11. Potencias de Base Fraccionaria y Exponente Entero (Negativos y Propiedades Distributivas)

Un exponente negativo se relaciona directamente con el inverso multiplicativo o recíproco de un número.

¿Qué es un inverso multiplicativo?

El inverso multiplicativo de un número es aquel que, al multiplicarlo por el número original, da como resultado \(1\).

Por ejemplo, el inverso multiplicativo de \( \frac{2}{3} \) es \( \frac{3}{2} \), porque:

\[ \frac{2}{3}\cdot\frac{3}{2} = \frac{6}{6} = 1 \]

En general, el inverso multiplicativo de \( \frac{a}{b} \) es \( \frac{b}{a} \), siempre que \(a\neq 0\) y \(b\neq 0\).

Regla del exponente \(-1\)

Elevar una fracción a \(-1\) equivale a encontrar su inverso multiplicativo. En la práctica, se invierte la fracción.

\[ \left(\frac{a}{b}\right)^{-1} = \frac{b}{a} \qquad \text{con } a\neq 0,\; b\neq 0 \]

Ejemplo: exponente \(-1\)

Resolver:

\[ \left(-\frac{2}{3}\right)^{-1} \]

El exponente \(-1\) indica que debemos encontrar el inverso multiplicativo de la base. Por eso, invertimos la fracción y conservamos el signo negativo:

\[ \left(-\frac{2}{3}\right)^{-1} = -\frac{3}{2} \]

Caso especial: inverso de un número entero

Todo número entero \(c\) se puede escribir como \( \frac{c}{1} \). Por eso:

\[ c^{-1} = \left(\frac{c}{1}\right)^{-1} = \frac{1}{c} \qquad \text{con } c\neq 0 \]

Por ejemplo:

\[ 5^{-1} = \frac{1}{5} \]

Ejercicios de exponente \(-1\)

Escribe el inverso multiplicativo de las siguientes expresiones.

  1. \( \left(4\right)^{-1} \)
  2. \( \left(-6\right)^{-1} \)
  3. \( \left(-10\right)^{-1} \)
  4. \( \left(\frac{1}{5}\right)^{-1} \)
  5. \( \left(-\frac{1}{3}\right)^{-1} \)
  6. \( \left(\frac{-1}{7}\right)^{-1} \)
  7. \( \left(\frac{5}{7}\right)^{-1} \)
  8. \( \left(-\frac{2}{3}\right)^{-1} \)
  9. \( \left(\frac{9}{4}\right)^{-1} \)
  10. \( \left(\frac{x}{y}\right)^{-1} \), con \(x,y\neq 0\)
  11. \( \left(\frac{-2a}{5b}\right)^{-1} \), con \(a,b\neq 0\)

Generalización para cualquier exponente negativo

Propiedad: exponente negativo general

Para resolver una potencia con exponente negativo, se invierte la base y luego se eleva al mismo exponente, pero positivo.

\[ \left(\frac{a}{b}\right)^{-n} = \left(\frac{b}{a}\right)^n \qquad \text{con } a\neq 0,\; b\neq 0 \]

Justificación

Podemos escribir el exponente \(-n\) como \((-1)\cdot n\). Luego aplicamos potencia de una potencia:

\[ \left(\frac{a}{b}\right)^{-n} = \left(\frac{a}{b}\right)^{(-1)\cdot n} = \left(\left(\frac{a}{b}\right)^{-1}\right)^n = \left(\frac{b}{a}\right)^n \]

Condiciones importantes

Para usar esta propiedad, tanto \(a\) como \(b\) deben ser distintos de cero. El denominador \(b\) no puede ser cero por ser denominador, y \(a\) tampoco puede ser cero porque al invertir la fracción pasaría al denominador.

Ejemplo: exponente negativo general

Resolver:

\[ \left(\frac{3}{5}\right)^{-2} \]

Invertimos la base y cambiamos el exponente a positivo:

\[ \left(\frac{3}{5}\right)^{-2} = \left(\frac{5}{3}\right)^2 \]

Luego calculamos la potencia:

\[ \left(\frac{5}{3}\right)^2 = \frac{5^2}{3^2} = \frac{25}{9} \]

Ejercicios de exponentes negativos generales

Aplica la propiedad del exponente negativo para invertir la base y luego resolver la potencia resultante.

  1. \( \left(\frac{2}{3}\right)^{-3} \)
  2. \( \left(\frac{1}{4}\right)^{-2} \)
  3. \( \left(\frac{5}{2}\right)^{-4} \)
  4. \( \left(-\frac{3}{4}\right)^{-3} \)
  5. \( \left(-\frac{2}{5}\right)^{-2} \)
  6. \( \left(-\frac{1}{3}\right)^{-5} \)
  7. \( \left(-\frac{4}{3}\right)^{-4} \)
  8. \( \left(\frac{x}{y}\right)^{-2} \), con \(x,y\neq 0\)
  9. \( \left(\frac{-2a}{3}\right)^{-3} \), con \(a\neq 0\)
  10. \( \left(\frac{m}{-n}\right)^{-4} \), con \(m,n\neq 0\)

Propiedades distributivas de la potenciación

La potenciación se puede distribuir cuando la base es una multiplicación o una división. Esto permite separar expresiones complejas en partes más simples.

Propiedad 7: potencia de un producto

Regla de potencia de un producto

La potencia de un producto de fracciones es igual al producto de cada fracción elevada a esa potencia.

\[ \left(\frac{a}{b}\cdot\frac{c}{d}\right)^n = \left(\frac{a}{b}\right)^n \cdot \left(\frac{c}{d}\right)^n \]

Justificación

Esta propiedad se basa en la regla \((x\cdot y)^n=x^n\cdot y^n\):

\[ \left(\frac{a\cdot c}{b\cdot d}\right)^n = \frac{(a\cdot c)^n}{(b\cdot d)^n} = \frac{a^n c^n}{b^n d^n} = \frac{a^n}{b^n}\cdot\frac{c^n}{d^n} \]

Ejemplo: producto con factor negativo

Resolver:

\[ \left(-\frac{1}{2}\cdot\frac{4}{3}\right)^3 \]

Una forma rápida es resolver primero el producto dentro del paréntesis:

\[ -\frac{1}{2}\cdot\frac{4}{3} = -\frac{4}{6} = -\frac{2}{3} \]

Luego elevamos al cubo:

\[ \left(-\frac{2}{3}\right)^3 = -\frac{8}{27} \]

Ejercicios de potencia de un producto

Aplica la propiedad distributiva de la potencia sobre el producto. Simplifica la base primero si es conveniente.

  1. \( \left(\frac{1}{2}\cdot\frac{3}{4}\right)^2 \)
  2. \( \left(\frac{2}{5}\cdot\frac{1}{3}\right)^3 \)
  3. \( \left(\frac{4}{3}\cdot\frac{3}{2}\right)^4 \)
  4. \( \left(-\frac{2}{3}\cdot\frac{1}{4}\right)^2 \)
  5. \( \left(-\frac{3}{5}\cdot\frac{1}{2}\right)^3 \)
  6. \( \left(-\frac{2}{7}\cdot\frac{-1}{2}\right)^2 \)
  7. \( \left(\frac{-4}{3}\cdot\frac{3}{-2}\right)^3 \)
  8. \( \left(\frac{a}{2}\cdot\frac{3}{b}\right)^2 \), con \(b\neq 0\)
  9. \( \left(\frac{2x}{-3}\cdot\frac{1}{y}\right)^3 \), con \(y\neq 0\)
  10. \( \left(\frac{m}{n}\cdot\frac{-p}{2}\right)^4 \), con \(n\neq 0\)

Propiedad 8: potencia de un cociente

Regla de potencia de un cociente

La potencia de una división de fracciones es igual a la división de cada fracción elevada a esa potencia.

\[ \left(\frac{a}{b}\div\frac{c}{d}\right)^n = \left(\frac{a}{b}\right)^n \div \left(\frac{c}{d}\right)^n \]

Justificación

Esta propiedad combina la división de fracciones con la potencia de un producto:

\[ \left(\frac{a}{b}\div\frac{c}{d}\right)^n = \left(\frac{a}{b}\cdot\frac{d}{c}\right)^n = \left(\frac{a}{b}\right)^n \cdot \left(\frac{d}{c}\right)^n = \left(\frac{a}{b}\right)^n \div \left(\frac{c}{d}\right)^n \]

Ejemplo: cociente con factor negativo y exponente impar

Resolver:

\[ \left(\frac{3}{4}\div -\frac{3}{2}\right)^3 \]

Primero resolvemos la división dentro del paréntesis:

\[ \frac{3}{4}\div\left(-\frac{3}{2}\right) = \frac{3}{4}\cdot\left(-\frac{2}{3}\right) = -\frac{6}{12} = -\frac{1}{2} \]

Luego elevamos al cubo:

\[ \left(-\frac{1}{2}\right)^3 = -\frac{1}{8} \]

Ejercicios de potencia de un cociente

Aplica la propiedad distributiva de la potencia sobre el cociente. Se recomienda simplificar primero la división dentro del paréntesis.

  1. \( \left(\frac{2}{3}\div\frac{1}{2}\right)^3 \)
  2. \( \left(\frac{5}{4}\div\frac{3}{2}\right)^2 \)
  3. \( \left(\frac{1}{5}\div\frac{2}{5}\right)^4 \)
  4. \( \left(-\frac{3}{4}\div\frac{1}{2}\right)^2 \)
  5. \( \left(\frac{-2}{5}\div\frac{3}{-2}\right)^3 \)
  6. \( \left(-\frac{4}{3}\div\frac{-2}{5}\right)^2 \)
  7. \( \left(\frac{1}{6}\div\frac{-5}{12}\right)^3 \)
  8. \( \left(\frac{x}{3}\div\frac{2}{y}\right)^2 \), con \(y\neq 0\)
  9. \( \left(\frac{4a}{b}\div\frac{2c}{3}\right)^3 \), con \(b,c\neq 0\)
  10. \( \left(\frac{-m}{2n}\div\frac{p}{-3q}\right)^2 \), con \(n,p,q\neq 0\)

Síntesis: combinando todas las propiedades

Ahora que hemos añadido los exponentes negativos y las propiedades distributivas, podemos resolver expresiones que combinan varias reglas.

Ejemplo de síntesis A: bases recíprocas

Resolver:

\[ \left(\frac{3}{2}\right)^2\cdot\left(\frac{2}{3}\right)^4 \]

Como \( \frac{3}{2} \) es el recíproco de \( \frac{2}{3} \), escribimos:

\[ \frac{3}{2} = \left(\frac{2}{3}\right)^{-1} \]

Entonces:

\[ \left(\left(\frac{2}{3}\right)^{-1}\right)^2 \cdot \left(\frac{2}{3}\right)^4 = \left(\frac{2}{3}\right)^{-2} \cdot \left(\frac{2}{3}\right)^4 \]

Sumamos los exponentes:

\[ \left(\frac{2}{3}\right)^{-2+4} = \left(\frac{2}{3}\right)^2 = \frac{4}{9} \]

Ejemplo de síntesis B

Resolver:

\[ \left(\left(\frac{1}{5}\right)^{-1}\right)^2 \]

Primero resolvemos el exponente \(-1\):

\[ \left(\frac{1}{5}\right)^{-1} = 5 \]

Luego elevamos al cuadrado:

\[ 5^2 = 25 \]

Ejemplo de síntesis C: agrupación por exponente

Resolver:

\[ \frac{\left(\frac{1}{2}\right)^3\cdot\left(\frac{4}{5}\right)^3}{\left(\frac{2}{5}\right)^3} \]

Como todas las potencias tienen el mismo exponente, agrupamos las bases:

\[ \left( \frac{\frac{1}{2}\cdot\frac{4}{5}}{\frac{2}{5}} \right)^3 \]

Simplificamos dentro del paréntesis:

\[ \frac{1}{2}\cdot\frac{4}{5} = \frac{4}{10} = \frac{2}{5} \]

Entonces:

\[ \left( \frac{\frac{2}{5}}{\frac{2}{5}} \right)^3 = 1^3 = 1 \]

Ejemplo de síntesis D: agrupación por bases

Resolver:

\[ \frac{\left(\frac{2}{3}\right)^4\cdot\left(\frac{1}{5}\right)^2} {\left(\frac{2}{3}\right)^2\cdot\left(\frac{1}{5}\right)^2} \]

Agrupamos las potencias de igual base:

\[ \left( \frac{\left(\frac{2}{3}\right)^4}{\left(\frac{2}{3}\right)^2} \right) \cdot \left( \frac{\left(\frac{1}{5}\right)^2}{\left(\frac{1}{5}\right)^2} \right) \]

Restamos exponentes:

\[ \left(\frac{2}{3}\right)^{4-2} \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^{2-2} = \left(\frac{2}{3}\right)^2 \cdot \left(\frac{1}{5}\right)^0 \]

Finalmente:

\[ \frac{4}{9}\cdot1 = \frac{4}{9} \]

Ejercicios de síntesis

Simplifica al máximo las siguientes expresiones. Los primeros ejercicios se centran en las propiedades de esta lección; los últimos combinan varias propiedades.

  1. \( \left(\frac{2}{5}\right)^{-2} \)
  2. \( \left(-\frac{1}{3}\right)^{-3} \)
  3. \( \left(\frac{1}{4}\cdot2\right)^{-2} \)
  4. \( \left(\frac{6}{5}\div\frac{3}{5}\right)^3 \)
  5. \( \left(\frac{3}{4}\div\frac{1}{2}\right)^{-2} \)
  6. \( \left(\frac{a}{b}\div\frac{c}{d}\right)^{-1} \), con \(a,b,c,d\neq 0\)
  7. \( \left(\frac{2x}{y}\cdot\frac{y}{x}\right)^{-5} \), con \(x,y\neq 0\)
  8. \( \left(\frac{-a}{b}\right)^{-2}\cdot\left(\frac{b}{a}\right)^{-2} \), con \(a,b\neq 0\)
  9. \( \left(\frac{x^2}{y}\right)^{-3} \), con \(x,y\neq 0\)
  10. \( \left(\frac{4}{5}\right)^3\cdot\left(\frac{4}{5}\right)^{-2} \)
  11. \( \left(\left(-\frac{2}{3}\right)^{-2}\right)^{-1} \)
  12. \( \frac{a^5\cdot a^{-2}}{a^3} \), con \(a\neq 0\)
  13. \( \frac{\left(\frac{2}{3}\right)^{-2}\cdot\left(\frac{1}{3}\right)^2}{\left(\frac{2}{3}\right)^{-3}\cdot\left(\frac{1}{3}\right)^2} \)
  14. \( \left(\left(\frac{1}{2}\right)^3\div\left(\frac{1}{2}\right)^5\right)^{-1} \)
  15. \( \left(\left(\frac{x}{y}\right)^2\cdot\left(\frac{y}{x}\right)\right)^{-3} \), con \(x,y\neq 0\)