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1 2 3 JORGE BRANDÃO Editora Universitária UFP E 4 RECIFE - 2013 FICHA 5 Matemática Básica para Engenharias: Argumentações no Cálculo com 1 variável Justificando o título: “argumentação” - sf (lat argumentatione) significa: (1) Ato de argumentar. (2) Reunião de argumentos. (3) Filos Série de argumentos com vistas a uma só conclusão. (4) Raciocínio. (5) Dedução. Desta feita, pretende-se usar argumentos coerentes e concisos na construção e concepção de conceitos matemáticos atrelados às Engenharias. Por exemplo: Considere o pagamento da conta de água em determinada localidade. Nesta, paga-se R$ 13,00 por consumos até 10 m³. Por cada m³ que exceder os 10 m³ iniciais, são pagos R$ 2,00. Como relacionar o valor pago com o consumo? Sendo x o consumo em m³ e y = f(x) o valor a se pagar, em reais, então y = 13, se 0 ≤ x ≤ 10. Para cada m³ que exceder, podemos imaginar: Consumo de 11 m³. Excedeu 1 m³. Logo o valor pago é 13 mais 2 = 15 reais. Consumo de 12 m³. Excedeu 2 m³. Logo o valor pago é 13 mais 2x2 = 17 reais. Consumo de 13 m³. Excedeu 3 m³. Logo o valor pago é 13 mais 2x3 = 19 reais. Seguindo ideia, se o consumo for (x – 10), o valor a ser pago será de 13 acrescido de dois que multiplica (x – 10). Notação matemática: { ( ) Ou { Por qual motivo x não pode ser negativo? Outro exemplo: Em virtude da gripe das aves em determinado país da Ásia, alguns produtores resolveram construir aviários dentro de grandes galpões refrigerados. Se em um desses galpões um produtor dispõe de 20 metros de tela de arame e deseja construir um aviário de formato retangular, quais as dimensões do de maior área? Como está o andamento da gripe das aves não vamos abordar, pois o nosso foco, por enquanto, é o raciocínio (ou argumentação) matemática. Também não será justificado o motivo da construção de aviários em galpões refrigerados. Pois bem, vamos selecionar os trechos relativos a aplicação matemática: 6 1. Aviário de formato retangular. Um retângulo é um quadrilátero que possui todos os ângulos internos iguais a 90º. Lados opostos são paralelos e com mesma medida. 2. Assim, se a tela tem 20 metros (e não usaremos mais que uma volta, pois não foi dito no problema), e se r e x são os lados do retângulo, segue-se que 2r + 2x = 20 (a medida da tela é o perímetro do retângulo!). 3. Como queremos a área, e a do retângulo é o produto da medida da base pela altura, segue-se que, A = rx. 4. De (2), r = 10 – x, daí, a área é A = (10 – x)x = -x² + 10x. 5. ATENÇÃO!!! Não esquecer do domínio da função. Como não podemos ter um lado (no contexto) com medida negativa, segue-se que 0 < x < 10. 6. Qualquer área nos interessa? Não. Queremos a maior. Por se tratar de uma função polinomial do segundo grau, o vértice é nosso ponto de máximo (pois o coeficiente do x² é negativo). Daí, sendo y = ax² + bx + c, pelo “x” do vértice, temos que: xv = -b/2a = -10/2(-1) = 5. 7. Deste modo, r = 5 e a área máxima é 25 m². Percebe-se que os conhecimentos prévios (como retângulo e função polinomial do segundo grau) são necessários para a resolução do problema. Entendendo este material... Com mais de 15 anos de vivências em salas de aulas ensinando as disciplinas de Cálculo Fundamental (disciplina anual nos cursos de engenharias do centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará - UFC), e Cálculo I para o Bacharelado em Ciências e (UFERSA) e, tendo que adaptar a matemática da Educação Básica para pessoas com deficiência visual, resolvi preparar um material diferente (mas com a essência) dos já existentes. Com efeito, há matemáticos cegos, enquanto jovens, que fizeram (e fazem) contribuições para o desenvolvimento desse campo do saber. Iniciando com Lev Semenovich Pontryagin (1908–1988), que nasceu em Moscou e ficou cego aos 14 anos em virtude de uma explosão. Foi auxiliado em seus estudos principalmente pelo apoio recebido de sua mãe, Tatyana Andreevna, que lia para Pontryagin. Muito embora fosse leiga na Matemática, Tatyana descrevia com um linguajar próprio a partir das aparências dos símbolos matemáticos. Por exemplo: para indicar que um conjunto A está contido em um conjunto B, notação A B, ela fazia referência do tipo A cauda B (EVES, 2002). A importância da citação de Pontryagin não é só sua capacidade matemática. Seu 7 esforço o tornou um brilhante professor nas áreas de Topologia e Equações Diferenciais. Destaca-se a participação de sua mãe como um apoio em seus estudos, “transcrevendo” textos. Outro que pode ser citado é Nicholas Saunderson (1682–1739), nasceu em Thurlstone, Yorkshire, em janeiro de 1682. Com aproximadamente um ano de idade ele perdeu a visão através de varíola, todavia, este ocorrido não o impediu de adquirir um conhecimento de latim e grego, bem como estudar matemática. Amigos liam para ele. Destaca-se a máquina que ele desenvolveu. A mesma máquina era útil tanto para realização dos cálculos algébricos quanto para a descrição de figuras retilíneas, podendo ser comparada a um “pré-geoplano”. A máquina consistia em um quadrado, dividido em quatro partes iguais por meio de linhas perpendiculares aos lados, de modo que ele ofereça os nove pontos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. O quadrado é perfurado por nove orifícios capazes de receber alfinetes de duas espécies todos do mesmo comprimento e da mesma grossura, mas uns com a cabeça um pouco mais grossa do que outros. Os alfinetes de cabeça grande situam-se sempre no centro do quadrado; os de cabeça pequena, sempre nos lados exceto em um único caso, o do zero. O zero é assinalado por um alfinete de cabeça grande, colocado no centro do pequeno quadrado, sem que haja qualquer outro alfinete nos lados. O algarismo “1” é representado por um alfinete de cabeça pequena, colocado no centro do quadrado, sem que haja qualquer outro alfinete nos lados. O material apresentado por Saunderson pode ser considerado um precursor das celas Braille. Não obstante, a forma como confeccionava figuras planas, utilizando seu material ele estava introduzindo, de modo inconsciente, o hoje utilizado geoplano. A gravura a seguir indica a representação de um trapézio segundo usos de Saunderson. 00 00 00 00 00 000 000 000 00 00 000 000 00 00 Figura 01 – Representação de um trapézio Os pontos pretos representam alfinetes e os zeros são espaços vazios. Entre colchetes tem-se uma “cela” do esquema de Saunderson. Com o tato ele caracterizava as figuras. Quando as figuras eram grandes ou com maior riquezas 8 de detalhes, ele colocava apenas nos extremos (vértices) alfinetes e estes eram unidos por barbantes. E um terceiro matemático cego é Bernard Morin. Ele nasceu em 1931 em Shangai, onde o seu pai trabalhava para um banco. Morin desenvolveu glaucoma bem cedo e foi levado para a França para tratamento médico. Ele voltou a Shangai, mas, por ocasião do rompimento das retinas ficou completamente cego aos seis anos de idade. Depois que ficou cego, Morin retornou para a França sendo educado em escolas para cegos até a idade de quinze anos, quando entrou no ensino regular. Estudou sob Henri Cartan e se juntou ao Centre National de la Recherche Scientifique como pesquisador em 1957. Morin já era bem conhecido por sua eversão da esfera e tinha passado dois anos no Institute for Advanced Study na época em que concluiu a sua tese dePh.D. teoria da singularidade em 1972. A grande notoriedade de Morin está no fato de ser um dos matemáticos que demonstrou a possibilidade da “eversão da esfera”, um problema na área de Topologia Matemática. As citações desses matemáticos servem para indicar que a Matemática pode ser apreendida por pessoas com necessidades especiais, e que a participação ativa da família e de amigos (e dos professores especialistas) é de grande importância para uma aprendizagem significativa. E em relação às adaptações, de que forma um professor de Matemática deve trabalhar este campo do saber em sala de aula quando existem discentes com deficiência visual? Ora, analisando a expressão “estudante com deficiência visual”, excluindo-se “deficiência visual” fica “estudante” e, por conseguinte, têm direitos e deveres iguais aos demais. Logo, o docente pode trabalhar conforme planejou sua atividade. É claro, com adequações. Há quem argumente que a Matemática está associada aos números... então só há matemática se ocorrer a existência de números? Acompanhem, caríssimos leitores, o seguinte exemplo: Conjugar o verbo cantar. Primeira pergunta natural a ser feita é: em qual tempo verbal? Pois bem, caso seja no presente do indicativo temos: EU CANT O TU CANT AS ... Caso seja no pretérito (perfeito), fica: EU CANT EI TU CANT ASTE 9 ... Ora, o verbo cantar é um verbo de primeira conjugação porque termina em AR. Além disso, é um verbo regular. Verbos regulares são verbos que não possuem alteração no radical, no caso CANT. Percebam que há uma relação direta entre os sujeitos, que possuem suas características, e as desinências (terminações). A relação entre esses conjuntos, conjunto dos sujeitos e o conjunto das desinências, é dada pela existência do radical CANT. Como os sujeitos influenciam (DOMINAM) as desinências, podemos indicar tal conjunto como o DOMÍNIO da função "conjugar o verbo cantar". As desinências refletem, reagem a este domínio, isto é, elas representam CONTRADOMÍNIO. Ao conjunto das desinências de um tempo verbal específico chamamos de IMAGEM... Eis um exemplo de adequação. Aprender matemática (e qualquer outra área do saber) consiste em aprender seus conceitos. Por exemplo: leite em pó é leite, se uma criança conceitua leite como líquido de cor branca que saem das mamas dos mamíferos? Saibam que 1 + 1 > 2 quando os limites de cada um são respeitados e suas potencialidades são valorizadas 10 Sumário 1ª Parte Revisando operações numéricas 12 2ª Parte Revisando funções estudadas no Ensino Médio (com aplicações) 16 3ª Parte Limites 22 4ª Parte Derivadas 42 5ª Parte Integração 60 11 12 1ª Parte Revisando operações numéricas Iniciando... Saber operações numéricas é base para desenvolver uma matemática bem estruturada. Por exemplo: i. Sabemos que -1 = (-1)³, pois (-1).(-1).(-1) = -1. ii. Podemos reescrever (-1)³ como (-1)6/2, haja vista 3 = 6/2. iii. De ab/c ser interpretada como a raiz de ordem “c” de “a” elevado a “b”, segue-se que (-1) 6/2 é a raiz quadrada de “menus um” elevado à sexta potência. iv. Como (-1)6 = 1, ficamos com a raiz quadrada de um. v. Ora, raiz quadrada de um é um, daí, -1 = 1??? Resumindo em símbolos: ⏟ ( ) ⏟ ( ) ⏟ √( ) ⏟ √ ⏟ Logo, como 1 ≠ -1, segue-se que há um erro. Onde? Desta feita, este módulo objetiva utilizar de forma coerente operações numéricas e os produtos notáveis. Resumindo... Como há um erro na “justificativa” de -1 = 1, segue-se que é necessário compreender as operações numéricas. A seguir relembramos algumas definições e propriedades referentes aos números reais. Lembrando que o conjunto dos números reais, denotado por R, é a união dos conjuntos dos números racionais com os números irracionais. Intervalos numéricos: Consideremos axiomas de corpo (ideias aceitas sem demonstração) para o conjunto dos números reais, denotado por R. Isto significa que R é um conjunto não vazio o qual definimos duas operações fechadas: Adição: (+): RxR R (x, y) x + y Multiplicação: (×): RxR R (x, y) x × y Obs.: Podemos utilizar em vez de x × y uma das seguintes escritas: xy ou x∙y 13 As operações satisfazem os axiomas a seguir, considerando x, y e z números reais quaisquer: Para a adição “A”: A1) Associatividade: (x + y) + z = x + (y + z) A2) Comutatividade: x + y = y + x A3) Elemento neutro: Existe “0” ("zero") em R, tal que x + 0 = x A4) Simétrico: Existe “-x” em R (ou oposto), tal que x + (-x) = 0 Para a multiplicação “M”: M1) Associatividade: (x ∙ y) ∙ z = x ∙ (y ∙ z) M2) Comutatividade: xy = yx M3) Elemento neutro: Existe “1” ("um") em R, tal que 1∙x = x M4) Inverso multiplicativo: Qualquer que seja “x” (x ≠ 0) em R, então possui um inverso, denotado por “x-1”, em R tal que x ∙ x-1 = 1 Temos ainda o “Axioma da Distributividade”: x ∙ (y + z) = x ∙ y + x ∙ z Com base no quarto axioma da adição (A4) e o quarto axioma da multiplicação (M4), podemos definir: Subtração: (–) : RxR R (x,y) x – y Divisão: (÷) : RxR* R (x,y) x÷y = x . y-1 sendo R* = R - {0}. A seguir, argumentaremos que a multiplicação de dois números negativos é positivo. A referência utilizada é Lima (2011), recomendamos a leitura do livro, pois há várias curiosidades (algumas serão debatidas ou argumentadas neste material, como 0 0 ) Inicialmente, o simétrico de “-x” é “x”, ou seja, -(-x) = x, para todo x em R. Pois: -x + x = x + (-x) = 0. A seguir, adicionando “-(-x)” a ambos os membros da igualdade e usando o axioma A1, obtemos: [-(-x) + (-x)] + x = -(-x) + 0. Por conseguinte, 0 + x = -(-x), ou seja, x = -(-x) Agora, justificaremos que x∙0 = 0, para todo x em R. Dado que x + x∙0 = x.1 + x.0 = x.(1+0) = x.1 = x. Daí, x + x.0 = x. Somando “-x” a ambos os membros da igualdade, obtemos, x∙0 = 0 14 A seguir, argumentaremos que (-1).x = -x, para todo x em R. Com efeito, dado que x + (-1).x = 1.x + (-1).x = [1 + (-1)].x = 0.x = 0. Logo, (-1)x é o simétrico de x, ou seja: (-1).x = -x Em particular, se x = -1, (-1).(-1) = -(-1) = 1. Além disso, considerando x e y pertencentes a R, tem-se: (-x).y = -(x.y) e (-x).(-y) = x.y Pois: (-x).y = [(-1).x].y = (-1).(x.y) = -(x.y) e (-x).(-y) = (-1).x.(-1).y = (-1).(-1).x.y = 1.x.y = x.y Percebam, caros leitores, que tudo até aqui apresentado é argumentado a partir de uma informação inicial (ou premissa) Desigualdades (nos números reais... é bom, caro(a) leitor(a) rever os conjuntos numéricos) Consideremos “x” e “y” números reais. Seguem-se as desigualdades. Dizemos que: “x é maior do que y” e representamos por “x > y”, se x – y > 0. “x é menor do que y” e representamos por “x < y”, se x – y < 0. “x é maior ou igual a y” e representamos por “x > y”, se x – y > 0. “x é menor ou igual a y” e representamos por “x < y”, se x – y < 0. Intervalos reais Intervalos finitos: A partir das observações anteriores definimos os conceitos de intervalo e da função modular. (a,b) = {x ⍷ R: a < x < b}, [a,b) = {x ⍷ R: a < x < b}, (a,b] = {x ⍷ R: a < x < b}, [a,b] = {x ⍷ R: a < x < b} Sob o “ponto de vista” da Geometria, temos, considerando um círculo vazio onde não vale a igualdade e um círculo preenchido onde vale a igualdade. Figura 2 – intervalos numéricos 15 Intervalos infinitos: Definiremos o intervalo (a, ) como o conjunto de todos os números reais maiores do que a, isto é: (a,+ ) = {x em R: x>a} (- ,a) = {x em R: x<a} e também os intervalos: [a,+ ) = {x em R: x>a} (- ,a] = {x em R: x<a} e uma notação comum é R=(- ,+ ). Agora, definiremos o “Módulo de um número real” (também conhecido como valor absoluto) de um número realx. Por que estudar? Nas engenharias há aplicações que envolvem distâncias... Assim sendo, o módulo é definido como sendo o maior valor entre x e -x, ou seja: |x|= máximo{x,-x}. Em termos da raiz quadrada, podemos indicar | | √ { Resultados: Quaisquer que sejam x e y em R, tem-se que: R1: |+x| = |-x| R2: |x-y| = |y-x| R3: |x.y| = |x|.|y| R4: -|x| < x < |x| R5: |x+y| < |x| + |y| R6: |x-y| < |x| + |y| Cuidado!!! |x+y| nem sempre é igual a |x|+|y|. Pois, se x = -y, com x ≠ 0, segue-se que x + y = 0, mas |x| + |y| = |x| + |-x| = 2|x| ≠ 0. Distância entre números reais x e y é definida por: d(x,y) = |x - y| “O essencial é invisível aos olhos” (Pequeno Príncipe) 16 2ª Parte Revisando funções estudadas no Ensino Médio (com aplicações) Rever aplicações envolvendo exercícios sobre funções polinomiais de primeiro e de segundo graus. Se f(x) = ax + b, com a 0, tem raiz (ou zero) quando x = -b/a. Seu gráfico é uma reta que será crescente quando a > 0 e será decrescente quando a < 0. Se f(x) = ax² + bx + c, com a 0, tem raízes (ou zeros) quando x = a acbb 2 4² . Seu gráfico é a parábola. Ela será côncava para cima “” quando tivermos a > 0 e será côncava para baixo “” quando a < 0. Em relação às inequações do segundo grau, com a 0, e sendo x1 e x2 as raízes (com x1 < x2): temos que ax² + bx + c > 0 x < x1 ou x > x2. Caso contrário, x1 < x < x2. Os exercícios ímpares (resolvidos) servem de base para os pares. 01). A tabela abaixo mostra a temperatura das águas do Oceano Atlântico (ao nível do Equador) em função da profundidade: Profundidade (m) 0 100 500 1.000 3.000 Temperatura ( o C) 27 21 7 4 2,8 Admitindo linearidade entre duas medições consecutivas, qual a temperatura prevista para a profundidade de 400m? E para uma profundidade p qualquer? Solução: Linearidade entre duas medições consecutivas significa que entre dois pontos vizinhos eles são ligados por uma linha reta. Assim sendo, podem ser utilizadas três ideias: 1ª. Geometria Analítica 2ª. Geometria Plana 3ª. Função polinomial do Primeiro grau (pois seu gráfico é linear). Independentemente da ideia, a solução é a mesma. Utilizemos a terceira ideia: Uma função polinomial do primeiro grau é do tipo y = ax + b. Como 400 está entre 100 e 500, este intervalo será considerado. Sejam x a profundidade e y a temperatura. Assim, profundidade de 100 m e 17 temperatura de 21 o C implicam x = 100 e y = 21. Idem para profundidade de 500 e temperatura de 7. De x = 100 e y = 21, temos: 21 = 100a + b (trocar x por 100 e y por 21) De x = 500 e y = 7, temos 7 = 500a + b (trocar x por 500 e y por 7). Fazendo a diferença entre as duas equações, membro a membro, temos: 21 – 7 = (100a + b) – (500a + b) 14 = -400a a = 14/(-400) = -0,035. Por conseguinte, basta escolher uma das equações para substituir o valor de a para encontrar b. De 21 = 100a + b, temos b = 21 – 100a = 21 – 100(-0,035) = 21 + 3,5 = 24,5. Logo, para profundidade de 400, sendo y = -0,035x + 24,5, temos: y = -0,035.400 + 24,5 = -14 + 24,5 = 10,5. Siga esta ideia para os demais intervalos bem como para a questão 02. 02). A tabela abaixo mostra a variação do preço do dólar (cotação) em um determinado dia: Preço (em R$) 1,98 1,96 1,98 1,95 Hora 08 11 14 17 Admitindo linearidade entre duas medições consecutivas, qual era o valor previsto para a cotação do dólar às 9 horas. E às 15 horas? 03). Para produzir um objeto, uma firma gasta R$1,20 por unidade. Além disso, há uma despesa fixa de R$ 4.000,00, independente da quantidade produzida. O preço de venda é de R$ 2,00 por unidade. Qual é o número mínimo de unidades, a partir da qual a firma começa a ter lucro? Solução: O ganho por peça será o preço de venda menos o gasto por unidade. Logo, o ganho é R$ 2,00 – R$1,20 = R$ 0,80. Lucro é obtido quando os ganhos superam os gastos, ou seja, 0,80x > 4.000, onde x é a quantidade produzida (a qual é um valor inteiro). Por conseguinte, x > 4000/0,80 x > 5.000. Por conseguinte, terá lucro a partir de 5.001 peças. 04). Duas funções importantes em finanças são: Receita total: RT = P x Q e Custo total: CT = CF + CVU x Q, onde: P = preço de venda unitário; CF = custo fixo; CVU = custo variável unitário e Q = quantidade produzida e vendida. Certa metalúrgica produz uma peça, para a qual são conhecidos os seguintes dados mensais: P = $ 5.000,00; CF = $ 100.000,00; CVU = $ 2.000,00 e lucro L = RT – CT = 800.000,00. 18 A fim de enfrentar seus concorrentes, decide reduzir em 20% o preço de venda unitário, mas pretende obter o mesmo lucro, através do aumento em Q de… (em %). 05). Qual a notação que representa a função real assim definida: “Em uma conta de luz paga-se um valor fixo de R$ 1,34, correspondendo à taxa de iluminação pública, e, por cada kwh consumido, paga-se R$ 0,92.” Considere y o valor a se pagar e x o consumo em kwh. Solução: Y = 1,34 + 0,92x. 06). Um vendedor de uma loja ganha R$ 450,00 mais 2% de comissão sobre o preço de vendas. Qual expressão indica os ganhos y deste vendedor. Considere x o valor das vendas em determinado mês. 07). Equação de oferta (Eo) é uma função econômica que relaciona o preço de venda unitário (p) com a quantidade (x) oferecida pelo produtor. Equação de demanda (Ed) é uma função econômica que relaciona preço de venda unitário (p) com a quantidade (x) demandada pelo consumidor. Considere: Eo = 2x + p – 10 = 0 Ed = p² – 8x – 5 = 0. Determinar o ponto de equilíbrio (PE) entre as funções. Obs.: 1). O PE é dado por um par de valores (x, p) que satisfaz as duas equações. 2). Em Economia, só interessam valores positivos de x e de p. Solução: Em virtude do PE, x e p são os mesmos. De Eo, temos 2x = 10 – p. Substituindo em Ed: p² – 4(10 – p) – 5 = 0. Daí: p² + 4p – 45 = 0. Usando... 19618016)45)(1(4)4(4 22 acb 5 2 144 )1(2 196)4( 2 a b p A raiz negativa não foi considerada conforme observação da questão. Assim, x = (10 – p)/2 = 5/2 = 2,5 08). Idem anterior: Eo = 2x + 3p – 5 = 0 e Ed = p² + 2x – 45 = 0. 09). Para evitar a perda de galináceos durante invernos rigorosos, alguns produtores resolvem construir galinheiros dentro de grandes celeiros. Se deseja construir no formato de retângulo, qual é o retângulo de maior área se o proprietário dispõe de uma tela de arame de 60 metros de lado (não considere a 19 altura da tela)? Solução: Sejam x e z os lados do galinheiro. Por ser um retângulo, sua área é xz. Perceba que há uma relação entre x e z... 60 metros de tela de arame significa que o perímetro é 60. Isto é, 2x + 2z = 60 x + z = 30 z = 30 – x. Uma pergunta que se faz é... quaisquer valores de x servem para este problema? Ora, por ser medida de lado, x > 0. Acontece que x não pode crescer indefinidamente porque z também é medida. Assim, z > 0 30 – x > 0 x < 30. Por conseguinte, z = 30 – x, 0 < x < 30. A área será então: A = xz = x(30 – x) = 30x – x², com 0 < x < 30. É uma função do segundo grau... como está sendo pedida a maior área, uma função do segundo grau, que é y = ax² + bx + c, com a 0, terá seu ponto de máximo (ou de mínimo) no vértice da parábola, desde que a < 0 (ou a > 0). E quem é o x do vértice? Ora xv = -b/2a = -30/(-2) = 15. Se x = 15 z = 15. Conclusão: o retângulo de maior área é um quadrado. 10). Para evitar a perda de galináceos durante invernos rigorosos, alguns produtores resolvem construir galinheiros dentro de grandes celeiros. Caso se deseje construir no formato de retângulo, aproveitando uma parede retilínea como um dos lados, qual é o retângulo de maior área se o proprietário dispõe de uma tela de arame de 60 metros de lado (não considerea altura da tela)? QUESTÕES DESAFIO: 01). Considere um círculo de raio igual a x cm, se um quadrado está inscrito neste círculo, determine a área A do quadrado em função de x. E como seria a área caso o quadrado estivesse circunscrito? Resp.: 2x² (inscrito) e 4x² (circunscrito) 02). Dado um pedaço de papelão quadrado com 8 cm de lado, tira-se de cada canto do papelão, quadrados com x cm de lados e os bordos são dobrados de modo que forme uma caixa sem tampa. Determine: (a) O volume V da caixa em função de x; (b) A área S da caixa em função de x. Resp.: Ideia básica, pode desenvolver... (a) V = x(8 – 2x)², 0 < x < 4 20 (b) S = (8 – 2x)² + 4x(8 – 2x), 0 < x < 4 03). O custo de produção de p unidades de um produto é dado por c(p) = p² + 2p reais e o número de unidades produzidas, em função do tempo t, é p(t) = 2t + 1, t em horas. Qual é o custo (em R$) na 5 a hora? Resp.: c(p(5)) = c(11) = 143 Exemplificando: Como apresentar uma composição de funções? Uma ideia pode ser contar a quantidade de pessoas que deixam uma cidade A pela estrada B. Acontece que muitas pessoas podem deixar a cidade usando carros, ônibus, bicicletas... Assim, pode-se quebrar este problema da seguinte maneira: Durante um determinado intervalo de tempo, por exemplo, 10 minutos, observar quantos carros deixam a cidade. Este exemplo pode ser trabalhado com uma turma de alunos. A vivência, neste caso, é de grande valia, pois cada sujeito será parte ativa na “construção” do problema. Uma pessoa (ou um grupo) fica responsável por estimar o número de pessoas por carro. Repetir tal observação em outros dias e horários, com mesmo intervalo de tempo. Entendendo: se a observação dura 10 minutos nos horários de 08:00 às 08:10, de 11:00 às 11:10 e de 17:30 às 17:40, neste mesmos horários em outros dias deve ser feita a observação. Obs.: Podem ser outros horários, como os de pico ou horários em que discentes estejam na escola. O contexto pode ser modificado. Supondo que a cada 10 minutos 150 carros deixem a cidade A pela estrada B, e que cada carro tenha em média 4 passageiros, quantos indivíduos deixam a cidade durante um fim de semana? Notem que este problema pode ser adequado de diversas formas. 04) Funcionários do departamento de engenharia de trânsito de um município resolveram efetuar um levantamento sobre o número de pessoas que saíam do município por uma determinada rodovia. Para tal, dividiram o problema em duas etapas: o número de veículos que deixavam a cidade por minuto e quantas pessoas havia em cada veículo. Quanto ao número de veículos por minuto, concluíram que, em média, 08 veículos deixavam a cidade por minuto, ou seja, v(t) = 8t, onde t indica o número de minutos. Já o número de pessoas por veículo obedecia à lei de formação p(v) = 3v + 1, sendo v o número de veículos e p o número de pessoas. 21 Em média, após 08 minutos, quantas pessoas devem ter saído da cidade pela rodovia observada? Resp.: v(8) = 64 p(v(8)) = p(64) = 193 05). Se f é uma função tal que f(1) = 3 e f(x + y) = f(x) + f(y) para quaisquer x e y reais, então f(1235) é: Resp.: Como 1235 é um número natural, vamos desenvolver ideia para tais números. Em particular, se x = y = 1, temos f(1 + 1) = f(1) + f(1). Ou seja, f(2) = 2.f(1) = 2.3 = 6 Seguindo a ideia, se x = 2 e y = 1, f(2 + 1) = f(2) + f(1). Daí, f(3) = 2f(1) = f(1) = 3f(1) = 9. Por conseguinte, f(n) = nf(1) = 3n f(1235) = 3705 06). Seja f uma função de variável real tal que f(x + y) = f(x).f(y), para quaisquer x e y reais. Se f(1) = 2, determine f(5000). Resp.: f(n) = [f(1)] n = 2 n f(5.000) = 25.000 Felicidade começa com FE... 22 3ª Parte Limites Imagine que um trecho de uma montanha russa seja aproximado pela função f(t) = sen(t), onde t é o tempo e f(t) é a distância percorrida. A velocidade, entre dois instantes consecutivos t2 e t1 é: ( ) ( ) . Se então ( ) ( ) ( ) ( ) . Se temos que ( ) ( ) . Melhorando a escrita, se t1 = 0, então f(t1) = sen(0) = 0 e temos: . Paremos momentaneamente com esta função. Complete as tabelas dadas em relação à função f(x) = 1 352 2 x xx . Note que x não pode ser igual a um senão zera o denominador. Todavia, x = 1 também zera o numerador. E 0/0 é forma indeterminada. E o que são formas indeterminadas? São expressões que podem assumir quaisquer valores. Por exemplo, sabemos que 12 / 4 = 3 porque 12 = 4 x 3. Bem, se 0/0 = n, segue-se que o zero do numerador será o produto do zero do denominador pelo n. Assim, 0 = 0.n. Todavia, qualquer número multiplicado por zero dá... ZERO! Assim, vamos considerar valores próximos de um para as tabelas dadas. Entretanto, se x 1, segue-se que ou x < 1 ou que x > 1. Logo, vamos nos aproximar por ambos os lados. Valores próximos de 1, sendo menores que este. X 0,5 0,9 0,95 0,99 F(x) Para facilitar, a expressão 2x² – 5x + 3 pode ser reescrita como (x – 1)(2x – 3)... (escrever em função das raízes!!!) Valores próximos de 1, sendo maiores que este. X 1,5 1,1 1,05 1,01 F(x) Perceba que: Se x = 0,5, então a diferença 1 – x será igual a “0,5”. Se x = 0,9, então a diferença 1 – x será igual a “0,1”. 23 Se x = 0,95, então a diferença 1 – x será igual a “0,05”. Se x = 0,99, então a diferença 1 – x será igual a “0,01”. Também... Se x = 1,5, então a diferença 1 – x será igual a “– 0,5”. Se x = 1,1, então a diferença 1 – x será igual a “– 0,1”. Se x = 1,05, então a diferença 1 – x será igual a “– 0,05”. Se x = 1,01, então a diferença 1 – x será igual a “– 0,01”. Vamos recordar a função módulo. A interpretação geométrica dela é a distância da origem até x. Assim sendo, é conveniente reescrever: 0, 0, )( xx xx xf Traduzindo... a importância do módulo é deixar tudo positivo (O que se entende por este tudo? Reflita). Note que: | 1 – x | = 0,5 se x = 1,5 ou se x = 0,5. | 1 – x | = 0,1 se x = 1,1 ou se x = 0,9. | 1 – x | = 0,05 se x = 1,05 ou se x = 0,95. | 1 – x | = 0,01 se x = 1,01 ou se x = 0,99. Conclusão: quanto mais próximo x estiver de “1”, mais próximo de “0” está | 1 – x |. Além disso, percebe-se que f(x) está muito próximo de “– 1” à medida que x está próximo de “1”. Seguindo ideia anterior... |–3 – f(x)| está muito próximo de “0” à medida que x se aproxima de “1”. Em termos de símbolos: 1 1 352 lim 2 1 x xx x . Leia: “limite da função ... quando x se aproxima de ‘1’ é igual a ‘-1’ ”. Obs.: só existe o limite no ponto se existirem e forem iguais os limites laterais. Limites laterais? Sim, é o ato de aproximar-se de x = a por valores pela direita (ou maiores que a) ou pela esquerda (ou menores que a). Em símbolos: Limite pela direita: )(lim xf ax Limite pela esquerda: )(lim xf ax 24 Traduzindo... estamos tão próximos do valor indicado que, se substituir- mos a variável pelo valor indicado o erro entre o valor aproximado e o valor real pratiacamente é zero. Logo, basta substituir a variável pelo valor indicado. Exemplos: 0 2 0 2 )3( lim )3(2 )3( lim 62 96 lim 0 0 62 96 lim) 10)5(lim 5 )5)(5( lim 5 25 lim 0 0 5 25 lim 10423)43(lim) 3 2 3 2 3 2 3 55 2 5 2 5 2 u u u u uu u uu b x x xx x x x x xa uu uu xx xx x Nos exercícios abaixo, calcule os limites laterais da função indicada: 01. ; 1xse1 1xse0 )x(f 02. ; 1 122 1 1 )( 2 xsex xexse x x xg 03. ; 1x1sex1 1xou1xse1x )x(p 2 2 04. ; 2x1se1 1x0sex 0x2sex )x(P 2 Solução... 01). No caso, a = 1. 11lim)(lim 1 xax xf Tender para ‘1’ pela direita significa que a função está definida para valores maiores que ‘1’. Ou seja, f(x) = 1. Analogamente... 00lim)(lim 1 xax xf 25 03). 0)1(lim)(lim 0)1(lim)(lim 0)1(lim)(lim 0)1(lim)(lim 2 11 2 11 2 11 2 11 xxf xxf xxf xxf xx xx xx xx Nota: independentemente de ser pela direita ou pela esquerda, basta substituir a variável pelo valor a qual ela tende. 05. Calcule: a) )1(lim senxx b) )1(lim 0 senvv Solução: Basta trocar a variável pelo valor a qual tende. Logo, (a) 1 + sen = 1 + 0 = 1 e (b) 1, pois sen(0) = 0.. Interessante... Assim como podemos ter pessoas com mesmo peso e alturas distintas, segue-se que podemos ter funções distintas com mesmo valor no cálculo de um limite. Foi o que ocorreu com as funções da questão anterior. Considere, dada a expressão do item (a), u = x – , a diferença entre a variável e o valor a qual ela tende. Por conseguinte, 1 + senx = 1 + sen(u + ) = 1 + (sen(u)cos() + sen()cos(u)) = 1 – sen(u), que é a expressão do item (b), se trocarmos u por v. Isto ocorre com outras funções. Seja f(x) = 2x + 3. Se x 4, então f(x) 11. g(u) = 2u + 11 tende para 11 quando u 0. Com efeito, a função g(u) é obtida por meio da relação u = x – 4. Mais adiante faremos uso desta ideia (**). DESAFIOS: Nos exercícios que se seguem, caso o limite exista, dê o seu valor: 01. );x(flim, 1xse2 1xse2 )x(f 1x Resp.: não existe, pois limites laterais são diferentes. 02. );x(glim, 2xse2x 2xse1 )x(g 2x 2 Resp.: 2 26 03. );x(Flim2e2xse 2x 4x e,2xse1 )x(Flim2xse1 )x(F 2x 2 2x Resp.: Se x -2, então f(x) -4 Se x 2, então f(x) 0 04. ).(lim)(lim),(lim , 32 2 313 01 )( 310 2 2 3 xGexGxG xsex x xse xexse xx xx xG xxx Resp.: se x 0, então g(x) 1 Se x 1-, então g(x) 2 e se x 1+, então g(x) 3. Logo, não existe. Se x 3-, então g(x) 3 e se x 3+, então g(x) -1,5. Logo, não existe. Definição de limite: Dizemos que uma função é contínua em x = a quando: )()(lim afxfax . E é contínua em um intervalo quando é contínua em todos os pontos desse. 1). Encontre os valores das constantes a e/ou b, para que a função dada seja contínua em ( , ): a). ; 1xse2x 1xsexa )x(f 2 2 b). ; 2xsexb 2x2sebax 2xseax )x(h 2 Resposta: Façamos o item (b). Se x -2-, então o limite pela esquerda fica – 2 – a. Se x -2+, então o limite pela direita fica 4a + b. 27 Assim, 4a + b = – a – 2. Se x 2-, então o limite pela esquerda fica 4a + b. Se x 2+, então o limite pela direita fica b - 2. Assim, 4a + b = b – 2. Daí,a = -1/2 e b = 5/2. 2). Para que valor de k a função é contínua em x = 0? f(x) = 0,2 0, x x x senx k . Resp.: K = 0 3). A população (em milhares) de uma colônia de bactérias, t minutos após a introdução de uma toxina é dada pela função: 5,728 5,7 )( 2 tt tt tf Explique por que a população deve ser de 10000 bactérias em algum momento entre t = 1 e t = 7. Resp.: Porque é contínua a função, basta fazer t 5- e depois t 5+ Nos exercícios abaixo, verifique se a função dada é contínua no valor indicado: 4). ;0c, 0xse1 0xse1 )x(h 5). ;2c, 2xse3 2xse 2x 4x )x(m 2 6). ;1c, 1xse1 1xse|1x| )x(G 7). ;, 1 cos1 )( )( 2 c xse xse x x xP Respostas: Devemos verificar se )()(lim afxfax . Na questão 4) Quando x 0- temos que f(x) -1, pois é constante a função. Quando x 0+ temos que f(x) 1, pois é constante a função. 28 Sendo diferentes os limites laterais, não existe o limite no ponto. Por conseguinte, a função não é contínua em x = 0. Na questão 5) 3)2(4)2(lim 2 )2)(2( lim 2 4 lim 2 2 2 2 fx x xx x x x xx . Logo, não é contínua em x = 2. Caso a função fosse redefinida em x = 2, para f(x) = 4, então seria contínua neste valor. Na questão 6) Redefinindo a função conforme definição de módulo: 1,1 1,1 )( xx xx xG Independentemente de como x tende para um... g(x) tende para zero. Não é contínua em... Para questão 7) )cos()cos( )cos()1( 2 2 1 1 cos1 1 lim cos1 lim cos1 )( lim 2 0 2 0 )1(2 uu xuxxu u u u u x x u ux Não é contínua... 8). Encontre os valores das constantes a e b, para que a função dada seja contínua em ( , ): . 3xseaxbx 3x1sebxax 1xsea2x )x(j 2 2 Resposta: Se x 1 – então f(x) (1 – 2a) Se x 1 + então f(x) (a + b) 29 Daí, para a continuidade, em x = 1, 1 – 2a = a + b, de onde temos b = 1 – 3a. Se x 3 – então f(x) (3a + 3b) Se x 3 + então f(x) (9b – 3a) Daí, para a continuidade, em x = 3, 3a + 3b = 9b – 3a, de onde temos b = a. Substituindo b = a em b = 1 – 3a, segue-se que a = b = ¼. Limites infinitos e no infinito Considere a função y = 1/x. Com x diferente de zero. Ela tem grande importância porque qualquer polinômio pode ser reescrito em termos dela. Por exemplo: p(x) = x³ + 3x² + 2x. Vamos colocar em evidência o x³. Isto é, dividir o membro direito da igualdade por x³ (e multiplicar por ele mesmo, desde que x ≠ 0). Assim, )) 1 (2 1 31( ) 23 1() 23 ()( 23 2 3 33 2 3 3 3 xx x xx x x x x x x x xxp . Vamos completar as tabelas: Quando x decresce indefinidamente, isto é, x - X -10 10 -10 100 -10 1.000 -10 100.000 Y = 1/x Quando x cresce indefinidamente, isto é, x X 10 10 10 100 10 1.000 10 100.000 Y = 1/x Quando x se aproxima de zero por valores menores que zero, isto é, x 0- X -10 -10 -10 -100 -10 -1.000 -10 -100.000 Y = 1/x Quando x se aproxima de zero por valores maiores que zero, isto é, x 0+ X 10 -10 10 -100 10 -1.000 10 -100.000 Y = 1/x 30 Percebemos que... x x xx x x xx 1 lim 1 lim 1 lim0 1 lim 0 0 Algumas considerações sobre o “infinito”: n n n n n n n 0,0 0, 0, 0, Por quê? Discuta com seus colegas... antes, compare com a seguinte ideia: se alguém não vive 130 anos, viverá 130 + 10? 130 x 10? 130 10 ? Resultado importante: (*) 0lim nx x k se a constante k for diferente de zero e n > 0. Exemplos resolvidos...: 0 1 2 1 lim).2 5 1 5 01 5 1 1 lim 5 1 lim 5 1 lim).1 2 2 2 2 2 2 2 2 x x x x x x x x x x xx 31 Dicas: (1). Quando x - ou x , basta dividir tudo pelo xn, onde n é o maior expoente de x (ou da variável que aparece). (2). Quando x a-, lembrar que x < a x – a < 0. (3). Idem caso x a+. Exercícios... Determine o limite quando a variável x se aproxima de cada um dos extremos dos intervalos do domínio de cada função: 01). f x x( ) ; 2 4 02). g x x( ) ; 9 2 03). k x x ( ) ; 1 1 04). m x x x ( ) ; 1 2 Solução: 01). O domínio da função é ]- ; -2] [2; [, pois só faz sentido a raiz quadrada de alguma expressão no universo dos números reais quando esta expressão não é negativa. Ou seja, x² - 4 0 Desta feita, calcular limites quando x - , x - , x -2- e x 2+. 0)(lim 0)(lim )(lim )(lim2 2 xf xf xf xf x x x x 03). O domínio é dado pelos valores de x tais que 1 – x > 0 x < 1 Logo, calcular limites quando x - e x 1-: 0 1 1 1 lim 0 111 )(1 1 1 1 lim 1 2 1 x x x x Todas as passagens estão relacionadas implicitamente aos limites. 32 05. Para que valores de a e b tem-se 1 3 12 lim 2 bxax x x ? Solução: Primeiramente, vamos supor a 0. Por quê? Para garantir que o grau do denominador seja ‘2’. Assim sendo, vamos dividir numerador e denominador por x². 0 0 3 12 lim 3 12 lim 3 12 lim 2 2 2 2 2 2 a xx b a xx x bxax x x bxax x x xx Como é dito no enunciado que o limite é igual a ‘1’, segue-se que supor a 0 não é verdadeiro. Logo, a = 0. Mesmo raciocínio... supor b 0. 21 22 3 1 2 lim 3 12 lim 3 12 lim b bb x b x x bx x x bx x xxx Resp.: a = 0 e b = 2. 06. Para que valores de a e b tem-se 3 1 3 1 lim 2 xax bx x ? 07. Um importante resultado sobre limites é o teorema do confronto, ou do sanduíche. A ideia básica é que, em um intervalo, se f(x) < g(x) < h(x) e )(lim)(lim xhLxf axax então Lxgax )(lim , mesmo que esta função g(x) não seja uma função usual ou conhecida. 33 Use este resultado para calcular )(lim xgx sabendo que, para todo x > 1, (x – 1)² < (x² – 1)g(x) < (x + 1)². Solução: Como x > 1 x² > 1 x² – 1 > 0. Assim, vamos dividir ambos os membros da desigualdade por x² – 1. Assim, 1 1 )( 1 1 )1)(1( )1)(1( )( )1)(1( )1)(1( 1 )1( )( 1 )1( 2 2 2 2 x x xg x x xx xx xg xx xx x x xg x x Seja f(x) a função à esquerda e h(x) a função à direita de g(x). Note que 1)(lim)(lim xhxf xx . Chegamos neste resultado dividindo tanto o numerador quanto o denominador de cada uma das funções por x e utilizando o resultado (*). Logo, o limite procurado é 1. Limites de funções trigonométricas Você lembra o que é um triângulo retângulo? Desenhe um triângulo retângulo de hipotenusa a e catetos b e c. Seja x ângulo oposto ao cateto de medida b Relações: Teor. Pitágoras: a² = b² + c² sen(x) = b/a e cos(x) = c/a Rel. fud. Trigonometria: sen²(x) + cos²(x) = 1 Tg²(x) + 1 = sec²(x) (#) Ctg²(x) + 1 = csc²(x) (##) Notas: tangente de x, tg(x) = sen(x)/cos(x) cotangente de x, ctg(x) = 1/tg(x) = cos(x)/sen(x) secante de x, sec(x) = 1/cos(x) co-secante de x, csc(x) = 1/sen(x) 34 (#) é obtida dividindo sen²(x) + cos²(x) = 1, membro a membro, por cos²(x). (##) é obtida dividindo sen²(x) + cos²(x) = 1, membro a membro, por sen²(x). Perceba que (#) e (##), bem como a relação fundamental da trigonometria estão todas, direta ou indiretamente, relacionadas com sen(x). Observou-se que os limites que envolvem funções trigonométricas passam pelo: 1lim 0 x senx x Tal limite é considerado o limite fundamental da trigonometria. Pesquise o motivo deste resultado. Exemplos: 2 1 2 1 1 cos1 1 )(lim )cos1( lim )cos1( cos1 lim cos1 cos1cos1 lim cos1 lim) 1 1 1 1 cos 1 lim 1 cos lim coslimlim) 2 )9( 2 0 )8( 2 2 0 )7( 2 2 0 )6( 20 )5( 20 )4( 0 )3( 0 )2( 0 )1( 0 xx senx xx xsen xx x x x x x x x b xx senx xx senx x x senx x tgx a x xx xx xx xx Entendendo as “passagens”: 1) Já que dá 0/0, escrever a tg(x) como a razão entre sen(x) e cos(x). 2) Foi utilizada a divisão de frações. 3) Organizamos expressão para aparecer sen(x)/x. 4) Quando x 0 temos que cos(x) 1. 5) De sen²x + cos²x = 1, temos que sen²x = 1 – cos²x = (1 – cosx)(1 + cosx), pois a² - b² = (a – b)(a + b). 6) Ideia anterior. 7) Substituição prevista em (5). 8) Fizemos aparecer sen(x)/x 9) Idem (4). 35 Exercícios: 1). Usando as ideias dos exemplos, calcule: x x b xtg x a x x cos1 lim) )( lim) 0 0 Resp.: (a) “1” e (b) “0” 2). Fazendo a mudança u = x – a, onde ‘a’ é o valor a qual tende o limite, resolva os itens (b) e (c) conforme o exemplo (a). Repare que em cada caso temos 0/0: 0 2 0 11 2 )cos(1 lim 1 lim )cos()cos() 2 () 2 cos()() 2 ( )cos()()cos()()( ) 2 ()( 22 1 lim) 0 2 2 u u x senx uusenusenusen absenbasenbasen usenxsen uxxu x senx a u x x 2)( 1cos lim) lim) x x c x tgx b x x Apoio: )()()cos()cos()cos( )()(1 )()( )( bsenasenbaba btgatg btgatg batg 36 FUNÇÃO ÂNGULO 30º ou (/6) 45º ou (/4) 60º ou (/3) 90º ou (/2) 180º ou () Seno 2 1 2 2 2 3 1 0 Co-seno 2 3 2 2 2 1 0 -1 Tangente 3 3 1 3 Não existe 0 Resp.:(b) “-1” e (c) “½”. Observação: 0 0 é forma indeterminada. Assim sendo, se no cálculo de limites obter tal expressão, você deve retirar um ou ambos os zeros. Como? Bem... Se função do tipo p(x)/q(x), SEM envolver trigonométricas, dividir numerador e denominador por x – a, onde “a” é o valor o qual a variável x está tendendo. Se função do tipo p(x)/q(x), COM funções trigonométricas, usar o limite fundamental da trigonometria: 1lim 0 u senu u . Alguns resultados úteis: m² – n² = (m – n)(m + n) m³ – n³ = (m – n)(m² + mn + n²) 0 1cos lim 0 u u u 2 1cos1 lim 20 u u u . Obs.: Se a variável não tender para zero mude de variável... em vez de “x a” faça “u 0” considerando “u = x – a”, que equivale a “x = u + a” mn mn b a mn xq xp m n x ,0 , , )( )( lim 37 com p(x) = anx n + ... + a0 e q(x) = bmx m + ... + b0. kx x e x k )1(lim Exercícios 01). A conta de água de uma determinada região é assim composta: Para consumos até 10 m³, paga-se uma taxa de R$ 15,00. Para consumos que excedam os 10 m³ e não sejam superiores a 20m³, paga-se R$ 5,00 por cada m³ que excede os 10 m³ iniciais. Para consumos superiores a 20 m³, paga-se R$ 10,00 por cada m³ que excede os 20 m³. Seja x o consumo em m³ e y o valor a ser pago em reais. a) Expresse y em termos de x. b) Verifique se a função é contínua em seu domínio Resp.: (a) Y = 15 se 0 x 10 Y = 15 + 5(x – 10) = 5x – 35 se 10 < x 20 Y = 5x – 35 + 10(x – 20) = 15x – 235 se 20 < x (b) Sim. Nos exercícios abaixo, verifique se a função dada é contínua no valor indicado: Lembre-se, verificar se )()(lim afxfax , quando x a. Para x < a ou x > a, limites laterais. 02. ;1c, 1xse1 1xsex )x(j Resp.: Sim 03. ;2c, 2xse3 2xse 2x 4x )x(m 2 Resp.: Não 04. ;2c, 2xse 2 x3 2xse1x )x(F 2 Resp.: Sim 05. ;1c, 1xse1 1xse|1x| )x(G 38 Resp.: Sim 06. ;1ce0c 1xse1x ,1x0sex1 0xse1x )x(N 2 Resp.: Não, em c = 0 e sim em c = 1. 07. 2ce0c 2xse2x 2x0sex1 0xse1x3 )x(p 2 Resp.:Sim em c = 0 e não em c = 2 08. ;, ,1 , cos1 )( )( 2 c x x x x xP Resp.: Não. 09): Calcule os seguintes limites: a) n nn n ...321 1 lim 2 Sugestão: o denominador é a soma dos termos de uma P.A. Resp.: “2” b) )]5ln(sen[lnlim 0 xx x Sugestão: ln(u) – ln(v) = ln(u/v). Um resultado útil é m k mx kxsen x )( lim 0 . Para ‘provar’ este resultado basta fazer u = kx… Resp.:-ln(5) O número de EULER: e = n n n ) 1 1(lim sendo n um número natural. Este resultadopode ser estendido para qualquer número real x. Uma das utilidades do número e, e = x x x ) 1 1(lim , é a relação com a Matemática Financeira. Isto é, M = C(1 + i) n representa o montante M após n períodos que um capital C, investido a uma taxa i, relativa a este período n (se o período é mensal, a taxa é mensal, se o período é diário, a taxa é diária, etc.). 39 Quando a capitalização é contínua, temos M = C.e in . Para chegar neste valor, procede-se da seguinte maneira, sendo n anual e i taxa anual. Se n for mensal, o novo período é multiplicado por 12 e a taxa correspondente é dividida por 12. Passando a considerar n diário, o novo n será n x 12 x 30, e a taxa, que está dividida por 12, i/12, fica dividida por 30, ou seja, i/(12 x 30). Passando a considerar valores a cada minuto, a cada segundo, etc. temos M = nk k i C )1( . Calcule o limite quando k tende para o infinito da função M e verifique que M = C.e in Sugestão: Uma forma “genérica” do número ‘e’ é obtida mudando de variável. Seja y = 1/x. Assim, x implica que y 0. Por conseguinte, y y x x y x 1 0 )1(lim) 1 1(lim . Logo, em nk k i C )1( sendo que k , seja y = i/k. Daí, in in y y y i n y nk k nk k eCyCyC k i C k i C .)1(lim.)1(lim. )1(lim.)1(lim 1 00 Exercícios: Determine: a) u u u 1 0 )1(lim resp.: e b) x x x ) 3 1(lim resp.: e 3 c) x x x x ) 1 1 (lim resp.: e 2 Sugestão: em (x + 1)/(x – 1), divida numerador e denominador por x... Para fixar... kx x e x k )1(lim . Com efeito, sendo u = k/x, temos x = k/u e x implica em u 0. 40 kku u u k u x x eu u x k ])1[(lim )1(lim)1(lim 1 0 0 Lembrar, que 1 – 3/x, por exemplo, pode ser reescrito como 1 + (-3)/x Aplicação: Durante uma epidemia de dengue, o número de pessoas que adoeceram, num certo bairro, após t dias é dado por L(t) = te 8,0900.191 000.100 Determine a quantidade máxima de indivíduos atingidos pela doença. Resp.: 100.000 Limites importantes: )ln(lim )ln(lim 0 x x x x Para percebê-los, complete as tabelas, lembrando que ln(x) = log x e (logaritmo de x na base e), bem como ln(e k ) = k Primeiro para x X e 1 e 25 e 2.500 e 25.000.000 Ln(x) Ln(e 1 ) = 1 Agora, faça para x 0+ X e -1 e -50 e -5.000 e -5.000.000 Ln(x) Um resultado importante: 1 1 lim 0 h eh h , com efeito, se u = e h – 1, temos e h = u + 1, de onde h = ln(u + 1). Note que h 0 implica u 0 também (por quê?). Daí, 41 1 ln 1 )1(limln 1 )1ln( 1 lim )1ln( 1 1 lim )1ln( 1 lim )1ln( lim 1 lim 1 0 )( 10 )( 0 )( 0 )( 0 )( 0 euu u u u uu u h e u u v u u iv u iii u ii u ih h Desejo a cada um de vocês a matemática da vida, a qual consiste em somar ótimas amizades, diminuindo as más preocupações, multiplicando os bons momentos vividos com amigos e familiares, dividindo amor e compreensão. DEUS seja a potência no coração de cada um de nós. 42 4ª Parte Derivadas Definição: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Regras de derivação: 1). Se f(x) = cxn, então f ’(x) = cnxn - 1 Ex.: f(x) = 2x³ f ‘(x) = 23x 3 – 1 = 6x² 2). Se f(x) = g(h(x)), então f’(x) = g’(h(x))h(x). Ex.: f(x) = (ax + b) n, neste caso, a função de “dentro” ou h(x) é ax + b e a de “fora” ou g(x) é un (a de fora é obtida ‘pondo a mão’ sobre o que está dentro dos parênteses). Assim, g(u) = u n g’(u) = nun – 1 e g’(h(x)) = n[h(x)]n – 1 = n(ax + b) n – 1. E quem é h’(x)? Bem, vamos lembrar a definição de derivada... aa t at t baxbatax t baxbtxa t xhtxh xh tt t t t 00 0 0 0 limlim lim ][])([ lim )()( lim)(' Por fim, g’(h(x)) = an(ax + b)n - 1 Ex. numérico: [(8x + 11) 9]’ = 8.9.( 8x + 11)9 – 1 = 72(8x + 9)8 3). Se f(x) = senx, então f ’(x) = cosx 4). Se f(x) = cosx, então f ’(x) = - senx 5). Se f(x) = tgx, então f ’(x) = sec²x 6). Se f(x) = cotgx, então f ’(x) = - cosec²x 7). Se f(x) = secx, então f ’(x) = secxtgx 8). Se f(x) = cosecx, então f ’(x) = - cosecxcotgx 9). Se f(x) = lnx, então f ’(x) =1/x 10). Se f(x) = g(x) h(x), então f ’(x) = g’(x) h’(x) 11). Se f(x) = g(x)h(x), então f ’(x) = g’(x)h(x) + g(x)h’(x) 12). Se f(x) = g(x)/h(x), então f ’(x) = [g’(x)h(x) - g(x)h’(x)]/[h(x)]² 43 Deduzindo algumas das regras de derivação: ***Derivada do produto: f(x) = g(x).h(x) )(').()().(' )]( )()( )( )()( [lim ] )()()()()()()()( [lim )()()]()()()([)()( lim )()()()( lim )()( lim )5( 0 )4( 0 )3( 0 )2( 0 )1( 0 xhxgxhxg xg u xguxh uxh u xguxg u xhxguxhxg u uxhxguxhuxg u xhxguxhxguxhxguxhuxg u xhxguxhuxg u xfuxf u u u u u ***Derivada de f(x) = sen(x) )cos(1).cos(0).( ] )( )cos( 1)cos( )([lim )()cos()()cos()( lim )()( lim )()( lim )3( 0 )2( 0 )1( 00 xxxsen h hsen x h h xsen h xsenxhsenhxsen h xsenhxsen h xfhxf h h hh ***Derivada de f(x) = e x x h x h xhx hh e h e e h ee h xfhxf 1 lim lim )()( lim 0 )2( 0 )1( 0 44 ***Derivada de f(x) = ln(x) x eh x h xh x hx h h xhx h xfhxf xh hh h hh 1ln) 1 1ln(lim) 1 1ln( 1 lim )ln( 1 lim )ln()ln( lim )()( lim 1)4(1 0 )3( 0 )2( 0 )1( 00 EXERCÍCIOS (com respostas mais adiante...) 01). Derive, após obter as funções: A) Considere um círculo de raio igual a x cm, se um quadrado está inscrito neste círculo, determine a área A do quadrado em função de x. Faça um esboço do seu gráfico. B) Dado um pedaço de papelão quadrado com 12 cm de lado, tira-se de cada canto do papelão, quadrados com x cm de lados e os bordos são dobrados de modo que forme uma caixa sem tampa. Determine o volume V da caixa em função de x, indicando o domínio e a imagem. 02) A temperatura T, em graus centígrados, do forno de uma padaria varia, a partir do momento em que é ligado, de acordo com a equação: 1m 26m180 T . a) A que temperatura está o forno quando é ligado? b) Como evolui a temperatura com o tempo? c) Para que valor vai tender a estabilizar a temperatura? d) Qual é a taxa de aquecimento do forno no momento em que é ligado? E aos 10 minutos? E ao fim de uma hora? Nos exercícios a seguir, calcule as derivadas primeira e segunda da função dada, usando fórmulas de derivação: 03). a x x( ) ; 3 04). c x x x( ) ; 5 32 1 05). ;x x 1 x 1)x(e 3 45 06). f x x( ) ; 2 5 1 07). ; 2x x)x(s 08). w(x) = sen²(x) 09). R(x) = tg(x) – cotg(x) 10). ; 2 tsen)t(H 2 11). U(x) = ln(x² + 1) 12). Uma das aplicações das derivadas é a obtenção da equação de retas tangentes a determinadas curvas em um ponto. Obter a equação da reta tangente a cada uma das curvas abaixo no ponto P indicado: a) y = x² + 2x + 1, P(1, 4) b) y = x/(x² + 1), P(0, 0) c) y² + x² = 1, P(1, 0) d) x² - y² = 1, P(-1, 0) e) y = tg(1 – x²), em x = 1 f) y = ln(x² + 1), em x = 1 obs.: Derivação implícita: Se f(x) = [g(x)] n f’(x) = n[g(x)]n – 1.g’(x) Assim, se y = f(x), então (y³)’ = 3y².y’. Você usará esta ideia nos itens (c) e (d). 13). Em Economia, a função custo marginal é a derivada da função custo total associada à produção de um bem, e na qual x representaa quantidade produzida. Determinar a função custo marginal em relação às seguintes funções custo total (CT): a) CT = 2x + 100 b) CT = (4x + 24) 1/2 + 30 14). (a). Seja uma função real g derivável e f(x) = g[5 + ln(x² + 1)]. Determine o valor de f ’(1) sabendo que g’(5 + ln2) = 2. (b). Seja f uma função derivável e g(x) = f(e 2x). Calcule g´(0) sendo f ’(1) = 2 15). Uma partícula move-se ao longo de uma reta de acordo com a equação de movimento, s = 5 – 4cos²t, onde s metros é a distância orientada da partícula desde a origem em t segundos. Se v (m/s) e a (m/s²) são, respectivamente, a 46 velocidade e a aceleração da partícula, encontre v e a. Lembre-se: v = ds/dt e a = dv/dt. Respostas: (entender e refazer organizando ideias formalmente) 1ª. Questão (a) Ao inscrever um quadrado em uma circunferência, a diagonal do quadrado será o diâmetro da circunferência. Assim, se k indicar o lado do quadrado, sua diagonal será k2. E o diâmetro é 2x. Como queremos a área, A = k². Ora, k2 = 2x 2k² = 4x² k² = 2x² A = 2x² A’ = 4x. (b) Em relação ao volume, 0 < x < 6, pois não faz sentido medida negativa (para esta aplicação!). Daí, como o volume de uma caixa é o produto das medidas (largura x altura x comprimento), temos V = x.(12 – 2x).(12 – 2x) = 144x – 48x² + 4x³. Portanto, V’ será igual a 144 – 96x + 12x². 2ª. Questão (a). Qual a sua idade no ano que você nasceu? Seguindo esta ideia, quando é ligado, o tempo é zero. Logo T(0) = - 26 o C. (b). Perceba que T(m) é do tipo (c). Estabiliza-se com m muito grande, isto é, m . Logo, lembrando que o grau do numerador é igual ao grau do denominador, o resultado do limite é 180/1 = 180. (d). É só calcular a derivada em cada um dos valores. 3ª. Questão A’(x) = -3x² e A’’(x) = -6x 4ª. Questão C’(x) = 5x4 – 6x² e C”(x) = 20x³ - 12x. 5ª. Questão e(x) = x – 3 – x – 1 + x e’(x) = -3x – 4 + x- 2 + 1 e e”(x) = 12x- 5 – 2x -3 6ª. Questão Perceba que f(x) = g(h(x)), onde g(u) = u 5 e h(x) = x² - 1. Sendo f ’(x) = g’(h(x)).h’(x), então f ’(x) = 5(x² - 1)4.2x = 10x.(x² - 1)4. Já para o cálculo da derivada segunda, usaremos regra do produto e regra da cadeia. f”(x) = [10x]’.(x² - 1)4 + 10x.[(x² - 1)4]’. Daí, f”(x) = 10.(x² - 1)4 + 10x.4.(x² - 1)3.2x = 10(x² - 1) 4 + 80x².(x² - 1)³ (pode desenvolver, se quiser!) 47 7ª. Questão 332 222 )2(4)2).(2).(2()(")2.(2)(' )2( 2 )2( 1.)2.(1 )2( )'2.()2)'.(( )(' xxxsxxs xx xx x xxxx xs 8ª. Questão W(x) = (senx)² w’(x) = 2.(senx).cosx (regra da cadeia). Pode ser visto como sen(2x). Daí, w”(x) = cos(2x).2 (novamente regra da cadeia) 9ª. Questão R’(x) = sec²x – (-csc²x) = sec²x + csc²x Regra da cadeia será usada para o cálculo da derivada segunda. R”(x) = 2.secx.(secx.tgx) + 2cscx.(-cscx.ctgx) = 2sec²x.tgx – 2csc²x.ctgx 10ª. Questão Atenção: sen²(t/2) = [sen(t/2)]², assim, H’(t) = 2.sen(t/2).cos(t/2).1/2. De sen(2u) = 2sen(u)cos(u), podemos perceber que H’(t) = sen(t)/2. Logo, H”(t) = cos(t)/2. 11ª. Questão U’(x) = 2x/(x² + 1). Não esquecer que (lnu)’ = (1/u).u’ = u’/u. U”(x) = [(2x)’.(x² + 1) – 2x.(x² + 1)’]/(x² + 1)² = [2.(x² + 1) – 2x.(2x)]/(x² + 1)² por conseguinte, u” = (1 - 2x²)/(x² + 1)² 12ª. Questão A equação da reta tangente em (xp, yp) é dada por y – yp = f ’(xp).(x – xp). (a). y’ = 2x + 2. Daí, f ’(1) = 4 y – 4 = 4(x – 1) y = 4x. (b). y’ = [(x)’.(x² + 1) – x.(x² + 1)’]/(x² + 1)² = [1.(x² + 1) – x.(2x)]/(x² + 1)² por conseguinte, y’ = (1 - x²)/(x² + 1)². Daí, f ’(0) = 1 y – 0 = 1(x – 0) y = x. (c). (x² + y²)’ = (1)’ 2x + 2y.y’ = 0 y’ = - x/y. Note que não existe y’ quando y for 0. A interpretação geométrica é uma reta perpendicular ao eixo x. No caso, x = 1. 48 (d). (x² - y²)’ = (1)’ 2x - 2y.y’ = 0 y’ = x/y. Note que não existe y’ quando y for 0. A interpretação geométrica é uma reta perpendicular ao eixo x. No caso, x = -1. (e). y’ = sec²(1 – x²).(-2x), lembrar da regra da cadeia. Em x = 1, temos que o valor da derivada será f ’(1) = sec²(1 – 1²).(-2.1) = sec²(0).(-2) = -2. Pois, como sec(0) = 1/cos(0), temos que sec(0) = 1/1 = 1. E quem é o yp? Ora, sendo x = 1, f(1) = tg(1 – 1²) = tg(0) = 0. Por conseguinte, y – 0 = 2(x – 1) y = 2x – 2. (f). y’ = 2x/(x² + 1). Não esquecer que (lnu)’ = (1/u).u’ = u’/u. f ’(1) = 1. Para o cálculo do yp, f(1) = ln(1 + 1²) = ln2. Assim, y – ln2 = 1(x – 1) y = x – 1 + ln2. 13ª. Questão (a). (CT)’ = 2 (b). (CT)’ = [(4x + 24)1/2]’ + (30)’ = (1/2).(4x + 24)- ½.(4) = 2.(4x + 24)- ½ 14ª. Questão Objetivo deste tipo de questão é analisar a interpretação do discente. F’(x) = g’(5 + ln(x² + 1)).[5 + ln(x² + 1)]’, estamos usando a regra da cadeia. F’(x) = g’(5 + ln(x² + 1)).[2x/(x² + 1)], lembrando que (lnu)’ = u’/u. F”(1) = g’(5 + ln(1² + 1)).[2.1/(1² + 1)] = g’(5 + ln2).1 = 2. (b). g’(x) = f ’(e2x).(e2x)’ = f ’(e2x).(e2x).2 g’(0) = f ’(e2.0).(e2.0).2 = f ’(1).1.2 = 4 15ª. Questão A velocidade é: s’ = (5 – 4cos²t)’ = -4.2.(cost).sent = -4sen(2t), sendo usado o fato que sen(2t) = 2.sent.cost. E a aceleração é v’ = (-4).cos(2t).2 = -8cos(2t). Atenção: (cos²x)’ = (cosx.cosx)’ = (cosx)’.(cosx) + (cosx).(cosx)’ = 2.(cosx)’.cosx = - 2senx.cosx = - sen(2x) Ou, considere f(x) = cos²x = (cosx)² Perceba que f(x) = g(h(x)), Onde g( ) = ( )² (ou g(u) = u², sendo “u” variável de apoio). E h(x) = cosx. Como f’(x) = g’(h(x)).h’(x) Segue-se que g’(u) = 2u g’(h(x)) = 2h(x) = 2cosx. Sendo h’(x) = -senx, (cos²x) = -2cosx.senx 49 Extremos (ou aplicações de máximos e mínimos) Quando queremos um valor de máximo estamos interessados no valor em que x = c tal que f’(c) = 0 e f’’(c) < 0. Será de mínimo quando f’(c) = 0 e f’’(c) > 0. Observação: Podemos ter pontos críticos tais que não exista f’(x). Tais casos não serão aqui abordados, pois o intuito é a aplicação. A função da derivada primeira é estar associada ao crescimento (intervalos onde f’(x) > 0) ou decrescimento (intervalos onde f’(x) < 0) de uma função. A derivada segunda está relacionada com a concavidade para cima (f’’(x) > 0) ou para baixo (f’’(x) < 0). Atividades: 16). Se a função de demanda de um bem é dada por p = (a – bx)1/2, onde p é o preço, x a quantidade demandada e a e b são constantes positivas, demonstrar que a elasticidade de demanda, Ex, dada por: dp dx x p , decresce com o aumento de x e que Ex = - 1 quando o valor de x for igual a 2a/b. 17). O processo usado para se aumentar um capital é denominado formação de capital. Se este processo é considerado como sendo contínuo ao longo do tempo, o capital pode ser expresso como uma função do tempo k(t), e a taxa de formação de capital é, então, dada por k’(t). A taxa de formação de capital no instante t é igual à taxa de fluxo de investimento líquido no instante t, denotada por I(t). Determine I(t) se K(t) = 5t² + 7 18). Com uma folha de papelão quadrada de lado 15 cm, cortando-se partes quadradas nos cantos e dobrando-as, deseja-se construir uma caixa aberta, do tipo de uma caixa de sapatos. O volume máximo que pode ter uma caixa assim construída é um valor... 19). A função y = A sen(kx), com A > 0, e sua derivada segunda y’’ satisfazem identicamente a igualdade y’’ + 4y = 0. O valor da derivada primeira y’, para x = 0, é 12. Calcular as constantes A e k. 20). Uma caixa d´água tem o formato de um cone circular reto invertido com 120 cm de diâmetro e 150 cm de altura. Uma torneira enche essa caixa à razão de 1000π mm³/seg. Determinando a taxa de variação da altura no instante em que a água está a 90 cm de altura, obtemos um valor... 50 21). Um refrigerante é vendido em latas cilíndricas de volume 400ml. Calcular o raio da base de modo que o material gasto na embalagem seja o mínimo possível. 22). A altura de um cone circular reto é 15 cme aumenta na razão de 0,2 cm/min. O raio da base é 10 cm. Qual a taxa de variação do volume quando a altura for de 20 cm? 23). Seja p = - 2 + 100/(x + 5) a curva de demanda de determinado bem (p = preço, x = quantidade demandada). Verificar se no seu domínio a curva é estritamente decrescente e tem concavidade voltada para baixo. 24). Verificar em quais intervalos do domínio de cada uma das funções abaixo a função é crescente, e em quais tem concavidade voltada para cima: a) p = 0,5ln(20/x) b) p = (a – bx)², com a > 0 e b > 0. RESPOSTAS 16ª. Questão Atenção! Não esquecer que dp dxdx dp 1 . Assim, p’ (ou dp/dx) é (1/2).(a – bx)- 1/2 .(-b). Desta feita, bx p bxa bx p bxabx p dx dpx p Ex 2 2 1 2 1 2 )( 2 2 ))(( 11 Por hipótese, Ex = -1. Daí, 2p² = -bx 2(a – bx) = -bx 2a = bx x = 2a/b. 17ª. Questão I(t) = K’(t) = 10t. 18ª. Questão O volume, de domínio 0 < x < 7,5, pois não faz sentido medida negativa (para esta aplicação!). Daí, como o volume de uma caixa é o produto das medidas (largura x altura x comprimento), temos V = x.(15 – 2x).(15 – 2x) = 225x – 60x² + 4x³. Portanto, V’ será igual a 225 – 120x + 12x². Queremos x tal que v’ = 0. Daí 51 5,2 5,7 24 60120 )12(2 )225)(12(4)120()120( 2 4 22 a acbb x Logo, x = 2,5 (pois 7,5 não pertence ao domínio da função) 19ª. Questão Temos que y’ = A.cos(kx).k = Ak.cos(kx). De y’(0) = 12, segue-se que 12 = Ak.cos(0). De onde Ak = 12. Como A > 0, segue-se que k > 0. E quem é k? Usar a outra hipótese. Dado que y” + 4y = 0 -Ak²sen(kx) + 4Asen(kx) = 0 Asen(kx)(4 – k²) = 0. Dado que k > 0, k² = 4, de onde k = 2. Daí, A = 6. 20ª. Questão Uma relação que será utilizada nesta e em outras questões é: dado dado H R H R . Como Rdado = 60 e Hdado = 150, segue-se que R = 2H/5. O volume do cone é: 3 2HR . Para este caso, 75 4 3 ) 5 2 ( 3 3 2 2 H H H HR V Derivar ambas as variáveis em relação ao tempo. segcmHH HHV H V / 1296 1 '')90( 25 4 '3 75 4 '.1)' 75 4 ()'( 2 2 3 21ª. Questão V = R²H = 400. A área total é 2Abase + Alateral. Daí, A = 2R² + 2RH. Como queremos o raio, isolar H na expressão do volume. Assim, H = 400/R². Organizando, a área será 2R² + 2R(400/R²) = 2R² + 800.R-1. Daí, queremos R tal que A’ = 0. 52 Assim, A’ = 4R - 800.R-2 = 0 R = 4 200 3 22ª. Questão Dado H’ = 0,2 cm/min. Como Rdado = 10 e Hdado = 15, segue-se que R = 2H/3. Queremos V’. Derivar ambas as variáveis em relação ao tempo. min/ 9 160 ')2,0()20( 9 4 ' '3 27 4 '.1)' 27 4 ()'( 32 2 3 cmVV HHV H V 23ª. Questão Será decrescente para valores tais que p’ < 0. A concavidade será voltada para baixo (CPB) nos valores em que p” < 0. Perceba que p = -2 + 100(x + 5)-1. Daí p’ = -100(x + 5)-2, que é sempre negativa. Já p” = 200(x + 5)-3 será sempre positiva. 24ª. Questão (a). p’ = x x x x x 5,0 20 20 5,0 /20 )'/20( 5,0 2 . Como x > 0 p’ < 0. Para facilitar derivação, perceba que p’ = -0,5x-1 p” = 0,5x-2 > 0. (b). p’ = 2(a – bx)(-b) p’ > 0 se -2b(a – bx) > 0 a – bx < 0 (dividindo tudo por -2b) daí, a < bx x > a/b. Por analogia, p’ < 0 x < a/b. Em relação ao p”, note que p’ vale -2ab + 2b²x. Logo, p” = 2b² > 0. 53 EXERCÍCIOS – PROBLEMAS DE OTIMIZAÇÃO 25). Determine a altura do cone de maior volume que pode ser gerado pela rotação de um triângulo retângulo de hipotenusa igual a 2 cm em torno de um dos catetos. 26). Se a velocidade de uma onda de comprimento L, em águas profundas, é dada por: L B B L Mv Onde M e B são constantes positivas, qual é o comprimento de onda que minimiza a velocidade? 27). A taxa aeróbica de uma pessoa com x anos de idade é dada por: x x xA )2(ln110 )( Sendo x 11. Em que idade a pessoa tem capacidade aeróbica máxima? 28). Para se fazer uma circunferência e um quadrado cortou-se um fio de arame, com 100cm de comprimento, em dois bocados. De que maneira deve ser cortado o fio de modo que a área total (círculo+quadrado) seja mínima? 29). Na figura, um retângulo em cor, está inscrito no triângulo retângulo isóscele cujos catetos medem 20 cm. Determina as dimensões do retângulo de área máxima. 30). Dentre os retângulos de perímetro dado, qual o de maior área? 54 RESPOSTAS 25ª. Questão Sejam x e y os catetos, sendo x o raio e y a altura quando obtemos o cone via rotação em torno do cateto de lado y. Logo, x² + y² = 4. O volume do cone será x²y/3. Organizando, V = (4 – y²)y/3 = (/3)(4y – y³) V’ = (/3).(4 – 3y²). Queremos y tal que V’ = 0. De onde concluimos que y = 3 32 . 26ª. Questão BLBL B v BLL B BL B M BL B BLL B MvBLL B Mv 0 1 0' ) 1 (2 ) 1 ( ) 1 () 1 ( 2 1 ') 1 ( 2 2 1 1 2 22 1 12 1 1 27ª. Questão 213ln0ln30)(' ln3 110 1)2(ln) 1 ( 110 )'()2(ln)'2(ln 110)(' 3 22 2 exxxxA x x x xx x x xxxx xA Obs.: Não confundir lnx – 2 com ln(x – 2). 28ª. Questão Atotal = R² + x². Pelo comprimento, 100 = 2R + 4x. Vamos isolar x. x = 25 - R/2. Daí, Atotal = R² + x² = R² + (25 - R/2)². Queremos R tal que A’ = 0. Desta feita, derivando temos A’ = 2R + 2(25 - R/2).(- /2) = 2R - (25 - R/2) = 0 Portanto, R = 50/(4 + ) que vale aproximadamente 7 (sete). E x fica em torno de 11,5. 55 29ª. Questão A área do retângulo é xy. Aplicando semelhança de triângulos, temos y/(20 – x) = 20/20 y = 20 – x. assim, A = x(20 – x) = 20x – x². Queremos x tal que A’ = 0. A’ = 20 – 2x. logo, x = 10 e y = 10 (quadrado). 30ª. Questão Seja 2p o perímetro do retângulo. Daí, 2p = 2x + 2y (sendo x e y os lados do retângulo). Ou seja, p = x + y y = p – x e A = xy = x(p – x) = xp – x². Queremos x tal que A’ = 0. Por conseguinte, x = p/2. Resumo: para função g(x) definida em um intervalo I. * g’(x) > 0 função crescente (no intervalo); * g’(x) < 0 função decrescente (no intervalo); * g’’(x) > 0 concavidade voltada para cima: * g’’(x) < 0 concavidade voltada para baixo: 31). Verificar que os gráficos das funções indicadas são como nas respectivas figuras: RESPOSTA: Item (a). y’ = 3a(x – b)². Como a < 0, y’ < 0, com efeito, (x – b)² > 0. Função sempre decrescente. Para concavidade, analisar derivada segunda: y’’ = 6a(x – b). Note que y’’ = 0 x = b. Assim, Se x < b y’’ > 0, pois a < 0 e x – b < 0. Daí, concavidade voltada para cima. Se x > b y’’ < 0, pois a < 0 e x – b > 0. Daí, concavidade voltada para baixo. Quando x = b, y = c, pois y = a(x – b)³ + c. Item (b). Y’ = 3x² - 6x y’ = 0 x = 0 ou x = 2. Y’’ = 6x – 6 y’’ = 0 x = 1. 56 Intervalo y = x³ - 3x² + 2 Y’ Y’’ Conclusão X < 0 *** + - Crescente e CPB X = 0 2 0 - Máximo local 0 < x < 1 *** - - decrescente e CPB X = 1 0 - 0 Ponto inflexão 1 < x < 2 *** - + decrescente e CPC X = 2 -2 0 + Mínimo local X > 2 *** + + Crescente e CPC Item (c). 0)()( 11 0)('' 9 4 9 4 )('' 111)(1 1 0)(' 3 4 3 4 )('2)( 4233 4 33 2 3 4 3 2 3 2 3 4 3 2 3 4 3 2 3 4 2333 2 3 2 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 4 3 2 xxxxx xx xx xxxgxxxg xxxx x x xxxg xxxgxxxg Siga ideia de construir tabela para obter o gráfico mencionado. Regras de L’Hospital Se no cálculo de limites aparecer 0/0 ou /, “basta” derivar numerador e denominador simultaneamente: 57 )(' )(' )( )( lim ag af xg xf ax Caso particular... 0 x . Neste caso, lembrar que 4 x 5 = 20. Também temos que 4 : (1/5) = 20. Ou seja, 1/(1/5) = 5.Isto é, ab = a/(1/b). 32). Usando L’Hopital, calcule: a) 34 1 lim 2 2 1 xx x x b) xx e x 3 ln lim c) senx x x 0 lim d) xx x ex 1 0 )(lim 33). Um circuito elétrico tem resistência de R ohms, uma indutância de L henrys e uma força eletromotriz de E volts. Considere E, R e L positivos. Se I amperes é a corrente no circuito t segundos após este ter sido ligado, então )1( / LRte R E I calculando o limite de I quando R tende para ZERO pela direita, obtemos... 34). Calcule n nn n ...321 1 lim 2 32ª. Questão Item (a) 1 42 2 lim 34 1 lim 12 2 1 x x xx x xx Item (b) 0 3 1 lim 3 1 lim ln lim 333 xxxxxx xee x e x Item (c) 58 1lim0)limln( 0 )1( 0 1 )cos( lim )cos( 1 lim cos 1 lim)(lnlim 1 ln limln.lim)(lnlim ln.lnlim 0 00 0 2 0 2 0 '" 0 000 0 eyy x senx x senx x xsen x xsen x xy senx x xsenxy xsenxyxyx xx xx x HopitalL x xxx senxsenx x Item (d) 2 000 0 ' 00 111 0 lim2)limln()(lnlim 2 1 1 lim)ln( 1 lim)(lnlim )ln( 1 )ln(ln)()(lim eyyy ex e ex x y ex x exyexyex xxx x x x HopitalL x xx x xxxxxx x 33ª. Questão LEt LteE e R E I LRt R HopitalL LRt RR / 1 )/()( lim )1(limlim / 0 ' / 00 34ª. Questão Note que temos a soma dos termos de uma Progressão Aritmética: 1 + 2 + ... + n = (1 + n).n/2 = (n² + n)/2 59 2 1 2 lim 2 1 12 lim 22 1 lim ...321 1 lim " " 2 22 n HopitalL n HopitalL nn n n nn nn n nn 60 5ª Parte Integração Relembrando algumas regras de integração... considerando integral como antiderivada 0; 1 0;)( 1 )cos( 0;)cos( 1 )( 0; 1|,|ln 1 1, 1 )(1 )( )()()]()([ 1 kCe k dxe kCdxkxsen k dxkx kCdxkx k dxkxsen a xbax a x n bax adxbax dxxgdxxfdxxgxf kxkx n n Alguns exercícios resolvidos 1). Se axdx dp 2 1 e p = 2a se x = a³/2, ache o valor de p quando x = 2a³. Resposta: 61 aaa a pax aCC a a a ap a x Cx a C x a p dxx a dxx a dp dxx a dp axdx dp 3)2( 2 2 ) 2 ( 2 2 2 2 2 1 2 12 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 33 2 13 3 2 112 1 2 1 2 1 2 1 2). Se a função de consumo é dada por y = f(x), onde y é o consumo nacional total e x é a renda nacional total, então a tendência marginal ao consumo é igual a derivada do consumo com relação a x. Supondo x = y + s, onde s é a poupança, a tendência marginal à poupança é dx dy dx ds 1 (por quê?). a) Se a tendência marginal ao consumo (em bilhões de dólares) é xdx dy 2,0 7,0 . Quando a renda é igual a zero, o consumo é de 8 bilhões de dólares. Ache a função de consumo. b) A tendência marginal a poupança é 1/3. Quando a renda é igual a zero, o consumo é de 11 bilhões de dólares. Ache a função de consumo. Resposta: Vamos justificar a fórmula... Sendo x = y + s, derivando em relação à variável x... (x)’ = (y + s)’ = (y)’ + (s)’ Daí, 1 = y’ + s’. Ou, s’ = 1 – y’. Item a) 62 CCxxy dxx dx x dy xdx dy 84,07,0 )2,07,0( ) 2,0 7,0( 2,0 7,0 2 1 2 1 Para as questões 03 e 04 considere o seguinte enunciado: O processo usado para se aumentar um capital é denominado formação de capital. Se este processo é considerado como sendo contínuo ao longo do tempo, o capital pode ser expresso como uma função do tempo k(t), e a taxa de formação de capital é, então, dada por k’(t). A taxa de formação de capital no instante t é igual à taxa de fluxo de investimento líquido no instante t, denotada por I(t). 03). Qual é a relação entre as expressões k(t) e I(t)? a) dttIdttktI )(')()( b) I’(t) = k’(t) c) I(t) = k(t) d) dttIdttktk )()(')( e) nenhuma das respostas anteriores 04). Se o fluxo de investimento é dado por I(t) = 25t 4 e o estoque de capital inicial, k(0), é igual a $ 0,45, ache a função que representa o capital k(t). a) 25t 5 + 0,45 b) 25t 5 - 0,45 c) 100t 3 + 0,45 d) 25t 3 + 0,45 e) nenhuma das respostas anteriores SOLUÇÂO: Ck CtC t dttdttdttIdttktk )0( 5 5 .25 2525)()(')( 5 5 44 Logo, item (e) 63 05). A função custo marginal é a derivada da função custo total. Determinando a função de custo total sendo a função custo marginal dada por y’ = 1,064 – 0,005x, sabendo que o custo fixo – isto é, f(0) – é de $ 0,163, temos: a) 1,064x + 0,025x² + 0,163 b) 1,064x – 0,025x² + 0,163 c) 0,163x – 0,005x² + 1,064 d) 0,163x + 0,005x² + 1,064 e) nenhuma das respostas anteriores 06). A velocidade de uma partícula em M.H.S. é dada por v(t) = 4.cos(t + /6). Qual é a equação horária, s(t), dado que s(0) = 2? SOLUÇÃO: V = ds/dt .: ds = v.dt .: s = 4.cos(t + /6)dt = 4.cos(t + /6)dt = 4. (1/).sen(t + /6) + C = 4sen(t + /6) + C.: s(0) = 2 .: 2 = 4sen(/6) + C .: C = 0. 07). Calcule as integrais: 4 0 ) 31 ) tgxdxb e dxe a x x SOLUÇÃO: a). Seja u = 1 + 3e x . Daí, du/dx = 3e x du = 3ex.dx. Assim, cecuc u duu u du e dxe x x x 31 3 2 3 2 1 2 13 1 3 13 31 2 112 1 2 1 b). Vamos encontrar F(x), resultado da integral. Depois fazemos F(/4) – F(0). Lembrar que tgx = senx / cosx. Logo, seja u = cosx.: du = -senx.dx. Daí, Agora é só fazer a diferença. Mais exercícios: 01). O gráfico de uma função g é dado a seguir. Faça um esboço do gráfico da função antiderivada de g, que passa pelo ponto (0,1). cxcu u du x senxdx tgxdx |cos|ln||ln cos 64 02). Calcule: a) ∫( √ ) b)∫ ( √ √ ) c) ∫ d)∫ ( √ ) 03). Um investidor aplica seu dinheiro em uma instituição financeira que remunera o capital C investido de acordo com a equação Supondo que o capital investido no instante t=0 seja C0, determine o valor do capital no instante t. SOLUÇÕES 1ª. Questão Como o gráfico representa uma parábola, e esta é o gráfico da função do segundo grau, segue-se que y = ax² + bx + c é a função do gráfico. Perceba que as raízes são x = 1 e x = 3. Assim, X = 1 e y = 0 a + b + c = 0 (eq. I) X = 3 e y = 0 9a + 3b + c = 0 (eq. II) Do vértice, x = 2 e y = -1. daí, X = 2 e y = -1 4a + 2b + c = -1 (eq. III) Das equações (eq. I) e (eq. II) temos que 8a + 2b = 0 (fazendo a diferença entre as equações) b = -4a Em (eq. I), a – 4a + c = 0 c = 3a Usando (eq. III), 4a + 2(-4a) + (3a) = -1 a = 1. Logo, b = -4 e c = 3. Assim, y = x² - 4x + 3. 65 Como queremos a anti-derivada, vamos integrar: Cxx x Cx xx dxxx 323 3 2 4 3 )34( 2 323 2 Determinamos C a partir da informação do problema: Passar por (1, 0). Assim, 0 = 1/3 – 2 + 3 + C C = -4/3 2ª. Questão a) CttC tt dttt 2/13 2/13 2/32 23 )2/1(3 9)9( b) CxxC xx dx x x 2 5 2 12 5 2 1 2 3 2 1 15 2 2 2 53 1 2 1 ) 3 ( c) CxC x C u C u duu u du x senxdx senxdxdu xuxx sec cos 11 )1( )( cos cos)(coscos 1 2 22 22 d) Ct t eCt t edttte ttt ln 3 2 2 1 ln 2 32 1 ) 2 1 ( 2/32/3 12 1 3ª. Questão tkktKt eCCeCteeeC ktCdt C dC dt C dC C dt dC 08,0 00 08,008,0 0 08,0ln08,0 08,008,0 66 MAIS EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 01. 23x 2x 1 dx; SOL.:
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