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Matemática (61) · Unidad 4 — Límites, asíntotas y continuidad

Bolzano: el signo de una continua, inecuaciones y aproximar ceros

Una función continua no puede pasar de positiva a negativa sin tocar el cero. Dicho al revés: entre dos ceros seguidos el signo no cambia. Con eso alcanza un número de prueba por tramo para saber el signo de cualquier función, resolver cualquier inecuación y encerrar un cero tanto como se quiera.

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La explicación

El teorema de Bolzano

f continua en [a ; b] y f(a)·f(b) < 0
⟹ hay al menos un c en (a ; b) con f(c) = 0

Si en un extremo la función es negativa y en el otro positiva, y no se levanta el lápiz, en algún momento cruza el eje. Las dos hipótesis hacen falta: 1/x vale −1 en −1 y 1 en 1, y no tiene ningún cero, porque no es continua en 0.

La consecuencia que más se usa: el signo por tramos

Si f es continua en un intervalo y no se anula ahí, no puede cambiar de signo (si cambiara, por Bolzano tendría un cero). Entonces:

1. Marcá en la recta los ceros de f y los puntos donde f no está definida o no es continua.
2. Esos puntos parten el dominio en tramos. En cada uno, el signo es constante.
3. Probá un número de cada tramo (o usá un valor conocido) y anotá sólo el signo.
4. C⁺ es la unión de los tramos positivos y C⁻ la de los negativos. Los ceros no van en ninguno.

Así, si te dicen que los únicos ceros de una continua son −1 y 3, y que f(0) = 2, ya sabés que f es positiva en todo (−1 ; 3).

Casos que aparecen

Inecuaciones: todo de un lado

Para resolver una inecuación se pasa todo a un lado, se arma una sola función y se mira su signo. Lo que no se hace es multiplicar por una expresión con x: si es negativa, la desigualdad se da vuelta, y no sabés cuándo lo es.

(3x + 1)/(x − 2) ≤ 2
⟹ (3x + 1 − 2(x − 2))/(x − 2) ≤ 0
⟹ (x + 5)/(x − 2) ≤ 0 ⟹ [−5 ; 2)

El −5 va con corchete (ahí vale 0) y el 2 con paréntesis (no está en el dominio). Y ln(x² − 3) > 0 no se resuelve «sacando el ln»: se traduce a x² − 3 > 1.

Aproximar un cero: la bisección

1. Arrancá con un intervalo [a ; b] donde f cambia de signo.
2. Calculá f en el punto medio m. Quedate con la mitad donde sigue habiendo cambio de signo.
3. Cada paso divide el largo por 2. Cuando el intervalo mide L, su punto medio está a menos de L/2 del cero.

Para «error menor que 1/8» alcanza un intervalo de largo 1/4: arrancando con largo 1, son dos bisecciones, y la respuesta es el punto medio del último.

El control que conviene hacer siempre

Probá un número adentro de tu respuesta y otro afuera. Si la inecuación era f ≤ 0, el de adentro tiene que dar negativo o cero y el de afuera positivo. Y revisá los extremos uno por uno: ¿está definido? ¿vale 0?

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Sea f: ℝ → ℝ continua. Sus únicos ceros son −1, 2 y 4, y se sabe que f(−3) = 5, f(0) = −2, f(3) = 1 y f(6) = −4. Hallar los conjuntos de positividad y de negatividad de f.

Los tramos. Los ceros parten la recta en cuatro intervalos. Como f es continua y no se anula adentro de ninguno, en cada uno tiene un solo signo:

(−∞ ; −1) · (−1 ; 2) · (2 ; 4) · (4 ; +∞)

Un valor por tramo, y los datos alcanzan justo:

f(−3) = 5 > 0 → (−∞ ; −1) positivo
f(0) = −2 < 0 → (−1 ; 2) negativo
f(3) = 1 > 0 → (2 ; 4) positivo
f(6) = −4 < 0 → (4 ; +∞) negativo
C⁺ = (−∞ ; −1) ∪ (2 ; 4)
C⁻ = (−1 ; 2) ∪ (4 ; +∞)

Control: los signos se alternan en cada cero. No tenía por qué pasar (un cero puede no cambiar el signo), pero acá los datos lo confirman tramo por tramo.

Dónde se pierde el punto: incluir los ceros en C⁺ o en C⁻ (ahí f vale 0, no es positiva ni negativa), o suponer que el signo alterna sin mirar los datos.

Y uno del nivel del parcial

Resolver las inecuaciones y dar cada conjunto solución como intervalo o unión de intervalos: a) (2x − 1)/(x + 3) ≤ 1. b) ln(x² − 8) < 0. Controlar con un valor de cada tramo.

a) Todo de un lado, sin multiplicar por x + 3:

(2x − 1)/(x + 3) − 1 ≤ 0
(2x − 1 − (x + 3))/(x + 3) ≤ 0
(x − 4)/(x + 3) ≤ 0

Cero en 4, fuera del dominio en −3. Pruebo un número por tramo:

x = −4: (−8)/(−1) > 0 · x = 0: (−4)/3 < 0 · x = 5: 1/8 > 0

Me quedo con el tramo negativo y agrego el cero (≤): (−3 ; 4]. El −3 no, porque ahí no existe el cociente.

b) Dominio primero: x² − 8 > 0. Y ln(E) < 0 ⟺ 0 < E < 1:

0 < x² − 8 < 1 ⟺ 8 < x² < 9

x² < 9 da −3 < x < 3, y x² > 8 da |x| > 2√2 ≈ 2,83. Juntando: (−3 ; −2√2) ∪ (2√2 ; 3).

Control: x = 2,9: ln(8,41 − 8) = ln(0,41) < 0 ✔. x = 0: fuera del dominio (ln(−8)) ✔. x = 3,5: ln(4,25) > 0 ✔

Dónde se pierde el punto: en a), multiplicar por x + 3 y llegar a x ≤ 4, que mete todo (−∞ ; −3). En b), resolver x² − 8 < 1 y olvidarse del dominio.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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