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1. NÚMEROS INTEIROS, RACIONAIS E REAIS 1.1. CONJUNTO DOS NÚMEROS NATURAIS (N) No dia-a-dia, utilizamo-nos de conceitos matemáticos sem mesmo perceber. Sempre que podemos contar as unidades de um conjunto de coisas, por exemplo, quando contamos o dinheiro que temos na carteira, ou o número de gols que o centroavante de nosso time marcou no último campeonato, ou ainda o número de votos que o Presidente Lula recebeu nas últimas eleições, obtemos como resposta um resultado que denomina-se número natural. Portanto, qualquer número que seja resultado ou conseqüência de uma contagem de unidades é denominado de número natural e é representado por N. Um subconjunto importante de N é o conjunto N*: Como podemos ver, o zero foi excluído do conjunto N. Podemos visualizar o conjunto dos números naturais ordenados sobre uma reta, como mostrado abaixo: Dentro do conjunto dos números naturais podemos afirmar que todas as operações envolvendo adição (+) e multiplicação (x) SEMPRE dará como resultado outro número natural. Já não podemos dizer o mesmo quanto às operações inversas da adição – a subtração ( — ), e da multiplicação – a divisão ( ÷ ), pois nem sempre podemos representar a diferença entre dois números naturais N = {0, 1, 2, 3, 4, 5,...} N* = {1, 2, 3, 4, 5,...} por outro número natural, o mesmo acontecendo com a divisão. Por exemplo, a diferença 5 – 8 ou a divisão 7 ÷ 5. Por este motivo, foi criado um novo conjunto numérico, chamado de números inteiros e indicado por Z, para se expressar o resultado de algumas subtrações. 1.2. CONJUNTO DOS NÚMEROS INTEIROS (Z) No nosso exemplo anterior vimos que dentro do conjunto dos números naturais a diferença 5 – 8 não podia ser representada por um número natural. Já no conjunto dos números inteiros esta diferença pode ser expressada, pois o resultado ( -3 ) é um número inteiro. O conjunto N é subconjunto de Z, ou seja, está contido em Z. Outros subconjuntos de Z: Z* = Z - {0} Z+ = conjunto dos inteiros não negativos = {0,1,2,3,4,5,...} Z_ = conjunto dos inteiros não positivos = {0,-1,-2,-3,-4,-5,...} Z = {..., -3, -2, -1, 0, 1, 2,...} 3,...} Observe que Z+= N. Podemos considerar os números inteiros ordenados sobre uma reta, conforme mostra o gráfico abaixo: Da mesma maneira que foi criado o conjunto dos números inteiros para que pudéssemos expressar o resultado de algumas subtrações ou diferenças numéricas, o mesmo ocorreu quanto à impossibilidade de expressar o resultado de uma divisão de dois números inteiros. Assim, foi criado o conjunto dos números racionais, que é indicado por Q. 1.3. CONJUNTO DOS NÚMEROS RACIONAIS (Q) Os números racionais são todos aqueles que podem ser colocados na forma de fração (com o numerador e denominador pertencentes ao conjunto dos números inteiros). Ou seja, o conjunto dos números racionais é a união do conjunto dos números inteiros com as frações positivas e negativas. b a Demonstrando: a) os números inteiros -6; 0; -9; 4 são números racionais, pois podem ser escritos como: 3 12 ; 2 18 ; 4 0 ; 1 6 b) uma decimal exata finita como 0,6 ou 4,8 também é considerada uma número racional, pois pode ser escrita em forma de fração: menterespectivae 5 24 5 3 Assim, podemos escrever: Onde podemos ler: “O conjunto dos números racionais ( Q ) é composto por todo e qualquer número (x) tal que (|) este número (x) seja resultado de uma divisão de um número inteiro (a Є Z), numerador (a), por outro número inteiro (a Є Z), denominador (b), desde que o denominador (b) seja diferente de zero.” É interessante considerar a representação decimal de um número racional , que se obtém dividindo a por b. racionais. números são exemplo,por , 9 2 ,4 , 5 3 ,9 , 7 3 6 :Então , - }0 e , com , |{ bZbZa b a xxQ Exemplos referentes às decimais exatas ou finitas: Exemplos referentes às decimais periódicas ou infinitas: Toda decimal exata ou periódica pode ser representada na forma de número racional. 1.4. CONJUNTO DOS NÚMEROS IRRACIONAIS (Q’) Os números irracionais são decimais infinitas não periódicas, ou seja, os números que não podem ser escritos na forma de fração (divisão de dois inteiros). Como exemplo de números irracionais, temos a raiz quadrada de 2 e a raiz quadrada de 3: Um número irracional bastante conhecido é o número =3,1415926535... (Pi) 1.5. CONJUNTO DOS NÚMEROS REAIS (R) Chama-se número real todo número racional ou irracional e representa- se por R 75,3 20 75 25,1 4 5 5,0 2 1 ...1666,1 6 7 ...428571428571,0 7 6 ...333,0 3 1 ...7320508,13 ...4142135,12 R = Q {irracionais} = {x|x é racional ou x é irracional} ATENÇÃO As relações entre os conjuntos numéricos apresentados podem ser resumidas pelo diagrama a seguir: Portanto, os números naturais, inteiros, racionais e irracionais são todos números REAIS. Como subconjuntos importantes de R temos: R* = IR - {0} R+ = conjunto dos números reais não negativos R_ = conjunto dos números reais não positivos Obs: entre dois números inteiros existem infinitos números reais. Por exemplo: Entre os números 0 e 1 existem infinitos números reais: 0,01 ; 0,003 ; 0,0009 ; 0,12 ; 0,35 ; 0,81 ; 0,99 ; 0,999 ; 0,9999 ... Entre os números 8 e 9 existem infinitos números reais: 8,01 ; 8,02 ; 8,05 ; 8,1 ; 8,2 ; 8,5 ; 8,99 ; 8,999 ; 8,9999 ... TEORIA DOS CONJUNTOS Conceitos de conjuntos Conjunto vazio: é um conjunto que não possui elementos. O conjunto vazio é representado por { } ou . Subconjuntos: quando todos os elementos de um conjunto A qualquer pertencem a um outro conjunto B, diz-se, então, que A é um subconjunto de B, ou seja A B. Observações: Todo o conjunto A é subconjunto dele próprio, ou seja ; O conjunto vazio, por convenção, é subconjunto de qualquer conjunto, ou seja União de Conjuntos: dados os conjuntos A e B, define-se como união dos conjuntos A e B ao conjunto representado por , formado por todos os elementos pertencentes a A ou B, ou seja: Intersecção de Conjuntos: dados os conjuntos A e B, define-se como intersecção dos conjuntos A e B ao conjunto representado por , formado por todos os elementos pertencentes a A e B, simultaneamente, ou seja: Diferença de Conjuntos: dados os conjuntos A e B, define-se como diferença entre A e B (nesta ordem) ao conjunto representado por A-B, formado por todos os elementos pertencentes a A, mas que não pertencem a B, ou seja Produto Cartesiano: dados os conjuntos A e B, chama-se peoduto cartesiano A com B, ao conjunto AxB, formado por todos os pares ordenados (x,y), onde x é elemento de A e y é elemento de B, ou seja Número de subconjuntos de um conjunto: se um conjunto A possuir n elementos, então existirão 2n subconjuntos de A. Símbolos : pertence : existe : não pertence : não existe : está contido : para todo (ou qualquer que seja) : não está contido : conjunto vazio : contém N: conjunto dos números naturais : não contém Z : conjunto dos números inteiros / : tal que Q: conjunto dos números racionais : implica que Q'= I: conjunto dos números irracionais : se, e somente se R: conjunto dos números reais Exercícios resolvidos: 1) USP-SP - Depois de n dias de férias, um estudante observa que: a) choveu 7 vezes, de manhã ou à tarde; b) quando chove de manhã não chove à tarde; c) houve 5 tardes sem chuva; d) houve 6 manhãs sem chuva. Podemos afirmar então que n é igual a: a)7 b)8 *c)9 d)10 e)11 Solução: SejaM, o conjunto dos dias que choveu pela manhã e T o conjunto dos dias que choveu à tarde. Chamando de M' e T' os conjuntos complementares de M e T respectivamente, temos: n(T') = 5 (cinco tardes sem chuva) n(M') = 6 (seis manhãs sem chuva) n(M T) = 0 (pois quando chove pela manhã, não chove à tarde) Daí: n(M T) = n(M) + n(T) – n(M T) 7 = n(M) + n(T) – 0 Podemos escrever também: n(M') + n(T') = 5 + 6 = 11 Temos então o seguinte sistema: n(M') + n(T') = 11 n(M) + N(T) = 7 Somando membro a membro as duas igualdades, vem: n(M) + n(M') + n(T) + n(T') = 11 + 7 = 18 Observe que n(M) + n(M') = total dos dias de férias = n Analogamente, n(T) + n(T') = total dos dias de férias = n Portanto, substituindo vem: n + n = 18 2n = 18 n = 9 Resposta: Foram nove dias de férias ou seja n = 9 dias. 2) 52 pessoas discutem a preferência por dois produtos A e B, entre outros e conclui-se que o número de pessoas que gostavam de B era: I - O quádruplo do número de pessoas que gostavam de A e B; II - O dobro do número de pessoas que gostavam de A; III - A metade do número de pessoas que não gostavam de A nem de B. Nestas condições, o número de pessoas que não gostavam dos dois produtos é igual a: *a)48 b)35 c)36 d)47 e)37 SOLUÇÃO: Considere a figura abaixo, onde estão representados os conjuntos A e B, e a quantidade de elementos x, y, z e w. Pelo enunciado do problema, poderemos escrever: x+y+z+w = 52 y+z = 4y y+z = 2(x+y) y+z = w/2 Desenvolvendo e simplificando, vem: x+y+z+w = 52 (eq.1) z = 3y (eq. 2) z = 2x + y (eq. 3) w = 2y + 2z (eq. 4) Substituindo o valor de z da eq. 2 na eq. 3, vem: x = y Podemos também escrever: w = 2y + 2(3y) = 8y Expressando a eq. 1 em função de y, vem: y + y + 3y + 8y = 52 e, daí vem: 13y = 52, de onde vem y = 4. Temos então por simples substituição: z = 3y = 12 x = y = 4 w = 8y = 32 A partir daí, é que vem a sutileza do problema. Vejamos: O problema pede para determinar o número de pessoas que não gostam dos produtos A e B. O conectivo e indica que devemos excluir os elementos da interseção A B. Portanto, a resposta procurada será igual a: w + x + z = 32 + 4 + 12 = 48 pessoas. A resposta seria 32 (como muitos acham como resultado), se a pergunta fosse: Quantas pessoas não gostam do produto A ou do produto B? Perceberam a sutileza da pergunta: quantas pessoas não gostavam dos dois produtos, ou seja, não gostavam de A e B? Resp: 48 pessoas 3) UFBA - 35 estudantes estrangeiros vieram ao Brasil. 16 visitaram Manaus; 16, S. Paulo e 11, Salvador. Desses estudantes, 5 visitaram Manaus e Salvador e , desses 5, 3 visitaram também São Paulo. O número de estudantes que visitaram Manaus ou São Paulo foi: *a) 29 b) 24 c) 11 d) 8 e) 5 SOLUÇÃO: Observe o diagrama de VENN abaixo: Podemos escrever: x + y + 5 = 16 ; logo, x + y = 11..................................................Eq. 1 x + w + z + 3 = 16; logo, x + w + z = 13.....................................Eq. 2 t + w + 5 = 11; logo, t + w = 6.....................................................Eq. 3 x + y + z + w + t + 2 + 3 = 35; logo, x + y + z + w + t = 30........Eq. 4 Substituindo as Eq. 1 e 3, na Eq. 4, vem: 11 + z + 6 = 30; logo, z = 13.......................................................Eq. 5 Substituindo o valor de z na Eq. 2, vem: x + w + 13 = 13; logo, x + w = 0, de onde se conclui que x = 0 e w = 0, já que x e w são inteiros positivos ou nulos. Substituindo o valor de x encontrado acima na Eq. 1, vem: 0 + y = 11; logo, y = 11. Observando que o número de elementos de M U SP é igual a x + y + z + w + 2 + 3, vem imediatamente, substituindo os valores: n(M U SP) = 0 + 11 + 13 + 0 + 2 + 3 = 29 Observe que n(M U SP) representa o conjunto dos estudantes que visitaram Manaus OU São Paulo, conforme foi solicitado no problema. Portanto, a alternativa correta é a letra A. 4) FEI/SP - Um teste de literatura, com 5 alternativas em que uma única é verdadeira, referindo-se à data de nascimento de um famoso escritor, apresenta as seguintes alternativas: a)século XIX b)século XX c)antes de 1860 d)depois de 1830 e)nenhuma das anteriores Pode-se garantir que a resposta correta é: a)a b)b c)c d)d e)e SOLUÇÃO: As alternativas (A) e (B): não há elementos para se concluir por uma delas, inicialmente. A alternativa (E) não pode ser verdadeira, pois implicaria - pelo enunciado - que o escritor nem teria nascido! Para visualizar isto, veja a figura abaixo. A alternativa (D) não pode ser verdadeira, pois implicaria concluir-se pelos séculos XIX ou XX e, pelo enunciado, só existe uma alternativa verdadeira. POR EXCLUSÃO, a alternativa verdadeira só pode ser a C. Veja o esquema abaixo, para ajudar no seu entendimento dos argumentos acima. ( UFRN ) Se A, B e C são conjuntos tais que n(A - (B C)) = 15, n(B - (A C)) = 20, n(C - (A B)) = 35 e n(A B C) = 120, então, n((A B) (A C ) (B C)) é igual a: (A) 40 (B) 50 (C) 60 (D) 70 (E) 80 A simbologia n(A) = 10 nos diz que o conjunto "A" possui 10 elementos. Este exercício fica barbadinha quando fazemos os diagramas Venn-Euler de tais conjuntos. Como temos três conjuntos, e existe a intersecção entre eles, o desenho que iremos trabalhar será o seguinte: Vamos ver a primeira informação do exercício, n(A - (B C)) = 15. O conjunto "A" já sabemos qual é, agora, o conjunto B C, como seria? Portanto, ao subtrairmos de dentro do conjunto "A" todo este verde que está acima, teremos o seguinte conjunto: Como diz a informação, n(A - (B C)) = 15, neste espaço rosa, temos 15 elementos. A segunda informação: n(B - (A C)) = 20 Até o momento, temos a seguinte configuração: Note que a soma destes elementos é 15 + 20 + 35 = 70. A quarta informação: n(A B C) = 120. Esta informação nos diz que a soma de TODOS elementos presentes no desenho vale 120. Como na informação anterior, tínhamos 70 elementos presentes nas "bordas" do diagrama, e no total temos 120 elementos, concluímos que o centro deste diagrama, terá 50 elementos. O que o exercício pede é n((A B) (A C ) (B C)), que é justamente a união das três intersecções: Portanto, como já vimos antes, a resposta é 50. 01) (OSEC) Numa escola de 360 alunos, onde as únicas matérias dadas são matemática e português, 240 alunos estudam matemática e 180 alunos estudam português. O número de alunos que estudam matemática e português é: a) 120 b) 60 c) 90 d) 180 e) N.d.a. 02) (PUC-CAMPINAS) Numa indústria, 120 operários trabalham de manhã, 130 trabalham à tarde, 80 trabalham à noite; 60 trabalham de manhã e à tarde, 50 trabalham de manhã e a noite, 40 trabalham à tarde e à noite e 20 trabalham nos três períodos. Assim: a) 150 operários trabalham em 2 períodos; b) há 500 operários na indústria; c) 300 operários não trabalham à tarde; d) há 30 operários que trabalham só de manhã; e) N.d.a. 03) (UNIV. FED. PARÁ) Num colégio foi realizada uma pesquisa para saber quais os esportes praticados pelos alunos. Sabe-se que A={alunos que jogam basquete}, B={alunos que jogam futebol} e C={alunos que jogam voley}, e o resultado está resumido na tabela abaixo. n(A) n(B) n(C) n(AB) n(AC) n(CB) n(ABC) n()- n(ABC) 150 180 100 30 40 25 20 245 O número total de alunos da escola é: a) 790 b) 600 c) 675 d) 570 e) 335 04) (NUNO LISBOA) Um subconjunto X de números naturais contém 12 múltiplos de 4, 7 múltiplos de 6, 5 múltiplos de 12 e 8 números ímpares. O número de elementos de X é: a) 22 b) 27 c) 24 d) 32 e) 20 05) (CESGRANRIO) Em uma universidade são lidos dois jornais A e B; exatamente 80% dos alunos lêem o jornal A e 60% o jornal B. Sabendo-se que todo aluno é leitor de pelo menos um dos jornais, o percentual de alunos que lêem ambos é: a) 48% b) 60% c) 40% d) 140% e) 80% 06) (GV) Emuma pesquisa de mercado foram entrevistadas várias pessoas acerca de suas preferências em relação a três produtos A, B e C. Os resultados da pesquisa indicaram que: 210 compram o produto A. 210 compram o produto B. 250 compram o produto C. 20 compram os três produtos. 100 não compram nenhum dos três produtos. 60 compram os produtos A e B. 70 compram os produtos A e C. 50 compram os produtos B e C. Quantas pessoas foram entrevistadas? 07) (UF-BH) Um colégio ofereceu cursos de inglês e francês, devendo os alunos se matricularem em pelo menos um deles. Dos 45 alunos de uma classe, 13 resolveram estudar tanto inglês quanto francês; em francês, matricularam-se 22 alunos. Quantos alunos se matricularam em inglês? 08) (FAAP) Os sócios dos clubes A e B formam um total de 2200 pessoas. Qual é o número de sócios do clube B se A tem 1600 e existem 600 que pertencem aos dois clubes? 09) (MED. RIO PRETO) Num almoço, foram servidos, entre outros pratos, frangos e leitões. Sabendo-se que, das 94 pessoas presente, 56 comeram frango, 41 comeram leitão e 21 comeram dos dois, o número de pessoas que não comeram nem frango nem leitão é: a) 10 b) 12 c) 15 d) 17 e) 18 10) (UNIV. FED. PARÁ) Uma escola tem 20 professores, dos quais 10 ensinam Matemática, 9 ensinam Física, 7 Química e 4 ensinam Matemática e Física. Nenhum deles ensina Matemática e Química. Quantos professores ensinam Química e Física e quantos ensinam somente Física? a) 3 e 2. b) 2 e 5. c) 2 e 3. d) 5 e 2. e) 3 e 4. 01 - B 06 - 610 pessoas 02 - D 07 - 36 alunos 03 - B 08 - 1200 sócios 04 - A 09 - E 05 - C 10 - C 1.6. NÚMEROS FRACIONÁRIOS O símbolo b a significa a ÷ b, sendo a e b números naturais e b diferente de zero. Chamamos: b a de fração; a de numerador; b de denominador. Se a é múltiplo de b, então b a é um número natural. Veja um exemplo: A fração 3 6 é igual a 6 ÷ 3. Neste caso, 6 é o numerador e 3 é o denominador. Efetuando a divisão de 6 por 3, obtemos o quociente 2. Assim, 3 6 é um número natural e 6 é múltiplo de 3. Durante muito tempo, os números naturais foram os únicos conhecidos e usados pelos homens. Depois começaram a surgir questões que não poderiam ser resolvidas com números naturais. Então surgiu o conceito de número fracionário. O significado de uma fração Por vezes, a expressão ou fração b a é um número natural. Outras vezes, isso não acontece. Então, qual é o significado de b a ? Uma fração envolve a seguinte idéia: dividir algo em partes iguais. Dentre essas partes, consideramos uma ou algumas, conforme nosso interesse. Exemplo: Gabriel adora pizza. Por telefone, pediu uma pizza de mussarela. Conseguiu, sozinho, comer 3/4 da pizza. Como sabemos, geralmente a pizza é dividida em 8 pedaços. Se Gabriel comeu 3/4 da pizza, então ele comeu 6 pedaços. Na figura acima, as partes pintadas de amarelo seriam as partes comidas por Gabriel, e as partes verde são as partes que sobraram da pizza. Leitura de uma Fração As frações recebem nomes especiais quando os denominadores são 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e também quando os denominadores são 10, 100, 1000, ... Frações equivalentes Frações equivalentes são frações que representam a mesma parte do todo. Exemplo: são equivalentes Para encontrar frações equivalentes devemos multiplicar o numerador e o denominador por um mesmo número natural, diferente de zero. Simplificação de frações Uma fração equivalente a , com termos menores, é . A fração foi obtida dividindo-se ambos os termos da fração pelo fator comum 3. Dizemos que a fração é uma fração simplificada de . A fração não pode ser simplificada, por isso é chamada de fração irredutível. A fração não pode ser simplificada porque 3 e 4 não possuem nenhum fator comum. Números fracionários Seria possível substituir a letra X por um número natural que torne a sentença abaixo verdadeira? 3 * X = 1 Substituindo X, temos: X por 0 temos: 3 * 0 = 0 X por 1 temos: 3 * 1 = 3. Portanto, substituindo X por qualquer número natural jamais encontraremos o produto 1. Para resolver esse problema temos que criar novos números. Assim, surgem os números fracionários. “Toda fração equivalente representa o mesmo número fracionário.” Portanto, uma fração b a (b diferente de zero) e todas frações equivalentes a ela representam o mesmo número fracionário b a . Resolvendo agora o problema inicial, concluímos que X = 3 1 , pois 3 * 3 1 = 1. 2. Dízimas periódicas Há frações que não possuem representações decimal exata. Por exemplo: Aos numerais decimais em que há repetição periódica e infinita de um ou mais algarismos, dá-se o nome de numerais decimais periódicos ou dízimas periódicas. Numa dízima periódica, o algarismo ou algarismos que se repetem infinitamente, constituem o período dessa dízima. As dízimas classificam-se em dízimas periódicas simples e dízimas periódicas compostas. Exemplos: (período: 5) (período: 3) (período: 12) São dízimas periódicas simples, uma vez que o período apresenta-se logo após a vírgula. (Período: 2) (Período: 4) (Período: 23) Parte não periódica: 0 Período não periódica: 15 Parte não periódica: 1 São dízimas periódicas compostas, uma vez que entre o período e a vírgula existe uma parte não periódica. Observações: Consideramos parte não periódica de uma dízima o termo situado entre vírgulas e o período. Excluímos portanto da parte não periódica o inteiro. Podemos representar uma dízima periódica das seguintes maneiras: Geratriz de uma dízima periódica É possível determinar a fração (número racional) que deu origem a uma dízima periódica. Denominamos esta fração de geratriz da dízima periódica. Procedimentos para determinação da geratriz de uma dízima: Dízima simples A geratriz de uma dízima simples é uma fração que tem para numerador o período e para denominador tantos noves quantos forem os algarismos do período. Exemplos: Dízima Composta: A geratriz de uma dízima composta é uma fração da forma , onde n é a parte não periódica seguida do período, menos a parte não periódica. d tantos noves quantos forem os algarismos do período seguidos de tantos zeros quantos forem os algarismos da parte não periódica. Exemplos: 3. RAZÕES E PROPORÇÕES 3.1. RAZÃO ENTRE DUAS GRANDEZAS Para entendermos o significado da razão entre dois números ou grandezas, analisaremos algumas situações do dia-a-dia. 1º caso: Marlene receberá visitas para uma festa no final de semana e resolveu preparar um batida de frutas. A receita diz que devem ser colocadas 9 frutas em cada receita, sendo 6 laranjas e 3 maças. Comparemos os números envolvidos nesta situação. Sabemos que: 9, 6 e 3 são os números envolvidos nesta hipotética situação; para cada 6 laranjas, devemos colocar 3 maças. Escrevemos assim: 3 6 ou 6 : 3 3 6 é a razão entre os números 6 e 3, nesta ordem. Como 6 é o dobro de 3, para fazer o mesmo tipo de batida de frutas, a quantidade de laranjas deve ser sempre igual ao dobro da quantidade de maças. “Se a e b são dois números e b é diferente de zero, dizemos que b a ou a : b é a razão entre a e b, nessa ordem” 2º caso: Para ir à escola, Lucas gasta 30 minutos indo à pé. Já, Matheus utiliza-se de sua moto e faz o mesmo percurso em 10 minutos. Qual a razão entre os tempos gastos por Matheus e Lucas para chegarem até a escola, sabendo-se que o espaço percorrido é o mesmo ? tempo gasto por Matheus .................. 10 minutos tempo gasto por Lucas ...................... 30 minutos 30 10 = 3 1 ou 1 : 3 a razão entre os tempos gastos por Lucas e Matheus é 3 1 significa que para cada minuto gasto por Matheus, Lucas gasta três vezes mais tempo para percorrer o mesmo percurso. “A razão entre grandezas de mesma natureza é a razão entre os números que expressam as medidas destas grandezas.” Atenção: Quando comparamos grandezas de mesma natureza, as medidas devem estar expressas na mesma unidade. Observações: 1) A razão entre dois números racionais pode ser apresentada de três formas. Exemplo: Razão entre 1 e 4: 1:4 ou ou 0,25. 2) A razão entre dois números racionais pode ser expressa com sinal negativo, desde que seus termos tenham sinais contrários. Exemplo: A razão entre –1 e 8 é . Termos de uma razão Observe a razão: (lê-se "a está para b" ou "a para b"). Na razão a:b ou , o número a é denominado antecedente e o número b é denominado conseqüente. Veja o exemplo: 3 : 5 = Leitura da razão: 3 está para 5 ou 3 para 5. Razões inversas Considere as razões. Observe que o produto dessas duas razões é igual a 1, ou seja, Nesse caso, podemos afirmar que são razões inversas. Duas razões são inversas entre si quando o produto delas é igual a 1. Exemplo: são razões inversas, pois . Podemos verificar que nas razões inversas o antecedente de uma é o conseqüente da outra, e vice-versa. Observações: 1) Uma razão de antecedente zero não possui inversa. 2) Para determinar a razão inversa de uma razão dada, devemos permutar (trocar) os seus termos. Exemplo: O inverso de . Razões equivalentes Dada uma razão entre dois números, obtemos uma razão equivalente da seguinte maneira: Multiplicando-se ou dividindo-se os termos de uma razão por um mesmo número racional (diferente de zero), obtemos uma razão equivalente. Exemplos: são razões equivalentes. são razões equivalentes. Razão entre grandezas da mesma espécie O conceito é o seguinte: Denomina-se razão entre grandezas de mesma espécie o quociente entre os números que expressam as medidas dessas grandezas numa mesma unidade. Exemplos: 1) Calcular a razão entre a altura de dois vasos de flores, sabendo que o primeiro possui uma altura h1= 1,20m e o segundo possui uma altura h2= 1,50m. A razão entre as alturas h1 e h2 é dada por: 2) Num certo intervalo de tempo, um carro percorre 2 km enquanto Alexandre caminha 50 metros. Qual é a razão entre os espaços percorridos pelo carro e por Alexandre, durante este intervalo de tempo? Quando temos unidades de medida diferentes, devemos transforma-las para a mesma base. Neste caso, transformaremos a distância percorrida pelo carro em metros. ( 2 km = 2.000 m ) 1 40 50 2000 significa que o carro percorre 40 m enquanto Alexandre percorre 1 m. Razões entre grandezas de espécies diferentes O conceito é o seguinte: Para determinar a razão entre duas grandezas de espécies diferentes, determina-se o quociente entre as medidas dessas grandezas. Exemplos: 1) Consumo médio: Marlene foi de Rio Preto a Uberlândia (298 Km) no seu carro, realizar uma visita à sua mãe. Foram gastos nesse percurso 26 litros de combustível. Qual a razão entre a distância e o combustível consumido? O que significa essa razão? Solução: Razão = lkm /46,11 26 298 Razão = lkm /46,11 (lê-se "11,46 quilômetros por litro"). Essa razão significa que a cada litro consumido foram percorridos em média 11,46 km. 2) Velocidade média: Na mesma viagem Rio Preto/Uberlândia, Marlene fez o percurso (298 Km) em 4 horas. Qual a razão entre a medida dessas grandezas? O que significa essa razão? Solução: Razão = hkm /5,74 4 298 Razão = 74,5 km/h (lê-se "74,5 quilômetros por hora"). Essa razão significa que a cada hora foram percorridos em média 74,5 km. 3) Densidade demográfica: A cidade de São José do Rio Preto no último censo teve uma população avaliada em 367.512 habitantes. Sua área é de 434,10 km2. Determine a razão entre o número de habitantes e a área da cidade. O que significa essa razão? Solução: Razão = 2/846 10,434 512.367 kmhab Razão = 846 hab/km2 (lê-se "846 habitantes por quilômetro quadrado") Essa razão significa que em cada quilômetro quadrado existem em média 846 habitantes. 4) Densidade absoluta ou massa específica: Um cubo de concreto de 10 cm de aresta tem massa igual a 17,8 kg. Determine a razão entre a massa e o volume desse corpo. O que significa essa razão? Solução: Volume = 10 cm . 10 cm . 10 cm = 1.000cm3 Massa = 17,8 kg 17.800 g Razão = 3/8,17 1000 17800 cmg Razão = 17,8 g/cm3 (lê-se "17,8 gramas por centímetro cúbico"). Essa razão significa que 1000 cm3 de concreto pesa 17,8g. 3.2. CONCEITO DE PROPORÇÃO 1º Caso: Uma escola tem 800 alunos e freqüentemente realiza pesquisas com o intuito de saber o índice de satisfação de seus alunos. A última pesquisa realizada teve por objetivo saber qual o esporte preferido de seus alunos. Os números levantados foram os seguintes: De posse dos dados, podemos analisa-los utilizando alguns quocientes: 1. total de alunos que praticam natação ................... 160 total de alunos da escola .................................... 800 5 1 800 160 Constatamos, portanto, que de cada 5 alunos matriculados na escola, 1 pratica natação. 2. total de alunos que praticam Basquete ................. 40 total de alunos que jogam futebol de salão ............ 240 6 1 240 40 O número de alunos que pratica futebol de salão é 6 vezes maior que o número de alunos que pratica basquete. 2º Caso: Gabriel e Inês resolvem pintar a parede da sala de sua casa. Eles sabem que para conseguir uma tonalidade rosa, devem misturar 2 litros de vermelho e 3 de branco. Mas esta receita só dá certo para pequenas dimensões a serem pintadas. Como a parede é muito grande, Inês está em dúvida se pode misturar 10 litros de vermelho com 15 litros de branco. E aí ? O que fazer para resolver este problema ? E você o que acha ? Basta misturar as tintas para ver o que acontece ? O problema é que se der errado o prejuízo será dobrado: o tempo gasto e o custo da tinta. Para resolver esta questão vamos usar razões para ter uma maior probabilidade de acerto. A receita diz 2 vermelhos com 3 brancos a mistura é de 3 2 Inês quer ... 10 vermelhos com 15 brancos a mistura é de 15 10 As razões 3 2 e 15 10 são iguais fatorando 15 10 chegamos a 3 2 A igualdade 3 2 = 15 10 é uma proporção entre os números 2, 3, 10 e 15, nessa ordem. Lê-se: 2 está para 3 assim como 10 está para 15 Assim: Proporção é uma igualdade entre duas razões. Uma Proporção envolve quatro números no mínimo: a, b, c e d. Nesta ordem, temos a proporção a : b = c : d, sendo b e d ≠ zero Elementos de uma proporção Dados quatro números racionais a, b, c, d, não-nulos, nessa ordem, dizemos que eles formam uma proporção quando a razão do 1º para o 2º for igual à razão do 3º para o 4º. Assim: ou a :b = c :d (lê-se "a está para b assim como c está para d") Os números a, b, c e d são os termos da proporção, sendo: b e c os meios da proporção. a e d os extremos da proporção. Exemplo: Dada a proporção , temos: Leitura: 3 está para 4 assim como 27 está para 36. Meios: 4 e 27 Extremos: 3 e 36 Propriedade fundamental das proporções Observe as seguintes proporções: De modo geral, temos que: cbda d c b a .. Nasce daí a propriedadefundamental das proporções: Em toda proporção, o produto dos meios é igual ao produto dos extremos. Aplicações da propriedade fundamental Determinação do termo desconhecido de uma proporção Exemplos: Determine o valor de x na proporção: 9 21 3 x Solução: Fazendo uso da Propriedade Fundamental das Proporções, temos que: 9 . x = 3 . 21 (aplicando a propriedade fundamental) 9 . x = 63 9 63 x x = 7 Logo, o valor de x é 7. Determine o valor de x na proporção: 5 7 23 1 x x Solução: 5 . (x-1) = 7 . (3x+2) (aplicando a propriedade fundamental) 5x - 5 = 21x + 14 5x - 21x = 14 + 5 -16x = 19 16 19 x Quarta proporcional Dados três números racionais a, b e c, não-nulos, denomina-se quarta proporcional desses números um número x tal que: Exemplo: Determine a quarta proporcional dos números 7, 3 e 21. Solução: Indicamos por x a quarta proporcional e armamos a proporção: x 21 3 7 (aplicando a propriedade fundamental) 7 . x = 3 . 21 7 . x = 63 7 63 x x = 9 Logo, a quarta proporcional é 9. 4. REGRA DE TRÊS 4.1. REGRA DE TRÊS SIMPLES Regra de três simples é um processo prático para resolver problemas que envolvam quatro valores dos quais conhecemos três deles. Devemos, portanto, determinar um valor a partir dos três já conhecidos. A Regra de três simples é utilizada para resolver problemas que envolvem proporcionalidade entre duas grandezas. Passos utilizados numa regra de três simples Construir uma tabela, agrupando as grandezas da mesma espécie em colunas e mantendo na mesma linha as grandezas de espécies diferentes em correspondência. Identificar se as grandezas são diretamente ou inversamente proporcionais. Montar a proporção e resolver a equação. Exemplos: 1. Em 3 minutos uma torneira despeja 6 litros de água numa caixa d´água. Se a caixa ficou cheia em 6 horas, qual será a capacidade desta caixa d´água ? Tempo Capacidade da Caixa 3 minutos 6 litros 6 h = 6 * 60 minutos 360 minutos X litros Resolvendo, temos: 3 . x = 6 . 360 3 x = 2160 litros x = 2.160/3 x = 720 litros b) Um motociclista viaja de S.J.do Rio Preto até Mirassol, à velocidade de 80km/h, fazendo o percurso em 10 minutos. Se a velocidade da moto fosse de 100km/h, em quantos minutos seria feito o mesmo percurso? Velocidade (Km/h) Tempo (minutos) 80 10 min 100 X min Observe que as grandezas são inversamente proporcionais, aumentando a velocidade o tempo diminui na razão inversa. Resolução: X/10 = 80/100 x = 10*80/100 x = 800/100 x = 8 minutos Observe que o exercício foi montado respeitando os sentidos das setas. 4.2. REGRA DE TRÊS COMPOSTA Algumas situações envolvem mais de duas grandezas. A análise e a resolução de problemas desta natureza podem envolver uma regra de três composta. Exemplo: a) 20 pintores trabalhando 6 horas por dia, pintam um edifício em 4 dias. Quantos dias serão necessários para que 6 pintores, trabalhando 8 horas por dia, pintem o mesmo edifício? 1. Para facilitar a resolução, vamos separar as grandezas e números envolvidos: Quantidade de pintores: 20, 6 Horas por dia : 6, 8 Número de dias: 4 , x 2. supondo que o número de horas por dia não varie: Pintores Horas p/ dia Nº de dias 20 6 4 6 8 x Grandezas inversamente proporcionais menos pintores, mais dias para pintar 3. supondo que a quantidade de pintores não varie: Pintores Horas p/ dia Nº de dias 20 6 4 6 8 x Grandezas inversamente proporcionais Nesta situação, o tempo (dias) é inversamente proporcional à quantidade de pintores e ao tempo de trabalho por dia, portanto o produto 20 . 6 . 4 é igual ao produto 6 . 8 . x 20 . 6 . 4 = 6 . 8 . x 480 = 48 . x x = 480 / 48 x = 10 Serão necessários 10 dias para pintar o edifício. Como foi visto, existe um método prático para se montar o esquema e resolver o problema. O Método Prático consiste em: escrever em uma coluna as variáveis do mesmo tipo, ou seja, aquelas expressas na mesma unidade de medida. Identificar aquelas que variam num mesmo sentido (grandezas diretamente proporcionais) e aquelas que variam em sentidos opostos (grandezas inversamente proporcionais), marcando-as com setas no mesmo sentido ou sentidos opostos, conforme o caso. A incógnita x será obtida da forma sugerida no esquema abaixo, dada como exemplo de caráter geral. Imaginemos as grandezas A, B, C e D, que assumem os valores literais mostrados a seguir. Suponhamos, por exemplo, que a grandeza A seja diretamente proporcional à grandeza B, inversamente proporcional à grandeza C e inversamente proporcional à grandeza D. Após termos executado este procedimento, montamos o esquema mostrado abaixo: Neste caso, o valor da incógnita x será dado por: srb dcpa s d r c b p ax .. ... ... Observem que para as grandezas diretamente proporcionais, multiplicamos x pelos valores invertidos e para as grandezas inversamente proporcionais, multiplicamos pelos valores como aparecem no esquema. Exemplo: STA CASA – SP – Sabe-se que 4 máquinas, operando 4 horas por dia, durante 4 dias, produzem 4 toneladas de certo produto. Quantas toneladas do mesmo produto seriam produzidas por 6 máquinas daquele tipo, operando 6 horas por dia, durante 6 dias? a) 8 b) 15 c) 10,5 d) 13,5 Solução: Observe que a produção em toneladas é diretamente proporcional ao número de máquinas, ao número de dias e ao número de horas/dia. Portanto: Portanto, seriam produzidas 13,5 toneladas do produto, sendo D a alternativa correta. Exercícios resolvidos e propostos 1. Vinte e cinco costureiras, trabalhando oito horas por dia, durante 10 dias, fizeram 800 calças. Vinte costureiras trabalhando nove horas por dia durante dezoito dias, produzirão quantas calças iguais às já produzidas? SOLUÇÃO: Nº Costureiras dias Horas/dia calças 25 10 8 800 20 18 9 x Observe que o número de calças é diretamente proporcional ao número de costureiras, ao número de dias e ao número de horas/dia. Portanto: 296.1 25 20 . 10 18 . 8 9 .800 x Resposta: 1296 calças 2. Em uma escola, vinte e cinco estudantes resolvem 150 exercícios de matemática em doze dias, estudando 10 horas por dia. Quantas horas por dia, deverão estudar 30 estudantes, para resolverem 180 exercícios em 15 dias? Solução: Estudantes dias Horas/dia Exercícios 25 12 10 150 30 15 x 180 Observe que: Aumentando o número de horas/dia, aumenta o número de exercícios, diminui o número de dias necessários e diminui o número de estudantes necessárias. Portanto: X = 10 * 180 * 12 * 25 / 150 * 15 * 30 x = 540000/67500 Resposta: 8 h 3. Certo trabalho é executado por 15 operários, em 12 dias de 10 horas. Se três operários forem demitidos do serviço, quantos dias de 8 horas deverão trabalhar os demais, para realizar o dobro do trabalho anterior? Solução: Aumentando o número de dias, diminui o número de horas/dia necessários e diminui o número de operários necessários. Podemos também dizer que para realizar o dobro do trabalho, o número dedias deve.aumentar. Portanto, podemos montar o seguinte esquema: Operários dias Horas/dia Trabalho 15 12 10 T 12 x 8 2 T Logo, 5,37 2 . 8 10 . 12 15 .12 T T x Resposta: 37,5 dias Agora resolva estes dois: 1 - Em uma residência, no mês de fevereiro de um ano não bissexto, ficaram acesas, em média, 16 lâmpadas elétricas durante 5 horas por dia e houve uma despesa de R$ 14,00. Qual foi a despesa em março, quando 20 lâmpadas iguais às anteriores ficaram acesas durante 4 horas por dia, supondo-se que a tarifa de energia não teve aumento? Resposta : R$15,50 2 - Um livro está impresso em 285 páginas de 34 linhas cada uma com 56 letras em cada linha. Quantas páginas seriam necessárias para reimprimir esse livro com 38 linhas por página, cada uma com 60 letras? Resposta: 238 páginas 5. PORCENTAGENS Toda fração de denominador 100, representa uma porcentagem, como diz o próprio nome, por cem. Exemplo: %36100 36 %,5 100 5 %,12 100 12 Observe que o símbolo % que aparece nos exemplos acima significa por cento. Se repararmos em nossa volta, vamos perceber que este símbolo % aparece com muita freqüência em jornais, revistas, televisão e anúncios de liquidação, etc. Exemplos: A cesta básica teve um reajuste de 6,2 % no último bimestre; Os rendimentos da caderneta de poupança que vencem hoje, são de 3,1 %; A taxa de desemprego no Brasil cresceu 19% neste ano. Desconto de 25% nas compras à vista. Devemos lembrar que a porcentagem também pode ser representada na forma de números decimais. Vejam os exemplos: 008,0 100 8 %8,081,0 100 81 %8112,0 100 12 %12 Trabalhando com Porcentagem Vamos fazer alguns cálculos envolvendo porcentagens. Exemplos: 1. Uma geladeira custa 800 reais. Pagando à vista você ganha um desconto de 10%. Quanto pagarei se comprar esta geladeira à vista? 100 10 %10 (primeiro representamos na forma de fração decimal) 10% de 100 10% x 100 80100 8000 800 100 10 x 800 – 80 = 720 Logo, pagarei 720 reais. 2. Pedro usou 32% de um rolo de mangueira de 100m. Determine quantos metros de mangueira Pedro usou. 32% = 100 32 32 100 3200 100 100 32 100%32 xde Logo, Pedro gastou 32 m de mangueira. 3. Comprei uma mercadoria por 2000 reais. Por quanto devo vende-la, se quero obter um lucro de 25% sobre o preço de custo. 25% = 100 25 500 100 50000 2000 100 25 2000%25 xde O preço de venda é o preço de custo somado com o lucro. Então, 2000 + 500 = 2500 reais. Logo, devo vender a mercadoria por 2500 reais. 4. Comprei um objeto por 20 000 reais e o vendi por 25 000 reais. Quantos por cento eu obtive de lucro? Lucro: 25 000 – 20 000 = 5 000 ( preço de venda menos o preço de custo) %25 100 25 25,0 4 1 20000 5000 (resultado da divisão do lucro pelo preço de custo) 5. O preço de uma casa sofreu um aumento de 20%, passando a ser vendida por 35 000 reais. Qual era o preço desta casa antes deste aumento? Porcentagem Preço 120 35 000 100 x 67,29166 120 3500000 350000012035000100120 xxxxx Logo, o preço anterior era R$ 29.166,67 6. Máximo divisor comum e Mínimo múltiplo comum Atualmente a definição de Máximo Divisor Comum (MDC) pode ser assim formalizada: Sejam a, b e c números inteiros não nulos, dizemos que c é um divisor comum de a e b se c divide a (escrevemos c|a) e c divide b (c|b). Chamaremos D(a,b) o conjunto de todos os divisores comum de a e b. Chama-se Máximo Divisor Comum de a e b o maior de seus divisores comuns, isto é, mdc(a,b) = max {m : m pertença ao conjunto D(a,b)}. Como exemplo, vamos calcular o MDC dos números 12 e 18. Incialmente decomporemos estes números em seus fatores primos (para encontrar os divisores): Agora podemos exibir o conjunto dos divisores D(12,18) ={2,3,6}, pois 2|12 e 2|18, 3|12 e 3|18, 6|12 e 6|18. Logo pela definição, temos que mdc(12,18) = max{i: i pertença à D(12,18)} = max{2,3,6} = 6. De modo análogo podemos formalizar o conceito de Mínimo Múltiplo Comum (MMC): Sejam a, b e c números inteiros não nulos. Dizemos que c é um múltiplo comum de a e b se a divide c (a|c) e b divide c (b|c). Chamaremos M(a,b) o conjunto de todos os múltiplos comuns positivos de a e b. Chama-se Mínimo Múltiplo Comum de a e b, o menor de seus múltiplos positivos comuns, isto é, mmc(a, b) = mim {m : m pertença ao conjunto M(a,b)}. Como exemplo, vamos calcular o MMC dos números 12 e 18. Incialmente decomporemos estes números em seus fatores primos (para encontrar os divisores): Agora podemos exibir o conjunto M(12, 18) ={36}, pois 12 |36 e 18 |36. Logo pela definição, temos que mmc(12, 18) = mim {i: i pertença à M(12, 18)} = min{12, 18} = 36. Ensino Fundamental: Exercícios Resolvidos de MDC, MMC e Divisores R[n] = raiz quadrada de z (z>0) e R³[z] = raiz cúbica de z. 1. Um conjunto possui 18 elementos. Quais as possibilidades existentes para se dividir esse conjunto em grupos com quantidades iguais de elementos? Resposta: As possibilidades estão apresentadas na tabela abaixo: 1 grupo com 18 elementos 2 grupos com 9 elementos em cada grupo 3 grupos com 6 elementos em cada grupo 6 grupos com 3 elementos em cada grupo 9 grupos com 2 elementos em cada grupo 18 grupos com 1 elemento em cada grupo O conjunto dos divisores de 18 é D(18)={1,2,3,6,9,18}. 2. De que forma explícita podemos escrever o conjunto de todos os múltiplos de um número natural n? Resposta: O conjunto dos números naturais é N={0,1,2,3,4,5,...}. Se n é um número para o qual queremos obter os múltiplos, então a multiplicação de n por cada elemento de N será: M(n)={0,n,2n,3n,4n,...}. 3. Quantos elementos possui e como é escrito o conjunto dos múltiplos do elemento 0? Resposta: O conjunto de múltiplos de 0 possui apenas um elemento e é denotado por M(0)={0}, pois M(0)={0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,...}. 4. Maria possui 3 tias. No aniversário de Maria, ela recebeu 2 presentes de cada tia. Quantos presentes Maria ganhou no total? Resposta: No total, Maria ganhou 6 presentes. 5. Para obter os divisores de um número natural a, basta saber quais os elementos que, multiplicados entre si, têm por resultado o número a. Com base nessa afirmação, obtenha o conjunto de divisores de cada um dos números: 13, 18. 25, 32 e 60. Resposta: D(13)={1,13}, D(18)={1,2,3,6,9,18}, D(25)={1,5,25}, D(60)={1,2,3,4,5,6,10,12,15,20,30,60} e D(32)={1,2,4,8,16,32}. Obtivemos apenas alguns números naturais que, multiplicados entre si, têm por resultado 32: 1×32=32; 2×16=32; 4×8=32, 8×4=32, 16×2=32, 32×1=32. 6. Qual o elemento do conjunto dos números naturais que é divisor de todos os números? Resposta: O número 1, pois se dividirmos um número natural n por 1 obteremos o próprio n. Por exemplo, 2 maçãs para 1 garoto, 3 balas para 1 criança, 5 lápis para 1 estudante, etc... 7. João tinha 20 bolinhas de gude e queria distribuí-las entre ele e 3 amigos de modo que cada um ficasse com um número par de bolinhas e nenhum deles ficasse com o mesmo número que o outro. Com quantas bolinhas ficou cada menino? Resposta: Se o primeiro menino ficar com 2 bolinhas, sobrarão 18 bolinhas para os outros 3 meninos. Se o segundo receber 4, sobrarão 14 bolinhas para os outros dois meninos. O terceiro menino receberá 6 bolinhas e o quarto receberá 8 bolinhas. 8. Quando possível, complete o espaço entre parênteses com números naturais. 9. 5×( ) = 20 10. ()×3 = 18 11. 4×( ) = 10 12. ( )÷2 = 8 13. 3÷( ) = 4 14. ( )÷3 = 4 Resposta: Não existe número natural que multiplicado por 4 produza 10 e não existe número natural que divide o número 3 e tem por resultado o número 4. 15. O número 5 é divisor do número 16? Justifique a sua resposta. Resposta: Não, porque não existe qualquer número natural que multiplicado por 5 seja igual a 16. 16. Na Páscoa, um comerciante de Ovos de Páscoa fez a seguinte promoção: 17. 1 ovo = R$ 6,00 18. 2 ovos = R$ 11,00 19. 3 ovos = R$ 15,00 20. 4 ovos = R$ 18,00 Um cliente realizou uma compra sob certas circunstâncias. Quantos ele pagou pela compra de 11 ovos? Quantos ele pagaria se comprasse 177 ovos? Sem promoção, quanto ele pagaria a mais pela compra dos 177 ovos? Resposta: Para comprar 11 ovos ele dividiu 11 por 4 para obter o maior número múltiplo de 4 e o resto da divisão será 3, assim ele usou a decomposição: 11=4+4+3. Custo=R$18,00+R$18,00+R$15,00=R$51,00. Para comprar 177 ovos, ele deve dividir 177 por 4 para obter o maior número múltiplo de 4 e o resto da divisão será 1, assim: 177=4×44+1 Custo=44×R$18,00+R$6,00=R$798,00. 21. Conhecendo um método para identificar os números primos, verifique quais dos seguintes números são primos: 22. (a) 49 23. (b) 37 24. (c) 12 25. (d) 11 Resposta: 37 e 11 são primos porque seus únicos divisores são o número 1 e eles mesmos. 49 não é primo porque é múltiplo de 7. 12 não é primo porque é múltiplo de 2, 3, 4 e 6. 26. Qual é o menor número primo com dois algarismos? Resposta: O número 11. 27. Qual é o menor número primo com dois algarismos diferentes? Resposta: O número 13. 28. Qual é o menor número primo com três algarismos diferentes? Resposta: O número 103. 29. Qual é o valor do número natural b, tal que 64=b×b×b? Resposta: R³[64]=4, pois 64=b×b×b, ou seja, 64=b³. Esta é uma propriedade de potenciação. A base é b e o expoente é 3. O número que elevado ao cubo fornece o resultado 64 é o número b=4. 30. Tente obter justificativas para garantir que valem as igualdades com potências e radicais. R[9]=3 2³=8 R³[8]=2 R[16]=4 5²=25 31. Exiba todos os números primos existentes entre 10 e 20? Resposta: 11, 13, 17 e 19. 32. Escreva três números diferentes cujos únicos fatores primos são os números 2 e 3. Resposta: 18, 12, ... A resposta pode ser muito variada. Alguns exemplos estão na justificativa abaixo. Para obtermos números que possuem apenas os números 2 e 3 como fatores, não precisamos escolher um número e fatorá-lo. O meio mais rápido de encontrar um número que possui por únicos fatores os números 2 e 3 é "criá-lo" multiplicando 2 e 3 quantas vezes desejarmos. Por exemplo: 2×2×3=12, 3×3×2=18, 2×2×3×3×3=108. 33. Seja o quadrado abaixo em que cada lado mede 3cm. Quantos quadradinhos de 1cm² cabem no quadrado? 34. Resposta: 9 quadradinhos. 35. 36. Com o mesmo quadrado acima, obter o valor de 3². Resposta: 3²=9. 37. De quantos cubinhos de 1cm de lado, isto é, um centímetro cúbico, precisaremos para construir um cubo com 3cm de comprimento, 3cm de largura e 3cm de altura? Resposta: 27 cubinhos. 38. Qual o valor de 33 (3 elevado ao cubo)? Resposta: 3³=27. 7. Média aritmética e média ponderada Média aritmética: Seja uma coleção formada por n números racionais: x1, x2, x3, ..., xn. A média aritmética entre esses n números é a soma dos mesmos dividida por n, isto é: A= x1 + x2 + x3 +...+ xn n Exemplo: Se um grupo de 9 pessoas tem as idades: 12, 54, 67, 15, 84, 24, 38, 25, 33 então a idade média do grupo pode ser calculada pela média aritmética: A= 12 + 54 + 67 + 15 + 84 + 24 + 38 + 25 + 33 9 = 352 9 = 39,11 o que significa que a idade média está próxima de 39 anos. Média aritmética ponderada: Consideremos uma coleção formada por n números racionais: x1, x2, x3, ..., xn, de forma que cada um esteja sujeito a um peso, respectivamente, indicado por: p1, p2, p3, ..., pn. A média aritmética ponderada desses n números é a soma dos produtos de cada um por seu peso, dividida por n, isto é: P= x1 p1 + x2 p2 + x3 p3 +...+ xn pn p1 + p2 + p3 +...+ pn Exemplo: Um grupo de 64 pessoas, que trabalha (com salário por dia), em uma empresa é formado por sub-grupos com as seguintes características: 12 ganham R$ 50,00 10 ganham R$ 60,00 20 ganham R$ 25,00 15 ganham R$ 90,00 7 ganham R$ 120,00 Para calcular a média salarial (por dia) de todo o grupo devemos usar a média aritmética ponderada: P= 50×12 + 60×10 + 25×20 + 90×15 + 120×7 12 + 10 + 20 + 15 + 7 = 3890 64 =60,78 8. EQUAÇÕES DE PRIMEIRO GRAU COM UMA INCÓGNITA (VARIÁVEL) Introdução Equação é toda sentença matemática aberta que demonstra uma relação de igualdade. É do tipo ax + b = 0, com (a; b R e a ≠ 0). Exemplos: 2x + 8 = 0 5x - 4 = 6x + 8 3a - b - c = 0 Não são equações: 3 + 9 = 5 + 8 (Não é uma sentença aberta, tampouco uma igualdade) x - 1 < 4 (Não é igualdade) 3 ≠ -6 (não é sentença aberta, nem igualdade) A equação geral do primeiro grau: ax+b = 0 onde a e b são números conhecidos e a > 0, resolve-se de maneira simples: subtraindo b dos dois lados, obtemos: ax = -b dividindo agora por a (dos dois lados), temos: a b x Para exemplificação, tomemos a equação 5x – 3 = 2x – 6 A letra x (neste caso) é a incógnita da equação. Incógnita tem o significado de "desconhecida", “o que se quer achar”. Tudo o que precede o sinal da igualdade ( = ) denomina-se 1º membro, e o que sucede, 2º membro. MembroMembro xx º2º1 6235 Qualquer parcela, do 1º ou do 2º membro, é um termo da equação. 5x -3 2x -6 termos da equação Equação do 1º grau na incógnita x é toda equação que pode ser escrita na forma ax=b, sendo a e b números racionais, com a diferente de zero. Conjunto Verdade e Conjunto Universo de uma Equação Considere o conjunto C = {0, 1, 2, 3, 4, 5} e a equação x + 2 = 5. Observe que o número 3 do conjunto C é denominado conjunto universo da equação e o conjunto {3} é o conjunto verdade dessa mesma equação. Outro exemplo: Encontre os números inteiros que solucionem a equação x² = 49 O conjunto dos números inteiros é o conjunto universo da equação. Os números -7 e 7, que satisfazem a equação, formam o conjunto verdade, podendo ser indicado por: V = {-7, 7}. Concluímos então que: Conjunto Universo é o conjunto que engloba todos os valores que a variável pode assumir. É indicado por U. Conjunto verdade é o conjunto dos valores de U, que tornam verdadeira a equação . Indica-se por V. Observações: O conjunto verdade (V) é subconjunto do conjunto universo (U). V ⊂ U Não sendo citado o conjunto universo, devemos considerar como conjunto universo o conjunto dos números racionais. Raízes de uma equação Os elementos do conjunto verdade de uma equação são chamados raízes da equação. Como forma de verificação da exatidão da solução de uma equação, devemos respeitar a seguinte ordem: Substituir a incógnita por esse número. Determinar o valor de cada membro da equação. Verificar a igualdade sendo uma sentença verdadeira, o número considerado é raiz da equação. Exemplo: Verifique quais dos elementos do conjunto universo são raízes das equações abaixo, determinando em cada caso o conjunto verdade. Resolva a equação x - 4 = 0, sendo U = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}. Para x = 0 na equação x - 4 = 0 temos: 0 - 2 = 0 => -2 = 0. (F) Para x = 1 na equação x - 4 = 0 temos: 1 - 2 = 0 => -1 = 0. (F) Para x = 2 na equação x - 4 = 0 temos: 2 - 2 = 0 => 0 = 0. (V) Para x = 3 na equação x - 4 = 0 temos: 3 - 2 = 0 => 1 = 0.(F) Para x = 4 na equação x - 4 = 0 temos: 4 - 2 = 0 => 2 = 0. (F) Para x = 5 na equação x - 4 = 0 temos: 5 - 2 = 0 => 3 = 0. (F) Para x = 6 na equação x - 4 = 0 temos: 6 - 2 = 0 => 4 = 0. (F) Verificamos que 2 é raiz da equação x - 2 = 0, logo V = {2}. Resolvendo uma equação A solução de uma equação consiste em realizar uma série de operações que nos conduza a equações equivalentes cada vez mais simples e que nos permitam, finalmente, determinar os elementos do conjunto verdade ou as raízes da equação. Resumindo: Resolver uma equação é determinar o seu conjunto verdade, dentro do conjunto universo considerado. Propriedades 1ª. Propriedade aditiva Adicionando ou subtraindo aos dois membros de uma equação um mesmo número, obteremos uma nova equação, equivalente à equação dada. X – 1 = 3 Adicionando 2 a cada um dos membros: X – 1 + 2 = 3 + 2 x + 1 = 5 x = 5 – 1 x = 4 V = {4} Subtraindo 1 de cada um dos seus membros: X – 1 - 1 = 3 - 1 x - 2 = 2 x = 2 + 2 x = 4 V = {4} 2ª. Propriedade Multiplicativa Multiplicando ou dividindo os dois membros de uma equação por um mesmo número, diferente de zero, obteremos uma nova equação, equivalente à equação dada. X – 1 = 2 Multiplicando os dois membros por 2: (X – 1) . 2 = 2 . 2 2x - 2 = 4 2x = 4 + 2 x = 6/2 x = 3 V = {3} Dividindo os dois membros por 2: (X – 1) ÷ 2 = 2 ÷ 2 x - 1 = 1 . 2 x = 2 + 1 x = 3 V = {3} Tipos de Equação do 1º grau Uma equação do 1º grau pode ser: possível e determinada: se a ≠ 0 e b ≠ 0 admite uma raiz diferente de zero se a ≠ 0 e b = 0 admite uma raiz sempre igual a zero Exemplo: Determinar o valor de S para que a equação (S – 1).x = 2 tenha uma solução. X = 2 / (S – 1) impondo a condição S – 1 ≠ 0, temos S ≠ 1 Isto significa que qualquer valor de S, exceto 1, será válido como solução da equação. possível e indeterminada: se a = 0 e b = 0 a equação admite infinitos valores como solução. V = R Exemplo: Determinar s e t para que a equação 2 s ( x – 1) = t + 2 seja indeterminada. Uma equação do 1º grau é possível e indeterminada se a = 0 e b = 0. Portanto, fazendo as devidas substituições, temos: 2s ( x – 1) = t + 2 2sx – 2 s = t + 2 2sx = t + 2 + 2s Lembremo-nos da forma básica da equação: a x + b = 0 Então: a = 2s e b = (- t – 2 – 2s) Para solução da questão, temos que fazer a = 0 e b = 0 2s = 0 s = 0 e t + 2 + 2s = 0 ( multiplicando por – 1) t = 0 – 2 – 2s para s = 0, t = -2. Portanto, a resposta é: V = {0;-2} impossível: se a = 0 e b ≠ 0 o conjunto solução será vazio. S = { } Exemplo: Determine os valores de m e n para que a equação mx = n seja impossível. Uma equação do 1º grau é impossível se a = 0 e b ≠ 0 mx = n m = 0 n ≠ 0 Ou seja, não importa o valor de b, sendo o valor de a igual a zero, nesta questão, a equação será impossível, pois não há como dividir um número por zero. ( x = n / 0 ?????) Exercícios Resolvidos 1. O triplo de um número somado a 8 é igual a 20. Qual o número ? Solução: Número a ser encontrado x Triplo do número 3x Somado a 8 3x + 8 É igual a 20 3x + 8 = 20 Pronto, temos a equação! Basta, agora, resolve-la: 3x + 8 = 20 3x = 20 – 8 3x = 12 x = 12 / 3 x = 4 R.: o número procurado é 4. 2. A soma de dois números consecutivos é 25. Quais são esses números ? Solução: Menor número x Número consecutivo x + 1 A soma dos 2 números x + (x + 1) É igual a 25 x + (x + 1) = 25 Eis a equação! Resolvendo: x + (x + 1) = 25 2x + 1 = 25 2x = 25 – 1 2x = 24 x = 24 / 2 x = 12 Tendo encontrado x (o primeiro número), o outro, x + 1, será 12 + 1 = 13. R.: os números procurados são 12 e 13. 9. Análise Combinatória Análise Combinatória é um conjunto de procedimentos que possibilita a construção de grupos diferentes formados por um número finito de elementos de um conjunto sob certas circunstâncias. Na maior parte das vezes, tomaremos conjuntos Z com m elementos e os grupos formados com elementos de Z terão p elementos, isto é, p será a taxa do agrupamento, com p<m. Arranjos, Permutações ou Combinações, são os três tipos principais de agrupamentos, sendo que eles podem ser simples, com repetição ou circulares. Apresentaremos alguns detalhes de tais agrupamentos. Observação: É comum encontrarmos na literatura termos como: arranjar, combinar ou permutar, mas todo o cuidado é pouco com os mesmos, que às vezes são utilizados em concursos em uma forma dúbia! Arranjos São agrupamentos formados com p elementos, (p<m) de forma que os p elementos sejam distintos entre sí pela ordem ou pela espécie. Os arranjos podem ser simples ou com repetição. Arranjo simples: Não ocorre a repetição de qualquer elemento em cada grupo de p elementos. Fórmula: As(m,p) = m!/(m-p)! Cálculo para o exemplo: As(4,2) = 4!/2!=24/2=12. Exemplo: Seja Z={A,B,C,D}, m=4 e p=2. Os arranjos simples desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 12 grupos que não podem ter a repetição de qualquer elemento mas que podem aparecer na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto: As={AB,AC,AD,BA,BC,BD,CA,CB,CD,DA,DB,DC} Arranjo com repetição: Todos os elementos podem aparecer repetidos em cada grupo de p elementos. Fórmula: Ar(m,p) = mp. Cálculo para o exemplo: Ar(4,2) = 42=16. Exemplo: Seja C={A,B,C,D}, m=4 e p=2. Os arranjos com repetição desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 16 grupos que onde aparecem elementos repetidos em cada grupo. Todos os agrupamentos estão no conjunto: Ar={AA,AB,AC,AD,BA,BB,BC,BD,CA,CB,CC,CD,DA,DB,DC,DD} Arranjo condicional: Todos os elementos aparecem em cada grupo de p elementos, mas existe uma condição que deve ser satisfeita acerca de alguns elementos. Fórmula: N=A(m1,p1).A(m-m1,p-p1) Cálculo para o exemplo: N=A(3,2).A(7-3,4- 2)=A(3,2).A(4,2)=6×12=72. Exemplo: Quantos arranjos com 4 elementos do conjunto {A,B,C,D,E,F,G}, começam com duas letras escolhidas no subconjunto {A,B,C}? Aqui temos um total de m=7 letras, a taxa é p=4, o subconjunto escolhido tem m1=3 elementos e a taxa que este subconjunto será formado é p1=2. Com as letras A,B e C, tomadas 2 a 2, temos 6 grupos que estão no conjunto: PABC = {AB,BA,AC,CA,BC,CB} Com as letras D,E,F e G tomadas 2 a 2, temos 12 grupos que estão no conjunto: PDEFG = {DE,DF,DG,ED,EF,EG,FD,FE,FG,GD,GE,GF} Usando a regra do produto, teremos 72 possibilidades obtidas pela junção de um elemento do conjunto PABC com um elemento do conjunto PDEFG. Um típico arranjo para esta situação é CAFG. Permutações Quando formamos agrupamentos com m elementos, de forma que os m elementos sejam distintos entre sí pela ordem. As permutações podem ser simples, com repetição ou circulares. Permutação simples: São agrupamentos com todos os m elementos distintos. Fórmula: Ps(m) = m!. Cálculo para o exemplo: Ps(3) = 3!=6. Exemplo: Seja C={A,B,C} e m=3. As permutações simples desses 3 elementos são 6 agrupamentos que não podem ter a repetição de qualquer elemento em cada grupo mas podem aparecer na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto: Ps={ABC,ACB,BAC,BCA,CAB,CBA} Permutação com repetição: Dentre os m elementos do conjunto C={x1,x2,x3,...,xn}, faremos a suposição que existem m1 iguais a x1, m2 iguais a x2, m3 iguais a x3, ... , mn iguais a xn, de modo que m1+m2+m3+...+mn=m. Fórmula: Se m=m1+m2+m3+...+mn, então Pr(m)=C(m,m1).C(m-m1,m2).C(m-m1-m2,m3) ... C(mn,mn) Anagrama: Um anagrama é uma (outra) palavra construída com as mesmas letras da palavra original trocadas de posição. Cálculo para o exemplo: m1=4, m2=2, m3=1, m4=1 e m=6, logo: Pr(6)=C(6,4).C(6-4,2).C(6-4-1,1)=C(6,4).C(2,2).C(1,1)=15. Exemplo:Quantos anagramas podemos formar com as 6 letras da palavra ARARAT. A letra A ocorre 3 vezes, a letra R ocorre 2 vezes e a letra T ocorre 1 vez. As permutações com repetição desses 3 elementos do conjunto C={A,R,T} em agrupamentos de 6 elementos são 15 grupos que contêm a repetição de todos os elementos de C aparecendo também na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto: Pr={AAARRT,AAATRR,AAARTR,AARRTA,AARTTA, AATRRA,AARRTA,ARAART,ARARAT,ARARTA, ARAATR,ARAART,ARAATR,ATAARA,ATARAR} Permutação circular: Situação que ocorre quando temos grupos com m elementos distintos formando uma circunferência de círculo. Fórmula: Pc(m)=(m-1)! Cálculo para o exemplo: P(4)=3!=6 Exemplo: Seja um conjunto com 4 pessoas K={A,B,C,D}. De quantos modos distintos estas pessoas poderão sentar-se junto a uma mesa circular (pode ser retangular) para realizar o jantar sem que haja repetição das posições? Se considerássemos todas as permutações simples possíveis com estas 4 pessoas, teriamos 24 grupos, apresentados no conjunto: Pc={ABCD,ABDC,ACBD,ACDB,ADBC,ADCB,BACD,BADC, BCAD,BCDA,BDAC,BDCA,CABD,CADB,CBAD,CBDA, CDAB,CDBA, DABC,DACB,DBAC,DBCA,DCAB,DCBA} Acontece que junto a uma mesa "circular" temos que: ABCD=BCDA=CDAB=DABC ABDC=BDCA=DCAB=CABD ACBD=CBDA=BDAC=DACB ACDB=CDBA=DBAC=BACD ADBC=DBCA=BCAD=CADB ADCB=DCBA=CBAD=BADC Existem somente 6 grupos distintos, dados por: Pc={ABCD,ABDC,ACBD,ACDB,ADBC,ADCB} Combinações Quando formamos agrupamentos com p elementos, (p<m) de forma que os p elementos sejam distintos entre sí apenas pela espécie. Combinação simples: Não ocorre a repetição de qualquer elemento em cada grupo de p elementos. Fórmula: C(m,p) = m!/[(m-p)! p!] Cálculo para o exemplo: C(4,2)=4!/[2!2!]=24/4=6 Exemplo: Seja C={A,B,C,D}, m=4 e p=2. As combinações simples desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 6 grupos que não podem ter a repetição de qualquer elemento nem podem aparecer na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto: Cs={AB,AC,AD,BC,BD,CD} Combinação com repetição: Todos os elementos podem aparecer repetidos em cada grupo até p vezes. Fórmula: Cr(m,p)=C(m+p-1,p) Cálculo para o exemplo: Cr(4,2)=C(4+2-1,2)=C(5,2)=5!/[2!3!]=10 Exemplo: Seja C={A,B,C,D}, m=4 e p=2. As combinações com repetição desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 10 grupos que têm todas as repetições possíveis de elementos em grupos de 2 elementos não podendo aparecer o mesmo grupo com a ordem trocada. De um modo geral neste caso, todos os agrupamentos com 2 elementos formam um conjunto com 16 elementos: Cr={AA,AB,AC,AD,BA,BB,BC,BD,CA,CB,CC,CD,DA,DB,DC,DD} mas para obter as combinações com repetição, deveremos excluir deste conjunto os 6 grupos que já apareceram antes, pois AB=BA, AC=CA, AD=DA, BC=CB, BD=DB e CD=DC, assim as combinações com repetição dos elementos de C tomados 2 a 2, são: Cr={AA,AB,AC,AD,BB,BC,BD,CC,CD,DD} Regras gerais sobre a Análise Combinatória Problemas de Análise Combinatória normalmente são muito difíceis mas eles podem ser resolvidos através de duas regras básicas: a regra da soma e a regra do produto. Regra da soma: A regra da soma nos diz que se um elemento pode ser escolhido de m formas e um outro elemento pode ser escolhido de n formas, então a escolha de um ou outro elemento se realizará de m+n formas, desde que tais escolhas sejam independentes, isto é, nenhuma das escolhas de um elemento pode coincidir com uma escolha do outro. Regra do Produto: A regra do produto diz que se um elemento H pode ser escolhido de m formas diferentes e se depois de cada uma dessas escolhas, um outro elemento M pode ser escolhido de n formas diferentes, a escolha do par (H,M) nesta ordem poderá ser realizada de m.n formas. Exemplo: Consideremos duas retas paralelas ou concorrentes sem que os pontos sob análise estejam em ambas, sendo que a primeira r contem m pontos distintos marcados por r1, r2, r3, ..., rm e a segunda s contem n outros pontos distintos marcados por s1, s2, s3, ..., sn. De quantas maneiras podemos traçar segmentos de retas com uma extremidade numa reta e a outra extremidade na outra reta? É fácil ver isto ligando r1 a todos os pontos de s e assim teremos n segmentos, depois ligando r2 a todos os pontos de s e assim teremos n segmentos, e continuamos até o último ponto para obter também n segmentos. Como existem m pontos em r e n pontos em s, teremos m.n segmentos possíveis. Número de Arranjos simples Seja C um conjunto com m elementos. De quantas maneiras diferentes poderemos escolher p elementos (p<m) deste conjunto? Cada uma dessas escolhas será chamada um arranjo de m elementos tomados p a p. Construiremos uma sequência com os m elementos de C. c1, c2, c3, c4, c5, ..., cm-2, cm-1, cm Cada vez que um elemento for retirado, indicaremos esta operação com a mudança da cor do elemento para a cor vermelha. Para escolher o primeiro elemento do conjunto C que possui m elementos, temos m possibilidades. Vamos supor que a escolha tenha caído sobre o m-ésimo elemento de C. c1, c2, c3, c4, c5, ..., cm-2, cm-1, cm Para escolher o segundo elemento, devemos observar o que sobrou no conjunto e constatamos que agora existem apenas m-1 elementos. Suponhamos que tenha sido retirado o último elemento dentre os que sobraram no conjunto C. O elemento retirado na segunda fase é o (m-1)-ésimo. c1, c2, c3, c4, c5, ..., cm-2, cm-1, cm Após a segunda retirada, sobraram m-2 possibilidades para a próxima retirada. Do que sobrou, se retirarmos o terceiro elemento como sendo o de ordem (m-2), teremos algo que pode ser visualizado como: c1, c2, c3, c4, c5, ..., cm-2, cm-1, cm Se continuarmos o processo de retirada, cada vez teremos 1 elemento a menos do que na fase anterior. Para retirar o p-ésimo elemento, restarão m-p+1 possibilidades de escolha. Para saber o número total de arranjos possíveis de m elementos tomados p a p, basta multiplicar os números que aparecem na segunda coluna da tabela abaixo: Retirada Número de possibilidades 1 m 2 m-1 3 m-2 ... ... p m-p+1 No.de arranjos m(m-1)(m-2)...(m-p+1) Denotaremos o número de arranjos de m elementos tomados p a p, por A(m,p) e a expressão para seu cálculo será dada por: A(m,p) = m(m-1)(m-2)...(m-p+1) Exemplo: Consideremos as 5 vogais de nosso alfabeto. Quais e quantas são as possibilidades de dispor estas 5 vogais em grupos de 2 elementos diferentes? O conjunto solução é: {AE,AI,AO,AU,EA,EI,EO,EU,IA,IE, IO,IU,OA,OE,OI,OU,UA,UE,UI,UO} A solução numérica é A(5,2)=5×4=20. Exemplo: Consideremos as 5 vogais de nosso alfabeto. Quais e quantas são as possibilidades de dispor estas 5 vogais em grupos de 2 elementos (não necessariamente diferentes)? Sugestão: Construir uma reta com as 5 vogais e outra reta paralela à anterior com as 5 vogais, usar a regra do produto para concluir que há 5x5=25 possibilidades. O conjunto solução é: {AA,AE,AI,AO,AU,EA,EE,EI,EO,EU,IA,IE,II, IO,IU,OA,OE,OI,OO,OU,UA,UE,UI,UO,UU} Exemplo: Quantas placas de carros podem existir no atual sistema brasileiro de trânsito que permite 3 letras iniciais e 4 algarismos no final? XYZ-1234 Sugestão: Considere que existem 26 letras em nosso alfabeto que podem ser dispostas 3 a 3 e 10 algarismos que podem ser dispostos 4 a 4 e em seguida utilize a regra do produto. Número de Permutações simples Este é um caso particular de arranjo em que p=m. Para obter o número de permutações com m elementos distintos de um conjunto C, basta escolher os m elementos em uma determinada ordem. A tabela de arranjos com todas as linhas até a ordem p=m, permitirá obter o número de permutações de m elementos: Retirada Número de possibilidades 1 m 2 m-1 ... ... p m-p+1 ... ... m-2 3 m-1 2 m 1 No.de permutaçõesm(m-1)(m-2)...(m-p+1)...4.3.2.1 Denotaremos o número de permutações de m elementos, por P(m) e a expressão para seu cálculo será dada por: P(m) = m(m-1)(m-2) ... (m-p+1) ... 3 . 2 . 1 Emfunção da forma como construímos o processo, podemos escrever: A(m,m) = P(m) Como o uso de permutações é muito intenso em Matemática e nas ciências em geral, costuma-se simplificar a permutação de m elementos e escrever simplesmente: P(m) = m! Este símbolo de exclamação posto junto ao número m é lido como: fatorial de m, onde m é um número natural. Embora zero não seja um número natural no sentido que tenha tido origem nas coisas da natureza, procura-se dar sentido para a definição de fatorial de m de uma forma mais ampla, incluindo m=0 e para isto podemos escrever: 0!=1 Em contextos mais avançados, existe a função gama que generaliza o conceito de fatorial de um número real, excluindo os inteiros negativos e com estas informações pode-se demonstrar que 0!=1. O fatorial de um número inteiro não negativo pode ser definido de uma forma recursiva através da função P=P(m) ou com o uso do sinal de exclamação: (m+1)! = (m+1).m!, 0! = 1 Exemplo: De quantos modos podemos colocar juntos 3 livros A, B e C diferentes em uma estante? O número de arranjos é P(3)=6 e o conjunto solução é: P={ABC,ACB,BAC,BCA,CAB,CBA} Exemplo: Quantos anagramas são possíveis com as letras da palavra AMOR? O número de arranjos é P(4)=24 e o conjunto solução é: P={AMOR,AMRO,AROM,ARMO,AORM,AOMR,MARO,MAOR, MROA,MRAO,MORA,MOAR,OAMR,OARM,ORMA,ORAM, OMAR,OMRA,RAMO,RAOM,RMOA,RMAO,ROAM,ROMA} Número de Combinações simples Seja C um conjunto com m elementos distintos. No estudo de arranjos, já vimos antes que é possível escolher p elementos de A, mas quando realizamos tais escolhas pode acontecer que duas coleções com p elementos tenham os mesmos elementos em ordens trocadas. Uma situação típica é a escolha de um casal (H,M). Quando se fala casal, não tem importância a ordem da posição (H,M) ou (M,H), assim não há a necessidade de escolher duas vezes as mesmas pessoas para formar o referido casal. Para evitar a repetição de elementos em grupos com a mesma quantidade p de elementos, introduziremos o conceito de combinação. Diremos que uma coleção de p elementos de um conjunto C com m elementos é uma combinação de m elementos tomados p a p, se as coleções com p elementos não tem os mesmos elementos que já apareceram em outras coleções com o mesmo número p de elementos. Aqui temos outra situação particular de arranjo, mas não pode acontecer a repetição do mesmo grupo de elementos em uma ordem diferente. Isto significa que dentre todos os A(m,p) arranjos com p elementos, existem p! desses arranjos com os mesmos elementos, assim, para obter a combinação de m elementos tomados p a p, deveremos dividir o número A(m,p) por m! para obter apenas o número de arranjos que contem conjuntos distintos, ou seja: C(m,p) = A(m,p) / p! Como A(m,p) = m.(m-1).(m-2)...(m-p+1) então: C(m,p) = [ m.(m-1).(m-2). ... .(m-p+1)] / p! que pode ser reescrito C(m,p)=[m.(m-1).(m-2)...(m-p+1)]/[(1.2.3.4....(p-1)p] Multiplicando o numerador e o denominador desta fração por (m-p)(m-p-1)(m-p-2)...3.2.1 que é o mesmo que multiplicar por (m-p)!, o numerador da fração ficará: m.(m-1).(m-2).....(m-p+1)(m-p)(m-p-1)...3.2.1 = m! e o denominador ficará: p! (m-p)! Assim, a expressão simplificada para a combinação de m elementos tomados p a p, será uma das seguintes: Número de arranjos com repetição Seja C um conjunto com m elementos distintos e considere p elementos escolhidos neste conjunto em uma ordem determinada. Cada uma de tais escolhas é denominada um arranjo com repetição de m elementos tomados p a p. Acontece que existem m possibilidades para a colocação de cada elemento, logo, o número total de arranjos com repetição de m elementos escolhidos p a p é dado por mp. Indicamos isto por: Arep(m,p) = mp Número de permutações com repetição Consideremos 3 bolas vermelhas, 2 bolas azuis e 5 bolas amarelas. Coloque estas bolas em uma ordem determinada. Iremos obter o número de permutações com repetição dessas bolas. Tomemos 10 compartimentos numerados onde serão colocadas as bolas. Primeiro coloque as 3 bolas vermelhas em 3 compartimentos, o que dá C(10,3) possibilidades. Agora coloque as 2 bolas azuis nos compartimentos restantes para obter C(10-3,2) possibilidades e finalmente coloque as 5 bolas amarelas. As possibilidades são C(10-3-2,5). O número total de possibilidades pode ser calculado como: Tal metodologia pode ser generalizada. Número de combinações com repetição Considere m elementos distintos e ordenados. Escolha p elementos um após o outro e ordene estes elementos na mesma ordem que os elementos dados. O resultado é chamado uma combinação com repetição de m elementos tomados p a p. Denotamos o número destas combinações por Crep(m,p). Aqui a taxa p poderá ser maior do que o número m de elementos. Seja o conjunto A=(a,b,c,d,e) e p=6. As coleções (a,a,b,d,d,d), (b,b,b,c,d,e) e (c,c,c,c,c,c) são exemplos de combinações com repetição de 5 elementos escolhidos 6 a 6. Podemos representar tais combinações por meio de símbolos # e vazios Ø onde cada ponto # é repetido (e colocado junto) tantas vezes quantas vezes aparece uma escolha do mesmo tipo, enquanto o vazio Ø serve para separar os objetos em função das suas diferenças (a,a,b,d,d,d) equivale a ##Ø#ØØ###Ø (b,b,b,c,d,e) equivale a Ø###Ø#Ø#Ø# (c,c,c,c,c,c) equivale a ØØ######ØØ Cada símbolo possui 10 lugares com exatamente 6# e 4Ø. Para cada combinação existe uma correspondência biunívoca com um símbolo e reciprocamente. Podemos construir um símbolo pondo exatamente 6 pontos em 10 lugares. Após isto, os espaços vazios são prenchidos com barras. Isto pode ser feito de C(10,6) modos. Assim: Crep(5,6) = C(5+6-1,6) Generalizando isto, podemos mostrar que: Crep(m,p) = C(m+p-1,p) Propriedades das combinações O segundo número, indicado logo acima por p é conhecido como a taxa que define a quantidade de elementos de cada escolha. Taxas complementares C(m,p)=C(m,m-p) Exemplo: C(12,10) = C(12,2)=66. Relação do triângulo de Pascal C(m,p)=C(m-1,p)+C(m-1,p-1) Exemplo: C(12,10)=C(11,10)+C(11,9)=605 Número Binomial O número de combinações de m elementos tomados p a p, indicado antes por C(m,p) é chamado Coeficiente Binomial ou número binomial, denotado na literatura científica como: Exemplo: C(8,2)=28. Extensão: Existe uma importante extensão do conceito de número binomial ao conjunto dos números reais e podemos calcular o número binomial de qualquer número real r que seja diferente de um número inteiro negativo, tomado a uma taxa inteira p, somente que, neste caso, não podemos mais utilizar a notação de combinação C(m,p) pois esta somente tem sentido quando m e p são números inteiros não negativos. Como Pi=3,1415926535..., então: A função envolvida com este contexto é a função gama. Tais cálculos são úteis em Probabilidade e Estatística. Teorema Binomial Se m é um número natural, para simplificar um pouco as notações, escreveremos mp no lugar de C(m,p). Então: (a+b)m = am+m1am-1b+m2am-2b2+m3am-3b3+...+mmbm Alguns casos particulares com m=2, 3, 4 e 5, são: (a+b)2 = a2 + 2ab + b2 (a+b)3 = a3 + 3 a2b + 3 ab2 + b3 (a+b)4 = a4 + 4 a3b + 6 a2b2 + 4 ab3 + b4 (a+b)5 = a5 + 5 a4b + 10 a3b2 + 10 a2b3 + 5 ab4 + b5 A demonstração segue pelo Princípio da Indução Matemática. Iremos considerar a Proposição P(m) de ordem m, dada por: P(m): (a+b)m=am+m1am-1b+m2am-2b2+m3am-3b3+...+mmbm P(1) é verdadeira pois (a+b)1 = a + b Vamos considerar verdadeira a proposição P(k), com k>1: P(k): (a+b)k=ak+k1ak-1b+k2ak-2b2+k3ak-3b3+...+kkbk para provar a propriedade P(k+1). Para que a proposição P(k+1) seja verdadeira, deveremos chegar à conclusão que: (a+b)k+1=ak+1+(k+1)1akb+(k+1)2ak-1b2+...+(k+1)(k+1)bk+1 (a+b)k+1= (a+b).(a+b)k = (a+b).[ak+k1ak-1b+k2ak-2b2+k3ak-3b3+...+kkbk] = a.[a k+k1ak-1b+k2ak-2 b2+k3ak-3b3+...+kkbk] +b.[ak+k1ak-1b+k2ak-2b2+k3ak-3b3+...+kk bk] = a k+1+k1akb+k2ak-1b2+k3ak-2b3+...+kkabk
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