Fundamentos

Los números, las funciones y las familias de funciones con las que trabaja el resto del cálculo, y cómo las representa un ordenador.

16 conceptos

Conceptos

Números reales

La recta numérica ℝ\R: los racionales más los límites de todas sus sucesiones convergentes. Su propiedad definitoria es la completitud (todo conjunto no vacío acotado superiormente tiene supremo) y el cálculo entero se apoya en ella.

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Números complejos

Números z=a+biz = a + bi con i2=−1i^2 = -1. Geométricamente son puntos del plano, y multiplicar por eiθe^{i\theta} es una rotación: por eso son el lenguaje natural de las oscilaciones, las ondas y las señales.

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Intervalos

Trozos conexos de la recta real: [a,b][a,b], (a,b)(a,b), [a,∞)[a,\infty)… Los intervalos cerrados y acotados son donde se cumplen los grandes teoremas del cálculo (Bolzano, Weierstrass).

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Valor absoluto

∣x∣|x| es la distancia de xx a 00, y ∣x−y∣|x - y| la distancia entre dos números. «Cerca de», en todas las definiciones del cálculo, significa un valor absoluto pequeño.

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Desigualdades

El cálculo es sobre todo el arte de acotar: probar que un error es menor que ε\varepsilon, que un término es despreciable, que un algoritmo tarda como mucho tantos pasos. Las herramientas son la desigualdad triangular, la de las medias, Cauchy–Schwarz y Jensen.

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Funciones

Una regla ff que asigna a cada entrada xx de un conjunto AA exactamente una salida f(x)f(x) de un conjunto BB. El cálculo estudia cómo cambian las salidas cuando cambian las entradas; computar es, literalmente, evaluar funciones.

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Dominio y recorrido

Dónde está definida una función y qué valores toma de verdad. Equivocarse con ellos es la versión matemática de un error en tiempo de ejecución: −1\sqrt{-1} o log⁡0\log 0 no tienen valor real.

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Composición

Aplicar una función tras otra: (g∘f)(x)=g(f(x))(g \circ f)(x) = g(f(x)). Las redes profundas, los compiladores y los pipelines de datos son composiciones largas, y la regla de la cadena dice cómo derivarlas.

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Funciones inversas

f−1f^{-1} deshace ff: f−1(f(x))=xf^{-1}(f(x)) = x. Existe cuando ff es inyectiva; su gráfica es la de ff reflejada en la recta y=xy = x.

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Funciones polinómicas

p(x)=anxn+⋯+a1x+a0p(x) = a_n x^n + \dots + a_1 x + a_0. Se calculan solo con sumas y productos, son lo que mejor evalúa un procesador, y el resto de funciones se aproximan con ellos (Taylor, interpolación).

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Funciones racionales

Cocientes de polinomios p(x)/q(x)p(x)/q(x). Se disparan en los ceros de qq (polos) y son la forma exacta de las funciones de transferencia de los filtros lineales y de los sistemas de control.

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Funciones exponenciales

axa^x, y sobre todo exe^x: la única función (salvo un factor) que es su propia derivada. Modela todo lo que cambia a un ritmo proporcional a su tamaño: poblaciones, intereses, desintegración radiactiva y algoritmos exponenciales.

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Funciones logarítmicas

La inversa de la exponencial: log⁡ax\log_a x es la potencia a la que hay que elevar aa para obtener xx. Los logaritmos convierten productos en sumas, y por eso aparecen en el coste de los algoritmos, en la teoría de la información y en toda función de pérdida basada en la verosimilitud.

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Funciones trigonométricas

sin⁡\sin y cos⁡\cos son las coordenadas de un punto que gira sobre la circunferencia unidad. Describen toda rotación y toda oscilación y, por tanto, gráficos, robótica, sonido y señales.

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Funciones hiperbólicas

senh⁡x=ex−e−x2\operatorname{senh} x = \frac{e^x - e^{-x}}{2}, cosh⁡x=ex+e−x2\cosh x = \frac{e^x + e^{-x}}{2}, tanh⁡=senh⁡/cosh⁡\tanh = \operatorname{senh}/\cosh. Hacen para la hipérbola x2−y2=1x^2 - y^2 = 1 el papel que sin⁡\sin y cos⁡\cos hacen para la circunferencia; tanh⁡\tanh es una función de activación clásica.

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Transformaciones de funciones

a f(bx+c)+da\,f(bx + c) + d: desplazar, estirar y reflejar una gráfica. Un retardo en una señal, un zoom en una imagen o un cambio de unidades son transformaciones de este tipo.

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