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1 Profa. Me. Alessandra Azzolini Cálculo I Cálculo Diferencial e Integral Aula 2 Limites Noções de Limites: Funções de várias sentenças e noções geométricas de limites OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM ➢ Identificar e esboçar gráficos de funções elementares de uma variável real: funções constantes, potência, afim, quadrática, exponencial, logarítmicas e trigonométricas. ➢ Construir gráficos de funções utilizando movimentação gráfica. ➢ Identificar e construir gráfico de funções definidas por várias sentenças. ➢ Analisar gráfico de funções definidas por várias sentenças e reconhecer os limites laterais, limites e continuidade no ponto, limites infinitos e no infinito. Profa. Me. Alessandra Azzolini 2 Profa. Me. Alessandra Azzolini INTRODUÇÃO O Cálculo Diferencial e Integral é um ramo importante da matemática, desenvolvido a partir da Álgebra e da Geometria. Foi desenvolvido por Isaac Newton (1643-1727) e Gottfried Leibniz (1646-1716) simultaneamente em trabalhos independentes. O Cálculo Diferencial e Integral é a base para o curso de computação e afins, muitas funções são implementadas com bases matemáticas, essas operações auxiliam a entende a variação de condições matemática de situações reais com relação as mudanças dessas próprias condições. Limites é uma teoria matemática que estuda o comportamento das funções para valores próximo de um número dado. Exemplo: Suponha que um físico deseja obter determina medida quando a pressão do ar é zero. Como, no laboratório, é extremamente difícil obter a pressão exatamente igual a zero, isto é, vácuo perfeito. O físico deverá obter medidas a pressões cada vez menores. Se, quando as pressões tendem para zero, as medidas correspondentes tendem para um número n, então ele concluirá, naturalmente, que se a pressão for zero, o valor da medida será n. NOÇÃO INTUITIVA DE LIMITE – LIMITES LATERAIS Seja a função 𝒇: ℝ → ℝ, definida por 𝑓(𝑥) = 𝑥 + 4. Vamos dar valores a x que se aproximem de 1, pela sua direita (valores maiores que 1) e pela esquerda (valores menores que 1) e calcular o valor correspondente de y: X y = x + 4 1,5 5,5 1,3 5,3 1,1 5,1 1,05 5,05 1,02 5,02 1,01 5,01 X y = x + 4 0,5 4,5 0,7 4,7 0,9 4,9 0,95 4,95 0,98 4,98 0,99 4,99 3 Profa. Me. Alessandra Azzolini Notamos que: • o limite de 𝑓(𝑥), quando x tende para 1, pela esquerda, é igual a 5 ou, abreviadamente: lim 𝑥→1− 𝑓(𝑥) = 5 • o limite de 𝑓(𝑥), quando x tende para 1, pela direta, é igual a 5 ou, abreviadamente: lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) = 5 Estes dois limites são chamados de limites laterais. Quando existirem os limites laterais e forem iguais, dizemos que existe o limite de 𝒇(𝒙) quando 𝒙 tende para 1 e escrevemos, simplesmente: lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 5 De forma geral, escrevemos: lim 𝑥→𝑎 𝑓(𝑥) = 𝑏 se, quando x se aproxima de a (𝑥 a), 𝑓(𝑥) se aproxima de b (𝑓(𝑥) b). O limite de uma função existe se e somente se os limites laterais existirem e forem iguais. Simbolicamente: LxfxfLxf axaxax === +− →→→ )(lim)(lim)(lim Como x² + x - 2 = (x - 1) (x + 2), temos: 4 Profa. Me. Alessandra Azzolini Podemos notar que quando x se aproxima de 1 (x 1), f(x) se aproxima de 3, embora para x = 1 tenhamos f(x) = 2. o que ocorre é que procuramos o comportamento de y quando x 1. E, no caso, y 3. Logo, o limite de f(x) é 3. Escrevemos: Se 𝒈: ℝ → ℝ, definida por 𝑔(𝑥) = 𝑥 + 2, lim 𝑥→1 𝑔(𝑥) = lim 𝑥→1 (𝑥 + 2) = 3, embora g(x) f(x) em x = 1. No entanto, ambas têm o mesmo limite. EXEMPLO 1 - Observando o gráfico da função presente na figura a seguir, podemos determinar os seus limites: 𝑎) lim 𝑥→0+ 𝑓(𝑥) = 3 𝑏) lim 𝑥→0− 𝑓(𝑥) = 1 𝑐) lim 𝑥→0 𝑓(𝑥) = 𝑑) 𝑓(0) = 5 Profa. Me. Alessandra Azzolini EXEMPLO 2 - Seja 𝑓(𝑥) a função definida pelo gráfico: Intuitivamente, encontre se existir: 𝑎) lim 𝑥→2+ 𝑓(𝑥) = 0 𝑏) lim 𝑥→2− 𝑓(𝑥) = 0 𝑐) lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = 0 𝑑) lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) = 1 𝑒) lim 𝑥→ 1− 𝑓(𝑥) = 1 𝑓) lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 1 6 Profa. Me. Alessandra Azzolini EXERCÍCIOS 1) O gráfico a seguir representa uma função 𝒇 de [-𝟔, 𝟗] em ℝ. Determine: 𝑎) 𝑓(2) = 3 𝑏) lim 𝑥→2− 𝑓(𝑥) = 2 𝑐) lim 𝑥→2+ 𝑓(𝑥) = 5 𝑑) lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = 𝑛ã𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑒) 𝑓(−2) = 0 a) lim 𝑥→1− 𝑓(𝑥) = 3 b) lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) = 3 c) lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 3 d) 𝑓(1) = 4 7 Profa. Me. Alessandra Azzolini a) lim 𝑥→1− 𝑓(𝑥) = 2 b) lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) = 0 c) lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 𝑛ã𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 d) 𝑓(1) = 2 Considere a função 8 Profa. Me. Alessandra Azzolini 4) Dada a função 𝑓(𝑥) = { 𝑥 + 1, 𝑠𝑒 𝑥 ≠ 1 3, 𝑠𝑒 𝑥 = 1 , determine: a) lim 𝑥→1− 𝑓(𝑥) = 2 b) lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) = 2 c)lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 2 𝑑) 𝑓(1) = 3 5) Dada a função 𝑓(𝑥) = { 𝑥 − 2, 𝑠𝑒 𝑥 ≤ 0 𝑥2, 𝑠𝑒 𝑥 > 0 , determine: a) lim 𝑥→0− 𝑓(𝑥) =-2 b) lim 𝑥→0+ 𝑓(𝑥) = 0 c)lim 𝑥→0 𝑓(𝑥) = 𝑛ã𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 9 Profa. Me. Alessandra Azzolini 6) Dada a função 𝑓(𝑥) = { 3𝑥 − 3, 𝑠𝑒 𝑥 < 2 𝑥 + 1, 𝑠𝑒 𝑥 > 2 , determine: a) lim 𝑥→2− 𝑓(𝑥) = 3 b) lim 𝑥→2+ 𝑓(𝑥) = 3 c)lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = 3 Propriedades Operatórias dos Limites Nesse capítulo, enunciaremos, sem demonstração, os teoremas sobre limites de funções e suas aplicações na resolução de problemas, teoremas estes que desempenharão um papel importante em todo o nosso curso. • (P0) Se 1)(lim Lxf ax = → e 2)(lim Lxf ax = → , então .21 LL = (Teorema da Unicidade do limite) • (P1) Sejam a e c números reais quaisquer, então cc ax = → lim isto é o limite de uma constante é a própria constante. • (P2) Se a, b, m são números reais, então: bmabmx ax +=+ → )(lim Exemplo: 754.3)53(lim 4 =−=− → x x • (P3) Se ,)(lim e )(lim MxgLxf axax == →→ então: • Sejam f e g funções tais que: 2 px 1 px L)x(flim e L)x(flim == →→ então: 1) )(lim)(lim L)]()([lim 21 xgxfLxgxf pxpxpx →→→ +=+=+ , ou seja, o limite da soma é igual a soma dos limites. 2) )(lim.)(lim 1 xfkLkxfk pxpx →→ == 3) )x(glim)x(flim LL)]x(g)x(f[lim pxpx 21 px →→→ −=−=− 4) )(lim)(lim L)]()([lim 21 xgxfLxgxf pxpxpx →→→ == 5) 0L que desde , )x(glim )x(flim L L )x(g )x(f lim 2 px px 2 1 px == → → → 6) Nn ,)x(flimL)]x(f[lim n px n 1 n px == →→ 10 Profa. Me. Alessandra Azzolini 7) par) én que em caso (no 0L que desde ,)x(flimL)x(flim 1n px n 1 n px == →→ 8) = → k ,lim kk px , ou seja, o limite de uma constante é a própria constante. 9) pxlim px = → 10) )x(glim px L 1 )x(g px px 2 )x(flimL)x(flim → == →→ a) 93lim 22 3 == → x x b) ( ) 2774575lim 4 =+=+ → x x Exemplo 1 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟐 (𝟐𝒙𝟐 − 𝟕𝒙 + 𝟒)= -2 Obs: Toda vez que se calcula um limite deve-se iniciar aplicando o valor na qual deseja-se saber o limite. Somente se der alguma indeterminação deve-se recorrer a outros métodos e técnicas. Ou seja, a ideia é literalmente substituir o valor para o qual 𝒙 está tendendo dentro do limite. Então, isso é possível porque temos um polinômio e um teorema que garante que 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝒂 𝒑(𝒙) = 𝒑(𝒂) onde 𝑝(𝑥)é um polinômio de ordem n. 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟐 (𝟐𝒙𝟐 − 𝟕𝒙 + 𝟒) = 𝟐𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟐 𝒙𝟐 + 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟐 (−7𝑥) + 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟐 4 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟐 (𝟐𝒙𝟐 − 𝟕𝒙 + 𝟒) = 2.4 + (−14) + 4 11 Profa. Me. Alessandra Azzolini Exemplo2 𝐥𝐢𝐦 𝒙 →𝟏 𝒙𝟐 + 𝟕𝒙 − 𝟐 −𝟑𝒙 + 𝟓 Da mesma forma, como no exemplo anterior, deve-se abrir em vários limites aplicando as propriedades: Exemplo 3 Resolve-se este exemplo da mesma forma que os anteriores. Exercícios 7) Dada a função 𝑓(𝑥) = 3𝑥 − 2, determine: a) lim 𝑥→0 𝑓(𝑥) = −2 b) lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = 4 c) lim 𝑥→−1 𝑓(𝑥) = −5 12 Profa. Me. Alessandra Azzolini 8) Dada a função 𝑓(𝑥) = 𝑥2 − 3𝑥 + 2, determine: a) lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = 0 b) lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 0 c) lim 𝑥→−2 𝑓(𝑥) = 12 9) Determine os limites a) lim 𝑥 →1 (4𝑥2 − 7𝑥 + 5) = 2 𝑏) lim 𝑥 →−3 𝑥2 + 2𝑥 − 3 5 − 3𝑥 = 0 14 = 0 c) lim 𝑥 →2 ( 3𝑥2 − 2𝑥 − 5 −𝑥2 + 3𝑥 + 4 ) 3 = ( 3 6 ) 3 = ( 1 2 ) 3 = 1 8 d) lim 𝑥 →−1 √2𝑥 2 + 3𝑥 − 3 5𝑥 − 4 = √ −4 −9 = √ 4 9 = 2 3 𝑒) lim 𝑥 →2 √2𝑥2 + 3𝑥 + 2 6 − 4𝑥 = √16 −2 = 4 −2 = −2 √2.22 + 3.2 + 2 6 − 4.2 = √2.4 + 3.2 + 2 6 − 4.2 = √8 + 6 + 2 6 − 8 13 Profa. Me. Alessandra Azzolini LIMITES INDETERMINADOS Em alguns casos não é possível calcular o valor do limite por simples substituição. Ao adotar tal procedimento nos deparamos com resultados do tipo 0 0 ou . 𝐼𝑛𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎çã𝑜 0 0 𝑜𝑢 ∞ ∞ Exemplo 1 Seja a função ( ) 2 443 2 − −− = x xx xf , com 2→x , isto é, ( ) 0 0 2 443 lim 2 2 = − −− = → x xx xf x Indeterminação, estudando-se esta função, tem-se que o domínio de ( )xf abrange todos os números reais, com exceção de 2=x que anula o denominador e o numerador. O que significa que a função é indefinida neste ponto. Porém, ao se utilizar “Bhaskara” no numerador, ou seja, =++ 0 2 cbxax a acbb x 2 42−− = . Assim, −= = = + = 32 2 6 84 6 48164 2 1 x x x ( ) 23 2 )2)(23( 2 443 2 += − −+ = − −− = x x xx x xx xf Desta forma, tem-se que ( ) 823lim 2 )2)(23( lim 2 443 lim 22 2 2 =+= − −+ = − −− = →→→ x x xx x xx xf xxx , O gráfico mostra que para x aproximando de 2 , ( )xf se aproxima de 8 , mas se substituir-se 2=x na 1a expressão, ( )xf não está definida naquele ponto. ( ) 223 += xxxf Ponto ( )8,2 deve ser excluído do gráfico, pois naquele ponto a função é indefinida. 14 Profa. Me. Alessandra Azzolini Exemplo 2 Aqui encontra-se um dos casos de indeterminação nos limites. Assim, para superar esta indeterminação, propõe-se utilizar o método de decompor a expressão do denominador como produto de suas raízes. Assim, caso uma das suas raízes seja igual ao numerador, então se simplifica. Para encontrar as raízes podemos utilizar a Formula de Bháskara ou Soma e Produto ou até mesmo o algoritmo de Briot-Ruffini. Simplificando os termos iguais encontramos facilmente o limite dado por: Produtos notáveis: http://www.dicasdecalculo.com.br/formula-de-bhaskara/ http://www.dicasdecalculo.com.br/soma-e-produto/ http://www.dicasdecalculo.com.br/soma-e-produto/ http://www.dicasdecalculo.com.br/briot-ruffini-divisao-euclidiana-exemplo/ 15 Profa. Me. Alessandra Azzolini . 10) Determine os valores de: a) lim 𝑥→3 𝑥2 − 9 𝑥 + 3 = 0 6 = 0 b) lim 𝑥→ −3 𝑥2 − 9 𝑥 + 3 = lim 𝑥→ −3 (𝑥 + 3)(𝑥 − 3) 𝑥 + 3 = lim 𝑥→ −3 𝑥 − 3 = −6 c) lim 𝑥→2 𝑥 − 2 𝑥2 − 4 = lim 𝑥→2 𝑥 − 2 (𝑥 + 2)(𝑥 − 2) = lim 𝑥→2 1 (𝑥 + 2) = 1 4 d) lim 𝑥→1 1 − 𝑥2 1 − 4 = 0 e) lim 𝑥→4 𝑥2 + 𝑥 − 20 𝑥 − 4 = lim 𝑥→4 (𝑥 − 4)(𝑥 + 5) 𝑥 − 4 = lim 𝑥→4 𝑥 + 5 = 9 f) lim 𝑥→1 𝑥2 − 1 𝑥 − 1 = lim 𝑥→1 (𝑥 + 1)(𝑥 − 1) 𝑥 − 1 == lim 𝑥→1 𝑥 + 1 = 2 g) lim 𝑥→−2 4 − 𝑥2 2 + 𝑥 = lim 𝑥→−2 (2 + 𝑥). (2 − 𝑥) 2 + 𝑥 = lim 𝑥→−2 2 − 𝑥 = 4 h) lim 𝑥→3 𝑥2 − 6𝑥 + 9 𝑥 − 3 = lim 𝑥→3 (𝑥 − 3)(𝑥 − 3) 𝑥 − 3 = lim 𝑥→3 𝑥 − 3 = 0 16 Profa. Me. Alessandra Azzolini LIMITES NO INFINITO Introdução: Consideremos a função f definida por x xf 1 )( = e analisemos, mediante uma tabela, o seu comportamento quando os valores de crescem ilimitadamente através de valores positivos. x 4 1 3 1 2 1 1 2 3 4 10 100 1.000 10.000 100.000 4 3 2 1 2 1 3 1 4 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Pela tabela constatamos que quando cresce ilimitadamente através de valores positivos, os valores da função se aproximam cada vez mais de 0 (zero). Simbolicamente, representamos tal fato por: , que se lê: “limite de f de , quando tende a mais infinito, é igual a zero”. Observação: Quando uma variável independente está crescendo ilimitadamente através de valores positivos, escrevemos: “ ”. Devemos enfatizar que + não é um número real. O símbolo + indica, portanto, o comportamento da variável independente . Consideremos agora, para a mesma função, uma tabela onde os valores da variável decrescem ilimitadamente através de valores negativos. x - 4 1 - 3 1 - 2 1 -1 -2 -3 -4 -10 -100 -1.000 -10.000 -100.000 -4 -3 -2 -1 - 2 1 - 3 1 - 4 1 -0,1 -0,01 -0,001 -0,0001 -0,00001 Observando a tabela anterior verificamos que à medida em que os valores de decrescem ilimitadamente através de valores negativos, os valores da função se aproximam cada vez mais de 0 (zero). Usando o simbolismo “ ” para indicar os valores de que estão decrescendo ilimitadamente, representamos simbolicamente o fato acima por um 0)(lim = −→ xf x , que se lê: “limite de f de , quando tende a menos infinito, é igual a zero. Analogamente, observando o comportamento da função através do seu gráfico (figura indicada acima), constatamos que quando x decresce ilimitadamente através de valores negativos ( ), os valores da função )(xf aproximam-se cada vez mais de 0 (zero). Simbolicamente, escrevemos: 0)(lim = −→ xf x ou 0 1 lim = −→ xx . x )(xf x 0)(lim = +→ xf x x x x +→x x x )(xf x −→x x x x −→x 17 Profa. Me. Alessandra Azzolini Observe o gráfico da função x xf 1 1)( −= apresentado na Figura a seguir: Observando o gráfico e as tabelas, vemos que esta função tende para o valor 1, quando x tende para o infinito. Isto é, 1→y quando .x → Denotamos por 1 1 1lim = − → xx Limite de uma função Polinomial Consideremos a função polinomial 13764)( 23 +−+−= xxxxP , podemos escrevê-la na seguinte forma: +−+−= 32 3 4 13 4 7 4 6 14)( xxx xxP Portanto, +−+−= →→→ 32 3 4 13 4 7 4 6 1lim)4(lim)(lim xxx xxP xxx Ora, é claro que: 1 4 13 4 7 4 6 1lim 32 = +−+ → xxxx Temos, então: )4(lim)(lim 3xxP xx −= →→ Assim, temos dois casos: −=−= +→+→ )4(lim)(lim 3xxP xx e +=−= −→−→ )4(lim)(lim 3xxP xx Generalizando, sendo 01 2 2 1 1 ...)( axaxaxaxaxP n n n n +++++= − − , podemos sempre escrever: n n xx xaxP →→ = lim)(lim 18 Profa. Me. Alessandra Azzolini 11) Calcule os limites indicados: a) lim 𝑥→+∞ (2𝑥 + 1) = +∞ 𝑥 2𝑥 + 1 1 3 2 5 3 7 10 21 100 201 b) lim 𝑥→+∞ (−3𝑥 + 2) = −∞ 𝑥 −3𝑥 + 2 1 -1 2 -4 3 4 10 c) lim 𝑥→−∞ 𝑥3 = −∞ d) lim 𝑥→−∞ 𝑥2 = ∞ e) lim 𝑥→−∞ 5 𝑥 = 0 f) lim 𝑥→−∞ 1 𝑥2 = 0 g) lim 𝑥→+∞ 1 + 𝑥 5 = +∞ h) lim 𝑥→−∞ (2 + 1 𝑥 ) = lim 2 + 𝑥→−∞ lim 𝑥→−∞ 1/x = i) lim 𝑥→+∞ ( 1 4 ) −𝑥 = +∞ 𝑥 ( 1 4 ) −3 1 4 2 16 3 64 4 10 19 Profa. Me. Alessandra Azzolini j) lim 𝑥→+∞ ( 7 5 ) 𝑥 = +∞ 𝑘) lim 𝑥→−∞ 𝑥2 + 3𝑥 − 1 = +∞ l) lim 𝑥→0− 3 𝑥3 = −∞ m) lim 𝑥→0+ −2 𝑥2 = −∞ Referências Bibliográficas GUIDORIZZI,Hamilton L. Um Curso de Cálculo: Volume 1. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2001. PISKUNOV, N. Cálculo Diferencial e Integral: Volume 1. Moscou: Editora Mir, 1977. ROGAWSKI, Jon. Cálculo: Volume 1. Porto Alegre: Bookman, 2009.
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