Asíntota

En cálculo integral, se le llama asíntota de la gráfica de una función a una recta a la que se aproxima continuamente la gráfica de tal función;^[1]​ es decir que la distancia entre las dos tiende a ser cero (0), a medida que se extienden indefinidamente.
O que ambas presentan un comportamiento asintótico. Generalmente, las funciones racionales tienen comportamiento asintótico.

Gráfica de dos hipérbolas y sus asíntotas en el plano cartesiano.

Tratado sobre cónicas, s. XVIII

Historia y significado

La palabra asíntota deriva del griego: ἀσύμπτωτος asýmptōtos, «aquello que no cae»; en donde a- posee un valor privativo (= no), mientras que sym-ptōtos connota a aquello que «cae» o «cae junto (a algo)». Se suele dar la definición de asíntota a una curva que «no se encuentran nunca».^[2]​ Esta interpretación intuitiva está plasmada por Apolonio de Perga, en su conocido tratado Sobre las secciones cónicas, para referirse a una recta que no interseca a una rama de una hipérbola.^[3]​

En geometría, el comportamiento asintótico se refiere a una eventual propiedad entre curvas, y más precisamente, entre funciones o partes de funciones: segmentos de recta, hojas de hipérbola o de parábola, etc. Es en este sentido que se habla de «recta asintótica» como tangente al infinito de una rama parabólica, o bien de curvas asintóticas.

Su estudio más profundo desborda el mero campo de aplicación de la geometría elemental y el trazado de curvas planas; con el desarrollo del álgebra y del cálculo infinitesimal, las nociones intuitivas «tiende a infinito» y «tiende a cero» se formalizan con el concepto de límite matemático, y con ello también el cálculo de asíntotas.

Gráfica de asíntotas

Véase también: Gráfica de una función

Ayudan a la representación de curvas, proporcionan un soporte estructural e indican su comportamiento a largo plazo. En tanto que líneas rectas, la ecuación de una asíntota es simplemente la de una recta, y su expresión analítica dependerá de la elección del sistema de referencias (y = m•x + b en coordenadas cartesianas).

Si bien suelen representarse en un mismo sistema de coordenadas, las asíntotas no forman parte de la expresión analítica de la función, por lo que -en numerosos ejemplos- no están incluidas explícitamente dentro de la gráfica, o bien se las indica con una línea punteada.
En muchos casos, las asíntotas coinciden con los ejes de coordenadas, es decir que sus ecuaciones en coordenadas cartesianas serán: x = 0, y = 0.

Se distinguen tres tipos:

• Asíntotas verticales: rectas perpendiculares al eje de las abscisas, de ecuación x = constante.
• Asíntotas horizontales: rectas perpendiculares al eje de las ordenadas, de ecuación y = constante.
• Asíntotas oblicuas: si no son paralelas o perpendiculares a los ejes, de ecuación y = m•x + b.

 

Las ramas de la función tienen asíntotas.

 

Los ejes son las asíntotas.

 

Las ramas de la función tienen asíntotas.

 

Comportamiento asintótico entre una curva y una recta.

Determinación analítica de asíntotas

En análisis, cálculo y geometría analítica, el comportamiento de funciones no triviales en las cercanías de puntos de «indefinición» (tales como la división por cero o las formas indeterminadas) aporta información valiosa sobre su gráfica, y en este contexto las asíntotas surgen naturalmente como «soluciones» (o direcciones) en estos puntos. En este sentido, una función puede tener una «asíntota por la derecha» pero no por la izquierda (o viceversa); o bien una recta puede intersecar a una curva en un número finito (o infinito) de puntos, y presentar de todos modos un comportamiento asintótico.

Cálculo de asíntotas por medio de límites

Véase también: Límite matemático

Asíntota vertical Se llama Asíntota Vertical de una rama de una curva y = f(x), a la recta paralela al eje y que hace que la rama de dicha función tienda a infinito. Si existe alguno de estos dos límites: ${\displaystyle \lim _{x\to a^{-}}f(x)=\pm \infty }$  ${\displaystyle \lim _{x\to a^{+}}f(x)=\pm \infty }$  a la recta x = a se la denomina asíntota vertical. Ejemplos: logaritmo neperiano, tangente

Asíntota horizontal Se llama Asíntota Horizontal de una rama de una curva y = f(x) a la recta paralela al eje x que hace que la rama de dicha función tienda a infinito. Si existe el límite: ${\displaystyle \lim _{x\to \pm \infty }f(x)=a}$ , siendo a un valor finito la recta y = a es una asíntota horizontal. Ejemplos: función exponencial, tangente hiperbólica

Asíntota oblicua^[4]​ La recta de ecuación y = mx + b (m ≠ 0) será una asíntota oblicua si: ${\displaystyle \lim _{x\to \pm \infty }[f(x)-(mx+b)]=0}$ . Los valores de m y de b se calculan con las fórmulas: ${\displaystyle m=\lim _{x\to \pm \infty }{f(x) \over x}}$ ; ${\displaystyle b=\lim _{x\to \pm \infty }{f(x)-mx}}$ .

Asíntotas de funciones racionales

Véase también: Función racional

En la representación gráfica de una función racional juegan un papel esencial, cuando existen, las asíntotas. Si bien es posible aplicar el método por límites descrito anteriormente, en el caso de funciones racionales, suelen utilizarse técnicas algorítmicas que no precisan del análisis matemático.
Una función racional puede tener más de una asíntota vertical, pero solo una que sea horizontal u oblicua (es decir que si tiene asíntota horizontal entonces no puede tener asíntota oblicua, y viceversa).

• El dominio de la función determina las asíntotas verticales.
• La división de polinomios proporciona las asíntotas horizontales u oblicuas.

Para mayor claridad, sea:

${\displaystyle {\frac {A(x)}{B(x)}}={\frac {a_{m}x^{m}+a_{m-1}x^{m-1}+...+a_{1}x+a_{0}}{b_{n}x^{n}+b_{n-1}x^{n-1}+...+b_{1}x+b_{0}}}}$ 

Si ${\displaystyle m<n\,}$ , hay una asíntota horizontal de ecuación: y = 0.
Si ${\displaystyle m=n\,}$ , hay una asíntota horizontal de ecuación: y = a_m/b_n (el cociente de los coeficientes principales).
Si ${\displaystyle m>n\,}$ , no hay asíntota horizontal; si el grado del numerador es exactamente uno más que el denominador, hay una asíntota oblicua, y su ecuación viene dada por el cociente de la división de los polinomios.

Las asíntotas verticales se dan en los valores que anulan el denominador pero no el numerador. Si hay una raíz en común, se compara la multiplicidad de las raíces.
Ejemplos:

1. La función homográfica ${\displaystyle f(x)={\frac {ax+b}{cx+d}}}$  tiene dos asíntotas, ${\displaystyle x_{v}={\frac {-d}{c}}}$ y ${\displaystyle y_{v}={\frac {a}{c}}}$ 
2. En el caso particular ${\displaystyle y={\frac {1}{x}}}$  las asíntotas son los propios ejes cartesianos.

 

Función racional con Asíntota Oblicua y dos Asíntotas Verticales

 

${\displaystyle y={\frac {1}{x}}}$ 

 

Función racional con Asíntota Horizontal y dos Asíntotas Verticales

Ejemplos

Las más variadas funciones evidencian del comportamiento asintótico: desde el simple gráfico de una curva plana en dos dimensiones, hasta superficies tridimensionales más complejas; tanto en funciones algebraicas (polinómicas, racionales) como trascendentes (trigonométricas, logarítmicas, exponenciales), ya sea en coordenadas cartesianas, polares, etc.
Las asíntotas actúan como curvas guía para graficar otras curvas, o funciones.

Funciones trascendentes

 

tan(x)
Asíntotas verticales cada π.

 

ln(x)
Asíntota vertical hacia abajo.

 

exp(x)
Asíntota horizontal a la izquierda.

Curvas polares

 

Espiral inversa de Arquímedes

${\displaystyle r\theta =a\ }$ 

Asíntota en ${\displaystyle y=a\ }$ .

 

Curva kappa

 

Folium de Descartes
${\displaystyle r(\theta )={\frac {3a\sin \theta \cos \theta }{\sin ^{3}\theta +\cos ^{3}\theta }}}$ 

Asíntota en ${\displaystyle x+y+a=0\ }$ .

Curvas asintóticas

 

Tridente de Newton:
${\displaystyle xy=ax^{3}+bx^{2}+cx+d\,}$ .

Asíntotas: la parábola de ecuación ${\displaystyle \,y=ax^{2}+bx+c}$ ,
y la hipérbola de ecuación ${\displaystyle y={\frac {d}{x}}}$ 

 

Función: ${\displaystyle y={\frac {x^{3}+2x^{2}+3x+4}{x}}}$ ,

Asíntota curvilínea: ${\displaystyle y=x^{2}+2x+3\ }$ 

Superficies y estructuras

Trompeta de Torricelli
La superficie es asintótica a una recta que pase por su centro.

 

 

En este ejemplo, obtenida al rotar la curva y=1/x sobre el eje x.

 

Hiperboloide

 

Asíntotas
La estrecha relación entre asíntotas e hipérbolas se prolonga, en tres dimensiones, a los hiperboloides, aproximándose a un cono asintótico.[1]

 

En tanto que soportes rectos, las líneas asintóticas proveen estabilidad, como se aprecia en las estructuras hiperboloides

Véase también

• Sección cónica
• Infinito
• División por cero
• Derivada
• Clasificación de discontinuidades
• Análisis de algoritmos
• Análisis asintótico

Notas y referencias

1. Maynard Kong: "Cálculo diferencial" ISBN 9972-42-194-5
2. Real Academia Española. «asíntota». Diccionario de la lengua española (23.ª edición). 
3. Al igual que en el caso de las cónicas, es posible que fuera Apolonio el primero en utilizar la palabra Asíntota.
4. Llopis, José L. «Asíntotas de funciones». Matesfacil. ISSN 2659-8442. Consultado el 10 de diciembre de 2019. 

Bibliografía

• José Manuel Casteleiro Villalba (2006). Introducción al análisis matemático I. ESIC. 
• Miguel Alamar Penadés, et al (2005). Matemáticas básicas. Univ. Politéc. Valencia. 
• Álvaro Pinzón Escamilla (1977). Cálculo I: diferencial. Universidad Nac. del Litoral. 
• Carlos Daniel Prado Perez (2006). Precálculo. Pearson Educación. 
• Pedro Pérez Carreras (1989). Cálculo infinitesimal. Universidad Politécnica de Valencia. 
• Engler, Müller, Vrancken, Hecklein (2000). Funciones. Universidad Nacional del Litoral. 
• Kuptsov, L.P. (2001), «Asymptote», en Hazewinkel, Michiel, ed., Encyclopaedia of Mathematics (en inglés), Springer, ISBN 978-1556080104 .
• Frost, P. (1918). An elementary treatise on curve tracing (en inglés). 

Enlaces externos

•   Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Asíntota.
• Asymptote en PlanetMath.
• (en inglés). Archivado desde el original el 17 de mayo de 2013. Consultado el 9 de agosto de 2011. 
• Hyperboloid and Asymptotic Cone, string surface model, 1872 from the Science Museum

•   Datos: Q179436
•   Multimedia: Asymptotics / Q179436