Funciones reales

Cálculo avanzado. Conjuntos. Función. Pares. Impares. Periódicas. Continuas

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Primer trabajo de

Calculo Avanzado.

“Algunas funciones reales”

Introducción.

Una relación entre dos conjuntos X e Y es un conjunto de pares ordenados, cada uno de la forma (x,y) donde x es un elemento de X e y, uno de Y.

Es posible que la idea central en matemáticas sea el concepto de función. Al parecer, la palabra función fue introducida por René Descartes en 1637. Para él una función significaba tan sólo cualquier potencia entera positiva de una variable x. Gottfried Wilhelm von Leibniz, quien siempre enfatizó el lado geométrico de las matemáticas, utilizó la palabra función para denotar cualquier cantidad asociada con una curva, tal como las coordenadas de un punto sobre la curva. Leonhard Euler, identificaba cualquier ecuación o fórmula que contuviera variables y constantes con la palabra función; esta idea es similar a la utilizada ahora con frecuencia en los cursos que preceden al de cálculo. Posteriormente, el uso de funciones en el estudio de las ecuaciones sobre el flujo de calor condujo a una definición muy amplia, debida a Lejeune Dirichlet, la cual describe a una función como una regla de correspondencia entre dos conjuntos.

Definición de función:

Sean X e Y dos conjuntos de números reales. Una función real f de una variable real x de X e Y es una correspondencia que asigna a cada número x de X exactamente un número y de Y.

El conjunto X se llama dominio de f. El número y se denomina la imagen de x por f y se denota f(x). El recorrido de f se define como el subconjunto de Y formado por todas las imágenes de los números de X.

La gráfica de una función está formada por todos los puntos (x,f(x)), donde x pertenece al dominio de f.

x = distancia dirigida desde el eje y.

f(x)= distancia dirigida desde el eje x.

Una recta vertical puede cortar la gráfica de una función de x a lo sumo una vez en caso contrario la gráfica no pertenecería a la de una función.

Funciones pares.

Una función es par si para todo número x perteneciente a su dominio, el numero -x también está en el dominio y además:

f(x)= f(-x)

Además si analizamos gráficamente una función es par si, y solo si, su grafica es simétrica con respecto al eje y.

Ejemplo: f(x) = x2-5

Reemplazamos x por -x en f(x) = x2-5. Entonces:

f(-x) = (-x)2 - 5 = x2 - 5 = f(x). por lo tanto la función es par.

Funciones reales

Como se puede apreciar en el gráfico, la función es simétrica con respecto al eje y. Por lo tanto es par

Además son funciones pares todos aquellos polinomios de la forma xp en donde p es un número par.

Otros ejemplos son:

Funciones reales
Funciones reales

Estos son algunos pocos ejemplos de funciones pares.

Para nuestro estudio, mayormente para series e integrales de fourier, las funciones pares tienen propiedades que son muy útiles, por ejemplo para integrar una función par en un intervalo [ a, -a ] procederíamos de la siguiente manera:

a a

" f(x) dx = 2 " f(x) dx . con f(x) función par

-a 0

Esta manera de proceder nos ahorrará mucho tiempo y además facilitará el cálculo de algunas integrales que podrían resultadas complicadas de resolver.

Funciones impares

Una función es impar si para todo número x perteneciente a su dominio, el número -x también está en el dominio y además

f(-x) = -f(x)

Si analizamos gráficamente decimos que una función es impar si, y solo si, su gráfica es simétrica respecto al origen.

Ejemplo : f(x) = x3 - x

La función es impar, ya que

f(-x)= (-x)3 - (-x) = -x3 + x = -(x3 - x) = -f(x)

Funciones reales

Como se aprecia en la gráfica , la función es simétrica respecto al origen por lo tanto la función es impar

Son funciones impares también aquellos polinomios de la forma xk en donde k es número impar.

Otros ejemplos:

Funciones reales
Funciones reales

Al igual que las funciones pares, las funciones impares poseen propiedades que son fundamentales para el calculo de series e integrales de fourier.

En este caso para integrar una función impar en el intervalo [ -a , a ] procedemos de la siguiente manera

a

" g(x) dx = 0 con g(x) función impar

-a

Ahora que hemos visto funciones pares e impares podemos analizar los siguiente:

Sean f(x) y u(x) funciones pares cualesquiera y g(x) y h(x) funciones impares cualesquiera; entonces:

f(x) * u(x)= función par

g(x) * h(x)= función par

f(x) * g(x)= función impar

h(x) * u(x)= función impar.

Extensión par e impar de una función

Algunas funciones pueden ser pares o impares, sin embargo hay muchas funciones que son ni pares ni impares, para estos casos se puede ocupar la extensión par de una función o la función impar de una función

Ejemplo:

__

Graficar f(x) = "x , fp(x) , fi(x)

Funciones reales
Funciones reales

Funciones reales

En donde f(x) es la función a extender, fp(x) es la extensión par de f(x),

y fi(x) es la extensión impar de la función.

Funciones Periódicas

Definición:

Una función f es llamada periódica si, y solo si, existe un número no nulo p tal que siempre y cuando x este en el dominio de f , también lo esté x + p, y

f(x+p) = f(x)

El menor de tales valores positivos de p ( si existe ) se llama el período de f. Cada una de las funciones seno, coseno, secante y cosecante tienen periodo 2 y las otras dos funciones trigonométricas ( tangente y cotangente ) tienen período 

Ya que las funciones seno, coseno, secante, cosecante tienen período 2, una vez que conocemos sus valores para 0 " x < 2, tenemos todos sus valores; de manera análoga, ya que las funciones tangente y cotangente tienen período , una vez que conocemos sus valores para 0 " x < , tenemos todos sus valores.

Ejemplo:

Encontrar el valor exacto de

sen 17

4

Como el período de la función seno es 2, cada vuelta completa puede ser ignorada. Esto deja el ángulo /4. Por tanto,

__

sen 17 = sen ( /4 + 4) = sen /4 = " 2

  • 2

Las funciones periódicas tienen ciertas propiedades , las cuales nombraré a continuación

sen ( x + 2k ) = sen x ; cos ( x + 2k ) = cos x

sec ( x + 2k ) = sec x ; cosec ( x + 2k ) = cosec x

tan ( x + k ) = tan x ; cot ( x + k ) = cot x

donde k es cualquier número entero.

Funciones reales

He insertado aquí la gráfica de f(x) = cos x y se puede apreciar que el período es 2

Funciones reales

En la gráfica de f(x) = cosec x , también se aprecia que la función es periódica de período 2. Además podemos asegurar que la función es impar.

Extender periódicamente una función es tomar el pedazo de la gráfica que se quiere extender e ir repitiéndolo de acuerdo al período de dicho trozo de la gráfica

Funciones seccionalmente continuas

Primero definiremos continuidad

Definición:

Decimos que una función es continua en c si se satisfacen las tres condiciones siguientes:

  • f(c) está definida

  • lim f(x) existe

  • x - c

  • lim f(x) = f(c).

  • x - c

    A veces una función se define mediante una regla que consta de dos o mas ecuaciones. La elección de la ecuación a utilizar depende del valor de la variable independiente x. Por ejemplo la función valor absoluto f(x) = -x si x<0. Por conveniencia, combinamos estas ecuaciones en una expresión, como

    f(x) = | x | = {

    Cuando las funciones están definidas por más de una ecuación decimos que están definidas por partes.

    Generalmente las funciones se definen por partes para analizar el comportamiento de la función en aquellos intervalos en que la función está definida. Por ejemplo una función de define en cuatro intervalos, ocupando para esto cuatro ecuaciones distintas en distintos intervalos. Pero igualmente la función puede tener como dominio todos los reales, sin que necesariamente algunas de esas ecuaciones se indeterminen en el dominio de la función, pero necesariamente esas ecuaciones deben ser continuas en sus respectivos intervalos.

    Tal como lo dice su nombre las funciones seccionalmente continuas son aquellas que son continuas por tramos, es decir existen intervalos en los cuales la función no presenta saltos ni indeterminaciones y se comporta como una función continua en ese intervalo.

    El ejemplo mas común de función continua por tramos es la función parte entera f(x)= [ x ]

    Para la integración de funciones continuas por tramos se integran las respectivas ecuaciones en sus respectivos intervalos donde estas están definidas.

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