Como consecuencia de la participación en un MOOC internacional, dentro de un proyecto europeo denominado MaSCE³ (Math Trails in School, Curriculum and Educational Environments of Europe) , un grupo de alumnas del ámbito Científico-Tecnológico de la ESPA NII Semipresencial, durante el curso académico 2020-2021, participó en una ruta matemática, elaborada con la aplicación MathCityMap, que consistía en realizar un paseo donde tienen que realizar actividades matemáticas. En la siguiente presentación se cuenta y muestra la experiencia:
Pretendemos que esta bitácora sirva para mostrar algunos aspectos sobre Matemáticas, Ciencias y Tecnología que tratamos en clase.
miércoles, 30 de marzo de 2022
Transformaciones de la curva y=x² que permite obtener la gráfica de cualquier función cuadrática (y de propina cómo deducir la solución real, si existe, de cualquier ecuación cuadrática)
Multiplicamos y dividimos entre a para que el coeficiente de x^2 sea 1 y nos facilite los cálculos:
a\cdot \left( \dfrac{ax^{2}+bx+c}{a}\right) =a\cdot \left( x^{2}+\dfrac{b}{a}x+\dfrac{c}{a}\right)
Observamos que x^{2}+\dfrac{b}{a}x "casi" es el cuadrado de una suma, la de \left( x^{2}+\dfrac{b}{2a}\right) ^{2}, ya que:
\left (x+\frac{b}{2a} \right )^{2}=x^{2}+2x.\frac{b}{2a}+\left ( \frac{b}{2a} \right )^{2}=x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{b^{2}}{4a^{2}}
Únicamente faltaría el término \frac{b^{2}}{4a^{2}}, pero podemos hacer que aparezca fácilmente sumando y restando dicho término en la expresión que hay dentro del paréntesis (leer nota al final *):
a\left (x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a} \right )=a\left ( x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a}+\frac{b^{2}}{4a^{2}}-\frac{b^{2}}{4a^{2}} \right )=a\left [ \left (x+\frac{b}{2a} \right )^{2}+\frac{c}{a}-\frac{b^{2}}{4a^{2}} \right ]
Si llamamos k=\frac{b}{2a} y h=\frac{c}{a}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}, hemos demostrado que cualquier polinomio de grado 2, ax^{2}+bx+c, se puede expresar de la forma:
f(x)=ax^{2}+bx+c=a(x+k)^{2}+h
Se puede observar que cualquier función cuadrática se puede expresar como una combinación de transformaciones de la función cuadrática base y=x^{2}:
k indica una traslación horizontal hacia la derecha (k<0) o la izquierda (k>0)
h una traslación vertical hacia arriba (h>0) o hacia abajo (h<0)
a>0 sería una dilatación (0<a<1) o contracción (a>1).
En el caso de que a<0, entonces -a>0 y únicamente hay que recordar que -f(x) es una simetría respecto el eje de abscisas de f(x).
Ejemplo:
Se puede comprobar con una situación real como puede ser el lanzamiento a canasta que se simula en el siguiente enlace realizado en Geogebra.
Transformación de funciones (ejemplo con modelización)
(*) Esta técnica se denomina “completar el cuadrado”, que también es muy útil para resolver ecuaciones cuadráticas completas ya que:
ax^{2}+bx+c=0, a\neq 0\rightarrow x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a}=0
Por
comodidad expresamos la ecuación cuadrática de forma que el coeficiente de x^2 sea 1. Ahora completamos el cuadrado en x^2+\frac{b}{a}x . Para ello, y teniendo en cuenta que \left (x+\frac{b}{2a} \right )^{2}=x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{b^{2}}{4a^{2}}
x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a}=0\rightarrow x^{2}+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a}+\frac{b^{2}}{4a^{2}}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}=0\rightarrow \left (x+\frac{b}{2a} \right )^{2}+\frac{c}{a}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}=0
Ahora agrupamos \frac{c}{a}-\frac{b^{2}}{4a^{2}}=\frac{4ac-b^{2}}{4a^{2}}=-\frac{b^{2}-4ac}{4a^{2}} y aislamos \left (x+\frac{b}{2a} \right )^{2}=\frac{b^{2}-4ac}{4a^{2}}.
Teniendo en cuenta que 4a^2>0, si b^2-4ac>0 tendremos dos soluciones reales:
x+\frac{b}{a}=\sqrt{\frac{b^{2}-4ac}{4a^{2}}}=\frac{\sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}
x+\frac{b}{a}=-\sqrt{\frac{b^{2}-4ac}{4a^{2}}}=-\frac{\sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}
A b^2-4ac se le suele llamar "discriminante" de la ecuación de segundo grado y se suele representar con el símbolo \Delta. Nótese que conocer el signo del discriminante permitirá saber con antelación si la ecuación va a tener solución real o no y cuántas si la respuesta es afirmativa:
Si b^2-4ac>0, hay dos soluciones reales como hemos visto antes: despejando x de las expresiones anteriores obtenemos la "fórmula" de todos conocida:
x=-\frac{b}{a}\pm \sqrt{\frac{b^{2}-4ac}{4a^{2}}}=\frac{-b\pm \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}
Si 4a^2<0, no hay solución real alguna (la raíz cuadrada de un nº negativo no es real).
Si 4a^2=0, sólo hay una solución real: x=-\frac{b}{a}
Ejemplo 1:
x^{2}+4x=13\rightarrow x^{2}+4x-13=0\to x^{2}+4x+4-4-13=0\to (x+2)^2-17=0\to
\to (x+2)^2=17\to x+2=\pm \sqrt{17}\to x=-2\pm \sqrt{17}
Si previamente se hubiese calculado el discriminante (\Delta=4^2-4.(-13)>0) se sabría de antemano que la ecuación posee dos soluciones reales.
Ejemplo 2:
3x^{2}+6x-5=0\to x^{2}+2x-\frac{5}{3}=0\to x^{2}+2x+1-1-\frac{5}{3}=0\to
\to(x+1)^2=\frac{8}{3}\to x+1=\pm \sqrt{\frac{8}{3}}=\pm \frac{2\sqrt{6}}{3}\to x=-1\pm\frac{2\sqrt{6}}{3}=\frac{-3\pm2\sqrt{6} }{3}