🧮 Computational Mathematics

Inicio · Parte 02 — Álgebra y funciones

050 — Exponentes algebraicos

basico clase 10 de 20 4 horas demostración algebraic_exponents

Los exponentes fraccionarios extienden las leyes de potencias y definen las raíces.

Fórmulas

a^(m/n) = ⁿ√(aᵐ)
a^(1/3) · a^(2/3) = a
dominio de a^(1/2): a ≥ 0 en ℝ

Desarrollo

La extensión de los exponentes a números fraccionarios sigue el mismo principio que la clase 008 aplicó a los negativos: se elige la definición que conserva las leyes. Si a^(1/n) debe cumplir (a^(1/n))ⁿ = a^(n/n) = a, entonces a^(1/n) es la raíz n-ésima. La notación de exponente no es una alternativa a la de radical: es la que permite operar sin casos especiales.

Con esa definición, el álgebra funciona: a^(1/3) · a^(2/3) = a^(1/3+2/3) = a¹ = a. El laboratorio comprueba precisamente esa identidad, y en punto flotante se cumple solo dentro de una tolerancia, porque cada potencia fraccionaria introduce redondeo.

El dominio sigue las reglas de la clase 009: con denominador par, la base debe ser no negativa en los reales. Y hay una trampa de implementación que conviene conocer: (-8) (1/3) en Python devuelve un complejo o nan según el tipo, porque 1/3 es un float que no es exactamente un tercio. Para raíces cúbicas de negativos hay que calcular -(8 (1/3)) explícitamente, como hace el motor.

Extender aún más —a exponentes reales arbitrarios— exige definir a^x = e^(x ln a), que es la ruta que toma el análisis y la que usa la implementación de pow. Ese es el puente hacia las funciones exponencial y logarítmica de las clases 055 y 056.

Ejemplo trabajado

Exponentes fraccionarios con base 8.

8^(1/3)  = 2.0            (raíz cúbica)
8^(2/3)  = 4.0            (raíz cúbica al cuadrado)
8^(−1)   = 0.125
8^(−1/3) = 0.5

Ley del producto:
  8^(1/3) · 8^(2/3) = 2.0 · 4.0 = 8.0 = 8¹   ✓

Dominio:
  (−8)^(1/3) en ℝ  →  −2   (raíz impar, existe)
  (−8)^(1/2) en ℝ  →  no existe
  En Python: (-8) ** (1/3) NO devuelve −2; hay que escribir −(8 ** (1/3))

Qué calcula el laboratorio

Exponentes negativos, fraccionarios y su dominio.

python classes/part-02-algebra-y-funciones/050-exponentes-algebraicos/lab.py
compmath run 050

Salidas del laboratorio (7)

Muestra de la ejecución real

{
  "x^(1/3)": 2.0,
  "x^(2/3)": 3.9999999999999996,
  "x^(-1)": 0.125,
  "x^(-1/3)": 0.5,
  "producto_x^(1/3)*x^(2/3)": 7.999999999999999,
  "es_x": true
}

Errores comunes

Dónde se usa

Normas Lp con p no entero (clase 104), transformaciones de potencia en estadística (Box-Cox) y escalado de leyes de potencia en las leyes de escala (clase 359).

Idea rectora de la parte

Componer funciones es la operación que después llamaremos «capa» en una red neuronal.

Error a evitar

Dividir por una expresión que puede anularse y perder soluciones.

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