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Cálculo I e II 02 1. Equações 3º e 4º Graus 4 Equações Polinomiais 4 Equações Biquadradas 6 2. Limites 11 Limite de uma Função Real 13 Teorema do Valor Intermediário 14 Limite Infinito 19 Limite no Infinito 21 Propriedades dos Limites 22 3. Cálculo II 25 Derivadas 25 Definição de Derivada 25 Definição 26 Notações para a Derivada 26 Interpretação Geométrica 28 Regras Tabeladas para Derivar 33 4. Integral 36 Integral Indefinida 37 Propriedades da Integral Indefinida 40 Integral Definida e Indefinida 41 Integrais Definidas 41 Restrições e Notação 45 Integral por Substituição 47 Materiais Complementares 48 5. Referências Bibliográficas 50 03 4 CÁLCULO I E II 1. Equações 3º e 4º Graus Fonte: Prova Fácil Web1 ntes de iniciar de fato a nossa matéria que compreende o cál- culo I vamos relembrar alguns con- ceitos. Equações Polinomiais Note que versa sobre a equa- ção o qual tem-se sua variável inde- pendente (na maioria das vezes si- mulada pela letra “x “) elevada ao expoente 3, isto é, constitui em ser um polinômio com 3 graus. Podemos encontra-la com ou- tros nomes, bem como sendo uma função do terceiro grau análogas às nomenclaturas equação cúbica, ou ainda, como um polinômio de ter- ceiro grau. Sua representação gráfica é como descrita a seguir: 1 Retirado em http://provafacilnaweb.com A 5 CÁLCULO I E II Fonte: Só matemática Ainda, sua fórmula geral pode ser representada sendo como uma equação cúbica. Isto é, sua fórmula geral e dada por: y = ax³ + bx² + cx + d Onde: “a“, “b“, “c” e “d” representam os coeficientes, todavia, o “d” designado como um termo in- dependente; “x” será a variável indepen- dente da função; “y” ainda, y será a variável que dependente da função. Note que uma função polino- mial do terceiro grau poderá apre- sentar até três raízes reais e dis- tintas. Essencialmente, pode ser interpretada aplicando as Rela- ções de Girard para resolver uma questão contendo uma equação do terceiro grau. Fonte: http://querobolsa.com.br Note que as fundamentações de Girard serão as responsáveis por estabelecer uma relação vivente em meio aos coeficientes de uma equa- ção algébrica, bem como as suas raí- zes. Assim, na equação do 2º grau, as afinidades são alcançadas através das fórmulas da soma e do produto: - b/a e c/a, concomitantemente. Assim, as equações do 3º grau têm como lei de desenvolvimento a equação algébrica: ax³ + bx² + cx + d = 0, com a ≠ 0 junto as raízes x1, x2 e x3. A alteração dessa equação pos- sibilita a resolução de expressões matemáticas adequados para relaci- onar as raízes da equação. ax³ + bx² + cx + d = a[x³ - (x1+x2+x3)x² + (x1*x2 + x1*x3 + x2*x3) - x1*x2*x3 Logo, dividindo a equação por a, obtemos o seguinte: 6 CÁLCULO I E II Desse modo, realizando uma igualdade em meio aos polinômios da seguinte maneira: x1 + x2 + x3 = - b/a x1 * x2 + x1 * x3 + x2 * x3 = c/a x1 * x2 * x3 = - d/a Logo, os polinômios do 4º grau têm a consequente lei de for- mação: ax4 + bx³ + cx² + dx + e = 0. Observe que nessa equação polinomial obtemos, no máximo, a vivência de quatro plausíveis raízes, cujos quando correlacionadas, de- senvolvem as consequentes expres- sões: x1 + x2 + x3 + x4 = - b/a x1 * x2 + x1 * x3 + x1 * x4 + x2 * x3 + x2 * x4 + x3 * x4 = c/a x1 * x2 * x3 + x1 * x2 * x4 + x1 * x3 * x4 + x2 * x3 * x4 = - d/a x1 * x2 * x3 * x4 = e/a Equações Biquadradas Fonte: http://youtube.com Veja que a resolução de uma equação biquadrada em IR, isto é uma equação de 4º grau, precisamos trocar sua variável, transformando- a em uma simples equação do 2º grau. Note que agora a expressão que precisa ser empregada, será: A partir da sequência prática: Substitua x4 por y2 (ou qual- quer outra incógnita elevada ao quadrado) e x2 por y. Resolva a equação ay2 + by + c = 0. Determine a raiz quadrada de cada uma da raízes (y'e y'') da 7 CÁLCULO I E II equação (SÓ MATEMÁTICA, 2021). ay2 + by + c = 0. Desse jeito, temos que essas duas analogias recomendam-nos que cada raiz positiva da equação acima (ay2 + by + c = 0) representara a origem a duas raízes harmônicas para a biquadrada: logo, a raiz ne- gativa, por sua vez, não dará origem a qualquer raiz real para a mesma. Vamos observar os exemplos a seguir: Vamos determinar as raízes da equação biquadrada abaixo: x4 - 13 x2 + 36 = 0. Resolução: Trocando x4 por y2 e x2 por y, obtemos que: y2 - 13y + 36 = 0 Logo, a partir disso teremos que essa equação>:y'=4 e y''=9 Bem como x2 = y, chegamos em: Assim, alcançamos que para conjunto verdade será: V={ -3, -2, 2, 3}. Mais um exemplo a seguir: Vamos determine as raízes pa- ra a equação biquadrada. x4 + 4x2 - 60 = 0. Resolução: Trocando x4 por y2 e x2 por y, observamos que: y2 + 4y - 60 = 0 Logo, a resolução essa equa- ção, alcançamos o seguir: y'=6 e y''= -10 Assim, temos que x2= y, logo: Dessa forma, chegamos que para o conjunto verdade: Por fim, para um último exem- plo vamos determinar a soma das raízes da equação. 8 CÁLCULO I E II Resolução: Neste caso, empregamos a se- guinte aplicação: Logo: y2 - 3y = -2 y2 - 3y + 2 = 0 y'=1 e y''=2 Trocando y, produzimos que: Assim, a somatória das raízes é representada por: Note então que a equação bi- quadrada é uma equação a qual pos- sui até o quarto grau, e como já men- cionada para descobrir os valores de suas raízes será necessário mudá-la para uma equação de 2º grau. Desse modo, essa equação possui a sua forma geral: ax4 + bx2 + c = 0. Logo, temos que a ≠ 0 e b e c precisam admitir valores reais. Desse jeito, para solucionar e assim encontrar as suas raízes trans- formamos em uma equação do se- gundo grau. Utilizando a mudança e substituindo as incógnitas. Para melhor entendermos, co- mo veremos a seguir. Veja que essa transformação ocorre ao chegamos às raízes da equação biquadrada. 9 CÁLCULO I E II 4x4 - 17x2 + 4 = 0 → equação biquadrada 4(x2)2 - 17x2 + 4 = 0 → pode ser transcrita assim. Logo, trocando as variáveis: x2 = y, isso constitui que onde for x2 co- locaremos y. 4y2 - 17y + 4 = 0 → agora solu- cionamos essa equação do 2º grau descobrindo x’ e x”. a = 4 b = -17 c = 4 ∆ = b2 - 4ac ∆ = (-17)2 - 4 . 4 . 4 ∆ = 289 - 64 ∆ = 225 x = - b ± √∆/2a x = -(-17) ± √225/ 2 4 x = 17 ± 15 /8 x’ = 17 + 15/ 8 = 32 : 8 = 4 x” = 17 - 15/8 = 2/8 = 1/4 Veja que essas consistem nas raízes da equação 4y2 - 17y + 4 = 0, para descobrirmos as raízes da equação biquadrada, precisamos de: 4x4 – 17x2 + 4 = 0 Logo, precisamos trocar os va- lores de x’ e x”, para x2 = y. Desse modo, considerando que x = 4 x2 = y x2 = 4 x = √4 x = ± 2 Logo temos que x= 1/4: x = 1 /4 x2 = y x2 = 1/ 4 y = ±1/2 Desse modo, a resolução da equação biquadrada é dada da se- guinte forma: S = {-2, -1/2, 1/2, 2} 11 CÁLCULO I E II 2. Limites Fonte: Veja Abril2 ote que quando introduzimos cálculo I, um dos primeiros as- suntos em que devemos empreender é o de limites. Ele tem várias apli- cações, entretanto a sua essência versa em considerar e delinear o comportamento de funções e além disso é o fundamento para a defini- ção de derivadas. Para compreen- dermos o que consiste no limite é imprescindível uma introdução ba- silar sobre continuidade. Veja que uma função 𝑓 é profe- rida contínua em um ponto 𝑎 do seu2 Retirado em http://veja.abril.com.br domínio se o gráfico dela não exibe pulos neste ponto 𝑎. Fonte: Lessa (2020) N 12 CÁLCULO I E II Nesta circunstância, observe que o gráfico da função 𝑓 é contínua sendo assim no ponto 𝑎, isto é, não existe nenhuma cessação ou salto. Por outro lado, observe o caso abaixo: Fonte: Lessa (2020) Observamos que a função rea- liza um salto na sua simulação gráfi- ca, mais exatamente no valor em que admite a função no ponto 𝑎, sendo assim, ela não será contínua em 𝑎. Observe novamente o primeiro gráfico, onde a função é contí- nua em 𝑎. As setas indicam que a medida que 𝑥 se aproxima de 𝑎, pela direita ou pela esquerda, os valores de 𝑓(𝑥) se aproxi- mam de 𝑓(𝑎). Consequente- mente, quanto mais próximo 𝑥 estiver de 𝑎, mais próximo 𝑓(𝑥) estará de 𝑓(𝑎). De uma forma intuitiva, podemos dizer que se 𝑓 é contínua em 𝑎, então o li- mite de 𝑥 tendendo a 𝑎, da fun- ção 𝑓(𝑥) é igual a 𝑓(𝑎) (LESSA, 2020). Assim, na notação usual, mi- nutamos: limx→af(x)=f(a) Entretanto, se caso a função 𝑓 não for contínua em 𝑎, e insistirmos atribuí-la um limite 𝐿, temos que: limx→af(x)=L Logo, 𝐿 consiste no valor que 𝑓 precisaria ter em 𝑎. Note a seguir uma imagem para melhor compre- endermos: Fonte: Lessa (2020) Então temos, no caso em que 𝐿 ≠ 𝑓(𝑎). Logo, 𝐿 versará no valor que 𝑓 precisaria ter em 𝑎 para assim ser considerada contínua. 13 CÁLCULO I E II Limite de uma Função Real Como já mencionamos se f uma função real acentuada sobre o intervalo (a,b) menos quiçá no pon- to x=c que compete a intervalo (a,b), Le e Ld números reais. Articulamos que: 1. O limite lateral de fà direita do ponto c é igual a Ld, se os valores da função se aproximam de Ld, quando x se aproxima de c por valores (à di- reita de c) maiores do que c. Em sím- bolos: limx→c+f(x)=Ld 2. Limite lateral de f à esquerda de c é igual a Le, se os valores da fun- ção se aproximam de Le, quando x se aproxima de c, por valores (à es- querda de c) menores que cc. Em símbolos: limx→c−f(x)=Le 3. Quando o limite lateral à es- querda Le é igual ao limite lateral à direita Ld, diz-se que existe o limite da função no pont cc e o seu valor é Ld=Le=L. Com notações simbólicas, escrevemos: limx→cf(x)=L, significando que, para qualquer ε>0 e arbitrário, existe um δ>0, que depende de ε, tal que |f(x)−L|<ε para todo x satisfa- zendo 0<|x−a|<δ. 4. No caso em que um dos limites laterais não existe ou no caso de am- bos existirem, mas com valores dife- rentes, dizemos que a função não tem limite no ponto em questão. Fonte: Sodré (2020) Note que o próximo resultado assegura que uma função não pode beirar a dois limites distintos ao mesmo tempo e este aspecto é cu- nhado sendo como o teorema da unicidade, porque afiança que se o limite de uma função é vivente, logo, ele necessita ser único. Quando se refere a unicidade do limite temos que: Se limf(x)=A e limf(x)=B quando x→c, então A=B. Demonstração: Se ε> é arbi- trário, então existe δ1>0 tal que f(x)−A|<ε/2 sempre que 0<|x−a|<δ1. Como também temos por hi- pótese que existe δ2>0 tal que |f(x)−B|<ε/2 sempre que 0<|x−a|<δ2 então, tomando δ=mind1, d2>0, obtemos |f(x)−A|<ε/2 e |f(x)−B|<ε/2 sempre que 0<|x−a|<δ e pela desigualdade triangular, temos: |A−B|=|A−f(x)+f(x)−B|≤|A−f (x)|+|f(x)−B 14 CÁLCULO I E II E como ε>0ε>0 é arbitrário, temos: |A−B|<ε Então |A−B|=0, o que garante que A=B. Exercício: Se |z|<ε para todo ε>0, mostre que z=0. Fonte: Sodré (2020) Teorema do Valor Intermediá- rio Vemos caso tenhamos que f consiste em uma função contínua no intervalo fechado [a, b]. Isto consti- tui que, para todo c ∈ (a, b), teremos que limx→c f(x) = f(c). Logo: Em suas extremidades do in- tervalo a definição de continuidade se expressa por meio de limites late- rais: lim x→a+ f(x) = f(a), lim x→b− f(x) = f(b). Desse modo, para fixar os pen- samentos vamos conjecturar que f(a) < f(b) e ponderar um número y0 tal que f(a) < y0 < f(b). Logo, a reta horizontal y = y0 decompõe no plano cartesiano em duas porções avulsas: uma delas, que denominaremos de R+, apre- senta todos os pontos que estão aci- ma da reta e a outra, que denomina- remos R-, apresenta os pontos que estão abaixo da reta. Bem como f(a) < y0 < f(b), precisamos alcançar: A = (a, f(a)) ∈ R−, B = (b, f(b)) ∈ R+. Note que o gráfico de f será em forma de uma curva contínua li- gando todos os pontos. Desse modo, é natural asseverar que esta curva necessita tocar a reta horizontal em determinado ponto (x0, y0). Este ponto compete ao gráfico, de forma que f(x0) = y0 (mostrado a abaixo). Em outras palavras, “se você está dentro de uma sala que não tem janelas e tem somente uma porta, a única maneira de sair da sala ´e pas- sando pela porta...” O argumento ge- ométrico que usamos acima pode ser formalizado matematicamente. A sua conclusão ´e um importante resultado que enunciamos abaixo. Teorema 1 (Teorema do Valor Inter- mediário). Suponha que f ´e uma função contínua no intervalo fe- chado [a, b]. Se y0 ´e um valor entre f(a) e f(b), então existe pelo menos um x0 ∈ [a, b] tal que f(x0) = y0. Fonte: UNB (s/a) 15 CÁLCULO I E II Fonte: UNB (s/a) Vejamos que no enunciado su- pra, como não estamos conjectu- rando f(a) < f(b), a citação “entre f(a) e f(b)” precisa ser compreendida como em meio ao menor e o maior deles. As figuras acima ilustram pri- meiro o caso f(a) < f(b) e, em se- guida, o caso f(a) > f(b). Se tivermos f(a) = f(b), então a única opção seria y0 = f(a) e, neste caso o teorema cla- ramente é verdadeiro bastando to- marmos x0 = a, por exemplo. Fonte: UNB (s/a) Logo, antes de comparecer atenções vamos considerar que a conclusão do teorema pode ser falsa, caso a função f não seja contínua. A título de exemplo simples é a função a seguir: Fonte: UNB (s/a) Vejamos a seguir dois exem- plos elucidando a aplicação do TVI- Teorema do Valor Intermediário. Exemplo 1: Vamos usar o TVI para encontrar aproximações para uma raiz da função 16 CÁLCULO I E II f(x) = x 3 − 2x 2 − 4x − 2. Uma conta simples mostra que f(2) = -10, de modo que o ponto (2, f(2)) está abaixo do eixo Ox. Por ou- tro lado, como f(6) = 118, o ponto (6, f(6)) se situa acima do eixo Ox. Sendo f contínua, o seu gráfico deve ligar esses dois pontos com uma curva suave, sem saltos. A curva deve então intercep- tar o eixo Ox em um ponto cuja abs- cissa é uma raiz de f(x). Vamos colo- car as coisas na notação do teorema: a função f é contínua no intervalo [2, 6], por ser um polinômio. Além disso, se considerarmos d = 0, temos que f(2) = −10 < d < 118 = f(6). Segue do Teorema 1 que existe x0 ∈ [2, 6] tal que f(x0) = d = 0. Logo, a função f possui pelo menos uma raiz no intervalo [2, 6]. Fonte: UNB (s/a) Note que o teorema não nos possibilita encontrar a raiz. Nada obstante, como compreendemos que no intervalo [2, 6] tem-se uma raiz, podemos articular que x = 4 é uma raiz aproximada. Todavia, nesta aproximação, estaremos caindo em um erro de no máximo 2. Ou seja, que partindo da posição x = 4, se caminharmos 2 unidades no sentido da esquerda ou 2 unidades no sentido da direita 2 seguramente encontraremos uma raiz. Para a aproximação, escolhe- mos o ponto médio do intervalo [2, 6], que é exatamente x = 4. Se você considera que um erro de tamanho 2 não ´e aceitável, pode melhorar a aproximação usando o TVI mais uma vez: calculamos f(4) = 14 e per- cebemos que x = 4 não ´e uma raiz. Se considerarmos o intervalo [4, 6], temos que f(4) e f(6) são positivos. Assim,pode ser que o gráfico não cruze o eixo Ox quando ligamos os pontos (4, (f4)) e (6, f(6)). Porém, olhando para o outro extremo do in- tervalo [2, 6], temos que f(2) = −10 < 0 < 14 = f(4), E, portanto, o TVI nos garante que existe uma raiz no intervalo [2, 4]. Fonte: UNB (s/a). Resultando como antes, pode- mos ponderar x = 3 (consisti no pon- to médio do intervalo [2, 4]) sendo assim a raiz aproximada. O erro in- cumbido agora será no máximo 1. 17 CÁLCULO I E II Fonte: UNB (s/a) Logo, para concluirmos a questão notando que, para o primei- ro passo do processo mencionado, é necessário encontrar valores a e b bem como os sinais de f(a) e f(b) são contrários. Apesar que isto possa parecer complexo e contraditório, você ca- rece concordar que é mais simples do que tentar achar a raiz esponta- neamente, também mais em cir- cunstância em que a expresso da função f será mais complexa. Para melhor compreendermos vamos analisar mais um exemplo: 1. Vamos verificar que a equação √3 x = 1 − x Possui pelo menos uma solu- ção. Para tanto, observe inicialmen- te que as soluções da equação acima são precisamente as raízes da função f(x) = √3 x − 1 + x. Como f(0) = −1 < 0 < 1 = f(1), O TVI implica a existência de uma raiz no intervalo [0, 1], Fonte: UNB (s/a) Quer dizer que na equação em questão tem uma solução neste in- tervalo. Sendo que P0 qualquer ponto no plano da Terra, que considerare- mos em ser uma esfera. Ou seja, a semirreta que liga P0 ao centro do plano fura a superfície em um outro ponto P ′ 0, que denominaremos de antípoda do ponto P0. Vamos utilizar o TVI para comprovar o seguinte aspecto curi- oso: em algum instante de tempo, tem um ponto sobre o equador da Terra no qual a temperatura será a mesma do seu ponto antípoda. 18 CÁLCULO I E II Fonte: UNB (s/a) Desse modo, a intuição física nos possibilita assegurar que a fun- ção T é contínua, uma vez que os pontos próximos na superfície da terra possuem temperaturas próxi- mas. Vamos considerar agora a fun- ção contínua g(θ) = T(θ) − T(θ + π), ∀ θ ∈ [0, π], Que mede a diferença de tem- peratura entre dois pontos antípo- das. Note que g(0) = T(0) − T(π), g(π) = T(π) − 19 CÁLCULO I E II T(2π) = T(π) − T(0) = −g(0). Se g(0) = 0, Então a temperatura nos pon- tos P0 e Pπ são iguais. Caso contrá- rio, devemos ter g(0) 6= 0. Neste caso, como g(π) = -g(0), os sinais de g(0) e g(π) são opostos. Segue então do TVI que g(θ0) = 0 par algum θ0 ∈ (0, π). Assim, os pontos Pθ0 e Pθ0+π estão sob a mesma temperatura. Fonte: UNB (s/a) Dessa forma, o argumento aci- ma conservar-se válido para qual- quer outra forma escalar que diver- sifica ininterruptamente sobre a su- perfície da Terra, a título de exem- plo, a pressão, ou a elevação. Ainda, não necessitamos nos desconjuntar sobre o equador, toda- via sim sobre qualquer circunferên- cia máxima, a título de exemplo to- das aquelas fantasiosas que produ- zem a longitude de um ponto na su- perfície terrestre. Limite Infinito Conjecturamos a função: f (x) = 1 /x2. Veja que quando o x se beira de p = 0, x 2 ainda se aproxima de 0 e, por conseguinte, 1 x2 fica arbitra- riamente amplo quando adotamos valores de x acompanhantes de p = 0. -4 -2 2 4 2 4 6 8 10 Para recomen- dar este aspecto escrevemos: lim x→0 f (x) = +∞. Vale ressaltar que nessa cir- cunstância, não se tem: lim x→0 f (x). Desse modo, diversas vezes mencionamos a este aspecto como f (x) discrepa para +∞ quando x vai a zero. Note que a reta vertical x = 0 é denominada uma assíntota vertical do gráfico de f. Dando uma definição (Limite Infinito), que consiste em seja f uma função e p um ponto de ajuntamento de Df . Logo, proferimos que: Fonte: Carvalho (2020) Logo, quando p consiste no ponto de ajuntamento à direita (es- querda) de Df. Vejamos um exemplo a seguir: 20 CÁLCULO I E II Fonte: Carvalho (2020) Definindo a reta x = p será de- nominada como assíntota vertical do gráfico da função f caso algum das seguintes condições jazerem sa- tisfeita: Fonte: Carvalho (2020) Veja que a proposição conse- guinte será muito benéfica para cal- cular limites. Observe a proposição: Fonte: Carvalho (2020) Ou seja, dependerá das condi- ções da proposição. Agora provando a Proposição: Fonte: Carvalho (2020) Agora considerando as propri- edades dos limites infinito, vejamos que seja L um valor real. Tal que: Fonte: Carvalho (2020) Lembre-se que as proprieda- des acima são apropriadas se no lu- gar de x → p, utilizamos x → p + ou x → p -. Ainda, vale ressaltar que as propriedades acima recomendam como operar com os Símbolos +∞ e −∞. 21 CÁLCULO I E II Assim, por exemplo, se L ∈ R, L±∞=±∞, ∞.(−∞) =−∞ e L.(±∞)=±∞(∓∞)se L>0(L<0). Também temos indetermina- ções, por exemplo, ∞ − ∞, −∞ + ∞, 0 . ∞. Limite no Infinito Iremos analisar por agora o comportamento de h(x)=1/x, uma vez quando x cresce arbitrariamente (x→∞) ou mesmo quando x decresce arbitrariamente (x→−∞). Logo, o caminho que h per- corre em x pequenos: Logo, o comportamento de h para z grandes: Desse modo, observando as ta- belas temos que: Fonte: Sodré (2020) Desse jeito, ao arquitetar o gráfico de h, notamos que tem uma reta (assíntota) horizontal que con- siste em uma reta y=0, que jamais toca a função, entretanto se beira a ela em +∞ e em −∞. 22 CÁLCULO I E II Fonte: Sodré (2020) Note que obtemos assim uma definição geral, conglomerando tal circunstância: Olhe que definindo considera- mos que seja f uma função acentu- ada para todos os valores dentro do intervalo (a,∞). Ponderamos: Logo, quando consideramos para todo ε>0, tem um número real M>0 tal que |f(x)−L|<ε continua- mente que x>M. Igualmente, formalizamos as- sim o conceito de assíntota horizon- tal. Ainda, trazendo uma definição articulamos que a reta y=L será uma assíntota horizontal do gráfico de f, caso se: limx→∞f(x)=L ou limx→−∞f(x)=L Propriedades dos Limites Como vimos em diversas fun- ções do Cálculo podem ser alcança- das como somas, quociente, diferen- ças, produtos e potências de funções simples. Assim, todas as circunstân- cias abaixo, ponderamos x→ax→a. Se f(x)=C onde C é constante, então limf(x)=limC=C Se k e b são constantes e f(x)=kx+b, então limf(x)=lim(kx+b)=ka+b Se f e g são funções, k uma constante, A e B números reais e além disso limf(x)=A e limg(x)=B, então: lim(f±g)(x)=[limf(x)]±[limg(x)]=A ±B lim(f⋅g)(x)=[limf(x)]⋅[limg(x)]=A⋅B lim(k⋅f)(x)=k⋅limf(x)=k⋅A lim(f)n(x)=(limf(x))n=Na lim(f÷g)(x)=[limf(x)]÷[limg(x)]=A ÷B, se B≠0. 23 CÁLCULO I E II limexp[f(x)]=exp[limf(x)]=exp(A) Se acontecer uma das situa- ções abaixo: a. limf(x)=0 b. limf(x)>0 e n é um número na- tural c. limf(x)<0 e n é um número na- tural ímpar Então: Fonte: Sodré (2020) 25 CÁLCULO I E II 3. Cálculo II Fonte: Matemática PT3 Derivadas Definição de Derivada cálculo derivado também conta com um estudo introdutório, todavia, averígua-se sendo como o conceito de derivada em uma função real de uma variável. Logo, a deri- vada submerge a diversificação ou a alteração no comportamento de di- versos fenômenos. Para melhor en- tender a definição de derivada, abor- dando os três problemas do Cálculo que submergem variação e movi- mento: O problema da reta tangente: 3 Retirado em http://matematica.pt sejam f: D(f) ⊂R → R uma função real e x0 ∈ D(f), como obter a equação da reta tan- gente ao gráfico de f que passa pelo ponto (x0, f(x0))? O problema da velocidade e da aceleração: seja s: D(s) ⊂ R → R uma função real que descre- ve o deslocamento de um ob- jeto no plano e t0 ∈ D(s), como determinar a velocidade e a aceleração do objeto em t = t0? O problema de máximos e mí- nimos: seja f: D(f) ⊂ R → R uma função real qualquer. Co- mo encontrar os pontos extre- mos do gráfico de f? Fonte: RODRIGUES; MENECHETTI; POFFAL (2016) O 26 CÁLCULO I E II Note que estes problemas são delineados a partir do conceito de li- mite que foram mencionados anteri- ormente. É importante lembrar que para uma função real f: D(f) ⊂ R → R, Consiste em que chamamos de “derivada da função f” será além dis- so uma função. Logo a função “deri- vada da função f” é alcançada por meio do cálculo de um limite que será analisado na seção a seguir. Definição Observe que seja f D(f) ⊂ R → R uma função real Note que a derivada de f es- tando no ponto de abscissa x = x0 é definida como o número: f 0 (x0) = lim f(x0 + ∆x) − f(x0)/ ∆x Logo, supondo que o limite exista. Quando o limite (1.1.1) exis- tir, diz-se que a função é derivável em x = x0. Pode-se pensar em f 0 como uma função cuja entrada é o número x0 e cuja saída é o valor f 0 (x0). Por- tanto, ao substituir-se x0 por x em (1.1.1), tem-se f 0 (x), ou seja, a deri- vada da função f em relação à variá- vel x, definida por, f 0 (x) = lim f(x + ∆x) − f(x) / ∆x . O processo para calcular uma derivada é chamado derivação ou di- ferenciação. Fonte: RODRIGUES; MENECHETTI; POFFAL (2016) Notações para a Derivada Observe que têm diferentes formas de simular a derivada de uma função y = f(x), no caso a variá- vel independente é x junto a depen- dente é y. Determinadas notações mais habituais para a derivada são: Notação “linha” (Joseph La- grange): f 0 (x), y 0. Notação de Leibniz: dy/ dx, df /dx, d/ dx [f(x)]. Notação de operador: Dx[y]. Notação de Newton: y˙. Fonte: RODRIGUES; MENECHETTI; POFFAL (2016) Desse modo, para descobrir o valor de uma derivada em um algum ponto x = x0, empregam-se as se- guintes notações Vamos a exemplos de em- prega-los. Mostre que a derivada de f(x) = x 2 + 3x é f 0 (x) = 2x + 3. 27 CÁLCULO I E II Resolução: Como já identifi- cando que f(x) = x 2 + 3x, precisa de- monstrar que f 0 (x) = 2x + 3. Para fazê-lo devemos aplicar a definição de derivada, mostrada anterior- mente. Basicamente precisa calcular f(x + ∆x): Logo, trocando as equações, temos que: Fonte: RODRIGUES; MENECHETTI; POFFAL (2016) Vamos aplicar a definição, as- sim, determinando a derivada da função: a. f(x) = e ax Vamos a resolução do proble- ma apresentado. Tendo que f(x) = e ax e justapondo, teremos que: Fonte: RODRIGUES; MENECHETTI; POFFAL (2016) Vamos mais um exemplo para melhor compreendermos: b. g(x) = sen(ax). Tendo que g(x) = sen(ax), e justapondo a notação, alcançaremos o seguinte: Fonte: RODRIGUES; MENECHETTI; POFFAL (2016) Logo, considerado os limites fundamentais, temos que: 28 CÁLCULO I E II Assim, a derivada da função g(x) será apresentada por: g’(x)+ a cos (ax) Desse modo, podemos sinteti- zar e articular que a Derivada de uma função 𝑓 em analogia à variável 𝑥: consiste na taxa de variação de 𝑓 de forma que 𝑥 varia. Logo, a deri- vada no ponto 𝑥 = 𝑥0 será: Assim, o gráfico dessa deriva- da consiste em um ponto é o coefici- ente angular da reta tangente ao grá- fico no mesmo lugar. Fonte: Responde ai (s/a) Interpretação Geométrica Como vimos a derivada con- siste em ser uma função f a partir de um ponto a exibir na reta tangente um coeficiente angular (inclinação) no gráfico de f no ponto (a, f(a)). Observamos que se dada uma curva plana que simula o gráfico de f, se admitirmos um ponto P(a, f(a)), logo a equação da reta tangente r à curva em P será formulada por: y - f(a) = m (x - a) Assim, onde m será o coefici- ente angular da reta. Desse modo, basta que admi- tamos o coeficiente angular m da re- ta junto a um dos seus pontos, para apreciarmos a sua equação. Todavia, como alcançar m para que r signifi- que ser tangente à curva em P? Pon- deremos um outro ponto arbitrativo sobre a curva, Q, no quais coordena- das consistem em: (a + ∆x, f(a+ ∆x)) Note que a reta que advém por P e Q que é denominada reta secante à curva. 29 CÁLCULO I E II Fonte: UNESP (s/a) Note que ao ponderarmos ago- ra a diversificação do coeficiente an- gular da reta secante avaliando Q se aproximar de P, isto é, adotando ∆x cada vez menor. Tudo recomenda que quando P está achegado de Q, o coeficiente angular msec da reta se- cante necessita estar acompanhante do coeficiente angular m da reta r, isto é, o coeficiente angular msec pos- sui um limite m quando Q inclinasse para P, que consiste em ser o coefici- ente angular da reta tangente r. Mostrando-se a abscissa do ponto Q por: x = a + ∆x (∆x = x - a) Ainda, compreendendo-se que a abscissa de P é explanada por a, logo, se Q → P tal que ∆x → 0, o que é análogo a x→ a. Agora: Fonte: UNESP (s/a) A seguir, se m = f’(a), isto é, a derivada consiste em ser uma fun- ção em um ponto, que logo, aprovi- sione o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico da função, neste ponto. Vamos observar exemplos para melhor compreender: Se f(x) = x2, determine qual é a equação da reta tangente ao gráfico de f, no ponto P(2, 4): Desse jeito, o coeficiente angu- lar m da reta, será quando x0=2, te- mos que: Assim, a equação abreviada para a reta tg no ponto P, será apre- sentada por: 30 CÁLCULO I E II Logo, a sua representação grá- fica será apresentada a seguir: Fonte: UNESP (s/a) Vale ressaltar que a definição que se compreende na geometria plana de reta tangente consiste em uma circunferência, cujo situa que a reta tg encosta na circunferência so- mente em um único ponto, não po- derá ser desdobrado ao conceito de reta tg a uma curva acentuada pela função y = f(x). A imagem a seguir demonstra essa afirmação. Fonte: UNESP (s/a) Vamos observar aos exemplos a seguir: Dada a função f(x) = x: a. Determine a equação da reta tangente ao gráfico de f, no ponto P(4,2) Solução: A equação da reta tangente ao gráfico de f no ponto P é dada por: y – 2 = f ´(4) (x – 4). Por- tanto, basta determinar f ´(4): Logo, a equação da reta tangente ao gráfico de f no ponto P é dada por y - 2 = ¼ (x-4) ou 31 CÁLCULO I E II Fonte: UNESP (s/a) Vamos ponderar que uma im- plicação imediata da interpretação geométrica da derivada é que uma função somente será derivável (ou diferenciável), caso um ponto de seu domínio se haver uma reta tangente no seu gráfico por este ponto, isto é, o gráfico da função no ponto em questão não exibe comportamento pontiagudo. Aplicando este pensamento para todos os pontos do domínio da função, compreendemos que o gráfi- co de uma função diferenciável con- sistirá em ser uma curva suave, sem nem um pico “pontudo”. Do mesmo modo, a função exibida na imagem abaixo, a título de exemplo, não é di- ferenciável em x0, isto é, neste ponto não tem a sua derivada, porquanto por (x0, f(x0) não passa uma única reta tg. Fonte: UNESP (s/a) Desse modo, notamos que o cálculo da derivada pelo meio da sua definição determinadas vezes será complexo, porquanto submerge o cálculo de um limite. Para tornar mínimo este pro- blema, empregamos determinadaspropriedades das derivadas, que de- nominaremos de regras de deriva- ção, cujos não serão evidenciadas na apostila, mas será trabalhado no material complementar, entretanto 32 CÁLCULO I E II suas expressões transcursam da de- finição de derivada e podem ser des- cobertas na maior parte dos livros de Cálculo. 33 CÁLCULO I E II Regras Tabeladas para Derivar Ainda, faz necessário apresentar algumas regras que são necessárias para resolução do cálculo derivada: Fonte: Responde ai 34 CÁLCULO I E II Por fim, se analisarmos o cál- culo de uma derivada de f no ponto x=a, vemos que a função será deline- ada de maneira diversa no ponto x=a, logo, empregaremos a definição de derivada. Exemplificando, se almejamos a derivar na função de 𝑓(𝑥) no ponto 𝑎: Logo, empregamos a defini- ção. jamais não esquecendo que existem as derivadas implícitas. A tí- tulo de exemplo ao derivar 𝑦2 = 𝑥3 + 2 Assim, em relação a 𝑥, com 𝑦 = 𝑓(𝑥), empregamos a Regra da Ca- deia, multiplicando a derivada de 𝑦2 por 𝑦′: 2𝑦(𝑦 ′ ) = 3𝑥2 . Assim, tere- mos nesse caso 2𝑦𝑦 ′ = 3𝑥2. 35 36 CÁLCULO I E II 4. Integral Fonte: Veja Abril4 ote que a derivada é uns prin- cipais conceitos do Cálculo. Além disso, outro conceito até mais relevante é o de Integral. Tem-se uma estreita correlação entre esses dois raciocínios. A operação inversa da derivação, como já mencionamos consiste na antiderivação ou como ainda conhecemos a integração in- definida. Newton e Leibniz, em seus es- tudos se envolveram em uma polê- mica sobre quem de fato desenvol- veu a descoberta do Cálculo, ocasio- nando amplo desgaste particular a cada um deles. Todavia, as aborda- 4 Retirado em http://veja.abril.com.br gens em que cada um utilizou o tema foram diferentes. Newton apresenta o seu Méto- do das Fluxões como uma ferra- menta que lhe permite aprofun- dar seus conhecimentos dos fe- nômenos físicos. Isto é, uma vi- são cinemática do Cálculo: a de- rivada vista como uma taxa de variação. Ele considerava x e y variando em função do tempo. Leibniz, por sua vez, considera- va x e y variando sobre uma se- quência de valores infinitamen- te próximos. Ele introduziu dx e dy como sendo as diferenças entre os valores nesta sequên- cia. Newton encarava a integra- ção como um problema de en- contrar os x e y de uma determi- N 37 CÁLCULO I E II nada fluxão, isto é, achar o des- locamento de uma dada veloci- dade (CONHECER, s/a). Desse modo, para ele, a inte- gração era, espontaneamente, o pro- cesso avesso da diferenciação. Uma vez que Leibniz olhava a integração como uma soma, sendo que o estilo em que empregaram, antes dele Ca- valieri e Roberval e Arquimedes. Lo- go, ele foi feliz em empregar os ‘infi- nitésimos’ dx e dy, de modo análogo Newton empregou x’ e y’, isto é, ve- locidades. Observe que Leibniz utilizava a palavra ‘mônada' para recomendar algo tão singelo que não se divide em partes. Nenhum deles avaliava o que nós cognominamos de funções, por- quanto este conceito somente foi in- troduzido diversos séculos depois. Entretanto, os dois, categoricamen- te, pensavam em adjacências de grá- ficas. De qualquer forma, eles esta- vam travando uma luta com o infinito, no caso, o infinitamen- te pequeno. Apesar de Newton ter desenvolvido sua teoria pri- meiro, coube a Leibniz o mérito de ter publicado a sua versão, em 1684, introduzindo o termo calculus summatorius, e divul- gando assim suas ideias. Leib- niz dava muita importância à notação, no que estava absolu- tamente certo (CONHECER, s/a). Assim, foi Leibniz quem colo- cou os símbolos matemáticos d e f, situando, em meados de 1675, a no- tação precisamente como fazemos presentemente. Integral Indefinida Note que o estudo das inte- grais indefinidas consiste no primei- ro passo para alcançar o entendi- mento de uma aplicação da ferra- menta matemática: a integral. As- sim, como a operação da derivada será introduzida a ideia de integral, despontando sua analogia com a de- rivada. Logo, se temos que é a função F(x) é primitiva da função f(x), a ex- pressão F(x) + C será denominada integral indefinida da função f(x) e é apresentada por: Temos que: Fonte: Conhecer.org 38 CÁLCULO I E II Onde se lê Integral Indefinida de f(x) em conexão a x ou integral de f(x) em relação a x. Ainda, o proces- so que possibilita calcular a integral indefinida consiste em ser uma fun- ção é cunhado integração. Assim, temos que da definição de integral indefinida é explanada da seguinte forma: Fonte: Conhecer.org A título de exemplos temos que: Fonte: Conhecer.org Logo, como vimos acima, podemos ponderar que: 39 CÁLCULO I E II Logo, possibilita alcançarmos as fórmulas gerais da integração por meio das formulas das derivadas. Fonte: Cálculo A 40 CÁLCULO I E II Propriedades da Integral Inde- finida Assim, podemos articular que sejam f(x) e g(x) funções reais acen- tuadas dentro do mesmo domínio e k uma constante real. Logo, teremos que: Fonte: Conhecer.org Fonte: Cálculo A 41 CÁLCULO I E II Integral Definida e Indefinida Como vimos a Integral que di- zemos que consiste em ser uma de- rivada definida se dá um valor como resultado, por outro lado, a Integral chamada de INDEFINIDA que vere- mos a seguir se dá por uma função. Fonte: Responde ai Integrais Definidas Veja que considerando a área na antiguidade a matemática traba- lha com o MÉTODO DA EXAUS- TÃO: Fonte: Freire (2015) 42 CÁLCULO I E II A título de exemplo vamos encontrar área das circunferências acima: Fonte: Freire (2015) Logo, temos que: Fonte: Freire (2015) Assim, considerando a região plana S, isto é, soma de Riemann: Fonte: Freire (2015) Desse modo, ampliando a ima- gem por polígonos, no qual áreas te- nham a possibilidade de serem cal- culadas por meio dos métodos da ge- ometria elementar, temos que: 43 CÁLCULO I E II Fonte: Freire (2015) 44 CÁLCULO I E II Assim, a soma das áreas dos n retângulos, será exibido por: Fonte: Freire (2015) Então será conhecida sendo como a Soma de Riemann. Trazendo uma definição, po- demos articular que seja y = f(x) uma função contínua, não negativa em [a,b]. Sendo que área na curva y = f(x), de a chegando até b, é deline- ada por: Fonte: Freire (2015) Logo, para cada i = 1, ... n, ci consistirá no pondo arbitrário do in- tervalo [x i-1, xi]. Que será representada por: Fonte: Freire (2015) Note que poderemos utilizar qualquer símbolo para simular a va- riável independente. Fonte: Freire (2015) 45 CÁLCULO I E II Restrições e Notação Note que em consequência das alternativas que optamos, para as estimativas para a variação total co- meçando pela variação acumulada das funções analisadas podem ser aperfeiçoadas por meio do aumen- tarmos o número n de subintervalos. Assim, a probabilidade de calcular- mos uma estimação “exato” da vari- ação total, promove em primeiro lu- gar uma ponderação sobre como a metodologia para elevar de modo in- definido o valor de n pode ser suge- rido. Dessa forma, vamos nos ater a constatar se o procedimento de acrescentar o valor de n deriva, ou não, em um balanceamento dos va- lores alcançados em cada Soma. Pa- ra melhor compreender vamos ana- lisar um exemplo sobre como decor- rer. Fonte: http://docplayer.com.br Mas antes relembramos a nota- ção com que indicamos o de- senvolvimento de processoscomo “aumentar indefinida- mente o valor de n”. A notação representa este processo e é lida: limite quando n tende ao infinito. Nesta linguagem, nos- so desafio se traduz por investi- gar a possibilidade de associar um número real às expressões e Se para y = f (t) num dado inter- valo ambos os valores puderem ser definidos, 1 e se eles forem iguais, este valor terá o nome Integral Definida (PINTO, 2009). A notação representa este processo e é lida: li- mite quando n tende ao infinito. Nesta linguagem, nosso desafio se traduz por investigar a possibilidade de associar um número real às ex- pressões e 46 CÁLCULO I E II Se para y = f (t) num dado in- tervalo ambos os valores puderem ser definidos, 1 e se eles forem iguais, este valor terá o nome Inte- gral. Fonte: Pinto (2009) Logo, a aplicação empregada que mencionarmos consiste na à In- tegral Definida será Logo, na circunstância em que as funções y = f (t) que calculamos até agora, sendo: Desse modo, sempre terão e serão análogos. Assim, para este grupo de funções, devemos observar o seguinte: Fonte: Pinto (2009) Observe o seguinte exemplo: 47 CÁLCULO I E II Fonte: Pinto (2009) Observe que ambas parcelas da última soma entre parênteses permanecerão desprezíveis quando n acender muito. Dessa maneira, a soma se consolida em 1/3 quando n cresce de modo indefinido. Fonte: Pinto (2009) Integral por Substituição Para simplificar a visualização, podemos chegar a uma integral co- nhecida. Utilize quando você conse- guir decompuser o que está sendo integrado em ambas partes: uma função (𝑢) vezes a derivada dessa função (𝑑𝑢). Transformação de vari- áveis como já vimos para integrais definidas, altera-se os limites de in- tegração. Fonte: Responde ai 48 CÁLCULO I E II Materiais Complementares Links “gratuitos” a serem con- sultados para um acrescentamento no estudo do aluno de assuntos que não poderão ser abordados na apos- tila em questão: Aulas sobre limites Introdução-ao-Cálculo.pdf pucgoias.Introdução_ao_cál- culo.pdf Cálculo I e II (livro) Derivadas funções reais Download do Livro Cálculo A Apostila_Calculo_II.pdf calculo1.pdf ApostilaLimiteDerivada.pdf https://pt.khanacademy.org/math/calculus-home https://mtm.grad.ufsc.br/files/2014/04/Introdução-ao-Cálculo.pdf http://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17601/material/Introdução_ao_cálculo.pdf http://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17601/material/Introdução_ao_cálculo.pdf https://www.ime.unicamp.br/~deleo/MS123/UERJ.pdf https://lemas.furg.br/images/Apostilas/derivadas_2016.pdf https://re1opcao.blogspot.com/2014/09/calculo-diva-marilia-flemming-mirian.html http://mz.pro.br/calculoII/02_Apostila_Calculo_II.pdf https://sites.icmc.usp.br/andcarva/sma301/calculo1c-am6.pdf https://www.cin.ufpe.br/~gamr/FAFICA/matematica/ApostilaLimiteDerivada.pdf 49 49 50 CÁLCULO I E II 50 5. Referências Bibliográficas CARDOSO, Cristiane Terezinha; GÓES, Anderson Roges Teixeira. ANÁLISE DAS RESOLUÇÕES REALIZADAS POR ESTU- DANTES SOBRE CÁLCULO DE ÁREA. EDUCAÇÃO, TECNOLOGIAS E LINGUA- GENS: PESQUISAS, METODOLOGIAS E PRÁTICAS INOVADORAS (vol. 1), p. 38. CARVALHO, Alexandre Nolasco de. Aula 11 - Limites Infinitos e no Infinito. Univer- sidade de São Paulo, São Carlos/SP, Brasil, 2020. CARVALHO, João Paulo Antunes; DE MACÊDO, Josué Antunes; LOPES, Lail- son dos Reis Pereira. Algumas aplicações do cálculo diferencial e integral. Research, Society and Development, v. 10, n. 8, p. e22410817220-e22410817220, 2021. CONHECER. Integrais. Curso de cálculo, Módulo 4, Centro Científico Conhecer [s/a]. DA SILVA, Lino Marcos et al. O LIVRO DE CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I: A VISÃO DOS ALUNOS DE CURSOS DE ENGENHARIA. Equações do 2º grau" em Só Matemática. Virtuous Tecnologia da Informação, 1998- 2021. Consultado em 16/08/2021 às 14:30. 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