Capítulo 2
IA, REPASANDO MATEMÁTICAS
Las matemáticas abarcan una amplia variedad de conceptos que proporcionan una base sólida para abordar problemas relacionados, en una variedad de disciplinas; su comprensión permite a estudiantes y profesionales aplicar principios rigurosos en situaciones prácticas y teóricas. Los más útiles y fundamentales son:
Conceptos esenciales: se utilizan en una variedad de contextos, desde problemas aritméticos simples hasta conceptos más avanzados en álgebra y cálculo.
Números Naturales (N): se utilizan para contar elementos, comenzando con 1 y aumentando de uno en uno indefinidamente (1, 2, 3, ...).
Números enteros (Z): incluyen los números naturales, sus opuestos negativos y el cero (..., -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, ...).
Números racionales (Q): los que pueden expresarse como el cociente (fracción) de dos números enteros, donde el denominador no es cero (por ejemplo, 1/2, -3/4, 7).
Números Irracionales: no pueden expresarse como fracciones exactas; ejemplo, la raíz cuadrada de 2.
Números Reales (R): incluyen a los racionales y los irracionales.
Números Complejos (C): se componen de una parte real y una parte imaginaria (por ejemplo, 3 + 2i, donde 3 es la parte real y 2i es la parte imaginaria).
Potenciación (^ o): eleva un número a una potencia que indica cuántas veces se multiplica ese número por sí mismo (por ejemplo, 2^3 = 2 * 2 * 2 = 8).
Factorización: es el proceso de formular una expresión algebraica como un producto de factores. Por ejemplo, 2−4x2−4se puede factorizar como (x+2)(x−2). La factorización es útil para simplificar expresiones y resolver ecuaciones.
Ecuaciones cuadráticas: son ecuaciones polinómicas de segundo grado, como ax2+bx+c=0.
La fórmula cuadrática√ 2a−2b ± b2−4ac) se utiliza para encontrar las raíces de una ecuación cuadrática.
Inecuaciones: son expresiones matemáticas que indican que una cantidad es mayor o menor que otra. Por ejemplo, 2>82x>8 es una inecuación. Resolverla es encontrar los valores de la variable que satisfacen la desigualdad.
Sistemas de ecuaciones: es un conjunto de dos o más ecuaciones que comparten las mismas variables. La solución común a todas las ecuaciones se llama solución del sistema. Los métodos para resolver sistemas de ecuaciones incluyen sustitución, eliminación y matrices.
Funciones trigonométricas: como el seno, coseno y tangente, son extensiones del álgebra que se utilizan para modelar relaciones en triángulos y círculos y son ajustables en geometría, física, y otras áreas de las matemáticas aplicadas.
Álgebra lineal: estudia vectores, matrices y sistemas de ecuaciones lineales. Se aplica en campos como la física, la estadística, la ingeniería y la informática.
Teoría de números: trata sobre las propiedades y relaciones de los números, especialmente enteros. Incluye temas como números primos, congruencias y aritmética modular.
Números primos: son como las superestrellas de los números enteros; son como los famosos del mundo de los números. Un número primo es simplemente mayor que 1; es especial porque solo tiene dos amigos cercanos: el número 1 y él mismo. Ningún otro número puede dividirlo sin dejar residuo. Por ejemplo, 2, 3, 5, 7, 11, y así sucesivamente, son todos números primos.
Congruencias: es como una forma de medir la "cercanía" entre dos números después de dividirlos por otro número. Si se tienen dos números, digamos a y b, y se resta, y el resultado es divisible por otro número (digamos m), entonces decimos que a y b son "congruentes módulo m". Es como decir que tienen la misma "huella digital" después de ser divididos por ese número m. Por ejemplo, 17 y 5 son congruentes módulo 6, porque cuando se resta 5 de 17, ser obtiene 12, el cual es divisible por 6.
Aritmética modular: es como una versión especial de la aritmética que funciona en un mundo donde los números "se envuelven" al llegar a un cierto valor llamado módulo; ese como si estuvieran dando vueltas en un reloj: cuando alcanzan un cierto número, vuelven al principio. Esto es útil en matemáticas, seguridad informática y otros lugares. Si dos números son congruentes módulo m, significa que tienen el mismo residuo cuando se dividen por m. Se pueden hacer operaciones básicas como suma, resta y multiplicación, pero con un toque especial. Por ejemplo, si se trabaja módulo 5, entonces 3 + 4 es congruente con 2, porque cuando se suma 3 y 4, resulta 7, que tiene un residuo de 2 cuando se divide por 5. Es como hacer matemáticas con un reloj que solo va hasta el número 5.
Figuras geométricas: triángulos, cuadrados, círculos, etc. Teorema de Pitágoras y teorema de Tales: conceptos fundamentales en geometría.
La geometría es una herramienta poderosa para comprender y describir las formas y las relaciones espaciales en el mundo que nos rodea; una rama de las matemáticas que se ocupa del estudio de las propiedades y las relaciones de las figuras en el espacio, así como de las propiedades del espacio mismo; también abarca áreas más avanzadas como la geometría diferencial, la topología y la geometría algebraica, cada una de las cuales tiene aplicaciones específicas en diversos campos de las matemáticas y la física. Es una disciplina que ha sido fundamental en el desarrollo de la matemática y tiene una amplia aplicación en diversos campos, desde la física hasta la arquitectura.
Figuras geométricas: son formas específicas que pueden describirse mediante propiedades como longitud, área, volumen y ángulos. Algunas de las figuras geométricas más básicas incluyen triángulos, cuadrados, círculos, rectángulos y polígonos en general. Cada una de estas formas tiene propiedades únicas que pueden estudiarse y aplicarse en diferentes contextos. Por ejemplo, los triángulos son fundamentales en trigonometría, mientras que los círculos son esenciales en el estudio de la geometría analítica.
Teorema de Pitágoras: es uno de los conceptos fundamentales en geometría y establece una relación crucial entre los lados de un triángulo rectángulo, en el cual, el cuadrado de la longitud de la hipotenusa (el lado opuesto al ángulo recto) es igual a la suma de los cuadrados de las longitudes de los otros dos lados. Este teorema tiene aplicaciones prácticas en la resolución de problemas relacionados con distancias y medidas, y es fundamental en trigonometría.
Teorema de Tales: se centra en las proporciones en triángulos semejantes. Según este teorema, si trazamos dos líneas paralelas cortadas por una serie de líneas secantes, los segmentos que se forman en las líneas secantes son proporcionales. Este teorema es fundamental en la resolución de problemas geométricos y también tiene aplicaciones en la trigonometría y la geometría analítica.
Trigonometría Funciones trigonométricas: coseno, tangente, etc. Identidades trigonométricas: relaciones importantes entre funciones trigonométricas. Cálculo:
Seno (sinθ): en un triángulo rectángulo, es la razón entre el cateto opuesto y la hipotenusa.
Coseno (cosθ): es la razón entre el cateto adyacente y la hipotenusa en un triángulo rectángulo.
Tangente (tanθ): relación entre el cateto opuesto y el cateto adyacente en un triángulo rectángulo.
Cotangente (cotθ), secante (secθ), cosecante (cscθ): son funciones trigonométricas recíprocas de la tangente, coseno y seno, respectivamente.
Identidades trigonométricas:
Fundamentales: como la identidad pitagórica (sin2θ + cos2θ = 1).
Relaciones de ángulo doble y mitad: ejemplo: sin (2θ) = 2sinθcosθ. reciprocas: relacionan las funciones trigonométricas. Identidades de suma y resta: ayudan a expresar funciones trigonométricas de sumas y restas de ángulos.·
Reglas de derivación: permiten calcular derivadas de funciones más complejas utilizando reglas específicas.
Máximos y mínimos: se utilizan derivadas para encontrar puntos críticos y determinar extremos relativos de una función.
Cálculo integral:
Integrales definidas e indefinidas: la integral indefinida representa una anti derivada, mientras que la integral definida calcula el área bajo una curva.
Reglas de integración: ayudan a encontrar la integral de funciones más complejas.
Teorema fundamental del cálculo: relaciona el cálculo de áreas bajo curvas con la evaluación de funciones en puntos específicos.
Aplicaciones:
Áreas y volúmenes: se utilizan integrales para calcular áreas entre curvas y volúmenes de sólidos.
Problemas de optimización: se resuelven usando derivadas para encontrar máximos y mínimos.
Ecuaciones diferenciales: modelan fenómenos que cambian con el tiempo; cómo por ejemplo, un objeto se enfría hacia la temperatura ambiente a medida que pasa el tiempo, y la velocidad de enfriamiento está determinada por la constante k. Este tipo de ecuaciones diferenciales se resuelven mediante métodos de cálculo diferencial, como la separación de variables, la sustitución, o utilizando técnicas más avanzadas según la complejidad del problema.
Probabilidad: se erige como una herramienta esencial para cuantificar la certeza o posibilidad de que ocurran eventos. En el contexto de la teoría de la probabilidad, los eventos se evalúan en términos de la probabilidad que tienen de suceder, representada por números entre 0 y 1, donde 0 indica certeza absoluta de que un evento no ocurrirá, mientras que 1 implica certeza absoluta de que sí ocurrirá. Este enfoque matemático proporciona una base sólida para abordar la incertidumbre inherente a muchos fenómenos, desde juegos de azar hasta procesos complejos en ciencia y tecnología.
Estadísticas: más allá de los números, la ciencia de los datos, constituye una disciplina integral que abarca la recopilación, análisis e interpretación de datos. En un mundo saturado de información, las estadísticas ofrecen las herramientas necesarias para extraer significado de conjuntos de datos, identificar patrones subyacentes y tomar decisiones fundamentadas. Desde la descripción básica de datos hasta técnicas avanzadas de modelado, las estadísticas proporcionan un marco analítico para comprender fenómenos complejos y tomar decisiones informadas en campos tan diversos como la investigación científica, el análisis financiero y la planificación estratégica.
Tipos de Proposiciones:
Atómicas: no se pueden dividir en proposiciones más simples.
Compuestas: se forman mediante la combinación de proposiciones atómicas usando conectivos lógicos.
Variables proposicionales: se utilizan letras (p, q, r, etc.) para representar proposiciones simples o atómicas.
Ley de Identidad: es como decir que si algo es verdad, entonces es verdad. Es como decir que si llueve (p), entonces sí, está lloviendo.
Ley de Dominio: si algo es verdad y se mezcla con "falso", siempre se obtiene falso. Si se dices "es de día (p) y es de noche (F)", eso es falso. También, si se dice "no es de día (¬p) o es verdad (T)", eso siempre será verdad.
Ley de Contradicción: si se dice que algo es verdad y al mismo tiempo no es verdad, eso es siempre falso. Por ejemplo, decir "es de día (p) y no es de día (¬p)" no tiene sentido y es falso. Pero decir "es de día (p) o no es de día (¬p)" siempre es verdad.
Leyes de Morgan: dos regla, la primera es que si se niega que dos cosas son verdad al mismo tiempo, eso es lo mismo que decir que una de ellas no es verdad. Por ejemplo, "no es de día y no está lloviendo" es igual a "no es de día o no está lloviendo". La segunda es si se niega que al menos una de dos cosas es verdad, eso es igual a decir que ninguna de ellas es verdad. Por ejemplo, "no es de día o no está lloviendo" es igual a "no es de día y no está lloviendo". Son como reglas para jugar con las palabras y las verdades.
Física: los vectores ayudan a describir cosas en movimiento, como velocidad y fuerza. Las matrices se usan para resolver problemas más grandes y complicados que involucran muchas variables.
Informática: en la computación, especialmente en gráficos y programación, los vectores y matrices son como herramientas mágicas. Se usan para representar puntos en la pantalla, hacer cosas en gráficos 3D y programar computadoras para aprender cosas nuevas.
Transformaciones geométricas: las operaciones algebraicas en las coordenadas cartesianas permiten realizar transformaciones geométricas. Esto incluye traslaciones, rotaciones, reflexiones y escalas, que afectan la posición y la forma de las figuras geométricas.
Geometría en el espacio: la Geometría Analítica se extiende al espacio tridimensional, donde cada punto se representa mediante un conjunto de tres coordenadas (x, y, z). Las ecuaciones algebraicas se utilizan para describir objetos tridimensionales, como planos, esferas y cilindros.
Aplicaciones en Ciencias e Ingeniería: la Geometría Analítica tiene aplicaciones extensas en diversas disciplinas, incluyendo física, ingeniería y ciencias computacionales. Permite modelar y resolver problemas prácticos mediante métodos algebraicos y geométricos.
Vectores y Álgebra Lineal: la representación vectorial se integra con la Geometría Analítica. Los vectores se utilizan para describir direcciones y magnitudes, lo que facilita el análisis de desplazamientos y fuerzas en el espacio.
Desarrollos Modernos: la Geometría Analítica ha evolucionado con desarrollos matemáticos y tecnológicos a métodos más avanzados, como la geometría diferencial y la geometría algebraica ampliado las posibilidades de modelado y análisis.
La geometría diferencial se enfoca en entender las propiedades geométricas mediante el uso de conceptos derivados e integrales. Esto ayuda a analizar cómo cambian y se relacionan las formas en diferentes puntos.
La geometría algebraica utiliza conceptos para estudiar las soluciones de ecuaciones polinómicas, lo cual tiene aplicaciones directas en la descripción de curvas y superficies, nuevos avances han ampliado significativamente las capacidades para modelar y analizar formas geométricas de maneras más complejas y detalladas. Además, con el apoyo de la tecnología, como software especializado, ahora se puede visualizar y manipular estas formas de manera más eficiente y precisa, lo que ha revolucionado la forma en que abordamos problemas geométricos en la actualidad.
La Teoría de Conjuntos es una rama fundamental de las matemáticas que proporciona la base para el razonamiento lógico y se extiende a diversas áreas de estudio. En esta disciplina, se exploran conceptos relacionados con conjuntos y las operaciones que se pueden realizar con ellos, desempeñando un papel esencial en la estructura y comprensión de la lógica matemática.
Definición de Conjuntos: una colección bien definida de elementos que pueden ser números, letras, o cualquier otro objeto matemático. La Teoría de Conjuntos no solo es esencial para la lógica matemática, sino que también desempeña un papel central en la estructura y el razonamiento de diversas ramas de las matemáticas, brindando un marco conceptual sólido para la formulación y solución de problemas matemáticos.
Operaciones Básicas con Conjuntos:
Unión (⋃): se genera un nuevo conjunto que contiene todos los elementos presentes en ambos conjuntos originales, eliminando duplicados.
Intersección (⋂) produce un nuevo conjunto que contiene solo los elementos comunes a ambos conjuntos.
Diferencia (−):la diferencia entre dos conjuntos crea uno nuevo que incluye todos los elementos del primero y que no están en el segundo conjunto.
Complemento: de un conjunto respecto a otro universal se compone de todos los elementos que no están en el conjunto original.
Axiomas de la teoría de conjuntos: se basa en proposiciones que establecen las reglas fundamentales que rigen la manipulación de conjuntos. Estos axiomas proporcionan la base lógica para el desarrollo de la teoría.
Relación con otras ramas de las matemáticas: la teoría de conjuntos se entrelaza con diversas ramas de las matemáticas, como la lógica matemática, el álgebra, la topología y la teoría de números. Su aplicación es crucial en la formulación y resolución de problemas en estas disciplinas.
Teorema de Cantor y la Cardinalidad de Conjuntos: este teorema establece que hay conjuntos de diferentes tamaños infinitos, y la noción de cardinalidad se utiliza para comparar y clasificar la "cantidad" de elementos en conjuntos infinitos; existen conjuntos infinitos, siendo unos más grandes que otros como dos cajas, una con todos los números pares y otra con todos los números. Aunque ambos conjuntos son infinitos, el conjunto de todos los números es más grande.
Teorema de Zermelo- Fraenkel (ZF):
Se calcula sobre el capital original durante un período específico.
La fórmula básica es: interés=capital×tasa×tiempo.
P: capital inicial ( $1000)
r: Tasa de interés (5% o 0.05)
t: Tiempo en años (digamos, 3 años)
A diferencia del interés simple, los rendimientos generados se suman al capital original, y los intereses futuros se calculan sobre esta nueva cantidad. La fórmula es: monto=capital (1+tasa) tiempo.
P: capital inicial (en este caso, $1000)
r: tasa de interés por período (en este caso, 5% o 0.05)
n: número de períodos de capitalización por año
t: tiempo en años (en este caso, 3 años)
Valor del dinero en el tiempo:
Anualidades:
Una anualidad es una serie de pagos iguales realizados o recibidos a intervalos regulares. Las anualidades pueden ser ordinarias (pagos al final del período) o anticipadas (pagos al inicio del período).
Valor presente neto (VPN) y tasa interna de retorno (TIR):
El VPN es la diferencia entre el valor presente de los flujos de efectivo entrantes y salientes de una inversión.
La TIR es la tasa de descuento que hace que el VPN sea igual a cero.
VF es el valor futuro,
r es la tasa de interés por periodo, y
n es el número de periodos.
Donde:
VF es el valor futuro,
VP es el valor presente,
r es la tasa de interés por periodo, y
n es el número de periodos.
Amortización:
Es el proceso de pago de una deuda a lo largo del tiempo en pagos regulares. Se utilizan fórmulas de amortización para calcular cuotas de préstamos que cubran tanto el capital como los intereses.
Tasa de interés nominal y efectiva:
La tasa de interés nominal es la tasa de interés antes de la ajustar por la frecuencia de capitalización y el tiempo. La tasa de interés efectiva es el valor real de interés después de considerar estos factores.
i es la tasa nominal anual,
n es la frecuencia de capitalización por año.
Calcular el cociente ni: 0.054=0.012540.05=0.0125
Sumar 1 al cociente: 1+0.0125=1.01251+0.0125=1.0125
Elevar este resultado a la potencia n: (1.0125)4≈1.0506015625(1.0125)4≈1.0506015625
Restar 1 al resultado: 1.0506015625−1≈0.05060156251.0506015625−1≈0.0506015625


