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Curso de Cálculo – Prof. Flaudio – 2015.1 – Lista 4 26 – A FUNÇÃO EXPONENCIAL Seja a um número real positivo e diferente de 1. A função dada por é chamada de função exponencial de base a. Os exemplos mais simples de funções exponenciais são dadas por: e , cujos gráficos estão representados nas figuras a seguir. De um modo intuitivo, vamos definir: , , e . E de um modo geral, vamos admitir que o gráfico de toda função dada por , com a > 1, comporta-se da mesma forma que o gráfico da função , esboçado na figura 1, enquanto que o gráfico de toda função da forma , com 0 < a < 1, comporta-se de forma idêntica ao gráfico da função , esboçado na figura 2. Além disso, vamos assumir que se, 0 < a ≠ 1, então para todo número real p, desde que exista. 27 – A FUNÇÃO LOGARÍTMICA Seja a um número real positivo e diferente de 1. A função dada por é chamada de função logarítmica de base a. A função logarítmica, assim como a função exponencial são funções bijetivas e uma é a inversa da outra. Nas figuras a seguir, estão representados os gráficos das funções (Figura 3) e (Figura 4). f : R→ R+ ∗ f(x) = ax xf(x) 2= x1f(x) 2 ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ x x lim 2 →+∞ = +∞ x x lim 2 0 →−∞ = x x 1lim 0 2→+∞ ⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠ x x 1lim 2→−∞ ⎛ ⎞ = +∞⎜ ⎟⎝ ⎠ xf(x) a= xf(x) 2= xf(x) a= x1f(x) 2 ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ lim x→p af(x) = a lim x→p f(x) ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ lim x→p f(x) f : R+ * → R f(x) = loga x f(x) = log2 x 1 2 f(x) log x= FIGURA 1 FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 27 De uma forma intuitiva, também vamos definir: , , e . De um modo geral, vamos assumir que o gráfico de toda função logarítmica dada por , com a > 1, comporta-se da mesma forma que o gráfico da função , esboçada na figura 3, enquanto que o gráfico de toda função logarítmica dada por , com 0 < a < 1, comporta-se de forma idêntica ao gráfico da função , esboçado na figura 4. Além disso, vamos assumir que se 0 < a ≠ 1, então , desde que exista e seja positivo. 28 – O NÚMERO DE EULER Um dos números mais importantes da Matemática é conhecido como número de Euler (pronuncia-se: óiler). Esse número representado pela letra e, é a base do que vamos chamar de Função Exponencial Natural e também a base dos logaritmos naturais. Considere a função Vamos atribuir alguns valores a x e em seguida, com a ajuda de uma calculadora, calcular o y correspondente. Temos então a seguinte tabela: x 100 2,70481382... 1.000 2,71692393... 10.000 2,71814592... 100.000 2,71826823... 1.000.000 2,71828046... 10.000.000 2,71828169... 100.000.000 2,71828181... De um modo intuitivo, observando esta tabela, percebemos que tomando os valores de x muito grande, ou seja, fazendo x tender a “mais infinito”, o valor de y tende ao número 2,7182818.... Usando a linguagem dos limites, podemos demonstrar que . Vamos definir o número de Euler como sendo o Assim, . Queremos deixar bem claro que isto é apenas uma ideia intuitiva. Existe muito a se fazer, e para se ter um estudo mais completo sobre o número e, faltam muitas coisas. Dentre elas, a mais importante é provar que tal número realmente existe. Outra, seria provar que e é irracional. Mas, não é este o nosso propósito aqui. É interessante observar que na função , quando x tende a “menos infinito”, f(x) continua se aproximando do número e = 2,718282.... A figura 5 a seguir, mostra o esboço do gráfico da função . 2x lim log x →+∞ = +∞ 2 x 0 lim log x +→ = −∞ 1x 2 lim log x →+∞ = −∞ 1 x 0 2 lim log x +→ = +∞ af(x) log x= 2f(x) log x= af(x) log x= 1 2 f(x) log x= lim x→p loga f(x) = loga limx→p f(x) ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ lim x→p f(x) x1f(x) 1 ,x 0 e x 1. x ⎛ ⎞= + ≠ ≠ −⎜ ⎟⎝ ⎠ x1y 1 x ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠ x x 1lim 1 2,71828182... x→+∞ ⎛ ⎞+ =⎜ ⎟⎝ ⎠ lim x→+∞ 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ x . x x 1e lim 1 2,71828182... x→+∞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟⎝ ⎠ x1f(x) 1 ,x 0 e x 1 x ⎛ ⎞= + ≠ ≠ −⎜ ⎟⎝ ⎠ f(x) = 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ x ,x ≠ 0 e x ≠ −1 28 Atenção! Ι – A função definida por é chamada de função exponencial natural. ΙΙ – A função definida por f(x) = lnx, onde lnx representa o logaritmo de x na base e, é chamada de função logarítmica natural. 29 – ALGUMAS PROPRIEDADES INTERESSANTES Ι – lim x→+∞ 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ tx = et e lim x→−∞ 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ tx = et ΙΙ – lim x→+∞ 1+ t x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ x = et e lim x→−∞ 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ tx = et ΙΙΙ – lim x→0 (1+ x) 1 x = e ΙV – lim x→0 ex −1 x = 1 V - lim x→0 ax −1 x = lna 30 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1.Encontre os limites a seguir: f : R→ R+ ∗ xf(x) e= f : R+ ∗ → ! a) lim x→−∞ 1 3 ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ x b) lim x→+∞ (0,3)x c) lim x→0 2 3x+2 x−1 d) lim x→1 1 2 ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 1−x2 x−1 e) lim x→1 3 x−1 x −1 FIGURA 5 29 2. Calcular: a) b) c) d) e) f) 3. Dada a função , podemos afirmar que é igual a: a) b) c) d) e) 4. Dada a função , então, o valor de é igual a: a) 7 b) 2 c) 5.log2 d) log2 e) 8 f) lim x→2 log2 x2 − 4 x − 2 ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ g) lim x→+∞ log5 x h) lim x→0+ log0,1x i) lim x→3 log 6x + 2 4x + 3 j) lim x→+∞ 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 3x k) lim x→−∞ 1+ 3 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ x l) lim x→−∞ 1+ 1 x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ x+2 x x 0 2 1lim 4x→ − lim x→0 1+ 2x( )1x 2 x x 0 xlim 1 2→ ⎛ ⎞+⎜ ⎟⎝ ⎠ ( ) 4 x x 0 lim 1 4x → + 2x x 0 e 1lim x→ − 2x x 0 2 1lim 4x→ − f(p) = e 1+p2p lim p→0 f(p) ee e( )e e e e3( )e e e3 f(x) = 10 x + 5, se x ≠ log2 2, se x = log2 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩⎪ lim x→log2 f(x) 30 5. Calcule a) b) c) d) e) 6. Calcule a) b) c) d) e) 31 – GABARITO DE 30 1. a) b) 0 c) 1 4 d) 4 e) 9 f) 2 g) h) i) log 43 j) e 3 k) e3 l) e 2. a) ln2 4 b) e2 c) e d) e16 e) 2 f) ln2 2 3. c 4. a 5. e 6. b 32 – FUNÇÕES CONTÍNUAS Geometricamente falando, dizemos que uma função y = f(x) é contínua quando podemos desenhar o seu gráfico numa folha de papel sem tirar a ponta do “lápis” dessa folha. Ou seja, quando não há saltos ou rompimentos nesse gráfico. De um modo formal, dizemos que uma função f é contínua em p se, e somente se as seguintes condições forem satisfeitas: (i) f(p) existe; (ii) existe; (iii) Se, pelo menos uma, dessas condições falhar, a função f será descontínua em p. De um modo geral, dizemos que uma função f é contínua em todo seu domínio Df, se f é contínua em cada x ∈ Df. Além disso, em todo o nosso curso de cálculo, admitiremos que: Ι – Toda função polinomial é contínua. ΙΙ – Toda função racional é contínua em seu domínio. ΙΙΙ – Todas as funções trigonométricas e suas respectivasinversas são contínuas em seus respectivos domínios. ΙV – As funções exponenciais e as funções logarítmicas são contínuas em seus respectivos domínios. V – Se f e g são funções contínuas, então f + g, f – g, f.g e f/g são contínuas. No último caso, é claro que g ≠ 0. 33 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Verifique se a função f(x) = 2x − 3, se x ≤1 x2, se x >1 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩⎪ é contínua em x = 1. 2. Verifique se a função f(x) = x2 − 4x + 3 x − 3 , se x ≠ 3 2, se x = 3 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩⎪ é contínua em x = 3. lim x→0 e5x −1 x e5 0 e 1 5 lim x→+∞ [log(x +1)− logx] +∞ 0 1 −1 −∞ +∞ +∞ −∞ x p lim f(x) → x p lim f(x) f(p). → = 31 3. Mostre que a função f(x) = 2x − 3, se x < −2 x − 5, se− 2 ≤ x ≤1 3 − x, se x >1 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩ ⎪ é contínua em x = –2 e descontínua em x = 1. 4. Dada a função f(x) = 3x + 7, se x ≤ 4 kx −1, se x >1 ⎧ ⎨ ⎩ . Encontre o valor de k sabendo que f é contínua em todos os valores de x. 5. Dada a função definida por . Determine o valor de k de modo que f seja contínua em todo o seu domínio. 34 – GABARITO DE 33 1. f não é contínua. 2. f é contínua. 4. k = 5. 5. k = 1. 35 – O TEOREMA DO CONFRONTO (TEOREMA DO SANDUÍCHE) Sejam f, g e h funções com o mesmo domínio D e f(x) ≤ g(x) ≤ h(x) para todo x em D. Se p é um número real, não necessariamente em D, tal que , então EXEMPLO 1 Calcular . SOLUÇÃO Para calcular este limite, lembre-se que qualquer que seja θ. Assim, e . Agora, como , pelo teorema do sanduíche, EXEMPLO 2 Admita que f(x) é uma função que satisfaz a seguinte condição: para todo x ≠ 0. Nestas condições, determine . SOLUÇÃO Veja que e , então pelo teorema do sanduiche, . 36 – LIMITE TRIGONOMÉTRICO FUNDAMENTAL lim x→0 senx x = 1 A figura 6 mostra o gráfico da função , com x pertencente ao intervalo [–10, 10]. Observe, no gráfico, que enquanto x tende a zero, tende a 1. f x( ) = x2 − 2x +1 x −1 , se x ≠ 1 logk, se x = 1 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩ ⎪ x p x p lim f(x) lim h(x) L → → = = x p lim g(x) L. → = x 0 1lim x.cos x→ 1 cos 1− ≤ θ ≤ 11 cos 1 x − ≤ ≤ 1x x.cos x x − ≤ ≤ x 0 x 0 lim ( x) lim x 0 → → − = = x 0 1lim x.cos 0. x→ = 2 2x x1 f(x) 1 4 2 − ≤ ≤ + x 0 lim f(x) → 2 x 0 xlim 1 1 4→ ⎛ ⎞ − =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ 2 x 0 xlim 1 1 2→ ⎛ ⎞ + =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ x 0 lim f(x) 1 → = senxf(x) x = senx x 32 Atenção! No que segue, vamos admitir que as funções seno e cosseno são tais que e para todo número real p. Agora, estamos em condições de provar que lim x→0 senx x = 1. Na nossa demonstração, vamos supor que x > 0, isto é suficiente, pois como a função f(x) = senx x é uma função par, o limite para x < 0 terá o mesmo valor. Sendo assim, observe a figura 7 a seguir: nela temos uma circunferência de centro na origem do plano cartesiano e raio igual a 1. Veja que a área do triângulo OAC é menor ou igual que a área do setor circular OBC, a qual é menor ou igual que a área do triângulo OBD, isto é, OA.OC 2 ≤ raio.x 2 ≤ OB.OD 2 Como o raio da circunferência é igual a 1, OA = cosx, AC = senx e BD = tgx, obtemos: ! 10 ! 5 5 10 x ! 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 y lim x→p senx = senp lim x→p cosx = cosp FIGURA 6 0 A B C D x FIGURA 7 Dizemos que uma função f é: i) par: quando f(–x) = f(x) para todo x no domínio de f. ii) ímpar: quando f(–x) = – f(x) para todo x no domínio de f. 33 cosx.senx 2 ≤ 1.x 2 ≤ 1.tgx 2 ∴cosx.senx ≤ x ≤ senx cosx Dividindo a última desigualdade por senx, obtemos: cosx ≤ x senx ≤ 1 cosx Mas, isto equivale a cosx ≤ senx x ≤ 1 cosx . Agora, como lim x→0 1 cosx = lim x→0 cosx = 1, então pelo teorema do sanduíche lim x→0 senx x = 1 . Como queríamos demonstrar. EXEMPLO 1 Agora, vamos mostrar que lim x→0 1− cosx x = lim x→0 cosx −1 x = 0 . Para tanto, veja que: lim x→0 1− cosx x = lim x→0 (1− cosx)(1+ cosx) x(1+ cosx) = lim x→0 1− cos2 x x(1+ cosx) = lim x→0 sen2x x(1+ cosx) = lim x→0 senx x . senx 1+ cosx = 1. sen0 1+ cos0 = 0 2 = 0. e lim x→0 cosx −1 x = lim x→0 −(1− cosx) x = 0. EXEMPLO 2 Calcular . SOLUÇÃO 37 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Use o teorema do sanduíche para achar os limites a seguir: , sabendo que 2 2x 0 tg xlim x→ 2 2 22 2 2 2 2 2x 0 x 0 x 0 x 0 sen x tg x sen x senx senx 1cos xlim lim lim lim . . 1.1.1 1 x xx x x .cos x cos x→ → → → = = = = = x 0 1a) lim x.sen x→ x 1 b) lim f(x) → 2| f(x) 2 | 3(x 1)− ≤ − 34 2. Encontre os limites a seguir: 3. O valor do limite é a) 1 b) 3 c) 4 d) 6 e) 8 4. Sendo , o valor de é igual a: a) b) e c) d) e) 38 – GABARITO DE 37 1. a) 0 b) 2 2. a) 3 5 b) 0 c) 1 3 d) 3 e) 0 3. e 4. a 39 – A DERIVADA DE UMA FUNÇÃO Dada a função real y = f(x), se existir, ele é chamado derivada de f em x = a. Indicamos a derivada de f em x = a por . (leia: f linha de a). Assim, definimos: A função que a cada real x associa a derivada , definida nos pontos onde existe a derivada, é chamada função derivada de f. Para obter aplicamos a definição acima calculando f '(a) e depois trocamos a por x. 40 – PROPRIEDADES ELEMENTARES DAS DERIVADAS [1] Se f(x) = c, x ∈R , onde c é uma constante real qualquer, então . [2] Se , , então . [3] Se , , , então . a) lim x→0 sen3x 5x b) lim x→0+ x sen 3x c) lim x→0 sen2x sen6x d) lim x→0 tg6x 2x e) lim x→0 senx3 senx2 lim x→0 sen52x 4x5 lim x→0 senx x ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ = 1 lim x→0 x2sen(2x)3 x ⎡ ⎣ ⎢ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ ⎥ 2 3 3 2 2 3e 2 lim x→a f(x)− f(a) x − a f '(a) f '(a) = lim x→a f(x)− f(a) x − a f '(x) f '(x) f '(x) = 0 f(x) = x x ∈! ( )f ' x 1= ( ) nf x x= n∈Q x ∈! ( ) n 1f ' x n x −= ⋅ 35 [4] Se f(x) = mx + n, então f '(x) =mx +n . [5] Se , , então . 41 – PROPRIEDADES OPERATÓRIAS DAS DERIVADAS P1. (Regra da soma/diferença) Se . P2. (Regra do produto) Se . P3. (Regra do quociente) Se . P4. (Regra da potência) Se P5. (Regra da cadeia) Se 42 – OUTRAS NOTAÇÕES PARA A DERIVADA DE UMA FUNÇÃO Sendo y = f(x) uma função, é muito comum usarmos as seguintes representações para a derivada da função f. 43 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Dada , calcule a derivada de f em x = 2. 2. Dada , calcule: a) f '(1) b) 3. Obtenha a função derivada de , . 4. Obtenha a função derivada de , . 5. Obtenha a função derivada de , . 44 – GABARITO DE 43 1. 6 2. a) 2 b) 10 3. 2x 4. 1 2 5. −1 x2 45 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Usando as propriedades das derivadas, ache a derivada de cada função a seguir: a) f(x) = x28 b) f(x) = 5x3 – 7x2 + 2x – 3 c) f(x) = 5(x4 + 3x7) f(x) = c ⋅g(x) x ∈! f '(x) = c ⋅g'(x) h(x) = f(x) ± g(x)⇒ h'(x) = f '(x) ± g'(x) h(x) = f(x) ⋅g(x)⇒ h'(x) = f '(x) ⋅g(x)+ f(x) ⋅g'(x) h(x)= f(x) g(x) ⇒ h'(x) = f '(x) ⋅g(x)− f(x) ⋅g'(x) g(x)⎡⎣ ⎤⎦ 2 f(x) = [g(x)] n, n∈Q⇒ f '(x) = n[g(x)]n−1 ⋅g'(x). h(x) = f(g(x))⇒ h'(x) = f '(g(x)) ⋅g'(x) f '(x) = dy dx = y' =Dxy f(x) = 6x +1 ( ) 2f x x 1= + f '(5) f(x) = x 2 +1 x ∈! f(x) = x 2 x ∈! f(x) = 1 x x ∈!* 36 2. Dada , calcule a derivada de f nos pontos: a) x = 0 b) x = 2 c) x = –2 46 – GABARITO DE 45 1. a) 28x27 b) 15x2 −14x + 2 c) 5(4x 3 + 21x6) d) −27x−28 e) 1 2 x − 1 2 f) −1 2 x −3 2 g) x 2 − 8x−3 h) −8x−3 +12x−5 d) f(x)= 1 x27 e) f(x)= x f) f(x)= 1 x g) f(x) = x 2 4 + 4 x2 h) f(x) = 4 x2 − 3 x4 1 1 2 21i) f(x) 2x x 2 − = − j) f(x) = x 2 − 4x + 4 x −1 2 3 4 2 k) f(x) (3x 4).(4x x 1) l) f(x) (x 2x).(4x 2x 5) = − + − = − + + m) f(x) = x 3 +1 x3 −1 n) f(x) = x 2 x3 + 8 o) f(x) = (2x3 − 3x + 7)4 p) f(x) = (4x4 − 4x2 +1) −1 3 q) f(x) = x3 +13 r) f(x)=(x2 + 4)−2 s) f(x) = (x4 − x)−3 ( ) 2x xf x 1 4 2 = + + 37 i) x − 1 2 + 1 4 x −3 2 j) x2 − 2x (x −1)2 k) 60x4 − 39x2 − 6x − 4 l) 24x5 +10x4 + 20x3 − 24x2 − 8x −10 m) −6x2 (x3 −1)2 n) −x4 +16x (x3 + 8)2 o) 4(2x 3 − 3x + 7)3.(6x2 − 3) p) − 1 3 (4x4 − 4x2 +1) −4 3 .(16x3 − 8x) q) x 2.(x3 +1) −2 3 r) −4x(x 2 + 4)−3 s) −3(x 4 − x)−4.(4x3 −1) 2. a) 1 2 b) 3 2 c) − 1 2 47 – FUNÇÃO IMPLÍCITA De um modo geral, a equação F(x, y) = 0 define y como uma função implícita de x. EXEMPLO A equação x 2 + y2 = 1 define, implicitamente, y como uma função a dois valores: y = ± 1− x 2 . Ou seja, temos duas funções f1(x) = 1− x 2 e f2(x) = − 1− x 2 , definidas implicitamente pela equação x 2 + y2 = 1. 48 – DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Dada a equação F(x, y) = 0, para acharmos a derivada y ' = dy dx não é necessário tirar o valor de y e derivar. Na verdade, vamos derivar a equação dada em relação a x e isolar y ' = dy dx . Este processo é conhecido como derivação implícita. EXEMPLO Obter y ' = dy dx , por derivação implícita, sabendo que x 2 + y2 = 1. SOLUÇÃO Derivando os dois lados em relação a x, obtemos: 2x + 2y.y' = 0 e portanto y ' = − x y . 49 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1.Ache a derivada dy dx = y’ por derivação implícita. 38 a) x2 + y2 = 25 b) 4x2 − 9y2 = 1 c) x3 + y3 = 2xy d) x2 + y2 = 10xy e) 1 x + 1 y = 1 f) 3 x − 3 y = 2x g) x + y = 4 h) 2x3y + 3xy3 = 5 i) x2y2 = x2 + y2 j) (2x + 3)4 = 3y4 + y3 k) x2 = x + 2y 50 – GABARITO DE 49 1. a) −x y b) 4x 9y c) 2y − 3x2 3y2 − 2x d) 5y − x y − 5x e) −y2 x2 f) 2+ 3x−2 3y−2 g) − y x h) −6x2y − 3y2 2x3 + 9xy2 i) x − xy2 x2y − y j) 8(2x + 3)3 12y3 + 3y2 k) 2x −1 2
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