los nmeros reales y sus propiedades. Pero, cules son los nmeros reales y cules son sus propiedades? Para responder, comenzamos con algunos sistemas numricos ms sencillos.0.4 Grficas de ecuaciones 0.5 Funciones y sus grficas 0.6 Operaciones con funciones 0.7 Funciones trigonomtricas 0.8 Repaso del captuloLos enteros y los nmeros racionalesLos nmeros ms sencillos de todosson los nmeros naturales,1, 2, 3, 4, 5, 6, Con ellos podemos contar nuestros libros, nuestros amigos y nuestro dinero. Si incluimos a sus negativos y al cero, obtenemos los enteros , - 3, - 2, -1, 0, 1, 2, 3, Cuando medimos longitud, peso o voltaje, los enteros son inadecuados. Estn separados muy lejos uno del otro para dar suficiente precisin. Esto nos lleva a considerar cocientes (razones) de enteros (vase la figura 1), nmeros tales como3 - 7 21 19 16 - 17 , , , , ,y 4 8 5 -2 2 1 11 32 3= =0.3 El sistema de coordenadas rectangularesNmeros reales, estimacin y lgica21 43 411Figura 1Figura 2 16- 17Observe que incluimos 2 y 1 , aunque normalmente los escribiramos como 8 y -17, 5 ya que son iguales a aqullos por el significado ordinario de la divisin. No incluimos 0 -9o 0 porque es imposible dar significado a estos smbolos (vase el problema 30). Recuerde siempre que la divisin entre 0 nunca est permitida. Los nmeros que pueden escribirse en la forma m/n, donde m y n son enteros con n Z 0 son llamados nmeros racionales. Los nmeros racionales sirven para medir todas las longitudes? No. Este hecho sorprendente fue descubierto por los antiguos griegos alrededor del siglo V a. C. Ellos demostraron que aunque la hipotenusa de un tringulo rectngulo con catetos de longitud 1 mide 22 (vase la figura 2), 22 no puede escribirse como un cociente de dos enteros (vase el problema 77). Por lo tanto, 22 es un nmero irracional (no racional). As, 3 tambin lo son 23, 25, 2 7, p, y una gran cantidad de nmeros ms.Los nmeros reales Considere todos los nmeros (racionales e irracionales) que pueden medir longitudes, junto con sus negativos y el cero. A stos les llamamos nmeros reales. Los nmeros reales pueden verse como etiquetas para puntos a lo largo de una recta horizontal. All miden la distancia, a la derecha o izquierda (la distancia dirigida), de un punto fijo llamado origen y marcado con 0 (vase la figura 3). Aunque quiz no 19. 2 Captulo 0 Preliminares32Figura 31 2 10=3 27 3212 34podamos mostrar todas las etiquetas, cada punto tiene un nmero real nico que lo etiqueta. Este nmero se denomina coordenada del punto, y la recta coordenada resultante es llamada recta real. La figura 4 sugiere las relaciones entre las series de nmeros analizadas hasta ahora. Recuerde usted que el sistema de nmeros reales puede ampliarse an ms a los nmeros complejos. stos son nmeros de la forma a + bi, donde a y b son nmeros reales e i = 2 - 1. En este libro rara vez se utilizarn los nmeros complejos. De hecho, si decimos o sugerimos nmero sin adjetivo calificativo alguno, se puede suponer que queremos decir nmero real. Los nmeros reales son los personajes principales en clculo. 0.375 8 3.000 24 60 56 40 40 0Nmeros naturales1.181 11 13.000 11 20 11 90 88 20 11 9Nmeros enteros Nmeros racionales3 8Nmeros realesFigura 4= 0.37513 11= 1.181818 . . .Figura 5Decimales peridicos y no peridicos Cualquier nmero racional puede escribirse como decimal, ya que por definicin siempre puede expresarse como el cociente de dos enteros; si dividimos el denominador entre el numerador, obtenemos un decimal (vase la figura 5). Por ejemplo,1 = 0.5 23 = 0.375 83 = 0.428571428571428571 7Los nmeros irracionales tambin pueden expresarse en forma decimal. Por ejemplo,22 = 1.4142135623 ,p = 3.1415926535 3La representacin decimal de un nmero racional o termina (como en 8 = 0.375) o 13 11= 1.181818 ). Un poco de se repite hasta el infinito en ciclos regulares (como en experimentacin con el algoritmo de la divisin le mostrar el porqu. (Observe que slo puede haber un nmero finito de residuos diferentes). Un decimal que termina puede considerarse como un decimal peridico con ceros que se repiten. Por ejemplo, 3 = 0.375 = 0.3750000 8 De esta manera, todo nmero racional puede escribirse como un decimal peridico. En otras palabras, si x es un nmero racional, entonces x puede escribirse como un decimal peridico. Es notable el hecho de que el recproco tambin es verdadero, si x puede escribirse como un decimal peridico, entonces x es un nmero racional. Esto es obvio en el caso de decimales que terminan (por ejemplo, 3.137 = 3137>1000), y es fcil demostrar para el caso de decimales no peridicos.EJEMPLO 1 (Los decimales peridicos son racionales). Demuestre que x = 0.136136136 . . . representa un nmero racional. SOLUCIN Restamos x de 1000x y luego despejamos x.1000x = 136.136136 x = 0.136136 999x = 136 136 x = 999 20. Seccin 0.1 Nmeros reales, estimacin y lgica Los nmeros reales Nmeros racionales (decimales peridicos)Nmeros irracionales (decimales no peridicos)3Las representaciones decimales de los nmeros irracionales no se repiten en ciclos. Recprocamente, un decimal no peridico debe representar un nmero irracional. As, por ejemplo,0.101001000100001 debe representar un nmero irracional (observe el patrn de ms y ms ceros entre los unos). El diagrama en la figura 6 resume lo que hemos dicho.Figura 6Densidad Entre cualesquiera dos nmeros reales diferentes a y b, no importa x2 x3 x1 aa+b 2bFigura 71= =1.4 1.41 1.4142Figura 8qu tan cercanos se encuentren, existe otro nmero real. En particular, el nmero x1 = (a + b)>2 es un nmero real que est a la mitad entre a y b (vase la figura 7). Ya que existe otro nmero real, x2, entre a y x1, y otro nmero real, x3, entre x1 y x2, y puesto que este argumento puede repetirse ad infinitum, concluimos que existe un nmero infinito de nmeros reales entre a y b. Por lo tanto, no existe cosa como el menor nmero real, mayor que 3. En realidad, podemos decir ms. Entre cualesquiera dos nmeros reales distintos existe tanto un nmero racional como uno irracional. (En el ejercicio 57 le pedimos demostrar que existe un nmero racional entre cualesquiera dos nmeros reales). De aqu que, por medio del argumento precedente, existe una infinidad de cada uno de ellos (racionales e irracionales). Una forma en que los matemticos describen la situacin que hemos expuesto es declarar que los nmeros racionales y los nmeros irracionales son densos en la recta real. Todo nmero tiene vecinos racionales e irracionales arbitrariamente cercanos a l. Una consecuencia de la propiedad de densidad es que cualquier nmero irracional puede aproximarse tanto como se quiera por medio de un nmero racional; de hecho, por medio de un nmero racional con una representacin decimal finita. Tome como ejemplo 22. La sucesin de nmeros racionales 1, 1.4, 1.41, 1414, 1.4142, 1.41421, 1.414213, p avanza constante e inexorablemente hacia 22 (vase la figura 8). Avanzando lo suficiente en esta sucesin, podemos estar tan cerca como queramos de 22.Calculadoras y computadoras Actualmente, muchas calculadoras son capaces de realizar operaciones numricas, grficas y simblicas. Durante dcadas, las calculadoras han podido realizar operaciones numricas, como dar aproximaciones decimales a 212.2 y 1.25 sen 22. A principios de los aos noventa del siglo pasado las calculadoras podan mostrar la grfica de casi cualquier funcin algebraica, trigonomtrica, exponencial o logartmica. Los adelantos recientes permiten a las calculadoras realizar muchas operaciones, como desarrollar (x - 3y)12 o resolver x3 - 2x2 + x = 0. Programas de cmputo como Mathematica o Maple pueden realizar operaciones simblicas como stas, as como una gran cantidad de otras. Nuestras recomendaciones acerca del uso de una calculadora son: 1. Sepa reconocer cuando su calculadora o computadora le proporciona una Muchos problemas en este libro estn marcados con un smbolo especial. Csignifica utilice una calculadora.GCsignifica utilice una calculadora graficadora. CAS significa utilice un sistema de lgebra computacional. EXPLsignifica que el problema le pide explorar e ir ms all de las explicaciones dadas en el texto.respuesta exacta y cuando le da una aproximacin. Por ejemplo, si pide sen 60, su calculadora puede darle la respuesta exacta, 23>2, o bien puede darle una aproximacin decimal, 0.8660254.2. Por lo regular, y si es posible, se prefiere una respuesta exacta. Esto es especialmente cierto cuando usted debe utilizar el resultado para clculos posteriores. Por ejemplo, si necesita elevar al cuadrado sen 60, es ms fcil y tambin ms exacto, calcular A 23>2 B 2 = 3>4 que calcular 0.86602542.3. Si es posible, en problemas de aplicacin proporcione una respuesta exacta, as como una aproximacin. Puede verificar frecuentemente si su respuesta es razonable al relacionarla con la descripcin del problema, observando su aproximacin numrica a la solucin.Estimacin Dado un problema aritmtico complicado, un estudiante descuidado podra presionar algunas teclas en una calculadora y reportar la respuesta sin darse cuenta de que la falta de parntesis o un error de dedo han dado un resultado errneo. Un estudiante cuidadoso, con un sentido de los nmeros, al presionar las mismas 21. 4 Captulo 0 Preliminares 0.9Rteclas se dar cuenta inmediatamente de que la respuesta es equivocada si es demasiado grande o demasiado pequea, y volver a calcularla de manera correcta. Es importante saber cmo se realiza una estimacin mental. EJEMPLO 2 363 Calcular A 2430 + 72 + 27.5 B >2.75.SOLUCIN Una estudiante juiciosa aproxim lo anterior como (20 + 72 + 2)>3 y dijo que la respuesta debera ser cercana a 30. As, cuando su calculadora dio 93.448 como respuesta, ella desconfi (lo que en realidad haba calculado fue 3 2430 + 72 + 27.5>2.75). Al calcular otra vez obtuvo la respuesta correcta: 34.434. EJEMPLO 3 Figura 9En el ejemplo 3 hemos utilizado L para decir aproximadamente igual a. Utilice este smbolo cuando realice una aproximacin. En un trabajo ms formal no use este smbolo sin saber de qu tamao podra ser el error.Muchos problemas estn marcados con este smbolo. significa una estimacin de la respuesta antes de resolver el problema; luego compruebe su respuesta contra esta estimacin.Suponga que la regin sombreada R, que se muestra en la figura 9, se hace girar alrededor del eje x. Estime el volumen del anillo slido, S, que resulta.SOLUCIN La regin R es de casi 3 unidades de largo y 0.9 unidades de altura. Estimamos su rea como 3(0.9) L 3 unidades cuadradas. Imagine que el anillo slido, S, se abre y se aplana para formar una caja de alrededor de 2pr L 2(3)(6) = 36 unidades de longitud. El volumen de una caja es el rea de su seccin transversal por su longitud. As, estimamos el volumen de la caja como 3(36) = 108 unidades cbicas. Si lo calcula y obtiene 1000 unidades cbicas, necesita verificar su trabajo. El proceso de estimacin es simplemente el sentido comn combinado con aproximaciones razonables de los nmeros. Lo exhortamos a utilizarlo con frecuencia, particularmente en problemas. Antes de obtener una respuesta precisa, haga una estimacin. Si su respuesta est cerca de su estimacin, no hay garanta de que su respuesta sea correcta. Por otra parte, si su respuesta y su estimacin son demasiado diferentes, debe verificar su trabajo. Probablemente hay un error en su respuesta o en su aproximacin. Recuerde que p L 3, 22 L 1.4, 210 L 1000, 1 pie L 10 pulgadas, 1 milla L 5000 pies, etctera. Un tema central en este texto es el sentido numrico. Por esto queremos decir la habilidad de trabajar un problema y decir si su solucin es razonable para el problema planteado. Un estudiante con buen sentido numrico reconocer y corregir de forma inmediata una respuesta que, obviamente, es poco razonable. Para muchos de los ejemplos desarrollados en el texto, proporcionamos una estimacin inicial de la solucin, antes de proceder a determinar la solucin exacta.Un poco de lgica. En matemticas, a los resultados importantes se les llama teoremas; en este texto usted encontrar muchos teoremas. Los ms importantes aparecen con la etiqueta Teorema y por lo regular se les dan nombres (por ejemplo, el Teorema de Pitgoras). Otros aparecen en los conjuntos de problemas y se introducen con las palabras demuestre o pruebe que. En contraste con los axiomas o definiciones, que se admiten, los teoremas requieren ser demostrados. Muchos teoremas son establecidos en la forma si P entonces Q, o bien pueden enunciarse otra vez en esta forma. Con frecuencia, abreviamos el enunciado si P entonces Q por medio de P Q Q, que tambin se lee P implica Q. Llamamos a P la hiptesis y a Q la conclusin del teorema. Una prueba (demostracin) consiste en demostrar que Q debe ser verdadera siempre que P sea verdadera. Los estudiantes que inician (incluso, algunos maduros) pueden confundir P Q Q con su recproco, Q Q P. Estas dos proposiciones no son equivalentes. Si Juan es de Missouri, entonces Juan es americano es una proposicin verdadera, pero su recproca si Juan es americano, entonces es de Missouri podra no ser cierta. La negacin de la proposicin P se escribe ' P. Por ejemplo, si P es la proposicin est lloviendo, entonces ' P es la proposicin no est lloviendo. La proposicin ' Q Q ' P se denomina contrapositiva (o contrarrecproca) de la proposicin P Q Q y es equivalente a P Q Q. Por equivalente queremos decir que P Q Q y ' Q Q ' P son, ambas, verdaderas o ambas falsas. Para nuestro ejemplo acerca de Juan, la contrapositiva de si Juan es de Missouri, entonces Juan es americano es si Juan no es americano, entonces Juan no es de Missouri. Como consecuencia de que una proposicin y su contrapositiva sean equivalentes, podemos demostrar un teorema de la forma si P entonces Q demostrando su contra- 22. Seccin 0.1 Nmeros reales, estimacin y lgicaDemostracin por contradiccin La demostracin por contradiccin tambin lleva el nombre de reduccin al absurdo. He aqu lo que el gran matemtico G. H. Hardy dijo acerca de ella: La reduccin al absurdo, que Euclides amaba tanto, es una de las armas ms finas del matemtico. Es muchsimo ms fina que cualquier gambito en el ajedrez; un jugador de ajedrez puede ofrecer el sacrificio de un pen o hasta de una pieza, pero un matemtico ofrece el juego.Orden en la recta real Decir que x 6 y significa que x est a la izquierda de y en la recta real. yxLas propiedades de orden 1. Tricotoma. Si x y y son nmeros, exactamente una de las siguientes afirmaciones se cumple: x 6 yox = yopositiva si Q entonces P. As, para demostrar P Q Q, podemos suponer Q e intentar deducir P. A continuacin est un ejemplo sencillo. EJEMPLO 4Demuestre que si n2 es par, entonces n es par.Prueba La contrapositiva de este enunciado es si n no es par, entonces n2 no es par, que es equivalente a si n es impar, entonces n2 es impar. Demostraremos la contrapositiva. Si n es impar, entonces existe un entero k tal que n = 2k + 1. Entonces, n2 = 12k + 122 = 4k2 + 4k + 1 = 212k2 + 2k2 + 1Por lo tanto, n2 es igual a uno ms que el doble de un entero. De aqu que n2 es impar. La ley del tercero excluido dice: sucede R o R, pero no ambos. Cualquier demostracin que inicia suponiendo que la conclusin de un teorema es falsa y procede para demostrar que esta suposicin conduce a una contradiccin se denomina demostracin por contradiccin. En ocasiones, necesitaremos otro tipo de demostracin denominado induccin matemtica. Nos alejaramos demasiado en estos momentos para describir esto, pero hemos dado un estudio completo en el apndice A.1. Algunas veces, ambas proposiciones P Q Q (si P entonces Q) y Q Q P (si Q entonces P) son verdaderas. En este caso escribimos P 3 Q, que se lee P si y slo si Q. En el ejemplo 4 demostramos que si n2 es par, entonces n es par, pero el recproco si n es par, entonces n2 es par tambin es verdadero. Por lo tanto, diramos n es par si y slo si n2 es par.Orden Los nmeros reales diferentes de cero se separan, en forma adecuada, en dos conjuntos disjuntos, los nmeros reales positivos y los nmeros reales negativos. Este hecho nos permite introducir la relacin de orden 6 (se lee es menor que) por medio dex 6 y 3 y - x es positivox 7 y2. Transitividad. x 6 y e y 6 z Q x 6 z. 3. Suma. x 6 y 3 x + z 6 y + z. 4. Multiplicacin. Cuando z es positiva x 6 y 3 xz 6 yz. Cuando z es negativa, x 6 y 3 xz 7 yz.5Acordamos que x 6 y y y 7 x significarn lo mismo. As, 3 6 4, 4 7 3, -3 6 -2 y -2 7 -3. La relacin de orden (se lee es menor o igual a) es prima hermana de 6. Se define por medio dex y 3 y - x es positivo o cero Las propiedades de orden 2, 3 y 4, en el cuadro al margen, se cumplen al reemplazar los smbolos 6 y 7 por y , respectivamente.Cuantificadores Muchas proposiciones matemticas incluyen una variable x, y la validez de un enunciado depende del valor de x. Por ejemplo, la proposicin 1x es un nmero racional depende del valor de x; es verdadero para algunos 4 9valores de x, tal como x = 1, 4, 9, x = 1, 4, 9, , y10,000 , y falso para otros valores 49de x, tales como x = 2, 3, 77 y p. Algunas proposiciones, tales como x2 0, son verdaderas para todo nmero real x, y otras proposiciones, tales como x es un entero par mayor que 2 y x es un nmero primo, siempre son falsas. Denotaremos con P(x) un enunciado cuyo valor de verdad depende del valor de x. Decimos para toda x, P(x) o para cada x, P(x), cuando la proposicin P(x) es verdadera para todo valor de x. Cuando al menos existe un valor de x para el cual es verdadera, decimos existe una x tal que P(x). Los dos importantes cuantificadores son para todo y existe. EJEMPLO 5 (a) (b) (c) (d)Cul de las siguientes proposiciones son verdaderas?Para toda x, x 2 7 0. Para toda x, x 6 0 Q x 2 7 0. Para cada x, existe una y tal que y 7 x. Existe una y tal que, para toda x, y 7 x. 23. 6 Captulo 0 Preliminares SOLUCIN (a) Falsa. Si elegimos x = 0, entonces no es verdadero que x2 7 0. (b) Verdadera. Si x es negativa, entonces x2 ser positiva. (c) Verdadera. Esta proposicin contiene dos cuantificadores, para cada y existe. Para leer el enunciado de manera correcta, debemos aplicarlo en el orden correcto. La proposicin inicia para cada, de modo que si la proposicin es verdadera, entonces lo que sigue debe ser verdadero para todo valor de x que seleccionemos. Si no est seguro de que el enunciado completo sea verdadero, intente con algunos valores de x y vea si la segunda parte del enunciado es verdadero o falso. Por ejemplo, podramos elegir x = 100, dada esta eleccin; existe una y que sea mayor a x? En otras palabras, existe un nmero mayor que 100? Por supuesto que s. El nmero 101 lo es. Ahora, seleccionemos otro valor para x, digamos x = 1,000,000. Existe una y que sea mayor que este valor de x? Nuevamente, s; en este caso el nmero 1,000,001 lo sera. Ahora, pregntese: Si tengo que x es cualquier nmero real, podr encontrar una y que sea mayor a x? La respuesta es s. Basta con elegir a y como x + 1. (d) Falsa. El enunciado dice que existe un nmero real que es mayor que todos los dems nmeros reales. En otras palabras, existe un nmero real que es el mayor de todos. Esto es falso; aqu est una demostracin por contradiccin. Suponga que existe un nmero real mayor que todos, y. Sea x = y + 1. Entonces x 7 y, lo cual es contrario a la suposicin de que y es el mayor nmero real. La negacin de la proposicin P es la proposicin no P. (La proposicin no P es verdadera siempre que P sea falsa). Considere la negacin de la proposicin para toda x, P(x). Si la negacin de esta proposicin es verdadera, entonces debe existir al menos un valor de x para el cual P(x) es falsa; en otras palabras, existe una x tal que no P(x). Ahora considere la negacin de la proposicin existe un x tal que P(x). Si la negacin de esta proposicin es verdadera, entonces no existe una x para la cual P(x) sea verdadera. Esto significa que P(x) es falsa sin importar el valor de x. En otras palabras, para toda x, no P(x). En resumen, La negacin de para toda x, P(x) es existe una x tal que no P(x). La negacin de existe una x tal que P(x) es para toda x, no P(x).Revisin de conceptos 1. Los nmeros que pueden escribirse como la razn (cociente) de dos enteros se denominan ________.3. La contrapositiva (contrarrecproca) de si P entonces Q es ________.2. Entre cualesquiera dos nmeros reales, existe otro nmero real. Esto significa que los nmeros reales son ________.4. Los axiomas y las definiciones son tomados como ciertos, pero________ requieren de una demostracin.Conjunto de problemas 0.1 En los problemas del 1 al 16 simplifique tanto como sea posible. Asegrese de eliminar todos los parntesis y reducir todas las fracciones. 1. 4 - 218 - 112 + 62. 3[2 - 417 - 122]3. -4[51 -3 + 12 - 42 + 2113 - 72] 4. 5[-117 + 12 - 162 + 4] + 2 5.5 77.1 1 1 3 2 49.-1 13C A - B + D14 2 21 5 - 1 31 63 4 - 78.-1 2 3 5210.+3 21-1 6C - A - BD 1 1 2 31 5A2 - 5B> A1 - 1B 7 711 7 11 7+13. 1 15.6. 1 311.12 21 12 2112.1 1 +1 2A 25 + 23 B A 25 - 23 B1 2 1 2+14. 2 + 16.3 4 3 4+ -7 8 7 83 1 +5 2A 25 - 23 B 2En los problemas del 17 al 28 realice las operaciones indicadas y simplifique. 17. 13x - 421x + 1218. 12x - 32221. 13t2 - t + 12222. 12t + 32319. 13x - 9212x + 1220. 14x - 11213x - 72 24. Seccin 0.1 Nmeros reales, estimacin y lgica23.x2 - 4 x - 224.25.t2 - 4t - 21 t + 326.27.12 x2 + 2x+2 4 + x x + 228.x2 - x - 6 x - 3Demuestre que entre cualesquiera dos nmeros reales diferentes existe una infinidad de nmeros racionales. 2x - 2x2 x - 2x + x 32y 2 + 6y - 2 9y 2 - 129. Determine el valor de cada una de las expresiones siguientes; si no est definida, indquelo (a) 0 # 0 (d)(b)3 00 0(e) 0(c)0 17(f)5717058. Estime el volumen de su cabeza, en pulgadas cbicas.59. Estime la longitud del ecuador, en pies. Suponga que el radio de la Tierra es de 4000 millas. 60. Alrededor de cuntas veces habr latido su corazn en su vigsimo cumpleaos? 61. El rbol llamado General Sherman, que est en California, tiene una altura de casi 270 pies y promedia alrededor de 16 pies de dimetro. Estime el nmero de tablones de madera de 1 pulgada por 12 pulgadas por 12 pulgadas que podran fabricarse con este rbol, suponiendo que no haya desperdicio e ignorando las ramas.30. Demuestre que la divisin entre 0 no tiene significado como sigue: Suponga que a Z 0. Si a>0 = b, entonces a = 0 b = 0, lo cual es una contradiccin. Ahora determine una razn por la que 0>0 tambin carece de significado. 62. Suponga que cada ao, el rbol General Sherman (vase el problema 61) produce un anillo de crecimiento de un grosor de 0.004 pies. Estime el aumento anual resultante en el volumen de su tronco.En los problemas del 31 al 36 cambie cada nmero racional a uno decimal mediante una divisin larga.63. Escriba el recproco y el contrapositivo de los siguientes enunciados. (a) Si hoy llueve, entonces trabajar en casa. (b) Si la candidata satisface todos los requisitos, entonces ser contratada.31. 33. 35.1 12 3 21 11 332. 34. 36.2 7 5 17 11 13En los problemas del 37 al 42 cambie cada decimal peridico por una razn de dos enteros (vase el ejemplo 1). 37. 0.123123123 38. 0.217171717 39. 2.56565656 40. 3.929292 41. 0.199999 42. 0.399999 43. Como 0.199999 = 0.200000 y 0.399999 = 0.400000 (vanse los problemas 41 y 42), vemos que ciertos nmeros racionales tienen diferentes expansiones decimales. Cules son los nmeros racionales que tienen esta propiedad? 44. Demuestre que cualquier nmero racional p>q, para el cual la factorizacin en primos de q consiste slo en nmeros 2 y nmeros 5, tiene un desarrollo decimal finito. 45. Encuentre un nmero racional positivo y un nmero irracional positivo menores que 0.00001. 46. Cul es el menor entero positivo? El menor racional positivo? El menor nmero irracional positivo? 47. Encuentre un nmero racional entre 3.14159 y p. Note que p = 3.141592.... 48. Existe un nmero entre 0.9999... (los 9 se repiten) y 1? Cmo concilia esto con el enunciado de que entre cualesquiera dos nmeros reales diferentes existe otro nmero real? 49. El nmero 0.1234567891011121314... es racional o irracional? (Debe observar un patrn en la sucesin de dgitos dada).50. Encuentre dos nmeros irracionales cuya suma sea racional.En los problemas del 51 al 56 determine la mejor aproximacin decimal que su calculadora permita. Inicie haciendo una estimacin mental. 51.A 23 + 1 B 34 3 53. 2 1.123 - 2 1.09 55. 28.9p + 1 - 3p 252.A 22 - 23 B 454. 13.14152-1/24 56. 2 16p2 - 22p57. Demuestre que entre cualesquiera dos nmeros reales diferentes existe un nmero racional. (Sugerencia: si a 6 b, entonces b a 7 0, as que existe un nmero natural n tal que 1>n 6 b a. Considere el conjunto {k:k>n 7 b} y utilice el hecho de que un conjunto de enteros que est acotado por abajo contiene un elemento menor).64. Escriba el recproco y el contrapositivo de los siguientes enunciados. (a) Si obtengo una A en el examen final, aprobar el curso. (b) Si termino mi artculo de investigacin para el viernes, entonces tomar un descanso la semana prxima. 65. Escriba el recproco y el contrapositivo de los siguientes enunciados. (a) (Sean a, b y c las longitudes de los lados de un tringulo.) Si a2 + b2 = c2, entonces el tringulo es un tringulo rectngulo. (b) Si el ngulo ABC es agudo, entonces su medida es mayor que 0 y menor que 90. 66. Escriba el recproco y el contrapositivo de los siguientes enunciados. (a) Si la medida del ngulo ABC es 45, entonces el ngulo ABC es agudo. (b) Si a 6 b entonces a2 6 b2. 67. Considere los enunciados del problema 65 junto con sus recprocos y contrapositivos. Cules son verdaderos? 68. Considere los enunciados del problema 66 junto con sus recprocos y contrapositivos. Cules son verdaderos? 69. Utilice las reglas acerca de la negacin de proposiciones que incluyen cuantificadores para escribir la negacin de las siguientes proposiciones. Cul es verdadera, la proposicin original o su negacin? (a) Todo tringulo issceles es equiltero. (b) Existe un nmero real que no es entero. (c) Todo nmero natural es menor o igual a su cuadrado. 70. Utilice las reglas acerca de la negacin de proposiciones que incluyen cuantificadores para escribir la negacin de las siguientes proposiciones. Cul es verdadera, la proposicin original o su negacin? (a) Todo nmero natural es racional. (b) Existe un crculo cuya rea es mayor que 9p. (c) Todo nmero real es mayor que su cuadrado. 71. Cules de los enunciados siguientes son verdaderos? Suponga que x y y son nmeros reales. (a) Para toda x, x 7 0 Q x2 7 0. 25. 8 Captulo 0 Preliminares (b) Para toda x, x 7 0 3 x 2 7 0. (c) Para toda x, x2 7 x. (d) Para toda x, existe una y tal que y 7 x2. (e) Para todo nmero positivo y, existe otro nmero positivo x tal que 0 6 x 6 y. 72. Cules de las proposiciones siguientes son verdaderas? A menos que se diga lo contrario, suponga que x, y y e son nmeros reales. (a) Para toda x, x 6 x + 1. (b) Existe un nmero natural N, tal que todos los nmeros primos son menores que N. (Un nmero primo es un nmero natural mayor que 1 cuyos nicos factores son 1 y l mismo.) (c) Para cada x 7 0, existe una y tal que y 71 . x1 6 x. n 1 (e) Para cada e positiva, existe un nmero natural n tal que n 6 e. 2 (d) Para toda x positiva, existe un nmero natural n tal que73. Demuestre las siguientes proposiciones. (a) Si n es impar, entonces n2 es impar. (Sugerencia: si n es impar, entonces existe un entero k, tal que n = 2k + 1). (b) Si n2 es impar, entonces n es impar. (Sugerencia: demuestre la contrapositiva). 74. Demuestre que n es impar si y slo si n2 es impar. (Vase el problema 73). 75. De acuerdo con el Teorema fundamental de la aritmtica, todo nmero natural (distinto de 1) puede escribirse como el producto de primos, de una forma nica, salvo por el orden de los factores. Por ejemplo, 45 = 335. Escriba cada uno de los siguientes nmeros como un producto de primos. (a) 243(b) 124(c) 510076. Utilice el Teorema fundamental de la aritmtica (vase el problema 75) para demostrar que el cuadrado de cualquier nmero natural (distinto de 1) puede escribirse como el producto de un conjunto nico de primos, excepto por el orden de los factores, cada uno de los cuales aparece un nmero par de veces. Por ejemplo, (45)2 = 3 3 3 3 5 5.78. Demuestre que 23 es irracional (vase el problema 77). 79. Demuestre que la suma de dos nmeros racionales es racional. 80. Demuestre que el producto de un nmero racional (distinto de 0) y un nmero irracional es irracional. Sugerencia: intente una demostracin por contradiccin. 81. Cules de los siguientes nmeros son racionales y cules son irracionales? (a) - 29 (b) 0.375 (c) A 3 22 B A 5 22 B (d) A 1 + 23 B 2 82. Un nmero b se denomina cota superior para un conjunto S de nmeros, si x b para toda x en S. Por ejemplo, 5, 6.5 y 13 son cotas superiores para el conjunto S = {1, 2, 3, 4, 5}. El nmero 5 es la mnima cota superior para S (la ms pequea de las cotas superiores). De manera anloga, 1.6, 2 y 2.5 son cotas superiores para el conjunto infinito T = {1.4, 1.49, 1.499, 1.4999,...} mientras que 1.5 es la mnima cota superior. Encuentre la mnima cota superior para cada uno de los siguientes conjuntos, (a) S = 5 -10, - 8, - 6, - 4, -26 (b) S = 5 -2, -2.1, -2.11, - 2.111, -2.1111, 6 (c) S = 52.4, 2.44, 2.444, 2.4444, 6 1 1 1 1 (d) S = E 1 - 2, 1 - 3, 1 - 4, 1 - 5, F n (e) S = {x|x = (-1) + 1>n, n es un entero positivo}; esto es, S es el conjunto de todos los nmeros x que tienen la forma x = (-1)n + 1>n, donde n es un entero positivo. (f) S = {x : x2 6 2, x es un nmero racional}. EXPL 83. El axioma de completez para los nmeros reales dice: todo conjunto de nmeros reales que tiene una cota superior tiene una mnima cota superior que es un nmero real.(a) Demuestre que la proposicin en cursivas es falsa si las palabras reales y real se reemplazan por racionales y racional, respectivamente. (b) La proposicin en cursivas ser verdadera o falsa si las palabras reales y real fuesen reemplazadas por naturales y natural, respectivamente? Respuestas a la revisin de conceptos 1. nmeros racionales 2. densos 3. Si no Q entonces no P. 4. teoremas77. Demuestre que 22 es irracional. Sugerencia: intente una demostracin por contradiccin. Suponga que 22 = p>q, donde p y q son nmeros naturales (necesariamente distintos de 1). Entonces 2 = p2>q2, de modo que 2q2 = p2. Ahora utilice el problema 76 para obtener una contradiccin.0.2 Desigualdades y valor absoluto2(101234(1, 6) = x : 1 < x xFigura 156) 67La resolucin de ecuaciones (por ejemplo, 3x 17 = 6 o x2 x 6 = 0) es una de las tareas tradicionales de las matemticas; en este curso ser importante y suponemos que usted recordar cmo hacerlo. Pero, casi de igual importancia en clculo es la nocin de resolver una desigualdad (por ejemplo, 3x 17 6 6 o x2 x 6 0). Resolver una desigualdad es encontrar el conjunto de todos los nmeros reales que hace que la desigualdad sea verdadera. En contraste con una ecuacin, cuyo conjunto solucin por lo regular consiste en un nmero o quiz en un conjunto finito de nmeros, el conjunto solucin de una desigualdad por lo regular es un intervalo completo de nmeros o, en algunos casos, la unin de tales intervalos.Intervalos Varias clases de intervalos surgirn en nuestro trabajo, para los cuales introducimos una terminologa y notacin especial. La desigualdad a 6 x 6 b, que en realidad son dos desigualdades, a6 x y x 6 b, describe un intervalo abierto que consiste en todos los nmeros entre a y b, pero que no incluye los puntos extremos a y b. Lo denotamos por medio del smbolo (a, b) (vase la figura 1). En contraste, la desigualdad a x b describe el correspondiente intervalo cerrado, que incluye los extremos a y b. 26. Seccin 0.2 Desigualdades y valor absoluto][ 21012354769Se denota como [a, b] (vase la figura 2). La tabla indica la amplia variedad de posibilidades e introduce nuestra notacin.[1, 5] x 1 x 5 Notacin de conjuntosFigura 2Notacin de intervalos{x : a 6 x 6 b}(a, b)x x : < < bGrficaa, b()ab]{x : a x b}[a, b]a, b[ ab{x : a x 6 b}[a, b)a, b[)ab{x : a 6 x b}(a,x : b]a, b(]{x : x b}( - x : , b] b q x x : b x : < b < bab, b], b)b{x : x 6 b}( - x : ,x < b q b){x : x a}[a, q ) a x :a, [{x : x 7 a}(a,x : )x > a qa, (q (- q , R )baa, Resolucin de desigualdades Como con las ecuaciones, el procedimiento para resolver una desigualdad consiste en transformar la desigualdad un paso a la vez hasta que el conjunto solucin sea obvio. Podemos realizar ciertas operaciones en ambos lados de una desigualdad sin cambiar su conjunto solucin. En particular: 1. Podemos sumar el mismo nmero a ambos lados de una desigualdad. 2. Podemos multiplicar ambos lados de una desigualdad por el mismo nmero positivo. 3. Podemos multiplicar ambos lados de una desigualdad por el mismo nmero negativo, pero entonces debemos invertir el sentido del signo de la desigualdad. EJEMPLO 1Resuelva la desigualdad 2x - 7 6 4x - 2 y muestre la grfica de su con-junto solucin.SOLUCIN32x - 7 6 4x - 2(2(15 , 201= x:x>5 22x 6 4x + 532(sume 7)-2x 6 5x 7Figura 3(sume -4x)-5 21(multiplique por - 2 ) La grfica aparece en la figura 3. EJEMPLO 2Resuelva -5 2x + 6 6 4.SOLUCIN 76[Figura 454)321= x:11 2x- 5 2x + 6 6 4 011- 11 2x6 -2(sume -6)- 11 x 26 -1(multiplique por 1 ) 2La figura 4 muestra la grfica correspondiente. 27. 10 Captulo 0 Preliminares Antes de abordar una desigualdad cuadrtica hacemos notar que un factor lineal de la forma x a es positivo para x 7 a y negativo para x 6 a. Se deduce que un producto (x a)(x b) puede cambiar de positivo a negativo, y viceversa, slo en a o b. Estos puntos, en donde el factor es cero, se denominan puntos de separacin. Estos puntos son la clave para determinar los conjuntos solucin de desigualdades cuadrticas y otras desigualdades ms complicadas. EJEMPLO 3Resuelva la desigualdad cuadrtica x2 x 6 6.SOLUCIN Como con las ecuaciones cuadrticas, pasamos todos los trminos distintos de cero a un lado y factorizamos.x2 - x 6 6Punto de Signo de Signo de prueba 1x - 32 1x + 22 1x - 321x + 22 -3 0 5++ ++ 32305 EJEMPLO 4Puntos de prueba()230 1202 3)( 1002)[2+11( , 2) [1, )0[0] 1[1, 3]2los puntos de separacin son y 1. Estos puntos, junto con los puntos de prueba -2, 0 y 2, establecen la informacin que se muestra en la parte superior de la figura 6. Concluimos que el conjunto solucin de la desigualdad consiste en los puntos que se encuentran en A - q , - 2 B o en (1, q). En el lenguaje de conjuntos es la unin (simbolizada 3 con ) de estos dos intervalos; esto es, esA - q , - 2 B 11, q 2. 3 EJEMPLO 5 EJEMPLO 6Figura 7Figura 8B3Resuelvax - 1 0. x + 2SOLUCIN Nuestra inclinacin a multiplicar ambos lados por x + 2 conduce a un dilema inmediato, dado que x + 2 puede ser positivo o negativo. Debemos invertir el signo de la desigualdad o dejarlo como est? En lugar de tratar de desenredar este problema (que requerira dividirlo en dos casos), observamos que el cociente (x - 1)>(x + 2) puede cambiar de signo en los puntos de separacin del numerador y del denominador, esto es, en 1 y -2. Los puntos de prueba -3, 0 y 2 proporcionan la informacin de la parte superior de la figura 7. El smbolo n indica que el cociente no est definido en -2. Concluimos que el conjunto solucin es (-q, -2) [1, q). Observe que -2 no pertenece al conjunto solucin ya que ah el cociente est indefinido. Por otra parte, 1 est incluido ya que la desigualdad se cumple cuando x = 1. Figura 6n+1( , 3 (1, )12 3-2 3+0Resuelva 3x2 - x - 2 7 0.3x2 - x - 2 = 13x + 221x - 12 = 31x - 12 A x +Figura 5+( factorice)SOLUCIN Ya que(2, 3)+(sume - 6 )Vemos que 2 y 3 son los puntos de separacin; dividen la recta real en tres intervalos (-q, -2), (-2, 3) y (3, q). En cada uno de estos intervalos (x - 3)(x + 2) conserva el signo; esto es, ah siempre es positivo o siempre negativo. Para determinar este signo en cada intervalo, utilizamos los puntos de prueba -3, 0 y 5 (cualesquiera otros puntos en estos intervalos sirven). Nuestros resultados se muestran en la tabla al margen. La informacin que hemos obtenido se resume en la parte superior de la figura 5. Concluimos que el conjunto solucin para (x - 3)(x + 2) 6 0 es el intervalo (-2, 3). Su grfica se muestra en la parte inferior de la figura 5. Puntos de separacin +x2 - x - 6 6 01x - 321x + 22 6 0+ ++Resuelva (x + 1)(x - 1)2(x - 3) 0.SOLUCIN Los puntos de separacin son -1, 1 y 3, los cuales dividen la recta real en cuatro intervalos, como se muestra en la figura 8. Despus de probar todos estos intervalos, concluimos que el conjunto solucin es [-1, 1] [1, 3] que es el intervalo [-1, 3]. EJEMPLO 7Resuelva 2.9 61 6 3.1. x 28. Seccin 0.2 Desigualdades y valor absoluto11SOLUCIN Es tentador multiplicar por x, pero esto nuevamente lleva al dilema de que x puede ser positiva o negativa. Sin embargo, en este caso,1 debe estar entre 2.9 y x3.1, lo cual garantiza que x es positivo. Por lo tanto, es vlido multiplicar por x y no invertir las desigualdades. As,2.9x 6 1 6 3.1x En este punto debemos dividir esta desigualdad compuesta en dos desigualdades, que resolvemos de manera separada2.9x 6 1 x 61 2.9y y1 6 3.1x 1 6 x 3.1Cualquier valor de x que satisfaga la desigualdad original debe satisfacer ambas desigualdades. Por lo tanto, el conjunto solucin consiste en aquellos valores de x que satisfacen1 1 6 x 6 3.1 2.9 10 3110 290.320.33(Esta desigualdad puede escribirse como0.34, 10 31 2910 10 6 x 6 31 290.35)El intervalo A 31, 29 B se muestra en la figura 9. 10 10Figura 9Valores absolutos El concepto de valor absoluto es extremadamente til en clculo, y el lector debe adquirir habilidad para trabajar con l. El valor absoluto de un nmero real x, denotado por x est definido como 4=440 3 ( 2) 4x = x231si x 6 04 2 Por ejemplo, 6 = 6, | 0 | = 0 y | -5 | = -(-5) = 5. Esta definicin dada en dos partes merece un estudio cuidadoso. Observe que no dice que | -x | = x (para ver por qu, pruebe con -5). Es cierto que |x| siempre es no negativo; tambin es verdadero que | -x | = | x |. Una de las mejores formas de pensar en el valor absoluto de un nmero es como una distancia no dirigida. En particular, | x | es la distancia entre x y el origen. De manera anloga, | x - a | es la distancia entre x y a (vase la figura 10).=510xasi x 0 x = -x 4 = 4324axaxEl valor absoluto se comporta de manera adecuada con la multiplicacin y la divisin, pero no as con la suma y la resta.PropiedadesFigura 10Propiedades del valor absoluto 1. ab = a b 3. a + b a + b 2. `a a ` = b b(desigualdad del tringulo)4. a - b a - b 54(32101)234x354)3 32101x3Figura 112( 34Desigualdades que incluyen valores absolutos Si | x | 6 3, entonces la distancia entre x y el origen debe ser menor que 3. En otras palabras, x debe ser simultneamente menor que 3 y mayor que -3; esto es, -3 6 x 6 3. Por otra parte, si | x | 7 3, entonces la distancia entre x y el origen debe ser mayor que 3. Esto puede suceder cuando x 7 3 o x 6 -3 (vase la figura 11). stos son casos especiales de las siguientes proposiciones generales que se cumplen cuando a 7 0.(1) x 6 a 3 -a 6 x 6 a x 7 a 3 x 6 -a o x 7 a 29. 12 Captulo 0 Preliminares Podemos utilizar estos hechos para resolver desigualdades que impliquen valores absolutos, ya que proporcionan una manera de quitar los signos de valor absoluto.EJEMPLO 8 Resuelva la desigualdad | x - 4 | 6 2 y muestre el conjunto solucin en la recta real. Interprete el valor absoluto como una distancia. SOLUCIN Con base en las proposiciones en (1), sustituyendo x por x - 4, vemos que x - 4 6 2 3 -2 6 x - 4 6 20(2134)567x4 2Figura 12Cuando sumamos 4 a los tres miembros de esta ltima desigualdad, obtenemos 2 6 x 6 6. La grfica se muestra en la figura 12. En trminos de distancia, el smbolo | x - 4 | representa la distancia entre x y 4. Por lo tanto, la desigualdad dice que la distancia entre x y 4 debe ser menor a 2. Los nmeros x con esta propiedad son los nmeros entre 2 y 6; esto es, 2 6 x 6 6. Las proposiciones (1) dadas antes del ejemplo 8 son vlidas cuando 6 y 7 son reemplazadas por y , respectivamente. Necesitamos la segunda proposicin en esta forma para nuestro ejemplo siguiente. EJEMPLO 9Resuelva la desigualdad | 3x - 5 | 1 y muestre su conjunto solu-cin en la recta real. SOLUCIN La desigualdad dada puede escribirse de manera sucesiva como3x - 5 - 1 3x 4 x 101][ 2( , 4 34 3o o o3x - 5 1 3x 6 x 2El conjunto solucin es la unin de dos intervalos, A - q , 4 D [2, q 2, y se muestra en 3 la figura 13. 34 2, 56)Figura 13En el captulo 1 necesitaremos hacer la clase de manipulaciones que se ilustran en los dos ejemplos siguientes. Delta (d) y psilon (e) son la cuarta y quinta letras, respectivamente, del alfabeto griego y se utilizan de manera tradicional para representar nmeros positivos pequeos. EJEMPLO 10Sea e (psilon) un nmero positivo. Demuestre quex - 2 6e 3 5x - 10 6 e 5En trminos de distancia, esto dice que la distancia entre x y 2 es menor que e>5, si y slo si la distancia entre 5x y 10 es menor que e. SOLUCINx - 2 6e 535x - 26 e3Observe dos hechos acerca de nuestra solucin para el ejemplo 11. 1. El nmero que encontramos para d debe depender de e. nuestra eleccin es d = e/6. 2. Cualquier nmero positivo d ms pequeo que e/6 es aceptable. Por ejemplo d = e/7 o d = e/(2p) son otras opciones correctas. EJEMPLO 11 51x - 22 6 e3 Determinacin de delta3 5 1x - 22 5x - 10 (multiplique por 5)1 5 = 526 e6 e1 a b = ab 2 Sea e un nmero positivo. Encuentre un nmero positivo d (delta)tal que x - 3 6 d Q 6x - 18 6 e SOLUCIN 6x - 18 6 e 3 61x - 32 6 e 36x - 3 6 e3x - 3 6e 61 ab = a b 2 amultiplique por1 b 6 30. Seccin 0.2 Desigualdades y valor absoluto13Por lo tanto, elegimos d = e>6. Siguiendo las implicaciones de regreso, vemos quex - 3 6 d Q x - 3 6L ITRO 0. 5 0 .5A continuacin se presenta un problema prctico que utiliza el mismo tipo de razonamiento.0. 4 0 .4he Q 6x - 18 6 e 60. 3 0 .3 EJEMPLO 121 Un vaso de precipitados de 2 litro (500 centmetros cbicos) tiene un radio interno de 4 centmetros. Con qu exactitud debemos medir la altura h del agua en el vaso para asegurar que tenemos 1 litro de agua con un error de menos de 2 1%, esto es, un error de menos de 5 centmetros cbicos? Vase la figura 14.0. 2 0 .2 0. 1 0 .1Figura 14SOLUCIN El volumen V de agua en el vaso est dado por la frmula V = 16ph. Queremos que | V - 500 | 6 5 o, de manera equivalente, | 16ph - 500 | 6 5. Ahora 16ph - 500 6 5 3 ` 16pa h -500 b` 6 5 16p3 3Notacin para las races cuadradas Todo nmero positivo tiene dos races cuadradas. Por ejemplo, las dos races cuadradas de 9 son 3 y -3. En ocasiones, representamos estos dos nmeros como ;3. Para a 0, el smbolo 1a, que se denomina raz cuadrada principal de a, denota la raz cuadrada no negativa de a. Por lo tanto, 29 = 3 y 2121 = 11. Es incorrecto escribir 216 = ; 4 ya que 216 significa la raz cuadrada no negativa de 16; esto es, 4. El nmero 7 tiene dos races cuadradas, que se escriben como ; 27, pero 27 representa un solo nmero real. Recuerde esto: a2 = 16tiene dos soluciones, a = -4 y a = 4, pero16p ` h -`h -3500 ` 6 5 16p 500 5 ` 6 16p 16p h - 9.947 6 0.09947 L 0.1As, debemos medir la altura con una precisin de alrededor de 1 milmetro.Frmula cuadrtica La mayora de los estudiantes recordarn la Frmula cuadrtica. Las soluciones a la ecuacin cuadrtica ax2 + bx + c = 0 estn dadas porx =- b ; 2b2 - 4ac 2aEl nmero d = b2 - 4ac se llama discriminante de la ecuacin cuadrtica. Esta ecuacin tiene dos soluciones reales si d 7 0, una solucin real si d = 0 y soluciones no reales si d 6 0. Con la frmula cuadrtica, fcilmente podemos resolver desigualdades cuadrticas, incluso, si no se pueden factorizar por inspeccin. EJEMPLO 13Resuelva x 2 - 2x - 4 0.SOLUCIN Las dos soluciones de x2 - 2x - 4 = 0 son216 = 4x1 =- 1 - 22 - 24 + 16 2= 1 - 25 L - 1.24yx2 =- 1 - 22 + 24 + 16 = 1 + 25 L 3.24 2As,x2 - 2x - 4 = 1x - x121x - x22 = A x - 1 + 25 B A x - 1 - 25 B=1051+[ 21Figura 15=+ 0+ 5Los puntos de separacin 1 - 25 y 1 + 25 dividen a la recta real en tres intervalos (vase la figura 15). Cuando los comprobamos con los puntos de prueba -2, 0 y 4, concluimos que el conjunto solucin para x2 - 2x - 4 0 es C 1 - 25, 1 + 25 D . Cuadrados Regresando a los cuadrados, notemos que] 012345 x 2 = x2 y x = 2x2 31. 14 Captulo 0 Preliminares Notacin para races Si n es nmero par y a 0, el smn bolo 1 a denota la raz n-sima no negativa de a. Cuando n es impar, slo existe una raz n-sima real de n a, denotada por el smbolo 1 a. Por lo tanto, 216 = 2, 2 27 = 3, y 4 3 2 - 8 = - 2. 3Esto se deduce de la propiedad | a || b | = | ab |. La operacin de elevar al cuadrado preserva las desigualdades? En general, la respuesta es no. Por ejemplo, -3 6 2, pero (-3)2 7 22. Por otra parte, 2 6 3 y 22 6 32. Si tratamos con nmeros no negativos, entonces a 6 b 3 a2 6 b2. Una variante til de esto (vase el problema 63) es x 6 y 3 x2 6 y2 EJEMPLO 14Resuelva la desigualdad | 3x + 1 | 6 2 | x - 6 |.SOLUCIN Esta desigualdad es ms difcil de resolver que nuestros ejemplos anteriores, debido a que hay dos signos de valor absoluto. Podemos eliminar ambos al usar el resultado del ltimo recuadro. 3x + 1 6 2x - 12 3x + 1 6 2 x - 6 313x + 122 6 12x - 12223 3 39x2 + 6x + 1 6 4x2 - 48x + 144 5x + 54x - 143 6 0 23 1x + 13215x - 112 6 0Los puntos de separacin para esta desigualdad cuadrtica son -13 y 11 ; estos puntos 5 dividen la recta real en tres intervalos 1 - q , - 132, A - 13, 11 B , y A 11 , q B . Cuando utili5 5 zamos los puntos de prueba -14, 0 y 3, descubrimos que slo los puntos en A - 13, 11 B 5satisfacen la desigualdad.Revisin de conceptos 1. El conjunto {x: -1 x 6 5} se escribe en notacin de intervalos como ________ y el conjunto {x: x -2} se escribe como ________. 2. Si a>b 6 0, entonces a 6 0 y ________ o bien a 7 0 y ________.3. Cules de las ecuaciones siguientes siempre son verdaderas? (a) - x = x (b) x 2 = x2 (c) xy = x y (d) 2x2 = x 4. La desigualdad | x - 2 | 3 es equivalente a ________ x ________.Conjunto de problemas 0.2 1. Muestre cada uno de los intervalos siguientes en la recta real. (a) [-1, 1] (b) 1-4, 1] (c) 1-4, 12(d) [1, 4]3. x - 7 6 2x - 54. 3x - 5 6 4x - 6(f)(e) [-1, q 25. 7x - 2 9x + 36. 5x - 3 7 6x - 47. -4 6 3x + 2 6 58. -3 6 4x - 9 6 111 - q , 0]2. Utilice la notacin del problema 1 para describir los intervalos siguientes. (a)235476)[ 3821021(c)435] 765321(d)43201210][349. - 3 6 1 - 6x 410. 4 6 5 - 3x 6 711. x 2 + 2x - 12 6 012. x 2 - 5x - 6 7 013. 2x 2 + 5x - 3 7 0)( 1(b)En cada problema del 3 al 26 exprese el conjunto solucin de la desigualdad dada en notacin de intervalos y bosqueje su grfica.14. 4x 2 - 5x - 6 6 015.x + 4 0 x - 316.3x - 2 0 x - 117.2 6 5 x18.7 7 4x19.1 4 3x - 220.3 7 2 x + 5 32. Seccin 0.2 Desigualdades y valor absoluto 21. 22. 23. 24. 25.1x + 221x - 121x - 32 7 0 12x + 3213x - 121x - 22 6 0 12x - 321x - 1221x - 32 0 12x - 321x - 1221x - 32 7 0 x3 - 5x2 - 6x 6 0 26. x 3 - x 2 - x + 1 7 0e Q 6x - 12 6 e 6 e 52. x + 4 6 Q 2x + 8 6 e 2 51. x - 2 627. Indique si cada una de las proposiciones siguientes es verdadera o falsa. (a) - 3 6 - 7(b) -1 7 - 17(c)-3 6 -En los problemas del 53 al 56 determine d (dependiente de e) de modo que la implicacin dada sea verdadera. 53. x - 5 6 d Q 3x - 15 6 e22 754. x - 2 6 d Q 4x - 8 6 e 55. x + 6 6 d Q 6x + 36 6 e28. Indique si cada una de las proposiciones siguientes es verdadera o falsa. (a) -5 7 - 226(b)6 34 6 7 39(c)-44 5 6 7 5929. Suponga que a 7 0, b 7 0. Demuestre cada proposicin. Sugerencia: cada parte requiere de dos demostraciones: una para Q y otra para P . (a) a 6 b 3 a 2 6 b2(b) a 6 b 31 1 7 a b30. Si a b, cules de las proposiciones siguientes son verdaderas? (a) a 2 ab(b) a - 3 b - 3(c) a3 a 2b(d) -a - b31. Encuentre todos los valores de x que satisfagan, de manera simultnea, ambas desigualdades. (a) 3x + 7 7 1 y 2x + 1 6 3 (b) 3x + 7 7 1 y 2x + 1 7 - 4 (c) 3x + 7 7 1 y 2x + 1 6 - 4 32. Encuentre todos los valores de x que satisfacen al menos una de las dos desigualdades. (a) 2x - 7 7 1 o bien 2x + 1 6 3 (b) 2x - 7 1 o bien 2x + 1 6 3 (c) 2x - 7 1 o bien 2x + 1 7 3 33. Resuelva para x, exprese su respuesta en notacin de intervalos.56. x + 5 6 d Q 5x + 25 6 e 57. En un torno, usted desea fabricar un disco (cilindro circular recto delgado) con circunferencia de 10 pulgadas. Esto se realiza midiendo de manera continua el dimetro conforme se hace el disco ms pequeo. Qu tan exacto debe medir el dimetro si puede tolerar un error de, a lo sumo, 0.02 pulgadas en la circunferencia? 58. Las temperaturas Fahrenheit y las temperaturas Celsius es5 tn relacionadas por la frmula C = 91F - 322. Un experimento requiere mantener una solucin a 50C con un error de 3% (o 1.5), a lo sumo. Usted slo tiene un termmetro Fahrenheit. Qu error se le permite en el experimento? En los problemas del 59 al 62 resuelva las desigualdades. 59. x - 1 6 2 x - 3 60. 2x - 1 x + 1 61. 2 2x - 3 6 x + 10 62. 3x - 1 6 2 x + 6 63. Demuestre que x 6 y 3 x2 6 y 2 dando una razn para cada uno de los siguientes pasos.x 6 y Q x x x y(b) 2.99 6Recprocamente,x2 6 y2 Q x 2 6 y 2 Q x2 - y2 6 0Q 1 x - y 21 x + y 2 6 0 Q x - y 6 0 Q x 6 y1 6 3.01 x + 264. Utilice el resultado del problema 63 para demostrar queEn los problemas del 35 al 44 determine los conjuntos solucin de las desigualdades dadas. 35. x - 2 5 37. 4x + 5 1036. x + 2 6 1 38. 2x - 1 7 239. `40. `2x - 5` 7 7 41. 5x - 6 7 1 1 43. ` - 3 ` 7 6 xx + 1` 6 1 4 42. 2x - 7 7 3 5 44. ` 2 + ` 7 1 xEn los problemas del 45 al 48 resuelva la desigualdad cuadrtica por medio de la frmula cuadrtica. 45. x 2 - 3x - 4 046. x 2 - 4x + 4 047. 3x + 17x - 6 7 00 6 a 6 b Q 1a 6 1b 65. Utilice las propiedades del valor absoluto para demostrar que cada una de las siguientes proposiciones son verdaderas. (a)a - b a + b(c)a + b + c a + b + cEn los problemas 49 al 52 muestre que la implicacin indicada es verdadera. 49. x - 3 6 0.5 Q 5x - 15 6 2.5 50. x + 2 6 0.3 Q 4x + 8 6 1.2(b) a - b a - b 66. Utilice la desigualdad del tringulo y el hecho de que 0 6 | a | 6 | b | Q 1>| b | 6 1>| a |, para establecer la siguiente cadena de desigualdades.`1 x2 + 3-1 1 1 1 1 ` 2 + + 3 2 x + 2 x + 2 x + 348. 14x2 + 11x - 15 02x y 6 y yQ x2 6 y234. Resuelva cada desigualdad. Exprese su solucin en notacin de intervalos.1 6 2.01 xyQ x2 6 y2(a) 1x + 121x 2 + 2x - 72 x 2 - 1 (b) x 4 - 2x 2 8 (c) 1x 2 + 122 - 71x 2 + 12 + 10 6 0(a) 1.99 61567. Demuestre que (vase el problema 66)`x - 2 x2 + 9` x + 2 968. Demuestre quex 2 Q `x2 + 2x + 7 x2 + 1` 15 33. 16 Captulo 0 Preliminares 69. Demuestre que x 1 Q x4 + 1 x3 + 1 x2 + 1 x + 2 4 81 16 6270. Demuestre cada una de las siguientes proposiciones: (a) x 6 x2 para x 6 0 o x 7 1 (b) x2 6 x para 0 6 x 6 1 71. Demuestre que a Z 0 Q a 2 + 1/a 2 2. Sugerencia: considere (a - 1>a)2.72. El nmero 21a + b2 se le llama promedio, o media aritmtica, de a y b. Demuestre que la media aritmtica de dos nmeros est entre los dos nmeros; es decir, pruebe que 1a 6 b Q a 6a + b 6 b 273. El nmero 1ab se denomina media geomtrica de los dos nmeros positivos a y b. Pruebe que0 6 a 6 b Q a 6 1ab 6 b 74. Para dos nmeros positivos a y b, pruebe que1ab 11a + b2 20.3 El sistema de coordenadas rectangulares y 3 2III 132011276. Resuelva 1 + x + x 2 + x 3 + + x 99 0. 77. La frmula1 1 1 1 = + + proporciona la resistencia R R1 R2 R3total R en un circuito elctrico debida a tres resistencias, R1, R2 y R3, conectadas en paralelo. Si 10 R1 20, 20 R2 30 y 30 R3 40, determine el rango de valores de R. 78. El radio de una esfera mide aproximadamente 10 pulgadas. Determine una tolerancia d en la medicin que asegure un error menor que 0.01 pulgadas cuadradas en el valor calculado del rea de la superficie de la esfera. Respuestas a la revisin de conceptos. 1. [ -1, 52; 1- q , -2] 2. b 7 0; b 6 0 3. (b) and (c) 4. - 1 x 5En el plano, produzca dos copias de la recta real, una horizontal y la otra vertical, de modo que se intersecten en los puntos cero de las dos rectas. Las dos rectas se denominan ejes coordenados, su interseccin se etiqueta con O y se denomina origen. Por convencin, la recta horizontal se llama eje x y la recta vertical se llama eje y. La mitad positiva del eje x es hacia la derecha, la mitad positiva del eje y es hacia arriba. Los ejes coordenados dividen al plano en cuatro regiones llamadas cuadrantes, que llevan las marcas I, II, III y IV, como se muestra en la figura 1. Ahora, cada punto P en el plano puede asignarse a una pareja de nmeros, llamados coordenadas cartesianas. Si una lnea vertical y otra horizontal que pasan por P intersectan los ejes x y y en a y b, respectivamente, entonces P tiene coordenadas (a, b) (vase la figura 2). Llamamos a (a, b) un par ordenado de nmeros debido a que es importante saber cul nmero est primero. El primer nmero, a, es la coordenada x (o abscisa); el segundo nmero, b, es la coordenada y (u ordenada).La frmula de la distancia Con coordenadas a la mano, podemos introducir una frmula sencilla para la distancia entre cualesquiera dos puntos en el plano. Tiene como base el Teorema de Pitgoras, el cual dice que si a y b son las medidas de los dos catetos de un tringulo rectngulo y c es la medida de su hipotenusa (vase la figura 3), entoncesIV275. Demuestre que, entre todos los rectngulos con un permetro dado p, el cuadrado tiene la mayor rea. Sugerencia: si a y b denotan las longitudes de los lados adyacentes de un rectngulo de permetro p, entonces el rea es ab, y para el cuadrado el rea es a2 = [(a + b)>2]2. Ahora vea el problema 74.x31IIIsta es la versin ms sencilla de una famosa desigualdad llamada desigualdad de la media geomtrica - media aritmtica.3Figura 1 y (a, b)ba 2 + b2 = c 22 13211 1 2Figura 223axRecprocamente, la relacin entre los tres lados de un tringulo se cumple slo para un tringulo rectngulo. Ahora considrese cualesquiera dos puntos P y Q, con coordenadas (x1, y1) y (x2, y2), respectivamente. Junto con R, el punto de coordenadas (x2, y1), P y Q son los vrtices de un tringulo rectngulo (vase la figura 4). Las longitudes de PR y RQ son | x2 x1 | y | y2 - y1 |, respectivamente. Cuando aplicamos el Teorema de Pitgoras y tomamos la raz cuadrada principal de ambos lados, obtenemos la expresin siguiente para la frmula de la distanciad1P, Q2 = 21x2 - x122 + 1y2 - y122 34. Seccin 0.3 El sistema de coordenadas rectangulares EJEMPLO 1 a2 b2 c2Encuentre la distancia entre (b) P A 22, 23 B y Q1p, p2(a) P1 -2, 32 y Q14, - 12bc17SOLUCIN (a) d1P, Q2 = 214 - 1- 2222 + 1 - 1 - 322 = 236 + 16 = 252 L 7.21a(b) d1P, Q2 = 3 A p - 22 B 2 + A p - 23 B 2 L 24.971 L 2.23Figura 3Q(x2, y2)yLa frmula es vlida incluso si los dos puntos pertenecen a la misma recta horizontal o a la misma recta vertical. As, la distancia entre P(-2, 2) y Q(6, 2) es216 - (- 2)22 + 12 - 222 = 264 = 8 y2 y1 x2 P(x1,1La ecuacin de una circunferencia Es un paso pequeo ir de la frmula de lax1 )R( 2, y1) xdistancia a la ecuacin de una circunferencia. Una circunferencia es el conjunto de puntos que estn a una distancia fija (el radio) de un punto fijo (el centro). Por ejemplo, considere la circunferencia de radio 3 con centro en (-1, 2) (vase la figura 5). Sea (x, y) un punto cualquiera de esta circunferencia. Por medio de la frmula de la distancia,21x + 122 + 1y - 222 = 3Figura 4Cuando elevamos al cuadrado ambos lados obtenemosy (x, y) 3 (1, 2) 41x + 122 + 1y - 222 = 9432 13que llamamos la ecuacin de esta circunferencia. En forma ms general, la circunferencia de radio r y centro (h, k) tiene la ecuacin2 112xFigura 51x - h22 + 1y - k22 = r2(1)A esto le llamamos ecuacin estndar de una circunferencia. EJEMPLO 2Determine la ecuacin estndar de una circunferencia de radio 5 y centro en (1, -5). Tambin, encuentre las ordenadas de los dos puntos en esta circunferencia con abscisa 2. SOLUCIN La ecuacin buscada es1x - 122 + 1y + 522 = 25 Circunferencia 4 Ecuacin Decir que 1x + 122 + 1y - 222 = 9 es la ecuacin de la circunferencia de radio 3 con centro (-1, 2) significa dos cosas: 1. Si un punto est en esta circunferencia, entonces sus coordenadas (x, y) satisfacen la ecuacin. 2. Si x y y son nmeros que satisfacen la ecuacin, entonces son las coordenadas de un punto en la circunferencia.Para realizar la segunda tarea, sustituimos x = 2 en la ecuacin y despejamos la y.12 - 122 + 1y + 522 = 25 1y + 522 = 24 y + 5 = ; 224 y = - 5 ; 224 = - 5 ; 2 26Si desarrollamos los dos cuadrados en el recuadro (1) y reducimos las constantes, entonces la ecuacin adquiere la formax2 + ax + y2 + by = c Esto sugiere la pregunta de si toda ecuacin de la ltima forma es la ecuacin de una circunferencia. La respuesta es s, con algunas excepciones obvias. 35. 18 Captulo 0 Preliminares EJEMPLO 3Demuestre que la ecuacinx2 - 2x + y2 + 6y = - 6 representa una circunferencia, y determine su centro y su radio. SOLUCIN Necesitamos completar el cuadrado, un importante proceso en muchos contextos. Para completar el cuadrado de x2 ; bx, sumamos (b>2)2. As, sumamos (-2>2)2 = 1 a x2 - 2x y (6>2)2 = 9 a y2 + 6y, y por supuesto debemos aadir los mismos nmeros al lado derecho de la ecuacin, para obtenerx2 - 2x + 1 + y2 + 6y + 9 = - 6 + 1 + 9 1x - 122 + 1y + 322 = 4La ltima ecuacin est en la forma estndar. Es la ecuacin de una circunferencia con centro en (1, -3) y radio 2. Si, como resultado de este proceso, obtuvisemos un nmero negativo en el lado derecho de la ecuacin final, la ecuacin no representara curva alguna. Si obtuvisemos cero, la ecuacin representara un solo punto (1, -3). y1 (y 2+ y2)La frmula del punto medio Considere dos puntos P(x1, y1) y Q(x2, y2) con x1 x2 y y1 y2, como en la figura 6. La distancia entre x1 y x2 es x2 - x1. Cuando le 1 sumamos la mitad de esta distancia, 21x2 - x12, a x1, obtenemos el punto medio entre x1 y x2.Q(x2, y2)y2 M P(x , y1)y1x1 + x1Figura 61( 2 1+ x2)x2xx1 + x2 1 1 1 1 1 1x2 - x12 = x1 + x2 - x1 = x1 + x2 = 2 2 2 2 2 2Por lo tanto, el punto (x1 + x2)>2 es el punto medio entre x1 y x2 sobre el eje x y, en consecuencia, el punto medio M del segmento PQ tiene a (x1 + x2)>2 como su coordenada x. De manera anloga, podemos mostrar que (y1 + y2)>2 es la coordenada y de M. As, tenemos la frmula del punto medio El punto medio del segmento de recta que une P(x1, y1) y Q(x2, y2) esax1 + x2 y1 + y2 , b 2 2EJEMPLO 4 Determine la ecuacin de la circunferencia que tiene como un dimetro el segmento que va de (1, 3) a (7, 11). SOLUCIN El centro de la circunferencia est en el punto medio del dimetro; por lo tanto, el centro tiene coordenadas (1 + 7)>2 = 4 y (3 + 11)>2 = 7. La longitud del dimetro, obtenida por medio de la frmula de distancia, es217 - 122 + 111 - 322 = 236 + 64 = 10 de modo que el radio de la circunferencia es 5. La ecuacin de la circunferencia es1x - 422 + 1y - 722 = 25Rectas Considere la recta de la figura 7. Del punto A al punto B existe una elevacin (cambio vertical) de 2 unidades y un avance (cambio horizontal) de 5 unidades. Decimos que la recta tiene una pendiente de 2>5. En general (vase la figura 8), para una recta que pasa por A(x1, y1) y B(x2, y2), en donde x1 Z x2, definimos la pendiente m de esa recta comom =y2 - y1 elevacin = x2 - x1 avance 36. Seccin 0.3 El sistema de coordenadas rectangulares B(x2,y192)y 5yB(8, 4)B'(x'2, y' ) 2B( 2, y )4y2 y13A(3, 2)A'(x' , y' ) 1A(x1 y1)2x2 x1112345678A(x1, y1)xFigura 7xxFigura 8Figura 9El valor que obtuvimos para la pendiente depende de la pareja de puntos que utilicemos para A y B? Los tringulos semejantes en la figura 9 nos muestran que y2 - y1 y2 - y1 = x2 - x1 x2 - x1As, los puntos A y B daran lo mismo que A y B. Incluso, no importa si A est a la izquierda o a la derecha de B, ya quey2 - y1 y1 - y2 = x1 - x2 x2 - x1Grado (nivel) e inclinacin El smbolo internacional para la pendiente de un camino (llamado grado) se muestra abajo. El grado est dado como porcentaje. Un grado de 10% corresponde a una pendiente de 0.10.Todo lo que importa es que restemos las coordenadas en el mismo orden en el numerador y el denominador. La pendiente m es una medida de la inclinacin de una recta, como se ilustra en la figura 10. Observe que una recta horizontal tiene pendiente cero, una recta que se eleva hacia la derecha tiene pendiente positiva y una recta que desciende a la derecha tiene pendiente negativa. Mientras mayor sea el valor absoluto de la pendiente, ms inclinada ser la recta. El concepto de pendiente de una recta vertical no tiene sentido, ya que implicara la divisin entre cero. Por lo tanto, la pendiente para una recta vertical se deja indefinida. m71 0 210y = 3 7m=(0, 7)71 4 2(4, 7)%m=6Los carpinteros utilizan el trmino inclinacin. Una inclinacin de 9:12 9 corresponde a una pendiente de 12.= 34 1 4 2=3 25m3 1 2 2=1 2(4, 4)4m=(2, 1)32 1 4=1 2(2, 3) 92(4, 2) (6, 1)125y (x, y)4(8, 4)320123456781 1 6 2910= 0 xRectas con pendientes diferentesFigura 10y2(3, 2) 24m=x3La forma punto-pendiente Otra vez, considere la recta de nuestro estudio ini2Figura 11468xcial; se reproduce en la figura 11. Sabemos que esta recta 1. pasa por (3, 2) y 2 2. tiene pendiente 5. 37. 20 Captulo 0 Preliminares Tome cualquier otro punto de esta recta, como el que tiene coordenadas (x, y). Si utilizamos este punto y el punto (3, 2) para medir la pendiente, debemos obtener 2 , 5 es decir,y - 2 2 = x - 3 5 o, despus de multiplicar por x - 3,y - 2 = 21x - 32 5Observe que a esta ltima ecuacin la satisfacen todos los puntos de la recta, incluso (3, 2). Adems, ningn punto que no pertenezca a la recta puede satisfacer esta ecuacin. Lo que acabamos de hacer en un ejemplo lo podemos hacer en general. La recta que pasa por el punto (fijo) (x1, y1) con pendiente m tiene ecuaciny - y1 = m1x - x12 A esta forma le llamamos punto-pendiente de la ecuacin de una recta. Una vez ms considere la recta de nuestro ejemplo. Esa recta pasa por (8, 4), as como por (3, 2). Si utilizamos (8, 4) como (x1, y1), obtenemos la ecuaciny - 4 = 21x - 82 5la cual parece muy diferente de y - 2 = 51x - 32. Sin embargo, ambas pueden simplificarse a 5y - 2x = 4; son equivalentes. 2 EJEMPLO 5Determine una ecuacin de la recta que pasa por (-4, 2) y (6, -1).SOLUCIN La pendiente es m = 1 -1 - 22>16 + 42 = - 10. Por lo tanto, usando (-4, 2) como el punto fijo obtene