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Curso de Cálculo – Prof. Flaudio – 2015.1 – Lista 1 1 – INTRODUÇÃO Pode-se dizer, sem exageros, que o cálculo encontra-se entre as maiores “descobertas”, “invenções” ou “criações” humana! Popularmente, sua invenção é atribuída ao inglês Isaac Newton. Mas, muito do cálculo se deve ao alemão G. W. Leibniz e outros cientistas dos séculos XVII, XVIII e XIX. Hoje, suas aplicações abrangem, além da Matemática e da Física, praticamente todas as áreas de conhecimento, tais como: Química, Biologia, Economia, Administração, Logística, Contabilidade, Finanças, Computação, Engenharia,.... Este material é uma pequena introdução a um curso de cálculo que todo estudante da área de exatas e afins deve saber. A matéria prima do cálculo são as funções. No entanto, para entender este curso sem grandes dificuldades, é necessário que você saiba trabalhar com alguns tópicos de Matemática elementar, tais como: operações básicas com números reais, simplificação de expressões algébricas, geometria analítica, trigonometria, ... Ao final desse curso, gostaríamos que você fosse capaz de resolver as principais questões do cálculo relacionadas a limites e derivadas. É importante ressaltar que esse material não dispensa o uso de um livro de cálculo. 2 – DEFINIÇÕES PRELIMINARES 2.1 Dados dois conjuntos A e B, uma função f de A em B (f : A → B) é uma regra que associa a cada elemento x ∈ A um único elemento y ∈ B, denotado por y = f(x). 2.2 Dada uma função f : A → B, o conjunto A é chamado de domínio e o conjunto B é chamado de contra-domínio da função f. A imagem de f é o subconjunto de B formado por todos os y = f(x) tal que x ∈ A. 3 – TRABALHANDO COM FUNÇÕES – EXEMPLOS RESOLVIDOS EXEMPLO 1 Sendo f(x) = x −1 x +1 , x ≠ −1 , determine o valor da expressão f(3)− f(2) 1+ f(3).f(2) . SOLUÇÃO 3 1 1f(3) 3 1 2 −= = + , 2 1 1f(2) 2 1 3 −= = + , e portanto f(3)− f(2) 1+ f(3).f(2) = 1 2 − 1 3 1+ 1 2 .1 3 = 1 6 7 6 = 1 7 EXEMPLO 2 Seja f uma função definida por f(x) = ax + b . Se f(–1) = – 6 e f(1) = – 4, calcule o valor de a2 – b2 . SOLUÇÃO f(–1) = –a + b = –6 f(1) = a + b = –4 Resolvendo esse sistema, encontramos a = 1 e b = –5. Assim, a2 – b2 = 1 – 25 = –24. EXEMPLO 3 Dê o domínio da função f(x) = x −1 , sabendo que x é um número real. SOLUÇÃO Como x é real, x – 1 ≥ 0, e portanto x ≥ 1. Assim, Df = {x ∈ ! / x ≥ 1} = [1, +∞ [. EXEMPLO 4 Seja f(x) = ax2 + bx + c. Sabendo que f(1) = 4, f(2) = 0 e f(3) = –2, determine o produto a.b.c. SOLUÇÃO f(1) = a + b + c = 4 f(2) = 4a + 2b + c = 0 f(3) = 9a + 3b + c = –2 Resolvendo o sistema acima, obtemos a = 1, b = –7 e c = 10, e portanto abc = –70. Página 2 4 – O GRÁFICO DE UMA FUNÇÃO O gráfico de uma função f : A → B é o conjunto formado pelos pontos (x, f(x)) onde x ∈ A. A figura a seguir ilustra o gráfico de uma certa função y = f(x), e como podemos encontrar o domínio e a imagem dessa função a partir do seu gráfico. OBSERVAÇÕES 1. O gráfico de uma função é intersectado, apenas uma vez, por qualquer reta vertical que passa por um ponto do seu domínio. 2. No gráfico de uma função, o domínio é obtido quando projetamos este gráfico sobre o eixo dos x. 3. No gráfico de uma função, a imagem é obtida quando projetamos este gráfico sobre o eixo dos y. 5 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Se f(x) = x +1 x − 2 , então f(3)+ f(1) f(4)+ f(6) é igual a: a) 1 17 b) 2 17 c) 4 17 d) 8 17 2. Uma função f é definida por f(x) = x2 + x + 1. O valor da expressão E = 2f(3)− f(−1) 2f(1) é: a) 23 3 b) 25 3 c) 23 6 d) 25 6 3. Se f(x) = x + 1 x , x ≠ 0 ,então 10. f(2)+ 1 f(2) ⎡ ⎣ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ é igual a: a) 23 b) 25 c) 27 d) 29 4. Se f(x) = x +2 , x ≥ – 2 , então f(126)+ f(30) f(16) é igual a: a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 DOMÍNIO I M A G E M y x Página 3 5. Seja f uma função real de variável real definida por: f(x) = 3x para -1< x ≤ 0 4 para 0 < x <1 3x -1 para 1≤ x ≤ 3 ⎧ ⎨ ⎪⎪ ⎩ ⎪ ⎪ . O valor de f(0) + f( 1 2 ) + f(2) é : a) 6 b) 8 c)10 d)12 6. Se 11 xf(x) 16 + = , então f(–1) + f(– 2) + f(– 4) é igual a: a) 11 b) 13 c) 15 d) 17 7. Se f(x) = 1+ (x −1) 2 3 , então f(9) + f(28) é igual a: a) 5 b) 15 c) 20 d) 25 8. Se 1f(x) 1 , x 0 x = − ≠ , então o valor de 96.f(2).f(3).f(4). ... .f(14).f(15).f(16) é: a) 3 b) 4 c) 6 d) 8 9. Se f(x) = 6 +2x , então f( 5).f(− 5) é igual a: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 10. Seja f: R → R definida por f(x) = kx2 , sendo k uma constante positiva. Se f( 2) = 3 , então f( 6) é igual a: a) 8 b) 12 c) 18 d) 27 11. A função f é definida por f(x) = ax + b. Sabe-se que f(1) = 7 e f(–1) = 1 . O valor de f(5) é: a) 16 b) 17 c) 18 d) 19 12. Seja f : R → R definida por f(x) = x2 – 4 . Se f(k) = f(k +1), então k é igual a: a) 2 1b) 2 1c) 2 d) 2 − − 6 – GABARITO DE 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 d d d c c b b c d d d b Página 4 7 – PRINCIPAIS FUNÇÕES ELEMENTARES 7.1 FUNÇÃO CONSTANTE É qualquer função do tipo f(x) = c, onde c é um número real que não varia com x. Atenção! O gráfico de uma função constante é uma reta paralela ao eixo dos x passando pelo ponto (0, c). 7.2 FUNÇÃO POLINOMIAL DO 1º GRAU É qualquer função do tipo f(x) = ax + b, onde a e b são números reais e a ≠ 0. OBSERVAÇÕES O gráfico de uma função do 1º grau possui as seguintes características: 1. é uma reta (para a sua construção são necessários apenas dois pontos). 2. intersecta o eixo das abscissas no ponto (–b/a, 0). 3. intersecta o eixo das ordenadas no ponto (0, b). 4. se a > 0, então f é crescente. 5. se a < 0, então f é decrescente. 6. o conjunto imagem de uma função real do 1º grau é o conjunto dos números reais. 7.3 FUNÇÃO POLINOMIAL DO 2o GRAU OU FUNÇÃO QUADRÁTICA É toda função do tipo f(x) = ax2 + bx + c, onde a, b e c são números reais e a ≠ 0. OBSERVAÇÕES O gráfico de uma função quadrática possui as seguintes características: 1. é uma curva chamada parábola. 2. intersecta o eixo das abscissas nas raízes da equação f(x) = 0. 3. intersecta o eixo das ordenadas no ponto (0, c). 4. se a > 0, então a concavidade do gráfico fica voltada para cima (a função possui um ponto de mínimo). 5. se a < 0, então a concavidade do gráfico fica voltada para baixo (a função possui um ponto de máximo). 6. o vértice é o ponto de coordenadas −b 2a , −Δ 4a ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ . 7. se a > 0, o conjunto imagem da função é o intervalo −Δ 4a , +∞ ⎡ ⎣ ⎢ ⎡ ⎣ ⎢ . 8. se a < 0, o conjunto imagem da função é o intervalo −∞, −Δ 4a ⎤ ⎦ ⎥ ⎤ ⎦ ⎥ . 8 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Se f(x) = ax + b é uma função do 1o grau tal que f(1) = 2 e f(3) = –2, então a.b é igual a: a) –6 b) –8 c) –10 d) –12 e) –14 2. Se f é uma função do primeiro grau tal que f(10) = 29 e f(40) = 89, então f(30) é igual a: a) 39 b) 49 c) 59 d) 69 e) 79 y c x Página 5 3. A figura abaixo representa a função f(x) = ax + b. O valor de 1f 3 −⎛ ⎞ ⎜ ⎟⎝ ⎠ é: a) 2,8 b) 2,6 c) 2,5 d) 1,8 e) 1,7 4. Considere a função f de ! em ! , dada por f(x) = ax + b, onde a e b são constantes reais. Se os pontos A(–1, 3) e B(0, –1) pertencem ao gráfico de f, então: a) f é crescente, ∀x ∈ ! . b) 3 4 é raiz da equação f(x) = 0. c) o ponto (–10, 41) pertence ao gráfico de f. d) f(x) < 0 se x < 1 4 e) f(x) ≤ 0 se x ≥ – 1 4 5.O gráfico da função f(x) = –x2 + mx + n passa pelos pontos (1, –3) e (3, 1). O valor de m – n é: a) 14 b) –14 c) 2 d) –2 e) 1 6. Se a parábola y = ax2 + bx + c passa pelos pontos (–1, 3), (0, 5) e (2, – 3), então o valor de a + b + c é: a) 3 b) 2 c) –1 d) –2 e) 0 7. Considere uma função do 2o grau dada por f(x) = ax2 + bx + c. Se f(–1) = 10 , f(1) = 0 e f(2) = 10, então o valor de a.b.c é: a) –5 b) 5 c) 0 d) 25 e) –25 8. Seja a função quadrática f(x) = x2 – 2 . Se f(p + 4) = f(p) + 4 , então p é um número real compreendido entre: a) –3 e –2 b) –2 e –1 c) 1 e 2 d) 2 e 3 e) 3 e 4 9. Se a representação gráfica da função f(x) = ax2 + bx é uma parábola cujo vértice é o ponto V(3, 18), então a) f(1) = 0 b) f(1) = –10 c) f(1) = 6 d) f(6) = 10 e) f(6) = 0 y 3 –2 x Página 6 10. Seja a função quadrática definida por f(x) = ax2 + bx + c. Se (–1, 2) é um ponto de mínimo do gráfico de f e se f(1) = 6, a soma 2b + c é igual a a) 4 b) 5 c) 8 d) 7 e) 6 11. Na parábola y = 2x2 – (m – 3)x + 5, o vértice tem abscissa 1. A ordenada do vértice é: a) 3 b) 4 c) 5 d) 6 e) 7 12. O conjunto Im = {y ∈ ! / y ≤ p} é a imagem da função f(x) = –x 2 – 2x + 6. O valor de p é: a) –7 b) 7 c) 6 d) –6 e) 5 9 – GABARITO DE 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 b d c e a a c b e d a b Página 7 10 –LIMITES DE FUNÇÕES A noção de limite de uma função é fundamental para o estudo do cálculo. Os limites são usados para desenvolver outras ideias importantes do cálculo, tais como: continuidade, derivação e integração. 11 –IDEIA INTUITIVA DE LIMITE Vamos começar desenvolvendo a ideia intuitiva de limite de uma função y = f(x), e para entendermos essa ideia, estudaremos o comportamento da função y = f(x) quando fazemos x “se aproximar” de um valor particular x = a que não pertence, necessariamente, ao domínio dessa função. EXEMPLO PRELIMINAR Para que a nossa ideia intuitiva de limite de uma função fique clara, consideremos a função f(x) = Veja que x ≠ 1. No entanto, mesmo sabendo que x não pode assumir o valor 1, queremos saber o que acontece com essa função f(x), quando fazemos x “aproximar-se” de 1. Para isso, vamos calcular: a) f(0) b) f(0,5) c) f(0,9) d) f(0,99) e) f(0,999) f) f(0,9999) g) f(0,99999) h) f(1,5) i) f(1,1) j) f(1,01) k) f(1,001) l) f(1,0001) m) f(1,00001) n) f(1,000001) 12 – DEFINIÇÃO INTUITIVA DE LIMITE Dada uma função y = f(x) e um número real a, intuitivamente, dizer que o limite de f(x), quando x tende a a, é igual a L, que simbolicamente, se escreve lim x→a f(x) = L significa que f(x) fica arbitrariamente próximo de L, para todos os valores de x suficientemente próximos de a. 13 – DEFINIÇÃO FORMAL DE LIMITE Considere Ι um intervalo aberto, a ∈ com a ∉ Ι, e seja f uma função definida em Ι. Dizemos que o limite de f(x), quando x tende a a é L, e escrito como lim x→a f(x) = L se dado ε > 0 qualquer, existe um δ > 0, tal que se 0 < |x – a| < δ então |f(x) – L| < ε. 14 – PROPRIEDADES OPERATÓRIAS DOS LIMITES Apresentamos a seguir, sem as demonstrações, as principais propriedades operatórias dos limites. P1 – lim x→a c = c , onde c é um número real qualquer. P2 – lim x→a x = a . P3 – lim x→a (mx +n) = ma +n . 2x 1. x 1 − − ! Página 8 P4 – Se lim x→a f(x) = L1 e lim x→a g(x) = L2 , então lim x→a [f(x) ± g(x)] = L1 ±L2 . P5 – Se lim x→a f(x) = L1 e lim x→a g(x) = L2 , então lim x→a [f(x).g(x)] = L1.L2 . P6 – Se lim x→a f(x) = L1 e lim x→a g(x) = L2 ≠ 0 , então lim x→a f(x) g(x) = L1 L2 . P7 – Se lim x→a f(x) = L e n for um inteiro positivo qualquer, então lim x→a [f(x)]n = Ln. P8 – Se lim x→a f(x) = L e n for um inteiro positivo qualquer, então lim x→a f(x)n = Ln , com a condição de que se n for par, P9 – lim x→a f(x) = L⇔ lim x→a [f(x)−L] = 0. 15 – CALCULANDO LIMITES – EXEMPLOS RESOLVIDOS Infelizmente ou felizmente, não existe uma técnica única e específica para se calcular limites de funções. A seguir apresentaremos alguns “truques” que juntos com as propriedades dadas anteriormente, facilitarão esses cálculos. É importante que você esteja atento! EXEMPLO 1 Encontrar 2 x 11 x 121lim x 11→ − − + . SOLUÇÃO O truque é: fatore x2 – 121 e obtenha: 2 x 11 x 121lim 22 x 11→ − − = − + . EXEMPLO 2 Encontrar 2 x 2 lim (3x 4x 5) → − + . SOLUÇÃO Este não tem truque! Basta substituir x por 2. Assim, 2 x 2 lim (3x 4x 5) → − + = 12 – 8 + 5 = 9. EXEMPLO 3 Encontrar 2 3x 1 x 4lim 3x 6→ − + . SOLUÇÃO Este também é muito fácil! Troque x por 1. A resposta é 1 3 − . EXEMPLO 4 Encontrar 2 3x 2 4x 9lim . 2x 3→ − − + SOLUÇÃO Este é idêntico ao exemplo 1, fatore 4x2 – 9 e obtenha: 2 3x 2 4x 9lim 6. 2x 3→ − − = − + L 0.≥ Atenção! a2 – b2 = (a + b)(a – b) Página 9 EXEMPLO 5 Encontrar x 4 x 2lim x 4→ − − . 1ª SOLUÇÃO Mesma ideia do exemplo 1. Basta fatorar! Você consegue! x 4 x 4 x 4 x 2 x 2 1 1lim lim lim x 4 4( x 2)( x 2) x 2→ → → − −= = = − + − + 2ª SOLUÇÃO Veja que podemos racionalizar o numerador dessa expressão! x 4 x 4 x 4 x 4 x 2 ( x 2)( x 2) x 4 1 1lim lim lim lim x 4 4(x 4)( x 2) (x 4)( x 2) x 2→ → → → − − + −= = = = − − + − + + 3ª SOLUÇÃO Esse merece mais uma solução! Podemos fazer uma mudança de variável! Faça x k= e veja que x → 4 equivale a k → 2. Assim, 2x 4 k 2 x 2 x 2 k 2 k 2 1lim lim lim x 4 (k 2)(k 2) 4k 4→ → → − − −= = = − + −− EXEMPLO 6 Encontrar 3 x 2 x 8lim x 2→ − − . 1ª SOLUÇÃO Ainda fatorando! 3 2 x 2 x 2 x 8 (x 2)(x 2x 4)lim lim 12 x 2 x 2→ → − − + += = − − . 2ª SOLUÇÃO Usando divisão de polinômios. (Fica mais rápido usar o dispositivo prático de Briot-Ruffini). Divida x3 – 8 por x – 2 e obtenha x2 + 2x + 4, aí é só substituir x por 2. EXEMPLO 7 Encontrar 3 x 0 x 1 1lim x→ + − . SOLUÇÃO Aqui, é melhor fazer uma mudança de variável! Faça 3 x 1 k+ = e veja que x → 0 equivale a k → 1. Assim, 3 3 2x 0 k 1 k 1 x 1 1 k 1 k 1 1lim lim lim x 3k 1 (k 1)(k k 1)→ → → + − − −= = = − − + + . EXEMPLO 8 Encontrar 2 2x 2 x x 6lim x 5x 14→ − − − − − . 1ª SOLUÇÃO Esse é bom! O truque continua sendo: fatore o numerador e o denominador e obtenha: Atenção! a3 – b3 = (a – b)(a2 + ab + b2) a3 + b3 = (a + b)(a2 – ab + b2) Página 10 . 2ª SOLUÇÃO Você também pode usar divisão de polinômios. Veja que x = –2 é raiz do numerador e do denominador. Assim, dividindo o numerador e o denominador por x + 2, encontramos x – 3 e x – 7, respectivamente. Portanto, 2 2x 2 x 2 x x 6 x 3 5lim lim x 7 9x 5x 14→− →− − − −= = −− − . EXEMPLO 9 Encontrar 3 2 3 2x 4 2x 11x 10x 8lim 3x 17x 16x 16→ − + + − + + . SOLUÇÃO Use divisão de polinômios. 3 2 2 3 2 2x 4 x 4 2x 11x 10x 8 2x 3x 2 3lim lim . 43x 17x 16x 16 3x 5x 4→ → − + + − −= = − + + − − 16 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Encontre os limites a seguir: 2 x 2 2 1x 3 x 4a) lim x 2 9x 1b) lim 3x 1 →− → − + − − 2 3x 4 3 x 3 16x 9c) lim 4x 3 x 27d) lim x 3 →− → − + − − 3 x 2 x 8e) lim x 2→− + + 2 x 3 2 2x 4 9 xf ) lim x 3 x 3x 4g) lim x 5x 4 → → − − − − − + 2 2x 1 x 4x 5h) lim x 1→ + − − 2 2x 2 x 2 x 2 x x 6 (x 2)(x 3) x 3 5lim lim lim (x 2)(x 7) x 7 9x 5x 14→− →− →− − − + − −= = = + − −− − Atenção! ax2 + bx + c = a(x – x1)(x – x2), onde x1 e x2 são as raízes da equação ax2 + bx + c = 0. Página 11 2 3 21x 2 2 3x 2 4x 4x 3i) lim 4x 1 x 3x 4j) lim x 1 → → + − − + + + 3 x 3 x 1 5 2xk) lim 5 x x 1l) lim x 1 →− → + − − − x 0 x 0 2 2x 1 3 2 3 2x 3 3 2 2x 2 2 3 2x 1 9 x 3m) lim x 1 1 xn) lim x 2x x 3o) lim 3x 8x 5 2x 5x 2x 3p) lim 4x 13x 4x 3 x x x 10q) lim x 3x 2 2x x 3r) lim x 2x 6x 5 → → →− → →− →− − − − + − − + + − − − − + − − − + + + − − + + + 2. O valor do lim x→0 x + a − a x ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ é (a) 1 a (b) a (c) 1 2 a (d) 2 a (e) 0 3. O valor do limite lim x→1 x −1 x −1 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩⎪ ⎫ ⎬ ⎪ ⎭⎪ , é (a) −1 4 (b) −1 2 (c) 0 (d) 1 4 (e) 1 2 Página 12 4. O valor do limite lim x→2 1 x − 1 2 x2 − 4 , é (a) −1 8 (b) −1 16 (c) 0 (d) 1 16 (e) 1 8 5. O valor de lim x→2 x − 2 3x − 53 −1 é: a)1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 6. O valor de lim x→1 3x3 − 4x2 − x + 2 2x3 − 3x2 +1 (a) 2 3 (b) 5 3 c) 3 5 d) 3 2 e) 2 17 – GABARITO DE 16 1. a) – 4 b) 2 c) – 6 d) 27 e) 12 f) – 6 g) 5 3 h) 3 i) 2 3 j) 14 3 k) −1 2 l) 1 2 m) −1 6 n) −1 2 o) −5 2 p) 11 17 q) – 15 r) – 1 2. c 3. e 4. b 5. a 6. b
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