PROGRAMA DE ESTUDIO PARA MATEMÁTICAS III

ÁLGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA

Presentación de la asignatura:

En este curso, el tercero del bloque de materias obligatorias del Área de Matemáticas, se comienza el estudio de temas avanzados de álgebra y un tratamiento específico de contenidos de Geometría Analítica, extendiendo y profundizando los conocimientos abordados en cursos anteriores.

Así, los conceptos y procedimientos relativos a ecuaciones y sistemas lineales, y ecuaciones cuadráticas, aprendidos en los dos primeros semestres, encuentran una nueva dimensión en este curso con el desarrollo de métodos matemáticos para la obtención de soluciones de sistemas lineales con más de dos ecuaciones y dos incógnitas, y ecuaciones de grado mayor que dos. En este último se retoman elementos de un estudio previo y particularizado de un nuevo sistema de números, los complejos, donde se revisan su forma, naturaleza y características operatorias y se amplía el concepto de número hasta ahora manejado por los estudiantes. Los conocimientos sobre funciones lineales, cuadráticas y trigonométricas, adquiridos hasta este momento por los alumnos, posibilitan avanzar hacia un tratamiento más amplio y puntual del concepto de función, que comprende la revisión de otro tipo de variaciones, el análisis de las funciones polinomiales y racionales y del comportamiento de las gráficas de éstas, incluyendo el de las funciones circulares y sus parámetros. El trabajo realizado con el plano cartesiano en los semestres anteriores permite efectuar un estudio sistemático de la recta, la circunferencia y la parábola desde el punto de vista analítico y examinar otras formas de localización de puntos y trazado de curvas en un plano coordenado.

Contenidos generales de la asignatura.

  1. Solución numérica de sistemas de ecuaciones lineales.
  2. Álgebra de los números complejos.
  3. Ecuaciones de grado superior a dos.
  4. Graficación de funciones.
  5. Ecuación cartesiana de la recta.
  6. Ecuaciones cartesianas de la circunferencia y de la parábola.
  7. Sistemas de coordenadas no rectangulares.

Objetivos generales de la asignatura, jerarquizados.

Las actividades en clase deberán propiciar la solución de problemas, buscando que los conocimientos matemáticos adquieran sentido para los alumnos y se desarrolle su capacidad de trabajo personal, lo mismo que sus aptitudes para la investigación, búsqueda de conjeturas y la comunicación de su pensamiento, tanto en forma oral como escrita. Habrá también numerosas oportunidades de que practiquen el razonamiento deductivo y utilicen los distintos medios de expresión matemática: tablas, gráficas y el lenguaje simbólico del álgebra, así como la calculadora científica y la microcomputadora. Durante el tercer semestre, el estudio de las matemáticas deberá permitir:

  Avanzar hacia la apropiación permanente de los procedimientos para operar con expresiones algebraicas y sus aplicaciones en la solución de ecuaciones y problemas.

  Continuar con el aprendizaje del álgebra mediante el estudio de la solución numérica de los sistemas de ecuaciones lineales, de los números complejos y sus operaciones y de los métodos para resolver ecuaciones de grado superior a dos.

  Profundizar en el estudio de las funciones a través del análisis de las gráficas de funciones polinomiales, racionales y circulares, sus comportamientos y aplicaciones elementales.

  Enriquecer el estudio de la trigonometría y la geometría analítica.

 La deducción de las ecuaciones cartesianas de la recta, la circunferencia y la parábola y sus aplicaciones a la solución de problemas de corte euclidiano y de lugares geométricos.

  El conocimiento de sistemas de coordenadas no rectangulares, en particular de las coordenadas polares en el plano.

Unidades de enseñanza-aprendizaje.

Unidad I: Solución de sistemas de ecuaciones lineales. (10 horas)

 El método de eliminaciones sucesivas: solución de sistemas escalonados; sistemas equivalentes y reducción de un sistema a otro escalonado equivalente.

 Matriz de coeficientes y matriz aumentada de un sistema, operaciones elementales con los renglones de una matriz y método de Gauss-Jordan.

 Regla de Cramer y determinantes; comparación del método de Gauss-Jordan y la regla de Cramer (número de multiplicaciones necesarias para realizar cada método).

Objetivo particular:

 Se avanzará en el estudio de los sistemas de ecuaciones lineales mediante la introducción de los sistemas nxn y su solución por los métodos de eliminaciones sucesivas de Gauss-Jordán y la regla de Cramer. En este momento, las matrices y determinantes serán vistas como una forma de organizar y hacer más cómodos los cálculos, sin intentar todavía operar con estos objetos o tratar exhaustivamente sus propiedades.

Objetivos específicos:

Al finalizar esta unidad, los alumnos:

 Sabrán plantear y resolver problemas que conduzcan a sistemas de ecuaciones lineales.

 Utilizará los métodos de eliminaciones sucesivas y Gauss-Jordan para resolver y decidir, según el caso, si un sistema de ecuaciones lineales tiene una, infinitas o ninguna solución.

 Compararán el método de Gauss-Jordán con la regla de Cramer contando el número de multiplicaciones necesarias para aplicar cada método.

Estrategias de enseñanza-aprendizaje. Precisar la relación entre matrices y determinantes. Destacar que las matrices constituyen una manera eficiente de trabajar con sistemas de ecuaciones lineales, sobre todo cuando intervienen gran número de variables. Trabajo de investigación acerca del desarrollo histórico de las matrices y los determinantes: aportaciones de Leibnitz, Cramer, Sylvester y Cayley. Relacionar los métodos de resolución de sistemas lineales, conocidos hasta ahora por el estudiante, con las operaciones de renglón de matrices, destacar las ventajas de la generalización que proporcionan los métodos matriciales. Solicitar a los estudiantes una investigación sobre los trabajos de Gauss y Camile Jordán en teoría de ecuaciones.

Unidad II: Álgebra de los números complejos. (10 horas)

 Nociones básicas: parte real e imaginaria, conjugado, representación geométrica, valor absoluto y argumento de un número complejo.

 Operaciones con números complejos. Suma y resta; multiplicación y división. Significado geométrico de la suma y la resta; de la multiplicación por un real positivo, por un real negativo y por ± i.

 Potencias y raíces de un número complejo.

Objetivo particular:

 El estudio de los números complejos servirá para enriquecer la noción de número, al mismo tiempo que proporciona a los alumnos numerosas oportunidades de practicar los procedimientos básicos del álgebra y avanzar hacia su adquisición permanente.

Objetivos específicos:

Al finalizar esta unidad, los alumnos:

 Podrán sumar, restar, multiplicar, dividir y obtener la raíz cuadrada de números complejos.

 Interpretarán geométricamente la suma y la resta, así como el conjugado, la multiplicación por un escalar y por i de números complejos.

 Expresarán y operarán números complejos en forma trigonométrica.

Estrategias de enseñanza-aprendizaje. Señalar la utilidad de los complejos para modelar fenómenos que se presentan en la ciencia y la ingeniería (v.gr. uso de ecuaciones y variables complejas para describir flujos de agua en orificios, en dos sentidos, alrededor de objetos…)

Al operar con los complejos en forma trigonométrica, revisar las fórmulas de trigonometría para la suma de dos ángulos.

Comentar en clase las aportaciones del matemático irlandés William R. Hamilton al trabajo con números complejos en el siglo pasado (teoría de los cuaterniones) y solicitar un trabajo de investigación sobre la obra matemática del francés Abraham De Moivre, a quien Newton tenía en muy alta estima.

Unidad III: Ecuaciones de grado superior a dos. (10 horas)

 Ejemplos de bicuadráticas y otras ecuaciones de grado superior a dos que todavía pueden resolverse por métodos algebraicos.

 Teorema del residuo y del factor y su recíproco: búsqueda de raíces enteras y fraccionarias de un polinomio.

 Métodos aproximados de solución: bisección, secantes y de Newton.

 Comparación de los métodos anteriores.

Objetivo particular:

 Se buscará que los alumnos adquieran una visión más realista y flexible de las ecuaciones algebraicas y sus métodos de solución, mediante la introducción, entre otros temas, del cálculo aproximado de raíces. El profesor tendrá la oportunidad de platicar con ellos sobre la historia de las fórmulas para encontrar las raíces de ecuaciones cúbicas y cuárticas, así como de la inexistencia de métodos generales para resolver ecuaciones de grado igual o superior a cinco.

Objetivos específicos:

Durante el desarrollo de esta unidad, los alumnos:

 Conocerán y resolverán ejemplos de ecuaciones bicuadráticas y otras ecuaciones de grado superior a dos cuyas raíces todavía pueden encontrarse por medios algebraicos.

 Utilizarán, en ejemplos sencillos, los criterios para localizar las raíces enteras y racionales de una ecuación y aplicarán el teorema del factor y su recíproco para reducir su grado y resolverla.

 Aplicarán y compararán entre sí distintos métodos para calcular aproximadamente las raíces de un número o un polinomio: bisección, secante, Newton…

Estrategias de enseñanza-aprendizaje. Destacar en clase la importancia del teorema Fundamental del álgebra, demostrado por Gauss, y las aportaciones de Abel y Galois a la teoría de las ecuaciones, solicitar una investigación sobre la vida y obra de estos matemáticos.

Emplear el método de Newton de aproximación mediante tangentes, sin recurrir al concepto de derivada.

Resaltar la relación entre factores y ceros de una función polinómica, y los ceros, factores y soluciones de ecuaciones polinómicas.

Unidad IV: Graficación de funciones. (15 horas)

 Revisión de la noción de función, enfatizando la idea de una cantidad en términos de otra; ejemplos para ilustrar las nociones de dominio y rango de una función, de variación inversa, conjunta y combinada y ejemplos de la existencia de relaciones que no son funciones.

 Estudio del comportamiento local y en infinito de polinomios y funciones racionales e introducción de la notación de límites para indicar el comportamiento indicado. En particular el comportamiento de la familia y = xn para -1£ x£ 1; y de polinomios y funciones racionales para x muy grande en valor absoluto y alrededor de los ceros en el denominador (asíntotas y discontinuidades removibles).

 Operaciones con gráficas; por ejemplo: dadas las gráficas de y = f(x) y y = g(x), construir las gráficas de f(x) + b; af(x); af(x) + b; f(x + b); f(ax); ½ f(x)½ ; f(| x | ); o bien f(x) + g(x); f(x) – g(x); f(x)g(x); 1/f(x); f(x) / g(x), en particular, estudio de las gráficas de las funciones trigonométricas y = aSen(bx + c) + d y y = aCos(bx + c) + d y de la influencia de los parámetros a, b, c, d en dichas gráficas.

 Ejemplos de aplicaciones de las funciones trigonométricas a la modelación de fenómenos periódicos de carácter ondulatorio (ondas de radio, luz, corriente alterna, vibraciones etc.)

Objetivo particular:

 Esta unidad tiene como objetivo principal avanzar en el conocimiento de las funciones elementales y la comprensión de las relaciones entre la expresión algebraica de una función, su comportamiento y el aspecto y rasgos principales de su gráfica.

Objetivos específicos:

Al finalizar esta unidad, los alumnos podrán:

 Examinar una expresión en dos variables para predecir si define una función y determinar su dominio.

 Comprender y utilizar la terminología: y varía inversamente con x; y varía conjuntamente con x y w; y varía en forma combinada con x, w y z.

 Estudiar, en casos sencillos, el comportamiento local y en infinito de polinomios y funciones racionales, encontrar los intervalos donde la función es positiva o negativa y utilizar la información anterior para bosquejar su gráfica.

 Utilizar la notación de límites para indicar el comportamiento observado al estudiar localmente o en infinito los valores de un polinomio o de una función racional.

 Dadas las gráficas de una o dos funciones, bosquejar la gráfica de las funciones que se obtienen al sumarles o multiplicarlas por una constante, al considerar su valor absoluto o su recíproco; al sumarlas, restarlas, multiplicarlas o dividirlas.

 Determinar transformaciones en los valores y en la gráfica de una función al introducir cambios en los valores de la variable independiente, como sumar y restar constantes, multiplicar por distintos valores.

Estrategias de enseñanza-aprendizaje. Proporcionar ejemplos variados de la aplicación de las funciones racionales a la Economía, Física y Ciencias Sociales (v.gr. velocidad y flujo de líquidos en hidrodinámica).

Ilustrar mediante ejemplos de casos extraídos preferentemente de la Física, que no todas las variaciones de fenómenos siguen patrones de variación directa o inversa simple, introduciendo la variación conjunta y la combinada. Destacar que en estos casos se tiene más de una variable independiente y que se trabaja con funciones de muchas variables.

Enfatizar los conceptos de dominio restringido, valores límite, asíntotas y discontinuidades.

Solicitar a los alumnos un trabajo de análisis del comportamiento gráfico de la función tangente, en valores próximos a p /2 o sus múltiplos, una vez que hayan examinado discontinuidades en funciones racionales.

Unidad V: Ecuación cartesiana de la recta. (10 horas)

 Ecuación de la recta dados dos puntos por los que pasa; dada su pendiente y un punto por el que pasa.

 Ecuación general y formas especiales de la ecuación de la recta. Condiciones de paralelismo y perpendicularidad.

 Solución analítica de problemas de corte euclidiano, por ejemplo: encontrar la distancia de un punto a una recta; el ortocentro, el baricentro y el circuncentro de un triángulo, etc.

Objetivo particular:

 Se buscará que los alumnos se inicien en el estudio de la geometría analítica, sus métodos y procedimientos por medio de la deducción de la ecuación cartesiana de la línea recta, las condiciones de paralelismo y perpendicularidad y sus aplicaciones a la solución de problemas de corte euclidiano y de lugares geométricos.

Objetivos específicos:

Al finalizar la unidad el alumno:

 Encontrará la ecuación de una recta dados dos puntos por los que pasa, o bien la pendiente y un punto por el que pasa.

 Reconocerá y sabrá aplicar el significado geométrico de los parámetros que aparecen en las formas especiales de la ecuación de la recta.

 Sabrá encontrar paralelas y perpendiculares a una recta dada.

 Aplicará sus conocimientos sobre la línea recta a la solución de problemas de corte euclidiano.

Estrategias de enseñanza-aprendizaje: Destacar que el uso de gráficas posibilita relacionar ideas del álgebra con la geometría y permite visualizar patrones o relaciones.

Comentar en clase el significado de los términos abscisa y ordenada, y solicitar una investigación sobre los trabajos de Descartes y Fermat que dieron origen a los métodos analíticos.

Enfatizar el bosquejo o trazado rápido de gráficas sin necesidad de tabular enorme cantidad de puntos (intersecciones con los ejes coordenados, punto-pendiente, uso de tres puntos).

Resaltar la propiedad analítica para que un punto pertenezca a una recta.

Mostrar la insuficiencia de la descripción de una recta con la sola idea intuitiva de dirección.

Utilizar al calculadoras gráficas o computadoras para bosquejar gráficos de ecuaciones lineales, de familias de rectas y, en general, para establecer relaciones entre soluciones y gráficas.

Unidad VI: Ecuaciones cartesianas de la circunferencia y la parábola. (10 horas)

 Distancia del origen a un punto del plano cartesiano; distancia entre dos puntos.

 Ecuación de la circunferencia y aplicaciones.

 Deducción de la ecuación ordinaria de la circunferencia; con centro en el origen; con centro en cualquier punto utilizando, en particular, la idea de traslación de ejes.

 Ecuación general de la circunferencia; ejercicios de reducción de la forma general a la ordinaria.

 Definición de la parábola usando la directriz y el foco. Su trazado por puntos: con compás y escuadras, doblando papel; y continuos utilizando un cordel.

 Ecuación ordinaria de la parábola; con vértice en el origen; con vértice en cualquier punto; ecuación general de la parábola y ejercicios de reducción de la forma general a la forma ordinaria.

 Solución analítica de problemas de corte euclidiano y de lugares geométricos.

Objetivo particular:

 Se buscará que los alumnos enriquezcan su estudio de la geometría analítica, por medio de la deducción de las ecuaciones cartesianas de la circunferencia y la parábola y sus aplicaciones a la solución de problemas de corte euclidiano y de lugares geométricos.

Objetivos específicos:

Al finalizar esta unidad los alumnos:

 Desarrollarán habilidades para pasar de la definición de un lugar geométrico a una ecuación que lo representa.

 Incorporarán, a partir de la ecuación de la circunferencia, la traslación de ejes como una técnica útil en los procesos de generalización y simplificación de expresiones analíticas.

 Incorporarán el método de completar cuadrados como la técnica para encontrar los parámetros de la circunferencia y la parábola.

Estrategias de enseñanza-aprendizaje: Establecer algunas propiedades de la circunferencia y de la parábola empleando los métodos sintéticos y analíticos para reforzar la comprensión de los alumnos y contrastar ambas técnicas.

Ilustrar con numerosos ejemplos la utilidad de estas curvas en la modelación de diversos fenómenos y situaciones (tiro parabólico, arcos, faros, antenas parabólicas, radares, etc.) Trabajo de investigación sobre el empleo de las parábolas en Grecia antigua por parte de Menecmo para dar solución al problema de la duplicación del cubo.

Unidad VII: Sistemas de coordenadas no rectangulares. (15 horas)

 Ejemplos de distintos sistemas de coordenadas: polares en el plano; cilíndricas y esféricas en el espacio.

 Trazado de curvas en coordenadas polares, por ejemplo:

  - Espirales: r = kq ,

  - Rosas: r = aCos kq , r = aSen kq , para k par e impar

  - Otras: r = q Sen kq , r = a + bSen kq

 Relaciones entre coordenadas polares y rectangulares; paso de una ecuación polar a cartesiana y viceversa.

 Ecuación polar de la recta y la circunferencia.

Objetivo particular:

 El objetivo principal de esta unidad es profundizar en la representación gráfica de una expresión algebraica mediante el uso de marcos de referencia distintos de los rectangulares; coordenadas polares en el plano y esféricas y cilíndricas en el espacio.

Objetivos específicos:

Al finalizar esta unidad, el alumno:

 Podrá escoger el sistema de coordenadas que le sea más útil para representar gráficamente una expresión algebraica.

 Podrá pasar de una ecuación dada en forma polar a otra que esté en forma cartesiana y viceversa.

 Desarrollará habilidades para analizar, interpretar y describir las relaciones existentes entre conjuntos de puntos en el plano y las expresiones algebraicas que los definen.

Estrategias de enseñanza-aprendizaje: Mostrar la utilidad de las coordenadas polares para simplificar el trabajo con algunas ecuaciones y el trazo de sus gráficas.

Trazar a las coordenadas cilíndricas como una generalización de las polares al espacio de tres dimensiones.

Analizar casos de superficies sencillas expresadas en ecuaciones cilíndricas o esféricas, cuando uno o más parámetros son constantes (esferas, conos, cilindros y planos que contienen o son perpendiculares al eje z).

Revisar la asociación de puntos en el plano con números complejos y destacar las relaciones entre las distintas formas de expresión para éstos.

EVALUACION GLOBAL (PORCENTAJES):

CALIFICACION FINAL = PROMEDIO DE DOS EVALUACIONES PARCIALES, PROYECTO Y EXAMEN FINAL.

100% = 30% + 30% + 10% + 30%

 

BIBLIOGRAFIA:

Dolciani, Mary P. & otros. Algebra moderna y trigonometría 2. Publicaciones Cultural. México 1967.

Lehman, Charles H. Geometría Analítica. Edit. Limusa. México, 1982.

Swokowski, E.W. Algebra y trogonometría con geometría analítica. Grupo editorial Iberoamérica. México 1983.

Larson/Hostetler. Algebra. Publicaciones Cultural. México 1996.

Profesores de la materia:

Ing. Oscar León Rojas (A, B)

Ing. Adolfo Vargas Labastida (C, D, E)

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