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FUNÇÕES DE UMA VARIÁVEL E-book 3 Carla Vital Neste E-Book: INTRODUÇÃO ���������������������������������������������� 3 FUNÇÃO QUADRÁTICA E SUAS APLICAÇÕES ������������������������������������������������4 Gráfico de uma função do 2º grau ��������������������������4 Zeros da função quadrática ������������������������������������6 Aplicações função do segundo grau� ������������������ 10 FUNÇÃO CÚBICA E SUAS APLICAÇÕES �����������������������������������������������13 Função cúbica ������������������������������������������������������� 14 Aplicações funções cúbicas �������������������������������� 16 FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS E SUAS APLICAÇÕES �����������������������������������19 Função seno ���������������������������������������������������������� 21 Função cosseno ���������������������������������������������������� 22 Função tangente ��������������������������������������������������� 24 Aplicações ������������������������������������������������������������� 26 CONSIDERAÇÕES FINAIS �����������������������31 SÍNTESE ������������������������������������������������������� 32 2 INTRODUÇÃO Dando continuidade à nossa disciplina de funções de uma variável, nesta terceira unidade iremos nos aprofundar um pouco mais sobre diferentes tipos de funções, bem como as suas respectivas aplicações� Inicialmente, exploraremos os principais conceitos sobre funções quadráticas, seus coeficientes, seu gráfico, imagem e domínio, como solucionar esse tipo de função e, finalmente, algumas aplicações� Em seguida, as especificidades da função cúbica se- rão abordadas, como seu gráfico, imagem e domínio, as formas de encontrar suas raízes e também onde podemos aplicá-las� Por último, as funções trigono- métricas são estudadas; são três tipos principais: função seno, função cosseno, e função tangente� O gráfico, a imagem e domínio de cada uma delas pos- suem algumas especificidades, que são exploradas, seguidas de algumas aplicações� 3 FUNÇÃO QUADRÁTICA E SUAS APLICAÇÕES Podemos definir como função quadrática ou função do 2º grau aquela em que o maior grau da variável é 2, ou, em outras palavras, toda aplicação de em tal que o elemento definido como , com � Note que se as- sumisse o valor 0, esta função não seria do 2º grau e sim do primeiro, pois o maior grau da variável seria 1� Exemplo: Nesta função quadrática, temos que os coeficientes são: a = -5, b = 3 e c = 6� Posteriormente, iremos analisar melhor o que o sinal desses coeficientes significa para o gráfico de uma função do 2º grau� Gráfico de uma função do 2º grau Como estudamos anteriormente, o gráfico de uma função do 1º grau é uma reta; já o gráfico de uma função do segundo grau é uma parábola� Vamos levar em consideração a o gráfico da função � Para isso, vamos substituir alguns valores de x para que possamos visualizar os pontos a serem marca- dos no gráfico� 4 -2 4 -1 1 0 0 1 1 2 4 Figura 1: Gráfico 𝑓𝑓 𝑥𝑥 = 𝑥𝑥$ . Fonte: Elaboração Própria. Observe que existe um ponto em que a concavidade desta parábola é para cima, ou seja, a parte “aberta” está voltada para cima� Essa é uma característica de parábolas cuja lei de formação possui o coeficiente � Note que, neste caso particular, de , ou seja, � No caso contrário, em que o coefi- ciente , teremos a concavidade da parábola voltada para baixo� 5 As concavidades das funções do segundo grau de- finem pontos de máximo ou mínimo� Quando a con- cavidade for para cima, teremos um valor mínimo, ou seja, é um ponto em que a função para de decrescer e começa a crescer� O contrário ocorre quando a concavidade é para baixo; teremos um valor máximo, ou seja, é o ponto em que a função para de crescer e começa a decrescer� Podcast 1 Zeros da função quadrática Zeros ou raízes da função quadrática são os valores de para que � Existem várias formas de calcular as raízes da função do 2º grau; a mais utili- zada é a fórmula de Bháskara, representada a seguir: Em que A partir dela podemos tirar os dois valores de 6 https://famonline.instructure.com/files/132540/download?download_frd=1 SAIBA MAIS Acesse este vídeo para saber onde surgiu a fór- mula de Bháskara, ela recebe este nome devido ao seu idealizador� Disponível em: https://www. youtube.com/watch?v=JWv6s69FYHE Levando em consideração o valor de , podemos concluir algumas especificidades a respeito do re- sultado da equação e suas raízes� Assim, temos: 1. Se , ou seja, a raiz quadrada de delta estará dentro do conjunto dos números reais ( ∆" ∉ ℝ , logo, a equação possui duas raízes reais e distintas, são elas da seguinte forma: 2. Se , ou seja, a raiz quadrada de delta será zero; assim, teremos apenas uma raiz que será da forma: 3. Se ou seja, a raiz quadrada de delta não faz parte do conjunto dos reais, já que teríamos a raiz de um número negativo ( ); assim, a equação não possuirá raízes reais� 7 A partir dos coeficientes, podemos também calcular as coordenadas e do vértice da parábola, assim temos: ● Graficamente, teremos um valor mínimo para : Vamos tomar como exemplo a função , em que A é o ponto correspondente ao seu vértice; temos os seguintes coeficientes , calculando o valor de , temos � Daí, Figura 2: Gráfico 𝑓𝑓 𝑥𝑥 = 𝑥𝑥$ + 1 . Fonte: Elaboração Própria. ● Graficamente teremos um valor máximo para Vamos tomar como exemplo a função , em que A é o ponto correspondente ao seu vértice; temos 8 os seguintes coeficientes , calcu- lando o valor de , temos � Daí, Figura 3: Gráfico f (𝑥𝑥)− 𝑥𝑥' + 1 . Fonte: Elaboração Própria. REFLITA As funções do segundo grau são as mais pre- sentes em nosso cotidiano� Você já a relacionou com situações em seu dia a dia? De que maneira você acredita que elas se apresentam em situa- ções reais? Pense em duas grandezas diferentes que se relacionam de maneira dependente e uma delas possui segundo grau� 9 Aplicações função do segundo grau� Neste tópico, iremos nos aprofundar um pouco mais na utilização de funções do segundo grau no cotidia- no� Usualmente, estamos acostumados a resolver diversas situações sem formalizar ou mesmo definir variáveis; muitas vezes, fazemos contas e chegamos a determinados resultados� Agora vamos estudar algumas dessas situações descritas em linguagem matemática� Exemplo 1: Em física, temos funções quadráticas que estabelecem relação entre espaço e tempo� Usualmente, na escola, aprendemos como fórmula do “sorvete”, descrita da seguinte maneira: Levando em consideração um objeto móvel, em que é a posição final, é a posição inicial, é a sua velocidade inicial, é o instante em que se deseja saber a posição e é a aceleração� Sabe-se que a posição inicial deste móvel era 0, sua velocidade inicial zero e a aceleração 10 , calcule a posição do objeto, quando o tempo for 2 segundos� Por mais que, neste caso, não seja necessário resol- ver uma equação do segundo grau com incógnitas, 10 é muito importante saber o seu princípio de funcio- namento para interpretar a equação� Exemplo 2: Leve em consideração a mesma equação do exemplo anterior Agora suponha que outro móvel obedece à seguinte função � Tal que a unidade de s é metros e t é segundos� O que podemos inferir através desta lei de formação� Já que é uma função do segundo grau, a trajetória deste móvel descreve uma parábola, e já que o co- eficiente é maior que zero, podemos dizer que é uma parábola crescente� Por meio das coordenadas do vértice, podemos des- cobrir a partir de qual posição o movimento deste móvel irá mudar de sentido; para isso, basta calcular as coordenadas do vértice, utilizando: yv = S� Então: 11 Dessa forma, podemos dizer que o móvel começa a mudar o sentido de seu movimento a partir des- te ponto -13,5 metros, como podemos observar na figura 4� Figura 4: Posição. Fonte: Elaboração Própria. 12 FUNÇÃO CÚBICA E SUAS APLICAÇÕES Além desses tipos de funções já estudadas, existem aquelas de maiores graus� Nesta seção, analisare-mos os principais aspectos da função cúbica ou fun- ção do terceiro grau� Ela tem algumas especificida- des e não obedecem a padrões tão exatos quanto as funções anteriores� Segundo Eves (2011), acredita-se que o desenvol- vimento desse tipo de funções deu-se por meio de soluções de equações cúbicas� Atribui-se esse fato ao matemático Scipione del Ferro, ao resolver a equa- ção , ele só revelou a solução para seu discípulo Antônio Fior� Posteriormente, Nicolo Fontana de Brescia divulgou a resolução para a equa- ção cúbica � Assim, os matemáticos Fior e Nicolo acordaram de fazer uma disputa pública a respeito da solução de equações cúbicas� Nicolo, mais conhecido como Tartaglia, levou vantagem, pois conseguia resolver dois tipos de equações: a apresentada por ele e a que Fior conseguia resolver, a equação desprovi- da do coeficiente quadrático (o coeficiente de )� Tempos depois, mesmo Tartaglia não tendo divulga- do seus métodos, eles apareceram em Ars Magna de Cardano, matemático para qual Tartaglia revelou seu método sob juramento de segredo (EVES, 2011)� 13 Função cúbica Uma função cúbica é definida de e obe- dece a relação que associa cada o elemento � Esse tipo de função assume três raízes, devi- do ao grau de x, porém podem assumir valores� Para calcular a sua raiz é necessário resolver a equação para , para este caso é simples resolver, , ou seja, as três raízes são iguais; o que nos dá o seguinte gráfico: Figura 5: Gráfico 𝑓𝑓 𝑥𝑥 = 𝑥𝑥3 . Fonte: Elaboração Própria. 14 Ainda existem outros tipos de funções; poderíamos dizer que sua forma geral é com � Para esta funções que possuem os valores mais coeficientes além do exemplo é ne- cessário fatorar a expressão para encontrar as raízes� Ainda há o método desenvolvido por Tartaglia para encontrar as raízes desse tipo de função dada por: Para isso, ele definiu As funções de terceiro grau são polinomiais e, dessa forma, podem ser atribuídos todos os valores reais a esta relação, o que implica que o seu domínio é o conjunto dos reais� 15 Algebricamente, podemos definir relações interes- santes sobre as raízes de uma função do terceiro grau, sejam as raízes de uma função do terceiro grau, podemos dizer que: Essas relações recebem o nome de relações de Girard� FIQUE ATENTO Guarde as relações de Girard; elas são importan- tes para solucionar diversas situações proble- mas que envolvem funções do terceiro grau� Aplicações funções cúbicas Ao primeiro olhar mais cuidadoso para as funções cúbicas, podemos achar que elas não se fazem pre- sente para nós; porém, há diversos cálculos em que elas são utilizadas e nem sempre são tão complexas quanto parecem� 16 Exemplo 1: Uma situação interessante de uma fun- ção cúbica é a fórmula que determina o valor do volume de uma esfera em função do seu raio, ela associa a relação entre seu raio e seu volume: Por ser uma função que não apresenta os coeficien- tes e , podemos deixar passar despercebido, mas note que é simples de se resolver� Levando em consideração uma esfera cujo volume é , calcule o valor do seu raio de maneira aproximada: Observe que este valor é realmente aproximado, pois a raiz cúbica de 6 não é exata� Exemplo 2: Considere a seguinte equação cúbica , calcule o valor da soma dos in- versos de suas raízes� 17 Aplicando as relações de Girard, temos: Agora, vamos considerar o que é pedido na questão: Multiplicando pelo mínimo múltiplo comum (mmc), , teremos: Ora, pelas relações de Girard, tiramos que o valor do numerador, é 3 e do denomi- nador, , é 5, logo: 18 FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS E SUAS APLICAÇÕES As funções trigonométricas são derivadas da trigo- nometria que, inicialmente, era definida como medida dos triângulos� A trigonometria não possui uma ori- gem definida, mas, segundo Eves (2011), os gregos obtiveram conhecimentos astronômicos deixados pelos povos babilônicos que foram desenvolvidos nos séculos 4 e 5 a�C� Apesar disso, ela foi utilizada em diversos problemas que os cientistas precisavam resolver; por exemplo, agrimensura, astronomia e navegação� Hiparco, matemático que viveu por volta de 140 a�C�, recebe os créditos sobre o desenvolvimento de gran- de parte da astronomia e da trigonometria, tendo des- coberto diversos fenômenos astronômicos por meio da utilização de ângulos e relações trigonométricas� Por exemplo, ele conseguiu estimar a quantidade de equinócios durante um ano através da inclinação da lua� Também foi atribuída a Hiparco a divisão de um círculo em 360° e as primeiras relações entre as me- didas dos lados e os ângulos do triângulo retângulo (EVES, 2011)� 19 SAIBA MAIS Georg Joachim Rhaeticus foi o primeiro matemá- tico a associar as razões entre os lados de um triângulo retângulo a funções trigonométricas (EVES, 2011)� Podcast 2 As funções trigonométricas são funções que rela- cionam os valores de seno, cosseno, tangente, entre outros, a uma determinada relação de dependência� Lembre que estamos associando funções, relações e trigonometria, relações dentro de triângulos� Esse tipo de função é importante para cálculos matemáticos avançados; por exemplo, em Cálculo Diferencial e Integral é muito comum a utilização deste tipo de função� Relembre, a seguir, o círculo trigonométrico e os principais ângulos e as respec- tivas simetrias em cada quadrante: 20 https://famonline.instructure.com/files/132541/download?download_frd=1 Figura 6: Círculo trigonométrico. Fonte: yesmatica Função seno A função seno é uma função que obedece a um pe- ríodo, ou seja, ela repete num período de � Ela é definida por meio da seguinte relação � Seu domínio é o conjunto dos reais ( ) e a imagem está compreendida no seguinte intervalo [-1, 1]� Note que este detalhe é interessante, pois o valor mínimo que assume é -1 e o valor máximo é 1� Observe o gráfico de 21 https://sites.google.com/site/yesmatica/2-ano/trigonometria-1/06-simetrias Figura 7: Gráfico f(x) = senx. Fonte: Elaboração Própria. Ao observar o gráfico, fica mais evidente o período, que é o mesmo, ou seja, a função se repete; além disso, é possível notar o domínio, que é atrelado aos reais e à imagem, que é no máximo 1 e no mínimo -1� Perceba que o gráfico não ultrapassa as extremida- des� Esse tipo de curva é denominado senoide� Além disso, podemos perceber algumas especificidades da função seno, é positiva no 1º e 2º quadrantes e negativa nos 3º e 4º quadrantes� Função cosseno A função cosseno é uma função que obedece a um período, ou seja, ela repete num período de � Ela é definida por meio da seguinte relação � Seu domínio é o conjunto dos reais ( ) e a imagem está compreendida no seguinte intervalo [-1, 1]� Note que este detalhe é interessante, pois o valor mínimo que assume é -1 e o valor máximo é 1� Observe o gráfico de 22 Figura 8: Gráfico g(x) = cosx. Fonte: Elaboração Própria. Reflita que, ao observar o gráfico, fica mais evidente o período, que é o mesmo; ou seja, a função se repete� Além disso, é possível visualizar o domínio, que é atrelado aos reais e a imagem, que é no máximo 1 e no mínimo -1� Perceba que o gráfico não ultrapassa as extremidades� Esse tipo de curva é denominado cossenoide� Ademais, podemos perceber algumas especificidades da função cos, é po- sitiva no 1º e 4º quadrantes e negativa nos 2º e 3º quadrantes� Talvez seja um pouco difícil visualizar o período dessas funções trigonométricas; por isso, vamos exemplificar com o período da função cosseno� Observe o gráfico: Figura 9: Período função cosseno. Fonte: geogebra 23 https://www.geogebra.org/m/xwX5HE5t Note que o valor do ângulo desse caso seria 93,78º, e o seu cosseno seria -0,07� Agora, preste atenção às retas verticais do 1º período e 2º período� O 1º período corresponde ao gráfico da função no interva- lo de zero a ; observe que, depois disso, o gráfico se repete; se você comparar a forma do gráfico do 1º período com a do 2º, elas são exatamente iguais; por isso,chama-se período – é algo que se repete� Você pode acessar o material para explorá-lo de maneira mais interativa, o controle deslizante é interativo; além disso, você pode visualizar a anima- ção gerada pelos respectivos valores e a sua devida posição no gráfico� O site do GeoGebra oferece di- versos materiais gratuitos� Função tangente A função tangente é uma função que obedece a um período, ou seja, ela repete num período de � Ela é definida por meio da seguinte relação � É importante relembrar que , assim, ela não está definida quando , pois a divisão por zero é indefinida� Logo, seu domínio é o conjunto dos reais menos os valores que zeram o cosseno, e a imagem está compreendida no conjunto dos reais� Observe o gráfico de 24 Figura 10: Gráfico h(x) = tgx. Fonte: Elaboração Própria. Repare que, ao observar o gráfico, fica mais evidente o período – que é o mesmo –, ou seja, a função se repete� Além disso, é possível notar que a imagem é atrelada aos reais e à imagem� Perceba que o gráfi- co se repete; porém é bem diferente, se comparado ao das funções seno e cosseno� Esse tipo de curva é denominado tangentoide� Além disso, podemos perceber algumas especificidades da função cos, é positiva no 1º e 3º quadrantes, e ne- gativa nos 2º e 4º quadrantes� SAIBA MAIS Essas são as principais funções trigonomé- tricas; existem outras que são variações des- tas� A função cotangente, que obedece a rela- ção ; a secante, que obedece a relação ; e a cossecante, que obedece a relação 25 Aplicações Nesse tópico, iremos abordar algumas aplicações a respeito do uso das funções trigonométricas� Há di- versos tipos de aplicações, desde o uso para figuras que possuem ângulos, até funções mais complexas que descrevem movimentos harmônicos� Exemplo 1: Dada a seguinte função , simplifique: Uma relação muito importante que devemos lembrar é que , desta relação, podemos inferir que , substituindo teremos que: Exemplo 2: Levando em consideração a função , qual o seu período, domí- nio e imagem? Como estudado, o domínio da função seno é o con- junto dos reais: Para calcular o período, nós precisamos levar em consideração o módulo do valor que multiplica a variável; neste caso, a variável x, assim utilizaremos o módulo de 4: 26 Já a imagem está dentro do intervalo , onde é o fator que está somando o seno, e é o número que está multiplicando o seno� Nesse caso, respectiva- mente: e , dessa forma, temos: [1 – (-5), 1+(-5)] [6, -4], assim, precisamos ordenar na ordem crescen- te; o intervalo será o seguinte: Exemplo 3: Levando em consideração a função , qual o seu período, domí- nio e imagem? Como estudado, o domínio da função tangente é o conjunto dos reais, exceto o valor em que a tangente é indeterminada, ou seja, o valor do ângulo precisa ser diferente de , pois representa os múltiplos do ângulo em que a tangente não existe, o valor periódico, lembre-se de que k precisa ser um número inteiro, assim temos: 27 Para calcular o período, precisamos levar em conside- ração o módulo do valor que multiplica a variável; neste caso, a variável x, assim, utilizaremos o módulo de 4: Já a imagem da função tangente é definida no con- junto dos reais Exemplo 4: Um pêndulo de um relógio realiza um movimento oscilatório simples de um lado para o outro, como descrito na figura a seguir: m Figura 11: Pêndulo. Fonte: adaptado de fisica 28 https://www.fisica.net/mecanicaclassica/mhs_movimento_harmonico_simples.pdf Considere que a massa do pêndulo m, medida da distância entre a extremidade do pêndulo até onde ele está preso, é l; e o ângulo é formado entre as extremidades de oscilações� Quais as forças que agem nesse pêndulo, quando ele se encontra em sua posição de equilíbrio? No caso da figura acima representada, temos a força peso agindo sobre o objeto que, aplicando os princí- pios de física, temos: Em que g é a constante gravitacional� Outro caso interessante de observar nessa questão é que, de acordo com a movimentação do pêndulo, o valor das forças agindo sobre ele muda de acordo com o valor do ângulo, que está diretamente relacio- nado com o valor do seno na função� Observe abaixo: m x P P = mg P F m x P P = mg P F P P = mg p = mg P F F Figura 12: Movimento do Pêndulo. Fonte: adaptado de fisica 29 https://www.fisica.net/mecanicaclassica/mhs_movimento_harmonico_simples.pdf Observe que temos que P é o peso normal e, ao de- compor essa força, temos: e Assim, a força necessária para manter o pêndulo em movimento é F, que é exatamente de mesmo valor e intensidade do valor da força peso; porém, com sentido contrário, ou seja, com sinal negativo� Dessa forma, o objeto continua em movimento, pois existem forças atuando sobre ele� 30 CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste módulo, abordamos alguns tipos de funções e suas respectivas aplicações� A função quadráti- ca é representada por uma parábola que pode ter concavidade para cima ou para baixo; foi estudado como calcular suas raízes e, além disso, o valor de seu vértice, que representa um ponto de inflexão� Já sobre a função cúbica, foram discutidos aspectos referentes à sua solução� Apesar da fórmula para resolver ser complexa, há diferentes formas, como fatoração� O seu gráfico é uma curva que possui ape- nas um vértice e ela pode ser associada ao conjunto dos números reais� As funções trigonométricas, também conhecidas como funções angulares ou funções circulares, são muito importantes no que se refere ao estudo sobre triângulos e a movimentos periódicos� Esses movi- mentos são associados a períodos que se repetem em determinados intervalos de tempo� As funções trigonométricas estão diretamente relacionadas com voltas no círculo trigonométrico, as principais funções trigonométricas são: função seno, função cosseno e função tangente� 31 SÍNTESE Função tangente; Função seno; Função cosseno; Funções trigonométricas. Função quadrática; Função cúbica; Em cada uma delas, pudemos explorar suas especificidades, nas funções quadráticas pudemos explorar como calcular as suas raízes, bem como traçar o seu gráfico, definir os conjuntos domínios e imagem. O mesmo foi feito para as funções cúbicas que são um pouco mais complexas, mas também vimos que podemos resolvê-las fatorando de maneira um pouco mais simples. Já no que diz respeito às funções trigonométricas, também foram estudados os seus gráficos, imagem, domínio e período. Além disso também foram explorados os diferentes tipos de funções trigonométricas: Delas, a que possui características mais diferentes é a função tangente, cujo conjunto domínio precisa excluir o valor para qual a tangente não existe e a sua imagem é o conjunto dos reais. Pudemos aprender como essas funções tidas como “complexas” se fazem presentes em diversas situações. Além disso, pudemos nos familiarizar com elas de maneira simples e direta. Nesta unidade vimos os seguintes tópicos importantes para o estudo de funções: FUNÇÕES DE UMA VARIÁVEL Referências Bibliográficas & Consultadas BASSANEZI, R� C� Introdução ao cálculo e aplica- ções� São Paulo: Contexto, 2015� [Biblioteca Virtual] DEMANA, F� D� et al� Pré-cálculo� São Paulo: Pearson Addison Wesley, 2011� [Biblioteca Virtual] EVES, H� Introdução à história da matemática� 5� ed� Campinas: Unicamp, 2011� GOLDSTEIN, L� J� Matemática aplicada� Porto Alegre: Bookman, 2012� [Minha Biblioteca] GONÇALVES, M� B�; FLEMMING, D� M� Cálculo A: fun- ções, limite, derivação e integração� 6� ed� São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006� [Biblioteca Virtual] GONICK, L� Cálculo em quadrinhos� São Paulo: Blucher, 2014� [Biblioteca Virtual] GUIDORIZZI, H� L� Um curso de cálculo� Rio de Janeiro: LTC, 2001� v� 1� [Minha Biblioteca] HENRIQUE, O�; SILVA, M� Matemática e física: apro- ximações� Curitiba: InterSaberes, 2017� [Biblioteca Virtual] THOMAS, G� B�; WEIR, M� D�; HASS, J� Cálculo� 12� ed� São Paulo: Pearson Education, 2012� 1� v� [BibliotecaVirtual] Introdução Função quadrática e suas aplicações Gráfico de uma função do 2º grau Zeros da função quadrática Aplicações função do segundo grau. Função cúbica e suas aplicações Função cúbica Aplicações funções cúbicas Funções trigonométricas e suas aplicações Função seno Função cosseno Função tangente Aplicações Considerações Finais Síntese
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