martes, 12 de marzo de 2024

Matemática Discreta - floor(x) y Ceiling(x)

 

Medellín, marzo 2024

 

Matemática discreta

 

La matemática discreta considera el estudio de las estructuras matemáticas discretas, las cuales pueden ser finitas (Ejemplo: secuencia de cinco números enteros: 1, 2, 4, 6 y 8) e infinitas (lo números enteros, que en sí mismos pueden no tener fin X= {…. -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, …}).

Aplica a todos aquellos elementos que se pueden contar de forma separada; es decir, uno por uno, como son los números naturales los enteros. Es por esto que estos elementos discretos no tienen cabida los decimales o aproximaciones.

Proporciona la base teórica para la ciencia y la tecnología de la computación, entre otras.

Funciones piso y techo

En matemáticas e informática, la función de suelo o piso es la función que toma como entrada un número real x, y da como resultado el mayor entero menor o igual que x, denotado x o floor(x). De manera similar, la función de techo asigna x al menor entero mayor o igual a x, denotado x o ceil (x) o ceiling(x)

Por ejemplo, 2.4 = 2, −2.4 = −3, 2.4 = 3 y −2.4 = −2.

Históricamente, floor(x) ha sido llamada E(x) o parte entera de x. Pero en los nuevos libros de matemáticas, la función parte entera de (x) se ha dividido en floor(x) y ceiling(x).

Floor(x) = x           El dominio son los números reales. El rango será los enteros Z y la definimos así:

y = x = k, donde k es un entero y x estará en el intervalo k ≤ x < k+1 donde k y k+1 son dos enteros consecutivos.

5,7 = 5

−5,7 = -6

Ceiling)x) = x        El dominio son los números reales. El rango será los enteros Z

y = x = k+1, donde k es un entero y x estará en el intervalo k < x ≤ k+1

5,7 = 6

-5,7 = -5

Existe también la función parte decimal de x o mantisa de x = {x}

m(x) = mantisa(x) ={x} = x - x

El dominio de la función mantisa son todos los números reales, mientras que el rango es el intervalo (0, 1)

Veamos cómo son las gráficas de x. x

x.

Dominio, los reales

Rango, los enteros Z



Grafico 1: Gráfica de floor(x)

Gráfica de Ceiling(x) = x

 Dominio de x todos los reales

Rango de x = todos los enteros



Grafico 2: Gráfica de ceiling(x)

Propiedades básicas de x⌋  y x (floor y Ceiling)

x⌋ + -x⌋ ; Si x= es entero, el resultado de esta operación es 0

Si x tiene parte decimal x. + -x.= -1     ej   2,1. + -2,1.= 2+(-3) = -1; el resultado es -1

 x⌉  + -x  ; Si x es entero, el resultado es 0; Si x tiene parte decimal:  3,4. + -3,4 = 4+(-3) = 1; el resultado es 1

3.      ⌊⌊x⌋⌋  = x⌋ 

4.      ⌈⌈x⌉⌉  = x

5.      ⌊⌈x⌉⌋  = x⌉ 

6.      ⌈⌊x⌋⌉  = x⌋ 

x + n⌋  = x + n.  x = 3,66; n = 6     x + n = 9,66     9,66⌋ = 9 ; 3,66⌋ + 6 = 9

8.      x + n⌉  = x⌉  +n; x=3,66; n= 6     x + n = 9,66     9,66⌉ =10 ; 3,66⌉ + 6 = 10

 

Ejercicio 1

Resolver 2x + 3{x} = 12

{x} = x - x⌋ 

Reemplazando en la ecuación original:

2x + 3[x - x⌋ ] = 12                  5x - 3x⌋  – 12 = 0

k ≤  x < k + 1             k y k +1 son los dos enteros asociados a x

x⌋  = k

La ecuación se nos convierte en          5x – 3k - 12 = 0       x = (3k + 12)/5

Llevemos este valor a la desigualdad que relaciona x y k

k ≤ (3k + 12)/5 < k + 1                                   Aquí hay dos desigualdades implícitas para k

k ≤ (3k + 12)/5  …………………5k  ≤  3k + 12             2k ≤ 12       k ≤ 6

La segunda desigualdad

(3k + 12) /5 < k + 1         3k + 12 < 5k + 5                                   7/2 < k

Es decir, k está en el intervalo (3,5, 6]; por tanto            k = 4, 5, 6

x1 = (12 + 12) /5 = 24/5 = 4,8        y vemos  2x4,8 + 3x0,8 = 9,6 + 2,4 = 12

Los otros valores de x para k = 5 y 6

x2 = 5,4

x3 = 6        Estos valores x1, x2 y x3 son la respuesta del ejercicio.

 

Ejercicio 2

4x2 -  40x +51 = 0                                                                 (1)

k ≤ x < k + 1             k y k +1 son los dos enteros asociados a x

x⌋  = k

k ≤ x    Si en (1) reemplazamos la x por k y x⌋  por k, la igualdad no se conserva, , porque x2 ≥ k2 y queda la siguiente desigualdad (la solución se limita para x ≥ 0, ya que si la x;  fuera negativa, la desigualdad quedaría x2 ≤ k2))

4k2 -  40k + 51 ≤ 0

Factorizamos esta expresión, que nos quede en racionales o enteros para evitar los decimales.

(2k - 3) (2k - 17) ≤ 0

(k – 3/2) (k – 17/2) ≤ 0             (k – 1,5)(k – 8,5)

Vemos que la recta real infinita queda divida en 3 sectores

En (-∞, 1,5]   los dos factores son negativos, y el producto positivo. No cumple

En (1,5, 8,5]  un factor es positivo y el otro negativo, luego el producto es – y cumple.

En (8,5, ∞) ambos factores son positivos y el producto es positivo y no cumple.

Veamos la segunda desigualdad

Si en la ecuación (1) reemplazo x por k + 1 y x⌋  por k ya la nueva ecuación en k será > 0, ya que        k + 1 > x

4(k + 1)2 – 40k + 51 >0    que se simplifica así:

4k2 – 32k + 55 > 0

La factorizamos en racionales.

(¿Qué pasaría si en la factorización encontráramos dos raíces complejas?   R La inecuación no tendría solución)

Concluiríamos que no hay solución en los reales. Y esa sería respuesta, pues siempre la solución será el conjunto intersección de los conjuntos que satisfacen

(2k – 5)(2k – 11) >0

(k – 2,5)(k – 5,5) > 0

Vemos que la recta real infinita queda divida en 3 sectores

En (-∞, 2,5]   los dos factores son negativos, y el producto positivo. Cumple

En (2,5, 5,5]  un factor es positivo y el otro negativo, luego el producto es – y no cumple.

En (5,5, ∞) ambos factores son positivos y el producto es positivo y cumple.


Signo de los factores en la recta Real, que definen signo del producto de los mismos.

La solución será:

(-∞, 2,5) ∩ [2,5, 8,5) ∩ [5,5, ∞) = [1,5, 2,5) ∪ (5,5, 8,5)

Los k que son solución, son los que están en la unión indicada. Ellos son 2, 6, 7, 8

Los x que cumplen son los que satisfacen la ecuación:

4x2 -  40k + 51 = 0   para valores de k: 2, 6, 7, 8

K = 2                  x = √ (29) /2    = 2,692582403

K = 6                  x = 3√ (21) /2 = 6,873863542

K = 7                  x = √ (229) /2 = 7,566372975

K = 8                  x = √ (269) /2 = 8,200609733

Llevando cualquier valor de x, entre los arriba encontrados, se cumple la ecuación (1)

Si se utilizan los decimales el resultado será casi 0

Ejercicio 3


Por tanto, el resultado es 20 – 10 = 10

Ejercicio 4

x + 2x- 4x = -4,8

Recordemos que k  ≤ x <  k+1     k y k+1 los enteros asociados con x

x = k

x = k + 1

Reemplazamos en el ejercicio

k +2(k+1) – 4x = -4.8    de donde         x = (3k + 6,8) / 4

En la desigualdad general, reemplazamos el valor de x por el que acabamos de encontrar y así obtendremos dos desigualdades de k, que nos permitan encontrar el intervalo de k que funciona.

k ≤ (3k + 6,8) / 4 < k +1

Resolviendo la desigualdad del lado izquierdo obtenemos que el conjunto solución es

 (-∞, 6,8]

Resolviendo la desigualdad del lado derecho obtenemos que el conjunto solución es (2,8, ∞)

La intersección de estos conjuntos es (2,8, 6,8], que es la solución para k, lo cual implica que k puede tener los valores 3, 4, 5, 6


k

x

3

3,95

4

4,70

5

5,45

6

6,20

Si reemplazamos los 4 valores obtenidos para x, y reemplazamos en la ecuación del ejercicio, vemos que esta se cumple.

Atentamente,

 

Juan Fernando Sanín E

juanfernando.sanin@gmail.com

 


 

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