4.1 4.1 Definición y propiedades de función

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4.1 Definición y propiedades de función

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Definición y dominio natural de una función real

Una función real de variable real es una correspondencia o regla \( f: D \subset \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) que asigna a cada elemento \( x \in D \) un único valor real denominado imagen y denotado por \( f(x) \). El conjunto \( D = \operatorname{Dom}(f) \) es el dominio de definición de la función, es decir, el conjunto de valores reales para los cuales la expresión analítica está matemáticamente bien definida.

📝 Ejemplo:

Consideremos la función racional e irracional \( f(x) = \frac{\sqrt{4 - x^2}}{x - 1} \). Para que la raíz cuadrada exista en los reales requerimos que el radicando sea no negativo: $$ 4 - x^2 \ge 0 \implies x^2 \le 4 \implies x \in [-2, 2] $$. Además, el denominador no puede anularse, por lo que \( x - 1 e 0 \implies x e 1 \). En consecuencia, el dominio es \( \operatorname{Dom}(f) = [-2, 1) \cup (1, 2] \)

2

Conjunto imagen, rango o recorrido

El conjunto imagen, recorrido o rango de una función es el conjunto de todos los valores reales que efectivamente toma la función al variar la variable independiente en todo su dominio:

$$ \operatorname{Im}(f) = \{ y \in \mathbb{R} : \exists x \in \operatorname{Dom}(f), \; f(x) = y \} $$
📝 Ejemplo:

Para la función cuadrática \( g(x) = x^2 - 4x + 7 \) definida en todo \( \mathbb{R} \), completando cuadrados tenemos \( g(x) = (x - 2)^2 + 3 \). Como \( (x - 2)^2 \ge 0 \) para todo número real, el valor mínimo absoluto de la función es \( 3 \) alcanzado en \( x = 2 \)

Por tanto, el recorrido es \( \operatorname{Im}(g) = [3, +\infty) \)

3

Inyectividad, sobreyectividad y biyectividad

La correspondencia entre los elementos del dominio y los del conjunto de llegada se clasifica según las siguientes propiedades esenciales:

- Inyectividad: Una función \( f: D \to \mathbb{R} \) es inyectiva si elementos distintos del dominio tienen imágenes distintas: \( f(x_1) = f(x_2) \implies x_1 = x_2 \). Geométricamente, cualquier recta horizontal corta a su gráfica a lo sumo en un punto.

- Sobreyectividad: Una función \( f: D \to B \) es sobreyectiva si todo elemento del conjunto de llegada es imagen de al menos un elemento del dominio (\( \operatorname{Im}(f) = B \)).

- Biyectividad: Una función es biyectiva si es simultáneamente inyectiva y sobreyectiva, estableciendo una correspondencia uno a uno que garantiza la existencia de una función inversa única \( f^{-1}: B \to D \)

📝 Ejemplo:

La función lineal \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) dada por \( f(x) = 2x - 5 \) es inyectiva porque \( 2a - 5 = 2b - 5 \implies a = b \). Para cualquier \( y \in \mathbb{R} \), la ecuación \( y = 2x - 5 \) tiene siempre la solución única \( x = \frac{y + 5}{2} \in \mathbb{R} \), por lo que es sobreyectiva.

Al ser biyectiva, su función inversa es \( f^{-1}(x) = \frac{x + 5}{2} \)

4

Álgebra de funciones y composición

Dadas dos funciones reales \( f \) y \( g \), se definen naturalmente las operaciones de suma, producto y cociente en la intersección de sus dominios.

Además, se define la composición de funciones \( (g \circ f)(x) = g(f(x)) \) para todos los puntos tales que \( x \in \operatorname{Dom}(f) \) y \( f(x) \in \operatorname{Dom}(g) \)

📝 Ejemplo:

Sean \( f(x) = x^2 + 1 \) y \( g(x) = \sqrt{x} \). La función compuesta es \( (g \circ f)(x) = g(f(x)) = \sqrt{x^2 + 1} \), definida en todo \( \mathbb{R} \). En cambio, $$ (f \circ g)(x) = f(g(x)) = (\sqrt{x})^2 + 1 = x + 1 $$, definida únicamente para \( x \ge 0 \). La composición no es conmutativa: \( g \circ f e f \circ g \)

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Propiedades cualitativas: paridad, periodicidad y acotación

El análisis gráfico y analítico de funciones se simplifica notablemente mediante el estudio de sus simetrías fundamentales:

- Función Par (simétrica respecto al eje vertical de ordenadas): $$ f(-x) = f(x) \quad \forall x \in \operatorname{Dom}(f) $$

- Función Impar (simétrica respecto al origen de coordenadas): $$ f(-x) = -f(x) \quad \forall x \in \operatorname{Dom}(f) $$

- Función Periódica: Existe una constante \( T > 0 \) tal que $$ f(x + T) = f(x) \quad \forall x \in \operatorname{Dom}(f) $$

- Función Acotada: Existen cotas reales tales que $$ m \le f(x) \le M \quad \forall x \in \operatorname{Dom}(f) $$

📝 Ejemplo:

La función \( f(x) = x^4 - 3x^2 + 2 \) es par porque $$ f(-x) = (-x)^4 - 3(-x)^2 + 2 = x^4 - 3x^2 + 2 = f(x) $$. La función trigonométrica \( g(x) = \sin(x) \) es impar (\( \sin(-x) = -\sin(x) \)), periódica con período fundamental \( T = 2\pi \) y acotada con \( -1 \le \sin(x) \le 1 \)

📝 Ejemplo 1 Determinar el dominio natural y la imagen de la función \( f(x) = \ln\left(\frac{x+2}{5-x}\right) \)
👉 PASO 1

Para que el logaritmo neperiano esté definido, su argumento debe ser estrictamente positivo:

$$ \frac{x+2}{5-x} > 0 $$

Además, el denominador no puede anularse, lo que exige \( x \ne 5 \)

👉 PASO 2

Estudiamos el signo del cociente analizando los puntos críticos donde el numerador o el denominador cambian de signo: \( x = -2 \) y \( x = 5 \)

- Para \( x < -2 \): \( x+2 < 0 \) y \( 5-x > 0 \), el cociente es negativo.

- Para \( -2 < x < 5 \): \( x+2 > 0 \) y \( 5-x > 0 \), el cociente es positivo.

- Para \( x > 5 \): \( x+2 > 0 \) y \( 5-x < 0 \), el cociente es negativo.

👉 PASO 3

Por tanto, la desigualdad se cumple estrictamente en el intervalo abierto:

$$ \operatorname{Dom}(f) = (-2, 5) $$
👉 PASO 4

Para calcular la imagen, consideramos la ecuación \( y = \ln\left(\frac{x+2}{5-x}\right) \) y despejamos \( x \):

$$ e^y = \frac{x+2}{5-x} \implies e^y(5-x) = x+2 \implies 5e^y - x e^y = x+2 $$
$$ 5e^y - 2 = x(1 + e^y) \implies x = \frac{5e^y - 2}{1 + e^y} $$

Como para cualquier número real \( y \in \mathbb{R} \), la expresión \( e^y > 0 \) es estrictamente positiva, el denominador nunca se anula y la solución \( x \) siempre pertenece al intervalo abierto \( (-2, 5) \)

✅ Conclusión

El dominio natural es \( \operatorname{Dom}(f) = (-2, 5) \) y el conjunto imagen es todo el conjunto de los números reales \( \operatorname{Im}(f) = \mathbb{R} \)

📝 Ejemplo 2 Dada la función biyectiva \( f(x) = \frac{3x - 1}{2x + 5} \) con \( x \ne -\frac{5}{2} \), hallar su función inversa \( f^{-1}(x) \) y comprobar que \( (f \circ f^{-1})(x) = x \)
👉 PASO 1

Escribimos la relación \( y = f(x) \):

$$ y = \frac{3x - 1}{2x + 5} $$
👉 PASO 2

Multiplicamos por el denominador y agrupamos los términos que contienen a \( x \):

$$ y(2x + 5) = 3x - 1 \implies 2xy + 5y = 3x - 1 $$
$$ 2xy - 3x = -5y - 1 \implies x(2y - 3) = -(5y + 1) $$
👉 PASO 3

Despejamos la variable \( x \) bajo la condición \( y \ne \frac{3}{2} \):

$$ x = \frac{-5y - 1}{2y - 3} = \frac{5y + 1}{3 - 2y} $$
👉 PASO 4

Intercambiamos los nombres de las variables para expresar la función inversa de forma estándar:

$$ f^{-1}(x) = \frac{5x + 1}{3 - 2x} \quad \text{con } x \ne \frac{3}{2} $$
👉 PASO 5

Comprobamos la composición evaluando \( f(f^{-1}(x)) \):

$$ f(f^{-1}(x)) = \frac{3\left(\frac{5x+1}{3-2x}\right) - 1}{2\left(\frac{5x+1}{3-2x}\right) + 5} = \frac{\frac{15x + 3 - (3 - 2x)}{3-2x}}{\frac{10x + 2 + 5(3 - 2x)}{3-2x}} = \frac{15x + 3 - 3 + 2x}{10x + 2 + 15 - 10x} = \frac{17x}{17} = x $$
✅ Conclusión

La función inversa es \( f^{-1}(x) = \frac{5x + 1}{3 - 2x} \), con dominio \( \mathbb{R} \setminus \{3/2\} \)

📝 Ejemplo 3 Descomponer la función general \( f(x) = \frac{x^3 + 2x^2 - 4x + 7}{x^2 + 1} \) de manera única en la suma de una función estrictamente par y una función estrictamente impar
👉 PASO 1

Toda función definida sobre un dominio simétrico puede descomponerse unívocamente como la suma de su parte par \( f_p(x) \) y su parte impar \( f_i(x) \) mediante las identidades fundamentales:

$$ f_p(x) = \frac{f(x) + f(-x)}{2}, \qquad f_i(x) = \frac{f(x) - f(-x)}{2} $$
👉 PASO 2

Evaluamos la función en el punto opuesto \( -x \):

$$ f(-x) = \frac{(-x)^3 + 2(-x)^2 - 4(-x) + 7}{(-x)^2 + 1} = \frac{-x^3 + 2x^2 + 4x + 7}{x^2 + 1} $$
👉 PASO 3

Calculamos la parte par sumando ambas expresiones y dividiendo entre dos:

$$ f_p(x) = \frac{1}{2}\left( \frac{x^3 + 2x^2 - 4x + 7 - x^3 + 2x^2 + 4x + 7}{x^2 + 1} \right) = \frac{1}{2}\left( \frac{4x^2 + 14}{x^2 + 1} \right) = \frac{2x^2 + 7}{x^2 + 1} $$
👉 PASO 4

Calculamos la parte impar restando las expresiones y dividiendo entre dos:

$$ f_i(x) = \frac{1}{2}\left( \frac{x^3 + 2x^2 - 4x + 7 - (-x^3 + 2x^2 + 4x + 7)}{x^2 + 1} \right) = \frac{1}{2}\left( \frac{2x^3 - 8x}{x^2 + 1} \right) = \frac{x^3 - 4x}{x^2 + 1} $$
👉 PASO 5

Verificamos sumando ambas partes:

$$ f_p(x) + f_i(x) = \frac{2x^2 + 7 + x^3 - 4x}{x^2 + 1} = \frac{x^3 + 2x^2 - 4x + 7}{x^2 + 1} = f(x) $$
✅ Conclusión

La parte par es \( f_p(x) = \frac{2x^2 + 7}{x^2 + 1} \) y la parte impar es \( f_i(x) = \frac{x^3 - 4x}{x^2 + 1} \)

📝 Ejemplo 4 Dadas las funciones \( f(x) = \sqrt{x - 3} \) y \( g(x) = \frac{1}{x^2 - 4} \), determinar el dominio y la expresión analítica de las composiciones \( (g \circ f)(x) \) y \( (f \circ g)(x) \)
👉 PASO 1

Analizamos los dominios de cada función individualmente:

- Para \( f(x) = \sqrt{x-3} \): \( \operatorname{Dom}(f) = [3, +\infty) \). Su imagen es \( [0, +\infty) \)

- Para \( g(x) = \frac{1}{x^2 - 4} \): $$ \operatorname{Dom}(g) = \mathbb{R} \setminus \{-2, 2\} $$

👉 PASO 2

Hallamos la composición \( (g \circ f)(x) = g(f(x)) \):

$$ g(f(x)) = g(\sqrt{x-3}) = \frac{1}{(\sqrt{x-3})^2 - 4} = \frac{1}{(x - 3) - 4} = \frac{1}{x - 7} $$

Para el dominio requerimos que \( x \in \operatorname{Dom}(f) \implies x \ge 3 \), y que el denominador no se anule: \( x - 7 \ne 0 \implies x \ne 7 \)

Por tanto, $$ \operatorname{Dom}(g \circ f) = [3, 7) \cup (7, +\infty) $$

👉 PASO 3

Hallamos la composición inversa \( (f \circ g)(x) = f(g(x)) \):

$$ f(g(x)) = f\left(\frac{1}{x^2 - 4}\right) = \sqrt{\frac{1}{x^2 - 4} - 3} = \sqrt{\frac{1 - 3(x^2 - 4)}{x^2 - 4}} = \sqrt{\frac{13 - 3x^2}{x^2 - 4}} $$
👉 PASO 4

Determinamos el dominio de \( f \circ g \) exigiendo que el radicando sea no negativo y \( x^2 \ne 4 \):

$$ \frac{13 - 3x^2}{x^2 - 4} \ge 0 $$

Las raíces del numerador son $$ x = \pm \sqrt{\frac{13}{3}} \approx \pm 2.0817 $$, y los polos del denominador son \( x = \pm 2 \)

Analizando signos:

- El numerador es positivo en \( [-\sqrt{13/3}, \sqrt{13/3}] \)

- El denominador es positivo fuera de \( [-2, 2] \), es decir, para \( |x| > 2 \)

El cociente es positivo cuando ambos tienen el mismo signo:

$$ x \in \left[-\sqrt{\frac{13}{3}}, -2\right) \cup \left(2, \sqrt{\frac{13}{3}}\right] $$
✅ Conclusión

Las funciones compuestas son \( (g \circ f)(x) = \frac{1}{x-7} \) con dominio \( [3, 7) \cup (7, +\infty) \), y $$ (f \circ g)(x) = \sqrt{\frac{13 - 3x^2}{x^2 - 4}} $$ con dominio \( [-\sqrt{13/3}, -2) \cup (2, \sqrt{13/3}] \)

📝 Ejemplo 5 Demostrar que la función \( f(x) = \frac{x}{1 + |x|} \) es estrictamente monótona creciente en todo \( \mathbb{R} \), acotada y biyectiva sobre el intervalo abierto \( (-1, 1) \), y calcular su función inversa explícita
👉 PASO 1

Analizamos la monotonía distinguiendo signos.

- Si \( x \ge 0 \), \( f(x) = \frac{x}{1+x} = 1 - \frac{1}{1+x} \). Al aumentar \( x \), el término \( 1+x \) aumenta, luego \( \frac{1}{1+x} \) disminuye, por lo que \( f(x) \) aumenta estrictamente.

- Si \( x < 0 \), \( f(x) = \frac{x}{1-x} = -1 + \frac{1}{1-x} \). Al aumentar \( x \) hacia cero, \( 1-x \) disminuye, luego \( \frac{1}{1-x} \) aumenta, por lo que \( f(x) \) aumenta estrictamente.

Como \( f(0) = 0 \), \( f \) es estrictamente creciente en todo \( \mathbb{R} \). Toda función estrictamente monótona es inyectiva.

👉 PASO 2

Verificamos la acotación observando que para todo \( x \in \mathbb{R} \):

$$ |f(x)| = \frac{|x|}{1 + |x|} < \frac{1 + |x|}{1 + |x|} = 1 $$

Por tanto, la imagen está contenida en el intervalo abierto \( (-1, 1) \)

👉 PASO 3

Calculamos la función inversa resolviendo \( y = \frac{x}{1 + |x|} \) para cualquier \( y \in (-1, 1) \)

Como \( f(x) \) y \( x \) tienen el mismo signo, el signo de \( x \) coincide con el signo de \( y \), es decir, $$ \operatorname{sgn}(x) = \operatorname{sgn}(y) $$

Podemos escribir la ecuación para el valor absoluto:

$$ |y| = \frac{|x|}{1 + |x|} \implies |y|(1 + |x|) = |x| \implies |y| + |y||x| = |x| $$
$$ |y| = |x|(1 - |y|) \implies |x| = \frac{|y|}{1 - |y|} $$
👉 PASO 4

Como el signo de \( x \) es el mismo que el de \( y \), multiplicamos por el signo correspondiente para recuperar la variable con signo:

$$ x = \frac{y}{1 - |y|} $$

Como esta solución \( x \in \mathbb{R} \) existe y es única para cada \( y \in (-1, 1) \), la función es sobreyectiva sobre \( (-1, 1) \) y por tanto biyectiva.

✅ Conclusión

La función es estrictamente monótona, acotada en \( (-1, 1) \) y biyectiva, con función inversa explícita dada por \( f^{-1}(x) = \frac{x}{1 - |x|} \) para \( x \in (-1, 1) \)