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Matemáticas Financieras: Tasas Equivalentes

Por Erick de la Rosa

Introducción

En este apartado se abordará el tema de tasas equivalentes, el cual nos proporciona de una herramienta bastante útil, ya que nos permites poder obtener cualquier combinación posible de una tasas de interés efectiva a una nominal o a una instantánea. En pocas palabras, cualquier combinación posible

Definición de Tasa Equivalente

Una tasa equivalente es aquella que genera la misma cantidad de dinero, en el mismo tiempo, dicho con otras palabras, producen el mismo efecto de acumulación, después de un tiempo determinado, sin importar la periodicidad de pago, es decir, no importa que la periodicidad de pago no sea la misma.

Reglas de aplicación

Para poder aplicar éste concepto se hará sus de la triple igualdad, y en la siguiente imagen se muestra una descripción de todas las combinaciones posibles que se pueden realizar:

Elaboración propia, basado en Fundamentos de Matemáticas Financieras, fundamentos y aplicaciones, Cánovas T. Ed. Trillas, pag. 84.

Para poder obtener tasa equivalentes hay que hacer uso del modelo de la triple igualdad

Debe cumplir que con una misma cantidad de dinero, se debe obtener el mismo monto acumulado, una vez transcurrido en el mismo tiempo, sin importar que la periodicidad de la tasa sea diferente.

Ejercicios resueltos

Ejercicio. Calcule la tasa efectiva mensual que sea equivalente a una tasa del 18% efectiva anual.

Solución

Lo que se necesita es obtener una tasa efectiva que sea equivalente a otra efectiva, con distinta periodicidad. Para hacerlo se realiza lo siguiente:

Se toma como capital inicial la cantidad de un peso, el cual lo vamos a acumular por un mes a una tasa $i$ mensual, lo cual se traduce en la siguiente expresión:

$$M=1(1+i)=(1+i)$$

Como la tasa que que nos dan es efectiva anual, y buscamos la tasa equivalente efectiva mensual que produzca el mismo monto durante un mes. Como la tasa que nos dan es anual, entonces $t$ debería ser medida en años, y se sabe que un año está formado por 12 meses, de tal forma que la variable $t=\frac{1}{12}$. Entonces tenemos la siguiente ecuación:

$$M=(1+0.18)^{\frac{1}{12}}=1.013888$$

Ahora se iguala ambas expresiones para encontrar la tasa equivalente que se quiere obtener.

$$(1+i)=1.01388$$

de dicha expresión se despeja $i$ y se obtiene:

$$i=1-1.013888=0.013888$$

Por lo tanto la tasa equivalente es del 1.1888%, la cual es la tasa efectiva mensual equivalente a 18% efectiva anual.

Comprobando la definición de tasa equivalente, se calculara el monto que producen ambas tasas con un capital de \$200 en un tiempo de 18 meses.

Primero se calcula con la tasa efectiva anual del 18%

$$200(1+0.18)^{1.5}=256.3615$$

Ahora se calcula con la tasa equivalente encontrada:

$$200(1+0.13888)^{18}=256.3615$$

Lo cual comprueba que se generan los mismos montos, por lo tanto las tasas son equivalentes.

Ejercicio. Calcule la tasa nominal pagadera 4 veces al año, es decir trimestral, equivalente a una tasa efectiva anual, del 15%

Solución

Aplicamos el mismo procedimiento:

Usando la triple igualdad se tiene:

$$M=K(1+i)^t=K\left(1+\frac{i^{(m)}}{m}\right)^{mt}$$

Luego:

$$M=1\left(1+\frac{i^{(4)}}{4}\right)^4=\left(1+\frac{i^{(4)}}{4}\right)^4$$

El monto acumulado es del 1.15% anual

$$M=(1+.15)=1.15$$

Luego, igualar ambas ecuaciones se tiene:

$$\left(1+\frac{i^{(4)}}{4}\right)^4=1.15$$

Despejamos $i^{4}

$$\left(1+\frac{i^{(4)}}{4}\right)^{\frac{4}{4}}=(1.15)^{\frac{1}{4}}$$

$$i^{4}=4((1.15)^{0.25}-1)=4(1.03555-1)=0.035558=0.142232$$

Por lo tanto, la tasa equivalente que se busca es: 14.2232%

Más adelante…

Se continuará abordando, temas de aplicación y combinación de herramientas como la que se vio en éste tema, para una mejor comprensión de la relevancia que van adquiriendo cada uno de los conceptos abordados.

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22. Material en revisión: Ejemplo de otra función que no tiene límite en un punto.

Por Mariana Perez

Sea $f : \mathbb{R}^2 \longrightarrow \mathbb{R}$

$$f(x, y) = \dfrac{2xy}{x^2+y^2}$$

* ¿Cuál es la gráfica de $f$?

* ¿Cuáles son los puntos de discontinuidad?

Cortes con el plano $x = x_0$ constante.

$z = f(x_0, y) = \dfrac{2x_0 y}{x_0^2+y^2}$

Por ejemplo, si $x_0 = 1$

$f(1, y) = \dfrac{2y}{1 + y^2}$

si $x_0 = 2$

$f(2, y) = \dfrac{4y}{4 + y^2}$

si $x_0 = \dfrac{1}{2}$

$f(\frac{1}{2}, y) = \dfrac{y}{\frac{1}{4} + y^2}$

CASO ESPECIAL $x = x_0 = 0$

$$z = f(0, y) = \dfrac{2(0)y}{0+y^2}$$

$z = 0$

https://www.geogebra.org/classic/r5c2eu76

Curvas de nivel

$f(x, y)=c $ con $ c \neq 0$

$\dfrac{2xy}{x^2+y^2} = c $

$2xy = c (x^2+y^2)$

$\dfrac{2}{c}xy = x^2+y^2$

$y^2 \, – \, \dfrac{2}{c}xy + x^2 = 0$

Calculamos los valores de $y$.

$$y = \dfrac{\frac{2}{c}x \pm \sqrt{\frac{4}{c^2}x^2 \, – \, 4x^2}}{2}$$

$$y = \dfrac{\frac{2}{c}x \pm \sqrt{\frac{4x^2}{c^2}(1-c^2)}}{2}$$

Simplificando obtenemos que:

$$y = \dfrac{x}{c} \pm \dfrac{x}{c} \sqrt{(1-c^2)}$$

Son dos rectas y solo hay curvas para el intervalo $c=[-1, 1].$

En el siguiente enlace puedes observar vistas simultáneas de las curvas de nivel y la gráfica de la función.

https://www.geogebra.org/classic/u8kxbxq5

20. Material de prueba: Curvas de nivel de la función $f(x,y) = \frac{y}{x}$

Por Mariana Perez

Para cada constante $c \in \mathbb{R}$, el conjunto de nivel $c$ es $\Big\{ (x, y) \in \mathbb{R}^2 \, | f(x, y) = c \Big\} = f^{-1}(c)$.

$c= 0$

$f(x, y)=0$ lo cumplen los puntos de la forma $(0, y)$ con $y \in \mathbb{R}$ y los puntos de la forma $(x, 0)$ con $x \in \mathbb{R}$.

$c=1$

$f(x, y)=1$ se cumple cuando $\dfrac{y}{x}=1$ es decir cuando $y=x$ pero $x \neq 0$.

$c=2$

$f(x, y)=2$ se cumple cuando $\dfrac{y}{x} = 2$ es decir cuando $y=2x$ pero $x \neq 0$.

$c=\frac{1}{2}$

$f(x, y)=\frac{1}{2}$ se cumple cuando $\dfrac{y}{x} = \frac{1}{2}$ es decir cuando $y=\frac{1}{2}x$ pero $x \neq 0$.

$c= -1$

$f(x, y)=-1$ se cumple cuando $\dfrac{y}{x}=-1$ es decir cuando $y= -x$ pero $x \neq 0$.

Sabemos que la ecuación de una recta está dada por $y=mx+b$ de donde $m=\dfrac{y}{x}$ entonces podemos observar que el plano se llena con rectas de diferentes pendientes, incluso la recta vertical, que es cuando $c=0$.

Por lo que podemos concluir que los puntos donde $f$ es discontinua son los de la forma $(0, y_0)$ que son los que forman la recta $x=0$ y el eje $y$.

En la siguiente animación puedes observar las curvas de nivel que se calcularon.

https://www.geogebra.org/classic/tgfk7smx

30. Material en revisión: Ejercicio (viernes 30 de agosto)

Por Mariana Perez

Probar que $\| \; \| : \mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{R}$ es una función continua.

Demostración:

Sea $\vec{x_0} \in \mathbb{R}^n.$

$\big[$ por demostrar: $f(\vec{x}) = \big\| \vec{x} \big\|$ es continua en $\vec{x_0}$.$\big]$

Sea $\epsilon > 0$

$\big[$ por demostrar: existe $\delta > 0 $ tal que $\big\| \vec{x} \, – \, \vec{x_0} \big\| < \delta \Rightarrow \big| f(\vec{x}) \, – \, f(\vec{x_0}) \big| < \epsilon $ $\big]$

¿Cuál es la $\delta$ que sirve? Proponemos $\delta = \epsilon.$

Antes de continuar, probamos el siguiente lema.

Lema: Sean $\vec{x}, \vec{y} \in \mathbb{R}^n$ se cumple que $\big| \big\| \vec{x} \big\| \, – \, \big\| \vec{y} \big\| \big| \leq \big\| \vec{x} \, – \, \vec{y} \big\|$

Demostración:

$\big\| \vec{x} \big\| = \big\|\vec{x} \, + \, \vec{y} \, – \, \vec{y} \big\| \leq \big\| \vec{x} \, – \, \vec{y} \big\| + \big\| \vec{y} \big\|$

$\big\| \vec{x} \big\|\, – \, \big\| \vec{y} \big\| \leq \big\| \vec{x} \, -\, \vec{y} \big\|$

Análogamente $\big\| \vec{y}\big\| \, – \, \big\| \vec{x} \big\| \leq \big\| \vec{y} \, – \, \vec{x} \big\| \leq \big\| \vec{x} \, – \, \vec{y} \big\|$ $_{\blacksquare}$

Continuando con la demostración:

Si $\big\| \vec{x} \, – \, \vec{x_0} \big\| < \delta $ entonces $\big| f(\vec{x}) \, – \, f(\vec{x_0}) \big| = \big| \big\| \vec{x} \, – \, \vec{x_0} \big\| \big| \leq \big\| \vec{x} \, – \, \vec{x_0} \big\| < \epsilon$ $_{\blacksquare}$

Ejercicio

Sea $f : \mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{R}^m$ continua con la definición topolígica.

Sea $\vec{x_0} \in \mathbb{R}^n$

$\big[$ por demostrar: $f$ es continua en $\vec{x_0}.$ $\big]$

Sea $ \epsilon > 0.$

$\big[$ por demostrar: existe $\delta > 0$ tal que $\vec{x} \in B_{\delta}(\vec{x_0}) \Rightarrow f(\vec{x}) \in B_{\epsilon}.$ $\big]$

Consideremos $\mathcal{V} = B_{\epsilon}\big( f(\vec{x_0}) \big) \subseteq \mathbb{R}^m$ abierto.

Por hipótesis, $f^{-1}\big( \mathcal{V} \big) \subseteq \mathbb{R}^n$ es abierto entonces, todos sus puntos son puntos interiores, en particular $\vec{x_0} \in f^{-1} \big( \mathcal{V} \big) $ es punto interior,

Existe $ B_{\delta} \big( \vec{x_0} \big) \subseteq f^{-1} \big( \mathcal{V} \big) .$

$\mathcal{V} = B_{\epsilon} \big( f(\vec{x_0} \big)$

$f^{-1}\big( \mathcal{V} \big) \subseteq A $ es un abierto relativo.

Definición: Sea $f : A\subseteq \mathbb{R}^n \longrightarrow \mathbb{R}^m.$

$f $ es continua en $A$ si y sólo si, para todo conjunto abierto $ \mathcal{V} \subseteq \mathbb{R}^m $, existe un conjunto abierto $ U \subseteq \mathbb{R}^n $ tal que $f^{-1} \big( \mathcal{V} \big) = A \cap U.$

El conjunto $f^{-1} \big( \mathcal{V} \big)$ es un abierto relativo de $A.$

$f^{-1} \big( \mathcal{V} \big) = A \cap U $ para algún abierto $ U \subseteq \mathbb{R}^n.$

Entonces, $B_{\delta}(\vec{x_0}) \cap A $ es una «vecindad relativa» de $\vec{x_0}$ y además $B_{\delta}(\vec{x_0}) \cap A \subseteq f^{-1} \big( \mathcal{V} \big) .$

Entonces, $B_{\delta}(\vec{x_0}) \cap A \Longrightarrow f(\vec{x_0}) \in B_{\epsilon}\big( f(\vec{x_0}) \big).$ $_{\blacksquare}$

31. Material de prueba: Funciones continuas llevan compactos en compactos

Por Mariana Perez

Proposición: Toda sucesión acotada en $\mathbb{R}^N$ tiene alguna subsucesión convergente.

Demostración:

Sea $\big\{ \vec{x}_n \big\}_{n \in \mathbb{N}}$ una sucesión acotada en $\mathbb{R}^N$.

La imagen de la sucesión está contenida en una caja rectangular cerrada suficientemente grande.

Podemos dividir en dos cada lado de la caja y obtener un número finito de subcajas.

En al menos una de las subcajas está una infinidad de términos de la sucesión.

Podemos construir una «sucesión de cajas» anidadas $$C_1 \supseteq C_2 \supseteq \dots $$

Todos los lados tiende a «cero» en cuanto a su longitud, y siempre elijo la que contiene una infinidad de puntos.

La intersección de otra infinidad de cajas consiste de un punto $\vec{L} \in \mathbb{R}^n.$

La sucesión del teorema se obtiene eligiendo un término de la sucesión original en cada término de la sucesión de cajas $\big\{ \vec{x}_{n_k} \big\}_{k \in \mathbb{N}} \Longrightarrow \vec{L}.$ $_{\blacksquare}$

Proposición: La imagen de un compacto bajo una función continua es un conjunto compacto.

Demostración:

Sea $f: A \subseteq \mathbb{R}^n \Longrightarrow \mathbb{R}^m$ continua en $A.$

Sea $B \subseteq A$ compacto.

$\big[$ por demostrar: $f(B)$ es compacto.$\big]$

Recordemos que $f(B) = \big\{ f(\vec{x}) \in \mathbb{R}^m \big| \vec{x} \in B \big\}$

Basta demostrar que $f(B)$ es cerrado y acotado.

1.$f(B)$ es acotado.

Supongamos que $f(B)$ no fuera acotado.

Para toda $M > 0$, existe algún $\vec{y} \in f(B)$ donde $\vec{y} = f(\vec{x}) , \; \vec{x} \in B$ tal que $\big\| \vec{y} \big\| > M$

Tomemos $M = n \in \mathbb{N}$ entonces $\vec{y} = \vec{y}_n = f(\vec{x}_n)$ para algún $\vec{x}_n \in B$

Tenemos una sucesión $\big\{ \vec{x}_n \big\}_{n \in \mathbb{N}} \subseteq B$ pero $B$ está acotada entonces, $\big\{ \vec{x}_n \big\}_{n \in \mathbb{N}}$ es acotada entonces, tiene una subsucesión convergente. $$\big\{ \vec{x}_n \big\}_{n \in \mathbb{N}} \longrightarrow \vec{L} \in B$$, con $B$ cerrado.

Pero $f$ es continua entonces, $\big\{ f(\vec{x}_{n_k})\big\}_{k \in \mathbb{N}} \longrightarrow f(\vec{L})$ $$\big\| f(\vec{x}_{n_k}) \big\| \longrightarrow \big\| f(\vec{L}) \big\| \in \mathbb{R}$$ fijo, finito. (CONTRADICCIÓN)

Por lo tanto $f(B)$ es acotada.

2.$f(B)$ es cerrado.

Basta demostrar que si $\vec{y}$ es punto de acumulación de $f(B)$ entonces, $\vec{y} \in f(B)$, es decir, existe $\vec{x} \in B$ tal que $\vec{y}= f(\vec{x})$

Para cada $N$ consideramos la $B_{\frac{1}{n}} (\vec{y}).$

Entonces, existe $\vec{y}_n \in f(B)$ tal que $\vec{y}_n \in B_{\frac{1}{n}}(\vec{y})$

Como $\vec{y}_n \in f(B) \Longrightarrow \exists \, \vec{x}_n \in B$ tal que $\vec{y}_n = f(\vec{x}_n)$ entonces $\vec{y}_n \in f(B).$

Formamos una sucesión acotada $\big\{ \vec{x}_n \big\}_{n \in \mathbb{N}}$ que tiene una subsucesión convergente.

$\big\{ \vec{x}_{n_k} \big\}_{k \in \mathbb{N}} \longrightarrow \vec{L} \in B$ porque $B$ es cerrado.

Como $f$ es continua $\big\{ f(\vec{x}_{n_k}) \big\}_{k \in \mathbb{N}} \longrightarrow f(\vec{L}) = \vec{y}$

Existe $\vec{x} = \vec{L} \in B $ tal que $ \vec{y} = f(\vec{x})$ $_{\blacksquare}$

Corolario: Si $f : K \subseteq \mathbb{R}^n \longrightarrow \mathbb{R}$ es continua, y $K$ es compacto entonces, $f$ alcanza un valor máximo y un valor mínimo en $K.$

Demostración:

Sea $f(K)$ compacto $\subseteq \mathbb{R} $, acotado y no vacío.

Existe el supremo, el ínfimo, y $f(K)$ es cerrado.

Sea $a = ínf \, f(K) \Rightarrow a \in f(K) \Rightarrow \exists \, \alpha \in K $ tal que $ f(\alpha) = a .$

$b = sup \, f(K) \Rightarrow b \in f(K) \Rightarrow \exists \, \beta \in K $ tal que $ f(\beta) = b .$

Luego, $a = f(\alpha) \leq f(\vec{x}) \leq f(\beta) = b$ , $\forall \, \vec{x} \in K.$ $_{\blacksquare}$