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Funciones Exponenciales y Logarítmicas

AP Precálculo · Tema 2

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14:05

Funciones Exponenciales y Logarítmicas

Aquí hay dos formas en que una cantidad puede crecer. La línea azul crece constantemente, agregando la misma cantidad en cada paso. La otra es duplicarse —multiplicando por el mismo…

Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla

2.1

Cambio en las Secuencias Aritméticas y Geométricas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.1.A: Expresar las secuencias aritméticas encontradas en escenarios matemáticos y contextuales como funciones de los números enteros no negativos.

  • 2.1.A.1 Una secuencia es una función que mapea los números enteros no negativos a los números reales. En consecuencia, la gráfica de una secuencia consiste en puntos discretos en lugar de una curva continua.
  • 2.1.A.2 Los términos sucesivos en una secuencia aritmética tienen una diferencia común, o una tasa de cambio constante.
  • 2.1.A.3 El término general de una secuencia aritmética con diferencia común $d$ se denota por $a_n$ y está dado por $a_n = a_0 + dn$, donde $a_0$ es el valor inicial, o bien por $a_n = a_k + d(n - k)$, donde $a_k$ es el término $k$-ésimo de la secuencia.

Objetivo de Aprendizaje 2.1.B: Expresar las secuencias geométricas encontradas en escenarios matemáticos y contextuales como funciones de los números enteros no negativos.

  • 2.1.B.1 Los términos sucesivos en una secuencia geométrica tienen una razón común, o un cambio proporcional constante.
  • 2.1.B.2 El término general de una secuencia geométrica con razón común $r$ se denota por $g_n$ y está dado por $g_n = g_0 r^n$, donde $g_0$ es el valor inicial, o bien por $g_n = g_k r^{(n-k)}$, donde $g_k$ es el término $k$-ésimo de la secuencia.
  • 2.1.B.3 Las secuencias aritméticas crecientes aumentan en cantidades iguales en cada paso, mientras que las secuencias geométricas crecientes aumentan en cantidades mayores en cada paso sucesivo.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Series geométricas y convergencia

Una secuencia 数列 es una función de los números enteros a los números reales, por lo que su gráfica son puntos discretos, no una curva.

Una secuencia aritmética asciende en pasos iguales; una geométrica multiplica por una razón
Una secuencia aritmética asciende en pasos iguales; una geométrica multiplica por una razón
  • Una secuencia aritmética 等差数列 tiene una diferencia común 公差 $d$ (una tasa de cambio constante): $a_n = a_0 + dn$, o a partir de un término conocido, $a_n = a_k + d(n-k)$.
  • Una secuencia geométrica 等比数列 tiene una razón común 公比 $r$ (un cambio proporcional constante): $g_n = g_0\,r^{\,n}$, o $g_n = g_k\,r^{\,(n-k)}$.

Una secuencia aritmética creciente crece en la misma cantidad cada paso; una secuencia geométrica creciente crece en una cantidad mayor cada paso.

Ejemplo resuelto. Una secuencia aritmética con $a_0=3$ y $d=5$ tiene $a_4=3+5(4)=23$. Una secuencia geométrica con $g_0=2$ y $r=3$ tiene $g_4=2\cdot3^4=162$ – la suma frente a la multiplicación hace que la geométrica se adelante mucho.

Explorar

Comparar el crecimiento aritmético y geométrico

Una secuencia aritmética suma un paso fijo en cada término (lineal); una secuencia geométrica multiplica por una razón fija (exponencial). Cambie la razón y observe cómo los términos explotan o decaen.

2.2

Cambio en las Funciones Lineales y Exponenciales

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.2.A: Construir funciones de los números reales que sean comparables a las sucesiones aritméticas y geométricas.

  • 2.2.A.1 Las funciones lineales de la forma $f(x) = b + mx$ son similares a las sucesiones aritméticas de la forma $a_n = a_0 + dn$, ya que ambas pueden expresarse como un valor inicial ($b$ o $a_0$) más la adición repetida de una tasa de cambio constante, la pendiente ($m$ o $d$).
  • 2.2.A.2 Al igual que las sucesiones aritméticas de la forma $a_n = a_k + d(n - k)$, que se basan en una diferencia conocida, $d$, y un término $k$-ésimo, las funciones lineales pueden expresarse en la forma $f(x) = y_i + m(x - x_i)$ basadas en una pendiente conocida, $m$, y un punto, $(x_i, y_i)$.
  • 2.2.A.3 Las funciones exponenciales de la forma $f(x) = ab^x$ son similares a las sucesiones geométricas de la forma $g_n = g_0 r^n$, ya que ambas pueden expresarse como un valor inicial ($a$ o $g_0$) multiplicado por una proporción constante ($b$ o $r$) de forma repetida.
  • 2.2.A.4 Al igual que las sucesiones geométricas de la forma $g_n = g_k r^{(n-k)}$, que se basan en una razón conocida, $r$, y un término $k$-ésimo, las funciones exponenciales pueden expresarse en la forma $f(x) = y_i r^{(x - x_i)}$ basadas en una razón conocida, $r$, y un punto, $(x_i, y_i)$.
  • 2.2.A.5 Las sucesiones y sus funciones correspondientes pueden tener dominios diferentes.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un velocista: los modelos exponenciales y logarítmicos capturan tasas de crecimiento y decaimiento en contexto
Un velocista: los modelos exponenciales y logarítmicos capturan tasas de crecimiento y decaimiento en contexto

Las secuencias tienen parientes continuos:

  • Funciones lineales $f(x)=b+mx$ reflejan secuencias aritméticas – un valor inicial más la adición repetida de la pendiente $m$. Forma punto-pendiente: $f(x)=y_i+m(x-x_i)$.
  • Funciones exponenciales $f(x)=ab^x$ reflejan secuencias geométricas – un valor inicial multiplicado por la multiplicación repetida por la base $b$. Forma punto-pendiente: $f(x)=y_i\,r^{\,(x-x_i)}$.

La diferencia: lineal = adición repetida, exponencial = multiplicación repetida. (Una secuencia y su función pueden tener dominios diferentes.)

2.3

Funciones Exponenciales

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.3.A: Identificar las características clave de las funciones exponenciales.

  • 2.3.A.1 La forma general de una función exponencial es $f(x) = ab^x$, con el valor inicial $a$, donde $a \neq 0$, y la base $b$, donde $b > 0$ y $b \neq 1$. Cuando $a > 0$ y $b > 1$, se dice que la función exponencial presenta crecimiento exponencial. Cuando $a > 0$ y $0 < b < 1$, se dice que la función exponencial presenta decaimiento exponencial.
  • 2.3.A.2 Cuando los números naturales son valores de entrada en una función exponencial, el valor de entrada especifica el número de factores de la base que se aplican al valor inicial de la función. El dominio de una función exponencial son todos los números reales.
  • 2.3.A.3 Dado que los valores de salida de las funciones exponenciales en forma general son proporcionales sobre intervalos de valores de entrada de igual longitud, las funciones exponenciales siempre son crecientes o siempre decrecientes, y sus gráficas siempre son cóncavas hacia arriba o cóncavas hacia abajo. En consecuencia, las funciones exponenciales no tienen extremos excepto en un intervalo cerrado, y sus gráficas no presentan puntos de inflexión.
  • 2.3.A.4 Si los valores de la función de transformación aditiva $g(x) = f(x) + k$ de cualquier función $f$ son proporcionales sobre intervalos de valores de entrada de igual longitud, entonces $f$ es exponencial.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La función exponencial 指数函数 general es $f(x)=ab^x$ con valor inicial 初始值 $a\neq 0$ y base 底数 $b>0,\ b\neq 1$. Dominio: todos los números reales.

Decaimiento exponencial: se pierde un porcentaje fijo cada periodo
Decaimiento exponencial: se pierde un porcentaje fijo cada periodo
  • $a>0,\ b>1$ da crecimiento exponencial 指数增长; $a>0,\ 0 da decaimiento exponencial 指数衰减.
  • Las salidas son proporcionales sobre intervalos de entrada de igual longitud. Por lo tanto, una exponencial siempre es creciente o siempre decreciente, y siempre cóncava hacia arriba o siempre cóncava hacia abajo – no tiene extremos (excepto en un intervalo cerrado) ni puntos de inflexión.
Bacterias bajo un microscopio: los modelos exponenciales describen poblaciones que crecen por un factor constante en cada paso de tiempo
Bacterias bajo un microscopio: los modelos exponenciales describen poblaciones que crecen por un factor constante en cada paso de tiempo
Explorar

Explorar una curva exponencial

y = a·e^(bx) + c

Una función exponencial cambia por un factor constante en pasos iguales, por lo que asciende (o decae) cada vez más rápido. La constante $c$ establece la asíntota horizontal que sigue.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
sequence/ˈsiːkwəns/ 数列 shù liè
arithmetic sequence/əˈrɪθmətɪk ˈsiːkwəns/ 等差数列 děng chā shù liè
common difference/ˈkɒmən ˈdɪfrəns/ 公差 gōng chāi
geometric sequence/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈsiːkwəns/ 等比数列 děng bǐ shù liè
common ratio/ˈkɒmən ˈreɪʃɪəʊ/ 公比 gōng bǐ
exponential function/ˌekspəˈnenʃl ˈfʌŋkʃn/ 指数函数 zhǐ shù hán shù
initial value/ɪˈnɪʃl ˈvæljuː/ 初始值 chū shǐ zhí
base/beɪs/ 底数 dǐ shù
exponential growth/ˌekspəˈnenʃl ɡrəʊθ/ 指数增长 zhǐ shù zēng zhǎng
exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ 指数衰减 zhǐ shù shuāi jiǎn
root/ruːt/ 方根 fāng gēn
exponential regression/ˌekspəˈnenʃl rɪˈɡreʃn/ 指数回归 zhǐ shù huí guī
natural base/ˈnætʃərəl beɪs/ 自然底数 zì rán dǐ shù
residual plot/rɪˈsɪdʒuːəl plɒt/ 残差图 cán chà tú
2.4

Manipulación de Funciones Exponenciales

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.4.A: Reescribir expresiones exponenciales en formas equivalentes.

  • 2.4.A.1 La propiedad del producto para exponentes establece que $b^m b^n = b^{(m+n)}$. Gráficamente, esta propiedad implica que toda traslación horizontal de una función exponencial, $f(x) = b^{(x+k)}$, es equivalente a una dilatación vertical, $f(x) = b^{(x+k)} = b^x b^k = ab^x$, donde $a = b^k$.
  • 2.4.A.2 La propiedad de la potencia para exponentes establece que $\left(b^m\right)^n = b^{(mn)}$. Gráficamente, esta propiedad implica que toda dilatación horizontal de una función exponencial, $f(x) = b^{(cx)}$, es equivalente a un cambio de base de una función exponencial, $f(x) = \left(b^c\right)^x$, donde $b^c$ es una constante y $c \neq 0$.
  • 2.4.A.3 La propiedad del exponente negativo establece que $b^{-n} = \dfrac{1}{b^n}$.
  • 2.4.A.4 El valor de una expresión exponencial que involucra una fracción unitaria exponencial, como $b^{(1/k)}$ donde $k$ es un número natural, es la raíz $k$-ésima de $b$, cuando existe.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las reglas de exponentes reconfiguran expresiones exponenciales y se conectan con transformaciones gráficas:

  • Producto: $b^m b^n = b^{m+n}$. Un desplazamiento horizontal $b^{x+k}$ equivale a un estiramiento vertical $ab^x$ con $a=b^k$.
  • Potencia: $(b^m)^n = b^{mn}$. Un estiramiento horizontal $b^{cx}$ equivale a un cambio de base $(b^c)^x$.
  • Exponente negativo: $b^{-n}=\dfrac{1}{b^n}$.
  • Exponente fracción unitaria: $b^{1/k}=\sqrt[k]{b}$ (la raíz $k$-ésima 方根).
2.5

Contexto y Modelado de Datos de Funciones Exponenciales

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.5.A: Construir un modelo para situaciones que impliquen valores de salida proporcionales a intervalos de igual longitud de valores de entrada.

  • 2.5.A.1 Las funciones exponenciales modelan patrones de crecimiento en los cuales los valores de salida sucesivos, sobre intervalos de igual longitud de valores de entrada, son proporcionales. Cuando los valores de entrada son números enteros, las funciones exponenciales modelan situaciones de multiplicación repetida de una constante por un valor inicial.
  • 2.5.A.2 Puede ser necesario sumar una constante a los valores de la variable dependiente de un conjunto de datos para revelar un patrón de crecimiento proporcional.
  • 2.5.A.3 Se puede construir un modelo de función exponencial a partir de una razón apropiada y un valor inicial, o a partir de dos pares de entrada-salida. El valor inicial y la base se pueden encontrar resolviendo un sistema de ecuaciones resultante de los dos pares de entrada-salida.
  • 2.5.A.4 Los modelos de función exponencial se pueden construir aplicando transformaciones a $f(x) = ab^x$ basadas en las características de un escenario contextual o de un conjunto de datos.
  • 2.5.A.5 Los modelos de función exponencial se pueden construir para un conjunto de datos utilizando tecnología mediante regresiones exponenciales.
  • 2.5.A.6 La base natural $e$, que es aproximadamente $2.718$, se utiliza a menudo como base en funciones exponenciales que modelan escenarios contextuales.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las exponenciales modelan cantidades que crecen en una proporción constante sobre intervalos iguales (multiplicación repetida).

  • Construya un modelo a partir de una razón y un valor inicial, o a partir de dos puntos (resuelva el sistema para $a$ y $b$).
  • A veces debe sumarse una constante a los datos para revelar el patrón proporcional.
  • Use regresión exponencial 指数 regresión en tecnología para ajustar un conjunto de datos.
  • La base natural 自然底数 $e\approx 2.718$ es la base estándar para modelos del mundo real.
2.6

Validación de Modelos de Funciones Competidoras

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.6.A: Construir modelos lineales, cuadráticos y exponenciales a partir de un conjunto de datos.

  • 2.6.A.1 Dos variables en un conjunto de datos que demuestran una tasa de cambio ligeramente variable pueden modelarse mediante funciones lineales, cuadráticas y exponenciales.
  • 2.6.A.2 Los modelos pueden compararse basándose en pistas contextuales y aplicabilidad para determinar cuál modelo es el más adecuado.

Objetivo de Aprendizaje 2.6.B: Validar un modelo construido a partir de un conjunto de datos.

  • 2.6.B.1 Un modelo se justifica como apropiado para un conjunto de datos si la gráfica de los residuos de una regresión, o gráfico de residuos, no presenta ningún patrón.
  • 2.6.B.2 La diferencia entre los valores predichos y los valores reales es el error del modelo. Dependiendo del conjunto de datos y del contexto, puede ser más apropiado tener una subestimación o una sobreestimación para cualquier intervalo dado.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Cuando una tasa de cambio cambia solo ligeramente, los modelos lineales, cuadráticos y exponenciales pueden parecer ajustados todos. Elija usando contexto y calidad del ajuste:

  • Un modelo es apropiado si su gráfico de residuales 残差图 muestra sin patrón (un residual 残iduo es el valor real menos el predicho).
  • El error es la brecha entre el predicho y el real; el contexto decide si una sobreestimación o subestimación es más segura.
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
residual/rɪˈsɪdʒuːəl/ 残差 cán chà
composite function/ˈkɒmpəzɪt ˈfʌŋkʃn/ 复合函数 fù hé hán shù
identity function/aɪˈdentɪti ˈfʌŋkʃn/ 恒等函数 héng děng hán shù
2.7

Composición de Funciones

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.7.A: Evaluar la composición de dos o más funciones para valores dados.

  • 2.7.A.1 Si $f$ y $g$ son funciones, la función compuesta $f \circ g$ mapea un conjunto de valores de entrada a un conjunto de valores de salida tal que los valores de salida de $g$ se utilizan como valores de entrada de $f$. Por esta razón, el dominio de la función compuesta está restringido a aquellos valores de entrada de $g$ para los cuales el valor de salida correspondiente pertenece al dominio de $f$. $(f \circ g)(x)$ también puede representarse como $f(g(x))$.
  • 2.7.A.2 Los valores para la función compuesta $f \circ g$ se pueden calcular o estimar a partir de las representaciones gráficas, numéricas, analíticas o verbales de $f$ y $g$, utilizando los valores de salida de $g$ como valores de entrada para $f$.
  • 2.7.A.3 La composición de funciones no es conmutativa; es decir, $f \circ g$ y $g \circ f$ son típicamente funciones diferentes; por lo tanto, $f(g(x))$ y $g(f(x))$ son típicamente valores diferentes.
  • 2.7.A.4 Si la función $f(x) = x$ se compone con cualquier función $g$, la función compuesta resultante es igual a $g$; es decir, $g(f(x)) = f(g(x)) = g(x)$. La función $f(x) = x$ se denomina función identidad. Al componer dos funciones, la función identidad actúa de la misma manera que $0$, la identidad aditiva, al sumar dos números, y que $1$, la identidad multiplicativa, al multiplicar dos números.

Objetivo de aprendizaje 2.7.B: Construir una representación de la composición de dos o más funciones.

  • 2.7.B.1 La composición de funciones es útil para relacionar dos cantidades que no están directamente relacionadas mediante una fórmula existente.
  • 2.7.B.2 Cuando están disponibles representaciones analíticas de las funciones $f$ y $g$, se puede construir una representación analítica de $f(g(x))$ sustituyendo $g(x)$ en cada instancia de $x$ en $f$.
  • 2.7.B.3 Una representación numérica o gráfica de $f \circ g$ a menudo se puede construir calculando o estimando valores para $(x, f(g(x)))$.

Objetivo de aprendizaje 2.7.C: Reescribir una función dada como una composición de dos o más funciones.

  • 2.7.C.1 Las funciones dadas analíticamente a menudo se pueden descomponer en funciones menos complejas. Cuando se descomponen correctamente, la variable en una función debe reemplazar cada instancia de la función con la que fue compuesta.
  • 2.7.C.2 Una transformación aditiva de una función, $f$, que resulta en traslaciones verticales y horizontales, se puede entender como la composición de $g(x) = x + k$ con $f$.
  • 2.7.C.3 Una transformación multiplicativa de una función, $f$, que resulta en dilataciones verticales y horizontales, se puede entender como la composición de $g(x) = kx$ con $f$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La función compuesta 复合函数 $(f\circ g)(x)=f(g(x))$ toma la salida de $g$ y la introduce en $f$. Su dominio son las entradas de $g$ cuyas salidas están en el dominio de $f$.

Una función como una máquina; su inversa hace funcionar la máquina hacia atrás
Una función como una máquina; su inversa hace funcionar la máquina hacia atrás
  • La composición no es conmutativa: $f(g(x))$ y $g(f(x))$ generalmente difieren.
  • Para construir $f(g(x))$ analíticamente, sustituya $g(x)$ por cada $x$ en $f$.
  • La función identidad 恒等函数 $f(x)=x$ deja cualquier función sin cambios bajo la composición.
  • Una función también puede ser descompuesta en piezas más simples – útil para ver un desplazamiento aditivo como la composición con $x+k$, o una dilatación como la composición con $kx$.
Muñecas matrioskas: la composición de funciones anida capas — evalúe primero la interna
Muñecas matrioskas: la composición de funciones anida capas — evalúe primero la interna
2.8

Funciones Inversas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.8.A: Determinar los pares entrada-salida de la inversa de una función.

  • 2.8.A.1 En un dominio especificado, una función $f$ tiene una función inversa, o es invertible, si cada valor de salida de $f$ proviene de un valor de entrada único. El dominio de una función puede restringirse de diversas maneras para hacer que la función sea invertible.
  • 2.8.A.2 Una función inversa puede concebirse como una mapeo inverso de la función original. Una función inversa, $f^{-1}$, mapea los valores de salida de una función, $f$, en su dominio invertible hacia sus correspondientes valores de entrada; es decir, si $f(a) = b$, entonces $f^{-1}(b) = a$. Alternativamente, en su dominio invertible, si una función consiste en pares entrada-salida $(a, b)$, entonces la función inversa consiste en pares entrada-salida $(b, a)$.

Objetivo de Aprendizaje 2.8.B: Determinar la inversa de una función en un dominio invertible.

  • 2.8.B.1 La composición de una función, $f$, y su función inversa, $f^{-1}$, es la función identidad; es decir, $f\left(f^{-1}(x)\right) = f^{-1}(f(x)) = x$.
  • 2.8.B.2 En el dominio invertible de una función, el rango y el dominio de la función son respectivamente el dominio y el rango de la función inversa. La inversa de la tabla de valores de $y = f(x)$ se puede encontrar invirtiendo los pares entrada-salida; es decir, $(a, b)$ corresponde a $(b, a)$.
  • 2.8.B.3 La inversa de la gráfica de la función $y = f(x)$ se puede encontrar invirtiendo los roles de los ejes $x$ e $y$; es decir, reflejando la gráfica de la función sobre la gráfica de la función identidad $h(x) = x$.
  • 2.8.B.4 La inversa de la función se puede encontrar determinando las operaciones inversas para revertir el mapeo. Un método para encontrar la inversa de la función $f$ es invertir los roles de $x$ e $y$ en la ecuación $y = f(x)$, luego despejar $y = f^{-1}(x)$.
  • 2.8.B.5 Además de limitar el dominio de una función para obtener una función inversa, las restricciones contextuales también pueden limitar la aplicabilidad de una función inversa.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las funciones inversas son una reflexión
Exponencial y logaritmo son inversas

Una función es invertible 可逆 en un dominio donde cada salida proviene de una entrada única (puede restringir el dominio para forzar esto). La función inversa 反函数 $f^{-1}$ invierte la correspondencia: si $f(a)=b$ entonces $f^{-1}(b)=a$.

  • $f\big(f^{-1}(x)\big)=f^{-1}\big(f(x)\big)=x$ (la composición da la identidad).
  • Dominio y rango intercambian: invierta cada par $(a,b)$ a $(b,a)$ en una tabla; refleje la gráfica sobre la recta $y=x$.
  • Para encontrar una fórmula: intercambie $x$ e $y$ en $y=f(x)$, luego despeje $y$. El contexto puede limitar aún más dónde se aplica la inversa.
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
invertible/ɪnˈvɜːtɪbl/ 可逆 kě nì
inverse function/ɪnˈvɜːs ˈfʌŋkʃn/ 反函数 fǎn hán shù
logarithm/ˈlɒɡərɪθəm/ 对数 duì shù
common logarithm/ˈkɒmən ˈlɒɡərɪθəm/ 常用对数 cháng yòng duì shù
natural logarithm/ˈnætʃərəl ˈlɒɡərɪθəm/ 自然对数 zì rán duì shù
logarithmic function/ˌlɒɡəˈrɪθmɪk ˈfʌŋkʃn/ 对数函数 duì shù hán shù
change-of-base/tʃeɪndʒ ɒv beɪs/ 换底 huàn dǐ
semi-log plot/ˈsemi lɒɡ plɒt/ 半对数图 bàn duì shù tú
2.9

Expresiones Logarítmicas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.9.A: Evaluar expresiones logarítmicas.

  • 2.9.A.1 La expresión logarítmica $\log_b c$ es igual a, o representa, el valor al que la base $b$ debe elevarse exponencialmente para obtener el valor $c$. Es decir, $\log_b c = a$ si y solo si $b^a = c$, donde $a$ y $c$ son constantes, $b > 0$ y $b \neq 1$. (Cuando la base de una expresión logarítmica no se especifica, se entiende como el logaritmo común con base $10$).
  • 2.9.A.2 Los valores de algunas expresiones logarítmicas se obtienen fácilmente mediante aritmética básica, mientras que otros valores pueden estimarse utilizando tecnología.
  • 2.9.A.3 En una escala logarítmica, cada unidad representa un cambio multiplicativo correspondiente a la base del logaritmo. Por ejemplo, en una escala estándar, las unidades podrían ser $0, \; 1, \; 2, \; \ldots$, mientras que en una escala logarítmica, utilizando logaritmos de base $10$, las unidades podrían ser $10^0, \; 10^1, \; 10^2, \; \ldots$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

El logaritmo 对数 responde "¿qué exponente?": $\log_b c = a$ significa exactamente $b^a = c$ (con $b>0,\ b\neq 1$). Una base no escrita significa el logaritmo común 常用对数 (base $10$). En una escala logarítmica, cada unidad es un paso multiplicativo de la base (…, $10^0,10^1,10^2,$ …).

2.10

Inversas de Funciones Exponenciales

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.10.A: Construir representaciones de la inversa de una función exponencial con un valor inicial de 1.

  • 2.10.A.1 La forma general de una función logarítmica es $f(x) = a\log_b x$, con base $b$, donde $b > 0$, $b \neq 1$ y $a \neq 0$.
  • 2.10.A.2 La manera en que los valores de entrada y salida varían conjuntamente presenta una relación inversa en las funciones exponenciales y logarítmicas. Los valores de salida de las funciones exponenciales de forma general cambian proporcionalmente a medida que los valores de entrada aumentan en intervalos de longitud igual. Sin embargo, los valores de entrada de las funciones logarítmicas de forma general cambian proporcionalmente a medida que los valores de salida aumentan en intervalos de longitud igual. Alternativamente, el crecimiento exponencial se caracteriza porque los valores de salida cambian multiplicativamente a medida que los valores de entrada cambian aditivamente, mientras que el crecimiento logarítmico se caracteriza porque los valores de salida cambian aditivamente a medida que los valores de entrada cambian multiplicativamente.
  • 2.10.A.3 $f(x) = \log_b x$ y $g(x) = b^x$, donde $b > 0$ y $b \neq 1$, son funciones inversas. Es decir, $g(f(x)) = f(g(x)) = x$.
  • 2.10.A.4 La gráfica de la función logarítmica $f(x) = \log_b x$, donde $b > 0$ y $b \neq 1$, es una reflexión de la gráfica de la función exponencial $g(x) = b^x$, donde $b > 0$ y $b \neq 1$, sobre la gráfica de la función identidad $h(x) = x$.
  • 2.10.A.5 Si $(s, \; t)$ es un par ordenado de la función exponencial $g(x) = b^x$, donde $b > 0$ y $b \neq 1$, entonces $(t, \; s)$ es un par ordenado de la función logarítmica $f(x) = \log_b x$, donde $b > 0$ y $b \neq 1$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

El logaritmo es el inverso de la exponencial: $y=b^x$ y $y=\log_b x$ se cancelan mutuamente, por lo que sus gráficas son reflexiones sobre $y=x$. Por tanto, $\log_b(b^x)=x$ y $b^{\log_b x}=x$. El logaritmo natural 自然对数 $\ln x = \log_e x$ es el inverso de $e^x$.

e^x y ln x son reflexiones uno del otro en la recta y = x
e^x y ln x son reflexiones uno del otro en la recta y = x
2.11

Funciones Logarítmicas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.11.A: Identificar las características clave de las funciones logarítmicas.

  • 2.11.A.1 El dominio de una función logarítmica en su forma general es cualquier número real mayor que cero, y su rango son todos los números reales.
  • 2.11.A.2 Dado que las funciones logarítmicas son inversas de las funciones exponenciales, estas últimas siempre son crecientes o siempre decrecientes, y sus gráficas son siempre cóncavas hacia arriba o siempre cóncavas hacia abajo. En consecuencia, las funciones logarítmicas no presentan extremos excepto sobre un intervalo cerrado, y sus gráficas no poseen puntos de inflexión.
  • 2.11.A.3 La función de transformación aditiva $g(x) = f(x + k)$, donde $k \neq 0$, de una función logarítmica $f$ en su forma general no tiene valores de entrada proporcionales sobre intervalos de valor de salida de longitud igual. No obstante, si los valores de entrada de la función de transformación aditiva $g(x) = f(x + k)$ de cualquier función $f$ son proporcionales sobre intervalos de valor de salida de longitud igual, entonces $f$ es logarítmica.
  • 2.11.A.4 Debido a su dominio limitado, las funciones logarítmicas en su forma general tienen asíntota vertical en $x = 0$, con un comportamiento final ilimitado. Es decir, para una función logarítmica en su forma general, $\lim\limits_{x \to 0^+} a\log_b x = \pm\infty$ y $\lim\limits_{x \to \infty} a\log_b x = \pm\infty$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La función logarítmica 对数函数 $f(x)=\log_b x$ tiene dominio $x>0$ y rango todos los reales. Siempre es creciente (para $b>1$) o siempre decreciente (para $0), siempre cóncava en una dirección, con una asíntota vertical en $x=0$ – la imagen especular de la asíntota horizontal de la exponencial. Crece muy lentamente para valores grandes de $x$.

Explorar

Explorar una curva logarítmica

y = a·ln(x − b) + c

Un logaritmo es el inverso de una exponencial: crece sin límite pero cada vez más lentamente, con una asíntota vertical donde su entrada se acerca a cero.

2.12

Manipulación de Funciones Logarítmicas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.12.A: Reescribir expresiones logarítmicas en formas equivalentes.

  • 2.12.A.1 La propiedad del producto para los logaritmos establece que $\log_b(xy) = \log_b x + \log_b y$. Gráficamente, esta propiedad implica que toda dilatación horizontal de una función logarítmica, $f(x) = \log_b(kx)$, es equivalente a una traslación vertical, $f(x) = \log_b(kx) = \log_b k + \log_b x = a + \log_b x$, donde $a = \log_b k$.
  • 2.12.A.2 La propiedad de la potencia para los logaritmos establece que $\log_b x^n = n\log_b x$. Gráficamente, esta propiedad implica que elevar la entrada de una función logarítmica a una potencia, $f(x) = \log_b x^k$, resulta en una dilatación vertical, $f(x) = \log_b x^k = k\log_b x$.
  • 2.12.A.3 La propiedad de cambio de base para los logaritmos establece que $\log_b x = \dfrac{\log_a x}{\log_a b}$, donde $a > 0$ y $a \neq 1$. Esto implica que todas las funciones logarítmicas son dilataciones verticales entre sí.
  • 2.12.A.4 La función $f(x) = \ln x$ es una función logarítmica con la base natural $e$; es decir, $\ln x = \log_e x$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las propiedades del logaritmo invierten las reglas de exponentes:

$$\log_b(xy)=\log_b x+\log_b y,\quad \log_b\!\frac{x}{y}=\log_b x-\log_b y,\quad \log_b(x^n)=n\log_b x.$$
La fórmula de cambio de base 换底 le permite calcular cualquier logaritmo con tecnología: $\log_b x = \dfrac{\log x}{\log b}=\dfrac{\ln x}{\ln b}$.

2.13

Ecuaciones y Desigualdades Exponenciales y Logarítmicas

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.13.A: Resolver ecuaciones e inecuaciones exponenciales y logarítmicas.

  • 2.13.A.1 Las propiedades de los exponentes, las propiedades de los logaritmos y la relación inversa entre las funciones exponenciales y logarítmicas pueden utilizarse para resolver ecuaciones e inecuaciones que involucran exponentes y logaritmos.
  • 2.13.A.2 Al resolver ecuaciones exponenciales y logarítmicas obtenidas mediante métodos analíticos o gráficos, los resultados deben examinarse en busca de soluciones extrañas excluidas por limitaciones matemáticas o contextuales.
  • 2.13.A.3 Los logaritmos pueden utilizarse para reescribir expresiones que involucran funciones exponenciales de diferentes maneras que pueden revelar información útil. Específicamente, $b^x = c^{(\log_c b)(x)}$.

Objetivo de aprendizaje 2.13.B: Construir la función inversa para funciones exponenciales y logarítmicas.

  • 2.13.B.1 La función $f(x) = ab^{(x-h)} + k$ es una combinación de transformaciones aditivas de una función exponencial en forma general. La inversa de $y = f(x)$ se puede encontrar determinando las operaciones inversas para revertir el mapeo.
  • 2.13.B.2 La función $f(x) = a\log_b(x - h) + k$ es una combinación de transformaciones aditivas de una función logarítmica en forma general. La inversa de $y = f(x)$ se puede encontrar determinando las operaciones inversas para revertir el mapeo.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Para resolver, use el hecho de que las exponenciales y los logaritmos son inversas:

  • Aísle la exponencial, luego tome logaritmo en ambos lados (baje el exponente con la propiedad de potencia).
  • Aísle el logaritmo, luego exponencie ambos lados.
  • Verifique siempre soluciones extrañas – el argumento de un logaritmo debe permanecer positivo.

Ejemplo resuelto. Resuelva $2\cdot3^x=54$. Divida por $2$: $3^x=27=3^3$, así que $x=3$. Cuando los lados no son potencias limpias, tome logaritmos en su lugar: $5^x=20$ da $x=\dfrac{\ln 20}{\ln 5}\approx1.86$.

2.14

Contexto y Modelado de Datos de Funciones Logarítmicas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 2.14.A: Construir un modelo de función logarítmica.

  • 2.14.A.1 Las funciones logarítmicas son inversas de las funciones exponenciales y pueden utilizarse para modelar situaciones que implican crecimiento proporcional o multiplicación repetida, donde los valores de entrada cambian proporcionalmente a lo largo de intervalos de igual longitud en el valor de salida. Alternativamente, si el valor de salida es un número entero, indica cuántas veces se ha multiplicado el valor inicial por la proporción.
  • 2.14.A.2 Un modelo de función logarítmica puede construirse a partir de una proporción adecuada y de un cero real, o bien a partir de dos pares de entrada-salida.
  • 2.14.A.3 Los modelos de función logarítmica pueden construirse aplicando transformaciones a $f(x) = a\log_b x$ según las características de un contexto o conjunto de datos.
  • 2.14.A.4 Los modelos de función logarítmica pueden construirse para un conjunto de datos utilizando tecnología mediante regresiones logarítmicas.
  • 2.14.A.5 La función logaritmo natural suele ser útil para modelar fenómenos del mundo real.
  • 2.14.A.6 Los modelos de función logarítmica pueden emplearse para predecir valores de la variable dependiente.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Los logaritmos modelan cantidades que cambian en rangos multiplicativos inmensos (sonido, fuerza ácida, terremotos). Construya un modelo logarítmico a partir de datos, y use regresión logarítmica para un conjunto de datos. Dado que un logaritmo comprime valores grandes, convierte el crecimiento proporcional en un patrón de línea recta – la idea detrás de los gráficos semilogarítmicos.

2.15

Gráficos Semilogarítmicos

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 2.15.A: Determinar si un modelo exponencial es apropiado examinando un gráfico semilogarítmico de un conjunto de datos.

  • 2.15.A.1 En un gráfico semilogarítmico, uno de los ejes tiene una escala logarítmica. Cuando el eje $y$ de un gráfico semilogarítmico está escalado logarítmicamente, los datos o funciones que muestran características exponenciales aparecerán lineales.
  • 2.15.A.2 Una ventaja de los gráficos semilogarítmicos es que nunca se necesita añadir una constante a los valores de la variable dependiente para revelar que un modelo exponencial es apropiado.

Objetivo de aprendizaje 2.15.B: Construir la linealización de datos exponenciales.

  • 2.15.B.1 Las técnicas utilizadas para modelar funciones lineales pueden aplicarse a un gráfico semilogarítmico.
  • 2.15.B.2 Para un modelo exponencial de la forma $y = ab^x$, el modelo lineal correspondiente para el gráfico semilogarítmico es $y = (\log_n b)x + \log_n a$, donde $n > 0$ y $n \neq 1$. Específicamente, la tasa de cambio lineal es $\log_n b$, y el valor lineal inicial es $\log_n a$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un gráfico semilogarítmico 半对数图 coloca la salida en un eje logarítmico y la entrada en un eje normal. En estos ejes, una función exponencial $y=ab^x$ se convierte en una línea recta, porque $\log y = \log a + (\log b)\,x$ es lineal en $x$. Así: si los datos parecen lineales en un gráfico semilogarítmico, un modelo exponencial se ajusta; la pendiente de la línea da $\log b$ y su intersección con el eje da $\log a$.

2.15

Consejos para el examen

  • Distinga las secuencias aritméticas (sumar una diferencia común) de las geométricas (multiplicar una razón común) y sus parientes funcionales lineales/exponenciales.
  • Exponencial = multiplicación repetida, por lo que eventualmente supera a cualquier modelo lineal o polinomial.
  • El logaritmo es el inverso de la exponencial ($\log_b c=a\Leftrightarrow b^a=c$); úselo para resolver $b^x=k$.
  • Aplique las leyes de los logaritmos (producto, cociente, potencia) y la fórmula de cambio de base; el argumento de un logaritmo debe ser positivo.
  • En un gráfico semilogarítmico, un modelo exponencial se convierte en una línea recta.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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