4.2 4.2.1 Funciones polinómicas

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4.2.1 Funciones polinómicas

1

Definición y forma canónica de una función polinómica

Una función polinómica de grado \( n \in \mathbb{N} \cup \{0\} \) es una expresión de la forma:

$$ P(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \dots + a_1 x + a_0 \quad (a_n e 0) $$

donde los coeficientes \( a_i \in \mathbb{R} \) son números reales y \( a_n \) es el coeficiente principal o director.

El dominio de cualquier función polinómica es todo el conjunto de los números reales: \( \operatorname{Dom}(P) = \mathbb{R} \)

📝 Ejemplo:

La función \( P(x) = 2x^3 - 5x^2 + 3x - 7 \) es una función polinómica de grado 3 con coeficiente principal \( a_3 = 2 \) y término independiente \( a_0 = -7 \). Está definida y es continua y derivable en todo \( \mathbb{R} \)

2

Teoremas del Resto y del Factor

La divisibilidad de polinomios se apoya en dos teoremas algebraicos fundamentales:

📐 Teorema: del Resto

Al dividir un polinomio \( P(x) \) por el binomio mónico lineal \( (x - c) \), el resto de la división es una constante idéntica al valor numérico del polinomio evaluado en \( c \):

$$ R = P(c) $$
📐 Teorema: del Factor

Un número real \( c \) es raíz o cero del polinomio (\( P(c) = 0 \)) si y solo si el binomio \( (x - c) \) divide exactamente a \( P(x) \), de modo que:

$$ P(x) = (x - c) Q(x) $$
📝 Ejemplo:

Consideremos el polinomio \( P(x) = x^3 - 4x^2 + x + 6 \). Evaluamos en \( c = 2 \):

$$ P(2) = (2)^3 - 4(2)^2 + 2 + 6 = 8 - 16 + 2 + 6 = 0 $$

Como el resto es cero, \( c = 2 \) es una raíz y por tanto \( (x - 2) \) es un factor de \( P(x) \). Dividiendo por Ruffini obtenemos $$ P(x) = (x - 2)(x^2 - 2x - 3) = (x - 2)(x - 3)(x + 1) $$

3

Multiplicidad de raíces e intersección con el eje de abscisas

Una raíz \( c \) tiene multiplicidad \( k \in \mathbb{N} \) si \( (x - c)^k \) divide a \( P(x) \) pero \( (x - c)^{k+1} \) no lo divide.

El comportamiento geométrico depende de la paridad de \( k \):

- Multiplicidad Impar: La gráfica del polinomio atraviesa efectivamente el eje horizontal de abscisas.

- Multiplicidad Par: La gráfica hace contacto tangente con el eje horizontal sin llegar a cruzarlo (rebota).

📝 Ejemplo:

En la función \( P(x) = (x - 1)^2 (x + 3)^3 \), la raíz \( x = 1 \) tiene multiplicidad par \( k = 2 \), por lo que la gráfica es tangente al eje y rebota en \( (1, 0) \). La raíz \( x = -3 \) tiene multiplicidad impar \( k = 3 \), por lo que la gráfica cruza el eje horizontal con tangencia de inflexión en \( (-3, 0) \)

4

Factorización irreducible sobre los números reales

Sobre el cuerpo de los números reales \( \mathbb{R} \), el Teorema Fundamental del Álgebra garantiza que todo polinomio con coeficientes reales se descompone de forma única como producto de una constante, factores lineales \( (x - c) \) (raíces reales) y factores cuadráticos irreducibles \( (x^2 + px + q) \) con discriminante estrictamente negativo \( p^2 - 4q < 0 \) (raíces complejas conjugadas).

📝 Ejemplo:

El polinomio bicuadrado \( P(x) = x^4 - 16 \) se descompone por diferencia de cuadrados sucesiva:

$$ x^4 - 16 = (x^2 - 4)(x^2 + 4) = (x - 2)(x + 2)(x^2 + 4) $$

El factor cuadrático \( x^2 + 4 \) es irreducible en \( \mathbb{R} \) porque no tiene raíces reales (\( \Delta = -16 < 0 \)).

5

Comportamiento asintótico en el infinito

Cuando \( |x| \to \infty \), el término de mayor grado \( a_n x^n \) domina por completo sobre todos los demás sumandos:

$$ \lim_{x \to \pm\infty} P(x) = \lim_{x \to \pm\infty} a_n x^n $$

Las funciones polinómicas no tienen asíntotas horizontales, verticales ni oblicuas (salvo los polinomios de grado 1, cuyas asíntotas son ellos mismos); poseen ramas parabólicas divergentes en los extremos.

📝 Ejemplo 1 Hallar los valores de las constantes reales \( a \) y \( b \) para que el polinomio \( P(x) = x^4 + ax^3 - 7x^2 + bx + 12 \) sea divisible simultáneamente por \( (x - 2) \) y por \( (x + 3) \), y factorizarlo completamente
👉 PASO 1

Por el teorema del factor, ser divisible por \( (x - 2) \) significa que \( P(2) = 0 \), y ser divisible por \( (x + 3) \) significa que \( P(-3) = 0 \)

👉 PASO 2

Planteamos la primera ecuación evaluando en \( x = 2 \):

$$ P(2) = (2)^4 + a(2)^3 - 7(2)^2 + b(2) + 12 = 16 + 8a - 28 + 2b + 12 = 8a + 2b = 0 \implies 4a + b = 0 $$
👉 PASO 3

Planteamos la segunda ecuación evaluando en \( x = -3 \):

$$ P(-3) = (-3)^4 + a(-3)^3 - 7(-3)^2 + b(-3) + 12 = 81 - 27a - 63 - 3b + 12 = 30 - 27a - 3b = 0 $$

Dividiendo entre 3: \( 10 - 9a - b = 0 \implies 9a + b = 10 \)

👉 PASO 4

Resolvemos el sistema de ecuaciones lineales por reducción restando la primera de

la segunda:

$$ (9a + b) - (4a + b) = 10 - 0 \implies 5a = 10 \implies a = 2 $$

Sustituyendo en

la primera: \( b = -4a = -4(2) = -8 \)

El polinomio resulta ser \( P(x) = x^4 + 2x^3 - 7x^2 - 8x + 12 \)

👉 PASO 5

Factorizamos el polinomio dividiendo sucesivamente por sus factores conocidos \( (x - 2) \) y \( (x + 3) \) mediante la regla de Ruffini:

- Dividiendo entre \( (x - 2) \) obtenemos el cociente \( x^3 + 4x^2 + x - 6 \)

- Dividiendo este cociente entre \( (x + 3) \) obtenemos \( x^2 + x - 2 \)

Las raíces del cociente cuadrático son:

$$ x = \frac{-1 \pm \sqrt{1 - 4(1)(-2)}}{2} = \frac{-1 \pm 3}{2} \implies x_1 = 1, \quad x_2 = -2 $$
✅ Conclusión

Los parámetros son \( a = 2 \) y \( b = -8 \), y la factorización completa es \( P(x) = (x - 2)(x + 3)(x - 1)(x + 2) \)

📝 Ejemplo 2 Determinar el signo de la función polinómica \( P(x) = (x - 1)^3 (x + 2)^2 (3 - x) \) resolviendo la inecuación \( P(x) \ge 0 \)
👉 PASO 1

Identificamos los ceros del polinomio y sus respectivas multiplicidades:

- \( x = -2 \) con multiplicidad par \( k = 2 \)

- \( x = 1 \) con multiplicidad impar \( k = 3 \)

- \( x = 3 \) con multiplicidad impar \( k = 1 \)

👉 PASO 2

Los ceros dividen la recta real en cuatro intervalos abiertos:

$$ (-\infty, -2), \quad (-2, 1), \quad (1, 3), \quad (3, +\infty) $$
👉 PASO 3

Observamos que el factor \( (x + 2)^2 \ge 0 \) es estrictamente positivo para todo \( x \ne -2 \), por lo que no influye en los cambios de signo en los intervalos.

El signo depende exclusivamente de \( (x - 1)^3 (3 - x) \):

- En \( (-\infty, -2) \): probando en \( x = -3 \), \( (-4)^3(6) = (-64)(6) < 0 \)

- En \( (-2, 1) \): probando en \( x = 0 \), \( (-1)^3(3) = -3 < 0 \)

- En \( (1, 3) \): probando en \( x = 2 \), \( (1)^3(1) = 1 > 0 \)

- En \( (3, +\infty) \): probando en \( x = 4 \), \( (3)^3(-1) = -27 < 0 \)

👉 PASO 4

Para que \( P(x) \ge 0 \), seleccionamos los intervalos donde el polinomio es estrictamente positivo e incorporamos todos los puntos donde se anula (\( x = -2, 1, 3 \)).

✅ Conclusión

El conjunto de soluciones de la inecuación es \( S = \{-2\} \cup [1, 3] \)

📝 Ejemplo 3 Descomponer en producto de polinomios irreducibles con coeficientes reales el polinomio bicuadrado \( P(x) = x^4 + 4 \), utilizando el método de completación de trinomio cuadrado perfecto de Sophie Germain
👉 PASO 1

Observamos que el polinomio no tiene raíces reales, pues \( x^4 + 4 \ge 4 > 0 \) para todo número real.

👉 PASO 2

Sumamos y restamos el término cuadrático \( 4x^2 \) para formar un trinomio cuadrado perfecto:

$$ x^4 + 4 = (x^4 + 4x^2 + 4) - 4x^2 $$
👉 PASO 3

Agrupamos el trinomio como el cuadrado de un binomio:

$$ (x^4 + 4x^2 + 4) = (x^2 + 2)^2 $$

Reescribimos la expresión completa:

$$ x^4 + 4 = (x^2 + 2)^2 - (2x)^2 $$
👉 PASO 4

Aplicamos la identidad de diferencia de cuadrados \( A^2 - B^2 = (A - B)(A + B) \) con \( A = x^2 + 2 \) y \( B = 2x \):

$$ x^4 + 4 = (x^2 + 2 - 2x)(x^2 + 2 + 2x) = (x^2 - 2x + 2)(x^2 + 2x + 2) $$
👉 PASO 5

Verificamos los discriminantes de ambos factores cuadráticos:

- Para \( x^2 - 2x + 2 \): \( \Delta_1 = (-2)^2 - 4(1)(2) = 4 - 8 = -4 < 0 \)

- Para \( x^2 + 2x + 2 \): \( \Delta_2 = (2)^2 - 4(1)(2) = 4 - 8 = -4 < 0 \)

Ambos factores son estrictamente irreducibles en \( \mathbb{R} \)

✅ Conclusión

La factorización en factores irreducibles reales es \( P(x) = (x^2 - 2x + 2)(x^2 + 2x + 2) \)

📝 Ejemplo 4 Construir el polinomio mónico de menor grado posible con coeficientes reales que tenga una raíz doble en \( x = 0 \), una raíz simple en \( x = -1 \) y admita a \( z = 1 + 2i \) como raíz compleja
👉 PASO 1

Un polinomio mónico tiene coeficiente principal \( a_n = 1 \)

La condición de que los coeficientes pertenezcan a \( \mathbb{R} \) exige que si un número complejo no real \( z_0 = a + bi \) es raíz, su complejo conjugado \( \bar{z}_0 = a - bi \) también debe ser raíz con la misma multiplicidad.

👉 PASO 2

Como \( z = 1 + 2i \) es raíz, su conjugado \( \bar{z} = 1 - 2i \) también es raíz obligatoria.

El factor cuadrático real asociado a este par de raíces conjugadas es:

$$ [x - (1 + 2i)][x - (1 - 2i)] = [(x - 1) - 2i][(x - 1) + 2i] = (x - 1)^2 - (2i)^2 = (x^2 - 2x + 1) - (-4) = x^2 - 2x + 5 $$
👉 PASO 3

Incorporamos las raíces reales especificadas en el enunciado:

- Raíz doble en \( x = 0 \implies x^2 \)

- Raíz simple en \( x = -1 \implies (x + 1) \)

👉 PASO 4

Multiplicamos todos los factores irreducibles:

$$ P(x) = x^2 (x + 1)(x^2 - 2x + 5) $$

Desarrollamos el producto de los dos últimos polinomios:

$$ (x + 1)(x^2 - 2x + 5) = x(x^2 - 2x + 5) + 1(x^2 - 2x + 5) = x^3 - 2x^2 + 5x + x^2 - 2x + 5 = x^3 - x^2 + 3x + 5 $$
👉 PASO 5

Distribuimos el término \( x^2 \):

$$ P(x) = x^2 (x^3 - x^2 + 3x + 5) = x^5 - x^4 + 3x^3 + 5x^2 $$
✅ Conclusión

El polinomio mónico buscado es de grado 5 y su expresión desarrollada es \( P(x) = x^5 - x^4 + 3x^3 + 5x^2 \)

📝 Ejemplo 5 Determinar el resto de la división del polinomio de alto grado \( P(x) = x^{2026} - 3x^{1000} + 5x^3 - 7 \) por el polinomio cuadrático \( D(x) = x^2 - 1 \)
👉 PASO 1

Por el algoritmo de la división de polinomios, existen polinomios cociente \( Q(x) \) y resto \( R(x) \) tales que:

$$ P(x) = (x^2 - 1) Q(x) + R(x) $$

Como el divisor \( D(x) = x^2 - 1 \) tiene grado 2, el grado del resto debe ser estrictamente menor que 2, por lo que adopta la forma lineal general:

$$ R(x) = Ax + B \quad (A, B \in \mathbb{R}) $$
👉 PASO 2

Factorizamos el divisor como \( x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1) \). Sus raíces son \( x = 1 \) y \( x = -1 \)

👉 PASO 3

Evaluamos la identidad en \( x = 1 \) para anular el término que contiene al cociente:

$$ P(1) = (1^2 - 1) Q(1) + R(1) \implies P(1) = A(1) + B = A + B $$

Calculamos numéricamente \( P(1) \) a partir de la definición de \( P(x) \):

$$ P(1) = (1)^{2026} - 3(1)^{1000} + 5(1)^3 - 7 = 1 - 3 + 5 - 7 = -4 $$

Por tanto: \( A + B = -4 \)

👉 PASO 4

Evaluamos la identidad en \( x = -1 \):

$$ P(-1) = [(-1)^2 - 1] Q(-1) + R(-1) \implies P(-1) = A(-1) + B = -A + B $$

Calculamos numéricamente \( P(-1) \):

$$ P(-1) = (-1)^{2026} - 3(-1)^{1000} + 5(-1)^3 - 7 = 1 - 3(1) + 5(-1) - 7 = 1 - 3 - 5 - 7 = -14 $$

Por tanto: \( -A + B = -14 \)

👉 PASO 5

Resolvemos el sistema de dos ecuaciones lineales:

Sumando ambas ecuaciones:

$$ (A + B) + (-A + B) = -4 + (-14) \implies 2B = -18 \implies B = -9 $$

Restando la segunda ecuación de

la primera:

$$ (A + B) - (-A + B) = -4 - (-14) \implies 2A = 10 \implies A = 5 $$
✅ Conclusión

El resto de la división es el polinomio lineal \( R(x) = 5x - 9 \)