🧮 Computational Mathematics

Inicio · Parte 02 — Álgebra y funciones

048 — Ecuaciones cuadráticas

basico clase 8 de 20 4 horas demostración quadratic_equation

El vértice de una parábola está en x = −b/2a y es el punto medio de las raíces.

Fórmulas

raíces: x = (−b ± √(b²−4ac)) / 2a
vértice: xᵥ = −b/2a,  yᵥ = a·xᵥ² + b·xᵥ + c

Desarrollo

La ecuación cuadrática es el primer caso en que la solución exige una fórmula y no solo despejar. Su deducción —completar el cuadrado— es instructiva porque es la misma técnica que aparece en la parte 06 al diagonalizar formas cuadráticas y en la parte 09 al normalizar la densidad de una gaussiana.

El vértice está en x = −b/2a, que es exactamente el punto medio entre las dos raíces. Eso no es coincidencia: la parábola es simétrica respecto a la recta vertical que pasa por su vértice, y las raíces son simétricas respecto a ella. De ahí que el vértice se pueda calcular sin conocer las raíces, y viceversa.

La forma de vértice, a(x − xᵥ)² + yᵥ, hace evidente lo que la forma estándar oculta: el signo de a decide si el vértice es mínimo o máximo, y yᵥ es el valor extremo. En optimización esto es el caso más simple posible de la condición de segundo orden que la parte 08 generaliza con el Hessiano.

La minimización de una cuadrática es el problema modelo de toda la parte 12: la función objetivo x² + 20y² que usan los optimizadores es una cuadrática multivariable, y su mínimo se conoce analíticamente, lo que permite medir cuánto se acerca cada algoritmo.

Ejemplo trabajado

Analizar 2x² − 8x + 6 = 0.

a = 2, b = −8, c = 6
discriminante = 64 − 48 = 16 > 0  → dos raíces reales

raíces: (8 ± 4)/4  →  r₁ = 3,  r₂ = 1

vértice: xᵥ = −(−8)/(2·2) = 2
         yᵥ = 2·4 − 8·2 + 6 = −2

Comprobación de simetría:
  punto medio de las raíces = (3 + 1)/2 = 2 = xᵥ   ✓

Como a = 2 > 0, la parábola abre hacia arriba y el vértice es un MÍNIMO.

Qué calcula el laboratorio

Resolver una cuadrática y contrastar con la forma de vértice.

python classes/part-02-algebra-y-funciones/048-ecuaciones-cuadraticas/lab.py
compmath run 048

Salidas del laboratorio (6)

Muestra de la ejecución real

{
  "ecuacion": "2x² - 8x + 6 = 0",
  "discriminante": 16.0,
  "raices": [
    3.0,
    1.0
  ],
  "vertice_x": 2.0,
  "vertice_y": -2.0,
  "vertice_es_punto_medio_de_raices": true
}

Errores comunes

Dónde se usa

Optimización cuadrática (clase 258), ajuste por mínimos cuadrados —cuyo objetivo es una cuadrática— y análisis de trayectorias parabólicas en física y videojuegos.

Idea rectora de la parte

El discriminante decide la naturaleza de las raíces antes de calcularlas.

Error a evitar

Aplicar log a valores no positivos sin declarar el dominio.

Conexión con IA

Una red neuronal es una composición de funciones parametrizadas. La sigmoide, la softmax y la log-verosimilitud son álgebra de exponenciales y logaritmos.

Bibliografía de la clase

Archivos de la clase