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DESCRIÇÃO Abordagem das funções por vários pontos de vista complementares: descrição como conceito matemático, estudo analítico e representação gráfica. Consolidação da importante noção de função real de uma variável real. PROPÓSITO Compreender a relevância do conceito de função para a interpretação e a resolução de problemas diversos, inclusive fenômenos naturais, sociais e de outras áreas. OBJETIVOS MÓDULO 1 Reconhecer graficamente o domínio, a imagem e o contradomínio de funções MÓDULO 2 Identificar graficamente os tipos de funções: injetora, sobrejetora e bijetora MÓDULO 3 Definir funções crescentes e decrescentes MÓDULO 4 Definir funções periódicas MÓDULO 1 Reconhecer graficamente o domínio, a imagem e o contradomínio de funções INTRODUÇÃO Para fazermos modelos matemáticos de nossa realidade, associamos quantidades numéricas aos acontecimentos, fatos e objetos que desejamos estudar ou analisar. É comum obtermos relações expressas em termos de fórmulas ou expressões matemáticas, porém, muitas vezes, as expressões obtidas nem sempre dão origem a um número real para todos os possíveis valores da variável independente. Nessa situação, é importante determinar o conjunto dos valores da variável independente para os quais a fórmula matemática define uma função. Imagem: Shutterstock.com Nosso estudo se restringirá ao estudo das funções reais de variável real, ou seja, tanto o domínio quanto o contradomínio são subconjuntos de ℝ ou até mesmo todo o ℝ. Antes de darmos prosseguimentos ao nosso estudo de funções, assista ao vídeo que relembra as definições básicas relativas às funções. DEFINIÇÃO O domínio da função � é o maior subconjunto de ℝ onde a expressão (ou fórmula) que define a função assume valores reais, ou seja: � ( � ) = { � ∈ℝ | Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Veja nas imagens três representações gráficas de funções cuja lei de formação é �(�)=�2 e os seus domínios. �1=ℝ �2 = � − 2; − 2√ ; − 1; 0; 1; 2√ ; 2� �3=[0;+∞[ Quando uma função está definida por uma fórmula matemática, a fórmula em si pode impor restrições sobre os valores reais para os quais podemos calculá-la. EXEMPLO 1 Qual é o domínio da função � ��� = 1�? Repare que �=0 não está no domínio dessa função, pois a divisão por 0 (zero) não está definida. Logo, �(�)=ℝ∗. EXEMPLO 2 Qual é o maior subconjunto de �⊂ℝ, tal que a fórmula ���� = �√ define uma função �:�→ℝ? Como só podemos calcular a raiz quadrada de valores não negativos, temos: �(�)=[0; +∞[. Vamos ver na prática como determinar o domínio de uma função? EXEMPLO 3 Pensando em construir uma piscina retangular em sua casa, João recorreu à Revista Casa e Jardim, da Globo, onde encontrou um modelo de piscina que contracena com a represa no projeto assinado pela arquiteta Eliana Marques Lisboa. Sabendo que o terreno onde será construída a piscina deve ser cercado com 240 m de cerca, faça o que se pede: A - Expresse a área do terreno em metros quadrados em função do comprimento do terreno. B - Determine o domínio da função resultante. Lembre-se de que a expressão que determina a área de uma figura retangular é dada pelo produto entre o comprimento e a largura. Assista ao vídeo com a resolução das questões apresentadas no exemplo 1.3. EXEMPLO 4 SABENDO QUE O COMPRIMENTO DO TERRENO DE JOÃO É DE 100 M, UTILIZE A EXPRESSÃO OBTIDA �=�⋅(120−�) PARA DETERMINAR A ÁREA DO TERRENO ONDE SERÁ CONSTRUÍDA A PISCINA. RESOLUÇÃO DA QUESTÃO RESOLUÇÃO DA QUESTÃO Conforme visto no exemplo 3, a área do terreno é dada pela expressão A=x⋅(120−x), onde x é o número de metros de comprimento do terreno. Logo, temos: javascript:void(0) javascript:void(0) A(100)=100⋅(120−100)=2000 m2 Isso significa que a imagem de 100 pela função A é 2000. ATENÇÃO Os gráficos das funções podem fornecer informações visuais importantes sobre uma função. O gráfico de uma função pode ser definido como: ����(�)={(�; �(�)) | �∈�(�)} Portanto, a ordenada � de um ponto do gráfico da função � é o valor de � na abscissa � correspondente. O gráfico de � também nos permite visualizar o domínio e a imagem, além de muitas outras informações. LEITURA GRÁFICA: DOMÍNIO E IMAGEM O domínio da função � é o maior subconjunto de ℝ onde a expressão (ou fórmula) que define a função assume valores reais, ou seja: COMO SABER SE UM NÚMERO REAL � PERTENCE AO DOMÍNIO DE UMA FUNÇÃO �? O número real � pertence ao domínio de uma função � se a reta vertical �=� corta o gráfico de � em um ponto. Como f é uma função, este ponto é necessariamente único. Foto: Shutterstock.com EXEMPLO 1 Taxa de crescimento 2010-2060 do Brasil e de Tocantins: Fonte: BRASIL. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Projeção da população do Brasil e das Unidades da Federação. Brasília: IBGE, 2008. Imagem: Shutterstock.com. Imagem adaptada por: Gian Corapi. Verifique que, no ano de 2030, temos uma única taxa de crescimento, tanto no Brasil quanto em Tocantins. COMO SABER SE UM NÚMERO REAL � PERTENCE À IMAGEM DE UMA FUNÇÃO �? O número real � pertence à imagem de uma função � se a reta horizontal �=� corta o gráfico de � em pelo menos um ponto. EXEMPLO 2 Verifique que o valor 0,82 pertence tanto à imagem da função que representa a taxa de crescimento no Tocantins quanto à função que representa a taxa de crescimento no Brasil, em 2029 e 2018, respectivamente. Taxa de crescimento 2010-2060 do Brasil e de Tocantins: Fonte: BRASIL. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Projeção da população do Brasil e das Unidades da Federação. Brasília: IBGE, 2008. DOMÍNIO Dado o gráfico de uma função, uma forma de encontrar o domínio da função é projetar o gráfico no Eixo ��. Exemplo 1: Observe o gráfico da função �: O que acontece se projetarmos o gráfico da função no Eixo ��? Vemos que o domínio da função � é o intervalo no eixo das abscissas indicado em vermelho. Seu domínio é o intervalo fechado: � � � � = � − 1, 4� Exemplo 2: Observe o gráfico da função �: javascript:void(0) javascript:void(0) O que acontece se projetarmos o gráfico da função no Eixo ��? Vemos que o domínio da função � é o conjunto no eixo das abscissas indicado em vermelho. Seu domínio é a união de intervalos disjuntos (intervalos cuja interseção é vazia): � � � � = � − 7 2 , 1� ∪ �1 , 5�. javascript:void(0) javascript:void(0) Assista ao vídeo com mais um exemplo de domínio da função. IMAGEM Dado o gráfico de uma função, uma forma de encontrar a imagem da função é projetar o seu gráfico no Eixo ��. Exemplo 1: Observe o gráfico da função �: O que acontece se projetarmos o gráfico da função no Eixo ��? Vemos que a imagem da função � é o intervalo fechado indicado em vermelho no Eixo ��. Sua imagem é o intervalo fechado − 9 4 ; 37 12 , � � � � � = − 9 4 ; 37 12 . Exemplo 2: Observe o gráfico da função �: javascript:void(0) javascript:void(0) O que acontece se projetarmos o gráfico da função no Eixo �y? Vemos que a imagem da função � é o intervalo indicado em vermelho no Eixo �y Sua imagem é o intervalo � − 2; 5, 25�. � � � � � = � − 2; 5, 25�. EXEMPLO 3 javascript:void(0) javascript:void(0) Gráfico da função ℎ Se Projetarmos o gráfico da função no Eixo ��, vemos que a imagem da função ℎ é o intervalo indicado em vermelho no Eixo ��. Sua imagem é o intervalo � − 2; 5, 25�. � � � ℎ � = � − 2; 5, 25�. Em resumo, é possível determinar a imagem de um conjunto de pontos: Se � é um subconjunto do domínio da função � (pintado de azul na figura), então, a imagem deste subconjunto é dada por �(�)={ �(�) | � ∈� }. EXEMPLO 4 Assista ao vídeo com mais um exemplo de imagem da função. EXEMPLO 5 Observe o gráfico da função � e o intervalo − 2 3 ; 5 12 destacado em verde no Eixo ��, que é um subconjunto da imagem de �. Ao traçar as retas � = 5 12 e � = − 2 3 de forma horizontal, partindo no Eixo ��, temos: Se pegarmos a parte do gráfico restrita à região entre as retas � = −2 3 e � = 5 12 , temos: Agora, para descobrirmos a parte do domínio correspondente ao intervalo − 2 5 ; 5 12 da imagem, basta projetarmos no Eixo ��. A parte do Eixo �� que nos interessa está destacada em vermelho: [−0,4; 2]∪[3,6; 3,8]: VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. CONSIDERE A SEGUINTE FUNÇÃO: �� = −2�, �� � < 0 �,� �� 0 ≤ � ≤ 4 2, �� � > 4 O DOMÍNIO E A IMAGEM DA FUNÇÃO SÃO, RESPECTIVAMENTE: A) �� � � = ℝ � ��� � � = �0, + ∞ � B) �� � � = �0, + ∞ � � �� � = ℝ C) �� � � = ℝ � �� � = ℝ D) �� � � = �0, + ∞ � � �� � = �0, + ∞ � 2. (PETROBRAS - 2008) CONSIDERE QUE � É UMA FUNÇÃO DEFINIDA DO CONJUNTO � EM ℝ POR: �(�)=�2−4�+8. SENDO �� A IMAGEM DE �, É CORRETO AFIRMAR QUE, SE: A) �=[−2,0], então ��(�)=ℝ+. B) �=[2,+∞[, então ��(�)=[0;4]. C) �=[2,+∞[, então ��(�)=ℝ+. D) �=[0;2], então ��(�)=[4;8]. 3. OBSERVE OS GRÁFICOS DAS FUNÇÕES �=�(�), �=�(�) E �=�(�): NO MESMO PAR DE EIXOS, PODEMOS AFIRMAR QUE: A) �2 = 2, �2 = 2, � ℎ2 = − 2. B) �� = −3, 3 � ��ℎ = −4, 3 C) �� = −4, 4 � ��� = −4, 3. D) �ℎ = −2, 2 � ��ℎ = −4, 3 4. CONSIDERE A FUNÇÃO ���� = 120�300−�. PODEMOS AFIRMAR QUE O DOMÍNIO DA FUNÇÃO � É: A) Todo número real �. B) Todo número real �, exceto os números positivos. C) Todo número real �, exceto �=300. D) Todo número real �, exceto os números negativos. 5. CONSIDERE O GRÁFICO DA FUNÇÃO �: APÓS A ANÁLISE DO GRÁFICO, PODEMOS AFIRMAR QUE: A) A função não está definida em �=1,6. B) ��� = −4, 5 ∪ −3, 4 . C) �(�)=[−4.5, 11]. D) �(�)=[−4.5, 2)∪(2,11]. 6. SE A FUNÇÃO REAL DEFINIDA POR �� = �+1 �−2√ + 11−�√ POSSUI �=[�,�] COMO DOMÍNIO, ENTÃO, �+� VALE: A) 11 B) 5 C) 13 D) 15 GABARITO 1. Considere a seguinte função: �� = −2�, �� � < 0 �,� �� 0 ≤ � ≤ 4 2, �� � > 4 O domínio e a imagem da função são, respectivamente: A alternativa "A " está correta. A função é formada por três pedaços de funções já conhecidas. Cada um desses pedaços corresponde a uma parte do domínio. Para �<0, o gráfico é parte da reta �=−2�. Para traçar, basta considerarmos dois pontos. � �= −2� (�; -2�) 0 -2 . 0 = 0 (0; 0) -2 -2 . (-2) = 4 (-2; 4) Marcando esses pontos no plano, obtemos a parte da reta que nos interessa: Repare que o ponto (0;0) ficou traçado como “bolinha aberta”, pois �=0 não pertence a essa parte do domínio da função. Para 0≤�≤4, o gráfico é parte do gráfico de �=√�. Para traçá-lo, devemos olhar para o esboço apresentado anteriormente, bem como calcular o valor da função nos extremos. � �=√� (�; √�) 0 √0=0 (0; 0) 4 √4=2 (4; 2) Marcamos, então, esses pontos e, em seguida, traçamos uma curva passando por eles com o formato parecido com o do esboço já apresentado. Finalmente, para �>4, a função é constante e igual a 2. Seu gráfico é uma reta paralela ao Eixo ��: Aqui, o ponto (4;2) também ficou como “bolinha aberta”, pois �=4 não pertence a essa parte do domínio. Juntando todas essas informações em um único plano, obtemos o gráfico da função �: A partir da representação gráfica, fica fácil perceber que �� � � = ℝ � �� � = �0, + ∞ �. 2. (PETROBRAS - 2008) Considere que � é uma função definida do conjunto � em ℝ por: �(�)=�2−4�+8. Sendo �� a imagem de �, é correto afirmar que, se: A alternativa "D " está correta. O gráfico da função � é dado por: Vamos analisar cada restrição do domínio da função �. Note que, se �=[−2,0], temos que ��(�)=[8,20]. Se �=[2,+∞[, temos que ��(�)=[4,+∞). Se �=[0;2], temos que I�(�)=[4;8]. 3. Observe os gráficos das funções �=�(�), �=�(�) e �=�(�): No mesmo par de eixos, podemos afirmar que: A alternativa "C " está correta. Observando o gráfico, temos: �(2)=2, �(2)=2 e ℎ(2)=2. ���(�)=[−4,4] e ��(�)=[−4,3]. ���(�)=[−3,3] e ��(�)=[−1,�(3)] ���(ℎ)=[−2,2] e ��(ℎ)=[1,2]. 4. Considere a função ���� = 120� 300−�. Podemos afirmar que o domínio da função � é: A alternativa "C " está correta. A função não está definida para �=300, pois este número anula o denominador. 5. Considere o gráfico da função �: Após a análise do gráfico, podemos afirmar que: A alternativa "D " está correta. Projetando o gráfico da função no eixo -�, vemos que o domínio da função � é o conjunto no eixo -� indicado em vermelho na figura. Seu domínio é a seguinte união de intervalos:[−�.� , �) ∪ (� , ��]. ���(�)=[−�.� , �) ∪ (� , ��]. Projetando o gráfico da função no eixo -�, vemos que a imagem da função � é o intervalo no eixo -� indicado em vermelho na figura. Sua imagem é o intervalo [−�, �.�]. ��(�)=[−�, �.�]. 6. Se a função real definida por �� = �+1 �−2√ + 11−�√ possui �=[�,�] como domínio, então, �+� vale: A alternativa "C " está correta. Primeiramente, vamos determinar o domínio da função �. Para isso, precisamos analisar para quais valores de � a função � − 2√ e 11 − �√ está bem definida e fazer a interseção dos intervalos. Note que � − 2√ está bem definida para � ≥ 2, e 11 − �√ está bem definida para 11 − � ≥ 0, ou seja, � ≤ 11. Como �2, + ∞ � ∩ � − ∞ , 11� = 2, 11, temos que �=[2,11]. Logo, � + � = 2 + 11 = 13. MÓDULO 2 Identificar graficamente os tipos de funções: injetora, sobrejetora e bijetora FUNÇÕES INJETORAS Uma função � é dita injetora (ou injetiva) se, para quaisquer dois números �1, � 2 ∈ ���(�), tais que �1≠�2, os números �(�1) e �(�2) na imagem de � são também distintos. Assista ao vídeo com mais um exemplo de injeção, sobrejeção e bijeção. EXEMPLO 1 A função �(�)=�2−1, definida para todos os números reais, é injetiva? Observe que: �(−2)=(−2)2−1=3=22−1=�(2) Em outros termos, –2 e 2 têm a mesma imagem. Gráfico da função � e reta horizontal �=� A partir da representação gráfica da função �(�)=�2−1, é possível observar que há retas horizontais que intersectam seu gráfico mais de uma vez. ATENÇÃO Teste da reta horizontal Uma função é injetiva se, e somente se, toda reta horizontal intersecta seu gráfico em, no máximo, um ponto. Observe que, pelo teste da reta horizontal, a função do exemplo citado não é injetiva. EXEMPLO 2 A função �(�)=�3 é injetiva. Gráfico de �(�)=�� Qualquer reta horizontal intersecta o gráfico em apenas um ponto. Logo, pelo teste da reta horizontal, a função � é injetiva. FUNÇÕES SOBREJETORAS E BIJETORAS SOBREJETORAS Se �,�⊂ℝ, uma função �:�→� é chamada sobrejetora ou sobrejetiva, quando �(�)=�. Repare que, quando restringimos o contradomínio de uma função para sua imagem, ou seja,�:���(�)⟶�(���(�)), estamos garantindo que não há qualquer elemento do contradomínio que não seja imagem de algum elemento do domínio. Assim, essa é uma forma de garantir que a função seja sobrejetiva. BIJETORAS Uma função �, que é simultaneamente injetora e sobrejetora, é chamada de bijetora ou bijetiva. Assim, a função �:���(�)→�(���(�)) (que já é sobrejetora) será bijetora se, e somente se, for injetora. RELAÇÃO GEOMÉTRICA ENTRE OS GRÁFICOS DE UMA FUNÇÃO E SUA INVERSA O objetivo é mostrar graficamente a relação existente entre o gráfico de uma função bijetora e sua inversa. ATENÇÃO Lembre-se de que uma função ter inversa é equivalente a ela ser bijetiva. No quadro a seguir, sintetizamos algumas informações sobre uma função � e sua inversa �−1: �: �→ � E �−1: �→ � SE �"LEVA" � EM � ENTÃO �−1 "TRAZ" � "DE VOLTA" EM � ���� = � ⇔ �−1��� = � ������ = ����−1� E �����−1� = ����� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal É preciso notar que: ���� = � ⇔ �−1��� = � Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Mas o que essa equivalência significa geometricamente? Que o ponto (�;�) estar no gráfico da função � é equivalente ao ponto (�;�) estar no gráfico da função �−1. Simetria dos pontos (�;�) e (�;�) em relação à reta �=� No gráfico, percebemos que os pontos (�;�) e (�;�) são simétricos em relação à reta �=�. Mas isso é verdade para todos os pontos das funções � e �−1. O GRÁFICO DE �−� É OBTIDO REFLETINDO-SE O GRÁFICO DE � EM TORNO DA RETA �=�. Simetria entre os gráficos de � e �−� Se � e � forem tais que �−1 = � , temos: �−1� � = � � = �−1 � = �, PARA TODO � ∈ �� � �. Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal � �−1 � = � � = �, PARA TODO � ∈ � �−1 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A lei da esquerda nos diz que, se começarmos em �, aplicando �, e, em seguida, �−1, obteremos de volta �. Da mesma forma, a lei da direita nos diz que, se começarmos em �, aplicando �−1, e, em seguida, �, obteremos de volta �. EXEMPLO 1 Assista ao vídeo com um exemplo de relação geométrica entre os gráficos de uma função e sua inversa. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. (ADAPTADA DE: LIVRO ABERTO - S.D.) CONSIDERE A FUNÇÃO �:ℝ→ℝ TAL QUE �(�)=9−�2. ASSINALE A ALTERNATIVA CORRETA: A) Existe algum �∈ℝ cuja imagem é igual a 10. B) A função � é injetora. C) A função � é sobrejetora. D) Restringindo o domínio da função � para o intervalo [0,+∞), temos que � é injetora. 2. CONSIDERE A FUNÇÃO BIJETORA �:[1,+∞)→(−∞,3] DEFINIDA POR �(�)=−�2+2�+2 E SEJA (�,�) O PONTO DE INTERSEÇÃO DE � COM SUA INVERSA �−1. O VALOR NUMÉRICO DA EXPRESSÃO �+� É: A) 2 B) 4 C) 6 D) 8 3. (ADAPTADA DE: OBMEP-2019) A CALCULADORA DE DARIO TEM UMA TECLA ESPECIAL. SE UM NÚMERO �, DIFERENTE DE 2, ESTÁ NO VISOR, ELE APERTA A TECLA ESPECIAL E APARECE O NÚMERO, 2×��−2. POR EXEMPLO, SE O NÚMERO 6 ESTÁ NO VISOR, AO APERTAR A TECLA ESPECIAL, APARECE 3, POIS 2×66−2 = 3. PARA QUAIS VALORES DARIO OBTÉM O MESMO NÚMERO QUE ESTÁ INICIALMENTE NO VISOR? A) 1 e 0 B) 2 e 0 C) 3 e 0 D) 4 e 0 4. CONSIDERE A FUNÇÃO �:[−1,2]→ℝ, DADA POR: �� = �2, �� − 1 ≤ � ≤ 0 �+1 2 , �� 0 < � ≤ 1 −� + 2, �� 1 < � ≤ 2 NESTAS CONDIÇÕES, É CORRETO AFIRMAR QUE: A) � é sobrejetora. B) � é injetora. C) � é bijetora. D) ��(�)=[0,1]. 5. DADA A FUNÇÃO � :ℝ − 2 → ℝ3, ONDE � � = 2�−3�−2 + 1 ASSINALE A OPÇÃO CORRETA, NO QUE DIZ RESPEITO À SUA INVERSA: A) Não está definida, pois � não é injetora. B) Não está definida, pois � não é sobrejetora C) Está definida por �−1 � = �−2 �−3, � ≠ 3 D) Está definida por �−1 � = �+5 �−3, � ≠ 3 E) Está definida por �−1 � = 2�−5 �−3 , � ≠ 3 6. SEJA � A FUNÇÃO �:[�,+∞)→ℝ, DEFINIDA POR �(�)=� 3−3�2+1. O MENOR VALOR DE � PARA QUE A FUNÇÃO SEJA INJETORA É: A) -1 B) 0 C) 1 D) 2 GABARITO 1. (Adaptada de: LIVRO ABERTO - s.d.) Considere a função �:ℝ→ℝ tal que �(�)=9−�2. Assinale a alternativa correta: A alternativa "D " está correta. Observe o gráfico da função �(�)=9−�2: Ao traçarmos a reta horizontal �=10, ela não intersecta o gráfico da função �. Logo, não existe �∈ℝ, cuja imagem é igual a 10. Além disso, utilizando o teste da reta horizontal para saber se a função � é injetora em todo o seu domínio, notamos que existem vários números diferentes com imagens iguais. Por exemplo: �(−1)=8 e �(1)=8. Assim, � não é injetora em ℝ. Em contrapartida, ao restringir o domínio da função � ao intervalo [0,+∞), o gráfico da função � é dado por: Utilizando o teste da horizontal, observamos que a função é injetora nesse intervalo. 2. Considere a função bijetora �:[1,+∞)→(−∞,3] definida por �(�)=−�2+2�+2 e seja (�,�) o ponto de interseção de � com sua inversa �−1. O valor numérico da expressão �+� é: A alternativa "B " está correta. Repare que neste domínio a função é estritamente decrescente. Vamos buscar os pontos onde � encontra a sua inversa encontrando os pontos em que � intercepta a função y = x (função identidade). Logo: −�2 + 2� + 2 = � ⇔ − �2 + � + 2 = 0 ⇔ � = 2 �� � = − 1 Como o domínio de � é o intervalo �1, + ∞ �, o único valor de x que nos interessa é x = 2 e, para este valor, �(2) = 2. Assim, o ponto buscado é (a,b) = (2,2) e então a + b = 4. 3. (Adaptada de: OBMEP-2019) A calculadora de Dario tem uma tecla especial. Se um número �, diferente de 2, está no visor, ele aperta a tecla especial e aparece o número, 2×��−2. Por exemplo, se o número 6 está no visor, ao apertar a tecla especial, aparece 3, pois 2×6 6−2 = 3. Para quais valores Dario obtém o mesmo número que está inicialmente no visor? A alternativa "D " está correta. Note que a tecla especial é uma função. Portanto, podemos considerar: ���� = ��2�−2 Desejamos obter os valores de �, tais que �(�)=�. Note ainda que 2 não está no domínio da função dada. Vamos aos cálculos: ��2 �−2 = � 0 = �2 − 4� = ��� − 4� Logo, �=0 e �=4. 4. Considere a função �:[−1,2]→ℝ, dada por: �� = �2, �� − 1 ≤ � ≤ 0 �+1 2 , �� 0 < � ≤ 1 −� + 2, �� 1 < � ≤ 2 Nestas condições, é correto afirmar que: A alternativa "D " está correta. Observe o gráfico da função �: Utilizando o teste da horizontal, vemos que a função não é injetora e, consequentemente, não é bijetora. Em contrapartida, ��(�)=[0,1]≠ℝ. Logo, a função � não é sobrejetora. 5. Dada a função � :ℝ − 2 → ℝ3, onde � � = 2�−3�−2 + 1 assinale a opção correta, no que diz respeito à sua inversa: A alternativa "E " está correta. Primeiro, veja que � é bijetora no domínio e no contradomínio dados. Assim, isolando x em função de y na expressão de �, temos: � = 2�−3�−2 + 1 ⇔ �� − 2� = 3� − 5 ⇔ ��� − 3� = 2� − 5 ⇔ � 2�−5 �−3 Repare que esta última expressão só está definida para � ≠ 3, e a validade da expressão de � = �−1 � é garantida pois � ≠ 2 na expressão de �. Portanto, �-1 está bem definida. 6. Seja � a função �:[�,+∞)→ℝ, definida por �(�)=� 3−3�2+1. O menor valor de � para que a função seja injetora é: A alternativa "D " está correta. Observe o gráfico da função �(�)=�3−3�2+1: Note que, para a função � ser bijetora, �=2. O gráfico em roxo é a função �:[2,+∞)→ℝ, que é injetora pelo teste da reta horizontal. MÓDULO 3 Definir funções crescentes e decrescentes INTRODUÇÃO Grande parte do estudo de Cálculo dirige-se à determinação do comportamento de uma função em certo intervalo. Por exemplo, estamos interessados em algumas perguntas como: ONDE A FUNÇÃO É CRESCENTE? ONDE ELA É DECRESCENTE? O LUCRO DA EMPRESA AUMENTOU? Neste módulo, mostraremos como as funções se comportam em determinados intervalos da reta real e algumas de suas aplicações. Assista ao vídeo com mais um exemplo de função crescente e função decrescente. DEFINIÇÃO Uma função � :ℝ→ ℝ é considerada crescente quando os valores das imagens, � � � �, aumentam à medida que os valores de � aumentam, ou seja, para �2 > �1 , temos: � � �2 � > � � �1 �. Em termos gráficos: Exemplo de uma função crescente Exemplo de uma função decrescente Foto: Shutterstock.com EXEMPLO 1 O gráfico mostra a Chuva Acumulada Mensal no município de Campos (RJ), em 2020, e a Chuva Acumulada Mensal de acordo com as normas climatológicas entre 61-90: Note que ocorreu um decréscimo da quantidade de chuva acumulada do mês de janeiro ao mês de fevereiro. Além disso, de acordo com a Normal Climatológica, no mês de outubro, a previsão é de um aumento significativo das chuvas acumuladas. Fonte: Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). EXEMPLO 2 Veja a projeção do crescimento da taxa bruta de mortalidade e natalidade do Brasil, do início de 2010 a 2058. Observe que a taxa bruta de natalidade decresceu, enquanto ocorreu um crescimento na taxa bruta de mortalidade. EXEMPLO 3 Considere a função � � � � = �3 Note que essa função é crescente em toda a reta real. De fato, dados �1 < �2 , temos que � � �1 � = �3 1 < �3 2 = � � �2 �. EXEMPLO 4 Considere a função � � = − �2 , � < 0 0, 0 ≤ � ≤ 1 � � − 1�2, � > 1 Observe que a função apresentada não é estritamente crescente em toda reta real, já que ela é constante no intervalo [0,1]. As funções estritamente crescentes têm um papel especial em Cálculo I. EXEMPLO 5 Vamos praticar: analise o gráfico da função. Agora, determine os intervalos onde a função é crescente e onde é decrescente. RESOLUÇÃO DA QUESTÃO RESOLUÇÃO DA QUESTÃO Observando o gráfico, vemos que a função é crescente em � − ∞ , − 0 . 22� ∪ �1 . 55, + ∞ � e decrescente em � − 0 . 22, 1 . 55�. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. (ADAPTADA DE: UFPE - 2017) NO GRÁFICO A SEGUIR, TEMOS O NÍVEL DA ÁGUA ARMAZENADA EM UMA BARRAGEM AO LONGO DE TRÊSjavascript:void(0) javascript:void(0) ANOS: DE ACORDO COM O GRÁFICO, PODEMOS AFIRMAR QUE: A) O nível de 70 m foi atingido uma única vez. B) O nível da água armazenada cresce em todo tempo. C) O nível da água armazenada é estritamente decrescente. D) O nível de 40 m foi atingido 2 vezes nesse período. 2. OBSERVANDO O GRÁFICO A SEGUIR, TEMOS O REGISTRO DO NÍVEL DA ÁGUA ARMAZENADA EM UMA BARRAGEM AO LONGO E ALGUNS ANOS. ESTA BARRAGEM AO LONGO E ALGUNS ANOS. ESTA BARRAGEM FOI CONSTRUÍDA PARA REPRESAR ÁGUA PARA MOVER AS TURBINAS DE UMA USINA HIDRELÉTRICA: APÓS OBSERVAR O GRÁFICO, ASSINALE A OPÇÃO CORRETA: A) O nível da água permaneceu constante num período de 8 anos. B) O nível de 80 metros foi atingido exatamente duas vezes até o ano 2000. C) Após o ano 2000, o nível da água da barragem foi insuficiente para gerar energia. D) No período de 1995 a 2000, o nível da água só diminuiu. 3. APÓS VÁRIAS EXPERIÊNCIAS EM LABORATÓRIOS, OBSERVOU-SE QUE A CONCENTRAÇÃO DE CERTO ANTIBIÓTICO NO SANGUE DE COBAIAS VARIA DE ACORDO COM A FUNÇÃO � � � � = 12 � − 2 �2 , EM QUE � É O TEMPO DECORRIDO, EM HORAS, APÓS A INGESTÃO DO ANTIBIÓTICO. NESSAS CONDIÇÕES, A PARTIR DE QUAL MOMENTO A CONCENTRAÇÃO DESSE ANTIBIÓTICO COMEÇA A DECRESCER? A) 0 B) 6 C) 3 D) 18 4. UMA FUNÇÃO � :ℝ+ → ℝ+ É CRESCENTE E SATISFAZ A SEGUINTE CONDIÇÃO: � �3 � � = 3 � � � �, PARA TODO � ∈ ℝ+. SE � �9� = 27, QUAL O VALOR DE � �1�? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 5. SABENDO QUE � É UM NÚMERO REAL, O MAIOR VALOR DE �, TAL QUE A FUNÇÃO � � � � = �2 − 4 � + 3, PARA � < �, SEJA DECRESCENTE, É: A) 0 B) 1 C) 2 D) 3 6. SEJA � :ℝ→ ℝ UMA FUNÇÃO ESTRITAMENTE DECRESCENTE, ISTO É, PARA QUAISQUER X E Y REAIS COM X < Y TEM-SE �(X) > �(Y). OBSERVE AS AFIRMAÇÕES: � É INJETORA � É SOBREJETORA SE � POSSUI INVERSA, ENTÃO SUA INVERSA TAMBÉM É ESTRITAMENTE DECRESCENTE PODEMOS ASSEGURAR QUE: A) Apenas as afirmações I e III são verdadeiras B) Apenas as afirmações II e III são falsas C) Apenas a afirmação I é falsa D) Todas as afirmações são verdadeiras GABARITO 1. (Adaptada de: UFPE - 2017) No gráfico a seguir, temos o nível da água armazenada em uma barragem ao longo de três anos: De acordo com o gráfico, podemos afirmar que: A alternativa "D " está correta. Traçando uma reta horizontal paralela ao eixo x (tempo), vemos que o nível de 40 m foi atingido 2 vezes no período de 3 anos. Isso já mostra que a função, cujo gráfico tem a representação da figura, não é injetora. Além disso, como existem oscilações no nível da água armazenada, em alguns instantes ela cresce e em outros decresce. Assim, a função em questão não é crescente nem decrescente. 2. Observando o gráfico a seguir, temos o registro do nível da água armazenada em uma barragem ao longo e alguns anos. Esta barragem ao longo e alguns anos. Esta barragem foi construída para represar água para mover as turbinas de uma usina hidrelétrica: Após observar o gráfico, assinale a opção correta: A alternativa "C " está correta. Perceba que, após o ano 2000, a tendência do gráfico é de decrescimento e por essa razão não é possível gerar energia, pois o nível de água estará sempre abaixo do mínimo. 3. Após várias experiências em laboratórios, observou-se que a concentração de certo antibiótico no sangue de cobaias varia de acordo com a função � � � � = 12 � − 2 �2 , em que � é o tempo decorrido, em horas, após a ingestão do antibiótico. Nessas condições, a partir de qual momento a concentração desse antibiótico começa a decrescer? A alternativa "C " está correta. Observe o gráfico da função �: Podemos constatar que a concentração desse antibiótico começa a decrescer a partir do �� da parábola. Logo, precisamos determinar o vértice dessa parábola. Isso pode ser feito algebricamente. Algebricamente, temos: �� = − � 2� Onde: � = − 2 → coeficiente de �2 na função quadrática; � = 12 → coeficiente de � na função quadrática. Assim: �� = − 12 2�−2� = 3 4. Uma função � :ℝ+ → ℝ+ é crescente e satisfaz a seguinte condição: � �3 � � = 3 � � � �, para todo � ∈ ℝ+. Se � �9� = 27, qual o valor de � �1�? A alternativa "C " está correta. Note que: 27 = � �9� = � �3 ⋅ 3� = 3 ⋅ � �3 ⋅ 1� = 3 ⋅ 3 ⋅ � �1� Logo, temos: � �1� = 27 9 = 3 5. Sabendo que � é um número real, o maior valor de �, tal que a função � � � � = �2 − 4 � +3, para � < �, seja decrescente, é: A alternativa "C " está correta. A parte do gráfico onde � < � é uma parábola, cujo vértice é o ponto � − � 2� , − � 4� � = �2, − 1�. Assim, a função é decrescente, nas condições do problema, para � ≤ 2, portanto, o maior valor de � é 2. 6. Seja � :ℝ→ ℝ uma função estritamente decrescente, isto é, para quaisquer x e y reais com x < y tem-se �(x) > �(y). Observe as afirmações: � é injetora � é sobrejetora Se � possui inversa, então sua inversa também é estritamente decrescente Podemos assegurar que: A alternativa "A " está correta. Se uma função é estritamente decrescente, isto significa que não há repetição de imagens e, portanto, a função é necessariamente injetora. Como não conhecemos sua lei de formação, não podemos garantir sua sobrejetividade. Repare que se x < y implica �(x) > �(y), defina �-1 como sendo a inversa de � (supondo que �-1 exista). Então � � = � ⇔ �−1 � = � e � � = � ⇔ �−1 � = �. Desta forma: � < � ⇔ � � > � � ⇔ �−1 � < �−1 � ⇔ � > � Esta última equivalência mostra que �-1 é também estritamente decrescente. Portanto, as afirmativas I e III são verdadeiras. MÓDULO 4 Definir funções periódicas Foto: Shutterstock.com INTRODUÇÃO Se olharmos para a natureza, vamos descobrir muitos fenômenos que acontecem de forma repetitiva em intervalos de tempos regulares, obedecendo, portanto, a padrões cíclicos. Veja a seguir alguns exemplos: Imagem: Shutterstock.com AS ESTAÇÕES DO ANO Imagem: Shutterstock.com OS BATIMENTOS CARDIÁCOS Imagem: Shutterstock.com OS MOVIMENTOS DOS PONTEIROS DE UM RELÓGIO DE PULSO Imagem: Shutterstock.com O MOVIMENTO DOS PLANETAS Imagem: Shutterstock.com A CORRENTE ELÉTRICA ALTERNADA Imagem: Shutterstock.com A CIRCULAÇÃO DO SANGUE Fenômenos como esses são modelados usando uma classe importante de funções: as periódicas. Dentre a classe das funções periódicas, destacamos as chamadas funções trigonométricas: SENO COSSENO TANGENTE Assista ao vídeo com mais um exemplo de função periódica. DEFINIÇÃO Uma função é considerada periódica quando existe um número real �>0, tal que �(�+�)=�(�), para todo � no domínio da função. O menor dos valores de �>0, para os quais a propriedade é verificada, é chamado de período fundamental da �. ATENÇÃO Se uma função � é periódica de período �, então, � também é periódica de período ��, onde �∈ℕ, já que: �(�)=�(�+�)=�(�+2�)=�(�+3�)=⋯=�(�+��) ELETROCARDIOGRAMA Exame que tem o objetivo de detectar se existe alguma falha na condução elétrica pelo coração. EXEMPLO 1 Considere a função � do gráfico mostrado na figura a seguir, que corresponde ao eletrocardiograma de uma pessoa saudável: Observe que o padrão de repetição ocorre em intervalos de comprimento T, e não em intervalos de comprimento menor. Assim, a função � é uma função periódica de período T. javascript:void(0) javascript:void(0) javascript:void(0) javascript:void(0) Imagem: Shutterstock.com EXEMPLO 2 Considere a função: � :ℕ→ ℤ, ��� ��� � � � � = � − 1�� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A tabela abaixo mostra o valor da função � para os valores de � de 0 a 5. x 0 1 2 3 4 5 f(x) (-1)0=1 (-1)1=-1 (-1)2=1 (-1)3=-1 (-1)4=1 (-1)5=-1 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal 2 - Se � é um número par, �(�)=1. 3 - Se � é um número ímpar, �(�)=−1. ESTA É UMA FUNÇÃO PERIÓDICA DE PERÍODO 2. POR QUÊ? Ora, quando � varia duas unidades, o valor da função se repete, ou seja: �(�)=�(�+2)=�(�+4)=�(�+6)... Dessa forma, podemos afirmar que o período dessa função é 2. Foto: Shutterstock.com EXEMPLO 3 Considere a função �(�)=sen(�)e � um ponto no ciclo trigonométrico. Imagine que o ponto � se movimenta no ciclo no sentido anti-horário, a partir da posição (1,0) e dá uma volta completa, ou seja, o ângulo � varia de 0 até 2�. Pensando no ciclo, é possível perceber que: Quando o ângulo � cresce de O valor �(�)=sen(�) 0 � � 2 Cresce de 0 � 1 � 2 � � Decresce de 1 � 0 � � 3� 2 Decresce de 0 � −1 3� 2 � 2� Cresce de −1 � 0 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Assista ao vídeo e veja uma representação gráfica do que foi descrito no exemplo 3. O fluxo de ar através da traqueia é uma função periódica do tempo � e ocorre em ambos os sentidos dos pulmões (inspiração e expiração). O fluxo pode ser representado pela função: � � � � = � · ���� � � � Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Imagem: Shutterstock.com Onde: A = fluxo máximo durante a expiração e inspiração � = período respiratório � = 2�� → � = o tempo que o indivíduo leva para fazer um ciclo completo A função � é, certamente, uma aproximação, pois � varia de indivíduo para indivíduo. Mas estudos experimentais mostram que é uma “boa” aproximação da realidade. Imagem: Shutterstock.com VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. OBSERVE O GRÁFICO DA FUNÇÃO A SEGUIR: ASSINALE A RESPOSTA CORRETA: A) É uma função periódica de período 2. B) É uma função periódica de período 1. C) É uma função periódica de período 4, e se o gráfico continuar com esse comportamento, �(14)=2. D) É uma função periódica de período 4, e se o gráfico de da função � continuar com o mesmo comportamento, �(17)=0. 2. SENDO �:ℝ→ℝ UMA FUNÇÃO PERIÓDICA DE PERÍODO 2, PODEMOS AFIRMAR QUE: A) A função �(�)=�(2�) é periódica de período 4. B) A função �(�)=�(2�) é periódica de período 1. C) A função ℎ(�)=�(�/2) é periódica de período 1. D) A função ℎ(�)=�(�+�), onde � é uma constante positiva, não é periódica. 3. CONSIDERE QUE A FUNÇÃO �:[�, +∞[ →[−�,�] SEJA PERIÓDICA COM PERÍODO 6 E SEJA ESTRITAMENTE CRESCENTE NO INTERVALO [4,10]. LOGO, PODEMOS AFIRMAR QUE: A) �(10)=�(25) � �(4)<�(8). B) �(12)=�(24) � �(15)<�(16). C) �(15)=�(21) � �(21)<�(22). D) �(18)=�(24) � �(28)<�(27). 4. SEJA A FUNÇÃO � DEFINIDA POR � � = − 2 + 3 · COS�� 4 + � 6 . O PERÍDO E A IMAGEM � SÃO, RESPECTIVAMENTE A) 4 e [-2,2]. B) 4 e [-5,1]. C) 8 e [-2,2]. D) 8 e [-5,1]. 5. EM DETERMINADA ILHA DE TURISMO, DETERMINOU-SE QUE A VARIAÇÃO DA MARÉ AO LONGO DO DIA PODE SER DESCRITA PELA SEGUINTE FUNÇÃO: ���� = 2 + SEN �� 12 ONDE � É MEDIDO EM HORAS E �(�) EM METROS. QUAL GRÁFICO REPRESENTA A VARIAÇÃO DA MARÉ AO LONGO DE UM DIA? A) A) B) B) C) C) D) D) 6. CONSIDERANDO A FUNÇÃO �:ℝ→ℝ, DADA POR ���� = − 2 + COS�� 2 + � 3 , DETERMINE A ALTERNATIVA CORRETA: A) A função � é periódica com período 2. B) A imagem de � é o intervalo [-2,2]. C) A função � é bijetora. D) Existe � ∈ℝ, tal que �(�)= −�,�. GABARITO 1. Observe o gráfico da função a seguir: Assinale a resposta correta: A alternativa "D " está correta. Observe que a função é periódica de período 4, porque: �(�+4)=�(�), ∀ �∈���(�) Assim: • �(14)=�(10+4)=�(10)=�(6)=�(2)=1; • �(17)=�(13+4)=�(13)=0. 2. Sendo �:ℝ→ℝ uma função periódica de período 2, podemos afirmar que: A alternativa "B " está correta. Note que a função �(�)=�(2�) é periódica de período 1, pois: �(�+1)=�(2(�+1))=�(2�+2)=�(2�)=�(�). A função ℎ(�)=�(�/2) é periódica de período 4. A função ℎ(�)=�(�+�) é periódica de período 4. 3. Considere que a função �:[�, +∞[ →[−�,�] seja periódica com período 6 e seja estritamente crescente no intervalo [4,10]. Logo, podemos afirmar que: A alternativa "D " está correta. Veja que �(24) = �(18 + 6) = �(18), pois � é periódica de período 6. Além disso, �(28) = �(4) = - 3 (pois � é sobrejetora e estritamente crescente em [4, 10), e também �(27) = �(9) > �(4). Assim, �(28) < �(27) 4. Seja a função � definida por � � = − 2 + 3 · cos�� 4 + � 6 . O perído e a imagem � são, respectivamente A alternativa "C " está correta. Sabemos que, uma função do tipo �(x) = A + B cos(Cx + D), seu conjunto-imagem é dado por Im(�) = [A - B, A + B] e seu período é dado por � = 2�� . Assim, � = 2� � 4 = 8 e Im(�) = [-2 -3, -2 + 3] = [-5,1]. 5. Em determinada ilha de turismo, determinou-se que a variação da maré ao longo do dia pode ser descrita pela seguinte função: ���� = 2 + sen �� 12 Onde � é medido em horas e �(�) em metros. Qual gráfico representa a variação da maré ao longo de um dia? A alternativa "D " está correta. Lembrando que uma função da forma �(�)=���(��+�) tem imagem dada pelo seguinte intervalo: ��(�)=[−�,�] Então, a imagem da função ���� = 2 + ��� �� 12 pode ser obtida da seguinte forma: −1 ≤ ��� �� 12 ≤ 1 �������� 2� ⇒ −1 ≤ 2 + ��� �� 12 ≤ 3 ⇒ −1 ≤ ���� ≤ 3. Logo, a imagem da função ���� = 2 + ��� �� 12 é o intervalo [�;�], ou seja, a altura mínima da maré é de 1 metro, enquanto a altura máxima é de 3 metros. Assim, as possíveis alternativas são as das letras (b) e (d). Pelos gráficos dessas letras, vemos que as marés baixas ocorrem às 6h e às 18h. Calculando �(�) e �(��), obtemos: ��6� = 2 + ��� � .6 12 = 2 + ��� � 2 = 2 + 1 = 3 ��18� = 2 + ��� � .18 12 = 2 + ��� 3� 2 = 2 + � − 1� = 1 Portanto, o gráfico que representa a variação da maré é o que consta na letra D. 6. Considerando a função �:ℝ→ℝ, dada por ���� = − 2 + cos�� 2 + � 3 , determine a alternativa correta: A alternativa "D " está correta. Vamos analisar cada alternativa: a) O período de uma função do tipo �(�)= � +�.���(��+�) é dado por � = 2�� . Então, no caso de nossa função �(�), temos � = � 2 . O período será: � = 2�� = 2� � 2 = 2� × 2� = 4� � = 4 Logo, o período da função dada não é 2. b) Uma função da forma �(�)=���(��+�) tem imagem: ��(�)=[−�,�] Então, sendo ���� = − 2 + cos�� 2 + � 3 , temos: −1 ≤ cos�� 2 + � 3 ≤ 1 �������� − 2� ⇒ −3 ≤ − 2 + cos�� 2 + � 3 ≤ − 1 ⇒ ����� = � − 3, − 1� Logo, a imagem de � não é o intervalo [-2,2]. c) Como vimos na letra B, a imagem de � é: ����� = � − 3, − 1� ≠ � = ���������í��� Logo, � não é sobrejetora e, portanto, não pode ser bijetora. d) Como vimos na letra B, a imagem da função é o intervalo [−�,−�]. Como −�,� ∈[−�,−�], então, existe � ∈���í��� �� �=ℝ, tal que �(�)= −�,�. CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS No estudo das funções reais de variável real, você pôde observar que a descrição de problemas de nosso cotidiano é realizada com o auxílio das funções. O entendimento das funções reais de variável real requer aprender, de maneira mais aprofundada, a determinar o domínio e a imagem de alguns tipos de funções algébricas, bem como reconhecer geometricamente quando a função é injetora, sobrejetora e bijetora. É muito importante que você faça todos os exercícios propostos e estude bem os exemplos apresentados para compreender melhor o conteúdo. AVALIAÇÃO DO TEMA: REFERÊNCIAS BRASIL. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Projeção da população do Brasil e das Unidades da Federação. Brasília: IBGE, 2008. DELGADO GÓMEZ, J. J. Pré-cálculo. Rio de Janeiro: CEDERJ, 2002. v. 4. FOMIN, D. A. Círculos matemáticos. Rio de Janeiro: IMPA, 2010. IEZZI, G.; MURAKAMI, C. Fundamentos de Matemática Elementar I. São Paulo: Atual, 2013. v. 1. LIMA, E.; CARVALHO, P. E. W.; MORCAGO, C. A Matemática do Ensino Médio. 9. ed. Rio de Janeiro: SBM, 2006. v. 1. LIVRO ABERTO. Funções. (s.d.). LUCENA, M. Guerra às sacolinhas. Galileu, n. 225, 2010. MAESTRI, R. Algumas boas notícias com algumas não tanto do Covid-19. Jornal GGN, mar. 2020. STEWART, J. Cálculo. 5. ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2006. v. 1. VISÃO SAÚDE. Covid-19: que países conseguiram contrariar a curva do Coronavírus? Publicação em: 20 mar. 2020. EXPLORE+ Pesquise e consulte: O aplicativo on-line GeoGebra; O Portal OBMEP do Saber. Busque e analise os seguintes resultados do uso do aplicativo GeoGebra: BORGES, A. Desenho da função seno. GeoGebra. (s.d.). CORREIA, P. Duração do dia. GeoGebra, (s.d.).No primeiro, você encontra a construção do gráfico da função seno, e no segundo, um exercício interessante que mostra o número de horas de sol ao longo do ano em diferentes locais do planeta. CONTEUDISTA Loisi Carla Monteiro Pereira CURRÍCULO LATTES javascript:void(0); javascript:void(0); javascript:void(0); javascript:void(0); javascript:void(0);
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