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Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 10 CÁLCULO 1 CONTEÚDO: ● Conjuntos Numéricos; ● Funções Reais; ● Limites e Continuidade; ● Derivadas Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 11 Índice CÁLCULO 1............................................................................................................ 10 FUNÇÕES ................................................................................................................. 12 Definição 1. Função .................................................................................................................12 DETERMINAÇÃO DO DOMÍNIO DE UMA FUNÇÃO................................................. 15 GRÁFICOS ........................................................................................................................... 16 TESTE DA RETA VERTICAL........................................................................................... 17 FUNÇÃO CRESCENTE E DECRESCENTE ................................................................... 17 Definição 2. Função Crescente:................................................................................................18 Definição 3. Função Decrescente: ............................................................................................18 OPERAÇÕES COM FUNÇÕES......................................................................................... 19 FUNÇÃO COMPOSTA ....................................................................................................... 20 Definição 4. Função Composta ................................................................................................21 Definição 5. Função Injetora ....................................................................................................22 Definição 6. Função Sobrejetora ..............................................................................................22 Definição 7. Função Bijetora....................................................................................................22 FUNÇÕES ELEMENTARES.............................................................................................. 22 1) Função Constante...........................................................................................................22 2) Função Linear ................................................................................................................23 3) Função Identidade..........................................................................................................24 4) Função Modular .............................................................................................................24 5) Função Quadrática .........................................................................................................24 6) Função Potência.............................................................................................................26 7) Função Racional ............................................................................................................29 8) Função Exponencial de base a .....................................................................................30 9) Função Logarítmica de base a .....................................................................................31 10) Função definida por várias partes..............................................................................32 Definição 8. Função Par ...........................................................................................................32 Definição 9. Função Ímpar .......................................................................................................33 Definição 10. Função Periódica ...............................................................................................34 11) Funções Trigonométricas ..........................................................................................34 a) Função Seno ...................................................................................................................34 b) Função Cosseno..............................................................................................................34 c) Função Tangente, Cotagente, Secante e Cossecante ......................................................35 TRANSFORMAÇÕES DE FUNÇÕES .............................................................................. 37 Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 12 FUNÇÕES Uma cultura de 100 bactérias foi localizada num objeto. O número de bactérias dobra a cada hora. Quando esse número chegará em 3200? t (horas) nº bactérias 0 100 1 200 = 2 x 100 2 400 = 2(2 x 100) = 22 x 100 3 800 = 2( 22 x 100) = 32 x 100 � � t 2t x 100 ( ) 2 100tB t = × ( ) 2 100tf x = × 3200 2 100t= × 2 32t = 5t = horas E após 10 horas, quantas bactérias terá nesse objeto? 10t = (10) 2 100tB = × ⇒ 10(10) 2 100B = × ⇒ (10) 102400B = bactérias Definição 1. Função Uma função f é uma lei (regra) a qual para cada elemento x de um conjunto A faz corresponder um único elemento chamado ( )f x em B . f A B→ ( )x f x→ Figura 1 A: Domínio conjunto de todos os valores possíveis de x para (conjunto de partida). Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 13 B: Contradomínio (conjunto de chegada). I: Imagem: conjunto formado por todos os elementos By ∈ que são correspondente de algum elemento do x domínio. O conjunto imagem é subconjunto do contradomínio. EExxeemmppllooss ee CCoonnttrraa –– EExxeemmppllooss: Figura 2: Não é função pois existe um elemento em A com mais de uma imagem. Figura 3: Não é função pois existe um elemento em A que não tem correspondente em B . Figura 4: É função . Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 14 Figura 5: Diagrama que mostra a função como uma espécie de “máquina”. EExxeemmpplloo:: Figura 6 ( )D f A= ( )Cd f B= { }Im( ) 2,4,6,8f = ( ) 2f x x= → lei da função 1) Seja { }1,2,3,4A = e B = � Seja f A B→ uma lei que a cada elemento de A faz corresponder o seu triplo, determine: a) a lei da função: ( ) 3f x x= b) a imagem da função: { }Im( ) 3,6,8,12f = c) o domínio da função: ( )D f A= d) a imagem do elemento: (3) 9f = e) x tal que ( ) 12f x = : 4x = 2) Seja f a função definida por 2 5( ) 4 xf x x = − , determine. Augusto Balão de comentário AQUI É 9 Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 15 a) 2 5( 1) 5( 1) ( 1) 4 3f − − = = − − b) 2 5(2) 10(2) (2) 4 0f = =− ● Não existe divisão por zero! c) Para que valores de x a f está definida? 2 4 0x − ≠ 2 4x ≠ 2x ≠ ± { }( ) 2, 2D f = − + −� DETERMINAÇÃO DO DOMÍNIO DE UMA FUNÇÃO O domínio de uma função é um conjunto formado por todos os números reais que possuem correspondentes também reais através da lei da função. EExxeemmpplloo:: 1) Determinar o domínio de cada uma das funções abaixo: a) 1( )f x x = R: 0x ≠ *( )D f = � b) ( )f x x= R: 0x ≥ [ )( ) 0;D f = +∞ c) ( ) 1f x x= − R: 1 0x − ≥ ⇒ 1x ≥ ⇒ [ )( ) 1;D f = +∞ d) ( )f x x= R: ( )D f = � 2) Imagens: a) *Im( )f = � b) [ )Im( ) 0;f = +∞ c) [ )Im( ) 0;f = +∞ d) [ )Im( ) 0;f += = +∞� Nas funções algébricas: 1) 1()f x α = 0α ≠ 2) ( ) nf x β= 0β ≥ n = nº par 3) 1( ) n f x = ℘ 0℘> n = nºpar Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 16 GRÁFICOS O método mais comum de visualizar uma função consiste em fazer seu gráfico. Se f for uma função de domínio A , então seu gráfico será o conjunto de pares ordenados para cada x do domínio. ( ) }{ , ( ) /G x f x x A= ∈ Em outras palavras o gráfico de f consiste em todos os pontos ( ),x y do plano coordenado tais que ( )y f x= e x está no domínio da f . EExxeemmpplloo:: 1) Dado o gráfico de uma função f abaixo: a) Encontre os valores de (1)f e (5)f . R: (1) 3f = (5) 2f = b) ( )D f R:[ ]0;8 c) Im( )f R:[ ]1;5 Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 17 TESTE DA RETA VERTICAL Uma curva no plano xy é um gráfico de uma função x se e somente se nenhuma reta vertical corta a curva mais de uma vez. É função Não é função FUNÇÃO CRESCENTE E DECRESCENTE ● Crescente ● Decrescente 1 2x x> 3 4x x< 1 2( ) ( )f x f x< 3 4( ) ( )f x f x> Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 18 O gráfico acima se eleva de A para B ; cai de B para C e sobe de novo de C para D . Dizemos que a função f é crescente no intervalo [ ],a b , decrescente no intervalo [ ],b c e crescente no intervalo [ ],c d . Observamos que para qualquer 1x , 2x [ ],a b∈ se 1 2x x< temos 1 2( ) ( )f x f x< , ou seja, à medida que os valores de x aumentam, suas imagens também aumentam. Definição 2. Função Crescente: Uma função é chamada crescente em um intervalo I quando para quaisquer 1 2x x< então 1 2( ) ( )f x f x< . Observamos que no intervalo [ ],a b quando temos 1 2x x< , as imagens 1 2( ) ( )f x f x< , ou seja, à medida que os valores de x aumentam, suas imagens aumentam. Logo a função é crescente. Definição 3. Função Decrescente: Uma função é chamada decrescente em um intervalo I se para quaisquer 3x , 4x I∈ se 3 4x x< e 3 4( ) ( )f x f x> . Observamos que no intervalo [ ],b c quando temos 3 4x x< , as imagens 3 4( ) ( )f x f x> , ou seja, à medida que os valores de x aumentam, suas imagens diminuem. Logo a função é decrescente. EExxeemmppllooss:: a) ( )f x x= Crescente Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 19 b) ( ) 1f x x= − + Decrescente c) 2( )f x x= Decrescente ( ];0−∞ Crescente [ )0;+∞ OPERAÇÕES COM FUNÇÕES Sejam f e g funções com domínios A e B respectivamente. As funções abaixo são definidas da seguinte forma. ● ( )( ) ( ) ( )f g x f x g x+ = + ( ) ( ) ( )Dom f g Dom f Dom g+ = ∩ ● ( )( ) ( ) ( )f g x f x g x− = − ( ) ( ) ( )Dom f g Dom f Dom g− = ∩ ● ( )( ) ( ) ( )f g x f x g x=i i ( ) ( ) ( )Dom f g Dom f Dom g= ∩i Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 20 ● ( ) ( )( ) f f x x g g x = }{( ) / ( ) 0f gDom x Domf Domg g x= ∈ ∩ ≠ EExxeemmpplloo:: 1) Sejam as funções ( ) 2 1f x x= + e ( )g x x= .Determine: a) ( )( )f g x+ e seu domínio. ( )( ) 2 1f g x x x+ = + + [ )( ) 0;D f g+ = +∞ ( )D f = � ( )D g += � b) ( )f x g e o seu domínio. 2 1( )f xx g x + = *fD g + = � c) ( )(4)f g− ( )( ) 2 1f g x x x− = + − ( )(4) 2(4) 1 4f g− = + − ( )(4) 7f g− = FUNÇÃO COMPOSTA :g A B→ :f B C→ ( )( ) ( )( )fog x f g x= Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 21 Sejam duas funções f e g . Se começamos com um número se no domínio de g , encontramos sua imagem ( )g x . Se esse número ( )g x estiver no domínio de f , então podemos calcular o valor de ( ( ))f g x . Assim definimos a função composta de duas funções dadas f e g . Definição 4. Função Composta Dadas duas funções f e g a função composta é definida por: ( )( ) ( )( )fog x f g x= ( )( ) ( )( )gof x g f x= OBS. 1: O domínio da fog é o conjunto formado por todos os elementos x do domínio da g para os quais ( ( ))f g x é um número real (ou seja, ( )g x ∈ ( )Dom f ). OBS. 2: O domínio da gof é o conjunto formado por todos os elementos x do domínio da f para os quais ( )( )g f x é um número real (ou seja, ( )f x ∈ ( )Dom g ). EExxeemmpplloo:: 1) Sejam as funções 2( )f x x= e ( ) 3g x x= − .Determine: a) fog e seu domínio. 2( ( )) ( 3)f g x f x x= − = 2( 3) ( 3)f x x− = − 2( 3) 6 9f x x x− = − + 2( )( ) 6 9fog x x x= − + ( )Dom f = � ( )Dom g = � ( )Dom fog = � b) gof e o seu domínio. 2 2( ( )) ( ) 3g f x g x x= = − 2( )( ) 3gof x x= − ( )Dom gof = � Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 22 Definição 5. Função Injetora Dizemos que uma função f é injetora se cada número em sua imagem corresponder exatamente a um número em seu domínio; ou seja, para todo 1x e 2x no domínio de f se 1 2x x≠ , então 1 2( ) ( )f x f x≠ 1 2( ) ( )f x f x⇔ = somente quando 1 2x x= Definição 6. Função Sobrejetora Dizemos que uma função :f A B→ é sobrejetora se ,z B x A∀ ∈ ∃ ∈ tal que ( )f x z= . Em outras palavras, dizemos que f é sobrejetora quando Im( ) ( )f CD f= . Definição 7. Função Bijetora Dizemos que uma função :f A B→ é bijetora quando ela for injetora e sobrejetora. FUNÇÕES ELEMENTARES 1) Função Constante ( )f x c= , c ∈� EExxeemmpplloo:: ( ) 3f x = ( )D f = � ( ) 3I f = Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 23 2) Função Linear ( )f x ax b= + , ,a b ∈� , 0a ≠ O gráfico de uma função linear é uma reta o número real, a é chamado de coeficiente angular e o número real b é chamado de coeficiente linear (valor onde a reta corta o eixo do y ). EExxeemmppllooss:: ( ) 2 1f x x= + 0a > Crescente ( ) 2 1f x x= − + 0a < Decrescente Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 24 3) Função Identidade ( )f x x= 1 0 a b = = 4) Função Modular É a função :f →� � dada por ( )f x x= . x se x 0( ) -x se x <0 f x x ≥= = 5) Função Quadrática É uma função polinomial da forma: 2( )f x ax bx c= + + , com , ,a b c ∈� e 0a ≠ . � O gráfico de uma função quadrática é uma parábola. � A parábola possui um eixo de simetria paralelo ao eixo do y . � O vértice da parábola é dado po: ( , )v vV x y= , onde: � 2v b x a − = ou 1 2 2v x x x + = � ( )v vy f x= Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 25 � O coeficiente a determina se a concavidade da parábola é voltada para cima ou para baixo: � 0a > concavidade voltada para cima, � 0a < concavidade voltada para baixo. � O determinante: 2 4b ac∆ = − , determina se a função possui ou não raízes reais: � ∆>0 duas raízes reais diferentes, � ∆=0 duas raízes reais iguais, � ∆<0 não possui raízes reais. ∆>0 ∆=0 ∆<0 a >0a <0 Tabela 1. Gráfico da função de segundo grau. EExxeemmpplloo:: Dada a função 2( ) 4 3f x x x= − + , construa seu gráfico. 1. Achar as raízes: 2 4 2 b b ac x a − ± − = Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 26 2 2( 4) ( 4) 4 1 3 2 1 x − − ± − − ⋅ ⋅ = ⋅ 4 4 2 x ± = 1 3x = − e 2 1x = 2. Achar o vértice: 3 1 4 2 2 2v x + = = = ( )v vy f x= 2(2) (2) 4(2) 3vy ⇒ = − + 1= − 3. onde corta eixo y: y c= [ )( ) 1;I f = − +∞ 6) Função Potência Uma função as forma ( ) af x x= , onde a é uma constante, é chamada função potência. Vamos considerar alguns casos: i) a n= onde n ∈� a=1 ( )f x x= Augusto Máquina de escrever Augusto Retângulo Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 27 a=2 2( )f x x= a=3 3( )f x x= a=4 4( )f x x= Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 28 ii) 1a n = onde n ∗∈� 1( ) nnf x x x= = é uma função raiz ( )f x x= 3( )f x x= Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 29 iii) 1a = − 1 1( )f x x x − = = 7) Função Racional É uma função da forma ( )( ) ( ) p xf x q x = , onde ( )p x e ( )q x são funções polinomiais e ( ) 0q x ≠ . Seu gráfico pode apresentar retas denominadas assíntotas verticais nos pontos onde o denominador se anula e retas denominadas assíntotas horizontais se ( )f x se aproxima de um valor finito quando x cresce ou decresce ilimitadamente. EExxeemmppllooss:: −3 −2 −1 1 2 3 4 −2 −1 1 2 3 4 x y a) 2 2( ) 1 xf x x = − 2 1 0x − ≠ ⇒ 1x ≠ ± { }( ) 1,1D f = − −� Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 30 b) 2 4( ) 2 xf x x − = − 2 0x − ≠ ⇒ 2x ≠ Fatorando: ( 2)( 2)( ) ( 2)( 2) x xf x x x − + = = + − { }( ) 2D f = −� { }( ) 4I f = −� 8) Função Exponencial de base a É a função definida por ( ) xf x a= com 0a > e 1a ≠ . ● Sempre corta o eixo do y em 1. EExxeemmppllooss:: −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x y ( ) 2xf x = 1a > Crescente ( )D f = � Im( ) (0; )f = +∞ ou *+� ( )0(0) 2 1f = = ( )1( 1) 2 2f − = = ( )2(2) 2 4f = = −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x y 1( ) 2 x f x = 0 1a< < Decrescente ( )D f = � Im( ) (0; )f = +∞ ou *+� 01(0) 1 2 f = = 11( 1) 2 2 f − − = = 21( 2) 4 2 f − − = = Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 31 OBS: Se a base desta função for o número e (euler) teremos a função exponencial propriamente dita. ( ) xf x e= Crescente ( )D f = � *( ) (0; )I f += = +∞� 9) Função Logarítmica de base a É a função definida por ( ) logxaf x = (é a função inversa da função exponencial de base a ). EExxeemmpplloo:: ( ) 2xf x = ⇔ 1 2 ( )( ) log xf x− = ( ) (0; )D f = +∞ ( )I f = � Observe que: 2(1) log (1) 0f = = 2(2) log (2) 1f = = 2(4) log (4) 2f = = OBS: Se a base desta função for o número e (euler) teremos a função logarítmica natural apresentada por ln log ( )ex x= . −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 6 7 8 x y ( ) ln( )f x x= ou seja: ln yy x e x= ⇔ = ( ) (0; )D f = +∞ ( )I f = � Observe que: (1) ln1 0f = = ln(1) log (1) 0e= = ln log ( ) 1e e= = Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 32 10) Função definida por várias partes EExxeemmpplloo:: −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 6 7 8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 6 x y 2 -x , se -2 x < 1 ( ) 2x-3, se 1 x < 3 1, se x > 3 f x ≤ = ≤ 2( 2) ( 2) 4f − = − − = − 2(1) (1) 1f = − = − (bola aberta) 2( ) 0 0 0f x x x= → − = → = (1) 2 1 3 1f = − = −i (3) 2 3 3 3f = − =i (bola aberta) Definição 8. Função Par Uma função f é par se e somente se ( ) ( )f x f x− = Para todo x do seu domínio. EExxeemmppllooss:: a) 2( ) 4f x x= − 2(1) 1 4 3f = − = − 2( 1) ( 1) 4 3f − = − − = − −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 −5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 x y Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 33 b) ( ) 3f x = ( )a Dom f∈ ( ) ( ) 3f a f a= − = Definição 9. Função Ímpar Uma função é ímpar se e somente se ( ) ( )f x f x= − − ( ) ( )f x f x− = − Para todo x do seu domínio. EExxeemmppllooss:: a) ( )f x x= (2) 2f = ( 2) 2f − = − b) 3( )f x x= (2) 8f = ( 2) 8f − = − Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 34 Definição 10. Função Periódica Uma função ( )f x é dita periódica de período T se ( ) ( )f x T f x+ = (para cada x) e T é o menor número positivo com essa propriedade. 11) Funções Trigonométricas a) Função Seno Definimos como a função f de � em � que a cada x ∈� faz corresponder o número real y senx= . :f →� � ( )x sen x→ ( )D f = � [ ]( ) 1;1I f = − Função Ímpar: 1 2 sen pi = e 1 2 sen pi − = − Função periódica: 2T pi= , ( ) ( 2 )sen x sen x kpi= + b) Função Cosseno Definimos como a função f de � em � que a cada x ∈� faz corresponder o número real cosy x= . :f →� � cos( )x x→ ( )D f = � [ ]( ) 1;1I f = − Função Par: ( )cos 1pi = − e ( )cos 1pi− = − Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 35 Função periódica: 2T pi= , cos( ) cos( 2 )x x kpi= + c) Função Tangente, Cotagente, Secante e Cossecante Estas funções são definidas em termos de seno e cosseno, assim: ( )( ) ( ) cos( ) sen xf x tg x x = = 1( ) sec( ) cos( )g x x x= = São definidas para todo x ∈� tais que cos( ) 0x ≠ . ���� ( )( ) ( ) cos( ) sen xf x tg x x = = Observe que: cos( ) 0x = quando x assume os valores: 3 5 7, , , ,... 2 2 2 2 pi pi pi pi então os valores de x tais que cos( ) 0x = são: (2 1) 2 x n pi = + com n ∈� Portanto: { }( ( )) / (2 1) , 2 D tg x x x n npi= ∈ ≠ ± + ∈� � Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 36 ���� 1( ) sec( ) cos( )f x x x= = { }(sec( )) / (2 1) , 2 D x x x n npi= ∈ ≠ ± + ∈� � Ainda temos: cos( )( ) ( ) ( ) xf x cotg x sen x = = 1( ) cos ( ) ( )g x ec x sen x= = que são definidas para todo x ∈� tais que( ) 0sen x ≠ . Observe que: ( ) 0sen x = quando x assume os valores: 0, , 2 , 3 ,...pi pi pi± ± ± Então os valores de x tais que ( ) 0sen x = são: x npi= ± com n ∈� ���� cos( )( ) ( ) ( ) xf x cotg x sen x = = { }( ( )) / ,D cotg x x x n npi= ∈ ≠ ± ∈� � Apostila de Cálculo I Profa. Camila Pinto da Costa Página: 37 ���� 1( ) cos ( ) ( )g x ec x sen x= = { }(cosec( )) / ,D x x x n npi= ∈ ≠ ± ∈� � TRANSFORMAÇÕES DE FUNÇÕES Algumas famílias de gráficos têm a mesma forma básica. Por exemplo, vamos comparar o gráfico de 2y x= com os gráficos de quatro outras funções quadráticas: Deslocamento vertical. Deslocamento horizontal. Reflexão em torno do eixo x. Deslocamento para a esquerda e deslocamento para cima.
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