3. Modelado con Funciones Exponenciales (Parte 1)

Modelado con funciones exponenciales (Parte 1)

¿Qué es modelar?

Modelar matemáticamente

Modelar matemáticamente una situación significa encontrar una función que represente su comportamiento. En esta página, trabajaremos con modelos exponenciales.

Un modelo permite entender mejor una situación, hacer predicciones y tomar decisiones a partir de la información disponible.

Pasos para modelar con funciones exponenciales

  1. Leer y comprender el problema.
  2. Identificar las variables:
    • Variable independiente \(x\): generalmente el tiempo.
    • Variable dependiente \(f(x)\) o \(y\): la cantidad que crece o decrece.
  3. Identificar los parámetros en la fórmula: \[ f(x)=a\cdot b^x \]
  4. Escribir la ecuación de la función exponencial.
  5. Usar el modelo para hacer predicciones, evaluando la función.
  6. Interpretar los resultados en el contexto del problema.

Valor inicial y base

El modelo exponencial \[ f(x)=a\cdot b^x \] depende de dos elementos principales:

  • \(a\), valor inicial: corresponde al valor de la cantidad cuando \(x=0\).
  • \(b\), base o factor de cambio: indica cómo cambia la cantidad en cada período.
    • Si la cantidad crece un \(r\%\), entonces: \[ b=1+\frac{r}{100} \] Por ejemplo, un crecimiento del \(5\%\) corresponde a \(b=1{,}05\).
    • Si la cantidad decrece un \(r\%\), entonces: \[ b=1-\frac{r}{100} \] Por ejemplo, una depreciación del \(15\%\) corresponde a \(b=0{,}85\).

Ejemplo resuelto paso a paso

Ejemplo: crecimiento de bacterias

Una población de bacterias se duplica cada \(3\) horas. Inicialmente hay \(500\) bacterias.

1. Variables:

  • \(x\): tiempo, medido en horas.
  • \(f(x)\): número de bacterias.

2. Parámetros:

  • \(a=500\), porque inicialmente hay \(500\) bacterias.
  • \(b=2\), porque la población se duplica.
  • Como la duplicación ocurre cada \(3\) horas, el número de períodos es \(\frac{x}{3}\).

3. Ecuación:

\[ f(x)=500\cdot 2^{\frac{x}{3}} \]

4. Predicción: ¿cuántas bacterias habrá después de \(12\) horas?

\[ f(12)=500\cdot 2^{\frac{12}{3}} \]

\[ f(12)=500\cdot 2^4 \]

\[ f(12)=500\cdot 16=8000 \]

Después de \(12\) horas habrá \(8000\) bacterias.

Cuidado con el exponente

Un error común es no ajustar el exponente al período de tiempo indicado.

Si el crecimiento o decrecimiento ocurre cada \(k\) unidades de tiempo, el exponente debe ser: \[ \frac{x}{k} \]

En el ejemplo de las bacterias, como se duplican cada \(3\) horas, el exponente es \(\frac{x}{3}\).

Ejercicios

Ejercicio 1

Una inversión de $2000 crece a una tasa de interés compuesto del \(4\%\) anual. Encuentra la función exponencial que modela el valor de la inversión.

Ejercicio 2

Un auto nuevo que vale $25000 se deprecia a una tasa del \(15\%\) anual. Encuentra la función que modela el valor del auto después de \(x\) años.

Ejercicio 3

Una población de aves tiene \(500\) individuos inicialmente y crece un \(8\%\) cada año. Encuentra la función que modela la población después de \(x\) años.

Ejercicio 4

Una sustancia radiactiva se reduce a la mitad cada \(100\) años. Si inicialmente hay \(80\) gramos, encuentra la función que modela la cantidad restante después de \(x\) años.

Ejercicio 5

Una población de conejos se duplica cada mes. Inicialmente hay \(20\) conejos. ¿Cuántos conejos habrá después de \(6\) meses?

Ejercicio 6

Un medicamento se elimina del cuerpo a una tasa del \(25\%\) por hora. Si la dosis inicial es de \(500\) mg, ¿cuántos mg quedarán después de \(4\) horas?

Ejercicio 7

El valor de una máquina se deprecia exponencialmente. Su valor inicial es de $12000 y después de \(3\) años es de $9000. ¿Cuál es la base \(b\) de la función exponencial que modela esta situación?

Problemas

Problema 1

Una ciudad tiene una población inicial de \(100000\) habitantes y crece a una tasa del \(3\%\) anual.

  1. Encuentra la función exponencial que modela la población después de \(x\) años.
  2. ¿Cuál será la población aproximada después de \(5\) años?
  3. ¿Y después de \(10\) años?

Problema 2

Se invierten $5000 en una cuenta que paga un interés compuesto del \(6\%\) anual. Si no se hacen retiros ni depósitos adicionales, ¿cuánto dinero habrá en la cuenta después de \(7\) años?

Problema 3

La cantidad de un fármaco en el torrente sanguíneo disminuye exponencialmente. Se administra una dosis de \(400\) mg. Después de \(6\) horas, quedan \(200\) mg.

  1. Encuentra la función exponencial que modela la cantidad de fármaco restante en función del tiempo, en horas.
  2. ¿Cuántos mg quedarán después de \(12\) horas?
  3. ¿Y después de \(18\) horas?

Problema 4

Un bosque tenía \(10000\) árboles en el año \(2000\). Debido a la tala ilegal, la cantidad de árboles disminuye un \(4\%\) cada año.

  1. Encuentra la función exponencial que modela la cantidad de árboles en función del tiempo, en años desde el año \(2000\).
  2. ¿Cuántos árboles quedarán, aproximadamente, en el año \(2025\)?

Problema 5

Una población de aves migratorias disminuye a un ritmo exponencial. En el año \(2010\), había \(8000\) aves. En el año \(2020\), había \(5000\) aves.

  1. Encuentra la función exponencial que modela la población de aves en función del tiempo, en años desde el año \(2010\).
  2. ¿Cuál es la tasa de decrecimiento anual de la población, en porcentaje?
  3. ¿Cuál será la población aproximada en el año \(2030\)?