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Bachillerato

Función inversa e inyectividad

Una función transforma una entrada en una salida. Su inversa debe recibir esa salida y recuperar exactamente la entrada inicial. Empezaremos deshaciendo dos operaciones sencillas y veremos cuándo esa vuelta puede ser una función.

1. La inversa deshace el proceso en el orden contrario

Si f transforma x en y, su inversa debe devolver x al recibir y.

Para f:D→C y g:C→D necesitamos g(f(x))=x en D y f(g(y))=y en C.

Se intercambian los conjuntos de entrada y salida.

La salida de la primera función entra en la que deshace sus pasos
Deshacer invierte el ordenf(x)=2x+1367×2+1763−1÷2La salida 7 vuelve a ser entrada.g(y)=(y−1)/2Restar primero, dividir después.
Dos cadenas de cálculo. La primera comienza en tres, multiplica por dos para obtener seis y suma uno para obtener siete. La segunda comienza en esa salida siete, resta uno para volver a seis y divide entre dos para recuperar tres. La función es f de x igual a dos x más uno y su inversa g de y igual a y menos uno entre dos. Las operaciones se deshacen en orden inverso: dividir antes de restar no recuperaría en general la entrada. Las cadenas ilustran un valor; las composiciones con letras comprueban después todos los reales.

La inversa es única si existe.

Si g y h deshacen f, para cada y∈C se cumple g(y)=g(f(h(y)))=h(y).

No podemos elegir distintas reglas que devuelvan cualquier entrada conveniente.

Deshacer dos operaciones

f(x)=2x+1 transforma tres.

  1. Ida

    3·2+1=7.
  2. Vuelta

    A 7 le restamos uno y después dividimos entre dos: 3.

  3. Regla

    g(y)=(y−1)/2.
Resultado

Deshacer invierte también el orden de los pasos.

Lo comprobamos

Dividir siete entre dos y después restar uno daría 2,5, no tres.

Otro número comprueba el mismo significado

Usar la entrada −2 en esa función.

  1. Ida

    2(−2)+1=−3.
  2. Vuelta

    g(−3)=(−3−1)/2=−2.
  3. Interpretar

    La salida negativa también regresa a su entrada.

Resultado

La vuelta no depende de elegir un número positivo.

Lo comprobamos

La comprobación general se hará después con letras.

2. Dos entradas con la misma salida impedirían una vuelta única

Una función es inyectiva si f(x₁)=f(x₂) obliga a x₁=x₂.

Los subíndices solo etiquetan dos entradas. Si son diferentes y comparten salida, la inversa tendría que devolver dos valores a la misma entrada y no sería una función.

En una gráfica, una horizontal no puede cortar en más de un punto. Ser estrictamente creciente o decreciente garantiza inyectividad. Si una manipulación algebraica no nos deja demostrarla, aún hace falta otra prueba o un contraejemplo para decidir.

Verificar inyectividad con letras

f(x)=4x−1 en ℝ.

  1. Igualar salidas

    4x₁−1=4x₂−1.
  2. Deshacer operaciones

    Sumar uno y dividir entre cuatro en ambos miembros.

  3. Conclusión

    x₁=x₂: es inyectiva.
Resultado

La prueba vale para cualquier par de entradas.

Lo comprobamos

Los subíndices no son exponentes.

Un contraejemplo basta para refutarla

f(x)=x² en todo ℝ.

  1. Dos entradas

    2 y −2 son distintas.

  2. Salida común

    Sus cuadrados son cuatro.

  3. Vuelta imposible

    Al recibir cuatro no sabríamos cuál devolver de manera única.

Resultado

No es inyectiva en ℝ.

Lo comprobamos

El problema no se soluciona eligiendo arbitrariamente una de las dos entradas.

3. Todas las salidas del codominio también deben alcanzarse

Una función sobreyectiva a C alcanza cada y de C. Si queda alguna sin preimagen, una inversa definida en todo C no sabría qué devolver allí. Una inversa C→D existe exactamente cuando f:D→C es biyectiva.

Si f es inyectiva, puede invertirse de D hacia su imagen f(D), que reúne las salidas realmente alcanzadas. Cambiar el codominio a la imagen arregla falta de sobreyectividad; no arregla que dos entradas compartan salida.

Una función inyectiva puede no cubrir el codominio declarado

f:ℝ→ℝ, f(x)=eˣ.

  1. Inyectiva

    Es estrictamente creciente.

  2. Salidas

    Solo produce números positivos; no alcanza −1 ni cero.

  3. Ajustar

    Como f:ℝ→(0,∞), sí es biyectiva y su inversa es ln.
Resultado

Los conjuntos forman parte de la función que se invierte.

Lo comprobamos

No existe ln real para todos los destinos de ℝ.

Cambiar el codominio no separa entradas iguales

f:ℝ→[0,∞), f(x)=x².

  1. Sobreyectiva

    Todo y≥0 tiene al menos una preimagen.
  2. Sigue sin ser inyectiva

    2 y −2 producen cuatro.

  3. Conclusión

    Aún necesita restringir el dominio para tener inversa.

Resultado

Las dos condiciones son distintas.

Lo comprobamos

Haber eliminado salidas inalcanzables no eligió una rama.

4. Despejamos la entrada original y después renombramos

Escribimos y=f(x) y despejamos x en términos de y.

Durante la cuenta x sigue siendo la entrada original; y, su salida. Anotamos qué valores de y se alcanzan y qué x pertenecen al dominio.

Al terminar podemos llamar x a la nueva entrada y escribir f⁻¹(x). Es un cambio de nombre. Si salen dos valores posibles para la entrada original, debemos revisar una restricción de dominio antes de llamar función a la inversa.

Una recta con pendiente no nula

Invertir f(x)=4x−1, de ℝ a ℝ.

  1. Despejar

    y=4x−1: y+1=4x y x=(y+1)/4.
  2. Nueva entrada

    f⁻¹(y)=(y+1)/4, definida en todo ℝ.
  3. Renombrar

    f⁻¹(x)=(x+1)/4.
Resultado

El cambio de letra no modifica el dominio.

Lo comprobamos

f(2)=7 y la inversa devuelve (7+1)/4=2.

Un ± describe dos candidatas, no una función

Despejar x en y=x².

  1. Rango

    y≥0.
  2. Candidatos

    Para y>0, x=√y o x=−√y.
  3. Problema

    Sin un dominio que seleccione uno, no hay vuelta única.

Resultado

Todavía no se ha construido una inversa funcional.

Lo comprobamos

Para y=4 reaparecen las dos entradas 2 y −2.

5. La rama del dominio decide el signo de la raíz

x² es creciente en [0,∞) y tiene inversa √x allí; en (−∞,0] es decreciente y su inversa es −√x. Son funciones originales distintas porque tienen dominios distintos.

La reflexión intercambia también dominio y recorrido
Intercambiamos las coordenadas(2,3)(3,2)y=x0235f(x)=(x−1)²+2, x≥1g(y)=1+√(y−2), y≥2Reflejo respecto de y=x.
Rama derecha de la parábola x menos uno al cuadrado más dos, con x al menos uno, y su inversa uno más raíz de y menos dos, definida para y al menos dos. Ambos ejes usan cincuenta unidades de dibujo por unidad real. El punto dos tres de la parábola se refleja como tres dos en la inversa respecto a la diagonal y igual a x. Se dibuja solo la rama restringida: si se incluyera toda la parábola, el reflejo no sería una función de una sola salida para cada entrada. Los extremos uno dos y dos uno se incluyen en ambas ramas.
En f(x)=(x−h)²+k, la rama x≥h exige x−h≥0 y da h+√(y−k).
La rama x≤h exige x−h≤0 y da h−√(y−k).

La condición procede del dominio, no de una preferencia por signos positivos.

La rama derecha de una parábola desplazada

Invertir f:[1,∞)→[2,∞), f(x)=(x−1)²+2.

  1. Despejar

    y−2=(x−1)².
  2. Usar dominio

    x−1≥0, luego x−1=√(y−2).
  3. Inversa

    g(y)=1+√(y−2), y≥2.
Resultado

Su salida siempre está en x≥1.

Lo comprobamos

y=3 vuelve a x=2, y f(2)=3.

La rama izquierda de la misma expresión

Usar f:(−∞,1]→[2,∞).

  1. Signo

    Ahora x−1≤0.
  2. Despejar

    x−1=−√(y−2).
  3. Inversa

    h(y)=1−√(y−2), y≥2.
Resultado

La expresión original coincide, pero la función restringida es otra.

Lo comprobamos

y=3 vuelve a cero, que está en la rama izquierda.

6. Las composiciones comprueban todos los valores; la gráfica refleja coordenadas

Hay que verificar g∘f=idD y f∘g=idC, con las expresiones intermedias en su dominio. idD devuelve cada elemento de D sin cambiarlo; idC hace lo mismo en C. Son identidades sobre conjuntos diferentes en general; no una afirmación de que cualesquiera composiciones conmuten.

La gráfica intercambia (x,y) por (y,x), un reflejo respecto a la recta y=x. Los dominios y recorridos se intercambian. Si el reflejo no pasa la prueba vertical, la relación inversa no es una función.

Una comprobación general de la recta

f(x)=4x−1 y g(y)=(y+1)/4.

  1. Primera

    g(f(x))=((4x−1)+1)/4=x para x real.
  2. Segunda

    f(g(y))=4((y+1)/4)−1=y para y real.
  3. Conjuntos

    Ambas están definidas en ℝ.

Resultado

Las dos igualdades certifican la inversa completa.

Lo comprobamos

Probar solo x=2 sería una ilustración, no esta demostración general.

La reflexión conserva qué coordenada era cada una

Usar el punto (2,3) de (x−1)²+2 en la rama derecha.

  1. Ida

    f(2)=3.
  2. Vuelta

    g(3)=1+√1=2.
  3. Punto reflejado

    La gráfica inversa contiene (3,2).

Resultado

El espejo es y=x, no el eje horizontal.

Lo comprobamos

Intercambiar coordenadas también intercambia sus conjuntos de valores.

7. La inversa no es el recíproco y deshace composiciones al revés

f⁻¹ significa deshacer por composición. 1/f(x) divide uno entre la salida y exige que no sea cero. No son la misma operación pese al símbolo −1.

Si f y h son biyectivas entre conjuntos compatibles, (f∘h)⁻¹=h⁻¹∘f⁻¹.

Primero deshacemos la operación exterior. No se distribuye una inversa sobre una suma de funciones.

Comparar dos operaciones distintas

Para f(x)=3x, hallar inversa y recíproco.

  1. Inversa

    f⁻¹(y)=y/3 para todo real.
  2. Recíproco

    1/f(x)=1/(3x), definido solo si x≠0.
  3. Sentido

    f⁻¹(f(x))=x; f(x)·1/f(x)=1 donde se permite.
Resultado

Recuperar una entrada no es producir el número uno.

Lo comprobamos

En x=0 la inversa sigue definida; el recíproco no.

El orden se invierte

h(x)=x+2 y f(x)=3x.

  1. Ida

    f(h(x))=3(x+2).
  2. Vuelta

    Primero dividir entre tres y después restar dos.

  3. Regla

    (f∘h)⁻¹(y)=y/3−2=h⁻¹(f⁻¹(y)).
Resultado

Restar dos antes de dividir daría otra regla.

Lo comprobamos

Aplicarla a 3(x+2) devuelve x.

8. Existir no exige tener una fórmula elemental ni una derivada finita

Una función continua y estrictamente monótona en un intervalo tiene inversa continua en su imagen. Puede existir aunque no sepamos despejarla con funciones elementales.

Si f es derivable en x₀ y f′(x₀)≠0 bajo esas condiciones, la derivada inversa en y₀=f(x₀) es 1/f′(x₀). El cociente incremental de la inversa es el recíproco del de f cuando las entradas correspondientes tienden a x₀. La continuidad inversa permite ese paso al límite.

Una pendiente se invierte

f(x)=4x−1.

  1. Derivada

    f′=4, no se anula.
  2. Regla inversa

    g(y)=(y+1)/4.
  3. Derivada inversa

    g′=1/4, recíproco de cuatro.
Resultado

El punto de evaluación debe corresponder por f.

Lo comprobamos

En una función no lineal se evalúa f′ en f⁻¹(y), no automáticamente en y.

La inversa puede existir donde falla una derivada finita

f(x)=x³ en ℝ.

  1. Existencia

    Es continua, estrictamente creciente y cubre ℝ.

  2. Inversa

    g(y)=∛y.
  3. En cero

    f′(0)=0; g tiene cociente g(h)/h=1/(∛h)² para h≠0, sin límite finito al tender h a cero.

Resultado

La hipótesis f′≠0 no es decorativa.

Lo comprobamos

Que no haya derivada finita allí no impide que g exista y sea continua.

9. La raíz de un cuadrado exige usar el signo de la rama en ambas composiciones

Para la rama izquierda f:(−∞,1]→[2,∞), la fórmula h(y)=1−√(y−2) se comprueba en dos sentidos.

Al componer h con f aparece √((x−1)²)=|x−1|, no x−1 sin más.
Como x≤1, |x−1|=1−x y h(f(x))=1−(1−x)=x.
En el otro sentido f(h(y))=(−√(y−2))²+2=y para y≥2.

Estos dominios completan el argumento.

Comprobar una salida concreta de la rama izquierda

Usar y=6.

  1. Vuelta

    h(6)=1−√4=−1.
  2. Entrada válida

    −1≤1: pertenece a la rama elegida.
  3. Ida

    f(−1)=(−2)²+2=6.
Resultado

La candidata positiva tres también daría seis, pero está fuera de esta rama.

Lo comprobamos

La restricción decide cuál regresa de forma única.

Al renombrar no se intercambian otra vez las restricciones

Escribir h(y)=1−√(y−2) con entrada llamada x.

  1. Nueva escritura

    h(x)=1−√(x−2).
  2. Dominio

    Sigue siendo la antigua imagen: x≥2.
  3. Recorrido

    Sigue siendo el antiguo dominio: h(x)≤1.
Resultado

Solo cambió el nombre de la entrada.

Lo comprobamos

No se impone x≤1 al argumento de la raíz por confundirlo con la salida.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una recta invertible

Invierte f:R→R, f(x)=3x−2.

  1. Conjuntos

    f:ℝ→ℝ, pendiente 3 no nula: es biyectiva.
  2. Salida

    y=3x−2.
  3. Despejar

    y+2=3x: x=(y+2)/3.
  4. Inversa

    f⁻¹(y)=(y+2)/3, o f⁻¹(x)=(x+2)/3 al renombrar.
  5. Una composición

    f⁻¹(f(x))=((3x−2)+2)/3=x.
  6. La otra

    f(f⁻¹(y))=3((y+2)/3)−2=y.
Resultado

f⁻¹(x)=(x+2)/3.

Lo comprobamos

3((x+2)/3)−2=x.

EJEMPLO RESUELTO 2

Escoger una rama

Invierte f:[2,∞)→[1,∞), f(x)=(x−2)²+1.

  1. Datos

    Dominio [2,∞), imagen [1,∞).

  2. Despejar

    y−1=(x−2)².
  3. Rama

    Como x≥2, x−2=√(y−1).
  4. Fórmula

    f⁻¹(y)=2+√(y−1), y≥1.
  5. Una composición

    f(2+√(y−1))=y.
  6. La otra

    2+√((x−2)²)=2+|x−2|=x para x≥2; su salida permanece en la rama.
Resultado

f⁻¹(x)=2+√(x−1), x≥1.

Lo comprobamos

La raíz devuelve siempre una salida ≥2.

Los símbolos que hemos usado

f:D→C
Función original, con dominio D y codominio C.
Inyectiva
Entradas distintas de D producen salidas distintas.
Sobreyectiva
Cada elemento de C es salida de alguna entrada de D.
Biyectiva
Función a la vez inyectiva y sobreyectiva.
f⁻¹
Función inversa, que intercambia entrada y salida.
idD
Identidad en D: devuelve cada entrada sin cambiarla.
f∘g
Composición que aplica primero g y después f.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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