Matemáticas 9.º

La función cuadrática y la parábola

45 min · DBA 2, 8, 7

Lo que vas a aprender
  • Reconocer una función cuadrática y señalar sus coeficientes a, b y c.
  • Construir la tabla de valores de una función cuadrática y trazar su gráfica.
  • Decidir hacia dónde abre una parábola según el signo de a, y comparar su abertura según el tamaño de a.
  • Describir con palabras la trayectoria de un balón a partir de su fórmula y de su gráfica.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Cuando pateas un balón hacia el arco, el balón sube, cada vez más despacio, deja de subir un instante en lo más alto y vuelve a bajar, mientras sigue avanzando hacia el arco. El chorro de agua de una manguera y un tiro a la canasta de baloncesto dibujan curvas parecidas. Esa curva se llama parábola, y es la gráfica de una clase de funciones que vas a estudiar en toda esta unidad: las funciones cuadráticas.

Con una función lineal la gráfica es una recta, que crece o decrece siempre al mismo ritmo. Con una cuadrática el ritmo cambia: en la del balón, primero sube rápido, luego más lento, y al final baja. Por eso sirve para describir movimientos como el del balón y para encontrar el punto más alto o más bajo de una situación.

Antes de empezar necesitas saber elevar al cuadrado números negativos, $(-3)^2 = 9$, y desarrollar productos como $(x + 1)(x - 3)$.

Explicación

¿Qué es una función cuadrática?

Una función cuadrática es una función que se puede escribir en la forma

$$f(x) = ax^2 + bx + c, \qquad a \neq 0.$$

El número $a$ es el coeficiente cuadrático, $b$ el coeficiente lineal y $c$ el término independiente. La única exigencia es que $a$ no sea cero: si lo fuera, desaparecería el $x^2$ y la función sería lineal.

Para identificar los coeficientes conviene ordenar primero la expresión de mayor a menor grado, y fijarse en los signos:

  • en $f(x) = 3x^2 - 5x + 7$, los coeficientes son $a = 3$, $b = -5$ y $c = 7$;
  • en $g(x) = 4 - x^2$, se ordena como $-x^2 + 0x + 4$: $a = -1$, $b = 0$ y $c = 4$;
  • en $h(x) = (x + 1)(x - 3)$ hay que desarrollar el producto antes de leer los coeficientes.

La tabla de valores y la gráfica

Para graficar una función cuadrática se elige un grupo de valores de $x$, se calcula $f(x)$ para cada uno y se ubican los puntos $(x;\ f(x))$ en el plano. Dos cuidados:

  1. Al reemplazar un número negativo, ponlo entre paréntesis. Con $x = -3$, el término $x^2$ vale $(-3)^2 = 9$, no $-9$.
  2. Los puntos no se unen con segmentos rectos ni con un pico en el vértice: se unen con una curva suave, redondeada donde da la vuelta.

Al hacer la tabla notarás dos cosas. La primera: los valores de $f(x)$ se repiten a los dos lados de un valor de $x$, como en un espejo. La recta vertical que pasa por ese valor es el eje de simetría de la parábola. La segunda: hay un punto donde la curva da la vuelta, el vértice. En la próxima lección aprenderás a calcularlo sin hacer la tabla.

Hacia dónde abre: el signo de $a$

El signo de $a$ decide la concavidad:

  • si $a > 0$, la parábola abre hacia arriba, como una taza, y el vértice es su punto más bajo;
  • si $a < 0$, la parábola abre hacia abajo, como un arco, y el vértice es su punto más alto.

La razón es que, cuando $x$ se aleja mucho del cero, el término $ax^2$ termina por ganarle a los demás. Si $a$ es positivo, ese término es enorme y positivo, y la curva sube por los dos lados; si es negativo, la curva baja por los dos lados.

El tamaño de $a$ (sin el signo) decide la abertura: cuanto más grande, más rápido crece $ax^2$ y más estrecha se ve la parábola; cuanto más cerca de cero, más ancha.

Ejemplo resuelto

Leer los coeficientes de un producto

Escribe $h(x) = (x + 1)(x - 3)$ en la forma $ax^2 + bx + c$ y di cuánto valen $a$, $b$ y $c$.

Ver la solución paso a paso
  1. Partimos del producto.

    $$\left(x + 1\right)\left(x - 3\right)$$

  2. Multiplicamos cada término del primer factor por cada término del segundo.

    $$x^{2} - 3x + x - 3$$

  3. Reducimos los términos semejantes.

    $$x^{2} - 2x - 3$$

  4. Conclusión: es una función cuadrática con $a = 1$, $b = -2$ y $c = -3$. Como $a$ es positivo, su parábola abre hacia arriba.

Respuesta: $x^{2} - 2x - 3$

Ejemplo resuelto

La tabla de valores de una parábola

Haz la tabla de $f(x) = x^2 - 2x - 3$ para los valores enteros de $x$ entre $-2$ y $4$.

Ver la solución paso a paso
  1. Con $x = -2$, el negativo va entre paréntesis:

    $$\left(-2\right)^{2} - 2 \cdot \left(-2\right) - 3 = 5$$

  2. Con $x = -1$:

    $$\left(-1\right)^{2} - 2 \cdot \left(-1\right) - 3 = 0$$

  3. Con $x = 0$:

    $$0^{2} - 2 \cdot 0 - 3 = -3$$

  4. Con $x = 1$:

    $$1^{2} - 2 \cdot 1 - 3 = -4$$

  5. Con $x = 2$:

    $$2^{2} - 2 \cdot 2 - 3 = -3$$

  6. Con $x = 3$:

    $$3^{2} - 2 \cdot 3 - 3 = 0$$

  7. Con $x = 4$:

    $$4^{2} - 2 \cdot 4 - 3 = 5$$

  8. Lectura de la tabla. Los valores bajan de 5 a −4 y vuelven a subir a 5. Se repiten a los dos lados de $x = 1$: $f(0) = f(2)$, $f(-1) = f(3)$ y $f(-2) = f(4)$. El eje de simetría es la recta $x = 1$ y el vértice es el punto $(1;\ -4)$, el más bajo de la curva.

−3−2−112345−5−4−3−2−1123456xyf(x) = x² − 2x − 3(1; −4)(−1; 0)(3; 0)

La parábola de f(x) = x² − 2x − 3 abre hacia arriba (a = 1 > 0). Su vértice (1; −4) es el punto más bajo, y corta al eje x en −1 y en 3.

−3−2−1123−5−4−3−2−112345xyy = x²y = 3x²y = −x²y = −0,5x²

Con a positivo la parábola abre hacia arriba; con a negativo, hacia abajo. Cuanto más grande es a sin su signo, más estrecha es: y = 3x² es más estrecha que y = x², y y = −0,5x² es más ancha que y = −x².

−6−5−4−3−2−1123456−6−5−4−3−2−1123456xyy = (x − 1)² − 4

Empieza en f(x) = x² − 2x − 3, que es (x − 1)² − 4. Mueve a: si es positivo la parábola abre hacia arriba y si es negativo, hacia abajo; cuanto más grande sin su signo, más cerrada. Mueve h y k y mira cómo viaja el vértice.

La trayectoria de un balón

Un jugador patea un balón desde el piso. Suponemos que, si $x$ es la distancia horizontal recorrida y $y$ la altura del balón, las dos en metros, la trayectoria sigue la fórmula (inventada para este ejemplo)

$$y = -0{,}05x^2 + x.$$

Como $a = -0{,}05$ es negativo, la parábola abre hacia abajo: el balón tiene un punto más alto. La fórmula solo describe el vuelo, desde que sale del pie hasta que vuelve a tocar el piso; antes y después de ese tramo no tiene sentido.

Ejemplo resuelto

Describir el vuelo del balón

Con $y = -0{,}05x^2 + x$, calcula la altura del balón cada 4 metros de recorrido y describe cómo cambia.

Ver la solución paso a paso
  1. Al salir del pie, con $x = 0$, el balón está en el piso:

    $$-0{,}05 \cdot 0^{2} + 0$$

  2. Resultado:

    $$0$$

  3. A los 4 metros:

    $$-0{,}05 \cdot 4^{2} + 4$$

  4. Resultado, en metros:

    $$3{,}2$$

  5. A los 8 metros:

    $$-0{,}05 \cdot 8^{2} + 8$$

  6. Resultado:

    $$4{,}8$$

  7. A los 10 metros, en la mitad del recorrido:

    $$-0{,}05 \times 10^{2} + 10$$

  8. Resultado: es la altura más alta de la tabla.

    $$5$$

  9. A los 12 metros:

    $$-0{,}05 \cdot 12^{2} + 12$$

  10. Resultado: la misma altura que a los 8 metros.

    $$4{,}8$$

  11. A los 20 metros:

    $$-0{,}05 \cdot 20^{2} + 20$$

  12. Resultado: el balón vuelve a tocar el piso.

    $$0$$

  13. De los 4 a los 8 metros el balón sube menos que en los primeros 4:

    $$4{,}8 - 3{,}2 = 1{,}6$$

  14. Y a los 16 metros, que están a la misma distancia del 10 que los 4 metros, vuelve a la misma altura:

    $$-0{,}05 \cdot 16^{2} + 16 = 3{,}2$$

  15. Descripción del movimiento. En los primeros 4 metros el balón sube $3{,}2$ m; en los 4 siguientes solo sube $1{,}6$ m: sigue subiendo, pero cada vez más despacio. A los 10 metros llega a su altura máxima, 5 m, y desde ahí baja repitiendo las mismas alturas en orden inverso (a los 16 m está otra vez a $3{,}2$ m). Cae al piso a los 20 metros.

246810121416182022−11234567xyy = −0,05x² + x(0; 0)(10; 5)(20; 0)

La trayectoria del balón, y = −0,05x² + x: sale del piso, alcanza 5 m de altura a los 10 m y cae a los 20 m.

2 m4 m6 m8 m10 m2468101214161820maltura máx. 5 malcance 20 mv₀ = 14 m/s45°g = 9,8 m/s²Sale a 14 m/s con 45°.Alcance 20 m · Altura máxima 5 m · Tiempo 2,02 s

Este balón sale del piso a 14 m/s con un ángulo de 45°, y su vuelo es la parábola y = −0,05x² + x. Lánzalo: sube hasta 5 m y cae a los 20 m. Cambia el ángulo o la velocidad y lánzalo otra vez: la estela siempre dibuja una parábola.

Práctica

Si f(x) = x² − 3x + 2, ¿cuánto vale f(4)?

En la tabla de y = 2x² − 1, ¿qué valor de y corresponde a x = −3?

Para f(x) = x² − 2x − 3, la función del ejemplo, calcula f(−3).

Al escribir $\left(x - 2\right)\left(x + 5\right)$ en la forma ax² + bx + c, ¿qué se obtiene?

¿Hacia dónde abre la parábola de y = −3x² + x + 5, y por qué?

Si en y = ax² el coeficiente a pasa de 1 a 3, ¿qué le pasa a la parábola?

La trayectoria del balón del ejemplo es y = −0,05x² + x, en metros. ¿A qué altura está el balón cuando ha avanzado 6 m? Escribe el número de metros.

En la tabla del ejemplo, el balón llega a lo más alto a los 10 m de recorrido. Con y = −0,05x² + x, ¿cuál es esa altura máxima, en metros?

El eje de simetría de la trayectoria del balón es la recta x = 10. Cuando ha avanzado 6 m, el balón tiene cierta altura. ¿A cuántos metros de recorrido vuelve a tener exactamente esa misma altura?

Un compañero de 1,8 m de estatura está en la línea del tiro, a 3 m del punto donde se patea el balón del ejemplo. ¿Verdadero o falso? El balón le pasa por encima de la cabeza, porque $-0{,}05 \cdot 3^{2} + 3 > 1{,}8$

Reto

Une cada producto con su forma ax² + bx + c.

Desarrolla el producto de la izquierda y busca su pareja.

Reto

Completa la tabla de una parábola.

Reemplaza cada valor de x en la función. Cuidado con los negativos.

Cierre

En resumen

  • Una función cuadrática es f(x) = ax² + bx + c con a distinto de cero; su gráfica es una parábola.

  • Para graficarla se hace una tabla de valores, poniendo los negativos entre paréntesis, y se unen los puntos con una curva suave.

  • La parábola es simétrica respecto a una recta vertical, su eje, y da la vuelta en el vértice.

  • Si a es positivo la parábola abre hacia arriba; si es negativo, hacia abajo. Cuanto más grande es a sin el signo, más estrecha.

  • La trayectoria de un balón pateado es una parábola que abre hacia abajo: sube cada vez más despacio, llega a su punto más alto y baja.

Vocabulario

Función cuadrática

Función que se puede escribir como f(x) = ax² + bx + c, con a, b y c números reales y a distinto de cero.

Parábola

La curva que se obtiene al graficar una función cuadrática.

Eje de simetría

Recta vertical que divide la parábola en dos mitades que son reflejo una de la otra.

Vértice

El punto donde la parábola cambia de bajar a subir, o de subir a bajar: su punto más bajo o más alto.

Concavidad

Hacia dónde abre la parábola: hacia arriba si a es positivo, hacia abajo si a es negativo.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Hacer la tabla y la gráfica de y = −x² + 4x para x de −1 a 5, decir hacia dónde abre y en qué punto da la vuelta, y explicar con palabras qué describiría si fuera la altura de un balón.