Funciones cuadráticas

En álgebra, una función cuadrática, un polinomio cuadrático, o un polinomio de grado 2, es una función polinómica con una o más variables en la que el término de grado más alto es de segundo grado.

Una función cuadrática univariada (variable única) tiene la forma^[1]​

En este caso la variable única es x. La gráfica de una función cuadrática univariada es una parábola cuyo eje de simetría es paralelo al eje y, como se muestra a la derecha.

Si la función cuadrática se establece igual a cero, entonces el resultado es una ecuación cuadrática. Las soluciones a la ecuación univariable se denominan raíces de la función univariable.

El caso bivariable en términos de las variables x e y tiene la forma

con al menos uno de los coeficientes a, b o c no iguales a cero. Una ecuación que establece esta función igual a cero da lugar a una sección cónica (una circunferencia u otra elipse, una parábola o una hipérbola).

Una función cuadrática en tres variables x, y, y z contiene exclusivamente los términos x², y², z², xy, xz, yz, x, y, z, y una constante:

con al menos uno de los coeficientes a, b, c, d, e o f de los términos de segundo grado que no son cero.

En general, puede haber un número arbitrariamente grande de variables, en cuyo caso la superficie resultante se llama cuadrática, pero el término de grado más alto debe ser de grado 2, como x², xy, yz, etc.

El adjetivo cuadrático proviene de la palabra latina quadrātum ("cuadrado"). Un término como x² se llama cuadrado en álgebra porque es el área de un cuadrado con lado x.

Los coeficientes de un polinomio son a menudo se consideran números reales o complejos, pero de hecho, un polinomio se puede definir sobre cualquier anillo.

Cuando se usa el término "polinomio cuadrático", a veces se hace referencia a "tener un grado de exactamente 2", y otras veces, a "tener un grado como máximo de 2". Si el grado es inferior a 2, se puede hablar de un "caso degenerado". Por lo general, el contexto permite establecer cuál de los dos significados se utiliza.

A veces, la palabra "orden" se usa con el significado de "grado", por ejemplo, un polinomio de segundo orden.

Un polinomio cuadrático puede involucrar una sola variable x (el caso univariable), o múltiples variables como x, y y z (el caso multivariable).

Cualquier polinomio cuadrático de variable única puede escribirse como

donde x es la variable, y a, b y c representan los coeficientes. En álgebra elemental, tales polinomios a menudo surgen en forma de una ecuación cuadrática ${displaystyle ax^{2}+bx+c=0}$. Las soluciones a esta ecuación se llaman las raíces del polinomio cuadrático, y se pueden encontrar a través de la factorización, completando el cuadrado, graficando, utilizando el método de Newton, o mediante el uso de la fórmula cuadrática. Cada polinomio cuadrático tiene una función cuadrática asociada, cuyo gráfico es una parábola.

Cualquier polinomio cuadrático con dos variables puede escribirse como

donde x e y son las variables y a, b, c, d, e y f son los coeficientes. Tales polinomios son fundamentales para el estudio de las secciones cónicas, que se caracterizan por igualar la expresión para f ( x, y ) a cero. Del mismo modo, polinomios cuadráticos con tres o más variables corresponden a superficies cuádricas y a hipersuperficies. En álgebra lineal, los polinomios cuadráticos se pueden generalizar a la noción de una forma cuadrática en un espacio vectorial.

Una función cuadrática de una variable se puede expresar en tres formas:^[2]​

El coeficiente a es el mismo valor en las tres formas. Para convertir la forma estándar en la forma factorizada, solo se necesita la fórmula cuadrática para determinar las dos raíces r₁ y r₂. Para convertir la forma estándar en la forma de vértice, se necesita un proceso denominado completar el cuadrado. Para convertir la forma factorizada (o la forma de vértice) en la forma estándar, basta con operar los factores de cada una de ellas.

Independientemente del formato, la gráfica de una función cuadrática de una variable ${displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c}$ es una parábola (como se muestra a la derecha). De manera equivalente, esta es la gráfica de la ecuación cuadrática de dos variables ${displaystyle y=ax^{2}+bx+c}$.

El coeficiente a controla el grado de curvatura del gráfico; una magnitud mayor de a le da al gráfico una apariencia más cerrada (fuertemente curvada).

Los coeficientes b y a controlan conjuntamente la ubicación del eje de simetría de la parábola (también la coordenada x del vértice), que tiene la expresión:

El coeficiente c controla la altura de la parábola; más específicamente, es la altura de la parábola donde intercepta el eje y.

El vértice de una parábola es el lugar donde pasa de descender a ascender. Por lo tanto, también es un punto máximo o mínimo, donde la inclinación de la curva se anula al cambiar de signo. Si la función cuadrática está en forma de vértice, el vértice es (h, k). Usando el método de completar el cuadrado, se puede convertir la fórmula estándar

en

y entonces, el vértice (h, k) de la parábola en forma estándar es

Si la función cuadrática está en forma factorizada

el promedio de las dos raíces, es decir,

es la coordenada x del vértice, y por lo tanto, el vértice (h, k) es

El vértice también es el punto máximo si a < 0, o el punto mínimo si a > 0.

La línea recta vertical

que pasa a través del vértice es también el eje de simetría de la parábola.

Usando cálculo infinitesimal, el punto del vértice, que es un máximo o un mínimo de la función, se puede obtener al encontrar las raíces de la derivada:

x es una raíz de f '(x) si f '(x) = 0, y por lo tanto

con el valor de la función correspondiente

así que de nuevo las coordenadas del punto de vértice, (h, k), se pueden expresar como

Otra forma de determinar los máximos y mínimos es a partir del vértice y el signo del coeficiente a.

Los máximos y mínimos de una función cuadrática corresponden siempre con el vértice de la parábola que representa esa función, entonces:

Las raíces (o ceros ), r₁ y r₂, de la función cuadrática de una variable

son los valores de x para los cuales f(x) = 0.

Cuando los coeficientes a, b, y c son reales o complejos, las raíces son

El módulo de las raíces de una cuadrática ${displaystyle ax^{2}+bx+c,}$ no puede ser mayor que ${displaystyle {frac {max(|a|,|b|,|c|)}{|a|}} imes phi ,,}$ dónde ${displaystyle phi }$ es la proporción áurea ${displaystyle {frac {1+{sqrt {5}}}{2}}.}$^[4]​

La raíz cuadrada de una función cuadrática de una variable da lugar a una de las cuatro secciones cónicas, casi siempre a una elipse o a una hipérbola.

Si ${displaystyle a>0,!}$ entonces la ecuación ${displaystyle y=pm {sqrt {ax^{2}+bx+c}}}$ describe una hipérbola, como se puede ver al elevar al cuadrado ambos lados. Las direcciones de los ejes de la hipérbola están determinadas por la ordenada del punto mínimo de la parábola correspondiente${displaystyle y_{p}=ax^{2}+bx+c,!}$. Si la ordenada es negativa, entonces el eje mayor de la hipérbola (a través de sus vértices) es horizontal, mientras que si la ordenada es positiva, entonces el eje mayor de la hipérbola es vertical.

Si ${displaystyle a<0,!}$ entonces la ecuación ${displaystyle y=pm {sqrt {ax^{2}+bx+c}}}$ describe un círculo u otra elipse o nada en absoluto. Si la ordenada del punto máximo de la parábola correspondiente ${displaystyle y_{p}=ax^{2}+bx+c,!}$ es positivo, entonces su raíz cuadrada describe una elipse, pero si la ordenada es negativa, entonces describe un lugar geométrico de puntos vacío.

Para iterar una función ${displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c}$, se aplica la función repetidamente, utilizando la salida de una iteración como entrada de la siguiente.

No siempre es posible deducir la forma analítica de ${displaystyle f^{(n)}(x)}$, lo que significa la enésima iteración de ${displaystyle f(x)}$, dado que el superíndice puede extenderse a los números negativos, refiriéndose a la iteración de la inversa de ${displaystyle f(x)}$ si existe el inverso. Pero hay algunos casos analíticamente manejables.

Por ejemplo, para la ecuación iterativa

se tiene que

donde

Entonces, por inducción, se puede obtener

donde ${displaystyle g^{(n)}(x)}$ se puede calcular fácilmente como

Finalmente, se tiene que

como solución.

Se puede ver el artículo sobre la conjugación topológica para más detalles sobre la relación entre f y g, y la entrada sobre el polinomio cuadrático complejo para el comportamiento caótico en la iteración general.

La aplicación logística

con el parámetro 2<r<4 puede resolverse en ciertos casos, uno de los cuales es caótico y el otro no. En el caso caótico r = 4, la solución es

donde el parámetro de condición inicial ${displaystyle heta }$ es dado por ${displaystyle heta ={ frac {1}{pi }}sin ^{-1}(x_{0}^{1/2})}$. Para valores racionales de ${displaystyle heta }$, después de un número finito de iteraciones ${displaystyle x_{n}}$ se convierte en una secuencia periódica. Pero casi todos ${displaystyle heta }$ son irracionales, y por lo tanto ${displaystyle x_{n}}$ nunca se repite. Entonces se determina que no es periódico y que exhibe una dependencia sensible de las condiciones iniciales, por lo que se dice que es caótico.

La solución de la aplicación logística cuando r=2 es

${displaystyle x_{n}={frac {1}{2}}-{frac {1}{2}}(1-2x_{0})^{2^{n}}}$

para ${displaystyle x_{0}in [0,1)}$. Ya que ${displaystyle (1-2x_{0})in (-1,1)}$, para cualquier valor de ${displaystyle x_{0}}$ distinto del punto fijo inestable 0, el término ${displaystyle (1-2x_{0})^{2^{n}}}$ tiende a 0 como n tiende a infinito, y entonces ${displaystyle x_{n}}$ tiende al punto fijo estable ${displaystyle { frac {1}{2}}.}$

Una función cuadrática de dos variables es un polinomio de segundo grado de la forma

donde A, B, C, D y E son coeficientes fijos y F es el término constante. Tal función describe una superficie cuadrática. Haciendo ${displaystyle f(x,y),!}$ igual a cero, se describe la intersección de la superficie con el plano ${displaystyle z=0,!}$, que es un lugar geométrico de puntos equivalente a una sección cónica.

Si ${displaystyle 4AB-E^{2}<0,}$ la función no tiene máximo o mínimo; Su gráfico forma un paraboloide hiperbólico.

Si ${displaystyle 4AB-E^{2}>0,}$ la función tiene un mínimo si A>0, y un máximo si A<0; su gráfica forma un paraboloide elíptico. En este caso, el mínimo o máximo se produce en ${displaystyle (x_{m},y_{m}),}$, donde:

Si ${displaystyle 4AB-E^{2}=0,}$ y ${displaystyle DE-2CB=2AD-CE eq 0,}$ la función no tiene máximo o mínimo; y su gráfica forma un cilindro parabólico.

Si ${displaystyle 4AB-E^{2}=0,}$ y ${displaystyle DE-2CB=2AD-CE=0,}$ la función alcanza el máximo/mínimo en una recta: un mínimo si A>0 y un máximo si A<0; y su gráfica forma un cilindro parabólico.

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