Matemáticas 11.º

Funciones: dominio, rango y composición

50 min · DBA 7

Lo que vas a aprender
  • Hallar el dominio de una función que combina raíces, cocientes y logaritmos, reuniendo todas sus condiciones.
  • Determinar el rango de una función a partir de las funciones básicas que la forman y de su gráfica.
  • Calcular la composición f∘g de dos funciones, su valor en un número y su dominio.
  • Descomponer una función en dos funciones más simples y comprobar la descomposición.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

En una fábrica inventada de jugos, la cantidad de fruta que se compra depende de cuántas botellas se quieren llenar, y el costo depende de la cantidad de fruta. Si conoces las dos reglas por separado, puedes juntarlas en una sola: del número de botellas al costo, sin pasar por la fruta. Encadenar así dos funciones se llama componerlas, y es una de las ideas que más se usan en ciencias, en economía y en la programación de computadores: cada programa grande está hecho de funciones pequeñas que se pasan resultados unas a otras.

Antes de encadenar hay que saber qué números acepta cada función. Una calculadora responde «Error» si le pides la raíz cuadrada de un negativo, el logaritmo de cero o una división por cero. Esos «errores» son los bordes del dominio, y en esta lección vas a aprender a encontrarlos aunque la fórmula mezcle raíces, fracciones y logaritmos.

Antes de empezar repasa qué son el dominio y el rango, cómo se resuelve una inecuación cuadrática con una tabla de signos y qué significa $\log_b a$.

Explicación

Dónde está definida una fórmula

Cuando una función se da solo con su fórmula, su dominio son todos los números reales para los que la fórmula produce un número real. En el bachillerato hay tres operaciones que ponen condiciones:

  1. Un cociente: el denominador tiene que ser distinto de cero.
  2. Una raíz de índice par ($\sqrt{\ }$, $\sqrt[4]{\ }$…): lo de dentro tiene que ser mayor o igual que cero.
  3. Un logaritmo: el argumento tiene que ser estrictamente positivo. El logaritmo de cero no existe, porque ninguna potencia de una base positiva da cero, y el de un negativo tampoco, porque esas potencias siempre son positivas.

Si una fórmula tiene varias de esas operaciones, se escribe una condición por cada una y el dominio son los números que cumplen todas a la vez: la intersección de los conjuntos. Un error frecuente es resolver solo la condición más visible y olvidar las otras.

Fíjate en la diferencia entre la raíz y el logaritmo: en $\sqrt{u}$ el cero sí sirve, porque $\sqrt{0} = 0$; en $\log_b u$ el cero no sirve. Por eso una condición lleva «$\ge$» y la otra «$>$».

Ejemplo resuelto

Una raíz sobre un denominador

Halla el dominio de $f(x) =$ $\frac{\sqrt{x + 2}}{x - 3}$.

Ver la solución paso a paso
  1. En $\frac{\sqrt{x + 2}}{x - 3}$ hay dos operaciones que ponen condiciones: la raíz del numerador y el denominador.

  2. La raíz pide que lo de dentro no sea negativo:

    $$x + 2 \ge 0$$

  3. Restamos 2 a ambos lados.

    $$x \ge -2$$

  4. El denominador no puede valer cero:

    $$x - 3 \ne 0$$

  5. Sumamos 3.

    $$x \ne 3$$

  6. Los dos requisitos se cumplen a la vez desde $-2$ (incluido, porque $\sqrt{0}$ existe) en adelante, saltando el 3. El dominio es $[-2;\ 3) \cup (3;\ \infty)$.

Respuesta: $[-2;\ 3) \cup (3;\ \infty)$

Ejemplo resuelto

El dominio y el rango de un logaritmo

Halla el dominio y el rango de $g(x) =$ $\log_{2} \left(x^{2} - 9\right)$.

Ver la solución paso a paso
  1. El argumento del logaritmo en $\log_{2} \left(x^{2} - 9\right)$ es $x^2 - 9$, y tiene que ser estrictamente positivo.

  2. Planteamos la condición.

    $$x^{2} - 9 > 0$$

  3. Factorizamos la diferencia de cuadrados.

    $$\left(x - 3\right)\left(x + 3\right) > 0$$

  4. El producto es positivo cuando los dos factores tienen el mismo signo: los dos positivos ($x > 3$) o los dos negativos ($x < -3$). Esa pareja de casos es lo mismo que pedir que $x$ esté a más de 3 unidades del cero:

    $$\left|x\right| > 3$$

  5. El dominio es $(-\infty;\ -3) \cup (3;\ \infty)$. Para el rango, piensa en lo que entra al logaritmo: en ese dominio, $x^2 - 9$ toma todos los valores positivos, muy cerca de 0 cuando $x$ se acerca a 3 y tan grandes como quieras cuando $x$ crece. Y el logaritmo en base 2 de los positivos da todos los reales. Por ejemplo, para que $g(x) = 4$, el argumento tiene que valer $2^4$:

    $$x^{2} - 9 = 2^{4}$$

  6. Sumamos 9.

    $$x^{2} = 25$$

  7. Las soluciones son 5 y $-5$, y las dos están en el dominio. Comprobamos con $x = 5$:

    $$\log_{2} \left(5^{2} - 9\right) = 4$$

  8. Con cualquier otro valor de $y$ se razona igual: $x^2 = 9 + 2^y$ siempre tiene solución. El rango es $\mathbb{R}$.

Respuesta: Dominio $(-\infty;\ -3) \cup (3;\ \infty)$; rango $\mathbb{R}$.

El rango: de las piezas a la función

El rango es más difícil de calcular que el dominio, porque hay que saber qué valores salen, no cuáles entran. La estrategia más útil es partir de las funciones básicas, cuyo rango ya conoces, y seguir lo que les hace cada operación:

  • $\sqrt{u}$ nunca es negativa: si $u$ toma todos los valores desde 0, la raíz también.
  • $\dfrac{1}{u}$ nunca vale cero, por grande que sea $u$; y si $u$ recorre todos los reales distintos de cero, $\dfrac{1}{u}$ toma todos los valores salvo el 0.
  • $b^u$, con $b > 0$, siempre es positiva.
  • $\log_b u$ toma todos los valores reales si $u$ recorre todos los positivos.

Después, sumar una constante sube o baja el rango, y multiplicar por un negativo lo voltea. Así, $\sqrt{x - 1}$ toma los valores de $[0;\ \infty)$, y $\sqrt{x - 1} + 2$ toma los de $[2;\ \infty)$. La gráfica lo confirma: la curva empieza a la altura 2 y sube sin detenerse.

Otra forma de comprobar si un número $y_0$ está en el rango es preguntarse si la ecuación $f(x) = y_0$ tiene solución en el dominio. Es lo que hicimos con el logaritmo: para cada $y$ encontramos un $x$.

−1123456789−1123456xyy = √(x − 1) + 2(1; 2)(5; 4)

La curva y = √(x − 1) + 2 empieza en el punto (1; 2) y sube sin detenerse: su dominio es [1; ∞) y su rango es [2; ∞).

Componer funciones

Imagina dos máquinas en fila. La primera, $g$, recibe un número $x$ y entrega $g(x)$. Ese resultado entra a la segunda máquina, $f$, que entrega $f(g(x))$. La máquina completa es la composición de $f$ con $g$, y se escribe

$$(f \circ g)(x) = f(g(x)).$$

Se lee «$f$ compuesta con $g$» o «$f$ de $g$ de $x$». El orden importa: en $f \circ g$ actúa primero la función de la derecha, $g$, que se llama interior, y después $f$, la exterior. En general $f \circ g$ y $g \circ f$ son funciones distintas. Con $f(x) = x + 3$ y $g(x) = 2x$, por ejemplo, $f(g(x)) = 2x + 3$ pero $g(f(x)) = 2x + 6$.

Para calcular la fórmula de $f(g(x))$, se escribe la fórmula de $f$ y cada $x$ se reemplaza por la expresión completa de $g(x)$, entre paréntesis.

El dominio de una composición

Un número $x$ puede entrar a $f \circ g$ si pasa dos controles:

  1. $x$ tiene que estar en el dominio de $g$, porque la primera máquina tiene que poder trabajar con él;
  2. el resultado $g(x)$ tiene que estar en el dominio de $f$.

Cuidado con la trampa más común: simplificar primero y buscar el dominio después. Si $f(x) = x^2$ y $g(x) = \sqrt{x - 2}$, la fórmula de $f(g(x))$ se simplifica a $x - 2$, que parece aceptar cualquier número. Pero $x = 0$ no puede entrar: la primera máquina tendría que calcular $\sqrt{-2}$. El dominio de $f \circ g$ es $[2;\ \infty)$, el de $g$, aunque la fórmula final no lo muestre.

Ejemplo resuelto

Una composición y su dominio

Sean $f(x) =$ $\frac{1}{x - 3}$ y $g(x) =$ $\sqrt{x}$. Halla la fórmula de $(f \circ g)(x)$, su dominio y el valor $(f \circ g)(16)$.

Ver la solución paso a paso
  1. La función exterior es $f(x) =$ $\frac{1}{x - 3}$.

  2. La interior es $g(x) =$ $\sqrt{x}$.

  3. En la fórmula de $f$ reemplazamos $x$ por $\sqrt{x}$: $f(g(x)) =$ $\frac{1}{\sqrt{x} - 3}$.

  4. Primer control: $x$ tiene que estar en el dominio de $g$.

    $$x \ge 0$$

  5. Segundo control: lo que entra a $f$ no puede ser 3, porque anularía su denominador. Lo que entra a $f$ es $\sqrt{x}$:

    $$\sqrt{x} \ne 3$$

  6. Elevando al cuadrado, $\sqrt{x} = 3$ pasa justo en $x = 9$. Juntando los dos controles, el dominio es $[0;\ 9) \cup (9;\ \infty)$. Ahora el valor en 16, por pasos. Primero la máquina $g$:

    $$\sqrt{16}$$

  7. Sale $4$, que entra a $f$:

  8. $$\frac{1}{4 - 3}$$

  9. $$1$$

  10. Con la fórmula compuesta da lo mismo, como tenía que pasar:

    $$\frac{1}{\sqrt{16} - 3} = 1$$

Respuesta: $(f \circ g)(x) = \dfrac{1}{\sqrt{x} - 3}$, con dominio $[0;\ 9) \cup (9;\ \infty)$, y $(f \circ g)(16) = 1$.

Descomponer una función

El camino inverso también es útil: mirar una fórmula complicada y reconocer en ella dos funciones más simples encadenadas. La pregunta clave es: si tuvieras que calcular el valor con una calculadora, ¿qué harías primero? Eso es la función interior. Lo que harías con ese resultado es la exterior.

Una misma función admite varias descomposiciones, y todas son correctas si al componerlas se recupera la fórmula original. Más adelante, en el cálculo de derivadas, saber descomponer será indispensable.

Ejemplo resuelto

Reconocer las dos máquinas

Escribe $h(x) =$ $\sqrt{x^{2} + 9}$ como $f(g(x))$ y comprueba la descomposición en $x = 4$.

Ver la solución paso a paso
  1. Para calcular $\sqrt{x^{2} + 9}$ con una calculadora, primero elevas al cuadrado y sumas 9; después sacas la raíz.

  2. Por eso la interior es $g(x) = x^2 + 9$ y la exterior es $f(x) = \sqrt{x}$. Comprobamos en $x = 4$. La máquina $g$ da:

    $$4^{2} + 9$$

  3. $$25$$

  4. Ese 25 entra a $f$:

    $$\sqrt{25}$$

  5. $$5$$

  6. Y la fórmula de $h$ da el mismo valor:

    $$\sqrt{4^{2} + 9} = 5$$

  7. También sirve $g(x) = x^2$ con $f(x) = \sqrt{x + 9}$: lo que importa es que la composición devuelva $h$.

Respuesta: $g(x) = x^2 + 9$ y $f(x) = \sqrt{x}$; en $x = 4$, $g(4) = 25$ y $f(25) = 5 = h(4)$.

Dos máquinas en filaal cuadrado+ 9√Entraal cuadrado+ 9Sale0093416255636456,71Al revés no da lo mismo: el orden importa

Las dos máquinas del ejemplo en fila: g eleva al cuadrado y suma 9, y f saca la raíz. Mete el 4: g lo vuelve 25 y f lo vuelve 5, que es h(4). Después mira la tabla con las máquinas al revés: con el 4, f da 2 y g da 13. Componer en otro orden da otra función.

Práctica

¿Cuál es el dominio de f(x) = $\frac{\sqrt{x - 1}}{x - 5}$?

¿Cuál es el dominio de f(x) = $\log_{3} \left(2x - 8\right)$?

Marca todos los números que están en el dominio de f(x) = $\frac{\sqrt{6 - x}}{x - 2}$.

Marca todas las que apliquen.

¿Cuál es el rango de f(x) = $\frac{3}{x - 1} + 2$?

¿Cuál es el rango de f(x) = $\sqrt{x + 4} - 3$?

Si f(x) = $x^{2} - 1$ y g(x) = $3x - 4$, ¿cuánto vale (f ∘ g)(2)?

Si f(x) = $x^{2} + 1$ y g(x) = $2x - 3$, ¿cuál es la fórmula de (f ∘ g)(x)?

¿Verdadero o falso? Si f(x) = $x + 3$ y g(x) = $2x$, entonces f ∘ g y g ∘ f son la misma función.

Si f(x) = $x^{2}$ y g(x) = $\sqrt{x - 2}$, la fórmula de f(g(x)) se simplifica a x − 2. ¿Cuál es el dominio de f ∘ g?

Si f(x) = $\frac{1}{x - 4}$ y g(x) = $\sqrt{x}$, el dominio de f ∘ g son los x ≥ 0 menos un número. ¿Cuál es ese número?

¿Verdadero o falso? Si f(x) = $\sqrt{x}$ y g(x) = $3x + 1$, entonces h(x) = $3\sqrt{x} + 1$ es f(g(x)).

Reto

Completa el dominio de cada función.

Escribe una condición por cada raíz, denominador o logaritmo. El logaritmo pide un argumento estrictamente positivo.

Reto

¿Cuál de estos cálculos no da un número real?

En cada ronda, toca la expresión que no existe en los reales: una raíz de un negativo, un logaritmo de un número que no es positivo o una división entre cero.

Reto

Abre el candado componiendo funciones.

Cada pista da un dígito. Aplica primero la función de adentro y después la de afuera.

Cierre

En resumen

  • El dominio de una fórmula se halla con una condición por operación: denominador ≠ 0, radicando de raíz par ≥ 0 y argumento del logaritmo > 0; valen los x que cumplen todas.

  • El rango se obtiene siguiendo el rango de las funciones básicas (raíz, recíproco, exponencial, logaritmo) a través de las sumas y los productos, y se confirma en la gráfica.

  • (f ∘ g)(x) = f(g(x)): primero actúa g, la interior, y después f, la exterior; en general f ∘ g y g ∘ f son distintas.

  • El dominio de f ∘ g son los x del dominio de g cuyo resultado g(x) está en el dominio de f; simplificar la fórmula no borra esas restricciones.

  • Descomponer una función es reconocer qué se calcula primero (la interior) y qué se hace después con ese resultado (la exterior).

Vocabulario

Dominio

El conjunto de los valores de x para los que la fórmula de la función da un número real.

Rango

El conjunto de todos los valores que toma f(x) cuando x recorre el dominio.

Composición

La función f∘g que a cada x le asigna f(g(x)): primero se aplica g y al resultado se le aplica f.

Función interior y exterior

En f(g(x)), g es la función interior (la que actúa primero) y f la exterior (la que actúa sobre el resultado).

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Hallar el dominio de √(x + 1)/(x² − 4) y de log₂(9 − x²); para f(x) = 1/x y g(x) = x − 5, escribir f ∘ g y g ∘ f con sus dominios; y descomponer h(x) = (2x + 1)⁵ de dos maneras distintas.