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1 1.1 Função Constante Função constante é a função 𝑓: ℝ → ℝ quando existe o número real b, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒃 A representação gráfica dessa função é uma reta paralela ao eixo x e intercepta o eixo y em 𝑦 = 𝑏. a) 𝑓(𝑥) = 1 b) 𝑓(𝑥) = −0,5 c) 𝑓(𝑥) = 3 4 d) 𝑓(𝑥) = √2 1.2 Função Polinomial do 1° Grau Função Polinomial do primeiro grau ou função afim é a função 𝑓: ℝ → ℝ quando existem os números reais m e b, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒎𝒙 + 𝒃 Tal que 𝑥 é a variável independente e 𝑦 = 𝑓(𝑥) é a variável que dependente de 𝑥, para todo 𝑥 ∈ ℝ. Os coeficientes da função afim são m e b. O coeficiente m é chamado coeficiente angular ou taxa de variação, indica a inclinação da reta. O coeficiente b é denominado coeficiente linear que corresponde à intersecção com o eixo das ordenadas (eixo y). 2 A representação gráfica de uma função afim é uma reta, pois sua inclinação é sempre a mesma. Para esboçar o gráfico de uma função é possível utilizar um recurso tecnológico, como o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica. Para determinar se uma função afim é crescente, decrescente ou constante precisa-se observar o coeficiente angular. Se 𝑚 > 0 é uma função crescente. a) 𝑓(𝑥) = 𝑥 − 1 b) 𝑓(𝑥) = 𝑥 2 + 1 c) 𝑓(𝑥) = 0,9𝑥 + 2 Se 𝑚 < 0 é uma função decrescente. a) 𝑓(𝑥) = −𝑥 − 1 b) 𝑓(𝑥) = − 𝑥 2 + 1 c) 𝑓(𝑥) = − 0,9𝑥 + 2 A função 𝑓: ℝ → ℝ, definida por 𝑓(𝑥) = 𝑚𝑥 para todo 𝑥 real, onde o coeficiente linear é igual a zero (𝑏 = 0) denomina-se função linear. a) 𝑓(𝑥) = −𝑥 b) 𝑓(𝑥) = 𝑥 c) 𝑓(𝑥) = −1,5𝑥 3 O gráfico de uma função linear é uma reta que sempre passa pela origem (0,0). A raiz de uma função ou zero da função é o valor de x para que a função 𝑓(𝑥) = 𝑚𝑥 + 𝑏 seja nula, ou seja, corresponde ao ponto onde o gráfico da função intercepta o eixo das abscissas (eixo x). Para determiná-lo, é necessário atribuir o valor zero para a 𝑦 = 𝑓(𝑥), ou seja, 𝑦 = 𝑓(𝑥) = 0. Neste ponto a função troca seu sinal, de positivo para negativo ou de negativo para positivo, veja o exemplo. 𝑓(𝑥) = 𝑥 − 3 Zero ou raiz da função (𝑦 = 𝑓(𝑥) = 0) Gráfico da função Estudo do sinal da função 𝑓(𝑥) = 𝑥 − 3 0 = 𝑥 − 3 𝑥 = 3 Quando 𝑦 = 0, tem-se 𝑥 = 3. O gráfico dessa função, intercepta o eixo x no ponto (3,0). Como o Intersecção com o eixo y: (0,-3). Se 𝑚 = 1 > 0 ⟶ 𝑓(𝑥) é crescente Raiz ou zero é 𝑥 = 3 • 𝑓(𝑥) = 0, se 𝑥 = 3 (troca de sinal) • 𝑓(𝑥) > 0, se 𝑥 > 3 (sinal positivo) • 𝑓(𝑥) < 0, se 𝑥 < 3 (sinal negativo) Apresenta-se a seguir um exemplo de função polinomial do primeiro grau e seu respectivo gráfico. 4 Dada a função 𝑓(𝑥) = 2𝑥 − 4, determine: a) O ponto onde o gráfico intercepta o eixo y. Coeficientes: 𝑚 = 2, 𝑏 = −4 O gráfico intercepta o eixo y quando 𝑥 = 0 e 𝑦 = − 12, que corresponde ao valor de b. b) A raiz da função. Raízes ou zeros da função: 0 = 2𝑥 − 4 Resolvendo a equação do 1° grau −2𝑥 = −4 𝑥 = −4 −2 𝑥 = 2 A raiz da função é 𝑥 = 2. c) O gráfico da função. d) O domínio e a imagem da função. O conjunto domínio e imagem da função é o conjunto dos números reais. e) O sinal da função. • se 𝑥 > 2, o sinal é positivo; • se 𝑥 < 2, o sinal é negativo. f) Se a função é crescente ou decrescente. Como 𝑚 = 2, a função é crescente. 1.3 Função Polinomial do 2° Grau Função Polinomial do Segundo Grau ou Função Quadrática é a função 𝑓: ℝ → ℝ quando existem os números reais 𝒂, 𝒃 e 𝒄, com 𝑎 ≠ 0, tal que: 5 𝒇(𝒙) = 𝒂𝒙𝟐 + 𝒃𝒙 + 𝒄 Para todo 𝑥 ∈ ℝ. O gráfico de uma função do segundo grau ou função quadrática é uma parábola cuja concavidade depende do sinal do coeficiente de 𝑥2, ou seja, de 𝒂. Se 𝑎 > 0, a parábola tem concavidade voltada para cima Se 𝑎 < 0, a parábola tem concavidade voltada para baixo 𝑓(𝑥) = 𝑥2 + 3𝑥 + 1, para 𝑎 = 1. 𝑓(𝑥) = −𝑥2 − 3𝑥 + 1, para 𝑎 = −1 A raiz de uma função ou zero da função é o valor de x para que a função 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥² + 𝑏𝑥 + 𝑐 seja nula, ou seja, corresponde ao ponto onde o gráfico da função intercepta o eixo das abscissas (eixo x). O estudo do discriminante da função, representado ∆= 𝑏² − 4𝑎𝑐 auxilia na determinação das raízes ou zeros da função, observe que: • Se ∆ = 0 a função tem dois zeros ou raízes iguais; • Se ∆ > 0 a função tem dois zeros ou raízes diferentes; • Se ∆ < 0 a função não tem zeros ou raízes. Observe o quadro a seguir. ∆ = 0 ∆ > 0 ∆ < 0 6 (duas raízes reais iguais) (duas raízes reais diferentes) (não tem raízes reais) 𝑎 > 0 𝑎 < 0 Para determinar as raízes de uma função quadrática pode-se utilizar a fórmula de Báskara: Para determinar o ponto do vértice da parábola, ou seja, 𝑉(𝑥𝑉 , 𝑦𝑉) se utilizam as fórmulas a seguir: A determinação do vértice da parábola permite determinar a imagem da função e o ponto de máximo ou mínimo. 𝒙 = −𝒃 ± √𝒃² − 𝟒𝒂𝒄 𝟐𝒂 𝑥𝑉 = − 𝒃 𝟐𝒂 e 𝑦𝑉 = − ∆ 𝟒𝒂 , ∆= 𝒃𝟐 − 𝟒𝒂𝒄 7 Apresenta-se, a seguir, um exemplo de função do segundo grau ou função quadrática e seu respectivo gráfico. 𝑓(𝑥) = 𝑥2 + 2𝑥 − 3 Informações Importantes Coeficientes: 𝑎 = 1, 𝑏 = 2 e 𝑐 = −3. Raízes ou zeros da função: 0 = 𝑥2 + 2𝑥 − 3 Aplicando a fórmula de Báskara 𝑥 = −𝑏 ± √𝑏² − 4𝑎𝑐 2𝑎 𝑥 = −2 ± √2² − 4.1. (−3) 2.1 𝑥 = −2 ± √16 2 𝑥 = −2 ± 4 2 → { 𝑥1 = −2 − 4 2 = −3 𝑥2 = −2 + 4 2 = 1 As raízes da função são 𝑥 = 1 e 𝑥 = −3. Discriminante: ∆= 𝑏² − 4𝑎𝑐 = 22 − 4.1. (−3) = 16, como ∆ > 0 a função tem dois zeros ou raízes diferentes. Gráfico da função Concavidade da parábola: voltada para cima, pois 𝑎 > 0, para 𝑎 = 1. Intersecção com o eixo y: (0,-3). Intersecção com o eixo x em dois pontos: (-3,0) e (1,0). Vértice da parábola: 𝑉(−1, −4), pois 𝑥𝑉 = − 𝑏 2. 𝑎 = − 2 2.1 = −1 e 𝑦𝑉 = − ∆ 4𝑎 = − 16 4.1 = −4 Ponto de mínimo: (−1, −4). Imagem da função: 𝐼𝑚(𝑓) = {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 ≥ −4} ou 𝐼𝑚(𝑓) = [−4; ∞). Domínio da função: 𝐷𝑜𝑚(𝑓) = ℝ. Para o estudo do sinal da função do segundo grau ou função quadrática, utiliza-se o ponto de intersecção da função no eixo x, ou seja, pode-se determinar os valores reais de x para os quais a função se anula (𝑓(𝑥) = 8 0), é positiva (𝑓(𝑥) > 0) e é negativa (𝑓(𝑥) < 0). Também, o discriminante é importante para realização deste estudo. No quadro a seguir apresenta-se o estudo da função quadrática para ∆ > 0. Para ∆ > 𝟎 a função tem duas raízes diferentes e a parábola intersecta o eixo x em dois pontos 𝑎 > 0 𝑎 < 0 A função é nula quando: 𝑓(𝑥) = 0, para 𝑥 = 𝑥1 ou 𝑥 = 𝑥2. A função é positiva quando: 𝑓(𝑥) > 0, para 𝑥 < 𝑥1 ou 𝑥 > 𝑥2. A função é negativa quando: 𝑓(𝑥) < 0, para 𝑥1 < 𝑥 < 𝑥2. A função é nula quando: 𝑓(𝑥) = 0, para 𝑥 = 𝑥1 ou 𝑥 = 𝑥2. A função é positiva quando: 𝑓(𝑥) > 0, para 𝑥1 < 𝑥 < 𝑥2. A função é negativa quando: 𝑓(𝑥) < 0, para 𝑥 < 𝑥1 ou 𝑥 > 𝑥2. A seguir apresenta-se o estudo da função quadrática para ∆ = 0. Para ∆ = 𝟎 a função tem duas raízes iguais e a parábola intersecta o eixo x em um ponto 𝑎 > 0 𝑎 < 0 9 A função é nula quando: 𝑓(𝑥) = 0, para 𝑥 = 𝑥1 = 𝑥2. A função é positiva quando: 𝑓(𝑥) > 0, para 𝑥 ≠ 𝑥1 A função é nula quando: 𝑓(𝑥) = 0, para 𝑥 = 𝑥1 = 𝑥2. A função é negativa quando: 𝑓(𝑥) < 0, para 𝑥 ≠ 𝑥1 A seguir apresenta-se o estudo da função quadrática para ∆ < 0. Para ∆ < 𝟎 a função não admite raízes reais e a parábola não intersecta o eixo x 𝑎 > 0 𝑎 < 0 A função 𝑓(𝑥) > 0 para todo 𝑥 real. A função 𝑓(𝑥) < 0 para todo 𝑥 real. Para identificar os intervalos onde a função do segundo grau é crescente ou decrescenteé importante observar o 𝑥𝑉. Veja os exemplos. 𝑓(𝑥) = 2𝑥² + 4𝑥 − 1 𝑓(𝑥) = −2𝑥² + 4𝑥 − 1 10 Observe no gráfico da função que 𝑥𝑉 = −1. Para 𝑥 < −1 a função é decrescente. Para 𝑥 > −1 a função é crescente. Observe no gráfico da função que 𝑥𝑉 = 1. Para 𝑥 < 1 a função é crescente. Para 𝑥 > 1 a função é decrescente. Apresenta-se a seguir um exemplo de função do segundo grau ou função quadrática e seu respectivo gráfico. Dada a função 𝑓(𝑥) = −𝑥2 + 1, determine: a) O ponto de intersecção do gráfico com o eixo das ordenadas. Coeficientes: 𝑎 = −1, 𝑏 = 0 e , 𝑐 = 1 O gráfico intercepta o eixo y quando 𝑥 = 0 e 𝑦 = 1, que corresponde ao valor de c. b) A concavidade. Concavidade da parábola: voltada para baixo, pois 𝑎 < 0, para 𝑎 = −1. c) Quantas raízes reais ela possui. Discriminante: ∆= 𝑏² − 4𝑎𝑐 = (0)2 − 4. (−1).1 = 4, como ∆ > 0 a função tem dois zeros ou raízes diferentes. d) Se ela possui raízes reais, quais são. Raízes ou zeros da função: 0 = −𝑥2 + 1 Aplicando a fórmula de Báskara 𝑥 = −𝑏 ± √𝑏² − 4𝑎𝑐 2𝑎 𝑥 = 0 ± √0² − 4. (−1). 1 2. (−1) 𝑥 = 0 ± √4 −2 𝑥 = 0 ± 2 −2 → { 𝑥1 = 0 − 2 −2 = 1 𝑥2 = 0 + 2 −2 = −1 As raízes da função são 𝑥 = −1 e 𝑥 = 1. Intersecção com o eixo x em dois pontos: (-1,0) e (1,0). e) As coordenadas do vértice. 11 𝑥𝑉 = − 𝑏 2. 𝑎 = − 0 2. (−1) = 0 e 𝑦𝑉 = − ∆ 4𝑎 = − 4 4. (−1) = 1 O ponto do vértice é 𝑉(0,1). f) O gráfico. g) Os intervalos onde ela está crescendo e onde está decrescendo. Para 𝑥 < 0 a função é crescente. Para 𝑥 > 0 a função é decrescente. h) O sinal da função. Para 𝑥 < −1 a função assume valores negativos. Para valores de −1 < 𝑥 < 1 a função assume valores negativos. Para 𝑥 > 1 a função assume valores negativos. i) O conjunto imagem. 𝐼𝑚(𝑓) = {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 ≤ 1} ou 𝐼𝑚(𝑓) = (−∞, 1]. j) O conjunto domínio. 𝐷𝑜𝑚(𝑓) = ℝ. k) Os pontos A(-1, -2) e B(-2, -3) pertencem a função? Para 𝑓(𝑥) = −𝑥2 + 1, temos: A(-1, -2) → −2 = −(−1)2 + 1 → −2 = 0, esse ponto não pertence a parábola, pois a igualdade não é verdadeira. B(-2, -3) → −3 = −(−2)2 + 1 → −3 = −3, esse ponto pertence a parábola, pois a igualdade é verdadeira. l) A função possui ponto de máximo ou de mínimo, estabeleça o mesmo. Possui ponto de máximo que é (0,1). 1.4 Funções Polinomiais 12 Uma função polinomial é a função 𝑓: ℝ → ℝ quando existem os números reais 𝑎0, 𝑎1, 𝑎2, … , 𝑎𝑛 denominados coeficientes e 𝑛 é um número inteiro não negativo, tal que: 𝒑(𝒙) = 𝒂𝒏𝒙 𝒏 + 𝒂𝒏−𝟏𝒙 𝒏−𝟏 + ⋯ + 𝒂𝟐𝒙 𝟐 + 𝒂𝟏𝒙 + 𝒂𝟎 para 𝑃(𝑥) = 𝑓(𝑥), temos 𝒇(𝒙) = 𝒂𝒏𝒙 𝒏 + 𝒂𝒏−𝟏𝒙 𝒏−𝟏 + ⋯ + 𝒂𝟐𝒙 𝟐 + 𝒂𝟏𝒙 + 𝒂𝟎 Para todo 𝑥 ∈ ℝ. O grau de um polinômio é dado pelo maior expoente das variáveis de coeficientes não nulo, por exemplo, em 𝑓(𝑥) = 3𝑥5 + 1 2 𝑥4 − 5𝑥2 + 1 o grau é 5. Na função polinomial o domínio é o conjunto dos números reais (ℝ), representado pelo intervalo (−∞, ∞). A função linear ou função do primeiro grau é uma função polinomial de grau 1 e a função quadrática ou função do segundo grau é uma função polinomial de grau 2, portanto o domínio dessas funções é o conjunto dos números reais. Exemplos de representação gráfica de funções polinomiais de grau três e quatro. 𝑓(𝑥) = 𝑥3 + 𝑥2 − 2𝑥 𝑓(𝑥) = 4𝑥4 + 𝑥3 − 3𝑥2 − 2𝑥 13 1.5 Função de Potência Uma função potência é qualquer função da forma: 𝒇(𝒙) = 𝒌𝒙𝒂 Sendo 𝑎 e 𝑘 constantes onde 𝑎 ≠ 0 e 𝑘 ≠ 0. Para o estudo da função potência, vamos considerar três situações. Primeira situação: 𝑎 = 𝑛, sendo 𝑛 um número inteiro positivo. Seja 𝑓(𝑥) = 𝑘𝑥𝑛 uma função potência. Se 𝑛 é número par a representação gráfica da função é semelhante à da função quadrática, sendo uma parábola. Se 𝑛 é número ímpar maior ou igual a 3, a representação gráfica da função é semelhante a função cúbica. Veja o quadro a seguir. Se 𝑛 é número par e 𝑘 = 1. Se 𝑛 é número ímpar e 𝑘 = 1. Segunda situação: 𝑎 = 1 𝑛 , sendo 𝑛 um número inteiro positivo. 14 Seja 𝑓(𝑥) = 𝑘𝑥 1 𝑛, para 𝑘 = 1 tem-se 𝑓(𝑥) = 𝑥 1 𝑛 = √𝑥 𝑛 . A função 𝑓(𝑥) = √𝑥 𝑛 é denominada função raiz. Veja alguns exemplos a seguir. Exemplo 1 𝑓(𝑥) = √𝑥 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝒚 = √𝒙 (𝒙, 𝒚) 0 𝑦 = √0 = 0 (0,0) 1 𝑦 = √1 = 1 (1,1) 4 𝑦 = √4 = 2 (4,2) 9 𝑦 = √9 = 3 (9,3) Representação do gráfico da função 𝑓(𝑥) = √𝑥. Domínio da função 𝑓(𝑥) = √𝑥: {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≥ 0}. Imagem da função 𝑓(𝑥) = √𝑥: {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 ≥ 0}. Exemplo 2 𝑓(𝑥) = √𝑥 3 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝒚 = √𝑥 3 (𝒙, 𝒚) 4 𝑦 = √4 3 ≅ 1,6 (4; 1,6) 1 𝑦 = √1 3 = 1 (1,1) 0 𝑦 = √0 3 = 0 (0,0) −1 𝑦 = √−1 3 = −1 (−1, −1) −4 𝑦 = √−4 3 ≅ −1,6 (−4; −1,6) Representação do gráfico da função 𝑓(𝑥) = √𝑥 3 . Domínio da função 𝑓(𝑥) = √𝑥 3 : ℝ. Imagem da função 𝑓(𝑥) = √𝑥 3 : ℝ. Terceira situação: 𝑎 = −1, sendo 𝑛 um número inteiro positivo. 15 Seja 𝑓(𝑥) = 𝑘𝑥−1, para 𝑘 = 1 tem-se 𝑓(𝑥) = 𝑥−1 = 1 𝑥 . Para 𝑓(𝑥) = 𝑦, temos 𝑦 = 1 𝑥 ou 𝑥𝑦 = 1 que é uma hipérbole. Veja o exemplo a seguir. 𝑓(𝑥) = 1 𝑥 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝑦 = 1 𝑥 (𝒙, 𝒚) 4 𝑦 = 1 4 (4, 1 4 ) 3 𝑦 = 1 3 (3, 1 3 ) 2 𝑦 = 1 2 (2, 1 2 ) 1 𝑦 = 1 (1,1) 1 2 𝑦 = 2 ( 1 2 , 2) 1 3 𝑦 = 3 ( 1 3 , 3) 1 4 𝑦 = 4 ( 1 4 , 4) 0 ∄ ∄ − 1 4 𝑦 = −4 (− 1 4 , −4) − 1 3 𝑦 = −3 (− 1 3 , −3) − 1 2 𝑦 = −2 (− 1 2 , −2) −1 𝑦 = −1 (−1; −1) −2 𝑦 = − 1 2 (−2, − 1 2 ) −3 𝑦 = − 1 3 (−3, − 1 3 ) −4 𝑦 = − 1 4 (−4, − 1 4 ) Gráfico da função Domínio da função 𝑓(𝑥) = 1 𝑥 : {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≠ 0}. Imagem da função 𝑓(𝑥) = 1 𝑥 : {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 ≠ 0}. 1.6 Função Racional Uma função racional é qualquer função da forma: 16 𝒇(𝒙) = 𝒑(𝒙) 𝒒(𝒙) Sendo 𝑝(𝑥) e 𝑞(𝑥) são funções polinomiais, com 𝑞(𝑥) ≠ 0. Exemplos de representação gráfica de funções racionais. 𝑓(𝑥) = 𝑥2 + 1 𝑥2 − 4 𝑓(𝑥) = 0,25𝑥3 𝑥 − 1 Domínio da função: ℝ − {±2}. Domínio da função: ℝ − {1}. 1.7 Função exponencial Uma função exponencial é qualquer função da forma: 𝒇(𝒙) = 𝒂𝒙 Sendo 𝑎 > 0 e 𝑎 ≠ 1. Na função exponencial se 0 < 𝑎 < 1 a função é decrescente e se 𝑎 > 1 a função é crescente, como mostra o quadro. 17 𝑓(𝑥) = 5𝑥 𝑓(𝑥) = ( 1 5 ) 𝑥 Função crescente, pois 𝑎 = 5. Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 > 0}. Função decrescente, pois 𝑎 = 1 5 . Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 > 0}. Exemplo 1 𝑓(𝑥) = 2𝑥 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝑦 = 2𝑥 (𝒙, 𝒚) 2 𝑦 = 22 = 4 (2,4) 1 𝑦 = 21 = 2 (1,2) 0 𝑦 = 20 = 1 (0,1) −1 𝑦 = 2−1 = 1 2 (−1, 1 2 ) −2 𝑦 = 2−2 = 1 4 (−2, 1 4 ) Gráfico da função Função crescente. Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 > 0}. Exemplo 2 18 𝑓(𝑥) = ( 1 2 ) 𝑥 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝑦 = ( 1 2 ) 𝑥 (𝒙, 𝒚) 2 𝑦 = ( 1 2 ) 2 = 1 4 (2, 1 4 ) 1 𝑦 = ( 1 2 ) 1 = 1 2 (1, 1 2 ) 0 𝑦 = ( 1 2 ) 0 = 1 (0,1) −1 𝑦 = ( 1 2 ) −1 = 2 (−1,2) −2 𝑦 = ( 1 2 ) −2 = 4 (−2; 4) Gráfico da função Função decrescente. Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 > 0}. 1.8 Função logarítmica Uma função logarítmica é inversa da função exponencial, essa função é da forma: 𝒇(𝒙) = 𝒍𝒐𝒈𝒂𝒙 Sendo𝑥 > 0, 𝑎 > 0 e 𝑎 ≠ 1. Na função logarítmica se 0 < 𝑎 < 1 a função é decrescente e se 𝑎 > 1 a função é crescente, como mostra o quadro. 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑜𝑔2𝑥 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑜𝑔1 2 𝑥 19 Função crescente, pois 𝑎 = 2. Domínio da função: {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 > 0}. Imagem da função: ℝ. Função decrescente, pois 𝑎 = 1 2 . Domínio da função: {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 > 0}. Imagem da função: ℝ. Exemplo 1 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑜𝑔3𝑥 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝑥 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔3𝑥 (𝑥, 𝑦) 1 9 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔3 1 9 = −2 ( 1 9 , −2) 1 3 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔3 1 3 = −1 ( 1 3 , −1) 1 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔31 = 0 (1,0) 3 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔33 = 1 (3,1) 9 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔39 = 2 (9,2) Gráfico da função Função crescente. Domínio da função: {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 > 0}. Imagem da função: ℝ. Exemplo 2 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑜𝑔1 3 𝑥 20 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔1 3 𝑥 (𝒙, 𝒚) 1 9 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔1 3 1 9 = 2 ( 1 9 , 2) 1 3 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔1 3 1 3 = 1 ( 1 3 , 1) 1 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔1 3 1 = 0 (1,0) 3 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔1 3 3 = −1 (3, −1) 9 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔1 3 9 = −2 (9, −2) Gráfico da função Função decrescente. Domínio da função: {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 > 0}. Imagem da função: ℝ. 1.9 Função Modular Uma função modular ou função valor absoluto é da forma: 𝒇(𝒙) = |𝒙| Tomando o conceito de módulo de um número real pode-se definir essa função também como: 𝒇(𝒙) = { 𝒙 𝒔𝒆 𝒙 ≥ 𝟎 −𝒙 𝒔𝒆 𝒙 < 𝟎 Exemplo 1 𝑓(𝑥) = |𝑥| 21 Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝑦 = |𝑥| (𝒙, 𝒚) -2 𝑦 = |−2| = 2 (−2,2) -1 𝑦 = |−1| = 1 (−1,1) 0 𝑦 = |0| = 0 (0,0) 1 𝑦 = |1|=1 (1,1) 2 𝑦 = |2|=2 (2,2) Gráfico da função Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑥 ∈ ℝ|𝑦 > 0}. Exemplo 2 𝑓(𝑥) = |𝑥 − 2| Para construir o gráfico da função iremos atribuir valores para x para obter alguns pares ordenados. 𝒙 𝑦 = |𝑥 − 2| (𝒙, 𝒚) 0 𝑦 = |0 − 2| = 2 (0,2) 1 𝑦 = |1 − 2|=1 (1,1) 2 𝑦 = |2 − 2|=2 (2,0) 3 𝑦 = |3 − 2|=1 (3,1) 4 𝑦 = |4 − 2|=2 (4,2) Gráfico da função Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑥 ∈ ℝ|𝑦 > 0}. 1.10 Função definida por várias sentenças A função definida por várias sentenças ou função definida por partes referem-se às funções definidas por diversas sentenças, onde cada uma está relacionada a um domínio. Exemplo 1 22 𝑓(𝑥) = { −𝑥 − 1, 𝑠𝑒 𝑥 ≥ 0 𝑥² − 1, 𝑠𝑒 𝑥 < 0 Gráfico da função Domínio da função: ℝ. Imagem da função: {𝑦 ∈ ℝ|𝑦 ≤ −2 𝑒 𝑦 > −1}. 1.11 Funções trigonométricas O estudo das funções trigonométricas é indispensável para diferentes campos do conhecimento, principalmente os relacionados a fenômenos periódicos. Porém, inicialmente, retomaremos alguns conceitos como: ângulo, circunferência, raio, ângulo central, arco, comprimento de arco, graus, radianos, circunferência ou ciclo trigonométrico. Ângulo Ângulo é qualquer uma das regiões do plano delimitadas por duas semirretas de mesma origem. Sendo essas semirretas os lados do ângulo, e a origem comum é denominada, vértice. Assim, na figura abaixo se tem 23 dois ângulos: ângulo da região 1 (ângulo menor) e ângulo da região 2 (ângulo maior). Circunferência A circunferência é o conjunto de pontos de um plano que está a uma mesma distância 𝑟, qualquer, de um ponto fixo 𝑂 desse mesmo plano. Sendo que, essa distância 𝑟 é chamada de raio, e 𝑂 é denominado centro da circunferência. O comprimento da circunferência é dado por 𝐶 = 2𝜋𝑟, onde C corresponde ao comprimento da circunferência e 𝑟 refere-se ao raio. Ângulo Central Sejam dois pontos 𝐴 e 𝐵 em uma mesma circunferência. O ângulo formado pelos segmentos 𝑂𝐴 e 𝑂𝐵, com vértice no centro “𝑂”, corresponde ao ângulo central (𝐴�̂�𝐵 ou 𝛼). 24 Pode-se observar na figura a seguir, que o ângulo central determina na circunferência dois arcos de circunferência, o arco 𝐵�̂� menor (em vermelho) e o arco 𝐴�̂� maior (em preto). Porém, se os pontos 𝐴 e 𝐵 são coincidentes (𝐴 ≡ 𝐵), ocorre um arco nulo (0°) e outro de uma volta (360°). Graus e Radianos As unidades de medidas utilizadas para arcos e ângulos em uma circunferência são o grau e o radiano. Um arco de um grau (1°) corresponde a 1 360 do comprimento da circunferência. O arco de uma volta equivale a um ângulo de 360°. 25 Um radiano (1 rad) corresponde ao raio da circunferência que o contém. O arco de uma volta completa é 2𝜋 𝑟𝑎𝑑. A medida de um arco, em radianos, é a razão entre o comprimento da circunferência e o comprimento de seu raio. O arco de uma circunferência AB é dado por: Arco 𝑨𝑩 = 𝒄𝒐𝒎𝒑𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒐 𝒂𝒓𝒄𝒐 𝒄𝒐𝒎𝒑𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒐 𝒓𝒂𝒊𝒐 𝒓𝒂𝒅 Circunferência ou Ciclo Trigonométrico O ciclo trigonométrico, apresentado abaixo, é uma circunferência de raio unitário associado a um sistema de coordenadas cartesianas. O centro da circunferência coincide com a origem do sistema cartesiano. Seja A um ponto de intersecção da circunferência com o eixo das abscissas e P outro ponto sobre a mesma circunferência, tal que 𝐴�̂� é a origem de todos os arcos, onde o sentido anti-horário é o sentido positivo de percurso e o sentido horário é o negativo. 26 Observando a figura acima, pode-se verificar que à medida que o ponto P percorre a circunferência, passando pelos diferentes quadrantes, os ângulos, em graus ou radianos, vão se modificando conforme figura a seguir. Quadrante Graus Radianos 1º 0° < 𝛼 < 90° 0° < 𝛼 < 𝜋 2 2º 90° < 𝛼 < 180° 𝜋 2 < 𝛼 < 𝜋 3º 180° < 𝛼 < 270° 𝜋 < 𝛼 < 3𝜋 2 4º 270° < 𝛼 < 360° 3𝜋 2 < 𝛼 < 2𝜋 Ainda, a partir do ciclo trigonométrico acima apresentado, sabe-se que o raio da circunferência é igual a 1, temos que, o seno do ângulo α é a ordenada y do ponto P e o cosseno de α é a abscissa x de P. 27 Assim, conforme o ponto P percorre a circunferência trigonométrica sua abscissa e ordenada variam, ou seja, os valores do seno e cosseno do ângulo se modificam. Essa variação nos valores pode ser observada na figura a seguir. Arco Graus Radianos Seno Cosseno 0 0 0 1 90 𝜋 2 1 0 180 𝜋 0 -1 270 3𝜋 2 -1 0 360 2𝜋 0 1 1.11.1 Função Seno Função seno é a função 𝑓: ℝ → ℝ, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒔𝒆𝒏 (𝒙) Onde 𝑠𝑒𝑛(𝑥) é a ordenada do ponto P, extremidade do arco AP, ou seja, cada número real 𝑥 associa o seno de um arco de 𝑥 radianos. Assim, com os valores do ciclo trigonométrico, pode-se construir uma tabela de valores e realizar a representação gráfica da função seno. 28 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑛 (𝑥) x f(x) 0 0 2 1 0 2 3 -1 2 0 O domínio da função seno é o conjunto dos números reais: 𝐷𝑜𝑚(𝑓) = ℝ. A imagem da função seno corresponde ao intervalo [−1, 1] ou 𝐼𝑚(𝑓) = {𝑦 ∈ ℝ|−1 ≤ 𝑦 ≤ 1}. A função seno é periódica de período 2𝜋 (𝑃 = 2𝜋), pois os valores se repetem de 2𝜋 em 2𝜋. 1.11.2 Função Cosseno Função cosseno é a função 𝑓: ℝ → ℝ, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒄𝒐𝒔 (𝒙) Onde 𝑐𝑜𝑠 (𝑥) é a abscissa do ponto P, extremidade do arco AP, ou seja, a cada 𝑥 associa 𝑐𝑜𝑠 (𝑥). Assim, com os valores do ciclo trigonométrico, pode-se construir uma tabela de valores e realizar a representação gráfica da função cosseno. 29 𝑓(𝑥) = 𝑐𝑜𝑠 (𝑥) x f(x) 0 1 2 0 -1 2 3 0 2 1 O domínio da função cosseno é o conjunto dos números reais: 𝐷𝑜𝑚(𝑓) = ℝ. A imagem da função cosseno corresponde ao intervalo [−1, 1] ou 𝐼𝑚(𝑓) = {𝑦 ∈ ℝ|−1 ≤ 𝑦 ≤ 1}. A função seno é periódica de período 2𝜋 (𝑃 = 2𝜋), pois os valores se repetem de 2𝜋 em 2𝜋.1.11.3 Função Tangente Função tangente é a função 𝑓: ℝ → ℝ, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒕𝒂𝒏 (𝒙) Onde a 𝑡𝑎𝑛 (𝑥) corresponde ao quociente entre o 𝑠𝑒𝑛(𝑥) e o 𝑐𝑜𝑠(𝑥), ou seja: 𝒕𝒂𝒏 (𝒙) = 𝒔𝒆𝒏 (𝒙) 𝒄𝒐𝒔(𝒙) O gráfico da função tangente é representado a seguir. 30 𝑓(𝑥) = 𝑡𝑎𝑛 (𝑥) = 𝑠𝑒𝑛 (𝑥) 𝑐𝑜𝑠(𝑥) O conjunto domínio da função tangente é: 𝐷𝑜𝑚 (𝑓) = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≠ 𝜋 2 + 𝑛. 𝜋}, onde 𝑛 é um número inteiro. O conjunto imagem da função tangente é: 𝐼𝑚 (𝑓) = ℝ. O período da função tangente é 𝑃 = 𝜋. 1.11.4 Função Cotangente Função cotangente é a função 𝑓: ℝ → ℝ, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒄𝒐𝒕𝒈 (𝒙) Onde a 𝑐𝑜𝑡𝑔 (𝑥) corresponde o quociente do 𝑐𝑜𝑠(𝑥) pelo 𝑠𝑒𝑛(𝑥), ou seja: 𝒄𝒐𝒕𝒈 (𝒙) = 𝒄𝒐𝒔 (𝒙) 𝒔𝒆𝒏 (𝒙) A partir desta relação é possível representar o gráfico da função cotangente de 𝑥, que é apresentado abaixo. 31 𝑓(𝑥) = 𝑐𝑜𝑡𝑔 (𝑥) = 𝑐𝑜𝑠 (𝑥) 𝑠𝑒𝑛 (𝑥) O conjunto domínio da função cotangente é: 𝐷𝑜𝑚 (𝑓) = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≠ 𝑛. 𝜋}, onde 𝑛 é um número inteiro. O conjunto imagem da função cotangente é: 𝐼𝑚 (𝑓) = ℝ O período da função cotangente é 𝑃 = 𝜋. 1.11.5 Função Secante Função secante é a função 𝑓: ℝ → ℝ, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒔𝒆𝒄 (𝒙) A inversa da função secante corresponde ao inverso do 𝑐𝑜𝑠(𝑥), ou seja: 𝒔𝒆𝒄 (𝒙) = 𝟏 𝒄𝒐𝒔 (𝒙) Desta relação é possível representar o gráfico da função secante, apresentado a seguir. 32 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑐 (𝑥) = 1 𝑐𝑜𝑠 (𝑥) O conjunto domínio da função secante é: 𝐷𝑜𝑚 (𝑓) = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≠ (2𝑛−1)𝜋 2 }, no qual 𝑛 é um número inteiro. O conjunto imagem da função secante é: 𝐼𝑚 (𝑓) = (−∞, −1] ∪ [1, ∞) ou 𝐼𝑚 (𝑓) = {𝑦 < −1 𝑜𝑢 𝑦 > 1}. O período da função secante é 𝑃 = 𝜋. 1.11.6 Função Cossecante Função cossecante é a função 𝑓: ℝ → ℝ, sendo definida por: 𝒇(𝒙) = 𝐜𝐨𝐬𝐬𝐞𝐜 (𝒙) A função cossecante corresponde ao inverso de 𝑠𝑒𝑛(𝑥), ou seja: 𝒄𝒐𝒔𝒔𝒆𝒄 (𝒙) = 𝟏 𝒔𝒆𝒏 (𝒙) 33 A partir desta relação é possível representar o gráfico da função cossecante de 𝑥, que é apresentado a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐 (𝑥) = 1 𝑠𝑒𝑛 (𝑥) O conjunto domínio da função cossecante é: 𝐷𝑜𝑚 (𝑓) = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≠ 𝑛. 𝜋}, no qual 𝑛 é um número inteiro. O conjunto imagem da função cossecante é: 𝐼𝑚 (𝑓) = (−∞, −1] ∪ [1, + ∞) ou 𝐼𝑚 (𝑓) = {𝑦 < −1 𝑜𝑢 𝑦 > 1}. O período da função cossecante é 𝑃 = 2𝜋. 1.12 Funções Hiperbólicas Seja a expressão exponencial 𝑒𝑥−𝑒−𝑥 2 , utilizada em aplicações do cálculo, tem-se que a função seno hiperbólico, é definido por: 𝒇(𝒙) = 𝒆𝒙−𝒆−𝒙 𝟐 ou 𝒇(𝒙) = 𝒔𝒆𝒏𝒉 𝒙 34 Para fazer o esboço gráfico desta função, pode-se utilizar o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica, conforme o gráfico a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑛ℎ 𝑥 O domínio da função seno hiperbólico, corresponde ao conjunto dos números reais. Seja a expressão exponencial 𝑒𝑥+𝑒−𝑥 2 , tem-se que a função cosseno hiperbólico, é definido por: 𝒇(𝒙) = 𝒆𝒙+𝒆−𝒙 𝟐 ou 𝒇(𝒙) = 𝒄𝒐𝒔𝒉 𝒙 Para fazer o esboço gráfico desta função, pode-se utilizar o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica, conforme o gráfico a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑐𝑜𝑠ℎ 𝑥 35 O domínio da função cosseno hiperbólico, corresponde ao conjunto dos números reais. A função tangente hiperbólica é definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒕𝒂𝒏𝒉 𝒙 A função tangente também pode ser representada por: 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑛ℎ 𝑥 𝑐𝑜𝑠ℎ 𝑥 . Para fazer o esboço gráfico desta função, pode-se utilizar o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica, conforme o gráfico a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑡𝑎𝑛ℎ 𝑥 O domínio da função tangente hiperbólica, corresponde ao conjunto dos números reais. A função cotangente hiperbólica é definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒄𝒐𝒕𝒉 𝒙 36 A função cotangente hiperbólica, também, pode ser representada por: 𝑓(𝑥) = 1 𝑡𝑎𝑛ℎ 𝑥 . Para fazer o esboço gráfico desta função, pode-se utilizar o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica, conforme o gráfico a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑐𝑜𝑡ℎ 𝑥 O domínio da função cotangente hiperbólica, corresponde ao conjunto dos números reais, menos o zero (ℝ∗). A função secante hiperbólica é definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒔𝒆𝒄𝒉 𝒙 A função secante também pode ser representada por: 𝑓(𝑥) = 1 𝑐𝑜𝑠ℎ 𝑥 . Para fazer o esboço gráfico desta função, pode-se utilizar o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica, conforme o gráfico a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑐ℎ 𝑥 37 O domínio da função secante hiperbólica, corresponde ao conjunto dos números reais. A função cossecante hiperbólica é definida por: 𝒇(𝒙) = 𝒄𝒐𝒔𝒔𝒆𝒄𝒉 𝒙 A função cossecante também pode ser representada por: 𝑓(𝑥) = 1 𝑠𝑒𝑛ℎ 𝑥 . Para fazer o esboço gráfico desta função, pode-se utilizar o software GeoGebra ou uma calculadora gráfica, conforme o gráfico a seguir. 𝑓(𝑥) = 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐ℎ 𝑥 O domínio da função cossecante hiperbólica, corresponde ao conjunto dos números reais, menos o zero (ℝ∗). A seguir, apresentam-se as identidades hiperbólicas: 38 Identidades Hiperbólicas cosh2 𝑥 − senh2 𝑥 = 1 1 − tanh2 𝑥 = sech2 𝑥 coth2 𝑥 − 1 = csch2 𝑥 tanh (𝑥 + 𝑦) = tanh 𝑥 + tanh 𝑦 1 + tanh 𝑥 tanh 𝑦 senh (𝑥 + 𝑦) = senh 𝑥 cosh 𝑦 + cosh 𝑥 senh 𝑦 cossech (𝑥 + 𝑦) = cosh 𝑥 cosh 𝑦 + senh 𝑥 senh 𝑦 senh (−𝑥) = − senh 𝑥 cosh (−𝑥) = cosh 𝑥 1.12 Translação, reflexão e contração de funções Ampliando os estudos sobre análise gráfica de funções Considerando a função 𝑦 = 𝑥², tem-se a possibilidade de construir diferentes funções por meio de translações, reflexões e contrações. Translação em relação ao eixo y Com base na função 𝑦 = 𝑥2 + 1, ao calcular valores para 𝑦, calcula-se 𝑥² e se adiciona uma unidade. Nessa situação, cada imagem da função 𝑦 = 𝑥2 + 1 terá uma unidade além da função 𝑦 = 𝑥². Deste modo, o gráfico de 𝑦 = 𝑥2 + 1 apresenta a mesma forma que o gráfico de 𝑦 = 𝑥², porém uma unidade acima, conforme o gráfico a seguir. 39 O domínio da função 𝑦 = 𝑥2 + 1 é o conjunto dos reais e sua imagem é [1, ∞) e a função é decrescente no intervalo para 𝑥 ∈ (−∞, 0] e crescente para 𝑥 ∈ [0, ∞). Atividade: Observe o gráfico a seguir e descreva o que ocorre com a função 𝑦 = 𝑥² − 1 com relação a função 𝑦 = 𝑥². Determine o domínio, a imagem e o intervalo de crescimento e decrescimento. Reflexão em torno do eixo x Considerando a função 𝑦 = −𝑥2. A imagem desta função corresponde ao valor simétrico da função 𝑦 = 𝑥2. Pode-se dizer que, o gráfico da função 𝑦 = −𝑥2 tem a mesma forma que o gráfico da função 𝑦 = 𝑥2, porém com a concavidade voltada para baixo, conforme pode-se observar no gráfico a seguir. 40 O domínio da 𝑦 = −𝑥2 é o conjunto dos números reais. A imagem dessa função corresponde ao intervalo (−∞, 0]. A função 𝑦 = −𝑥2 é crescente no intervalo 𝑥 ∈ (−∞, 0] e decrescente no intervalo para 𝑥 ∈ [0, ∞). Translação em relação ao eixo x Na função 𝑦 = (𝑥 + 1)² foi adicionada uma constante 𝑘, com valor igual 1, em seu argumento, isso a difere da função 𝑦 = 𝑥². Quando se calcula os valores para 𝑦, calcula-se (𝑥 + 1) e em seguida, eleva-se o valor obtido ao quadrado. Deste modo, o gráfico de 𝑦 = (𝑥 + 1)² apresenta a mesma forma que o gráfico de 𝑦 = 𝑥², porém uma unidade para a esquerda, conforme o gráfico a seguir. 41 O domínio da 𝑦 = (𝑥 + 1)² é o conjunto dos números reais. A imagem desta função é o intervalo [0, ∞). A função 𝑦 = (𝑥 + 1)² é decrescente no intervalo para 𝑥 ∈ (−∞, −1] e crescente para 𝑥 ∈ [−1, ∞). Atividade: Observe o gráfico a seguir e descreva o que ocorre com a função 𝑦 = (𝑥 − 1)² com relação a função 𝑦 = 𝑥². Determine o domínio, a imageme o intervalo de crescimento e decrescimento. Contração A função 𝑦 = 3𝑥² foi multiplicada por uma constante 𝑘, de valor igual a 3. Quando se calcula os valores para 𝑦, eleva-se 𝑥 ao quadrado, em seguida, multiplica-se o valor obtido por 3. Observe o gráfico. 42 O domínio da 𝑦 = 3𝑥² é o conjunto dos números reais. A imagem desta função é o intervalo [0, ∞). A função 𝑦 = 3𝑥² é decrescente no intervalo para 𝑥 ∈ (−∞, 0] e crescente para 𝑥 ∈ [0, ∞). Atividade: Utilizando o software GeoGebra, construa as funções 𝑦 = 𝑥², 𝑦 = 1 3 𝑥², 𝑦 = 1 6 𝑥², 𝑦 = 1 9 𝑥², 𝑦 = 1 12 𝑥² e descreva o que você observa nessa representação gráfica, com relação a contração e o coeficiente “a”.
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