Matemáticas Aplicadas a las Ciencias Sociales I · 1.º Bachillerato
Lección 15 · C.2 · Modelo matemático
Qué función modeliza la situación
Decreto 40/2022 CyL · primer curso · antes de segundo
Objetivos
Reconocer si una situación sencilla pide una función lineal, cuadrática, exponencial, de proporcionalidad inversa o a trozos.
Nombrar la variable y la unidad antes de escribir la fórmula.
Plantear la ecuación que traduce la pregunta, sin resolverla todavía cuando el despeje no es inmediato.
Descartar una clase de función cuando el relato la contradice.
Qué mirar en el relato
El apartado C.2 pide identificar la clase de funciones que puede modelizar una situación sencilla y usar ecuaciones para modelizar. En esta lección el trabajo se queda en la puerta de la ecuación: dejarla escrita, con dominio y con unidades. El cálculo fino —raíces, soluciones extrañas, comprobación algebraica larga— está en la lección 16.
Una guía corta, suficiente para los relatos de este curso:
Lineal: hay un fijo y un tanto por unidad, o una diferencia constante cada vez que la variable suma 1. Forma f(x) = mx + b.
Cuadrática: el cambio del cambio es constante, o el relato habla de un producto de dos cantidades que dependen de la misma variable (precio por unidades vendidas, con la demanda lineal). Forma ax2 + bx + c.
Exponencial: cada periodo se multiplica por el mismo factor, como un crecimiento del r por ciento. Forma P0 · at, con a = 1 + r si r es el tanto por uno de crecimiento.
Proporcionalidad inversa: el producto de dos magnitudes es constante, como personas por horas en un trabajo fijo. Forma k / x.
A trozos: el relato cambia de regla al cruzar un umbral (una tarifa, un tramo de impuesto).
f(x) = mx + b
x es la variable que eliges (kilómetros, unidades, años contados de uno en uno si el incremento es constante); m es el cambio de f por cada unidad de x; b es el valor cuando x = 0, a menudo un fijo; f(x) es la magnitud que quieres calcular, en su unidad.
P(t) = P0 · (1 + r)t
P(t) es la población, el ahorro o el índice al cabo de t periodos; P0 es el valor inicial; r es la tasa de crecimiento de un periodo, en tanto por uno; 1 + r es el factor por el que se multiplica cada periodo; t es el número de periodos, no necesariamente un año si el dato era mensual.
t = W / n
W es la cantidad fija de trabajo, por ejemplo en personas-hora; n es el número de personas, que no puede ser cero; t es el tiempo que tardarán si trabajan a la vez al mismo ritmo. Es una proporcionalidad inversa: doble de personas, mitad de tiempo, mientras el relato no añada aprendizaje ni fatiga.
Plantear la ecuación es escribir una igualdad entre el modelo y el dato que busca el problema. Si el taxi cuesta 2 euros de salida y 0,80 euros por kilómetro, y la pregunta es «¿cuántos kilómetros hacen 10 euros?», la ecuación es 0,80x + 2 = 10. Paramos ahí. Despejar x es fácil, pero el hábito que importa es no saltarse el modelo. En un crecimiento porcentual, la ecuación se deja indicada a propósito: resolverla pide logaritmos, y ese despeje no es de esta lección.
Ejemplo 1. Un desplazamiento con bajada de bandera
Un servicio de transporte cobra 2 € al empezar y 0,80 € por cada kilómetro. No hay tramos ni recargo nocturno en este enunciado. Se quiere saber cuántos kilómetros corresponden a un importe de 10 €.
La variable: x, kilómetros, x ≥ 0.
Cada kilómetro suma la misma cantidad, y hay un fijo. Es lineal, no exponencial: no se multiplica el precio por 0,80 cada kilómetro.
Modelo: f(x) = 0,80x + 2, en euros.
La pregunta se traduce en la ecuación 0,80x + 2 = 10.
No despejamos aquí. Dejamos escrita la ecuación y el dominio x ≥ 0. La solución, cuando se haga, tendrá que respetar ese dominio.
0,80x + 2 = 10, con x ≥ 0
x es el número de kilómetros; 0,80 es el precio de un kilómetro en euros; 2 es la bajada de bandera en euros; 10 es el importe total que impone la pregunta; f no aparece ya porque la ecuación iguala el modelo a ese importe.
Ejemplo 2. Una población que se multiplica, y un trabajo que se reparte
Un municipio tiene 8 000 habitantes y crece un 3 % cada año. Se pregunta al cabo de cuántos años llegará a 10 000, si ese ritmo se mantiene.
Cada año se multiplica por el mismo factor 1,03. No se suman 240 habitantes fijos: el 3 % es del valor de ese año, así que el aumento absoluto crece. Es exponencial, no lineal.
P(t) = 8000 · (1,03)t, con t el número de años, t ≥ 0.
La ecuación es 8000 · (1,03)t = 10000.
Se puede simplificar la escritura dividiendo por 8000: (1,03)t = 10000 / 8000 = 1,25. Paramos antes del logaritmo.
8000 · (1,03)t = 10000
8000 es la población inicial; 1,03 es el factor anual, porque el 3 % en tanto por uno es 0,03; t es el número de años; 10000 es la población objetivo. La incógnita está en el exponente, no en la base.
Contraste, para no usar la exponencial donde no toca. Cuatro personas terminan un inventario en 6 horas, al mismo ritmo, y se pregunta cuántas personas harían falta para terminarlo en 3 horas. El trabajo total es 4 · 6 = 24 personas-hora. Si n personas trabajan 3 horas, n · 3 = 24. Es proporcionalidad inversa entre personas y tiempo, no un crecimiento del 3 % . La ecuación queda planteada; el despeje n = 8 es inmediato, pero lo que había que decidir era la clase.
n · 3 = 24, con n > 0
n es el número de personas; 3 es el tiempo disponible en horas; 24 es el trabajo fijo en personas-hora, obtenido como 4 personas por 6 horas. n no puede ser cero ni negativo.
Ejercicios
1. Nombra la clase
Un ahorro se multiplica por 1,05 cada año. ¿Qué clase de función modeliza el saldo al cabo de t años? Escribe el modelo si el saldo inicial es 400 €. No calcules t.
Corrección
Multiplicar cada año por el mismo factor es un modelo exponencial.
S(t) = 400 · (1,05)t, t ≥ 0 en años, S en euros.
No es lineal: el aumento del segundo año es el 5 % de una cantidad ya mayor.
El factor 1,05 ya incluye el «uno» del capital más el 0,05 de interés. Escribir 400 · (0,05)t haría desaparecer el ahorro. La base es 1 + r, no r.
2. Ingreso que es un producto
El precio de venta es p euros y, a ese precio, se venden q = 20 − p unidades, con 0 ≤ p ≤ 20. El ingreso es precio por unidades. ¿Qué clase de función de p es el ingreso? Escribe I(p) y la ecuación I(p) = 96, sin resolverla.
Corrección
I(p) = p · (20 − p)
p · (20 − p) = 20p − p2. Es un polinomio de grado 2: cuadrática.
No es lineal, porque aparece p · p.
La ecuación pedida es 20p − p2 = 96, con 0 ≤ p ≤ 20.
La demanda es lineal en p, pero el ingreso multiplica por p otra vez. El producto de la variable por una expresión de grado 1 sube el grado a 2. Resolver 20p − p2 = 96 pertenece a la lección de ecuaciones; aquí basta dejarla escrita y acotar p.
3. Elige y descarta
Una tarifa de envío cobra 4 € si el paquete pesa hasta 2 kg, y 4 € más 1,50 € por cada kilo que pase de 2. ¿Sirve una sola recta para todo peso positivo? Escribe el modelo por tramos. Plantea la ecuación del peso que costaría 10 €, sin resolverla.
Corrección
No sirve una sola recta: hasta 2 kg el precio no depende del peso, y después sí.
Sea w el peso en kg, w > 0. C(w) = 4 si 0 < w ≤ 2. C(w) = 4 + 1,50(w − 2) si w > 2.
10 € es más que 4 €, así que cae en el segundo tramo. Ecuación: 4 + 1,50(w − 2) = 10, con w > 2.
El umbral obliga a partir el dominio. Plantear 1,50w + 4 = 10 ignoraría que los primeros 2 kg ya van dentro de los 4 € y contaría de más el tramo inicial. La condición w > 2 forma parte de la ecuación, porque es la que justifica haber elegido esa pieza.
4. Trabajo fijo
Doce personas preparan un acto en 5 horas, al mismo ritmo. Escribe la ecuación que relaciona el número n de personas con un tiempo de 4 horas, e indica la clase de función que liga n y el tiempo. No hace falta un decimal: deja la ecuación.
Corrección
El trabajo es 12 · 5 = 60 personas-hora.
Con tiempo 4 horas: n · 4 = 60, n > 0.
Entre personas y tiempo hay proporcionalidad inversa: t = 60 / n.
El producto n · t se mantiene igual al trabajo total. Eso no es un crecimiento exponencial ni una recta de pendiente constante en n: si n pasa de 12 a 24, el tiempo pasa de 5 a 2,5, no baja en una cantidad fija independiente del punto de partida.
Cierre
Primero la clase, con una frase del relato que la justifique; después la fórmula con unidades; al final la igualdad que hace la pregunta. Si el despeje es el objetivo, espera a la lección de ecuaciones: un modelo mal elegido se resuelve igual de «bien» y responde a otro problema.