Prévia do material em texto
i MANUAL DE TRONCO COMUM DO CURSO DE LICENCIATURA MATEMATICA APLICADA ENSINO ONLINE. ENSINO COM FUTURO 2022 ii MANUAL DE TRONCO COMUM DO CURSO DE LICENCIATURA MATEMATICA APLICADA 1º ANO : MANUAL DE TRONCO COMUM CÓDIGO ISCED11-MATCFG002 TOTAL HORAS/ 1 SEMESTRE 125 CRÉDITOS (SNATCA) 5 NÚMERO DE TEMAS 5 iii Direitos de autor (copyright) Este manual é propriedade da Universidade Aberta UnISCED, e contém reservado todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução parcial ou total deste manual, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrónicos, mecânico, gravação, fotocópia ou outros), sem permissão expressa de entidade editora (UnISCED). A não observância do acima estipulado o infractor é passível a aplicação de processos judiciais em vigor no País. Universidade Aberta UnISCED Rua Paiva Couceiro, Macuti Beira - Moçambique Telefone: +258 23323501 Fax: 258 23324215 E-mail: info@unisced.edu.mz Website: www.unisced.edu.mz UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 1 Agradecimentos A Universidade Aberta ISCED (UnISCED), agradece a colaboração dos seguintes indivíduos e instituições na elaboração deste manual: Autor Prof. Doutor Horácio Manuel Vunga Coordenação Design Financiamento e Logística Local de Publicação Ano de Publicação Ano de Atualização Vice-Reitoria Académica Universidade Aberta ISCED Instituto Africano de Promoção da Educação a Distancia (IAPED) UnISCED – BEIRA 2019 2022 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA i Índiçe Visão geral 1 Bem-vindo ao manual da Disciplina de Matemática Aplicada ......................................... 1 Objectivos do Manual ....................................................................................................... 1 Quem deveria estudar este Manual ................................................................................. 2 Como está estruturado este Manual ................................................................................ 2 Conteúdo deste manual.................................................................................................... 3 Outros recursos ............................................................................................................... 3 Auto-avaliação e Tarefas de avaliação .......................................................................... 3 Habilidades de estudo ...................................................................................................... 4 Precisa de apoio? .............................................................................................................. 5 Tarefas (avaliação e auto-avaliação) ................................................................................ 6 Avaliação ........................................................................................................................... 6 TEMA – I: NÚMEROS REA RAIS. 9 UNIDADE Temática 1.1. CONJUNTOS (Noções). ............................................................... 9 Introdução ......................................................................................................................... 9 CONJUNTOS (Noções) ..................................................................................................... 10 Sumário ........................................................................................................................... 18 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 19 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 21 Operações com conjuntos .............................................................................................. 23 UNIDADE Temática 1.2. Conjuntos Numéricos .............................................................. 29 Introução ......................................................................................................................... 29 Conjuntos dos números .................................................................................................. 30 Conjunto dos Números Naturais .................................................................................... 32 Conjunto dos Números Inteiros ...................................................................................... 32 Conjunto dos Números Racionais ................................................................................... 34 Conjunto dos Números Irracionais ................................................................................. 35 Conjunto dos Números Reais ......................................................................................... 36 Conjuntos Numéricos Fundamentais em Diagrama ....................................................... 37 SUMÁRIO ........................................................................................................................ 38 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 38 Unidade Temática 1.3. Representação Geométrica dos Números Reais. ..................... 41 ntroução .......................................................................................................................... 41 Sumário ........................................................................................................................... 43 Unidade 1.3. Desigualdades. .......................................................................................... 43 Introução ......................................................................................................................... 43 Desigualdade das médias 44 Demonstração do caso n=2 ............................................................................................ 45 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA ii Demonstração no caso .................................................................................... 46 Demonstração do caso geral .......................................................................................... 47 A desigualdade triangular nos números reais (ou em IR). ............................................. 49 A desigualdade triangular em ................................................................................. 50 Teorema ................................................................................................................ 50 Demonstração ....................................................................................................... 50 Sumário ........................................................................................................................... 51 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 51 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 52 TEMA II: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA 52 Unidade Temática 2.1: Sistema de Coordenadas Cartesiano ........................................ 53 Introução ......................................................................................................................... 53 Sistema de coordenadas cartesiano ............................................................................... 57 Propriedades ................................................................................................................... 58 Localização de pontos ...........................................................................................59 Planos primários .................................................................................................... 60 Distância entre pontos .......................................................................................... 60 A esfera .................................................................................................................. 61 Sumário ........................................................................................................................... 61 Nesta Unidae Temática 2.1. aprendemos estudar: ........................................................ 61 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 61 Unidade 2.2. Distância entre Dois Pontos ...................................................................... 62 Introução ......................................................................................................................... 62 Distância entre Dois Pontos ............................................................................................ 63 Sumário ........................................................................................................................... 65 Nesta Unidade Temática 2.2 estudamos: ....................................................................... 65 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 65 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 68 1. Calcule a distância entre os pontos A(-2,3) e B(1,5). ............................... 69 2) Se um ponto P do eixo das abscissas é equidistante dos pontos A(1,4) e B( -6,3), a abscissa de P vale: ....................................................................... 69 a) -2 .............................................................................................................. 69 b) -1 .............................................................................................................. 69 c) 0 ................................................................................................................ 69 d) 1 ............................................................................................................... 69 e) 3 ............................................................................................................... 69 3) A distancia entre os pontos A( -2,y) e B(6,7) é 10. O valor de y é ........... 69 a) -1 .............................................................................................................. 69 b) 0 ............................................................................................................... 69 c) 1 ou 13 ...................................................................................................... 69 d) -1 ou 10 .................................................................................................... 69 e) 2 ou 12 ..................................................................................................... 69 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA iii 4) Um ponto material móvel desloca-se no plano cartesiano e suas coordenadas variam em função do tempo t (t ≥0). A distância percorrida pelo ponto material móvel entre o ponto A para t = 0 e o ponto B para t = 6, é: ............................................................................................................ 69 Unidade 2.3. A Recta....................................................................................................... 69 Introução ......................................................................................................................... 69 A recta ................................................................................................................... 71 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA iv Sumário ........................................................................................................................... 81 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 81 Ques ................................................................................................................................ 85 Unidade Temática 2.4. Posição Relativa de duas Rectas. ............................................... 87 Introução ......................................................................................................................... 87 Posições relativas de duas Rectas 88 Rectas Paralelas .............................................................................................................. 88 Rectas Concorrentes ....................................................................................................... 89 Rectas Perpendiculares/Ortogonais ............................................................................... 89 Sumário ........................................................................................................................... 89 Unidade 2.5. Perpendicularidades. ................................................................................. 98 Introução ......................................................................................................................... 98 Perpendicularidade ......................................................................................................... 98 Sumário ......................................................................................................................... 100 TEMA III: FUNÇÕES 104 Unidade Temática 3.1. Funções. ................................................................................... 104 Introução ....................................................................................................................... 104 Funções ......................................................................................................................... 105 Funções Reais de Variável Real ..................................................................................... 106 Representação Gráfica de uma Função ........................................................................ 107 Operações com Funções ............................................................................................... 108 Soma de funções ........................................................................................................... 108 Produto de funções....................................................................................................... 109 Composição de funções ................................................................................................ 110 Inverso da função e função inversa .............................................................................. 110 Função par e função ímpar ........................................................................................... 112 Função linear e função afim ......................................................................................... 113 Sumário ......................................................................................................................... 114 Exercícios de AUTOAVALIÇÃO ...................................................................................... 114 Unidade Temática 3.2. Gráficos de Funções. ............................................................... 122 Introução ....................................................................................................................... 122 Construção de Gráfico de uma Função 123 Análise e Interpretação de Gráficos de Funções .......................................................... 127 Crescente, Decrescente, Constante e Raízes .........................................................................128 Sumário ......................................................................................................................... 129 Nesta Unida Temática 3.2. estudamos ......................................................................... 129 Exrcícios de AUTO-AVALIAÇÃO ..................................................................................... 129 Unidade Temática 3.3. Propriedades de Funções. ....................................................... 132 Introução ....................................................................................................................... 132 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA v Propriedades de uma Função 133 Continuidade ....................................................................................................... 133 Funções Injectora, Sobrejectora e Bijectora ................................................................. 134 Sumário ......................................................................................................................... 135 Nesta Unidade Temática 3.3. estudamos ..................................................................... 135 Exrecícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 135 Unidade Temática 4.1. Funções Polinomiais. ............................................................... 138 Introução ....................................................................................................................... 138 Funções Polinomiais 140 Sumário ......................................................................................................................... 142 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 142 Unidade Temática 4.2. Funções Trigonométricas................................... 145 Introução ....................................................................................................................... 145 Funções Trigonométricas 146 Sumário ......................................................................................................................... 153 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 153 Unidade Temática 4.4. Regiões no Plano Cartesiano. .................................................. 153 Introução ....................................................................................................................... 153 Regiões no Plano Cartesiano 154 Sistema Cartesiano 3D .................................................................................................. 156 OCTANTES ..................................................................................................................... 158 Sumário ......................................................................................................................... 159 Exrecícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 160 Em Quais Quadrantes se Encontram os Pontos (em 2D)? ......................... 160 Unidade Temática 4.5. Funções como Modelos Matemáticos .................................... 161 Introução ....................................................................................................................... 161 Funções como modelos Matemáticos 162 Função Demanda ....................................................................................... 164 Função Oferta ............................................................................................ 164 Ponto de equilíbrio .................................................................................... 164 Funções Marginais ..................................................................................... 164 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA vi SUMÁRIO ...................................................................................................................... 165 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 165 Unidade Temática 5.1. Limites ..................................................................................... 167 Introução ....................................................................................................................... 167 Limites 168 Limite de uma função ................................................................................................... 168 Definição formal .................................................................................................. 170 Aproximação intuitiva ................................................................................................... 170 Sumário ......................................................................................................................... 172 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 172 Unidade Temática 5.2. Limites Laterais ........................................................................ 173 Introução ....................................................................................................................... 173 Limites Laterais 174 Sumário ......................................................................................................................... 175 Exercícios ...................................................................................................................... 175 Unidade Temática 5.3. Limites Infinitos e no Infinito ................................................... 176 Introução ....................................................................................................................... 176 Limites Infinitos e no Infinito 176 Limites infinitos .......................................................................................... 179 Sumário ......................................................................................................................... 179 Exercícios ...................................................................................................................... 179 Unidade Temática 5.4. Continuidade ........................................................................... 180 Introução ....................................................................................................................... 180 Continuidade 181 CONTINUIDADE DE FUNÇÕES DE UMA VARÁVEL ............................................... 181 Sumário ......................................................................................................................... 182 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 182 Unidade Temática 6.1. Derivada................................................................................... 185 Introução ....................................................................................................................... 185 Derivada 186 Definição formal da Derivada ....................................................................................... 187 Derivada num ponto ..................................................................................................... 188 Derivabilidade em todo o domínio...................................................................... 190 Funções continuamente deriváveis .................................................................... 191 Derivadas de ordem superior (facultativo) ......................................................... 192 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA vii Pontos críticos, estacionários ou singulares................................................................. 192 Sumário ......................................................................................................................... 193 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 193 Unidade Temática 6.2. Técnicas de Derivação ............................................................. 195 Introução ....................................................................................................................... 195 Técnicas de Derivação 196 DERIVADA DE UMA CONSTANTE .................................................................................. 196 DERIVADA DE UMA POTÊNCIA COM EXPOENTE INTEIRO ............................................ 196 DERIVADA DE UMA CONSTANTE VEZES UMA FUNÇÃO ............................................... 196 DERIVADAS DE SOMAS E DIFERENÇAS ......................................................................... 196 DERIVADA DE UM PRODUTO ........................................................................................ 197 DERIVADA DE UM QUOCIENTE ..................................................................................... 197 DERIVADA DE UM RECÍPROCO ..................................................................................... 197 DERIVADAS MAIS ALTAS ou de n-ésimo grau ............................................................... 198 DERIVADAS DAS FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS .......................................................... 198 Sumário ......................................................................................................................... 199 Nesta Unidade Temática 6.2. estudamos os seguinte tópicos. .................................... 199 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 199 Unidade Temática 6.3. Regra de Cadeia ....................................................................... 204 Introução ....................................................................................................................... 204 Regra de Cadeia 204 Enunciado ..................................................................................................................... 204 Exemplos ....................................................................................................................... 205 Regra da cadeia para várias variáveis (Carácter informativo, pelo que facultativo). ... 205 Sumário ......................................................................................................................... 206 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 206 Calcule a derivada de cada uma das funções abaixo: .................................................. 209 TEMA VII: ....................................................................................................................... 211 COMPORTAMENTO DE FUNÇÕES ................................................................................. 211 Unidade Temática 7.1. Máximo e Mínimo ................................................................... 211 Introução ....................................................................................................................... 211 Máximo e mMínimo 212 Aplicações da 1ª Derivada ............................................................................................ 212 Aplicações da 2ª Derivada ou (pontos de Inflexão). ..................................................... 213 Sumário ......................................................................................................................... 213 Nesta Unidade Temática 7.1. estudamos os seguinte tópicos. .................................... 213 Unidade Temática 7.2. Regiões de Crescimento e Decrescimento .............................. 216 Introução ....................................................................................................................... 216 Regiões de Crescimento e Decrescimento 217 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA viii Definição 1: (Função Crescente) ................................................................................... 217 Definição 2: (Função Decrescente) .............................................................................. 217 Definição 3: Função estritamente Crescente ............................................................... 218 Definição 4: Função estritamente Decrescente ........................................................... 218 Teorema: Sinal da Derivada .......................................................................................... 218 Teste da Primeira Derivada para Extremos .................................................................. 219 Sumário ......................................................................................................................... 220 Exercícios ...................................................................................................................... 221 GRUPO 2 (Exercícios com respostas) ........................................................................... 221 Unidade Temática 7.3. Regra de L´Hôpital ................................................................... 224 Introução ....................................................................................................................... 224 Regra de L´Hôpital 224 Enunciado ..................................................................................................................... 224 Algumas Aplicações ...................................................................................................... 225 Demonstração ............................................................................................................... 226 Sumário ......................................................................................................................... 227 Nesta Unidade Temática 7.3. Estudamos: .................................................................... 227 Exercícios ...................................................................................................................... 227 GRUPO 2 (com respostas) ............................................................................................. 227 Exercício 1 ..................................................................................................................... 227 Exercício 2 ..................................................................................................................... 227 Unidade Temática 7.4. Taxas Relacionadas .................................................................. 228 Introução ....................................................................................................................... 228 Taxas Relacionadas 229 Sumário ......................................................................................................................... 231 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO ................................................................................... 232 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA .................................................................................... 236 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR .................................................................................. 237 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 1 Visão geral Bem-vindo ao manual da Disciplina de Matemática Aplicada Objectivos do Manual O principal objetivo deste manual da disciplina de Matemática Aplicada é o de fazer com que os alunos compreendam, com clareza, os conceitos introdutórios de matemática do ponto vista geométrico, numérico, algébrico e linguístico. Desenvolver, também a capacidade de modelagemde problemas matemáticos e provas envolvendo conjuntos, conjuntos numéricos, distância entre dois pontos, equação geral da recta, funções lineares, polinomiais, exponenciais, logarítmica e trigonométrica, bem como as noções intuitivas de limites, continuidade, diferenciabilidade e o comportamento de funções, que possam, sem dúvidas, auxiliar na vida profissional do futuro Contabilista e Auditor. JUSTIFICATIVA É nossa expectativa que este texto assuma o carácter de espinha dorsal de uma experiência permanentemente renovável, sendo, portanto, bemvindas às críticas e/ou sugestões apresentadas por todos - professores ou alunos quantos dele fizerem uso. Para desenvolvermos a sua capacidade como estudante, de pensar por si mesmo em termos das novas definições, incluímos no final de cada TEMA uma extensa lista de exercícios, regra geral, integrados. No TEMA I apresentaremos algumas definições e resultados sobre conjuntos, conjuntos numéricos, intervalos e equações e inequações que serão necessárias para o entendimento dos próximos TEMAS. No TEMA II apresentaremos o sistema de coordenadas cartesianas, distância entre dois pontos, equação geral da recta e aplicações. No TEMA III apresentaremos as noções de funções e suas principais propriedades aplicações. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 2 No TEMA IV apresentaremos alguns tipos especiais de funções tais como: funções lineares, polinomiais, exponenciais, logarítmica, trigonométrica e aplicações. No TEMA V apresentaremos, de um ponto de vista intuitivos, as noções de limites e continuidade, bem como suas principais propriedades. No TEMA VI apresentaremos, de um ponto de vista intuitivos, as noções de derivada, bem como suas principais propriedades. No TEMA VII aplicaremos os conhecimentos sobre derivadas para revolver problemas de máximo e mínimo, gráficos de funções, bem como taxas relacionadas. Objectivos Específicos ▪ Ter domínio sobre teoria de conjuntos e diferentes conjuntos e conjunto numéricos; ▪ Ser capaz de fazer diversas representações gráficas;. ▪ Ter domínio sobre funções; ▪ Compreender e aplicar o conceito de limites e continuidade; ▪ Introduzir o conhecimento sobre cálculo Diferencial e suas aplicações. Quem deveria estudar este Manual Este Manual foi concebido para estudantes do 1º ano dos cursos de licenciatura da UnISCED Como está estruturado este Manual O presente manual está estruturado da seguinte maneira: • Conteúdos deste manual. • Abordagem geral dos conteúdos do manual, resumindo os aspectos-chave que você precisa para conhecer a história da comunicação. Recomendamos vivamente que leia esta secção com UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 3 atenção antes de começar o seu estudo, como componente de habilidades de estudos. Conteúdo deste manual Este manual está estruturado em temas. Cada tema, comporta certo número de unidades temáticas ou simplesmente unidades, cada unidade temática caracteriza-se por conter um título específico, seguido dos seus respectivos subtítulos. No final de cada unidade temática, são propostos 10 exercícios de fechados e 5 exercicios abertos. No fim de cada tema, são incorporados 10 exercícios fechados para avaliação e 5 exercicios abertos para auto-avaliacao. No final do manual estão incorporados 100 exercicios fechados para preparação aos exames. Os exercícios de avaliação são Teóricos e Práticos. Outros recursos A UnISCED pode, adicionalmente, disponibilizar material de estudo na Biblioteca do Centro de recursos, na Biblioteca Virtual, em formato físico ou digital. Auto-avaliação e Tarefas de avaliação As tarefas de auto-avaliação para este manual encontram-se no final de cada unidade temática e de cada tema. As tarefas dos exercícios de auto-avaliação apresentam duas características: primeiro apresentam exercícios resolvidos com detalhes. Segundo, exercícios que mostram apenas respostas. As tarefas de avaliação neste manual também se encontram no final de cada unidade temática, assim como no fim do manual em si, e, devem ser semelhantes às de auto-avaliação, mas sem mostrar os passos e devem obedecer o grau crescente de dificuldades do processo de aprendizagem, umas a seguir a outras. Parte das tarefas de avaliação será objecto dos trabalhos de campo a serem entregues aos tutores/docentes para efeitos de correcção e subsequentemente atribuição de uma nota. Também constará do exame do fim do manual. Pelo que, caro estudante, fazer todos os exercícios de avaliação é uma grande vantagem. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 4 Habilidades de estudo O principal objectivo desta secção, é ensinar a aprender aprendendo. Durante a formação e desenvolvimento de competências, para facilitar a aprendizagem e alcançar melhores resultados, implicará empenho, dedicação e disciplina no estudo. Isto é, os bons resultados apenas se conseguem com estratégias eficientes e eficazes. Por isso, é importante saber como, onde e quando estudar. Apresentamos algumas sugestões com as quais esperamos que caro estudante possa rentabilizar o tempo dedicado aos estudos, procedendo como se segue: 1º - Praticar a leitura. Aprender à distância exige alto domínio de leitura. 2º - Fazer leitura diagonal aos conteúdos (leitura corrida). 3º - Voltar a fazer a leitura, desta vez para a compreensão e assimilação crítica dos conteúdos (ESTUDAR). 4º - Fazer seminário (debate em grupos), para comprovar se a sua aprendizagem confere ou não com a dos colegas e com o padrão. 5º - Fazer TC (Trabalho de Campo), algumas actividades práticas ou as de estudo de caso, se existir. IMPORTANTE: Em observância ao triângulo modo-espaço-tempo, respectivamente como, onde e quando estudar, como foi referido no início deste item, antes de organizar os seus momentos de estudo reflicta sobre o ambiente de estudo que seria ideal para si: Estudo melhor em casa/biblioteca/café/outro lugar? Estudo melhor à noite/de manhã/de tarde/fins-de-semana/ao longo da semana? Estudo melhor com música/num sítio sossegado/num sítio barulhento!? Preciso de intervalo a cada 30 minutos ou a cada 60 minutos? etc. É impossível estudar numa noite tudo o que devia ter sido estudado durante um determinado período de tempo; deve estudar cada ponto da matéria em profundidade e passar só a seguinte quando achar que já domina bem o anterior. Privilegia-se saber bem (com profundidade) o pouco que puder ler e estudar, que saber tudo superficialmente! Mas a melhor opção é juntar o útil ao agradável: saber com profundidade todos conteúdos de cada tema, no manual. Dica importante: não recomendamos estudar seguidamente por tempo superior a uma hora. Estudar por tempo de uma hora intercalado por 10 (dez) a 15 (quinze) minutos de descanso (chama- se descanso à mudança de actividades). Ou seja, que durante o intervalo não se continuar a tratar dos mesmos assuntos das actividades obrigatórias. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 5 Uma longa exposição aos estudos ou ao trabalho intelectual obrigatório, pode conduzir ao efeito contrário: baixar o rendimento da aprendizagem. Por que o estudante acumula um elevado volume de trabalho, em termos de estudos, em pouco tempo, criando interferência entre os conhecimentos, perde sequência lógica, por fim ao perceber que estuda tanto, mas não aprende, cai em insegurança, depressão e desespero, por se achar injustamente incapaz! Não estude na última da hora; quando se trate de fazer alguma avaliação. Aprenda a ser estudante de facto (aquele que estuda sistematicamente), não estudar apenas para responder a questões de alguma avaliação, mas sim estude para a vida, sobretudo, estude pensando na sua utilidade como futuro profissional,na área em que está a se formar. Organize na sua agenda um horário onde define a que horas e que matérias deve estudar durante a semana; face ao tempo livre que resta, deve decidir como o utilizar produtivamente, decidindo quanto tempo será dedicado ao estudo e a outras actividades. É importante identificar as ideias principais de um texto, pois será uma necessidade para o estudo das diversas matérias que compõem o curso: A colocação de notas nas margens pode ajudar a estruturar a matéria de modo que seja mais fácil identificar as partes que está a estudar e pode escrever conclusões, exemplos, vantagens, definições, datas, nomes, pode também utilizar a margem para colocar comentários seus relacionados com o que está a ler; a melhor altura para sublinhar é imediatamente a seguir à compreensão do texto e não depois de uma primeira leitura; utilizar o dicionário sempre que surja um conceito cujo significado não conhece ou não lhe é familiar. Precisa de apoio? Caro estudante, temos a certeza que por uma ou por outra razão, o material de estudos impresso, pode suscitar-lhe algumas dúvidas como falta de clareza, alguns erros de concordância, prováveis erros ortográficos, falta de clareza, fraca visibilidade, página trocada ou invertidas, etc.). Nestes casos, contacte os serviços de atendimento e apoio ao estudante do seu Centro de Recursos (CR), via telefone, SMS, E-mail, Casos Bilhetes, se tiver tempo, escreva mesmo uma carta participando a preocupação. Uma das atribuições dos Gestores dos CR e seus assistentes (Pedagógico e Administrativo), é a de monitorar e garantir a sua aprendizagem com qualidade e sucesso. Dai a relevância da comunicação no Ensino à Distância (EAD), onde o recurso às TIC se UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 6 tornam incontornável: entre estudante, estudante – tutor, estudante – CR, etc. As sessões presenciais são um momento em que caro estudante, tem a oportunidade de interagir fisicamente com staff do seu CR, com tutores ou com parte da equipa central da UnISCED indigitada para acompanhar as suas sessões presenciais. Neste período, pode apresentar dúvidas, tratar assuntos de natureza pedagógica e/ou administrativa. O estudo em grupo, que está estimado para ocupar cerca de 30% do tempo de estudos a distância, é de muita importância na medida em que permite-lhe situar, em termos do grau de aprendizagem com relação aos outros colegas. Desta maneira fica a saber se precisa de apoio ou precisa de apoiar aos colegas. Desenvolver hábito de debater assuntos relacionados com os conteúdos programáticos, constantes nos diferentes temas e unidade temática, no manual. Tarefas (avaliação e auto-avaliação) O estudante deve realizar todas as tarefas (actividades avaliação e auto−avaliação), pois, influenciam directamente no seu aproveitamento pedagógico. Para cada tarefa serão estabelecidos prazos de entrega, e o não cumprimento dos prazos de entrega, implica a não classificação do estudante. Esteja sempre ciente de que a nota das avaliações conta e é decisiva para a admissão ao exame final da disciplina. As avaliações são realizadas e submetidas na Plataforma MOODLE. Podem ser utilizadas diferentes fontes e materiais de pesquisa, contudo os mesmos devem ser devidamente referenciados, respeitando os direitos do autor. O plágio1 é uma violação do direito intelectual do (s) autor (es). Uma transcrição à letra de mais de 8 (oito) palavras do texto de um autor, sem o citar é considerada plágio. A honestidade, humildade científica e o respeito pelos direitos autorais devem caracterizar a realização dos trabalhos e seu autor (estudante da UnISCED). Avaliação Muitos perguntam: como é possível avaliar estudantes à distância, estando eles fisicamente separados e muito distantes do docente/tutor!? Nós dissemos: sim é muito possível, talvez seja uma avaliação mais fiável e consistente. 1 Plágio - copiar ou assinar parcial ou totalmente uma obra literária, propriedade intelectual de outras pessoas, sem prévia autorização. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 7 Você será avaliado durante os estudos à distância que contam com um mínimo de 90% do total de tempo que precisa de estudar os conteúdos do seu manual. Quanto ao tempo de contacto presencial, conta com um máximo de 10% do total de tempo do manual. A avaliação do estudante consta de forma detalhada do regulamento de avaliação. As avaliações de frequência pesam 40% e servem de nota de frequência para ir aos exames. Os exames são realizados no final da disciplina e decorrem durante as sessões online. Os exames pesam 60%, o que adicionado aos 40% da média de frequência, determinam a nota final com a qual o estudante conclui a disciplina. É definida a nota de 10 (dez) valores como nota mínima de aprovação na disciplina. Nesta disciplina, o estudante deverá realizar pelo menos 3 avaliações escritas sendo e 1 (um) exame final. Algumas actividades práticas, relatórios e reflexões serão utilizados como ferramentas de avaliação formativa. Durante a realização das avaliações, os estudantes devem ter em consideração a apresentação, a coerência textual, o grau de cientificidade, a forma de conclusão dos assuntos, as recomendações, a identificação das referências bibliográficas utilizadas, o respeito pelos direitos do autor, entre outros. Os objectivos e critérios de avaliação constam do Regulamento ds Cursos e Sistemas de Avaliação da UnISCED. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 9 TEMA – I: NÚMEROS REA RAIS. Unidade 1.1. Conjuntos; Unidade 1.2. Conjunto Numéricos; Unidade 1.3 Representação Geométrica dos Números Reais; Unidade 1.4 Desigualdade. UNIDADE Temática 1.1. CONJUNTOS (Noções). Introdução Os fundamentos da teoria dos conjuntos foram lançados no final do século XIX, a partir dos trabalhos de George Cantor (1845-1918). A partir de então, está teoria passou por um forte processo de desenvolvimento, dando suporte a diversos ramos da matemática e influenciando outras áreas do conhecimento, dentre elas a Ciência da Computação. O conceito de conjunto é fundamental para a Ciência da Computação, uma vez que grande parte de seus conceitos, construções e resultados são escritos na linguagem dos conjuntos ou baseados em construções sobre conjuntos (MENEZES, 2008), existindo aplicações em áreas como Banco de Dados e Linguagens Formais, por exemplo. Nesta Unidade 1.1., introduziremos os principais conceitos da teoria dos conjuntos, que serão indispensáveis para estudos posteriores. Três noções são consideradas primitivas: Conjunto; elemento; pertinência entre elemento e conjunto. Conjunto –notação: letras maiúsculas Pode ser designada, intuitivamente, como uma coleção de objetos de qualquer natureza, considerados globalmente. Em um conjunto, a ordem dos elementos não importa e cada elemento deve ser listado apenas uma vez. A repetição dos elementos em um conjunto é irrelevante Elemento-notação: letras minúsculas UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 10 Os objetos que constituem um conjunto denomina-se elementos do conjunto. Pertinência ou Pertença - notação: Є Relacionam elemento com conjunto. Qualquer objeto que faça parte de um conjunto é chamado “membro” ou “elemento” daquele conjunto ou ainda é dito pertencer aquele conjunto. Para denotar que o elemento x pertence ao conjunto A utiliza-se: X∈A. Mais detalhes sobre Conjuntos veja o desenvolvimento a seguir. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender e explicar um breve historial sobre a Teoria de Conjuntos; ▪ Indicar ou mencionar os três elemntos primitivos de conjuntos; ▪ Ter noções de elementosde um conjunto; ▪ Ter noções de pertença; ▪ Ter noções de tipos de Conjuntos; ▪ Representar um Conjunto; ▪ Ter noções de Conjuntos numéricos. CONJUNTOS (Noções) Se o elemento não pertence ao conjunto A denota-se: X ∉ A Ex: Considerando o conjunto D dos dias da semana, temos que: segunda feira ∈ D; sábado ∈D; janeiro ∉ D UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 11 REPRESENTAÇÃO Um conjunto pode ser representado basicamente de duas maneiras: por extensão ou por compreensão. Extensão: os elementos são listados exaustivamente, sendo colocados entre um par de chaves e separados por vírgulas. Por exemplo, D = {segunda, terça, quarta, quinta, sexta, sábado, domingo} Compreensão: em casos em que os números de elementos são muitos, devemos optar por descrever o conjunto por meio de uma propriedade que caracteriza os seus elementos. De forma geral, escreve-se S= {x | P(x)}, onde P(x) representa a propriedade. Exemplos: a) A = {a, e, i, o, u} b) B = {1, 3, 5, 7, ..., 15} c) C = {1, 2, 3, 4, 5,...} d) D = {n|n=2y, onde y é um número inteiro} 1. A foi representado por meio da listagem de todos os seus elementos. 2. B e C, alguns elementos foram omitidos, mas podem facilmente ser deduzidos do contexto. Nos três casos, a forma de representação utilizada foi a extensão. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 12 3. O conjunto D, que corresponde ao conjunto D = {0, 2, 4, 6, 8, ...}, foi representado por meio da propriedade comum a seus elementos, o que constitui a forma de representação por compreensão. Ex1:Descreva cada um dos seguintes conjuntos, listando seus elementos: • {x|x é a capital do Pará} • {y|y é um número primo menor do que 30} Ex 2: Descreva cada um dos seguintes conjuntos, através de uma propriedade que caracteriza seus elementos: • {1,3,5,7,9...} b). {1,4,9,16...} Alguns Conjuntos Especiais Considere a seguinte situação: queremos listar todos os elementos de um conjunto A={a|a é um número natural par menor do que 2}. Então, quantos elementos o conjunto A possui? A não possui nenhum elemento, pois não existe nenhum número natural par que seja menor do que 2. Neste caso, dizemos que o conjunto A é vazio, e representamos como segue: A = { } ou A = ∅ E se quiséssemos listar todos os elementos do conjunto B = {b|b é um número natural ímpar menor do que 2}, quantos elementos esse conjunto teria? Neste caso, B teria apenas um elemento, sendo, por isso, chamado de conjunto unitário. B = { 1 } CONJUNTO UNITÁRIO é o conjunto que possui apenas um elemento. Um conjunto possui um número finito ou infinito de elementos. Chamamos de conjunto finito aquele que pode ser descrito por extensão, ou seja, é possível listar todos os seus elementos. Um conjunto é dito infinito quando não é possível listar exaustivamente todos os seus elementos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 13 CONJUNTO UNIVERSO Geralmente, o conjunto universo é representado pela letra U, é o conjunto que contém todos os conjuntos que estão sendo considerados, ou seja, define o contexto da discussão. 1. Num diagrama de Venn, os elementos de U são geralmente representados por pontos internos ao um quadrado(retângulo) e os demais são representados por um circulo contidos no quadrado/retângulo. 2. U não é um conjunto fixo e, para qualquer conjunto A, temos : Propriedades dos Conjuntos 1. Qualquer conjunto é subconjunto do conjunto universo; 2. O conjunto vazio é subconjunto de qualquer conjunto; 3. Todo conjunto é subconjunto de si próprio; 4. Se todo elemento de um conjunto A pertence também a um conjunto B, e todo elemento de B pertence a um conjunto C, então todo elemento de A pertence a C (propriedade da transitividade). RELAÇÕES ENTRE CONJUNTOS Já introduzimos a noção de pertinência entre elementos e conjuntos. Além desta, outra noção importante é a de continência, a partir da qual podemos introduzir os conceitos de subconjuntos e de igualdade deconjuntos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 14 Relações de pertinência são estabelecidas entre elemento e conjunto, enquanto que as relações de continência são estabelecidas entre conjunto e conjunto. - SUBCONJUNTOS Se e são conjuntos e todo o elemento pertencente a e também pertence a , então o conjunto é dito um subconjunto do conjunto , denotado por . Note que esta definição inclui o caso em que A e B possuem os mesmos elementos, isto é, A = B. Se e ao menos um elemento pertencente a não pertence a , então é chamado de subconjunto próprio de , denotado por . Todo conjunto é subconjunto dele próprio, chamado de subconjunto impróprio. Sejam dois conjuntos A = {1, 2, 3} e B = {0, 1, 2, 3, 4, 5}. Observe que todos os elementos do conjunto A são também elementos do conjunto B. Com a notação A⊂B indicamos que “A” é subconjunto de “B” ou “A” está contido em “B” ou “A é parte de B”, ou ainda que B contém A, com notação B⊃A. A⊂B ↔(∀x)(x ∈A→x∈B) Quando A não é um subconjunto de B, ou seja, quando existe pelo menos um elemento de A que não pertence a B, indicamos A ⊄ B. - IGUALDADE DE CONJUNTOS Consideremos os conjuntos A={1, 3, 5} e B={1, 3, 5}. Não é preciso se esforçar para perceber que A é um subconjunto de B e B, por sua vez, também é subconjunto de A. Neste caso, dizemos que os conjuntos A e B são iguais. Formalmente, podemos dizer: dois conjuntos A e B são iguais se, e somente se, todo elemento de A pertence também a B e, reciprocamente, todo elemento de B pertence a A, ou seja: A = B ↔ (∀x)((x∈A→x∈B)∧(x∈B →x∈A)) CONJUNTO DAS PARTES DE UM CONJUNTO UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 15 Se tivermos um conjunto de elementos a que chamamos F, o conjunto das partes de F será aquele formado por todos os possíveis subconjuntos de F e será representado por P(F). Se o conjunto F tem n elementos, então o conjunto das partes de F, P(F), terá 2n elementos. Exemplo: Sendo F = {3, 5, 9}, vamos escrever todos os possíveis subconjuntos de F: → com nenhum elemento Ø → com 1 elemento {3}, {5}, {9} → com 2 elementos {3, 5}, {3, 9}, {5, 9} → com 3 elementos {3, 5, 9} Podemos então escrever: P(F) = {Ø, {3}, {5}, {9}, {3, 5}, {3, 9}, {5, 9}, {3, 5, 9} O número de elementos de um conjunto F é denominado ordem do conjunto e é indicado por n(F). Repare que no exemplo acima n(F) = 3 e n (P(F)) = 23 = 8 CONJUNTO COMPLEMENTAR Complementar de B com respeito a A e é representada por = B - A. No caso dos alunos de uma classe, o conjunto complementar do conjunto dos alunos presentes à aula será formado pelos alunos ausentes à aula. RELAÇÃO DE INCLUSÃO A relação de inclusão possui 3 propriedades: → Propriedade reflexiva: A A, isto é, um conjunto sempre é subconjunto dele mesmo. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 16 → Propriedade anti-simétrica: se A B e B A, então A = B. → Propriedade transitiva: se A B e B C, então A C. DIAGRAMAS DE VENN Podemos expressar um conjunto através de diagramas de Venn, de forma a facilitar o entendimento de definições, o desenvolvimento de raciocínios e a compreensão dos componentes e relacionamentos que estejam sendo discutidos (MENEZES, 2008). Um diagrama de Venn é uma representação pictórica na qual os conjuntos são representados por áreas delimitadas por curvas no plano. Lipschutz e Lipson (2004). Para seguir este modelo de representação, devemos observar as seguintes regras: 1. O conjunto universo é representado por um retângulo; 2. Cada um dos demais conjuntos é representado por um círculo (ou uma elipse); 3. Cada conjunto deve ser identificado por uma letra maiúscula; A seguir, sãoilustradas algumas situações para que você possa entender como utilizar Diagramas de Venn para representar conjuntos. Para representar a continência de dois conjuntos, construímos uma elipse dentro de outra, como segue: Figura 1.1: Diagrama de Venn A Figura 1.1 representa a relação A⊂B, ou seja A é subconjunto de B. Perceba que a elipse que representa o conjunto A está totalmente contida na que representa o conjunto B. Isto representa que todos os UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 17 elementos de A são também elementos de B, conforme a definição de subconjunto já apresentada. Observe agora a Figura: Figura 1.2: Diagrama de Venn Perceba que as figuras que representam os conjuntos A e B estão totalmente separadas. Isto representa que não existem elementos de A que sejam também elementos de B. Neste caso, dizemos que A e B são conjuntos disjuntos. Reflicta: E se quisermos representar dois conjuntos A e B onde seja possível que alguns elementos de A não pertençam a B e que alguns elementos de B não pertençam a A? Neste caso, a representação é como segue: Figura 1.3: Diagramas de Venn Portanto, dados dois conjuntos A e B, como vemos na figura acima, podemos estabelecer uma relação entre os respectivos números de elementos: n (A∪ B) = n (A) + n (B) − n (A∩ B) Observe o diagrama e comprove. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 18 Figura 1.4: Diagramas de Venn n(A∪B∪C) = n(A) + n(B)+ n(C) - n(A∩B) - n(A∩C) - n(B∩C) + n(A∩B∩C) Conjuntos numéricos: Os conjuntos numéricos são os seguintes: naturais, inteiros, racionais, irracionais, reais e complexos. Figura 1.4: Diagramas de Venn Sumário Nesta Unidade Temática 1.1 sobre noções de CONJUNTO, estudamos: 1. Introdução ao estudo de Conjuntos; 2. Representação de Conjuntos; 3. Conjunto Universo; 4. Relações entre Conjuntos; 5. Diagrama de Venn e; 6. Conjunto Numéricos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 19 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO Indique o que representa conjunto e os respectivos elementos. 1. As DTS são: HIV/SIDA, gonorreia, sífilis, Herpes Genital, tricomoniose e cancro mole. 2. Os divisores positivos de 15 são: 1; 3; 5 e 15. 3. Os múltiplos positivos de 5 menores que 21 são: 0; 5; 10; 15 e 20. 4. Circunferência; triângulo; quadrado e pentágono são figuras geométricas planas. Indique o valor lógico 5. Dados os conjuntosA = {2; 3}; B = {−1; 0; 1; 2; 3}; C = {0; 1; 2; … } Escreva simbolicamente e indique o valor lógico às seguintes proposições: a) 2 Pertence a A b) 0 é elemento de B c) -9 não é elemento de A d) A contém B e) 1 não pertence ao conjunto C f) C não contém A g) C é contido em B h) C tem 8 elementos Respostas 1. Conjunto: DTS. Elementos: Gonorreia, sífilis, Herpes Genital, tricomoniose e cancro mole. 2. Conjuntos: Divisores positivos de 15. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 20 Elementos: 1; 3; 5; e 15. 3. Conjunto: Os múltiplos positivos de 5 menores que 21. Elementos: 0; 5; 10; 15 e 20. 4. Conjuntos: Figuras geométricas planas. Elementos: Triângulo; quadrado e pentágono. 5. A = {2; 3}; B = {−1; 0; 1; 2; 3}; C = {0; 1; 2; … } a) 2∈A é V b) 0 ∈B é V c) -9∉ Aé V d) A ⊃B é F e) 1∉C é F f) C ⊅A é F g) C ⊂B é F h) #(C) = 8é F i) #( 𝓅(A)) = 4é V j) A é igual a C é F k) A ⊄C é F l) B⊃C é F GRUPO-1 (Com respostas detalhadas). 1. De quantas maneiras pode ser representado um Conjunto? Quais são? Exemplifique (pelo menos três exemplos de cada). 2. Dê exemplo de Conjuntos especiais. 3. Construa um Conjunto Universo, indicando seus subconjuntos. 4. Quando é que dois conjuntos são iguais? Ilustre com pelo menos dois exemplos. 5. O que entende pelo conceito “Conjunto das partes de um Conjunto” ? Exemplifique. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 21 6. Dê pelo menos quatro exemplos de Conjuntos Complementares. 7. Quais são a propriedades de Inclusão de Conjuntos? Sustente a sua resposta com três exemplos para cada propriedade. 8. Construa dois Conjuntos que se interseptam e represente-os em Diagrama de Venn. 9. Mencione os conjuntos numéricos em ordem lógica do seu surgimento ou de arrumação. Respostas: 1. Revisitar a página 11. 2. Revisitar a página 13. 3. Revisitar a pagina 13. 4. Revisitar a página 15. 5. Revisitar a página 15. 6. Revisitar as páginas 15 e 16. 7. Revisitar a página 16. 8. Revisitar as páginas de 16 a 18. 9. Revisitar a página 18. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-2 (Com respostas sem detalhes) Neste grupo de exercicios vamos aprender um pouco a respeito de conjuntos, suas notações matemáticas e por fim vamos trazer alguns exercícios resolvidos passo a passo para o seu melhor entendimento e fixação do assunto, então mão a obra! A notação padrão para representação de um conjunto é dado pelos seus elementos separados por virgulas cuja delimitação e feito através do uso de chaves, abaixo temos o exemplo de um conjunto A, que é composto somente por números pares. A = {2, 4, 6, 8} UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 22 Pertinência/Pertença: É a relação utilizada para relacionar determinado elemento ao conjunto em questão. Símbolos utilizados para representar essa relação: ∈ → Pertence ; ∉ → Não pertence; Por exemplo: 2 ∈ A e 7 ∉ A Acontece quando um conjunto possui somente um elemento, exemplo: B = {1} É o tipo de conjunto que não possui nenhum elemento, sua representação pode se dar das seguintes formas: {} ou ∅ Importante lembrar: Que todo conjunto possui como subconjunto o conjunto vazio. Dizemos que A é um subconjunto de B quando todos os elementos existentes em A também pertencerem ao conjunto B. Ou seja A esta contido em B ou em outras palavras B contém A. Exemplo1: A = {2, 4, 6, 8} B = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 23 Assim tempos a seguinte representação: A ⊂ B → A está contido B ou A é subconjunto de B B ⊃ A → B contém A Além desses dois símbolos de relacionamentos, temos outros como: ⊅ → Não contém; ⊄ → Não está contido ou não é subconjunto de; Operações com conjuntos • União A ∪ B → A União B, é o conjunto formado pelos os elementos que pertencem ao menos a um dos conjuntos, podendo ser definida por {x, x ∈ A ou x ∈ B} Exemplo 2: Qual o resultado de A ∪ B, tendo como conjunto A = {2, 4, 6} e B = {1, 2, 3, 4, 5} A ∪ B = {1, 2, 3, 4, 5, 6 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 24 • Interseção Diferentemente do que acontece na união, onde o conjunto é formado pelos elementos pertencentes ao menos a um dos conjuntos, na interseção o conjunto A ∩ B é composto por elementos que pertencem tanto ao conjunto A e B., podendo ser definida por {x, x ∈ A e x ∈ B}. Exemplo 3: Qual o resultado de A ∩ B, sendo A = {2, 4, 6} e B = {1, 2, 3, 4, 5} A ∩ B = {2, 4} • Diferença A – B = {x, x ∈ A e x ∉ B}, ou seja, é a diferença de dois conjuntos A e B formado pelos elementos existentes em A que não estão em B. Exemplo : Qual o resultado de A – B, sendo A = {2, 4, 6} e B = {1, 2, 3, 4, 5} A – B = {6}; N: Conjunto dos números naturais, exemplo N={0, 1, 2, 3, …} UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 25 Z: Conjunto dos números inteiros, exemplo Z={…, -2, -1, 0, 1, 2,…} R; Conjunto dos números reais, exemplo R={-∞ , +∞} Poblemas Resolvidos • Problema 1 - Em uma classe de 150 alunos, 80 gostam de matemática, e 30 de física,sabendo que 10 gostam de física e matemática, quanto não gostam nem de física e nem de matemática? Solução: Neste tipo de exercício, a resolução fica mais fácil e rápida utilizando o diagrama de Veen, que são representados por círculos conforme exemplos anteriores, mas antes vale a pena descrever e encontrar algumas informações que o exercício nos fornece que é: Total de alunos = 150 Gostam de matematica = 80 Gostam de física = 30 Gostam de física e matemática = 10 Assim temos: Como vemos no diagrama acima, fica mais fácil de entender, ou seja, desta sala 70 gostam somente de matemática, outros 20 somente de física e ainda outros 10 que gostam de ambas, realizando a soma desses três conjuntos de alunos temos o seguinte: 70+20+10 = 100 Ou seja, desse 150 alunos 100 gostam de física, de matemática ou de ambas as disciplinas, agora fazendo a seguinte conta 150 – 100, concluímos que 50 alunos não gostam nem de física nem de matemática. Desta forma o total de alunos que não gostam nem de física e nem de matemática, é 50 ! UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 26 • Problema 2 - Qual o resultado de (A-B) ∩ C , sendo A = {2, 4, 6}, B = {1, 2, 3, 4, 5} e C = {2, 5, 6, 7, 10} Solução: Esse problema pode ser solucionado também utilizando o diagrama de Venn como feito no anterior, mas favos fazer de forma direta, para você pode entender. Primeiro passo: (A-B) Como vimos anteriormente na definição para diferença, que o resultado de A- B é a diferença de dois conjuntos A e B formado pelos elementos existentes em A que não estão em B. Assim A – B = {6} Segundo passo: Como já sabemos que o resultado de A-B é {6}, agora realizamos a segundo operação que é {6} ∩ C. Lembrando que na interseção o conjunto A ∩ B é composto por elementos que pertencem tanto ao conjunto A e B, e como temos {6} ∩ {2, 5, 6, 7, 10} a resposta para o nosso exercício é conjunto unitário, ou seja, {6}. É isso amigos e amigas, espero que tenham gostado e principalmente entendido, e como sempre digo e comento, o importante agora é praticar, aproveite e tente resolver sozinho esse último exemplo aplicando o diagrama de Venn. Bons estudos a todos GRUPO-3 (Exercícios de GABARITO) Problemas NÃO Resolvidos 1.Qual o resultado de A ∪ B, tendo como conjuntos A = {1, 3, 4, 6} e B = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9} UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 27 2.Seja uma Interseção de Cnjuntos. Qual o resultado de A ∩ B, sendo A = {1, 3, 4, 6, 7} e B = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 8}. Represente em diagram de Vdenn. 3.Considere a Diferença de Conjuntos 4.Qual o resultado de A – B, sendo A = {0, 1, 2, 4, 6, 7} e B = {1, 2, 3, 4, 5} A – B = {6}; Conjuntos Numéricos • Problema 1 - Numa sala de aulas com 150 alunos, dos quais 70 gostam de matemática, e 40 de física, sabendo que 15 gostam de física e matemática, quanto não gostam nem de física e nem de matemática? Ilistre num diagram de Venn. Problema 02 - Qual o resultado de (A-B) ∩ C , sendo A = {2, 4, , 5, 6, 8}, B = {0, 2, 3, 4, 5} e C = {0, 2, 3, 5, 6, 7} UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 28 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 29 UNIDADE Temática 1.2. Conjuntos Numéricos Introução A concepção do conjunto numérico pode ser compreendida a partir da compreensão de um conjunto (revide a Unidade temática 1.1 anterior). Os conjuntos numéricos foram concebidos na medida em que iam surgindo mudanças na matemática. Para desenvolver a matemática hoje estudada, inúmeras mudanças na organização de todos os conceitos matemáticos foram necessárias. A concepção dos conjuntos numéricos recebeu maior rigor em sua construção com Georg Cantor, que pesquisou a respeito do número infinito. Cantor iniciou diversos estudos sobre os conjuntos numéricos, constituindo, assim, a teoria dos conjuntos. A construção de todos os conjuntos numéricos que hoje possuímos parte de números inteiros usados apenas para contar até os números complexos que possuem vasta aplicabilidade nas engenharias, nas produções químicas, entre outras áreas. Definir conjunto é algo tão primitivo que se torna uma tarefa difícil. Entretanto, compreendemos conjunto como uma coleção de objetos, números, enfim, elementos com características semelhantes. Sendo assim, os conjuntos numéricos são compreendidos como os conjuntos dos números que possuem características semelhantes. Nesta seção, a concepção desses conjuntos será abordada, visando à compreensão dos elementos que constituem cada um dos conjuntos numéricos. Nesta Unidade Temática analisaremos e debateremos os seguintes conjuntos numéricos: 1. Conjunto dos números Naturais ( ); 2. Conjunto dos números Inteiros ( ); 3. Conjunto dos números Racionais ( ); 4. Conjunto dos números Irracionais ( ); 5. Conjunto dos números Reais ( ); UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 30 6. Conjunto dos números Complexos ( ); Este último conjunto numérico possui uma secção especial para ele (Números Complexos). Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir e dar exemplos: de Conjuntos numéricos; ▪ Representar: Conjuntos numéricos; ▪ Explicar a breve resenha histórica: do números Naturais; ▪ Consolidar e ter domínio: das propriedades das Operações com números dos diferentes conjuntos; ▪ Ter domínio das Prioridades das Operações: nos diferentes conjunto numéricos. Conjuntos dos números Os números naturais: o conjunto = {1,2,3,4,5,6, ... , 19,20, ... , 1001, 1002, ... , 10000001, ... } Notas elucidativas: • Os números naturais surgiram da necessidade de contagem dos elementos de um conjunto pelo homem primitivo e, neste sentido, o zero ( 0 ) não seria um número natural. • Por volta do ano 458 DC, o zero foi introduzido pelos hindus, para representar a coluna vazia dos ábacos, daí sua denominação original de sunya (vazio). Ábaco - segundo o dicionário Melhoramentos - 7ª edição: calculador manual para aritmética, formado de um quadro com vários fios paralelos em que deslizam botões ou bolas móveis. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 31 Veja a ilustração a seguir, obtida no Museo Pedagógico José Pedro Varela - poeta e educador uruguaio 1845 - 1879. Caso você visite o site acima, para retornar à esta página, clique em VOLTAR no seu browser. Nota: observe acima à direita, a linha vazia no ábaco, significando o zero. • no entanto, como o zero atende às propriedades básicas dos números naturais, ele pode ser considerado um número natural, não obstante a premissa contrária não conflitar a teoria. Assim, não deveremos estranhar quando aparecer em provas de vestibulares o conjunto N como sendo N = {0, 1, 2, 3, 4, 5, ... }, definindo-se um outro conjunto sem o zero: N* = N - {0} = {1,2,3,4, ... }. Como esta forma de abordagem é a mais usual, consideraremos o zero como sendo um número natural, no que se segue. Ao agrupamento de elementos com características semelhantes damos o nome de conjunto. Quando estes elementos são números, tais conjuntos são denominados conjuntos numéricos. Neste tópico estudaremos os cinco conjuntos numéricos fundamentais, que são os conjuntos numéricos mais amplamente utilizados. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 32 Conjunto dos Números Naturais Em algum momento da sua vida você passou a se interessar por contagens e quantidades. Talvez a primeira ocorrência desta necessidade, tenha sido quando lá pelos seus dois ou três anos de idade algum coleguinha foilhe visitar e começou a mexer em seus brinquedos. Provavelmente, neste momento mesmo sem saber, você começou a se utilizar dos números naturais, afinal de contas era necessário garantir que nenhum dos seus brinquedos mudasse de proprietário e mesmo desconhecendo a existência dos números, você já sentia a necessidade de um sistema de numeração. Em uma situação como esta você precisa do mais básico dos conjuntos numéricos, que é o conjunto dos números naturais. Com a utilização deste conjunto você pode enumerar brinquedos ou simplesmente registrar a sua quantidade, por exemplo. Este conjunto é representado pela letra N ( ). Abaixo temos uma representação do conjunto dos números naturais: As chaves ou Chavetas são utilizadas na representação para dar ideia de conjunto. Os pontos de reticência dão a ideia de infinidade, já que os conjuntos numéricos são infinitos. Este conjunto numérico inicia-se em zero e é infinito, no entanto podemos ter a representação de apenas um subconjunto dele. A seguir temos um subconjunto do conjunto dos números naturais formado pelos quatro primeiro múltiplos de sete: Para representarmos o conjunto dos números naturais, ou qualquer um dos outros quatro conjuntos fundamentais, utilizamos o caractere asterisco após a letra, como em . Temos então que: Conjunto dos Números Inteiros Mais adiante na sua vida em uma noite muito fria você tomou conhecimento da existência de números negativos, ao lhe falarem que naquele dia a temperatura estava em dois graus abaixo de zero. Curioso você quis saber o que significava isto, então alguém notando o seu interesse, resolveu lhe explicar: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 33 Hoje no final da tarde já estava bastante frio, a temperatura girava em torno dos 3° C, aí ela desceu para 2° C, continuou esfriando e ela abaixou para 1° C e uma hora atrás chegou a 0° C. Se a temperatura continuava a abaixar e já havia atingido o menor dos números naturais, como então representar uma temperatura ainda mais baixa? Com exceção do zero, cada um dos números naturais possui um simétrico ou oposto. O oposto do 1 é o -1, do 2 o -2 e assim por diante. O Sinal "-" indica que se trata de um número negativo, portanto menor que zero. Os números naturais a partir do 1 são por natureza positivos e o zero é nulo. O zero e os demais números naturais, juntamente com os seus opostos formam um outro conjunto, o conjunto dos números inteiros e é representando pela letra Z ( ). A seguir temos uma representação do conjunto dos números inteiros: Note que diferentemente dos números naturais, que embora infinitos possuem um número inicial, o zero, os números inteiros assim como os demais conjuntos numéricos fundamentais não têm, por assim dizer, um ponto de início. Neste conjunto o zero é um elemento central, pois para cada número à sua direita, há um respectivo oposto à sua esquerda. Utilizamos o símbolo para indicar que um conjunto está contido em outro, ou que é um subconjunto seu, como o conjunto dos números naturais é um subconjunto do conjunto dos números inteiros, temos que . Podemos também dizer que o conjunto dos números inteiros contém ( ) o conjunto dos números naturais ( ). Como supracitado podemos escrever para representarmos o conjunto dos números inteiros, mas sem considerarmos o zero: Com exceção do conjunto dos números naturais, com os demais conjuntos numéricos fundamentais podemos utilizar os caracteres "+" e "-" como abaixo: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 34 Note também que e que . Conjunto dos Números Racionais Esperto por natureza você percebeu que havia mais alguma coisa além disto. No termômetro você viu que entre um número e outro existiam várias marcações. Qual a razão disto? Foi-lhe explicado então que a temperatura não muda abruptamente de 20° C para 21° C ou de -3° C para -4° C, ao invés disto, neste termômetro as marcações são de décimos em décimos. Para passar de 20° C para 21° C, por exemplo, primeiro a temperatura sobe para 20,1° C, depois para 20,2° C e continua assim passando por 20,9° C e finalmente chegando em 21° C. Estes são números pertencentes ao conjunto dos números racionais. Números racionais são todos aqueles que podem ser expressos na forma de fração. O numerador e o denominador desta fração devem pertencer ao conjunto dos números inteiros e obviamente o denominador não poderá ser igual a zero, pois não há divisão por zero. O número 20,1 por exemplo, pode ser expresso como , assim como 0,375 pode ser expresso como e 0,2 por ser representado por . Note que se dividirmos quatro por nove, iremos obter 0,44444... que é um número com infinitas casas decimais, todas elas iguais a quatro. Trata-se de uma dízima periódica simples que também pode ser representada como , mas que apesar disto também é um número racional, pois pode ser expresso como . O conjunto dos número racionais é representado pela letra Q ( ). O conjunto dos números inteiros é um subconjunto do conjunto dos números racionais, temos então que . Facilmente podemos intuir que representa o conjunto dos números racionais negativos e que representa o conjunto dos números racionais positivos ou nulo. Abaixo temos um conjunto com quatro elementos que é subconjunto do conjunto dos números racionais: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 35 A realização de qualquer uma das quatro operações aritméticas entre dois números racionais quaisquer terá como resultado também um número racional, obviamente no caso da divisão, o divisor deve ser diferente de zero. Sejam a e b números racionais, temos: Conjunto dos Números Irracionais Então mais curioso ainda você perguntou: "Se os números racionais são todos aqueles que podem ser expressos na forma de fração, então existem aqueles que não podem ser expressos desta forma?" Exatamente, estes números pertencem ao conjunto dos números irracionais. Provavelmente os mais conhecidos deles sejam o número PI ( ), o número de Euler ( ) e a raiz quadrada de dois ( ). Se você se dispuser a calcular tal raiz, passará o restante da sua existência e jamais conseguirá fazê-lo, isto porque tal número possui infinitas casas decimais e diferentemente das dízimas, elas não são periódicas, não podendo ser expressas na forma de uma fração. Esta é uma característica dos números irracionais. A raiz quadrada dos números naturais é uma ótima fonte de números irracionais, de fato a raiz quadrada de qualquer número natural que não seja um quadrado perfeito é um número irracional. é um número irracional, pois 120 não é um quadrado perfeito, ou seja, não há um número natural que multiplicado por ele mesmo resulte em cento e vinte, já é um número natural, pois . A letra I ( ) representa o conjunto dos número irracionais. Utilizando o caractere especial "*", por exemplo, podemos representar o conjunto dos números irracionais desconsiderando-se o zero por . O conjunto abaixo é um subconjunto do conjunto dos números irracionais: Diferentemente do que acontece com os números racionais, a realização de qualquer uma das quatro operações aritméticas entre dois números irracionais quaisquer não terá obrigatoriamente como UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 36 resultado também um número irracional. O resultado poderá tanto pertencer a , quanto pertencer a . Conjunto dos Números Reais Acima vimos que um número natural também é um número inteiro ( ), assim como um número inteiro também é um número racional ( ), portanto . Vimos também que os números racionais não estão contidos no conjunto dos números irracionais e vice-versa. A intersecção destes conjuntos resulta no conjunto vazio: A intersecção é uma operação por meio da qual obtemosum conjunto de todos os elementos que pertencem simultaneamente a todos os conjuntos envolvidos. Sejam dois conjuntos e , a intersecção entre estes dois conjuntos será . O conjunto dos números reais é representado pela letra R ( ) e é formado pela união do conjunto dos números racionais com o conjunto dos irracionais, que simbólicamente representamos por: . A união é uma operação por meio da qual obtemos um conjunto de todos os elementos que pertencem ao menos a um dos conjuntos envolvidos. Sejam dois conjuntos e , a união entre estes dois conjuntos será . O conjunto dos números racionais está contido no conjunto dos números reais ( ), assim como o conjunto dos números irracionais também é subconjunto do conjunto dos números reais ( ). Através dos caracteres especiais "+" e "*", por exemplo, podemos representar o conjunto dos números reais positivos por . Abaixo temos um exemplo de conjunto contendo número reais: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 37 Conjuntos Numéricos Fundamentais em Diagrama Abaixo temos a representação dos conjuntos numéricos fundamentais em um diagrama de Venn. Através deste diagrama podemos facilmente observar que o conjunto dos números reais ( ) é resultado da união do conjunto dos números racionais como o conjunto dos números irracionais ( ). Observamos também que o conjunto dos números inteiros está contido no conjunto dos números racionais ( ) e que os números naturais são um subconjunto do números inteiros ( ). Como podemos ver, os diagramas nos ajudam a trabalhar mais facilmente com conjuntos. Ainda neste diagrama rapidamente identificamos que os números naturais são também números reais ( ), mas não são números irracionais ( ), isto porque o conjunto dos números irracionais não contém o conjunto dos números naturais ( ), mas sim o conjunto números dos racionais que os contém ( ), assim como o conjuntos dos números reais ( ) e dos inteiros ( ). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 38 SUMÁRIO Nesta Unidade temática 1.2. analisamos e discutimos dentre outros assuntos, os seguintes: 1.Breve historial dos conjuntos numéricos; 2.Os cinco conjunto numéricos fundamentais; 3. Fizemos a sistematização dos cinco conjuntos numéricos num único diagrama. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1) A quais conjuntos numéricos fundamentais não pertence o número ? 2) A quais conjuntos numéricos fundamentais não pertence o número ? 3) Existe raiz quadrada de número primo que não seja irracional? 4) Se a e b são números pertencentes a e , a quais conjuntos numéricos fundamentais podemos afirmar com certeza que x pertence, quaisquer que sejam os valores de a e b? 5) Se A é um subconjunto de e B está contido em , a intersecção destes conjuntos possui infinitos elementos? 6) Se e , tem-se que ? RESPOSTAS 1. Sabemos que é igual a 8. A trabalharmos com conjuntos utilizamos o símbolo para indicar que um elemento pertence a um conjunto, assim como utilizamos o símbolo para indicar que um elemento não pertence a um determinado conjunto. Assim sendo temos: (oito pertence ao conjunto dos números naturais), pois como sabemos 8 é um número natural; http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex1 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex1 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex2 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex2 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex3 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex4 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex4 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex4 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex5 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex5 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex6 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex1 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex2 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex3 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex4 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex5 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx#anchor_ex6 http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentaisExercicios.aspx UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 39 (oito pertence ao conjunto dos números inteiros), pois é sabido que os números naturais são um subconjunto dos números inteiros, sabemos que ; (oito pertence ao conjunto dos números racionais), pois podemos representar 8 como que é uma fração com numerador e denominador pertencentes ao conjunto dos números naturais, condição necessária para que um número pertença ao conjunto dos números racionais. (oito não pertence ao conjunto dos números irracionais), pois como 64 é um número natural que é também um quadrado perfeito, não é um número irracional, pois . De fato 8 ou jamais poderiam ser irracionais, pois como visto acima, eles são racionais ( ) e nenhum número racional é também irracional e vice-versa. (oito pertence ao conjunto dos números reais), pois o conjunto dos números racionais é um subconjunto dos números reais ( ). Através do diagrama visto na parte teórica, facilmente podemos resolver este problema de forma visual ao identificarmos que (ou 8) é um número natural. Portanto: não pertence ao conjunto dos números irracionais ( ). 2. Sabemos que 63 embora seja um número natural, não é um quadrado perfeito, nestas condições a sua raiz quadrada será um número irracional. Também sabemos que , que e que ( veja na parte teórica ), ou em outras palavras que, embora também sejam números reais, os números irracionais não são racionais, nem inteiros e nem naturais. Logo: não pertence ao conjunto dos números racionais ( ), inteiros ( ) e naturais ( ). http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentais.aspx http://www.matematicadidatica.com.br/ConjuntosNumericosFundamentais.aspx UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 40 3.Vimos que a raiz quadrada de um número natural pode ser tanto natural, quanto irracional, mas para que a raiz seja natural, o número deve ser um quadrado perfeito. Para que um número seja primo é preciso que além de natural ele possua exatamente apenas dois divisores distintos, o número um e ele próprio. Falando em termos de conjuntos, a intersecção do conjunto dos números primos com o conjunto natural dos quadrados perfeitos é igual ao conjunto vazio ( ), ou seja, um número primo não pode ser um quadrado perfeito e vice-versa. Assim sendo:Não existe raiz quadrada de número primo que não seja irracional. 4.A partir do enunciado, podemos chamar de A o conjunto ao qual x pertence e representá-lo por Sabemos que, dentre outras formas, podemos representar o conjunto dos números racionais por Como podemos observar, A é um subconjunto de , isto é, Sabemos também que Assim sendo: Podemos afirmar com certeza que e . 5.Do enunciado temos que: É sabido que tal como óleo e água, os elementos dos conjuntos dos números racionais e irracionais não se misturam, ou seja, a intersecção entre ele é o conjunto vazio, pois não há um único número sequer que http://www.matematicadidatica.com.br/NumerosPrimos.aspx UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 41 sendo racional seja também irracional e vice-versa, os elementos destes conjuntos são mutuamente exclusivos: Portanto: A intersecção entre os conjuntos A e B não possui infinitos elementos. 6.A intersecção entre dois conjuntos onde um conjunto está contido no outro é o próprio conjunto que está contido, como , temos que , logo A diferença entre conjuntos difere da operação de intersecção. A diferença entre os conjuntos e é o conjunto de todos os elementos que pertencem ao conjunto e que não pertencem ao conjunto , que obviamente é o próprio , pois em não há qualquer número irracional, logo Então e como já aprendemos que , temos que: Sim, tem-se que . Unidade Temática 1.3. Representação Geométrica dos Números Reais. ntroução Nesta unidade temática o estudante vai ter a oportunidade de entender e compreender que é possível escrever números utilizando grupos de sinais iguais entre si, tantas quantas são as unidades do número. Por exemplo, nos dados os números são representados por pontos ou circulos. A representação dos números com pontos foi antigamente uma ciência: a ciência dos números figurados dos pitagóricos. Os pitagóricos chamavam aos números: triângulares, quadrados, cubos, etc., consoante os pontos que os representavam, regularmente distribuídos, se podiam compôr um triângulo «isósceles», um quadrado ou um cubo. Alguns raciocínios relacionados com números pitagóricos aparecem ligados ao UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 42 conceito de séries numéricas, cujos exemplos merecerão analise e discussão no desenvolvimento desta unidade 1.3. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender: a exisência de números triangulares; ▪ Entender: a exisência de números quadrados; NÚMEROS TRIÂNGULARES Em ligação com a geometria, Pitágoras conheceu os números triângulares, que são números que se podem expressar em forma de triângulos. Quais seriam os três números seguintes? Se olharmos para o quarto triângulo verifica-se que cada "linha" contém um ponto a ma que a anterior. Suponhamos então que a última "linha" do triângulo não continho quatro pontos, mas n. A penúltima "linha" continha (n-1), a seguinte (n-2), e assim por diante até chegar UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 43 ao vértice, com 1 ponto. Este problema é o mesmo que somar os primeiros n números inteiros, ou seja, obter a soma 1 + 2 + 3 + 4 + ... +(n-2) + (n-1) + n Trata-se portanto de calcular esta soma. Sumário Nesta Unidade Temática 1.3. mereceu atenção o estudo dos seguintes tópicos: Números Triangulares; Números quadrados. Unidade 1.3. Desigualdades. Introução Em matemática, desigualdade é uma expressão que estabelece uma relação de ordem entre dois elementos. Nos números reais, esta relação é representada pelos símbolos , significando, menor, menor ou igual, maior, maior ou igual, respectivamente. De forma mais geral, também podem ser incluídas nas desigualdades expressões contendo a relação de diferença . São exemplos de desigualdades os seguintes: • Desigualdade das médias, que afirma que a média aritmética é maior ou igual a média geométrica e esta, maior ou igual a média harmônica para números reais positivos. • Desigualdade triangular, que afirma que ao medida de um lado de um triângulo é sempre menor que a soma das medidas dos outros dois lados do mesmo triângulo. http://pt.wikipedia.org/wiki/Matem%C3%A1tica http://pt.wikipedia.org/wiki/Express%C3%A3o_matem%C3%A1tica http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmeros_reais http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade_das_m%C3%A9dias http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9dia_aritm%C3%A9tica http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9dia_geom%C3%A9trica http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9dia_harm%C3%B4nica http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade_triangular http://pt.wikipedia.org/wiki/Tri%C3%A2ngulo UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 44 Com esta Unidade Temática 1.3. pretendemos apresentar com demonstrações algumas desigualdades que tornem o estudante apto a resolver um conjunto amplo de problemas de matemáticos. Contudo em certas passagens, algum conhecimento de cálculo infinitesimal será útil, ainda que não imprescindível. Por outro lado privilegiamos, mais o recurso aos argumentos geométricos euclidianos em detrimento do formalismo matemático, onde muitas das vezes não se tem em conta o quotidiano do aluno. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Estudar: Analisar e discutir sobre a Desigualdades das médias; ▪ Estudar: Analisar e discutir sobre a Desigualdades triangulares; Desigualdade das médias A desigualdade das médias afirma que a média aritmética é maior ou igual à média geométrica e esta maior ou igual à média harmônica. Mais precisamente falando, seja um conjunto não vazio de números reais positivos então: Onde e http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9dia_aritm%C3%A9tica http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9dia_geom%C3%A9trica http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9dia_harm%C3%B4nica UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 45 Demonstração do caso n=2 Queremos mostrar que: Como e são reais, temos: Expandindo, temos: Somando , obtemos: Reagrupando: Como são números positivos, podemos tomar a raiz quadrada e dividir por 2: A primeira desigualdade segue. Para mostrar a segunda, escreva esta última como: Multiplique ambos os lados por : : E observe que esta é justamente a desigualdade que procuramos, pois: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 46 E o resultado segue. Demonstração no caso Queremos a igualdade para , com k inteiro positivo. Procederemos por indução em k: O caso k=1, já foi demonstrado. Suponha então que a desigualdade é valida para um certo k positivo, escreva para : Aplique a desigualdade da média com dois elementos: Agora, aplique a desigualdade para n elementos em cada um dos termos: E assim, conclua: E a primeira desigualdade segue pois Usemos o mesmo procedimento para demonstrar a segunda desigualdade: http://pt.wikipedia.org/wiki/Indu%C3%A7%C3%A3o_matem%C3%A1tica UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 47 E a segunda desigualdade segue. Demonstração do caso geral Completaremos a demonstração, mostrando que se a desigualdade for válida para n termos, então também é válida para n-1 termos. Suponha, então, que a desigualdade é válida para um número inteiro n maior que 1, ou seja: Escreva: • • • http://pt.wikipedia.org/wiki/Demonstra%C3%A7%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_inteiro UnISCED MATEMÁTICAAPLICADA 48 Queremos mostrar que Substitua Observe que: Assim temos, da primeira desigualdade: Rearranjando, temos: A segunda desigualdade diz: O que equivale a: ou: Equivalente a: http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 49 O que completa a demonstração. A desigualdade triangular nos números reais (ou em IR). A desigualdade triangular tem origem na geometria euclidiana e refere- se ao teorema que afirma que, num triângulo, a medida do comprimento de um dos lados é sempre inferior à soma das medidas dos comprimentos dos outros dois lados. No texto clássico Os Elementos, de Euclides, este teorema é a Proposição 20 do Livro I Não é mais que uma reformulação do conceito intuitivo de que é mais curto o caminho ou segmento entre A e B (veja a fig a baixo) que o caminho de A até C somado ao de C até B. Em matemática, desigualdade é uma expressão que estabelece uma relação de ordem entre dois elementos. Nos números reais, esta relação é representada pelos símbolos, significando, menor, menor ou igual, maior ou igual, maior, respectivamente. No conjunto dos números reais, chamamos de desigualdade triangular, em analogia ao caso da geometria plana a seguinte expressão envolvendo módulos: . Que dá origem a outras desigualdades: • http://pt.wikipedia.org/wiki/Geometria_euclidiana http://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema http://pt.wikipedia.org/wiki/Tri%C3%A2ngulo http://pt.wikipedia.org/wiki/Os_Elementos http://pt.wikipedia.org/wiki/Os_Elementos http://pt.wikipedia.org/wiki/Euclides http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmeros_reais http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%B3dulo UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 50 • • Para a primeira, escreva Para a segunda, A terceira é consequência da segunda, trocando os papéis de u e v. A desigualdade triangular em Teorema Em , quaisquer que sejam , tem-se[2] : Havendo igualdade se e só se forem linearmente dependentes. Demonstração Utilizando a desigualdade de Cauchy-Schwarz, prova-se o teorema facilmente[2] . Tem-se (utilizando propriedades do produto interno): (I) Pela desigualdade de Cauchy-Schwarz aplicada em (I): Tendo em conta que a norma é um valor não-negativo, segue que: Q.E.D. A segunda parte do teorema decorre directamente da aplicação da desigualdade de Cauchy-Schwarz (atentar no segundo termo do lado direito da equação). http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade_triangular#cite_note-queiro-2 http://pt.wikipedia.org/wiki/Se_e_s%C3%B3_se http://pt.wikipedia.org/wiki/Linearmente_dependentes http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade_de_Cauchy-Schwarz http://pt.wikipedia.org/wiki/Desigualdade_triangular#cite_note-queiro-2 http://pt.wikipedia.org/wiki/Produto_interno http://pt.wikipedia.org/wiki/Q.E.D. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 51 Sumário Nesta Unidade Temática analisamos e discutimos os seguintes assuntos: Desigualdades da médias e Desigualdades Triangulares. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. O número 2 7 é? A: Natural B: Inteiro C: Racional D: Real e Irracional 2. Quais dos números a baixo são racionais? A: 0 e 1.23564… B: √5 e -2 C: -0.123 e 0.333… D: 23.353478… e -235 3. Escolha um número Irracional: A. 3,277 B. √5 C. √25 D. 1 3 4. O resultado da expressão 0.99×2 0.11 − 20 é um número: A. Natural B. Inteiro Negativo C: Inteiro Positivo D. Irracional UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 52 5. Um vendedor de cabos elétricos usa fita métrica para oferecer ao cliente a medida preferida. Diga que números são aplicados pelo vendedor. A. Naturais B. Inteiros C: Racionais D. Irracionais Indique o valor lógico 6. |9 + √5| > 9 + √5 7. |9 + √5| ≤ 9 + √5 8. |−2√3 − 1| = 2√3 + 1 Respostas 1. C 2.C 3.B 4.B 5. C 6. F, 7. V, 8. V Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. GRUPO 1 (Com respostas detalhadas). GRUPO-2 (Com respostas sem detalhes) GRUPO-3 (Exercícios de GABARITO) TEMA II: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA Unidade 2.1. Sistema de Coordenadas Cartesiano. Unidade 2.2. Distância entre Dois Pontos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 53 Unidade 2.3. A recta. Unidade 2.4 Posições Relativas de Duas Rectas Unidade 2.5. Perpendicularidades. . Unidade Temática 2.1: Sistema de Coordenadas Cartesiano Introução O "Sistema de Coordenadas Cartesianas" é um esquema reticulado necessário para especificar pontos num determinado "espaço", com n dimensões. É chamado de cartesiano em homenagem a seu criador, o matemático e filósofo francês René Descartes (1596-1650), cujos trabalhos permitiram o desenvolvimento de áreas científicas como a geometria analítica, a euclidiana, o cálculo e a cartografia. Sua contribuição mais duradoura é a geometria analítica, isto é, a união da geometria com a álgebra, que permite construir gráficos a partir de equações. Em 1619, ele percebeu que a idéia de determinar posições utilizando rectas, escolhidas como referência, poderia ser aplicada à matemática. Para isso usou rectas numeradas, ou seja rectas em que cada ponto corresponde a um número e cada número corresponde a um ponto, definindo desta maneira, um sistema de coordenadas na recta. Postulado da Régua Esse postulado nos fornece uma régua infinita que pode ser colocada em qualquer reta e que pode ser utilizada para medir a distância entre dois pontos quaisquer. Os pontos de uma reta podem ser postos em correspondência biunívoca com os números reais, ou seja: a cada ponto da reta corresponde exatamente um número real, a cada número real corresponde exatamente um ponto da reta. A distância entre dois pontos quaisquer será definida como o valor UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 54 absoluto da diferença dos números reais a eles associados. Uma correspondência desse tipo é chamada de sistema de coordenadas. Assim, o número correspondente a um dado ponto é chamado de coordenada desse ponto. Para definir um sistema de coordenadas na reta, escolhe-se um dos seus pontos como a origem do sistema. A esse ponto, geralmente denominado pela letra o , é associado o número zero, que será a sua coordenada. Então, fixa-se uma unidade de medida, por exemplo, centímetros, e a coordenada de cada ponto (p) da reta, é determinada pela medida do segmento op, ou seja, desde a origem até o ponto: x1 = op centímetros. Se, conforme a figura abaixo, o ponto d está à direita da origem, sua coordenada será od e, portanto, positiva. Por outro lado, se o ponto e está à esquerda de o, sua coordenada será dada por -oe, sendo negativa. Mas, como o plano tem duas dimensões, para localizar os pontos é necessário dois números. Descartes resolveu este problema usando duas retas numeradas, perpendiculares, cuja intersecção chamou de origem. Comumente, usa-se uma dessas retas, horizontal, com a direção positiva para a direita que é denominada eixo x ou eixo das abscissas. A outra reta é vertical com a direção positiva para cima, e é chamada eixo y, ou eixo das ordenadas, dividindo o plano em quatro regiões, denominadas quadrantes, indicados no seguinte esquema pelos números 1, 2, 3 e 4:Assim, o primeiro quadrante (1) é o conjunto de todos os pontos (x, y) do plano para os quais x > 0 e y > 0; o segundo quadrante é o conjunto de todos os pontos (x, y) do plano para os quais X < 0 e y> 0 e assim por UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 55 diante. Portanto, cada ponto P do plano fica associado um par de números (x, y), que são as coordenadas deste ponto. O número x mede a distância orientada do ponto P ao eixo y e é chamado abscissa desse ponto, e o número y mede a distância orientada do ponto P ao eixo x e é a sua ordenada. Se P tem coordenadas x e y é identificado por P(x, y). Diz-se que as coordenadas de um ponto formam um par ordenado de números reais. É importante lembrar que a ordem na qual as coordenadas são escritas é importante. Por exemplo, o ponto de coordenadas (1, 2) é diferente do ponto de coordenadas (2, 1). Observando o esquema, todo ponto P determina um par ordenado de números reais e, reciprocamente, todo par ordenado de números reais (x, y) determina um único ponto do plano. Então, há uma correspondência biunívoca os pares ordenados de números reais e entre os pontos do plano. Uma correspondência desse tipo é denominada um sistema de coordenadas no plano. O plano, munido deste sistema de coordenadas, geralmente é chamado plano coordenado ou plano cartesiano e é denotado pelo símbolo R2. Deve-se ressaltar que, para estabelecer um sistema de coordenadas no plano é necessário: escolher duas retas de referência que não precisam ser, necessariamente, ortogonais. estabelecer o ponto de interseção destas retas será a origem do sistema de coordenadas. estabelecer a unidade de medida a fim de que se possa graduar as duas retas e indicar claramente esta escala. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 56 Assim, a posição de qualquer ponto do plano será determinada por um par de números (x, y) os quais indicam as distâncias deste ponto às retas de referência. Estas distâncias são medidas, usando-se a escala estabelecida, a partir de retas paralelas às duas retas de referência que determinam a malha coordenada. Na mesma época de Descartes, um outro francês, Pierre Fermat (1601-1665)) também chegou aos mesmos princípios, isoladamente. Portanto, na realidade, o estabelecimento das bases da Geometria Analítica deve-se a ambos (René Descarte e Pierre Fermat).. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender e esclarecerr: a origem e necessidade do Sistema de Coordenadas Cartesiano; ▪ Cinstruir: o Sistema de Coordenadas Cartesiano; ▪ Representar e localisar: pontos no plano; ▪ Conhecer e identificar: as propriedades do Sistema de Coordenadas Cartesiano; ▪ Ter domínio: sobre Planos +rimários, cálculo de normas (distâncias antre pontos quer em 2D, quer em 3D; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 57 Sistema de coordenadas cartesiano Coordenadas cartesianas de alguns pontos do plano. Chama-se Sistema de Coordenadas no plano cartesiano ou espaço cartesiano ou plano cartesiano um esquema reticulado necessário para especificar pontos num determinado "espaço" com dimensões. Cartesiano é um adjetivo que se refere ao matemático francês e filósofo Descartes que, entre outras coisas, desenvolveu uma síntese da álgebra com a geometria euclidiana. Os seus trabalhos permitiram o desenvolvimento de áreas científicas como a geometria analítica, o cálculo e a cartografia. A ideia para este sistema foi desenvolvida em 1637 em duas obras de Descartes: • Discurso sobre o método o Na segunda parte, Descartes apresenta a ideia de especificar a posição de um ponto ou objecto numa superfície, usando dois eixos que se intersectam. • La Géométrie o onde desenvolve o conceito que apenas tinha sido referido na obra anterior. Um sistema de referência consiste em um ponto de orígem, direção e sentido, isto pode ser obtido de diversas formas, como já tivemos oportunidade de estudar anteriormente, porém, o sistema de coordenadas cartesianas é o mais próximo do mundo real, ele nos http://pt.wikipedia.org/wiki/Ren%C3%A9_Descartes http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81lgebra http://pt.wikipedia.org/wiki/Geometria_euclidiana http://pt.wikipedia.org/wiki/Geometria_anal%C3%ADtica http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/Cartografia http://pt.wikipedia.org/wiki/1637 http://pt.wikipedia.org/wiki/Discurso_sobre_o_m%C3%A9todo http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=La_G%C3%A9om%C3%A9trie&action=edit&redlink=1 http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:PlanoCartesiano.PNG UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 58 permite observar as formas da maneira mais aproximada possível do nosso modo de ver o universo. Propriedades Com base nestes princípios, imaginemos que o nosso universo é uma linha, ou seja, imagine se não pudéssemos enxergar mais que uma direção e dois sentidos, então nessa linha teríamos um ponto de partida, ao qual chamamos de orígem, ao passo que temos dois lados para ir, adotamos a convenção em que o sinal nos informa o sentido em que caminhamos, para a direita -> +, para a esquerda -> -, cada ponto sobre a reta tem uma distância da orígem, à qual chamamos amplitude, ou módulo... desta forma, temos o nosso sistema bem caracterizado. Um sistema de referência como tal é chamado de sistema em uma dimensão, porém não é algo muito útil, no entanto se adicionarmos mais uma reta na orígem, formando um ângulo reto com a reta anterior, poderemos referenciar uma segunda direção, agora temos um sistema em duas dimensões, que nos permite localizar um ponto acima e abaixo, além da direita ou esquerda... Se fizermos a mesma analogia e colocarmos uma terceira reta sobre a orígem do sistema anterior, fazendo um ângulo reto com ambas as retas anteriores, poderemos localizar um objeto para frente ou para trás, além de acima ou abaixo e além da direita e esquerda, então teremos um sistema em três dimensões. A convenção mais usada nos sistemas de referência, estabelece que os sentidos: Para frente, para a direita e para cima são positivos e os seus opostos são negativos. Um sistema de coordenadas tridimensionais pode ser obtido através desta estrutura de três eixos que se interceptam em um único ponto, ao qual chamamos de origem e que também marca uma distinção angular entre os eixos, fazendo com que cada um seja reto em relação aos vizinhos. Nos sentidos positivos coloca-se uma seta para indicar a progressão crescente dos valores. Num sistema como este cada eixo recebe o nome associado a variável que é expressa, ou seja, , que representam as três direções do sistema. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 59 Localização de pontos Coordenadas cartesianas Agora observe o sistema acima, nele podemos observar a distribuição das variáveis em seus eixos, note que o eixo vertical correspondente à altura é convencionado como eixo , o horizontal, correspondente à largura é convencionalmente chamado de eixo , enquanto que o último, na diagonal, correspondente à profundidade, é chamado de eixo , cada segmento de eixo partindo da orígem gera um octante, visto que o sistema tem oito subplanos partindo da origem. A tripla ordenada no formato , corresponde a um único ponto no sistema, o qual é encontrado através do reflexo dos valores nos eixos, da seguinte forma: Se desejarmos encontrar o ponto localizamos o valor 3 no eixo , depois o zero no eixo , estes dois valores determinam uma linha sobre o eixo , depois localizamos o valor 5 no eixo e traçamos uma subreta paralela à linha que encontramos anteriormente, nesta altura, no lado oposto ao eixo na direção da subreta estáo ponto. Por outro lado se desejarmos encontrar o ponto localizamos o valor -5 no eixo , depois o -5 no eixo , estes dois valores determinam um plano sobre os eixos e , depois localizamos o valor 7 no eixo e traçamos um subplano paralelo ao plano anteriormente encontrado, nesta altura, no lado oposto ao eixo , na direção do encontro das duas subretas que definem o plano, está o ponto. http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Cartesian_coordinates_3D.svg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 60 Planos primários Definimos planos primários como o conjunto de pontos sobre o gráfico que estão equidistantes dos planos formados por qualquer combinação de dois eixos.[2] Suponha que definimos um dos valores da tripla ordenada, por exemplo: • ou, • ou, • . Onde é uma constante. Temos, em cada caso, um plano definido como paralelo ao plano dos dois eixos restantes, pois qualquer valor que seja dado às demais variáveis da tripla ordenada será projetado sobre o plano que foi definido. Distância entre pontos Em um sistema bidimensional temos a distância entre dois pontos definida como: Para um sistema tridimensional a analogia segue o mesmo raciocínio, o que nos revela a seguinte fórmula: Comprovação: No plano a distância entre os dois pontos do subplano é , para obter a distância no espaço, precisamos encontrar a distância ., mais precisamente a distância do ponto extremo, resultante do encontro dos valores de e , com o valor em . Esta distância corresponde a , logo: http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#cite_note-C.C3.A1lculo-2 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 61 O que define o seu valor após a substituição de , resultando na fórmula definida anteriormente.[2] A esfera Por definição, a esfera é o conjunto de todos os pontos no espaço que estão equidistantes de um ponto específico, ao qual denominamos centro. Considerando que as coordenadas de qualquer ponto são e que podemos especificar um ponto de coordenadas , a distância entre os pontos é: Definimos , que é o raio da esfera, conseqüentemente: Quaisquer conjuntos de pontos que constituem uma esfera também são delimitadores de um espaço no interior da mesma que gera um volume, o qual pode ser calculado pelo cálculo de volumes com a técnica de secionamento por Lâminas paralelas; Sumário Nesta Unidae Temática 2.1. aprendemos estudar: • 1 Propriedades o 1.1 Localização de pontos o 1.2 Planos primários o 1.3 Distância entre pontos o 1.4 A esfera Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO Com base no gráfico abaixo indique o valor lófico das questoes que se seguem http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#cite_note-C.C3.A1lculo-2 http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#Propriedades http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#Localiza.C3.A7.C3.A3o_de_pontos http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#Planos_prim.C3.A1rios http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#Dist.C3.A2ncia_entre_pontos http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_coordenadas_cartesiano#A_esfera UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 62 1. As coordenadas do Ponto A são (2; 2) 2. As coordenadas do Ponto B são (-2; -1) 3. Os pontos A, E e E têm a mesma ordenada 4. As coordenadas do Ponto H são (0; -1) 5. As coordenadas do Ponto F são (2; -1) 6. Os pontos B e F têm a mesma abcissa 7. Os pontos A e B têm a mesma abcissa Respostas 1.F, 2.V, 3.V, 4. F, 5. V, 6. F, 7. V . Unidade 2.2. Distância entre Dois Pontos Introução A distância permeia todos os conceitos da geometria analítica, pois nesta área da matemática temos a relação de elementos geométricos com os algébricos, e o elemento básico da geometria é o ponto. Um dos conceitos básicos que vimos na geometria é que a menor distância entre dois pontos é dada por uma reta, contudo, na geometria analítica esses pontos recebem coordenadas no plano cartesiano e por meio dessas coordenadas podemos encontrar o valor da distância entre dois pontos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 63 Nesta Umnidade Temática 2.2 com dissemos, nos debruçaremos mais sobre disância entre dois pontos. Portanto, teremos que a distância entre os pontos A e B será a medida do segmento que tem os dois pontos como extremidade. Por se tratar de dois pontos quaisquer, representaremos as coordenadas desses pontos de maneira genérica. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Rever e Consolidar: Conceitos de menor distância entre pontos, entre um ponto e um Plano e entre um ponto e uma recta; ▪ Organizar: um sistema de controle adequado à empresa; ▪ Demonstrar: com base nos registros realizados, expor periodicamente por meio de demonstrativos, a situação econômica, patrimonial e financeira da empresa; ▪ Analisar: os demonstrativos financeiros com a finalidade de apuração dos resultados obtidos pela empresa; ▪ Acompanhar: a execução dos planos econômicos da empresa, prevendo os pagamentos a serem realizados, as quantias a serem recebidas de terceiros e alertando para eventuais problemas; ▪ Entender e aplicar na prática os princípios e natureza da contabilidade Geral; Distância entre Dois Pontos Dado o plano cartesiano, vamos estabelecer a distância entre os pontos A e B. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 64 Podemos observar que os pontos possuem coordenadas, sendo o ponto A (xa,ya) e B (xb,yb), note a formação do triângulo retângulo ABC, onde os lados BC: cateto, AC: cateto e AB: hipotenusa. Verificamos que a distância entre os pontos A e B é a hipotenusa do triângulo retângulo, que pode ser calculada aplicando o Teorema de Pitágoras. Com o auxílio da Álgebra e de conhecimentos geométricos podemos generalizar e construir uma fórmula que determine a distância entre dois pontos no plano, conhecendo suas coordenadas. Cateto BC: yb – ya Cateto AC: xb – xa Hipotenusa AB: distância (D) Pelo Teorema de Pitágoras temos: “o quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos” Exemplo 1 Dados os pontos A (2,-3) e B (4,5), determine a distância entre eles. xa: 2 xb: 4 ya: -3 yb: 5 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 65 Exemplo 2 Calcule a distância entre os pontos P(-2,3) e Q(-5,-9). xa: -2 xb: -5 ya: 3 yb: -9 Sumário Nesta Unidade Temática 2.2 estudamos: Distância entre dois pontos Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO Com base no gráfico abaixo indique o valor lófico das questoes que se seguem UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 66 1. Os pontos A e E são equidistantes em relação ao ponto C 2. A distância entre os pontos B e F em relação ao ponto G é a mesma 3. A distância entre os pontos A e D é 1 4. A distância entre os pontos D e E é 1 5. A distância entre os pontos D e E é 1 6. A distância entre os pontos E e F é 3 Respostas 1. V, 2.V, 3. F, 4. V, 5. V, 6. F Represente no plano cartesiano, os seguintes pontos: a) A(1,3) c) C(0,4) b) B(-1,-2) d) D(2,0) RESPOSTAS a) b) c) d) Distância entre dois pontos https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pc%201%203.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pc%201%203.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pc%201%202.JPG?attredirects=0https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pc%200%204.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pc%202%200.JPG?attredirects=0 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 67 2) Calcule a distância entre os seguintes pares de pontos: a) (2,3) e (2,5) c) (0,6) e (1,5) b) (2,1) e (-2,4) d) (6,3) e (2,7) RESPOSTAS a) b) c) d) Ponto Médio 3) Calcule o ponto médio do segmento AB nos seguintes casos: a) A(2,6) B(4,10) c) A(3,1) B(4,3) b) A(2,6) B(4,2) d) A(2,3) B(4,-2) RESPOSTAS a) b) c) d) https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/d%20ab%20a.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/d%20ab%20c.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/d%20ab%20d.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pm%20a.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pm%20b.JPG?attredirects=0 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 68 Baricentro de um Triângulo 4) Determine as coordenadas do baricentro do triângulo de vértices: a) A(3,1); B(2,6); C(4,2) b) A(1,0); B(-2,4); C(3,-5) RESPOSTAS a) b) Área de um Triângulo 5) Determine a área do triângulo ABC nos casos: a) A(1,-1) B(2,1) C(2,2) b) A(3,4) B(-2,3) C(1,1) (Sem respostas). Tente encontrar resposta sem ajuda explícita. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-2 (Respostas detalhes) https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pm%20c.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/pm%20d.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/br%20a.JPG?attredirects=0 https://sites.google.com/site/geometriaanaliticaportifolio/directory/br%20b.JPG?attredirects=0 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 69 1. Calcule a distância entre os pontos A(-2,3) e B(1,5). 2) Se um ponto P do eixo das abscissas é equidistante dos pontos A(1,4) e B( - 6,3), a abscissa de P vale: a) -2 b) -1 c) 0 d) 1 e) 3 3) A distancia entre os pontos A( -2,y) e B(6,7) é 10. O valor de y é a) -1 b) 0 c) 1 ou 13 d) -1 ou 10 e) 2 ou 12 4) Um ponto material móvel desloca-se no plano cartesiano e suas coordenadas variam em função do tempo t (t ≥0). A distância percorrida pelo ponto material móvel entre o ponto A para t = 0 e o ponto B para t = 6, é: Unidade 2.3. A Recta Introução Entre os pontos de uma recta e os números reais existe uma correspondência biunívoca, isto é, a cada ponto de recta corresponde um único número real e vice-versa. Considerando uma recta horizontal x, orientada da esquerda para direita (eixo), e determinando um ponto O dessa recta ( origem) e um segmento u, unitário e não-nulo, temos que dois números inteiros e consecutivos determinam sempre nesse eixo um segmento de recta de comprimento u: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 70 Medida algébrica de um segmento Fazendo corresponder a dois pontos, A e B, do eixo x os números reais xA e xB , temos: A medida algébrica de um segmento orientado é o número real que corresponde à diferença entre as abscissas da extremidade e da origem desse segmento. Plano cartesiano A geometria analítica teve como principal idealizador o filósofo francês René Descartes ( 1596-1650). Com o auxílio de um sistema de eixos associados a um plano, ele faz corresponder a cada ponto do plano um par ordenado e vice-versa. Quando os eixos desse sistemas são perpendiculares na origem, essa correspondência determina um sistema cartesiano ortogonal ( ou plano cartesiano). Assim, há uma reciprocidade entre o estudo da geometria (ponto, recta, circunferência) e da Álgebra (relações, equações etc.), podendo-se representar graficamente relações algébricas e expressar algebricamente representações gráficas. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir: e representar geométrica e analiticamente uma recta; ▪ Identificar: os deferentes tipos de rectas; ▪ Identificar: recta(s) na vida real; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 71 A recta A recta, como o meu professor dizia, é um ponto em movimento. O que são os traços da recta? O traço frontal de uma recta (ponto F) é o ponto onde a recta intersecta o Plano Frontal de Projecção, e o traço horizontal (ponto H) é o ponto onde a recta intersecta o Plano Horizontal de Projecção. O que são os pontos notáveis de uma recta? O ponto Q é o ponto onde a recta intersecta com o β1/3, o ponto I é o ponto onde a recta intersecta o β2/4. Alfabeto da Recta A recta de nível ou horizontal é paralela ao Plano Horizontal de Projecção,o que significa que não tem traço horizontal, e obliqua ao Plano Frontal de Projecção. A sua projecção frontal (n2) fica paralela a x. Todos os pontos dessa recta estão na mesma projectante frontal, isto é, todos os pontos têm a mesma cota. http://dimensaogeometrica.blogspot.com/2010/06/recta.html http://1.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBOnb-d4ptI/AAAAAAAAAU0/lUru6sxDJLQ/s1600/recta.jpg http://2.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBPinL-YU8I/AAAAAAAAAU8/U_tPl9Ea2C0/s1600/recta+nivel.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 72 A recta frontal ou de frente é paralela ao Plano Frontal de Projecção, o que significa que não tem traço frontal, e obliqua ao Plano Horizontal de Projecção. A sua projecção horizontal (f1) fica paralela a x. Todos os pontos pertencentes à recta estão na mesma projectante horizontal, isto é, têm o mesmo afastamento A recta fronto-horizontal é duplamente paralela, ou seja, é paralela ao Plano Horizontal e Frontal de Projecção, o que significa que esta recta não tem traço horizontal nem traço frontal. As duas projecções são paralelas a x. Os pontos pertencentes à recta estão na mesma projectante frontal e horizontal, pois, têm todos o mesmo afastamento e a mesma cota, o que muda é a abcissa. A recta de topo é paralela ao Plano Horizontal de Projecção, o que significa que não tem traço horizontal, e perpendicular ao Plano Frontal de Projecção. A projecção horizontal da recta é perpendicular a x e a projecção frontal é um ponto. Todos os ponto pertencente a recta estão na mesma projectante frontal, ou seja, têm todos a mesma cota. http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBPthJZCcMI/AAAAAAAAAVE/b5nKlobPO9U/s1600/recta+frontal.jpg http://2.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBPunl4qa3I/AAAAAAAAAVM/JVCfflHmouA/s1600/recta+fronto-horizontal.jpg http://2.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBPv1HjEQAI/AAAAAAAAAVU/yXDDX1eeen4/s1600/recta+de+topo.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 73 A recta vertical é paralela ao Plano Frontal de Projecção, o que significa que não tem traço frontal, e perpendicular ao Plano Horizontal de Projecção. A sua projecçãofrontal fica perpendicular a x e a projecção horizontal é um ponto. Todos os pontos nesta recta têm o mesmo afastamento porque estão na mesma projectante horizontal. A recta obliqua é obliqua aos Planos de Projecção, o que significa que tem os dois traços, tanto o frontal como o horizontal. Ambas as projecções da são obliquas a x. A recta de perfil é obliqua aos Planos de Projecção e paralela ao Plano de Perfil, tem o traço horizontal como o traço frontal da recta. Tem as suas projecções são coincidentes e perpendiculares ao eixo x. Não fica definida somente pelas suas projecções, precisamos das projecções de dois pontos. http://2.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBPx-9mlX2I/AAAAAAAAAVc/RSbTw9rD0lY/s1600/recta+vertical.jpg http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBP1t6IbhXI/AAAAAAAAAVs/Fr5ttu7P18Y/s1600/recta+obliqua.jpg http://3.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBP2vvxjDyI/AAAAAAAAAV0/P5AHCQosKYM/s1600/recta+de+perfil.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 74 A recta passante obliqua é obliqua ao Plano de Perfil. A recta passa pelo eixo x, o que significa que os traços e os pontos notáveis da recta estão todos em x, e ambas as projecções da recta intersectam em x. Igual à recta passante obliqua, só que esta é paralela ao Plano de Perfil. A Recta na vida real http://3.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBP9ll0Hy8I/AAAAAAAAAV8/HCSFJaJpK8o/s1600/recta+passanteobliqua.jpg http://1.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBQBO33TDVI/AAAAAAAAAWE/COcSiX1XN3c/s1600/recta+passanteperfil.jpg http://1.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBQCFExyfOI/AAAAAAAAAWM/J3x7EFm0hTI/s1600/DSC00821.JPG UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 75 Se considerarmos a parede da frente o nosso Plano Frontal de Projecção, então a recta a (verde) é uma recta frontal, a recta b (vermelha) é uma recta vertical e a recta c (azul) é uma recta fronto- horizontal. Se a parede da frente for considerada o nosso Plano Frontal de Projecção e a parede lateral for o nosso Plano de Perfil de Projecção, então a recta a (azul) é uma recta fronto-horizontal, a recta b (verde) é vertical e a recta p (vermelha) é de perfil. A recta azul é uma recta obliqua e a laranja é uma recta de perfil. Como saber se um ponto pertence á recta? http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBQDB-0-yvI/AAAAAAAAAWU/yw7Z6E4i2hE/s1600/DSC00822.JPG http://3.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBTKhye1DMI/AAAAAAAAAXk/H9A0fdC7l0Y/s1600/DSC00232.JPG UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 76 Para um ponto pertencer a uma recta tem obrigatoriamente de a projecção 1 do ponto estar sob a projecção 1 da recta e a projecção 2 do ponto estar sob a projecção 2 da recta. O Ponto H, F e B são os únicos pontos pertencentes à recta, porque o ponto A, tem as projecções contrárias as projecções da recta, o ponto C só a projecção frontal é coincidente com a projecção frontal da recta e o ponto D, só a projecção horizontal é coincidente com a projecção horizontal da recta. Regra: As projecções do mesmo nome do Ponto têm de pertencer às projecções do mesmo nome da Recta. Como achar os traços e os pontos notáveis da recta? Se seguirmos a projecção 1(horizontal) da recta quando ela intersecta x encontramos aí o F1, fazemos linha de chamada prependicular a x e quando intersectar a projecção 2 (frontal) temos F2. Se fizermos o mesmo com a projecção frontal, quando intersectar x, temos H2. Quando as duas projecções da recta se intersectam, temos aí o ponto I. http://3.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBQGmtmuUkI/AAAAAAAAAWc/HqbM8Tih2yA/s1600/recta-ponto.jpg http://3.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBQK-dBXVNI/AAAAAAAAAWk/VOCw0g6w_z8/s1600/recta-tra%C3%A7os.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 77 Se unirmos de H1 a F2 teremos uma linha que quando intersectar x temos o Q0, desse modo, fazemos uma linha de chamada prependicular a x, onde a linha de chamada intersectar a2, termos, então, Q2, e quando intersectar a1, temos Q1. Outra maneira de determinar o Q Normalmente, para acharmos o ponto Q, unimos H1 a F2, e quando a recta não tem um dos traços? Por exemplo, nas rectas de nível, calculamos o ângulo que a projecção horizontal faz com o eixo x, e traçamos uma linha auxiliar com o mesmo ângulo para cima, onde a linha auxiliar intersectar a projecção frontal, temos Q2. O que acontece quando uma recta não tem Q? Por exemplo, uma recta passante, que tenha as projecções a fazerem o mesmo ângulo com x, significa que não tem Q, ou melhor, esta recta pertence ao β1/3. Quando não tem Q, significa que a recta ou pertence ao β1/3, ou é paralela a ele. Que acontece quando a recta não tem I? http://3.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBR543rxSEI/AAAAAAAAAWs/e0qBqMIYHQM/s1600/Q7.jpg http://2.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBR7yC2zd2I/AAAAAAAAAW0/kEGkrzhdSb0/s1600/q.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 78 Uma recta tem as projecções paralelas entre si, significa que só se irão cruzar no infinito (nunca), ou seja, a recta não tem ponto I, significa que ou a recta pertence ao β2/4 ou é paralela a ele, como no exemplo acima. Rectas Paralelas Duas rectas para serem paralelas têm de obrigatoriamente ter as projecções do mesmo nome paralelas entre si. Rectas concorrentes http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBR-AxHC1sI/AAAAAAAAAW8/sBbWImtTD1M/s1600/i.jpg http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBSAZSwgVuI/AAAAAAAAAXE/QCqak__g0tY/s1600/parelelas1.jpg http://2.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBSAm_1cp5I/AAAAAAAAAXM/we16dL7JThc/s1600/parelelas2.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 79 Duas rectas para serem concorrentes têm de ter um ponto em comum. Rectas Ortogonais Por exemplo, numa recta de nível, olhamos para a projecção horizontal e parecem concorrentes, mas depois olhando para a projecção frontal vemos que elas não se cruzam realmente, pois possuem cota diferente. Isto é, duas rectas ortogonais, são aquelas que vistas numa projecção parece que fazem um ângulo de 90º(somente são ortogonais se fizerem 90º) e na realidade não se tocam. http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBSCqi_X1VI/AAAAAAAAAXU/z3vdxyq4Kx8/s1600/concorrentes1.jpg http://1.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBSC4P0mlnI/AAAAAAAAAXc/reNvpkrkDIA/s1600/concorrentes2.jpg http://1.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBTPFjKkBqI/AAAAAAAAAXs/M64k43MyAA0/s1600/rectas+ortogonais.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 80 E nas rectas frontais: Como definir o percurso da recta? Fazendo duas rectas paralelas a x, puxasse as linhas auxiliares dos traços e dos pontos notáveis da recta. Na linha de cima insere-se os diedro, na linha de baixo os octantes. No final carregasse a recta que está no I diedro. http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBTPgK_BmzI/AAAAAAAAAX0/6HBP_itCy1g/s1600/rectas+ortogonais2.jpg http://4.bp.blogspot.com/_e2s3MNaSvN8/TBZI4e-uYuI/AAAAAAAAAaE/dzftgmmy1bc/s1600/Percurso.jpg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 81 Sumário Nesta Unidade Temática 2.3. estudamos: A Recta; Alfabeto da Recta: A Recta Frontal; A Recta Fronto-Horizontal; A Recta do topo Recta na vida Real Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. O valor de k para que a equação kx – y – 3k + 6 = 0 represente a reta que passa pelo ponto (5,0) é: a) 3 b) -3 c) -6 d) 6 2. Seja a recta cuja equação é dada por y – 2x -10 = 0, é correto afirmar que essa reta passa por quais dos dois pontos citados a seguir? a) A(5 ; 0) e B(-20 ; 35). b) C(12 ; 21) e D(0 ; 20). c) E(14 ; -15) e F(-7 ; 7). d) G(5; 30) e H(0,5 ; 4). e) A(0 ; 10) e B(-13 ; -16). 3. O coeficiente angular da reta cuja equação é 4x+ 2 y – 7 = 0 é igual a: a) 0,5 b) -0,5 c) 2 d) -2 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 82 Respostas 1. Como queremos que a recta passe pelo ponto (5, 0), vamos substituir na equação os valores de x e y. kx – y – 3k + 6 = 0 k.5 – 0 – 3k + 6 = 0 5k – 3k + 6 = 0 2k = -6 k = -6/2 k = -3 Resposta: B 2. A única forma de achar a resposta correta e testar cada uma das opções, onde ambos os pontos devem pertencer à reta. a) A(5 ; 0) e B(-20 ; 35). Testando o ponto A y – 2x -10 = 0 0 – 2.5 – 10 = 0 -20 = 0 (Falso) Conclusão: O ponto A não pertence à reta. b) C(12 ; 21) e D(0 ; 20). Testando o ponto C y – 2x -10 = 0 21 – 2.12 – 10 = 0 21 – 24 – 10 = 0 -13 = 0 (Falso) Conclusão: O ponto C não pertence à reta. c) E(14 ; -15) e F(-7 ; 7). Testando o ponto E y – 2x -10 = 0 -15 – 2.14 – 10 = 0 -15 – 28 – 10 = 0 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 83 -53 = 0 (Falso) Conclusão: O ponto E não pertence à reta. d) G(5 ; 30) e H(0,5 ; 4). Testando o ponto G y – 2x -10 = 0 30 – 2.5 – 10 = 0 30 – 10 – 10 = 0 10 = 0 (Falso) Conclusão: O ponto G não pertence à reta. e) A(0 ; 10) e B(-13 ; -16) Testando o ponto A y – 2x -10 = 0 10 – 2.0 – 10 = 0 10 – 0 – 10 = 0 0 = 0 (Verdadeiro) Conclusão: O ponto A pertence à reta. Testando o ponto B y – 2x -10 = 0 -16 – 2.(-13) – 10 = 0 -16 + 26 – 10 = 0 0 = 0 (Verdadeiro) Conclusão: O ponto B pertence à reta. Resposta: E 3. Para descobrirmos o coeficiente angular de uma reta, basta que saibamos a equação reduzida. A questão apresentou a equação geral da reta. Podemos transformá-la na forma reduzida apenas isolando y. Veja: 4x+ 2 y – 7 = 0 2y = -4x + 7 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 84 y = (-4x + 7) / 2 y = -2x + 7/2 Daí, o coeficiente angular é igual a -2. Resposta: D UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 85 Ques 01. (FEI) As retas 2x - y = 3 e 2x + ay = 5 são perpendiculares. Então: a) a = -1 b) a = 1 c) a = -4 d) a = 4 e) n.d.a. 02. Determinar a reta perpendicular a 2x - 5y = 3 pelo ponto P(-2; 3). 03. (USP) A equação da reta que passa pelo ponto (3; 4) e é paralela à bissetriz do 2° quadrante é: a) y = z - 1 b) x + y - 7 = 0 c) y = x + 7 d) 3x + 6y = 3 e) n.d.a. 04. Determinar o ponto B simétrico de A(-4; 3) em relação à reta x + y + 3 = 0. 05. Determinar a reta perpendicular à reta de equação x + 2y - 3 = 0 no seu ponto de abscissa igual a 5. 06. Determinar a equação da mediatriz do segmento de extremos A(-3; 1) e B(5; 7). 07. As retas (r) 2x + 7y = 3 e (s) 3x - 2y = -8 se cortam num ponto P. Achar a equação da reta perpendicular a r pelo ponto P. 08. As retas 3x + 2y - 1 = 0 e -4x + 6y - 10 = 0 são: a) paralelas b) coincidentes c) perpendiculares d) concorrentes e não perpendiculares UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 86 e) n.d.a. 09. (USP) A equação da reta passando pela origem e paralela à reta determinada pelos pontos A(2; 3) e B(1; -4) é: a) y = x b) y = 3x - 4 c) x = 7y d) y = 7x e) n.d.a 10. Os pontos P(x, y) tais que | x | + | y | = 4 constituem: a) um par de retas b) um par de semi-retas c) o contorno de um quadrado d) quatro retas paralelas e) o contorno de um triângulo Respostas/Resolução: 01. D 02. D 03. B 04. B = (-6; 1) 05. 2x - y - 11 = 0 06. 4x + 3y - 16 = 0 07. 7x - 2y + 16 = 0 08. C 09. D 10. C UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 87 Unidade Temática 2.4. Posição Relativa de duas Rectas. Introução As figuras planas e espaciais são formadas pela intersecção de retcas e planos pertencentes ao espaço. Dentre as posições relativas, podemos destacar: Posição relativa entre duas rectas Nesta Unidade Temática iremos analizar e discutir casos de duas rectas distintas a assumirem as seguintes posições relativas no espaço: Rectas paralelas: duas rectas são paralelas se pertencerem ao mesmo plano (coplanares) e não possuírem ponto de intersecção ou ponto em comum. Rectas coincidentes: pertencem ao mesmo plano e possuem todos os pontos em comum. Rectas concorrentes: duas retas concorrentes possuem apenas um ponto comum. Não é necessário que pertençam ao mesmo plano. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 88 Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Identificar elemento visual: linha e formas geométricas; ▪ Explorar: os termos rectas paralelas e rectas perpendiculares; ▪ Identificar: rectas na victa real, profissional, nas obras de engenharia (estrada, pontes, edifícios, etc); ▪ Construir: desenhos utilizando as formas geométricas; ▪ Identificar: a localização em mapas; Posições relativas de duas Rectas Considere duas rectas distintas do plano cartesiano: Podemos classificá-las como paralelas ou concorrentes. Rectas Paralelas As retas r e s têm o mesmo coeficiente angular. Assim para r//s, temos: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 89 Rectas Concorrentes As retas r e s têm coeficientes angulares diferentes. Assim para r e s concorrentes, temos: Rectas Perpendiculares/Ortogonais É um caso particular de reta concorrente. Duas retas são ditas perpendiculares quando os seus coeficientes angulares são tais que: Sumário Nesta Unidade Temática 2.4. estudamos: 1. Rectas Paralelas e; 2. Rectas Concorrentes UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 90 Exercícios 1. Indique a recta paralela a y=3x-3? a) y=2x-3 b) y=3x+1 c) y=-3x d) y=-2x+3 2. Indique a recta paralela a y=0.5x-9? a) y=2x-3 b) y=3x+1 c) y=-3x d) y=(1/2)x+3 Indique o valor lógico 3. As rectas 2y=4x-1 e y=x são paralelas 4. As rectas y=-3x-1 e y=-x+1 são decrescentes 5. As rectas y=-2x-1 e y=7x+4 são decrescentes 6. As rectas y=5x-1 e y=5x+3 são incidentes Respostas 1. b) e 2. d), 3. F, 4. V, 5. F, 6. F 1. Verifique o posicionamento da reta r, dada pela equação 2x + y – 1 = 0 em relação à circunferência de equação x² + y² + 6x – 8y = 0. 2. Dada a reta s representada pela equação 2x – y + 1 = 0 e a circunferência de equação x² + y² – 2x = 0, determine a posição relativa entre elas. 3. Determine o valor de w sabendo que a reta de equação x – y + w = 0 é tangente à circunferência de equação x² + y² = 9. 4. Determine o comprimento da corda determinada pela intersecção da reta r, de equação x + y – 1 = 0, com a circunferência de equação x² + y² + 2x + 2y – 3 = 0. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 91 5. A distância entre os pontos de intersecção da reta com a circunferência x² + y² = 400 é: a) 16√5 b) 4√5 c) 3√3 d) 4√3 e) 5√7 6. O valor de k que transforma a equação x² + y² – 8x + 10y + k = 0 na equação de uma circunferência de raio 7 é: a) –4 b) –8 c) 5 d 7 e) –5 Resposta Questão 1 Determinar as coordenadas do centro da circunferência é a medida do raio: x² + y² + 6x – 8y = 0 x² + 6x + y² – 8y = 0 x² + 6x → completando o trinômio x² + 6x + 9 = (x + 3)² y² – 8y → completando o trinômio y² – 8y + 16 = (y – 4)² x² + 6x + y² – 8y = 0 x² + 6x + 9 + y² – 8y + 16 = 9 + 16 (x + 3)² + (y – 4)² = 25 UnISCEDMATEMÁTICA APLICADA 92 A fórmula geral de uma equação da circunferência é dada por (x – a)² + (y – b)² = r², dessa forma: Coordenadas do centro: (–3; 4) Medida do raio: 5 Determinando a distância entre o centro e a reta Reta r: 2x + y – 1 = 0 Temos que a distância é menor que o raio, pois 1,3 < 5. Dessa forma, a recta é secante à circunferência. Resposta Questão 2 Vamos estabelecer um sistema entre as duas equações: Reta: 2x – y + 1 = 0 Circunferência: x² + y² – 2x = 0 Resolvendo o sistema pelo método da substituição: Isolando y na 1ª equação: 2x – y + 1 = 0 – y = –1 – 2x y = 1 + 2x Substituindo y na 2ª equação: x² + (1 + 2x)² – 2x = 0 x² + 1 + 4x + 4x² – 2x = 0 5x² + 2x + 1 = 0 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 93 ∆ = b² – 4ac ∆ = 2² – 4 * 5 * 1 ∆ = 4 – 20 ∆ = –16 Quando ∆ < 0, a equação não possui raízes. Dessa forma o sistema não possuirá soluções. Portanto, a reta é externa à circunferência. • Resposta Questão 3 Se a reta é tangente à circunferência, temos que a distância do centro até a reta possui a mesma medida do raio. Em razão da equação x² + y² = 9, podemos dizer que o centro corresponde a (0; 0) e o raio igual a 3, pois x² + y² = 9 → (x + 0)² + (y + 0)² = 3². Distância do centro (0; 0) à recta x – y + w = 0, onde a = 1, b = –1 e c = w: Calculando w de acordo com d = r: O valor de w é igual a + 3√2 ou –3√2. • Resposta Questão 4 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 94 AB = medida da corda CM = distância entre centro e reta AM = metade da medida da corda → AB/2. No triângulo AMC aplicaremos o teorema de Pitágoras, mas para isso precisaremos determinar a distância CM e o raio da circunferência, dado por CA. Centro da circunferência x² + y² + 2x + 2y – 3 = 0 x² + 2x + y² + 2y = 3 x² + 2x + 1 + y² + 2y + 1 = 3 + 1 + 1 (x + 1)² + (y + 1)² = 5 Centro (–1, –1) e raio = √5. Reta: x + y – 1 = 0 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 95 A medida da corda AB de acordo com a situação proposta é AB = √2. • Resposta Questão 5 Resolver o sistema de equações: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 96 Simplificando a 1ª equação: Substituindo x na 2ª equação: x² + y² = 400 x² + (20 – 2x)² = 400 x² + 400 – 80x + 4x² ¬– 400 = 0 5x² – 80x = 0 5x * (x – 16) = 0 5x = 0 x’ = 0 x – 16 = 0 x’’ = 16 Para x = 0, temos: y = 20 – 2x y = 20 – 2*0 y = 20 (0; 20) Para x = 16, temos: y = 20 – 2x y = 20 – 2 * 16 y = 20 – 32 y = – 12 (16; –12) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 97 Os pontos de intersecção são (0; 20) e (16; –12). Determinando a distância entre os pontos: Resposta item a. • Resposta Questão 6 x² + y² – 8x + 10y + k = 0 Encontrar a equação reduzida (completar os trinômios) x² – 8x + y² + 10y = –k x² – 8x + 4 + y² + 10y + 25 = – k + 4 + 25 (x – 4)² + (x + 5)² = –k + 41 Temos que o raio será dado por: –k + 41 = 7² –k = 49 – 41 –k = 8 k = 8 Resposta: alternativa b. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 98 Unidade 2.5. Perpendicularidades. Introução Dentre as posições relativas entre planos e retas, destaca-se a perpendicularidade que assume algumas características que a difere das outras posições. Cada uma dessas relações de perpendicularidade está ilustrada abaixo: Perpendicularidade entre rectas Duas retas distintas pertencentes ao mesmo plano ou não serão perpendiculares se formarem um ângulo reto no seu ponto de encontro. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir: rectas perpendiculares; ▪ Reconhcer: e criar gráficos e equações de rectas perpendiculares ▪ Entender, Identificar e aplicar na prática: a perpendicularidade entre rectas e planos e entre Planos; Perpendicularidade Perpendicularidade. Em geometria, perpendicularidade é uma noção que indica se dois objectos (rectas, Planos, etc) fazem entre si um ângulo de 90º (Observe a figura a baixo). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 99 • Perpendicularidade entre plano e recta Um plano α será perpendicular a uma recta t se todas as retas pertencentes a esse plano α e concorrentes a essa recta t (tiver um ponto comum) forem perpendiculares à reta t. • Perpendicularidade entre planos Dois planos serão perpendiculares se um deles contiver uma reta que http://www.google.co.mz/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=N0rEi_mDWK9T7M&tbnid=OKCvZoVxfxdsoM:&ved=0CAgQjRw&url=http://www.mundoeducacao.com/matematica/perpendicularidade.htm&ei=4GoVVIb4DpDkaMPTgrAB&psig=AFQjCNEGhzcBL_kNXpJmYY_IDP-DYrvgYQ&ust=1410776160273243 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 100 seja perpendicular ao outro plano. Sumário Nesta Unidade Temática 2.5. estudamos 1. Perpendicularidade; 2. Perpendicularidade entre Plano e Recta e; 3. Peprpendicularidade entre Planos EXERCÍCOS 1. Indique a recta perpendicular a y=0.25x+4? a) y=2x-3 b) y=3x+1 c) y=-4x d) y=-2x+3 2. Indique a recta perpendicular a y=-10x+7? a) y=-0.1x-3 b) y=3x+1 c) y=-3x d) y=(1/2)x+3 Indique o valor lógico 3. As rectas y=-2x-4 e y=0.5x formam um angulo recto 4. As rectas y=-3x-1 e y=-3x+1 formam um angulo recto 5. As rectas y=-x-1 e y=x+4 são ortogonais UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 101 6. As rectas y=5x-1 e y=5x+3 formam um angulo recto Respostas 1. c) 2. a) 3. V, 4. F, 5. V, 6.F • Questão 1 • Encontre a equação da recta s, perpendicular à reta t: 2x + 3y – 4 =0, sabendo que ela passa pelo ponto P(3,4). • Questão 2 Considere no plano cartesiano uma recta r de equação 3x + 5y +1 =0 e um ponto Q de coordenadas (5,5). Determine a equação da recta s perpendicular a r passando por Q. • Questão 3 Prove que as retas s: x + 2y – 1 = 0 e r: 4x – 2y +12 = 0 são perpendiculares. • Questão 4 Encontre a equação da reta t que passa pelo ponto X(-1,8) e é perpendicular à bissetriz dos quadrantes ímpares. • Questão 5 Prove que a bissetriz dos quadrantes ímpares é perpendicular à bissetriz dos quadrantes pares. Respostas • Resposta Questão 1 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 102 • Resposta Questão 2 • Resposta Questão 3 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 103 • Resposta Questão 4 • Resposta Questão 5 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 104 TEMA III: FUNÇÕES Unidade 3.1. Funções Unidade 3.2 Gráficos de Funções Unidade 3.3. Propriedades de Funções. Unidade Temática 3.1. Funções. Introução Função é um dos conceitos mais importantes da matemática. Existem várias definições, dependendo da forma como são escolhidos os axiomas. Uma relação entre dois conjuntos, onde há uma relação entre cada um de seus elementos. Uma função é uma aplicação entre conjuntos, de partida e de chegada. As funções descrevem fenómenos numéricos e podem representar-se através de gráficos sobre eixos cartesianos. O gráfico de uma função permite ver, muito facilmente, toda a sua evolução. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 105 Porém, por vezes, pode ser mais cómodo trabalharcom a equação (expressão analítica) ou fórmula da função, já que com ela temos à nossa disposição o conjunto de operações que devemos aplicar à variável independente, normalmente representada por x, para obter a variável dependente, normalmente representada por y. Podemos, então, imaginar que uma função é uma máquina em que introduzimos um número x do conjunto de partida, dela saindo o número f(x) o mesmo que y. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específico ▪ Definir: entender e interpretar funções de reais de variável real; ▪ Representar : graficamente funções; ▪ Fazer operações: com funções; ▪ Fazer: Composição de funções; ▪ Fazer: inversão de funções; ▪ Entender e aplicar na prática: o conceito de função pá e ímpar; Funções Uma função é uma aplicação entre conjuntos numéricos. Para indicar que entre dois conjuntos A e B há uma função utilizaremos a notação: f : A B Existem várias formas de expressar uma função: y = ax + b f (x) = ax + b entre outras. Se f for uma função e f(x) = y, diremos que y é a imagem de x pela função e que x é o original, anti-imagem ou objecto de y pela função. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 106 Em toda a função entre dois conjuntos A B os elementos do conjunto A recebem o nome de variável da função. Exemplificando, tomemos a função: f : IN Z f(x) = 5x + 2 f (2) = 5.2 + 2 = 12; 12 IN diremos que 12 é a imagem de 2, e que 2 é o objecto ou anti-imagem de 12. Funções Reais de Variável Real Uma função real de variável real é uma função em que tanto os elementos do conjunto de partida ou conjunto dos objectos como os do conjunto de chegada ou conjunto imagem são números reais, isto é, pertencem ao conjunto IR, e representa-se por: f : IR IR As funções f(x) = x + 3, f(x) = x2 + 2x + 1, f(x) = 3x + 1/2, são exemplos de funções reais de variável real. Se dermos a x um valor real, ao realizar as operações obteremos sempre um número real f(x). Pode acontecer que nem todos os números reais tenham imagem pela função. O conjunto formado pelos números reais que têm imagem chama-se domínio. Em geral, uma função real de variável real tem a seguinte expressão: f : A R sendo A um subconjunto de R, que irá corresponder ao domínio da função. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 107 Representação Gráfica de uma Função Dado que o conjunto dos números reais se pode representar sobre uma recta, o método de coordenadas cartesianas serve para representar funções. Observemos os gráficos das figuras. Como podemos observar, a variável independente x é representada sobre o eixo das abcissas e a variável dependente y sobre o eixo das ordenadas. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 108 Operações com Funções 1. Produto de uma função por um número real (kf )(x) = k * f(x) O produto é uma nova função, de forma que a cada valor de x corresponde k vezes o valor de f. Exemplo: f : R R f(x) = 3x + 2 5f : R R (5f)(x) = 5 * f(x) = = 5 * (3x + 2) = 15x + 10 Soma de funções Temos f(x) = 2x + 2 e g(x) = - x - 1. Se somarmos membro a membro obtemos: f(x) + g(x) = (2x + 2) + (-x - 1) = 2x - x +2 -1 = x + 1 (f + g) (x) = x + 1 Vamos verificar o que obtivemos: f(1) = 2 * 1 + 2 = 4 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 109 g(1) = - (1) - 1 = -1 - 1 = -2 f(1) + g(1) = 4 + (-2) = 4 - 2 = 2 (f + g) (1) = (1) + 1 = 2 Vemos que, para cada objecto x, somando as respectivas imagens de f(x) e de g(x) obtemos exactamente o mesmo valor que obtemos ao calcular (f + g) (x). Então, em geral, podemos escrever: (f + g) (x) = f(x) + g(x) Produto de funções Seguindo o mesmo procedimento que para a soma de funções, considerando f(x) = x e g(x) = -x + 2, o produto das funções será: (f * g) (x) = f(x) * g(x) = x*(-x + 2) = -x2 + 2x (f * g) (x) = -x2 + 2x Verificamos que: f(1) = 1 g(1) = - (1) + 2 = -1 + 2 = 1 f(1) * g(1) = 1 * 1 = 1 (f * g) (1) = -(1)2 + 2 * 1 = -1 + 2 = 1 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 110 Vemos que, de forma análoga ao que ocorre com a soma de duas funções, para cada objecto x, multiplicando as respectivas imagens de f(x) e de g(x) obtemos exactamente o mesmo valor que obtemos ao calcular (f * g) (x). Em geral, escrevemos: (f * g) (x) = f(x) * g(x) Composição de funções A composição de uma função f com outra função g é uma nova função, representada por g º f, definida por: (g ° f) (x) = g [f(x)] Primeiro determinamos f(x) e o resultado obtido é o objecto para a função g. Exemplificando, seja f(x) = x + 1 e g(x) = x2 , temos (g ° f) (x) = g [f(x)] =g [x + 1] = (x + 1)². Mas atenção, é diferente se tivermos: (f ° g) (x) = f [g(x)] = f [x²] = x² + 1. Inverso da função e função inversa Quando temos uma função f, tal que para qualquer x do domínio verificamos que f(x) 0, podemos dizer que existe o inverso da UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 111 função de f, e representamo-la por 1/f. Podemos ver um exemplo representado na figura seguinte: Se f for uma função injectiva, a função inversa de f é uma nova função, que se representa por , em que os objectos são as imagens dadas por f. Seja f a função definida por y = 3x - 5, a expressão que define determina-se resolvendo a equação y = 3x - 5 em ordem a x: y = 3x - 5 <=> 3x = y + 5< => x = (y + 5)/3 logo vem: O domínio da função inversa é o contradomínio ou conjunto das imagens da função f. O gráfico da função inversa é simétrico do gráfico de f em relação à bissectriz y = x. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 112 Função par e função ímpar Damos o nome de função par à que é simétrica em relação ao eixo das ordenadas, ou seja, que verifica: f(-x) = f(x) O gráfico de uma função par fica determinado se conhecermos a forma que assume para os números positivos. Para visualizar este facto vejamos as seguintes figuras: Damos o nome de função ímpar à função que é simétrica em relação à origem das coordenadas, ou seja, quando se verifica que: f(-x) = - f(x) O gráfico de uma função ímpar fica determinado se conhecermos a forma que assume para valores positivos. Vejamos as figuras: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 113 Função linear e função afim As funções da forma f(x) = kx são chamadas funções lineares ou função de proporcionalidade, onde k é uma constante numérica e nos dá o declive da recta. O gráfico deste tipo de funções é uma recta que passa pelo centro de coordenadas (0,0). As funções da forma f(x) = kx + p recebem o nome de funções afins. O seu gráfico é uma recta que não passa pelo centro de coordenadas (0,0) e é paralela à correspondente função linear g(x) = kx. p é a ordenada na origem ou ponto de intersecção da recta com o eixo das ordenadas. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 114 As funções lineares e afins são chamadas funções polinomiais do primeiro grau. Sumário Nesta Unidade Temática 3.1. estudamos: 1. Conceito de função; 2. Representação gráfica de função; 3. Operações com funções; 4. Função inversa; 5. Função par e ímpar; 6. Função linear e função a fim Exercícios de AUTOAVALIÇÃO 1. Considerando uma função real f: R → R que satisfaça à condição f(x+1) = 1/f(x), paracada x∈R, julgue os seguintes itens. a) Se uma f função satisfaz a essa condição, então f(-2) = f(2). b) Se, em um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais xOy, o gráfico de f for uma reta, então essa reta é paralela ao eixo Ox. 2. Considere que, em 2009, tenha sido construído um modelo linear para a previsão de valores futuros do número de acidentes ocorridos nas estradas brasileiras. Nesse sentido, suponha que o número de acidentes no ano t seja representado pela função F(t) = At + B, tal que F(2007) = 129.000 e UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 115 F(2009) =159.000. Com base nessas informações e no gráfico apresentado, julgue os itens a e b. a) O valor da constante A em F(t) é superior a 14.500. b) A diferença entre a previsão para o número de acidentes em 2011 feita pelo referido modelo linear e o número de acidentes ocorridos em 2011 dado no gráfico é superior a 8.000. 3. A função g(x) = 84.x representa o gasto médio, em reais, com a compra de água mineral de uma família de 4 pessoas em x meses. Essa família pretende deixar de comprar água mineral e instalar em sua residência um purificador de água que custa R$ 299,90. Com o dinheiro economizado ao deixar de comprar água mineral, o tempo para recuperar o valor investido na compra do purificador ficará entre A. dois e três meses. B. três e quatro meses. C. quatro e cinco meses. D. cinco e seis meses. E. seis e sete meses. 4. Considere o gráfico da função. Para quais valores de x a função é crescente? Respostas 1. a) Vamos utilizar basicamente a relação f(x+1) = 1/f(x). ✓ f(2) = f(1+1) = 1/f(1) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 116 ✓ f(1) = f(0+1) = 1/f(0) ✓ f(0) = f(-1+1) = 1/f(-1) ✓ f(-1) = f(-2+1) = 1/f(-2) Temos 4 relações, vamos substituir uma na outra, começando por a até chegar em d: f(2) = 1/f(1) = 1/1/f(0) = f(0) = 1/f(-1) = 1/1/f(-2) = f(-2) Resposta: Afirmação correta b) Resolução: Pelo exercício anterior, temos f(2) = f(0) = f(-2). Veja que se o gráfico for uma reta, ela deve passar obrigatoriamente pelos 3 pontos que são colineares. Resposta: Afirmação correta 2. a) Basta observar que temos uma função afim, onde sabemos dois pontos, assim fica fácil descobrir os valores de A e B. 1) 129000 = 2007A + B 2) 159000 = 2009A + B 1) 129000 – 2007A = B 2) 159000 – 2009A = B Daí, 129000 – 2007A = 159000 – 2009A 2009A – 2007A = 159000 – 129000 2A = 30000 A = 30000/2 = 15000 Questão CORRETA b) Resolução: Como já sabemos o valor de A, vamos agora descobrir o valor de B: F(2009) = 159000 159000 = 2009A + B 159000 = 2009.15000 + B B = 159000 – 30135000 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 117 B = – 29976000 Temos então que nossa função é: F(t) = 15000t – 29976000 F(2011) = 15000.2011 – 29976000 F(2011) = 189000 e em 2011 tiveram 189000 acidentes Questão ERRADA. 3. Como a função afim g(x) representa o gasto médio e queremos saber quando o investimento de 299,90 será recuperado, basta igualarmos: 84.x = 299,90 x = 299,90 / 84 x = 3,57 Logo, entre 3 e 4 meses. Resposta: B 4. A função é crescente para x < 2 e decrescente para x > 2. O intervalo onde x é menor que 2 pode ser representado por ]-∞, 2[. Observe que temos um intervalo aberto em 2 pois neste ponto a função não é crescente nem decrescente. Resposta: B 1) Dada a função , definida pela fórmula f(x)=2x²+1. Determine a sua imagem: Resolução: Neste exercício, o domínio é dado, e é D={-3, 2, 0, } e o contradomínio são todos números reais. Como já estudamos, a imagem de um número é o elemento pertencente ao contradomínio que se encontra no conjunto de chegada, está relacionado à este número, e para achar estes número devemos aplicar sua lei de formação (a expressão analítica): - a imagem do -3 é também representada por f(-3), e f(-3)=2.(-3)² +1, então f(-3)=19 - f(2)=2.(2)²+1, então f(2)=9 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 118 - f(0)=2.(0)²+1, então f(0)=1 - f( )=2.( )²+1, então f( )=11 Agora que já achamos as imagens de todos pontos do domínio, podemos dizer que o conjunto imagem desta função é Im={19, 9, 1, 11} 2) Dado o esquema abaixo, representando uma função de "A" em "B", determine: a) O Domínio: b) A imagem c) f(5) d) f(12) Resolução: a) Como vimos nas lições, o conjunto em que as flechas saem, é o conjunto Domínio, esta é barbada D={5, 12, 23}. b) Conjunto Imagem é todos os elementos do contradomínio (conjunto "B") em que há relacionamento com o Domínio, então: Im={7, 14, 25} c) Nunca esquecendo que, perguntar qual a f(5) é a mesma coisa que perguntar qual a imagem do ponto 5. f(5)=7 d) Como no exercício anterior: f(12)=14. 03 -Um táxi começa uma jornada, partindo da baixa da Cidade da Beira para o Aeroporto, com o taxímetro a marcar 40,00MT. Cada quilômetro andado custa 30,00MT. Se ao final da jornada (chegado no Aeroporto Internacional da Beira), o passageiro pagou 720,00MT, a quantidade de quilômetros percorridos foi de: a)26 b)11 c)33 d)22 e)32 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 119 Resolução: A função será y = f(x) = 30x + 40, onde y (preço a ser pago) está em função de x (número de quilômetros anddados) y = 30x + 40 Se o passagéiro pagou 720,MT esse é o y, assim encontramos o número de quilômetros rodados x: 720 = 30x + 40 30x + 40 = 720 30x = 720 – 40 = 730 x = 22 30 720 = x = 22 Agora é só completar: a resposta correcta está na alínea ----------- Isso. Vê que não custa para quem estuda? 04 - As figuras abaixo representam gráficos de funções do tipo y = ax + b Considere as afirmações: I. na figura 1 , temos b = 0; II. na figura 2 , temos a < 0 e b≠0; III. na figura 3, temos a > 0 e b < 0; IV. na figura 4, temos a = 0; V. as figuras 2 e 3 representam gráficos de funções decrescentes; As afirmações verdadeiras são: a) I, II e IV b)II e III c)II, IV V d)I e II e)II, III, IV e V Resolução: Item I Verdadeiro. O b é ponto onde a reta corta o eixo y. Item II http://3.bp.blogspot.com/-nxi2gVZ3Ukw/UI3ZwSU1C6I/AAAAAAAABy0/pUa6lLApnes/s1600/funcao1grau.bmp UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 120 Verdadeiro. A função é decrescente, então a<0, e a reta não passa na origem, então b é diferente de 0. Item III Falso. A função é crescente mais corta o eixo y acima do eixo x, então temos b>0. Item IV Verdadeiro. Neste caso a função é constante, qualquer valor pra x resulta o mesmo y, que é o valor do coeficiente linear b. Item V Falso, na figura II o gráfico é decrescente e na figura III é crescente. Gabarito Letra: A 04 - (UFSM 2011) Em relaç5 5. Observe o gráfico abaixo, considerando 2007 como x = 1, 2008 como x = 2 e ssim, sucessivamente, a função afim y = ax + b que me assim sucessivamente, a função afim y = ax + b que melhor expressa a evolução das notas em Matemática do grupo II é http://2.bp.blogspot.com/-dzlNSabZ0Ho/UI3g0s2O_gI/AAAAAAAABzE/k-SfWMhey7Y/s1600/ufsm1.bmp UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 121 Resolução: Temos dois pontos na recta II, é o que precisamos para determinar a função. Um dos pontos é (1, 70) e o outro é (3, 65). y = ax + b 70 = a + b 70 - a = b y = ax + b 65 = 3a + b65 = 3a + 70 - a 65 - 70 = 2a -5 = 2a a = 2 5 − b = 70 - a b = 70 - (-5) / 2 Resposta: alínea B b = 140 / 2 + 5 / 2 b = 145 / 2 y = -5 http://3.bp.blogspot.com/-AvuZp3VGCNs/UI3g5YQ-fbI/AAAAAAAABzM/GyAYCQUJ8gI/s1600/ufsm2.bmp UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 122 Unidade Temática 3.2. Gráficos de Funções. Introução Sob um ponto de vista operacional, como dissemos na Unidade Temática 3.1. anterior, uma função pode ser considerada com um conjunto de pares ordenados (x.y), criados de acordo com determinado critério; plotados em um sistema de coordenadas cartesianas. Os pares ordenados assim criados produzem o que se chama de gráfico da função. O conjunto dos valores x é chamado domínio da função, e o conjunto dos y é chamado Contradomínio/imagem da função. Nos pares ordenados, cada valor x é utilizado apenas uma vez. Nesta Unidade dedicar-nos-emos a construção, anaáçise e interpretação de gráfico de diferentes tipos de funções. A análise de gráficos é importante para responder questões de diferentes disciplinas. Para facilitar a anaálise e interpretação de gráficos de diferentes funções, estudaremos as diferentes possibilidades de formato. Porque este conteúdo é muito intuitivo, daremos maior ênfase aos exercícios, buscando apresentar a melhor forma de solucionar as questões. Apenas um LEMBRETE: Quanto mais exercita, mais aprende. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 123 Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Construir: gráfico de qualquer função estudada; ▪ Fazer Análise e Interpretação: de gráficos de funções estudadas; ▪ Aplicar: os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Construção de Gráfico de uma Função Gráficos A construção de um gráfico no plano cartesiano, que introduzimos na Unidade Temática 2.1., representado pela lei (expressão analítica) de formação geral das funções, dada por y = f(x), com x pertencente ao domínio e y constituindo ao Contradomínio/imagem, será dada por algumas condições práticas, como as seguintes: * Construir um eixo de coordenadas cartesianas em papel centimetrado ou milimetrado. * Determinar uma tabela com os possíveis valores do domínio dado por x. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 124 * Calcular o par ordenado (x, y) de acordo com a lei de formação da função em questão. * Marcar no plano cartesiano os pares ordenados calculados, obedecendo à ordem x (eixo horizontal) e y (eixo vertical). * Ligar os pontos, constituindo o gráfico da função. Exemplo 1 Vamos determinar o gráfico da função dada pela seguinte lei de formação: y = f(x) = 2x – 1. X Y = 2x - 1 Pár ordenado (x,y) - 2 - 5 (-2-5) - 1 - 3 (-1,-3) 0 - 1 (0,-1) 1 1 (1,1) 2 3 (2,3) Mostrando respectivos Cálculos f(-2) = 2.(–2) – 1 = –4 –1 = -5 y = –5 f(-1) = 2.(–1) –1 = –2 – 1 =-3 y = –3 f(0) = 2 . 0 – 1= -1 y = –1 f(1) = 2 . 1 – 1 = 2 – 1= 1 y = 1 f(2) = 2 . 2 – 1 = 4 – 1 = 3 y = 3 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 125 Exemplo 2 Determinar o gráfico da função dada por y = f(x) = x². X Y = x2 Pár ordenado (x,y) - 2 4 (-2,4) - 1 1 (-1,1) 0 0 (0,0) 1 1 (1,1) 2 4 (2,4) Mostrando respectivos Cálculos f(-2) = (–2)² = 4 f(-1) = (–1)² = 1 f(0) = (0)² = 0 f(1) = (1)² = 1 f(2) = (2)² = 4 Exemplo 3 Determinar o gráfico da função dada por y = f(x) = x³. X Y = x3 Pár ordenado (x,y) - 2 - 8 (-2,-8) - 1 - 1 (-1,-1) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 126 0 0 (0,0) 1 1 (1,1) 2 8 (2,8) Mostrando respectivos Cálculos f(-2) = (–2)³ = –8 f(-1) = (-1)³ = -1 f(0)=(0)=03 f(1) = 1³ = 1 f(2) = 2³ = 8 Exemplo 4 Construir o gráfico da função y = f(x) = 4x4 – 5x3 – x2 + x – 1. y = 4 . (0,5)4 – 5 . (0,5)3 – 0,52 + 0,5 – 1 = 0,25 – 0,625 – 0,25 + 0,5 – 1 = – 1,155 y = 4 . 04 – 5 . 03 – 02 + 0 – 1 = –1 y = 4 . 14 – 5 . 13 – 12 + 1 – 1 = –2 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 127 Análise e Interpretação de Gráficos de Funções O gráfico abaixo mostra o lucro de três empresas: A, B e C. Vamos pensar e entender um pouco mais sobre o que ele está a nos dizer. Exemplo de uso de um gráfico Primeiro, temos que nos orientar. Então, chamaremos a recta representada pelo lucro de cada empresa de "eixo vertical". O eixo vertical mede a altura dos pontos. Portanto, quanto mais alto o ponto, maior será o lucro. E, por sua vez, a reta que representa os meses de eixo horizontal. O eixo horizontal mede a largura do ponto. Assim, quanto mais largo – ou quanto mais à direita do eixo vertical – o tempo será maior. Repare, agora, somente nos pontos A e B. Esses estão na mesma reta vertical. Qquer dizer que eles têm a mesma largura. Portanto, UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 128 correspondem ao mesmo mês. E, ainda, o ponto A está um pouco mais acima que o B. O que isso significa? A Empresa Álgebra possui mais lucro que a Empresa Aritmética, visto que a altura do ponto A é maior. Olhemos para os pontos B e C. Nesse caso, ambos possuem a mesma altura, mas larguras diferentes. Então, no mês de Abril a Empresa Aritmética possui um lucro de aproximadamente R$2.500, o mesmo lucro da empresa Álgebra, porém no mês de maio. Por fim, o ponto D: ele representa o lucro da empresa Aritmética no mês de junho. O menor lucro entre as três aqui mostradas. Basta ver que o ponto D está mais abaixo que os outros. Em resumo: é muito importante saber o que cada eixo representa. Se o eixo vertical representasse o índice de chuva em uma determinada região, então quanto mais alto o gráfico, mais chuva. Ou, em um outro exemplo: se o eixo horizontal tivesse determinado pela pressão de um gás, então quanto menor a largura, menor seria sua pressão. Por ai em diante. Está a entender? Em seguida vmos fazer análise da monotonia (Crescimento, Decrescimento, Constância e raízes). Crescente, Decrescente, Constante e Raízes Primeiro, temos que nos orientar. Então, chamaremos a reta representada pelo lucro de cada empresa de "eixo vertical". O eixo vertical mede a altura dos pontos. Portanto, quanto mais alto o ponto, maior será o lucro. E, por sua vez, a reta que representa os meses de eixo horizontal. O eixo horizontal mede a largura do ponto. Assim, quanto mais largo – ou quanto mais à direita do eixo vertical – o tempo será maior. A ideia aqui é localizar se o gráfico cresce, diminui ou até mesmo onde ele permanece constante. Um importante lembrete: o eixo horizontal cresce no mesmo sentido em que lemos um texto, da esquerda para direita. Por sua vez, o eixo vertical cresce de baixo para cima. Análise gráfica Olhando para o gráfico acima, conseguimos reparar que ele possui as três caraterísticas. Lendo da esquerda para direita no eixo horizontal: Crescente: o gráfico cresce no intervalo antes do -1 ou do 2 até o 5. Ou seja, (∞ ; -1) ou (2; 5) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 129 Decrescente: o gráfico diminui no intervalo depois do -1 até o 2. Ou seja, (-1; 2) Constante: o gráfico permanece com seu valor no intervalo depois do 5. (5; ∞) E, por fim, as raízes são onde o gráfico passa pelo eixo horizontal. Com isso, no exemplo acima, as raízes são -2, 0 e 4Sumário Nesta Unida Temática 3.2. estudamos 1. Construção de gráfico de uma função; 2. Análise e interpretação de gráficos; 3. Função crescente, Constante e Decrescente. Exrcícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. Qual é o gráfico da função 𝑦 = 2𝑥 − 2 2. Qual é o gráfico da função 𝑦 = 1/𝑥 3. Qual é o gráfico da função 𝑦 = 𝑥−1 𝑥+2 4. Representa no mesmo S.C.O, os gráficos das funções 𝑓(𝑥) = 𝑥2 − 1 e 𝑓(𝑥) = −𝑥2 − 𝑥 + 6 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 130 Respostas 1. 2. 3. 4. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 131 GRUPO-2 (Com respostas) 1. Enumere, pelo menos, 4 condições para construção de gráfico de qualquer função. 2. Reconstrua os gráficos do exemplos de 1 a 4 desta Unidade Temática 3.2. desta vez com novos dados, de sua criação. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 132 Unidade Temática 3.3. Propriedades de Funções. Introdução As funções, independentes do grau que ela seja, são caracterizadas conforme a ligação entre os elementos dos conjuntos onde é feita a relação. Uma função A →B pode ser: sobrejetora, injetora, e bijetora. Para identificarmos essas características em uma função é preciso que tenhamos o conhecimento da definição de função, do que é um domínio, imagem e contradomínio. Observe o diagrama abaixo que representa uma função f: A→B e veja quem é o domínio, a imagem e o contradomínio dela. Domínio serão todos os elementos do conjunto A: D(f) = {-3,1,2,3} a imagem será os elementos do conjunto B que receberem a seta: Im(f) = {1,4,9} e o contradomínio será todos os elementos do conjunto B: CD(f) = {1,4,5,9}. Identificar as características de uma função é o principal objectivos desta Unidade Temática, como veremos no desenvolvimento seguinte. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 133 Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir Continuidade: ▪ Definir e identificar: função Sobrejectora; ▪ Definir e identificar: função bijectora; ▪ Definir e identificar: funções injectora; Propriedades de uma Função Continuidade Uma das Prorpriedades de uma função é a Continuidade. Uma função é dita contínua sobre um intervalo dado, , se possui um valor definido para todos os números contidos nesse intervalo. Por exemplo, a função: , definida para o contradomínio , não é contínua no intervalo , uma vez que não está definida para x < 0. Função sobrejectora Uma função será considerada sobrejectora se o conjunto imagem for igual ao conjunto do contra domínio. Função injectora Uma função será considerada injectora se os diferentes elementos do conjunto do domínio possuirem imagens diferentes. Função bijectora Uma função será bijectora se ela assumir as características de uma função sobrejectora e injetora ao mesmo tempo. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 134 EXEMPLOS Funções Injectora, Sobrejectora e Bijectora Exemplo1: A função y = 5x-2 é injetora pois dados x1 ≠ x2podemos escrever f(x1) - f(x2) ≠ 0. Portanto, (5x1 - 2) - (5x2 -2) = 5 (x1 - x2) ≠ 0, pois x1 ≠ x2. Exemplo2: A função f:R->R definida por f(x)=x²+3 não é injectora, pois para x = 1 temos f(1) = 4 e para x = -1 temos f(-1) = 4. Observando o diagrama, abaixo, vemos que os elementos do domínio estão ligados a um e somente um elemento do contradomínio, isto é, não existem elementos em A com imagens iguais. Portanto, se uma função f: A -> B é injetora, então n(A) ≤ n(B) Exemplo3: A função dada por y = 3x + 2 de R em R é sobrejetora pois para cada valor de x do domínio, existe pelo menos um correspondente (imagem) no contradomínio. Exemplo4: A função f:R->R definida por f(x)=2x não é sobrejectora, pois o número -1 é elemento do contradomínio R e não é imagem de qualquer elemento do domínio. Observando no diagrama, abaixo, vemos que todos os elementos do contradomínio estão ligados a algum elemento do domínio, isto é, não sobram elementos no contradomínio. Portanto, se uma função f: A -> B é sobrejectora, então n(A) ≥ n(B). Exemplo5: A função f:R->R dada por f(x)=2x é bijectora, pois é ao mesmo tempo injetora e sobrejetora Exemplo6: A função f : R→ R definida por y = 4x - 1 é uma função bijectora, pois é ao mesmo tempo injectora e sobrejectora. Observando no diagrama, abaixo, vemos que todos os elementos do domínio estão ligados a algum elemento do contradomínio e não UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 135 existem elementos em A com imagens iguais. Portanto, se uma função f: A -> B é bijectora então n(A) = n(B) Sumário Nesta Unidade Temática 3.3. estudamos 1. Continuidade de Funções; 2. Função Sobrejectora; 3. Função Injectora e; 4. Função Bijectora. Exrecícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. Sobre funções injetoras, sobrejetoras e bijetoras, julgue os itens abaixo em verdadeiro ou falso. I. Toda função injetora é bijetora. II. Quando elementos diferentes geram imagens diferentes,temos uma função sobrejetora. III.Toda função bijetora admite inversa. VI. Quando a imagem é igual ao contra domínio temos uma função sobrejetora. a) V V V V b) F F V V c) V V F F d) F F F F UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 136 2. Na figura a seguir está evidenciada, através de setas, uma relação entre os elementos do conjunto A e os elementos do conjunto B. A respeito desta relação é correto afirmar que: A. não é uma função. B. é uma função que não é injetora nem sobrejetora. C. é uma função injetora, mas não sobrejetora. D. é uma função sobrejetora, mas não injetora. E. é uma função bijetora. Respostas 1. Vamos analisar caso a caso: I – Falso Uma função pode ser injetora, porém existir um elemento no contradomínio que não esteja associado a um elemento do domínio, fato este que tornaria a função não sobrejetora e consequentemente não bijetora. II – Falso O fato do elemento do domínio estar associado a um elemento igual ou diferente no contradomínio não é determinante na classificação das funções. III – Verdadeiro Uma função é bijetora se e somente se possui uma função inversa. IV – Verdadeiro Se o contradomínio e a imagem são iguais, então todo elemento do contradomínio está associado a pelo menos um elemento do domínio e essa função é sobrejetora. Resposta: B UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 137 2. Resolução Se o candidato se concentrar apenas no conjunto B, vai marcar de cara que é uma função bijetora pois cada elemento de B está associado a um, e apenas um, elemento de A. A pegadinha está no elemento 5 do conjunto A, pois para ser uma função, cada elemento do conjunto A deve estar associado a um, e apenas um, elemento do conjunto B. Resposta: A 1) Verifique se a função f : Q→Q definida por f(x) = x2 + 1 é injectora, sobrejectora, bijectora ou não injectora e nem sobrejectora. Solução: Se f é injectora, f(x1) = f(x2) ⇒ x1 = x2. Daí, x12 + 1 =x22 + 1 ⇒ x12 =x22 Se f não é sobrejectora pois, para f(x) = 0 não existe x tal que x2 + 1= 0. Como f não é sobrejectora ela também não pode ser bijectora. Portanto ela é apenas injectora (reveja Propriedades de Funções). 2)Determine se a função f : Z→Z definida por f(x)=x2, é injectora. Solução: A função f(x)=x2 não é injectora pois, por exemplo 1 ≠-1 mas f(1) = f(-1) = 1. 3)Determine se a função f : Z→Z definida por f(x) = x + 1, é injectora.Solução: A função f(x)=x+1 é injetora pois sempre x1≠x2, x1+1 ≠ x2+1. 4) Determine se a função f : Z→Z definida por f(x)=x2, é sobrejetora. Solução: A função f(x) = x2 não é sobrejetora pois, por exemplo para f(x) = -1 não existe x tal que x2 = -1. 5) Determine se a função f : Z→Z definida por f(x) = x+1, é sobrejetora. Solução: A função f(x) = x + 1 é sobrejetora pois para todo inteiro y existe um inteiro x tal que x + 1 = y. 6) Determine se a função f : Z→Z definida por f(x)=x+1, é bijetora. Solução: A função f(x) = x+1 é bijetora pois, como vimos acima é injetora e sobrejetora. 7) Considere três funções f, g e h, tais que: 1. A função f atribui a cada pessoa do mundo, a sua idade; 2. A função g atribui a cada país, a sua capital; 3. A função h atribui a cada número natural, o seu dobro. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 138 Podemos afirmar que, das funções dadas, são injetoras: a) f, g e h b) f e h c)g e hd) apenas h e) n.d.a. Solução: Sabemos que numa função injetora, elementos distintos do domínio, possuem imagens distintas, ou seja: x1 ≠ x2 ⇔ f(x1) ≠ f(x2) . Logo, podemos concluir que: f não é injetora, pois duas pessoas distintas podem ter a mesma idade. g é injetora, pois não existem dois países distintos com a mesma capital. h é injetora, pois dois números naturais distintos, possuem os seus dobros também distintos. Assim é que concluímos que a alternativa é a de letra C. Exrecícios Com GABARITO 1) Verifique em cada caso se a função é injectora, sobrejectora, bijectora ou não injectora e nem sobrejectora. a) f(x) = -2x + 1 b) f(x) = x2 + 3 c) f(x) = -2 d) f(x) = -2x3 e) f(x) = x9 f) f(x) = x4 + 2 2)Considere três funções f, g e h, tais que: I - A função f atribui a cada pessoa do mundo, o seu nome; II - A função g atribui a cada país, o seu idioma; III - A função h atribui a cada número real, o seu triplo. Podemos afirmar que, das funções dadas, são bijetoras: a) f, g e h b) f e h c) g e h d) f e g e) n.d.a. TEMA IV: TIPOS ESPECIAIS DE FUNÇÕES Unidade 4.1 Funções Polinomiais. Unidade 4.2 Funções Exponenciais e Logarítmicas. Unidade 4.3. Funções Trigonométricas. Unidade 4.4. Regiões no Plano Cartesiano. Unidade 4.5. Funções como Modelos Matemáticos. Unidade Temática 4.1. Funções Polinomiais. Introdução objectivo dessa Unidade Temática 4.1. é reconhecer o grau de um polinômio P(x), a partir da observação e análise do seu gráfico. Esta pode ser uma tarefa nada simples. Para termos sucesso, precisamos ter UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 139 muita atenção e prestar atenção às características locais e globais do seu gráfico. Para ajudar nesta tarefa, vamos fazer um resumo do que sabemos a cerca de polinômios e seus gráficos. Uma das principais razões pelas quais estamos interessados em estudar o gráfico de uma função é determinar o número e a localização (pelo menos aproximada) de seus zeros. (Recorde que zero de uma função f é uma solução da equação quando f(x) = 0. O problema de calcular as raízes de uma equação sempre foi objecto de estudo da matemática ao longo dos séculos. Já era conhecida, na antiga Babilônia, a fórmula para o cálculo das raízes exactas de uma equação geral do segundo grau. No século XVI, matemáticos italianos descobriram fórmulas para o cálculo de soluções exactas de equações polinomiais do terceiro e do quarto grau. Essas fórmulas são muito complicadas e por isso são raramente usadas nos dias de hoje. Perguntas do tipo: o Qual é o maior número de zeros que uma função polinomial pode ter? o Qual é o menor número de zeros que uma função polinomial pode ter? o Como podemos encontrar todos os zeros de um polinômio, isto é, como podemos encontrar todas as raízes de uma equação polinomial? ocuparam as mentes dos matemáticos até o início do século XIX, quando este problema foi completamente resolvido. Nesta Unidade Temática vamos tentar responder a estas perguntas refazendo o caminho percorrido por famosos matemáticos desde o século XVI. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir e Construir: gráfico de qualquer função Polinomial; ▪ Determinar zeros: de funções Polinomiais; ▪ Aplicar: os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 140 Funções Polinomiais Pela experiência adquirida no estudo das equações de primeiro e segundo grau é razoável supor que o número de raízes de um polinômio está relacionado ao seu grau. Sabemos, por exemplo, que a equação x2 = 0 tem uma única raiz igual a zero. Na verdade, esta equação tem duas raizes idênticas, ambas iguais a zero. Esta equação pode ser escrita como (x – 0).(x – 0) = 0. Esta forma (factorada) de escrever a equação permite perceber, claramente, que a mesma possui duas raízes iguais. O mesmo acontece com a equação (x – 1)2 = 0 que apresenta duas raizes idênticas e iguais a 1. Podemos encontrar facilmente, muitos exemplos de equações de segundo grau que não têm nenhuma raiz real. Considere, por exemplo, a equação x2 + 1 = 1 . Ao tentarmos encontrar as raizes desta equação, chegaremos a x2 = -1, que não tem solução real. No entanto, como já vimos, se admitirmos que as raízes podem pertencer ao conjunto dos números complexos, esta equação tem duas raízes complexas conjugas, a saber,x1 = 1− = i e x2 = 1− = i. Da mesma maneira que no exemplo anterior, esta equação pode ser escrita na forma fatorada como (x – i).(x + i) = 0 . No caso mais geral de uma equação de segundo grau, temos que a equação ax2 + bx + c = 0 pode sempre ser escrita na forma y = a (x - x1).(x - x2) , onde x1 e x2 são as duas raízes da equação, que como já vimos pelos exemplos acima, podem ser distintas, repetidas, isto é, iguais, ou mesmo complexas. Este facto pode ser generalizado para equações polinomiais de qualquer grau. De um modo geral, sempre que x1 for um zero complexo de um polinômio P(x), isto é sempre que x1 for uma raiz complexa da equação P(x)= = 0, temos que (x – x1) é um fator de P(x). Este fato foi estabelecido por René Descartes na sua obra "Discours de la méthode pour bien conduire sa raison et chercher la verité dans les sciences" (Discurso do método para bem conduzir a razão e procurar a verdade nas ciências), publicada em 1637. Suas conclusões podem ser resumidas no teorema do fator, enunciado a seguir: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 141 TEOREMA DE FACTORES Um número X1 é um zero de um polinômio P se e somente se P(x) tem um factor da forma (x – x1). O exemplo a seguir mostra como o teorema do factor pode ser usado para nos ajudar na tarefa de encontrar as raízes de um polinômio de grau maior do que dois. Exemplo Ache os zeros da função polinomial P(x) = x3 – 4x2 + 2x + 3 e representa- a graficamente, num sisema cartesiano ortogonal (sco). Solução Assim, dividindo P(x) por (x - 3), (tente fazer essa divisão). Obtemos (x2 – x – 1). O que implica que (x – 3).(x2 – x – 1) deve ser igual a x3 – 4x2 + 2x + 3, ou P(x) = (x – 3).(x2 – x – 1). Esta forma factorizada permite concluir que os zeros, (reveja à lei de nulidade), de p(x) devem ser soluções da equação x2 – x – 1 = 0 . Onde com recurso a fórmula de Bhaskara (fórmula resolvente) para resolver esta última equação, obtemos a b x 2 3,2 = , com acb 42 −= e que são os outros dois zeros de P(x), tendo em conta que x1 foi atribuída ao binómio (x – 3). Concretamente x2 = 2 42 acbb −+ e 2 42 3 acbb x −− = , com a = 1 (lembre-se que a forma canônica de equação quadrática é ax2 + bx + c = 0). Pelo que de x2 – x – 1 = 0, vê-se que o valor dos coeficientes é: a = 1; b = -1 e c = -1. Tente,sem ajuda, calcular os zeros/raízes x1, x2 e x3. O Teorema do factor responde a primeira das perguntas formuladas no início desta Ubidade Temática. Como um polinômio de grau n tem, no UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 142 máximo, n fatores do primeiro grau, decorre imediatamente, deste teorema que uma função polinomial de grau n tem no máximo n zeros. Este facto foi primeiro estabelecido no início do século XVII pelo matemático alemão Peter Rothe e, mais tarde, por Descartes e Albert Girard (1593-1632), ambos matemáticos franceses. Girard e Descartes reconheceram a natureza dos zeros de um polinômio porque eles estavam entre os primeiros matemáticos a admitir a possibilidade de trabalhar com números complexos. Sumário Nesta Unidade Temática 4.1. estudamos: 1. Funções Polinomiais e 2. Determinação de raízes de um Função Polinomial. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-1 (Com respostas detalhadas) 1. O gráfico da função f, que aplica IR em IR, definida por f(x) = x2 + 3x - 10, intercepta o eixo das abscissas nos pontos A e B. A distância AB é igual a (Só um resposta é correcta): a) -3 b) 5 c) 7 d) 8 e) 9 2. O gráfico da função y = ax2 + bx + c tem uma só intersecção com o eixo Ox e corta o eixo Oy em (0, 1). Então, os valores de a e b obedecem à relação, (Só um resposta é correcta),: a) b2 = 4a b) -b2 = 4a c) b = 2a d) a2 = -4a UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 143 e) a2 = 4b 3. Assinale a equação que representa uma parábola voltada para baixo e tangente ao eixo das abscissas, (Só um resposta é correcta): a) y = x2 b) y = x2 - 4x + 4 c) y = -x2 + 4x - 4 d) y = -x2 + 5x - 6 e) y = x - 3 4. A solução da inequação (x - 3) (-x2 + 3x + 10) < 0 é, (Só um resposta é correcta): a) -2 < x < 3 ou x > 5 b) 3 < x < 5 ou x < -2 c) -2 < x < 5 d) x > 6 e) x < 3 05. Os valores de x que satisfazem à inequação (x2 - 2x + 8) (x2 - 5x + 6) (x2 - 16) < 0 são, (Só um resposta é correcta): a) x < -2 ou x > 4 b) x < -2 ou 4 < x < 5 c) -4 < x < 2 ou x > 4 d) -4 < x < 2 ou 3 < x < 4 e) x < -4 ou 2 < x < 3 ou x > 4 06. Resolvendo a inequação (x2 + 3x - 7) (3x - 5) (x2 - 2x + 3) < 0, um aluno cancela o factor (x2 - 2x + 3), transformando-a em (x2 + 3x - 7) (3x - 5) < 0. Pode-se concluir que tal cancelamento é(Só um resposta é correcta): a) incorreto porque não houve inversão do sentido da desigualdade; b) incorreto porque nunca podemos cancelar um termo que contenha a incógnita; c) incorreta porque foi cancelado um trinômio do segundo grau; d) correto porque o termo independente do trinômio cancelado é 3; e) correto, pois (x2 - 2x + 3) > 0 , " x Îℝ. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 144 7. A função real f, de variável real, dada por f(x) = -x2 + 12x + 20, tem um valor (Só um resposta é correcta), : a) mínimo, igual a -16, para x = 6; b) mínimo, igual a 16, para x = -12; c) máximo, igual a 56, para x = 6; d) máximo, igual a 72, para x = 12; e) máximo, igual a 240, para x = 20. 08. (PUC - MG) O lucro de uma loja, pela venda diária de x peças, é dado por L(x) = 100 (10 - x) (x - 4). O lucro máximo, por dia, é obtido com a venda de: a) 7 peças b) 10 peças c) 14 peças d) 50 peças e) 100 peças 09. (UE - FEIRA DE SANTANA) Considerando-se a função real f(x) = -2x2 + 4x + 12, o valor máximo desta função é: a) 1 b) 3 c) 4 d) 12 e) 14 10. (ACAFE) Seja a função f(x) = -x2 - 2x + 3 de domínio [-2, 2]. O conjunto imagem é: a) [0, 3] b) [-5, 4] c) ]-¥, 4] d) [-3, 1] e) [-5, 3] Resolução: 01. A 02. A 03. C 04. A 05. D 06. E 07. C 08. A UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 145 09. E 10. B Unidade Temática 4.2. Funções Trigonométricas. Introdução Em matemática, as funções trigonométricas são funções angulares, importantes no estudo dos triângulos e na modelação de fenómenos periódicos. Podem ser definidas como razões entre dois lados de um triângulo rectângulo em função de um ângulo, ou, de forma mais geral, como razões de coordenadas de pontos no círculo unitário. Na análise matemática, estas funções recebem definições ainda mais gerais, na forma de séries infinitas ou como soluções para certas equações diferenciais. Neste último caso, as funções trigonométricas estão definidas não só para ângulos reais como também para ângulos complexos. Actualmente, existem seis funções trigonométricas básicas em uso, cada uma com a sua abreviatura notacional padrão. As inversas destas funções são chamadas de função de arco ou funções trigonométricas inversas. A nomenclatura é feita através do prefixo "arco-", ou seja, arco seno, arco co-seno, etc. Matematicamente, são designadas por "arcfunção", i.e., arcsen, arccos, etc.; a notação usando- se −1 como na notação da função inversa não é recomendada, pois causa confusão com o inverso multiplicativo, como em sen-1 e cos-1. O resultado da função inversa é o ângulo (argumento) que corresponde ao parâmetro da função, como veremos alguns exemplos no desenvolvimento desta Unidade Temática 4.3.. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: http://pt.wikipedia.org/wiki/Matem%C3%A1tica http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%82ngulo http://pt.wikipedia.org/wiki/Tri%C3%A2ngulos http://pt.wikipedia.org/wiki/Raz%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%ADrculo_unit%C3%A1rio http://pt.wikipedia.org/wiki/An%C3%A1lise_matem%C3%A1tica http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%A9rie_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Equa%C3%A7%C3%A3o_diferencial http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmeros_complexos http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%B5es_trigonom%C3%A9tricas_inversas http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%B5es_trigonom%C3%A9tricas_inversas http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_inversa UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 146 Objectivos específicos ▪ Definir: e identificar função trigonométrica; ▪ Construir: gráfico de uma função estudada; ▪ Fazer Análise e Interpretação: de gráficos de funções trigonométricas estudadas; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Funções Trigonométricas Breve resenha histórica A palavra trigonometria é formada por três radicais gregos: tri(três), gono(ângulos)e metron(medida); significando assim "medida dos triângulos". Inicialmente considerada como uma extensão da geometria, a trigonometria já era estudada pelos babilônios, que a utilizavam para resolver problemas práticos de Astronomia, de Navegação e de Agrimensura. Aliás, foram os astronomos como o grego Hiparco (190 aC – 125 aC), considerado o pai da Astronomia e da Trigonometria, que estabeleceu as primeiras relações entre os lados e os ângulos de um triângulo retângulo. No século VIII com o apoio de trabalhos hindus, matemáticos árabes contribuíram notavelmente para o avanço da trigonometria. Este avanço continuou após a construção da primeira tábua trigonométrica, por um matemático alemão, nascido em Baviera, chamado Purback. Porém o primeiro trabalho matemático sobre trigonometria foi o "tratado dos triângulos", escrito pelo matemático alemão Johann Müller, também chamado Regiomontanus. Sabe-se ue Regiomaontanus foi discipulo de Purback. Actualmente a trigonometria não se limita apenas a estudo de triângulos. Sua aplicação se estende a outros campos da matemática, como a Análise, e a outros campos da actividade humana como a Eletricidade, a Mecânica, a Acústica, a Música, a Topologia, às Engenharias, etc. http://www.coladaweb.com/matematica/geometria http://www.coladaweb.com/matematica/trigonometria-(2)UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 147 Nesta Unidade Temática vamos estudar , como foi dito na introdução desta desta Unidade, seis funções trigonométricas, três funções directas mais três respectivoas inversas, como se segue: Funções trigonométricas directas. y = sen x y = cos x y = tg x Respectivas funções inversas: y = 1/sen x = cosec x y =1/ cos x = sec x y = 1/tg x = cotg x O ângulo x é o argumento (variável independente) e o valor da função é a variável dependente y ou f(x). É importante recordar que a medida dos ângulos pode expressar-se em graus ou em radianos. Assim, vemos que: 0° 0 rad 360° 2 rad Observemos agora as principais características das funções já mencionadas: 1. Função y = sen x: a) A função seno é periódica, já que: sen (x + 2 ) = sen x em que o período da função é t = 2 ; b) O domínio da função é todo o conjunto R, e o contradomínio da função é [-1,1]; c) O valor máximo da função é 1 em x = /2 e o valor mínimo da função é -1 em x = 3 /2; d) A função é contínua em todo o seu domínio; http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm24/jssp5.htm#Função y = sen x: http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm24/jssp5.htm#Função y = cos x: http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm24/jssp5.htm#Função y = tg x: http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm24/jssp5.htm#Função y = cosec x: http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm24/jssp5.htm#Função y = sec x: http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm24/jssp5.htm#Função y = cotg x: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 148 e) É uma função crescente no intervalo [0, /2] e [3 /2,2 ], e decrescente no intervalo [ /2,3 /2]; f) A função é ímpar, já que: sen (-x) = - sen x e o gráfico é simétrico em relação à origem (0,0). 2. Função y = cos x: a) A função co-seno é periódica, pois: cos (x + 2 ) = cos x e o período da função é T = 2 ; b) O domínio é todo o conjunto dos números reais R, e o contradomínio da função é [-1,1]; c) O valor máximo da função é 1 em x = 0 ou x = 2 e o valor mínimo da função é -1 em x = ; d) A função é contínua em todo o seu domínio; e) É uma função crescente no intervalo [ ,2 ] e decrescente no intervalo [0, ]; f) A função é par, já que: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 149 cos x = cos (-x) e o gráfico é simétrico em relação ao eixo das ordenadas. 3. Função y = tg x: a) A função tangente é periódica, já que: tg (x + ) = tg x em que o período da função é t = ; b) O domínio da função é R/ { /2 - k , k Z }, e o contradomínio da função é todo o conjunto R; c) Esta função não tem extremos locais; d) A função é contínua em todo o seu domínio; e) É uma função crescente em todos os pontos do domínio; f) A função é ímpar, pois: tg (-x) = - tg x e o gráfico é simétrico em relação à origem (0,0). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 150 4. Função y = cosec x: a) A função co-secante é periódica, já que: cosec (x + 2 ) = cosec x em que o período da função é t = 2 ; b) O domínio da função é R/ {0 + k , k Z }, e o contradomínio da função é o conjunto R/ [-1,1]; c) Esta função tem um máximo local em 3 /2 e um mínimo local em /2; d) A função é contínua em todo o seu domínio; e) É uma função crescente onde a função sen x é decrescente e é decrescente onde a função sen x é crescente; f) A função é ímpar, pois: cosec (-x) = - cosec x e o gráfico é simétrico em relação à origem (0,0). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 151 5. Função y = sec x: a) A função secante é periódica, já que: sec (x + 2 ) = sec x em que o período da função é t = 2 ; b) O domínio da função é o conjunto R/{ /2 - k , k Z } , e o contradomínio da função é R/ [-1,1]; c) A função tem um máximo local em x = e um mínimo local em x = 0; d) A função é contínua em todo o seu domínio; e) É uma função crescente onde a função cos x é decrescente e é decrescente onde a função cos x é crescente; f) A função é par, pois: sec x = sec (-x) e o gráfico é simétrico em relação à origem (0,0). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 152 6. Função y = cotg x: a) A função co-tangente é periódica, já que: cotg (x + ) = cotg x em que o período da função é t = ; b) O domínio da função é R/ {k , k Z}, e o contradomínio da função é todo o conjunto R; c) Esta função não tem quaisquer extremos; d) A função é contínua em todo o seu domínio; e) É uma função decrescente em todos os pontos do domínio; f) A função é ímpar, pois: cotg (-x) = - cotg x e o gráfico é simétrico em relação à origem (0,0). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 153 Sumário Nesta Unidade Temática 4.2. estudamos funções trigonmétricas: Senx, cosx, tagx, coscx, secx e cotgx, Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-2 (Com respostas detalhadas). Determine o período e esboce o gráfico das seguintes funções: 1. f(x) = 4 cosx. 2. f(x) = 2 - senx. 3. f(x) = 3 cos 2 x 4. f(x) = 5 + cosx. 5. f(x) = 2 tgx. 6. f(x) = 3 cos − 3 x 7. f(x) = cosx + senx . Unidade Temática 4.4. Regiões no Plano Cartesiano. Introdução A geometria analítica em duas dimensões usa a álgebra para descrever figuras planas e suas propriedades. O principal recurso dessa geometria UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 154 é o plano cartesiano, determinado por duas retas reais perpendiculares, horizontal e vertical. No plano cartesiano, cada ponto está univocamente associado a um par ordenado, onde o primeiro e segundo elemento denotam respectivamente a abscissa (ou projeção do ponto no eixo horizontal) e a ordenada (ou projeção do ponto no eixo vertical). Nesta Unidade Temática 4.4. vamos estudar as regões do Plano Cartesiano em duas (2D) e em três (3D) Dimensões Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Identificar: regiões do Sistema Cartesiano Ortogonal em 2D; ▪ Identificar: regiões do Sistema Cartesiano ortogonal em 3D; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Regiões no Plano Cartesiano As coordenadas cartesianas são representadas pelos pares ordenados (x ; y). Em razão dessa ordem, devemos localizar o ponto observando primeiramente o eixo x e posteriormente o eixo y. Qualquer ponto que não se encontrar sobre os eixos, estará localizado em cada uma das quatro regiões ou quadrantes, veja: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 155 Cada região tem suas próprias características, como as ilustradas a abaixo: 1º quadrante = x > 0 e y > 0 2º quadrante = x < 0 e y > 0 3º quadrante = x < 0 e y < 0 4º quadrante = x > 0 e y < 0 Localizando pontos no Plano Cartesiano: A(4 ; 3) → x = 4 e y = 3 B(1 ; 2) → x = 1 e y = 2 C( –2 ; 4) → x = –2 e y = 4 D(–3 ; –4) → x = –3 e y = –4 E(3 ; –3) → x = 3 e y = –3 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 156 O Plano Cartesiano é muito utilizado na construção de gráficos de funções, onde os valores relacionados à x constituem o domínio e os valores de y, a imagemda função. A criação do Sistema de Coordenadas Cartesianas é considerada uma ferramenta muito importante na Matemática, facilitando a observação do comportamento de funções em alguns pontos considerados críticos. Podemos associar o Plano Cartesiano com a latitude e a longitude, temas relacionados aos estudos geográficos e à criação do atual sistema de posicionamento, o GPS. O Sistema de Posicionamento Global permite que saibamos nossa localização exacta na terra, desde que tenhamos em mão um receptor de sinais GPS, informando a latitude, a longitude e a altitude com o auxilio de satélites em órbita da Terra. Um exemplo de utilização do GPS são os aviões, que para não se colidirem são monitorados e informados em qual rota devem seguir. Sistema Cartesiano 3D O que é o espaço ou 3D? Em quantas regiões se subdivide o espaço? Reconhecemos e usamos o espaço, mas se alguém nos pergunta sobre o que é o espaço, muitos iremos ter dificuldades em responder e/ou explicar. Mesma surpresa com que se deparou Sócrates (469 a.C.- 399 a.C), filósofo Ateniense da Grécia antiga, quando perguntou ao Sr, ministro de Justiça: … O que é justiça? O Sr. Ministro não soube UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 157 responder como devia…! Foi quando Sócrates percebeu que há tanto conceito com que lidamos e falamos no nosso dia a dia, mas que na verdade não nos apercebemos que o não conhecemos com profundidade e clareza! Na verdade, é mais fácil explicar o que se pode fazer com este termo primitivo que não tem definição para nós. Uma primeira tentativa para explicar a noção do que possa ser espaço, é dizer que é tudo o que nos envolve e é o local onde podemos nos mover para a frente, para o lado e para cima. Pelo conceito expresso, observamos que vivemos em um ambiente tridimensional. Basta então conhecer as três direções para identificar a posição relativa que ocupamos. Quando afirmamos que vamos andar para a frente, para o lado e para cima, devemos quantificar e identificar o quanto iremos nos deslocar nestas direções, logo necessitamos conhecer uma origem para o sistema e identificar este ponto como (0,0,0) pois esperamos que ele esteja localizado a uma distância num ponto de referência para todos os outros pontos. O Sistema Cartesiano tridimensional Um procedimento matemático simples é tomar um ponto genérico como: P=(x,y,z) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 158 onde x indicará a quantidade deslocada na direção positiva do eixo que contem os deslocamentos para frente, y indicará a quantidade deslocada na direção positiva do eixo que contem os deslocamentos para o lado e z indicará a quantidade deslocada na direção positiva do eixo que contem os deslocamentos para cima. Para facilitar as coisas do ponto de vista matemático, iremos denominar tais direções por: Eixo OX, Eixo OY e Eixo OZ. O sistema tridimensional é o conjunto de todos os ternos ordenados (x,y,z), sendo que ordem não pode ser mudada sob pena de nos deslocarmos para outro lugar. A palavra cartesiano se deve a René Descartes, conhecido como cartesius. x recebe o nome de abscissa, y o nome de afastamento e z o nome de altura/cota. Exemplo: Se um indivíduo está no centro da cidade em uma posição O=(0,0,0) e quer andar para a frente 3 quarterões, depois andar para o lado 2 quarteões e depois subir até o 10o andar de um prédio a posição final do mesmo após o percurso será o ponto P=(3,2,10) e podemos observar que as unidades não são necessariamente as mesmas. Se este mesmo indivíduo se deslocasse para a posição final P=(3,10,5), certamente chegaria a um lugar diferente. OCTANTES Observe atentamente a figura a baixo. Note que o plano xy separa todo espaço em duas regiões, uma no sentido positivo do eixo 0z, a outra no sentido negativo do eixo 0z. Cada região contém quatro subdivisões, totalizando oito. Por serem oito, diz-se que o espaço tridimensional é subdividido em octantes (cada uma das oito partes) como ilustrado na figura a baixo. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 159 Vista de um octante Um octante é a intersecção de três Planos perpendiculares (xy, xz e yz). Sumário Nesta Unidade Temática 4.4. estudamos. 1. Regiões do Sistema Cartesiano em duas Dimensões (2D); 2. Regiões (octantes) do Sistema Cartesiano em três Dimensões (3D). http://www.google.co.mz/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=2yOhb9rfbCDNsM&tbnid=THnelY1wzZrTBM:&ved=0CAcQjRw&url=http://sistematridimensional6a.blogspot.com/&ei=9kkYVOOeOI_OaOfOgLAC&bvm=bv.75097201,d.d2s&psig=AFQjCNEFSuwtbqya_wFWe1JSYTMsy08NDw&ust=1410963290800768 http://www.google.co.mz/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=2yOhb9rfbCDNsM&tbnid=oRd2dQcEHezMiM:&ved=0CAcQjRw&url=http://stor.pt.cx/feiramatik/2010/11/22/referencial-no-espaco/&ei=vkYYVOnoBtfVapWggNgC&bvm=bv.75097201,d.d2s&psig=AFQjCNEFSuwtbqya_wFWe1JSYTMsy08NDw&ust=1410963290800768 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 160 Exrecícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO 2 (Exercícios com respostas) Localize os seguintes pontos no SCO (em 2D): 1. P(-6, 5) 2. Origem do sistema 3. P(3, 3/5) 4. P(41/2, -7) 5. P(-5,5, -3,3) Em Quais Quadrantes se Encontram os Pontos (em 2D)? 6. P(3, 3) 7. P(-3, -3) 8. P(-3, 3) 9. P(3, -3) 10. P(0, 0) 11. P(-1, 0) 12. P(0, -2) NB; que os três últimos pontos não se encontram em nenhum quadrante, pois eles estão localizados sobre o eixo x, o eixo y, ou sobre a origem do sistema! Em 3D Construa um SCO (Sistena Cartesiano Ortogonal) em 3D (tridimensional), indicando a localização e respectivo octante, de cada um dos seguintes pontos no espaço: A ( 0; 4; 0); B ( 2; 5; 1); C ( -4; -2; 4); D ( 5; -5; 5) E (-2; 4; 4); F (0; 0; 0); G ( -2; 0; 6); H ( 6; -4: -2) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 161 Unidade Temática 4.5. Funções como Modelos Matemáticos Introdução Em muitas situações práticas, o valor de uma quantidade pode depender do valor de uma segunda quantidade. Problemas do mundo real dão origem a modelos matemáticos envolvendo funções. Neste artigo, apresentamos exemplos que envolvem a construção e análise de modelos funcionais dada uma situação particular. Veremos que uma forma de funções construção é a realização de um processo chamado de ajuste de curvas, que encontra a função que melhor se adapta a determinado conjunto de observações. A partir da função obtida, vária previsão pode ser feita em relação à situação modelada pela função. Ajuste de curva é um aspecto da modelagem matemática. Ajuste de curva é realizada com o auxílio de uma ferramenta gráfica, como uma calculadora e de reconhecida importância Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Construir: gráfico de qualquer função estudada; ▪ Fazer Análise e Interpretação: de gráficos de funções estudadas; ▪ Função Demanda; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 162 ▪ Função Oferta; ▪ Ponto de Equilíbrio; ▪ Funções Marginais; ▪ Função Custo Marginal ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Funções como modelos Matemáticos Um modelo matemático é a descrição matemática de um fenómeno do mundo real, como por exemplo: o tamanho de uma população, a demanda de um produto, a concentração de um produto em uma reação química ou o custo da redução de poluentes. Uma importante aplicação da Matemática, em termos de modelagem, está presente na Economia através das Funções Custo, Receita e Lucro. Função Custo A função custoestá relacionada aos gastos efetuados por uma empresa, indústria, loja, na produção ou aquisição de algum produto. O custo pode possuir duas partes: uma fixa e outra variável. Podemos representar uma função custo usando a seguinte expressão: C(x) = Cf + Cv, onde Cf: custo fixo e Cv:custo variável Função Receita A função receita está ligada ao faturamento bruto de uma entidade, dependendo do número de vendas de determinado produto. R(x) = px , onde p: preço de mercado e x: nº de mercadorias vendidas. Função Lucro A função lucro diz respeito ao lucro líquido das empresas, lucro UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 163 oriundo da subtração entre a função receita e a função custo. L(x) = R(x) – C(x) Exemplo 1 Uma industria siderúrgica fabrica pistões para fábrica de montagem de motores de automóveis. O custo fixo mensal (em unidade de 1000 MT) é de 950,00 inclui conta de energia elétrica, de água, impostos, salários e etc. Existe também um custo variável que depende da quantidade de pistões produzidos, sendo que o fabrico de cada pistão custa (em unidade de 100MT) 41,00. Considerando que o valor de cada pistão no mercado (em unidades de 100 MT) seja equivalente a 120,00. Monte as Funções Custo, Receita e Lucro. Calcule o valor do lucro líquido na venda de 1000 pistões e quantas peças, no mínimo, precisam ser vendidas para que se tenha lucro. Função Custo total mensal: C(x) = 950 + 41x Função Receita R(x) = 120x Função Lucro L(x) = R(x) – C(x) = 120x – (950 + 41x) Lucro líquido na produção de 1000 pistões L(1000) = 120*1000 – (950 + 41 * 1000) L(1000) = 120.000 – (950 + 41000) L(1000) = 120.000 – 950 - 41000 L(1000) = 120.000 – 41950 L(1000) = 78.050 O lucro líquido na produção de 1000 pistões (em unidades de 100 MT) será de 78.050,00. Para que se tenha lucro é preciso que a receita seja maior que o custo. R(x) > C(x) 120x > 950 + 41x 120x – 41x > 950 79x > 950 x > 950 / 79 x > 12 Para ter lucro é preciso vender acima de 12 peças (pistões). UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 164 Conclusão Neste exmplo 1, aproximamos todas as expressões a uma função do 10 grau ou linear, que é o significado da modelagem (aproximar à…). Função Demanda A função que associa um preço "p" à procura de mercado ou demanda em um período determinado é chamada de função demanda e, está relacionada ao ponto de vista do consumidor. Pode ser representada por D(p). Sabe-se que quando o preço aumenta, a procura diminui, e vice-versa. A função demanda é uma função decrescente. Função Oferta A função oferta relaciona o preço "p" e a quantidade ofertada, do ponto de vista do produtor. Pode ser representada por O(p). A função oferta, ao contrário da função demanada, é uma função crescente. Ponto de equilíbrio O ponto de equilíbrio é o preço "p" que torna iguais a quantidade demadada e ofertada de um bem. Funções Marginais A função marginal de uma função f(x) é a derivada da função f(x), ou seja, f '(x). Assim, tem-se que: a função custo marginal é a derivada da função custo, a função receita marginal é a derivada da função receita, a função lucro marginal é a derivada da função lucro. Utiliza-se o conceito de função marginal para avaliar o efeito causado em f(x) por uma pequena variação de x. Função custo marginal A função custo marginal é a variação do custo total decorrente da UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 165 variação de uma unidade na quantidade produzida. Cmg(x) = C(x + 1) – C(x) C'(x). SUMÁRIO Nesta Unidade Temática 4.5 analisamos e discutimos como exemplo de modelagem matemática, em termos de Funções: 1.Função Custo; 2. Função Receita; 3. Função Lucro; 4. Função Demanda; 5. Função Oferta; 6. Ponto de Equilíbrio; 7. Funções Marginais e; 8. Função Custo Marginal. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO 2 (Exercícios com respostas). 1. O custo para produção de uma determinada mercadoria tem custo fixo mensal (em unidades de 100,00MT) é de 1440,00 e inclui despesas com energia elétrica, água, impostos, salários e impostos e um custo (em unidades de 100,00MT) de 50,00 por peça produzida. Considerando que o preço de venda da unidade de cada produto seja (em unidades de 100,00MT) de 140,00, monte as Funções a) Custo, b) Receita e c) Lucro. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 166 Respostas a) Função Custo total mensal: C(x) = 1440 + 50x b) Função Receita total mensal e: R(x) = 140x c) Função Lucro total mensal: L(x) = 140x – (1440 + 50x) L(x) = 140x – 1440 – 50x L(x) = 90x – 1440. 2. Função Custo Marginal O custo, de fabricação de "x" unidades de um produto obedece lei C(x) = x2 + 5x + 10. Actualmente o nível de produção é de 20 unidades. Calcule, aproximadamente, de quanto varia o custo (função custo marginal) se forem produzidas 21 unidades. C(20) = 202 + 5 . 20 + 10 = 400 + 100 + 10 = 510. C(21) = 212 + 5 . 21 + 10 = 441 + 105 + 10 = 556. Cmg(x) = 556 – 510 = 46. É mais prático calcular a derivada, do qual se obtem um valor aproximado: de C(x) = x2 + 5x + 10 C'(x) = 2x + 5 C'(20) = 2 . 20 + 5 = 40 + 5 = 45. Portanto, o custo marginal (em unidades de 100,00MT) para a produção de 20 unidades é de aproximadamente 45,00. 3. Receita Marginal Seja R(x) = x2 + 200x + 20 a receita total da venda de "x" unidades de um produto. Calcule a receita marginal para x = 20. R'(x) = 2x + 200 R'(20) = 2 . 20 + 200 = 240 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 167 Portanto, a receita marginal para a produção de 20 unidades é de aproximadamente 240,00MT. TEMA V: LIMITES E CONTINUIDADE. 50 Unidade 5.1. Limite Unidade 5.2 Limites Laterais Unidade 5.3. Limites Infinitos e no Infinito. Unidade 5.4. Continuidade. Unidade Temática 5.1. Limites Introdução Em matemática, o conceito de limite é usado para descrever o comportamento de uma função à medida que o seu argumento se aproxima de um determinado valor, assim como o comportamento de uma dada sequência ou série de números reais, à medida que o índice (da sequência) vai crescendo, i.e. tende para infinito. Os limites são usados no cálculo diferencial e em outros ramos da análise matemática para definir derivadas e a continuidade de funções. . Por exemplo, o limite de um polígono regular quando o número de ângulos internos ou de lados ou de gonos (cantos) tende para o infinitos (cresce infinitamente!), dá origem a uma circunferência. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir: o que é Limite, de uma maneira intuitiva; ▪ Definir Limite: de uma função de forma formal e; ▪ Aplicar: os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; https://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_diferencial https://pt.wikipedia.org/wiki/An%C3%A1lise_matem%C3%A1tica https://pt.wikipedia.org/wiki/Derivada https://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_cont%C3%ADnua UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 168 Limites Seja uma sequência de números reais. A expressão: significa que, quanto maior o valor i, mais próximo de L serão os termos da sequência. Neste caso, dizemos que o limite da sequência é L. A forma usual de escrever isso, em termos matemáticos, deve ser interpretada como um desafio. O desafiante, no caso vertente o ISCED, propõe quão perto de L os termos da sequência devem chegar, e o desafiado, no caso vertente o Estudante, deve mostrar que, a partir de um certo valor de i, os termos realmente estão perto do Limite L. Ou seja, qualquer queseja o intervalo em torno de L (dado pelo desafiante), por exemplo, o intervalo aberto , o desafiado deve exibir um número natural tal que . Formalmente, o que foi dito acima se expressa assim : . Limite de uma função Suponhamos que f(x) é uma função real e que c é um número real. A expressão: significa que f(x) se aproxima tanto de L quanto quisermos, quando se toma x suficientemente próximo de c . Quando tal acontece dizemos que "o limite de f(x), à medida que x se aproxima de c, é L". Note-se que esta afirmação pode ser verdadeira mesmo quando , ou quando a função nem sequer está definida em . Vejamos dois exemplos que ajudam a ilustrar estes dois pontos importantíssimos. https://pt.wikipedia.org/wiki/Sequ%C3%AAncia_(matem%C3%A1tica) https://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_real UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 169 Consideremos à medida que x se aproxima de 2. Neste caso, f(x) está definido em 2 e é igual ao seu limite: 0.4, vejamos: f(1.9) f(1.99) f(1.999) f(2) f(2.001) f(2.01) f(2.1) 0.4121 0.4012 0.4001 0.4 0.3998 0.3988 0.3882 À medida que x aproxima-se de 2, f(x) aproxima-se de 0.4 e consequentemente temos a igualdade . Sempre que se verifique a igualdade , diz-se que f é contínua em x = c. A igualdade não é válida para todas as funções. Vejamos uma função onde tal não acontece O limite de g(x) à medida que x se aproxima de 2 é 0.4 (tal como em f(x)), mas e consequentemente g não é contínua em x = 2. Consideremos agora o caso onde f(x) não está definida em x = c. Apesar de f(x) não estar definida em x = 1, o limite de f(x), quando x se aproxima de 1, existe e é igual a 2. f(0.9) f(0.99) f(0.999) f(1.0) f(1.001) f(1.01) f(1.1) 1.95 1.99 1.999 não está definido 2.001 2.010 2.10 Ora x pode ser tomado tão próximo de 1 quanto quisermos, sem no entanto ser 1, pelo que o limite de é 2. https://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_cont%C3%ADnua UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 170 Definição formal A definição ε-δ de limite. Sejam um intervalo de números reais, e uma função real definida em . Escrevemos quando para qualquer que seja xiste um tal que para todo , satisfazendo , vale [1] . Ou, usando a notação simbólica: . Aproximação intuitiva A noção de limite é fundamental no início do estudo de cálculo diferencial. O conceito de limite pode ser aprendido de forma intuitiva, pelo menos parcialmente. Quando falamos do processo limite, falamos de uma incógnita que "tende" a ser um determinado número, ou seja, no limite, esta incógnita nunca vai ser o número, mas vai se aproximar muito, de tal maneira que não se consiga estabelecer uma distância que vai separar o número da incógnita. Em poucas palavras, um limite é um número para o qual y = https://pt.wikipedia.org/wiki/Limite#cite_note-:0-1 https://pt.wikipedia.org/wiki/Nota%C3%A7%C3%A3o_matem%C3%A1tica https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Limit.svg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 171 f(x) difere arbitrariamente muito pouco quando o valor de x difere de x0 arbitrariamente muito pouco também. Por exemplo, imaginemos a função: f(x) = 2x + 1 e imaginando f: IR →− IR (Definida nos reais). Sabemos, lógico, que esta função nos dá o gráfico de uma reta, que não passa pela origem, pois se substituirmos: que nos dá: , ou seja, no ponto onde x=0 (origem), o y (f(x)) é diferente de zero. Mas usando valores que se aproximem de 1, por exemplo: Se x=0,98 então: y=f(x)=2,96 Se x=0,998 então: y=f(x)=2,996 Se x=0,9998 então: y=f(x)=2,9996 Se x=0,99999 então: y=f(x)=2,99998 Ou seja, à medida que x "tende" a ser 1, o y "tende" a ser 3. Então no processo limite, quando tende a ser um número, esta variável aproxima-se tanto do número, de tal forma que podemos escrever como no seguinte exemplo: Exemplo 1.1: Sendo f uma função real de números reais definida por: f(x) = 2x + 1, calcular o limite da função f quando . Temos então, neste caso, a função descrita no enunciado e queremos saber o limite desta função quando o "x" tende a ser 1: Ou seja, para a resolução fazemos: Então, no limite é como se pudéssemos substituir o valor de x para resolvermos o problema. Na verdade, não estamos substituindo o valor, porque para o cálculo não importa o que acontece no ponto x, mas sim o que acontece em torno deste ponto. Por isso, quando falamos que um número "tende" a ser n, por exemplo, o número nunca vai ser n, mas se aproxima muito do número n. Enfim, como foi dito anteriormente, a definição de limite é tão e somente intuitiva. Vai de analisar a função que está ocorrendo apenas. Agora, o exercício do Exemplo 1.1 mostra que x se aproxima de 1 pela esquerda, ou seja: Porém, temos também uma outra forma de se aproximar do número 3, na função descrita nos exemplo acima, por exemplo: Se x=2, y=f(x)=5 ; Se x=1,8 então: y=f(x)=4,6 ; Se x=1,2 temos que: y=f(x)=3,4 ; Se x=1,111 então: y=f(x)=3,222 Podemos perceber então, que x está tendendo a 1 pela direita agora, e não mais pela esquerda como foi mostrado no exemplo anterior. Então para resolvermos problemas que https://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_matem%C3%A1tica UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 172 envolvem cálculo, devemos saber como a função que está em jogo se comporta. Sumário Nesta Unidade Temática 5.1. analisamos e discutimos sobre: 1. Limite de uma função; 2. Definição formal do limite de ums função e; 3. Noção intuitiva do limite. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-2 (Com respostas sem detalhes) Calcule os seguintes limites: 1. lim (x²-6x+9)/(x-3) quando x tende a 3 ou 3 962 3 − +− → x xx Lim x 2. lim (x³+x²+2x)/(x³+3x) quando x tende a 0 ou xx xxx Lim x 3 2 3 23 0 − ++ → 3. lim (z²+9z+20)/(z²+6z+8) quando x tende a- 4 ou 86 209 2 2 4 ++ ++ −→ zz zz Lim x 4. lim (x³+4x²+5x+2)/(x²+2x+1) quando x tende a – 1 ou 12 254 2 23 1 ++ +++ −→ xx xxx Lim x NB. Faça o mesmo para os restantes números deste exercício (5, 6, 7 e 8). 5. lim (x²-2²)/(x-2) quando x tende a 26 ou…. 6. lim (x²-b²)/(x-b) quando x tende a b ou … 7. lim [x^(1/2)-2^(1/2)]/[x-2] quando x tende a 2 ou… 8. lim [(x-2)^(1/2)-2]/[x-6] quando x tende a 2 ou…. RESPOSTAS 1. 0; 2. 2/3; 3. -1/2; 4. 1; 5. 4; 6. 2b; 7. 4 2 ; 8. 1/4 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 173 Unidade Temática 5.2. Limites Laterais Introdução Consideremos a função: f(x) = 2−x . Podemos notar que nenhum valor de x menor que 2 está no domínio de existência da função, ou seja, ela não está definida (não existe) no intervalo 2;− . Esta indefinição também se reflectirá nos limites dos valores da função neste intervalo, pois não faz sentido falar de "limites" em valores nos quais a função não esteja definida (neste exemplo, uma certa faixa de números reais). O que poderíamos fazer para analisar os valores válidos da função? Como o seu domínio é apenas +;2 , devemos restringir o cálculo de limites a este intervalo; quando um conjunto (no caso, um intervalo) de números precisa ser excluído do domínio da função, ou quando já se sabe que a função não está definida em tal conjuto, podemos também, excluir certa faixa de valores durante o cálculo de limites; Por exemplo, ao analisar o comportamento de f(x) nas proximidades do ponto , esta análise deve centrar-se no valor da função quando x se aproxima tanto do valor do ponto a quer venha do − quer venha do + . Uma melhor compreensão do que acontece com a função f(x) nas proximidades do ponto a, é dada pelo conhecimento de Limites Laterais, que é o objecto de estudo desta UnidadeTemática, como veremos no desenvolvimento já a seguir. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 174 Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir: Limites laterais; ▪ Entender e Esclarecer: a noção de Continuidade de uma função; ▪ Compreender: as propriedades de funções contínuas e; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Limites Laterais Se x se aproxima de a através de valores maiores que a ou pela sua direita, escrevemos: Esse limite é chamado de limite lateral à direita de a. Se x se aproxima de a através de valores menores que a ou pela sua esquerda, escrevemos: Esse limite é chamado de limite lateral à esquerda de a. O limite de f(x) para x a existe se, e somente se, os limites laterais à direita a esquerda são iguais, ou seja: • Se • Se Continuidade Dizemos que uma função f(x) é contínua num ponto a do seu domínio se as seguintes condições são satisfeitas: • • • Propriedade das Funções contínuas Se f(x) e g(x)são contínuas em x = a, então: • f(x) g(x) é contínua em a; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 175 • f(x) . g(x) é contínua em a; • é contínua em a . Sumário Nesta Unidade Temática 5.2. estudamos: 1. Noção de limites laterais; 2. Continuidade de Fnções e; 3. Propriedades das funções contínuas. Exercícios GRUPO 2 (Com respostas) 1) Calcule os eguintes limites Laterais(Confirme o oposto do limite dado) : 2 ) 5 39 ) 3/2 ) 8/1 ) 0 ) 2 ):.Resp 46 232 lim) 34 353 lim) 45 332 lim) 43 523 lim) 35 32 lim))574( lim) 3 2 2 3 23 2 2 1 3 2 2 2 2 3 2 1 − − ++ + +−− − −+ ++− −− − −+ +− →−→−→ →−→→ fedcba x xx f x xxx e x xx d xx xx c x xx bxxa xxx xxx 2) Calcule os limites abaixo (Confirme o oposto do limite dado): 58x4xx 46x3xx lim f) x4 x8 lim e) 1x 1x lim d) 25x2x 35x2x limc) x2 x4 limb) 1x 1x lim a) 23 23 1 x2 3 2 x2 3 1 x 2 2 2 1 x 2 2 x 2 1 x −+− −+− − + − − +− −+ + − − − →−→→ →−→→ UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 176 3) Calcule: Unidade Temática 5.3. Limites Infinitos e no Infinito Introdução Lembre-se que está estudar uma Disciplina cujos conteúdos são de Matemática Superior, na modalidade de Ensino a Distância, parte do Sistema Nacional de Educação (SNE), que exge um pouco mais de si. Par melhor entender esta Unidade Temática, comecemos pela seguinte definição: A função f tem limite L quando x cresce além de qualquer limite (dizemos quando x tende a infinito ou x → ). Se pudermos fazer com que f(x) se aproxime arbitrariamente de L tomando x suficientemente grande. Analogamente, a função f tem limite M quando x decresce além de qualquer limite (ou quando xtende a menos infinito), o que se denota porSe pudermos fazer com que f(x) se aproxime arbitrariamente de Mtomando x negativo e suficientemente grande em valor absoluto.Todas as propriedades de limites são válidas quando Faculdade. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender o conceito: limites infinitos e no infinito; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Limites Infinitos e no Infinito Dizemos que uma variável x tende ao infinito , se 1 ) 3 ) 2/3 ) 3/7) 4 ) 2 ):.Resp fedcba − +−++ −− − − + ++− − − − + − − →→ →−→→ →→→ ) ) ) ))))):.Resp 1 1 lim) 1 1 lim) 3 21 lim) 2 4 lim) 253 lim) )1( 31 lim) )1( 32 lim ) )2( 43 lim) 1 1 3 2 2 2 0 21 21 22 hgfedcba x h x g x x f x x e x xx d x x c x x b x x a xx xxx xxx UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 177 x se torna um número positivo cada vez maior, crescendo sem limite e, que x tende a menos infinito( ), se x é negativo e decresce sem limite. Se o limite de f(x), quando x tende a x0 pela direita ou pela esquerda, é +∞ ou –∞, escrevemos: Já lhe perguntaram o que é o infinito? Certamente alguém lhe deu uma resposta poética a respeito e de facto no sentido poético, o infinito é algo fascinante...! Agora imagine um número absolutamente tão alto quanto é possível você conceber... Conseguiu? Pois bem, por maior que seja o número escolhido, ele não é infinito. Aqui, falaremos do infinito como sendo algo tão inatingível que nenhuma mente humana poderia imaginar. Infinito é uma tendência, uma forma de representar algo que é tão alto que jamais poderíamos atingir. É como se fosse um caminho sem fim, como o destino de um corpo sem obstáculos e atrito no espaço sem fim. No início desta Unidade Temática, discutimos como analisar o comportamento de uma função (sua tendência) quando a variável se aproxima de um determinado número. Nesta seção, discutiremos duas situações novas: • O que acontece com os valores de , quando é muito grande? • O que fazer quando, ao aproximar de um ponto , os valores de ficam cada vez maiores? Usaremos o termo "infinito" sempre que for preciso lidar com "números gigantescos". Deste modo, também poderemos representar as duas situações acima usando conceitos de limite. Para isso, quando realizarmos um cálculo, podemos tratar o infinito como se fosse um número, embora ele seja um ente matemático que nunca poderemos alcançar. Por exemplo, caso a variável esteja tendendo ao infinito, e apareça em uma expressão, podemos imaginar o que aconteceria com a expressão caso fosse um número suficientemente grande. Então façamos um estudo de como podemos avaliar o comportamento das funções quando a variável tende a infinito. Considerando uma função definida como: f(x) = x 1 http://pt.wikiversity.org/wiki/Introdu%C3%A7%C3%A3o_ao_C%C3%A1lculo/Limites_e_Continuidade#Breve_explana.C3.A7.C3.A3o UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 178 De fato temos uma tendência do valor da função se igualar a 1 quando levamos para números muito altos, embora ela nunca alcance o valor 1. Chamamos isso de limite no infinito, ou tendência infinita, e dizemos que tende a 1 quando tende ao infinito. Podemos simbolizar a tendência de , quando fica cada vez maior, usando uma destas formas: ou O mesmo pode acontecer quando o valor da variável independente tende ao infinito negativo ( ), então podemos representá-la assim: Ou A partir das noções apresentadas anteriormente, podemos definir de forma rigorosa as têndências infinitas e os limites infinitos. Definição Chamamos o número de limite lateral no infinito positivo se: tal que vale a implicação Ou seja, é o número para qual uma função f(x) tende a se igualar quando a variável independente ultrapassa o número positivo N. Do mesmo modo, chamamos o número de limite lateral no infinito negativo se: tal que vale a implicação UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 179 Os números são escolhidos de forma a fornecerem o maior valor possível dentro do domínio da função, que portanto deve necessáriamente ser ilimitado. Limites infinitos Se nos depararmos com uma função onde o denominador decresce vertiginosamente até zero, o que podemos fazer? Esta é a típica forma de funções que crescem até o infinito, neste caso adotamos o valor da definição de infinito, visto que não é possível colocar qualquer valor. Adotamos ou , pois , como já definimos anteriormente. SumárioNesta Unidade Temática 5.3. analisamos e discutimos sobre: Limites infinitos e no infinito Exercícios GRUPO 2 (Com respostas) Escreva estes limites sob notação de limites, à semelhança com o que fizemos na Unidade Temática 5.1. Limites de uma função. Limra? 1. lim x³+7 quando x tende ao infinito positivo 2. lim x²-x quando x tende ao infinito positivo 3 lim (7*a^9 + 2)/(a^8+1) quando x tende ao infinito negativo 4.lim 5x/(7x³+3)^(1/3) quando x tende ao infinito negativo 5. lim [3x + x² - 9*x^(-2)] / (7*x^5 + 2) quando x tende ao infinito positivo 6. lim (x^1000 – x^17) / [-(x)^100 + x^58] quando x tende ao infinito positivo 7 lim [(8x²+3)^(1/2)]/[(9x²-7x)^(1/2)] quando x tende ao infinito UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 180 positivo 8. lim (x^5 +1) / (3x³ – 9x) quando x tende ao infinito negativo Unidade Temática 5.4. Continuidade Introdução Ao trabalhar com uma função, nossa primeira preocupação deve ser o seu domínio (condição de existência), afinal, só faz sentido utilizá-la nos pontos onde esteja definida e sua expressão matemática, portanto, tenha significado. Todavia, em muitos casos, é importante saber como a função se comporta quando a variável está muito próxima de um ponto que não pertence ao seu domínio. E para este estudo, nos valemos da teoria de limites e Continuidade de funções, a qual permite a análise de uma função em uma vizinhança muito próxima de um ponto, sem se preocupar com o valor da função neste ponto po intervalo. Um conceito fundamental no Cálculo, no que diz respeito ao estudo de funções, é o de continuidade de uma função num ponto de seu domínio. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender: e explicar o conceito de continuidade de funções; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 181 Continuidade CONTINUIDADE DE FUNÇÕES DE UMA VARÁVEL Os seguintes problemas envolvem a continuidade de funções de uma variável. Uma função y = f(x) é contínua em um ponto x=a se as seguintes três condições são verificadas: a) f(a) está definida, b) exéte (i.e., é finito) e, c) . Critérios de Continuidade de uma Função Uma função f é dita ser contínua no intervalo I se f é contínua em cada ponto x em I. Aqui está uma lista de alguns factos bem conhecidos que nos ajudam a identificar se dada função f é contínua num determinado interval I: 1. A SOMA de funções contínuas é contínua. 2. A DIFERENÇA de funções contínuas é contínua. 3. O PRODUTO de funções contínuas é contínua. 4. O QUOCIENTE de funções contínuas é contínua em todos os pontos x aonde o DENOMINADOR NÃO é ZERO. 5. A COMPOSIÇÃO de funções contínuas é contínua em todos os pontos x onde a composição está propriamente definida. 6. Qualquer polinômio é contínuo para todos os valores de x. 7. A função ex e as funções trigonométricas e são contínua para todos os valores de x. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 182 Sumário Nesta Unidade Temática 5.4. estudamos: 1. Conceito de Continuidade de uma função; 2. Critérios de continuidade de uma função. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-1 (Com respostas detalhadas) PROBLEMA 1 : Determine se a seguinte função é contínua em x=1 . Clique AQUI to para ver uma solução detalhada do problema 1. PROBLEMA 2 : Determine se a seguinte função é contínua em x=-2 . Clique AQUI to para ver uma solução detalhada do problema 2. PROBLEMA 3 : Determine se a seguinte função é contínua em x=0 . Clique AQUI to para ver uma solução detalhada do problema 3. PROBLEMA 4 : Determine se a função é contínua at x=- 1 . Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 4. http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 1 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 2 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 3 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 4 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 183 PROBLEMA 5 : Verifique se a seguinte função é contínua para x=3 e x=- 3 . Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 5. PROBLEMA 6 : Para que valores de x a função é contínua ? Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 6. PROBLEMA 7 : Para que valores de x a função é contínua ? Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 7. PROBLEMA 8 : Para que valores de x a função é contínua ? Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 8. PROBLEMA 9 : Para que valores de x a função é contínua ? Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 9. PROBLEMA 10 : Para que valores de x a função é contínua ? Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 10. PROBLEMA 11 : Para que valores de x é aseguinte função contínua ? http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 5 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 6 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 7 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 8 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 9 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 10 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 184 Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 11. PROBLEMA 12 : Determine todos os valores da constante A para que a seguinte função seja contínua para todos os valores de x . Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 12. PROBLEMA 13 : Determine todos os va;ores das constantes A e B para que a função seja contínua para todos os valores de x . Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 13. PROBLEMA 14 : Mostre que a seguinte função é contínua para todos os valores de x . Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 14. PROBLEMA 15 : Seja Mostre que f é contínua para todos os valores de x . Mostre que f é diferenciável para todos os valores de x, mas que a derivada , f' , NÃO é contínua em x=0 . http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 11 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 12 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 13 http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 14 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 185 Clique AQUI para ver uma solução detalhada do problema 15. TEMA VI: CÁLCULO DIFERENCIAL 57 Unidade 6.1 Derivada. Unidade 6.2.Técnicas de Derivação. Unidade 6.3 Regra da Cadeia… Unidade Temática 6.1. Derivada Introdução È necessário, em todo o cálculo matemático ter a noção teórica de cada tema no qual trabalhamos; isso porque; imaginemos que, para os estudantes até ao 12º ano a relevância destes conceitos acaba por ser desprezada visto que a prática, em termos reais é mais conclusiva que a própria teória. Mas, isso só funciona desde que tenhamos sempre presente um professor que auxilie o raciocínio. A questão é: quando necessitar implementar ou criar alguma aplicação matématica o conhecimento teórico traduz aopção ou o método a adoptar. Por ex: se devemos usar derivadas, limites, integrais, sistemas de equações para satisfação dos critérios físico/matemáticos do cálculo em causa. Questões como estas merecem atenção. No cálculo, a derivada representa a taxa de variação instantânea de uma função. Um exemplo típico é a função velocidade que representa a taxa de variação (derivada) da função espaço ou da distância s percorrida. Do mesmo modo a função aceleração é a derivada da função velocidade. Diz-se que uma função f é derivável (ou diferenciável) se, próximo de cada ponto a do seu domínio, a função f(x) − f(a) se comportar aproximadamente como uma função linear, ou seja, se o seu gráfico for aproximadamente uma recta. O declive de uma tal recta é a derivada http://mtm.ufsc.br/~azeredo/calculos/Acalculo/x/continua/solu/ContinuitySol.html#SOLUTION 15 http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_linear UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 186 da função f no ponto a e representa-se por dx xdf xf )( )(́ = , mas quando x assumir, por exemplo um valor a, escrevemos f´(a)= dx adf af )( )(́ = . A Derivada nos dias que correm encontra muita aplicação em diversas áreas de conhecimento, entre outras, a de ciências económicas, como é o caso de cálculo de receita marginal. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Definir: a Derivada de Uma Função; ▪ Estabelecer: a definição formal da derivada; ▪ Aplicar: na vida prática e profissional o conceito de deferenciação; Derivada No cálculo, a derivada representa a taxa de variação instantânea de uma função[1] . Um exemplo típico é a função velocidade que representa a taxa de variação (derivada) da função espaço. Do mesmo modo a função aceleração é a derivada da função velocidade. Diz-se que uma função f é derivável (ou diferenciável) se, próximo de cada ponto a do seu domínio, a função f(x) − f(a) se comportar aproximadamente como uma função linear, ou seja, se o seu gráfico for aproximadamente uma reta. O declive de uma tal recta é a derivada da função f(x) no ponto a e representa-se por ou por dx adf af )( )(́ = . http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Derivada#cite_note-1 http://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_linear UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 187 Em cada ponto, a derivada de é a tangente do ângulo que a recta tangente à curva faz em relaçao ao eixo das abscissas. A reta é sempre tangente à curva azul; a tangente do ângulo que ela faz com o eixo das abscissas é a derivada. Note-se que a derivada é positiva quando verde, negativa quando vermelha, e zero quando preta. Definição formal da Derivada Seja I um intervalo com mais do que um ponto do conjunto dos números reais e seja f uma função de I em (função esta que é formalmente denotada por ) . Se o ponto (lê-se: o ponto a pertence, faz parte do intervalo I), diz-se que f é derivável em a se existir o limite [2] e o mesmo for finito , onde . Se for esse o caso, aquele limite designa-se por derivada da função f no ponto a e representa-se por f′(a). Note-se que a derivada de f em a, se existir, é única. Isto continuaria a ser verdade se I fosse um conjunto qualquer de números reais e se a fosse um ponto não isolado de I. Segundo esta definição, a derivada de uma função de uma variável é definida como um processo de limite Considera-se a inclinação da secante quando os dois pontos de intersecção com o gráfico de f convergem para um mesmo ponto. No limite, a inclinação da secante é igual à da tangenteInclinação da secante ao gráfico de f http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Secante-calculo.gif http://pt.wikipedia.org/wiki/Entes_geom%C3%A9tricos_fundamentais#Coeficiente_angular http://pt.wikipedia.org/wiki/Reta_tangente http://pt.wikipedia.org/wiki/Curva http://pt.wikipedia.org/wiki/Abscissa http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_positivo http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_negativo http://pt.wikipedia.org/wiki/Zero http://pt.wikipedia.org/wiki/Conjunto http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmeros_reais http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Limite http://pt.wikipedia.org/wiki/Derivada#cite_note-2 http://pt.wikipedia.org/wiki/Limite http://pt.wikipedia.org/wiki/Secante http://pt.wikipedia.org/wiki/Tangente http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Graph_of_sliding_derivative_line.gif UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 188 O declive da secante ao gráfico de f que passa pelos pontos (x,f(x)) e (x + h,f(x + h)) é dado pelo quociente de Newton: . Uma definição alternativa é: a função f é derivável em a se existir uma função φa de I em R contínua em a tal que . Então define-se a derivada de f em a como sendo φa(a). Derivada num ponto • Seja um intervalo de R com mais do que um ponto, seja ∈ e seja uma função de em R derivável em . Então é contínua em . O recíproco não é verdadeiro, como se pode ver pela função módulo. • Seja um intervalo de R com mais do que um ponto, seja ∈ e sejam e funções de em R deriváveis em . Então as funções ± , e (caso ≠ ) também são deriváveis em e: o o o http://pt.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_cont%C3%ADnua UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 189 Em particular, se ∈ R, então . Resulta daqui e de se ter que a derivação é uma aplicação linear. • Sejam e intervalos de R com mais do que um ponto, seja ∈ , seja uma função de em derivável em e seja seja uma função de em R derivável em . Então o é derivável em e . Esta propriedade é conhecida por regra da cadeia. • Seja um intervalo de R com mais do que um ponto, seja ∈ e seja uma função contínua de em R derivável em com derivada não nula. Então a função inversa é derivável em e Outra maneira de formular este resultado é: se está na imagem de e se for derivável em com derivada não nula, então Assim, por exemplo, se considerarmos a função f de R em R definida por f(x) = x² + x − 1, esta é diferenciável em 0. Podem ver-se na imagem abaixo os gráficos das restrições daquela função aos intervalos [−1,1] e [−1/10,1/10] e é claro que, enquanto que o primeiro é bastante curvo (e, portanto, f(x) − f(0) está aí longe de ser linear), o segundo é praticamente indistinguível de um segmento de reta (de declive 1). De facto, quanto mais se for ampliando o gráfico próximo de (0,f(0)) mais perto estará este de ser linear. http://pt.wikipedia.org/wiki/Transforma%C3%A7%C3%A3o_linear http://pt.wikipedia.org/wiki/Regra_da_cadeia http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_inversa UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 190 Gráfico de uma função derivável. Em contrapartida, a função módulo de R em R não é derivável em 0, pois, por mais que se amplie o gráfico perto de (0,0), este tem sempre o aspecto da figura abaixo. Gráfico da função módulo, que não é derivável em . Derivabilidade em todo o domínio Diz-se que f é derivável ou diferenciável se o for em todos os pontos do domínio. Uma função diferenciável • Uma função derivável de em R é constante se e só se a derivadafor igual a em todos os pontos. Isto é uma consequência do teorema da média. http://pt.wikipedia.org/wiki/Valor_absoluto http://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_do_valor_m%C3%A9dio http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Differentiable_function.png http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Module.png http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Polynomialdeg3.svg UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 191 • Uma função derivável de em R é crescente se e só se a derivada for maior ou igual a em todos os pontos. Isto também é uma consequência do teorema da média. Uma função cuja derivada seja sempre maior que é estritamente crescente. Uma observação importante é que existem funções estritamente crescentes em que a derivada assume o valor em alguns pontos. É o que acontece, por exemplo com a função de R em R definida por . Naturalmente, existem enunciados análogos para funções decrescentes. • Se for uma função derivável de em R, sendo um intervalo de R com mais do que um ponto, então também é um intervalo de R. Outra maneira de formular este resultado é: se for uma função derivável de em R e se for um número real situado entre e (isto é, ≤ ≤ ou ≥ ≥ ), então existe algum ∈ tal que . Este resultado é conhecido por teorema de Darboux. Funções continuamente deriváveis Seja um intervalo de R com mais do que um ponto e seja uma função de em R. Diz-se que é continuamente derivável ou de classe se for derivável e, além disso, a sua derivada for contínua. Todas as funções deriváveis que foram vistas acima são continuamente deriváveis. Um exemplo de uma função derivável que não é continuamente derivável é pois o limite não existe; em particular, f' não é contínua em . http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_mon%C3%B3tona http://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_do_valor_m%C3%A9dio http://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_Darboux http://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_Darboux UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 192 Derivadas de ordem superior (facultativo) Quando obtemos a derivada de uma função o resultado é também uma função de x e como tal também pode ser diferenciada. Calculando-se a derivada novamente obtemos então a segunda derivada da função f. De forma semelhante, a derivada da segunda derivada é chamada de terceira derivada e assim por diante. Podemos nos referir às derivadas subsequentes de f por: e assim sucessivamente. No entanto, a notação mais empregada é: ou alternativamente, ou ainda Se, para algum k ∈ N, f for k vezes derivável e, além disso, f(k) for uma função contínua, diz-se que f é de classe Ck. Se a função f tiver derivadas de todas as ordens, diz-se que f é infinitamente derivável ou indefinidamente derivável ou ainda de classe C∞. Pontos críticos, estacionários ou singulares Pontos onde a derivada da função é igual a chamam-se normalmente de pontos críticos. Existem cinco tipos de pontos onde isto pode acontecer em uma função. Como a derivada é igual ao declive da tangente em um dado ponto, estes pontos acontecem onde a reta tangente é paralela ao eixo dos . Estes pontos podem acontecer: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 193 1. onde a função atinge um valor máximo e depois começa a diminuir, chamados máximos locais da função 2. onde ela atinge um valor mínimo e começa a aumentar, chamados de mínimos locais da função 3. em pontos de inflexão (horizontais) da função, que ocorrem onde a concavidade da função muda. Um exemplo típico é a função : no ponto a função tem um ponto de inflexão (horizontal). 4. em pontos onde a função oscila indefinidamente entre valores acima ou abaixo, um exemplo típico é a função 5. em pontos onde a função é localmente constante, ou seja, existe um intervalo contendo o ponto para o qual a restrição da função ao intervalo é a função constante. Um exemplo típico é a função f(x) = |x + 1| + |x - 1| no ponto x=0. Os pontos críticos são ferramentas úteis para examinar e desenhar gráficos de funções. Sumário Nesta Unidade Temática 6.1. estudamos: 1. Derivada (conceito); 2. Definição formal; 3. Derivada de uma função num ponto; 4. Derivabilidade em todo domínio. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-1 (Com respostas detalhadas) Se ∈ R, a função de R em R definida por é derivável em todos os pontos de R e a sua derivada é igual a em todos os pontos, pois, para cada ∈ R: . http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_constante http://pt.wikipedia.org/wiki/Gr%C3%A1fico_de_uma_fun%C3%A7%C3%A3o UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 194 Usando a definição alternativa, basta ver que se se definir de R em R por , então é contínua e, para cada e cada reais, tem-se ; além disso, . A função de R em R definida por é derivável em todos os pontos de R e a sua derivada é igual a em todos os pontos, pois, para cada ∈ R: . Usando a definição alternativa, basta ver que se se definir de R em R por , então é contínua e, para cada e cada reais, tem-se ; além disso, . A função de R em R definida por é derivável em todos os pontos de R e a sua derivada no ponto ∈ R é igual a , pois: . Usando a definição alternativa, basta ver que se se definir de R em R por , então é contínua e, para cada e cada reais, tem-se ; além disso, . A função módulo de R em R não é derivável em pois http://pt.wikipedia.org/wiki/Valor_absoluto UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 195 No entanto, é derivável em todos os outros pontos de R: a derivada em é igual a quando e é igual a quando . Unidade Temática 6.2. Técnicas de Derivação Introdução A derivada de uma função y = f(x) num ponto x = x0 , é igual ao valor da tangente trigonométrica do ângulo formado pela tangente geométrica à curva representativa de y=f(x), no ponto x = x0, ou seja, a derivada é o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico da função no ponto x0. A derivada de uma função y = f(x), pode ser representada também pelos símbolos: y' = dy/dx ou f ' (x). A derivada de uma função f(x) no ponto x0 é dada por: Mas, em termos práticos, torna-se enfadonho trabalhar com fórmula acima, pelo que se adoptou uma maneira mais facile prática de trabalhar com a derivada, a que no conjunto se designou por técnicas de derivação, que veremos com mais detalhes, no desenvolvimento desta Unidade Temática. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender e aplicar o Conceito: de técnicas de derivação; ▪ Saber como: interpretar a derivada de uma constante; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 196 ▪ Aplicar correctamente: todas a técnicas de derivação na resolução de problemas reais; Técnicas de Derivação DERIVADA DE UMA CONSTANTE Se c for um número real qualquer, então: DERIVADA DE UMA POTÊNCIA COM EXPOENTE INTEIRO Se n for um número inteiro qualquer, então: DERIVADA DE UMA CONSTANTE VEZES UMA FUNÇÃO Se f for diferenciável em x e c for um número real qualquer, então: DERIVADAS DE SOMAS E DIFERENÇAS Se f e g forem diferenciáveis em x, então: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 197 DERIVADA DE UM PRODUTO Se f e g forem diferenciáveis em x, então: DERIVADA DE UM QUOCIENTE Se f e g forem diferenciáveis em x, e , então: DERIVADA DE UM RECÍPROCO Se g for diferenciável em x, e , então: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 198 DERIVADAS MAIS ALTAS ou de n-ésimograu Se a derivada f' de uma função f for ela mesma diferenciável, então a derivada de f' será denotada por f'', chamada de derivada segunda de f: Se pudermos repetir este processo, obteremos a derivada terceira de f: E assim por diante, na forma geral: DERIVADAS DAS FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 199 Sumário Nesta Unidade Temática 6.2. estudamos os seguinte tópicos. Constante Potência com expoente inteiro Constante vezes uma função Somas e diferenças Produto Quociente Recíproco Derivadas mais altas Trigonométricas Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO-2 (Com respostas NÃO DETALHADAS) Tente resolver os exercícios antes de olhar as respostas! 1.Calcule a derivada da função e determine o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico da função no valor de x dado. a) b) 2.Determine uma equação para a reta tangente ao gráfico da função no ponto (x,y) = (3,2). 3. A posição de uma partícula que se desloca ao longo de uma recta coordenada é dada por , com s em metros e t em segundos. Determine a velocidade e a aceleração da partícula para t = 6s. http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_1_consta.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_2_expint.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_3_constf.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_4_somdif.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_5_prod.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_6_quoc.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_7_recip.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_8_altas.htm http://www.pucrs.br/famat/silveira/calculoa/m2/3tecnicas_9_trig.htm UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 200 4. Analisando o gráfico da figura abaixo, verifique em quais pontos do intervalo [-4,6] a derivada não existe. Justifique sua resposta. 5. Cada uma das figuras mostra o gráfico de uma função num intervalo fechado D. a) b) • Em que pontos do domínio existe a derivada da função? • Em que pontos do domínio a função é contínua, mas não existe a derivada? • Em que pontos do domínio a função não é contínua e nem diferenciável (ou seja, não existe a derivada)? Justifique cada uma de suas respostas 6. Determine a derivada das funções dadas. a) b) c) d) 7. Determine a derivada das funções: a) i) b) j) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 201 c) k) d) l) e) m) f) n) g) o) h) p) 8. A relação entre o número de decibéis e a intensidade de um som I em watts por centímetro quadrado é dada por Encontre a taxa de variação no número de decibéis quando a intensidade for 10-4 watt por centímetro quadrado. 9. Na escala Richter, a magnitude R de um terremoto de intensidade I é dada por em que I0 é a intensidade mínima usada para comparação. Supondo que I0 = 1. a) Determine a intensidade do terremoto de 1906 em São Francisco para o qual R = 8,3. b) Determine a intensidade do terremoto de 26 de maio de 2006 em Java, Indonésia, para o qual R = 6,3. c) Determine o fator pelo qual a intensidade aumenta quando o valor de R é duplicado. d) Determine . 10. Encontre uma equação da reta tangente no ponto indicado. a) d) b) e) c) f) 11. Quem é b se a inclinação da reta tangente à curva y = bx em x = 0 for 4? 12. A energia E (em joules) irradiada como onda sísmica a partir de um terremoto de magnitude M na escala Richter é dada pela fórmula log10E = 4,8+1,5M. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 202 a) Expresse E como função de M b) Mostre que quando M cresce 1 unidade, a energia aumenta por um fator de aproximadamente 31. c) Calcule dM dE RESPOSTAS 1. a) c) 2. 3. 4. x = 0 ; x = 1 e x = 4 5. a) , nenhum , nenhum b) , nenhum , x = 0 6. a) b) c) d) 7. a) i) b) j) c) k) d) l) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 203 e) m) f) n) g) o) h) p) 8. , então, para I = 10-4, a taxa de variação é aproximadamente 43 429,4 db/w/cm2. 9. a) c) 10R b) d) 10. a) d) b) e) c) f) 11. b = e4 12. a) E = 104,8+1,5M c) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 204 Unidade Temática 6.3. Regra de Cadeia Introdução Em cálculo, a regra da cadeia é uma fórmula para a derivada da função composta de duas funções ou mais. Desenvolvida por Gottfried Leibniz, a regra da cadeia teve grande importância para o avanço do cálculo diferencial. Seu desenvolvimento foi devido à mudança de notação, ou seja, ao invés de usar a notação de Newton, Leibniz adotou uma notação referente à tangente, onde a derivada é dada pela diferença dos valores na ordenada dividida pela diferença dos valores na abcissa e onde essa diferença é infinitamente pequena (dy/dx). A partir desta observação, a regra da cadeia passou a permitir a diferenciação de funções diversas cujo argumento é outra função. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender como se aplicar: a regra de cadeia nas derivadas; ▪ Fazer Análise e Interpretação: de gráficos de funções estudadas; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Regra de Cadeia Enunciado A regra da cadeia afirma que http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula http://pt.wikipedia.org/wiki/Derivada http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_composta http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_composta http://pt.wikipedia.org/wiki/Gottfried_Leibniz http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/Newton http://pt.wikipedia.org/wiki/Leibniz http://pt.wikipedia.org/wiki/Tangente http://pt.wikipedia.org/wiki/Derivada UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 205 que em sua forma sucinta é escrita como: Alternativamente, na notação de Leibniz, a regra da cadeia é Na integração, a recíproca da regra da cadeia é a regra da substituição. Exemplos • Exemplo 1: Considere . Temos que onde e Então, • Exemplo 2: De forma análoga, para funções trigonométricas, por exemplo: pode ser escrita como com e . A regra da cadeia afirma que desde que e . Regra da cadeia para várias variáveis (Carácter informativo, pelo que facultativo). A regra da cadeia aplica-se também para funções de mais uma variável. Considere a função onde e , então http://pt.wikipedia.org/wiki/Nota%C3%A7%C3%A3o_de_Leibniz http://pt.wikipedia.org/wiki/Integral http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Regra_da_substitui%C3%A7%C3%A3o&action=edit&redlink=1 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 206 Suponha que cada função de é uma função de duas variáveis tais que e , e que todas essas funções sejam diferenciáveis. Então a regra da cadeia é equivalente a: Se considerarmos acima como um vetor função, podemos então utilizar a notação vetorial para escrever a equivalência acima como o produto escalar do gradiente/Tangente de e a derivada de : Em geral, para funções de vectores a vetores, a regra da cadeia afirma que a Matriz Jacobiana da função composta é o produto de matrizes Jacobianas de duas funções: Sumário Nesta Unidade Temática 6.2. estudamos:Regra de cadeia para derivadas e algumas de suas aplicações. Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. A derivada de uma função de uma variável é o limite da razão do acréscimo da função para o acréscimo independente, quando este último http://pt.wikipedia.org/wiki/Produto_escalar http://pt.wikipedia.org/wiki/Gradiente http://pt.wikipedia.org/wiki/Matriz_Jacobiana UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 207 tende a zero, em outras palavras a derivada da função 𝑦 = 𝑓(𝑥) é dada por: 𝐴: 𝑓′(𝑥) = lim ∆𝑥→0 𝑓(∆𝑥) − 𝑓(𝑥) ∆𝑥 𝐵: 𝑓′(𝑥) = lim ∆𝑥→0 𝑓(𝑥 + ∆𝑥) + 𝑓(𝑥) ∆𝑥 𝐶: 𝑓′(𝑥) = lim ∆𝑥→0 𝑓(𝑥+∆𝑥)−𝑓(𝑥) ∆𝑥 𝐷: 𝐴: 𝑓′(𝑥) = lim ∆𝑥→0 𝑓(𝑥+∆𝑥)−𝑓(𝑥) 𝑥−∆𝑥 2. A derivada da função 𝑓(𝑥) = 2 − 3𝑥 é: 𝐴: 3 𝐵: 2 𝐶: − 1 𝐷: − 3 3. A derivada da função 𝑓(𝑥) = 2 𝑥+1 é: 𝐴: 2 𝑥 + 1 𝐵: 2 (𝑥 + 1)2 𝐶: −2 (𝑥 + 1)2 𝐷: − (𝑥 + 1)2 2 4. A derivada do exercício anterior no ponto 𝑥 = 1 é: 𝐴: 1 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 208 𝐵: 1 2 𝐶: − 1 2 𝐷: − 2 5. Sendo 𝑓(𝑥) = √𝑒𝑠𝑒𝑛𝑥 𝐴: 𝑐𝑜𝑠𝑥 2 √𝑒𝑠𝑒𝑛𝑥 𝐵: −𝑐𝑜𝑠𝑥 2 √𝑒𝑠𝑒𝑛𝑥 𝐶: 𝑠𝑒𝑛𝑥 2 √𝑒𝑠𝑒𝑛𝑥 𝐷: 𝑁𝑒𝑛ℎ𝑢𝑚𝑎 𝑑𝑎𝑠 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑠 é 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎 6. Sendo 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑛 ( 𝑥+1 𝑥−1 ): 𝐴: 2 𝑥2 − 1 𝐵: −2 𝑥2 − 1 𝐶: ln(𝑥 + 1) − ln(𝑥 − 1) 𝐷: 𝑁ã𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 7. Sendo 𝑓(𝑥) = log2(𝑠𝑒𝑛𝑥): 𝐴: 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑥) 𝑙𝑛2 𝐵: 𝑡𝑔(𝑥) 𝑙𝑛2 𝐶: log2(𝑐𝑜𝑠𝑥) 𝐷: (𝑐𝑜𝑠𝑥)log2(𝑠𝑒𝑛𝑥) 8. Sendo 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑛(2𝑥): 𝐴: 2 cos(2𝑥) 𝐵: −2 cos(2𝑥) 𝐶: − cos (2𝑥) 𝐷: cos (2𝑥) 9. Sendo 𝑓(𝑥) = 𝑠𝑒𝑛(𝑥) 𝑥−1 : UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 209 𝐴: (x − 1) cos(𝑥) − 𝑠𝑒𝑛𝑥 (𝑥 − 1)2 𝐵: 𝑐𝑜𝑠𝑥 𝐶: (x − 1) cos(𝑥) + 𝑠𝑒𝑛𝑥 (𝑥 − 1)2 𝐷: cos(𝑥) (𝑥 − 1)2 10. Sendo 𝑓(𝑥) = 1002𝑥 𝐴: 2002𝑥𝑙𝑛(100) 𝐵: 2 × 1002𝑥 𝐶: 2002𝑥 𝐷: 1002𝑥𝑙𝑛(1002) Respostas: 1. C, 2. D, 3. C, 4.C, 5. A, 6. B, 7.A, 8.A, 9.A, 10.D Calcule a derivada de cada uma das funções abaixo: RESPOSTAS (Vamos mostrar apenas as resoluções das alíneas a) e b)). a) Temos f1(x)=h(g(x)), sendo e . Se , então . Por outro lado, se , então . UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 210 Mas, pela Regra da Cadeia, como h e g são deriváveis, temos f1'(x)=h'(g(x)).g'(x), ou seja, . b) Dica: se f(x) = ax, sua derivada é f´(x) = ax .lna Mas quando a = e, teremos f´(x) = ex .lne . Mas lne = e elog = 1, logo f´(x) = ex .lne = f´(x) = ex .l = ex xx ee = )´( . Para derivar as funções trigonométricas, o estudantes, deve revisitar a Unidade Temática 6.2. (Derivadas de Funções Trigométricas página 77 e 78). Temos f2(x)=h(g(x)), sendo e . Se , então . Por outro lado, se , então . Mas, pela Regra da Cadeia, como h e g são deriváveis, temos f2'(x)=h'(g(x)).g'(x), ou seja, . Tente encontrar a expressão mais simplificada possível do que estas últimas duas alíneas a) e b) e continue, com analogia a esta resolução, a resolver os demais exercícios de c) a f). javascript:; javascript:; javascript:; javascript:; javascript:; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 211 TEMA VII: COMPORTAMENTO DE FUNÇÕES Unidade 7.1. Máximos e Mínimos. Unidade 7.2. Regiões de Crescimento e Decrescimento. Unidade 7.3. Regra de L’Hôpital. Unidade 7.4. Taxas Relacionadas Unidade Temática 7.1. Máximo e Mínimo Introdução Em matemática, em especial na análise real, os pontos de máximo e mínimo, também chamados de pontos extremos de uma função são pontos do domínio onde a função atinge seu valor máximo e mínimo. Ou seja, dizemos que (de máximo) e (de mínimo) se existem pontos no domínio e tais que: , para todo no domínio. A partir do sinal da primeira ou da derivada de uma função f, além da concavidade, podem-se obter pontos de máximo ou mínimos, relativos a um certo intervalo desta função. Em geral, não se pode garantir a existência de tais valores máximos nem mínimos, mesmo para funções reais contínuas limitadas. No entanto é possível mostrar que toda função real definida num compacto assume tanto um máximo como um mínimo. Define-se também ponto de máximo local e ponto de mínimo local que são pontos de máximo (ou de mínimo) de uma função em alguma vizinhança do ponto contida no domínio. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: http://pt.wikipedia.org/wiki/Matem%C3%A1tica http://pt.wikipedia.org/wiki/An%C3%A1lise_real http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_(matem%C3%A1tica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_real http://pt.wikipedia.org/wiki/Espa%C3%A7o_compacto http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Ponto_de_m%C3%A1ximo_local&action=edit&redlink=1 http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Ponto_de_m%C3%ADnimo_local&action=edit&redlink=1 http://pt.wikipedia.org/wiki/Vizinhan%C3%A7a UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 212 Objectivos específicos ▪ Entender: e aplicar o conceito de máximo e mínimo; ▪ Saber interpretar o significado: de anulamento das 1ª e 2ª derivavadas; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Máximo e Mínimo Aplicações da 1ª Derivada Considere o gráfico a seguir de uma função qualquer. Tem-se: x1= abscissa de um ponto de máximo local. x2= abscissa de um ponto de mínimo local. x3= abscissa de um ponto de máximo local. As rectas tangentes r1, r2 e r3 nos pontos de abscissas x1, x2 e x3, respectivamente, são paralelas ao eixo x, logo, a derivada (que é o declive da recta tangente ao gráfico) de f anula-se para x1, x2 e x3, ou seja, f’(x1) = f’(x2) = f’(x3) = 0. Porque o ângulo (declive) mede-se entre a recta e o eixo das abcissas x. Quando a recta é paralela ao eixo x, o ângulo entre si resulta de zero graus, que é ovalor do declive. Observação: Por força do exposto no parágrafo imediatamente anterior, os pontos de mínimo ou de máximo ocorrem quando a 1ª derivada é nula (igual a zero) nesses pontos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 213 Aplicações da 2ª Derivada ou (pontos de Inflexão). A fim de verificar se um ponto, que anula a primeira derivada de uma função, representa um ponto de máximo ou mínimo local, faz-se o teste da segunda derivada, ou seja: a) deriva-se a função; b) iguala-se a primeira derivada a zero; c) Seja a função duas vezes diferenciável no intervalo aberto I. (i) se f(x) (segunda derivada) >0 para todo x em I (intervalo), então o gráfico de f possui concavidade virada para cima em I. (ii) se f(x) (segunda derivada) <0 para todo x em I, então o gráfico de f possui concavidade virada para baixo em I. Teste da segunda derivada para extremos relativos Seja a função f diferenciável no intervalo aberto I e suponha que c seja um ponto em I, tal que f (x) (primeira derivada) = 0 e f (x) (segunda derivada) exista. (i) se f (c)>0, então f possui um mínimo relativo em c. (ii) se f (c) < 0, então f possui um máximo relativo em c. Pode ser escrito de outra forma: Teste da Derivada segunda Suponha que f (2 derivada) seja contínua na proximidade de c. (i) se f (c) =0 e f (c) >0, então f tem um mínimo local em c. (ii) se f (c) = 0 e f (c) <0, então f tem um máximo local em c Sumário Nesta Unidade Temática 7.1. estudamos os seguinte tópicos. Aplicações da 1ª Derivada e UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 214 Aplicações da 2ª DerivadaExercícios de AUTO-AVALIAÇÃO EXERCÍCIOS de AUTO-AVALIAÇÃO GRUPO 2 (Com respostas) 1. Dentre todos os rectângulos de perímetro 64cm, encontre as medidas de um em que sua áreas seja máxima. Temos o rectângulo: [Figura 1-1] O perímetro é dado por: De (5.1) obtermos: A área do retângulo é dada por: Substituindo (5.2) na (5.3), obtemos: Calculamos agora a derivada da (5.4): Igualando a zero obtendo a seguinte equação: http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uK71I0e5I/AAAAAAAAFSI/8Iclnoo9FZU/s1600-h/Figura5-1%5b4%5d.jpg http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uK8ldVLHI/AAAAAAAAFSQ/YedkIVt6lRg/s1600-h/clip_image002%5b12%5d%5b2%5d.gif http://lh4.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uK9r7uyBI/AAAAAAAAFSY/L8uyXBBaYIk/s1600-h/clip_image004%5b12%5d%5b2%5d.gif http://lh6.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uK-tr4x9I/AAAAAAAAFSg/TNMTlbM6jW4/s1600-h/clip_image006%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S9q0Y1qdecI/AAAAAAAAHXg/HdjmmcnTQhY/s1600-h/clip_image00230%5b4%5d.gif http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLApzJAmI/AAAAAAAAFSw/cR-CHCRE1qM/s1600-h/clip_image010%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLBjhBrwI/AAAAAAAAFS4/nJDBKNgCxzI/s1600-h/clip_image012%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S9q0Zk3C3hI/AAAAAAAAHXo/QtAK3zO3zwA/s1600-h/clip_image00232%5b3%5d.gif http://lh5.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLDj1L6bI/AAAAAAAAFTI/mJvKsYParyM/s1600-h/clip_image016%5b10%5d%5b2%5d.gif UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 215 Agora que já encontramos o valor de um dos lados do rectângulo, substituímos o valor encontrado na (5.2): Com este resultado, concluímos que, para que a área seja máxima, o quadrilátero pedido é um quadrado de lado 16cm. 2. Encontre o máximo e o mínimo absolutos das funções: ______________________________________________________________ Resolução: a) http://lh6.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLEjScxFI/AAAAAAAAFTQ/AUCozmgaK4w/s1600-h/clip_image018%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh6.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLFrRsGKI/AAAAAAAAFTY/n7Yy8lgLhvk/s1600-h/clip_image020%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh5.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLGgB3nEI/AAAAAAAAFTg/mlV7Q5mM9W0/s1600-h/clip_image022%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh5.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLHqO3d8I/AAAAAAAAFTo/vQ55owVfMoU/s1600-h/clip_image024%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh5.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLKhF3nRI/AAAAAAAAFTw/Lt0EKr-nBvo/s1600-h/clip_image026%5b10%5d%5b2%5d.gif http://lh3.ggpht.com/_Qmjqb2Gk9no/S5uLLvtFAXI/AAAAAAAAFT4/pkk2yNSJaIM/s1600-h/clip_image028%5b10%5d%5b2%5d.gif UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 216 Segue que o máximo absoluto é f(4)=17 e o mínimo absoluto é f(2)=-3. _______________________________________________________________ b) f'(x)=6x(x-2)2+6x2(x-2) =12x((x-2) (x-1) =0 Os pontos críticos são: x=0, x=2 e x=1. e os valores de f nestes pontos são: Máximo absoluto : M=27, Mínimo absoluto: m=0. Unidade Temática 7.2. Regiões de Crescimento e Decrescimento Introdução A noção intuitiva de crescimento/decrescimento de uma função num intervalo aberto, contido em seu domínio, nos faz pensar num determinado tipo de gráfico. Entretanto, é preciso tomar muito cuidado com as definições. Todas são definições simples. O cuidado a ser tomado é com o quantificador: "qualquer que seja" cujo símbolo é . Assim, para provar que determinada função é crescente num intervalo não basta provar que: se então é preciso se certificar de que ficou estabelecido que a e b são quaisquer no intervalo considerado. Através da noção de crescimento/decrescimento de uma função num intervalo/Região aberto, podemos definir o ponto de extremo da javascript:; javascript:; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 217 função nesse intervalo, como veremos no desenvolvimento desta Unidade Temática. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entebder: e aplicar o conceito de crescimento e decrescimento; ▪ Perceber: quando se diz que uma função é estritamente Crescente; ▪ Perceber: quando se diz que uma função é estritamente decrescente; Regiões de Crescimento e Decrescimento Definição 1: (Função Crescente) Seja f uma função definida em um intervalo I . A função f é cr escente em I se f ( x1 ) < f ( x2 ) sempre que x1 < x2 , x1 , x2 I . Definição 2: (Função Decrescente) Seja f uma função definida em um intervalo I . A função f é decr escente em I se f ( x1 ) > f ( x2 ) sempre que x1 < x2 , x1 , x2 I . UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 218 Definição 3: Função estritamente Crescente Uma função f é dita estritamente crescente num intervalo I quando para qualquer par de pontos x1 e x2, com x1< x2, tem-se . Definição 4: Função estritamente Decrescente Uma função f é dita estritamente decrescente num intervalo I quando para qualquer par de pontos x1 e x2, com x1< x2, tem-se . Teorema: Sinal da Derivada Seja f uma função contínua em [ a , b ] e derivável em ( a , b ) . Então: a) f ’( x ) > 0 , e x ( a , b ); f é CRESCENTE em [ a , b ] . f é CRESCENTE em [ a , b ] então f ’( x ) > 0 , se x ( a , b ) UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 219 b) f ’( x ) < 0 , e x ( a , b ); f é DECRESCENTE em [ a , b ] . f é DECRESCENTE em [ a , b ] então f ’( x ) < 0 , se x ( a , b ) Teste da Primeira Derivada para Extremos Teorema: (Teste da 1a Derivada para Extremos Relativos) Seja f uma função contínua em um intervalo aberto ( a , b ) contendo xo . Se f é derivável em todo os pontos do intervalo (a , b) , excepto possivelmente em xo , então a) f ’( x ) > 0 , e x ( a , xo) e f ’( x ) < 0 , e x ( xo , b ), f tem um valor MÁXIMO RELATIVO em xo . UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 220 b) f ’( x ) < 0 , e x ( a , xo ) e f ’( x ) > 0 , e x ( xo , b ) f tem um valor MÍNIMO RELATIVO em xo . Observação: (Não é Ponto de Extremo Relativo) f ’( x ) < 0 , e x ( a , xo ) e f ’( x ) < 0 , e x ( xo , b ) ou f ’( x ) > 0 , e x ( a , xo ) e f ’( x ) > 0 , e x ( xo , b ) em xo f NÃO tem um extremo relativo . Sumário Nesta Unidade Temática 7.2. estudamos: 1. Definição 1: da Função Crescente e respectivas Regiões/Intervalos de crescimento; 2. Definição 2: da Função Derescente e respectivas Regiões/Intervalos de decrescimento; 3. Definição 3: da Função estritamente crescente e respectivas 4.Regiões/Intervalos de crescimento; 5. Definição 4: da Função estritamente decrescente e respectivas 6. Regiões/Intervalos de decrescimento; UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 221Exercícios GRUPO 2 (Exercícios com respostas) Exrcício 1 : Seja: f(x) = x3 – 6x2 + 9x - 3 (a) Encontre os intervalos (Regiões) onde f é crescente e onde é decrescente. (b) Encontre e classifique os extremos relativos. (c) Encontre o valor máximo absoluto da f no intervalo [ –1 , 2 ) . Solução : (a) Encontre os intervalos onde f é crescente e onde é decrescen te . Temos que (b) Encontre e classifique os respectivos extremos. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 222 (c) Encontre o valor máximo absoluto da f no intervalo [ –1 , 2 ) . f é uma função polinomial , portanto contínua em IR . Em particular , f contínua em [ –1 , 2 ) . f ( 1 ) = 1 é o único extremo relativo no intervalo [ –1 , 2 ) e é um valor máximo relativo f ( 1 ) = 1 é o valor máximo absoluto da função neste intervalo . Exercício 2: Seja . (a) Encontre os intervalos onde g é crescente e onde é decresce nte. (b) Encontre e classifique os extremos relativos. (c) Encontre o valor máximo absoluto da g no intervalo ( 3 , 5 ] . Solução : (a) Encontre os intervalos onde g é crescente e onde é decresce nte . UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 223 (b) Encontre e classifique os extremos relativos . (c) Encontre o valor máximo absoluto da g no intervalo ( 3 , 5 ] . g é definida por uma função polinomial no intervalo ( 3 , 5 ] , portanto contínua neste intervalo . g ( 4 ) = –11 é o único extremo relativo no intervalo ( 3 , 5 ] e é um valor mínimo relativo g ( 4 ) = – 11 é o valor mínimo absoluto da função neste intervalo . UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 224 Unidade Temática 7.3. Regra de L´Hôpital Introdução A regra de L'Hôpital, por vezes, também, designada por regra de Cauchy, foi incorporada no primeiro livro de texto sobre cálculo diferencial, publicado peli francês Guillaume François Antoine, Marquês de l'Hôpital, em 1696. Seu objectivo é calcular o limite de frações nos casos em que há indeterminações do tipo 0 0 ou . Actualmente sabe- se que a regra, com a designação de L´Hôpital, não se deve ao francês Guillaume François Antoine, Marquês de l'Hôpital, ou simplesmente Marquês, seu primeiro nome, mas sim a Johann Bernoulli, um dos membros da célebre Família Bernoulli. A regra integrou a obra do marquês, sendo também atribuída ao mesmo, mediante um acordo entre ele e Bernoulli. Este facto foi descoberto muito posteriormente. Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Estabelecer: o encunciado da Regra de L´Hôpital; ▪ Fazer: Algumas das aplicações da Regra de L´Hôpital; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Regra de L´Hôpital Enunciado Sejam e funções deriváveis num intervalo ou união de intervalos , com . http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo http://pt.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Fran%C3%A7ois_Antoine,_Marqu%C3%AAs_de_l%27H%C3%B4pital http://pt.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Fran%C3%A7ois_Antoine,_Marqu%C3%AAs_de_l%27H%C3%B4pital http://pt.wikipedia.org/wiki/Limite http://pt.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Fran%C3%A7ois_Antoine,_Marqu%C3%AAs_de_l%27H%C3%B4pital http://pt.wikipedia.org/wiki/Johann_Bernoulli http://pt.wikipedia.org/wiki/Fam%C3%ADlia_Bernoulli UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 225 Se ou Então, se , com ou ou : Com , , , ou . É importante notar-se que esta é uma relação de sentido único (não é uma equivalência) e que tem de existir (i.e: se o limite do quociente das derivadas não existir, nada se pode concluir). Algumas Aplicações A regra pode, ainda, ser estendida para calcularem-se limites tais como aplicando a regra de L'Hôpital: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 226 Ou, ainda, o limite fundamental onde se segue: derivando... Demonstração A prova da regra de l'Hôpital é simples no caso em que f e g são continuamente diferenciáveis no ponto c e onde é encontrado um limite finito após a primeira tentativa de diferenciação. Esta não é uma prova geral para a regra l'Hôpital, pois é mais estrita, necessitando tanto de diferenciabilidade das duas funções f e g, e que c seja um número real. Uma vez que diversas funções comuns têm derivadas contínuas (por exemplo, polinómios, seno e cosseno, função exponencial), é um caso especial que merece atenção. Suponha que f e g são continuamente diferenciáveis num número real c, em que , e que . Então http://pt.wikipedia.org/wiki/Polin%C3%B3mio http://pt.wikipedia.org/wiki/Seno http://pt.wikipedia.org/wiki/Cosseno http://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3o_exponencial UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 227 Sumário Nesta Unidade Temática 7.3. Estudamos: 1. Enunciado do Regra/Teorema de L´Hôpital; 2. Demonstração da Regra de L´Hôpital e; 3. Algumas Aplicações Exercícios GRUPO 2 (com respostas) Exercício 1 Alguns exemplos podem ser fornecidos Aplicando a regra de l'Hôpital Exercício 2 A regra pode ainda ser usada para calcular alguns limites notáveis tais como: UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 228 Aplicando a regra Unidade Temática 7.4. Taxas Relacionadas Introdução Quando pensamos em executar uma actividade, geralmente trabalhamos nela e pronto. Pelo menos é assim que pensamos que está sendo feito. Porém, muitas vezes, para realizar uma tarefa é necessário, antes, realizar uma primeira actividade a fim de preparar o caminho para a tarefa verdadeira que pretendemos. Por exemplo, se queremos cozinhar um ovo, colocamos a água para ferver, e dentro da água o ovo. Na verdade estamos fervendo água e a água é quem cozinha o ovo, não o fogo. Se pensarmos mais ainda, não é a água que está no fogo, mas a panela. Então, a panela é que está sendo aquecida pelo fogo, como consequência ferve a água e por último o ovo é cozido. Perceba que o resultado é exactamente o que queremos, mas a acção não é directa. Este é um exemplo de presso em cadeia, tal como acontecerá com as taxas relacionadas, que é o principal objectivo desta Unidade Temática. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 229 Ao completar esta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos específicos ▪ Entender: o conceito de taxas relacionadas; ▪ Fazer Análise e Interpretação: das taxas relacionadas; ▪ Aplicar: os os conhecimentos adquiridos na vida prática e profissional; Taxas Relacionadas Suponhamos que x e y estão relacionadas pela equação x2 + y2 = 1 e que x = f (t) e y = g(t), onde t é um parâmetro (tempo). Então derivando esta igualdade teremos (x2 + y2)´ = 1´ o mesmo que 2x dt dx + 2y dt dy = 0; onde neste caso dt dx e dt dy dizemos que são taxas relacionadas, porque conhecendo uma podemos determinar a outra. Outro exemplo: Quando queremos calcular uma área, precisamos antes saber a geometria da superfície em questão. Da geometria definimos a relação com as medidas necessárias. Agora, imagine uma situação de calcular a área de um quadrado. De imediato pensamos na figura e lembramosda fórmula necessária: A = l² Mas como fica o problema se o lado mudar de tamanho ao longo do tempo? A variação da área com relação ao tempo não é percebida diretamente, somente se passarmos pelo cálculo do lado entenderemos o problema. Como assim? Imagine uma chapa de metal, quadrada. Para piorar, imagine uma chama constante em baixo da chapa aquecendo-a. Pense que o metal tende a variar suas medidas sob a ação de calor. Assim, quanto mais UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 230 tempo passa, mais o calor influencia as medidas da chapa de maneira que poderíamos expressar o problema da seguinte maneira: A área depende do lado ao quadrado e o lado depende do tempo segundo alguma regra. Seja então o problema de calcular tal área para o caso do lado estar variando segunda a regra l = 4 – t² Então para cada área que quisermos calcular, primeiro calcularemos o lado e depois, tendo o valor do lado, calcularemos a área. Ocorre que frequentemente estamos interessados em saber a taxa de variação de uma grandeza com relação à outra. Por exemplo, taxa de variação do espaço com relação ao tempo, usualmente chamada de velocidade. Também, taxa de variação da velocidade com relação ao tempo, conhecida por aceleração. Mas não é somente variação com relação ao tempo, a taxa de variação pode ser medida com relação a outras grandezas. A taxa de variação é a derivada da função com relação a grandeza pretendida. Como precisamos relacionar informações intermediárias usa-se a regra da Cadeia (aos poucos vai entendendo o porquê de aprender tais regras?) Vamos calcular, então? Dados: ▪ A = l² ▪ l = 4 – t² Queremos a variação da área com relação ao lado, mas o lado varia com relação ao tempo, então calcularemos a variação da área com relação ao tempo. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 231 dA/dt = dA/dl x dl/dt Ora, dA/dl = 2 l, que é a derivada da função área com relação ao lado. E, dl/dt = -2 t, que é a derivada da função lado com relação ao tempo. Pela regra da cadeia, faremos o produto das duas derivadas e voltaremos a variável básica, no caso, o tempo t. dA/dt = -4 l t, substituindo l teremos dA/dt = -4 (4 – t²) t, ou dA/dt = -16 t + 4 t³ Repare agora que temos como conhecer a situação de variação da área com relação a qualquer tempo desejado… Por exemplo, poderíamos dizer que a velocidade de variação da área na unidade de tempo t = 1 u.t. é de dA/dt = -16 x 1 + 4 x 1³ = -12 u.v., lembre-se u.v. É unidade de velocidade. Porém, para t = 3 u.t. é de dA/dt = -16 x 3 + 4 x 3³ = 60 u.v.. Agora, é amadurecer o conceito e trabalhar os exercícios… Sumário Nesta Unidade Temática 7.3. estudamos: Taxas Relacionadas e algumas de suas Aplicações. UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 232 Exercícios de AUTO-AVALIAÇÃO 1. Uma pedra é largada de um avião traçando uma trajectória descrita pela função ℎ(𝑥) = ln (𝑥) conforme ilustra a figura a baixo. A equação da recta “t” tangente à curva no ponto 𝑥 = 1 2 é dada por: A. 𝑦 = 2𝑥 + 1 2 − ln ( 1 2 ) B. 𝑦 = 2𝑥 − 1 2 + ln ( 1 2 ) C. 𝑦 = 2𝑥 + 1 2 D. Nenhuma das alternativas 2. Sendo 𝑓(𝑥) = log2(𝑠𝑒𝑛𝑥) , 𝑓′(𝑥) é: A. 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑥) 𝑙𝑛2 B. 𝑡𝑔(𝑥) 𝑙𝑛2 C. log2(𝑐𝑜𝑠𝑥) D. (𝑐𝑜𝑠𝑥)log2(𝑠𝑒𝑛𝑥) 3. Sendo 2𝑥2 + 5𝑦2 = 1 , então 𝑑𝑦 𝑑𝑥 é: A. −𝑦 𝑥 B. −2𝑥 5𝑦 C. 4x+10y=0 D. 4x+10y 4. Com base no gráfico a baixo resolva UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 233 Qual é a solução da seguinte inequação 𝑓′(𝑥) > 0 ? A. 𝑥 ∈ 𝐼𝑅 B. 2 < x < 6 e x > 10 C. 2 < x < 6 D. x > 10 5. Com base no gráfico a baixo resolva Os pontos da inflexão do gráfico anterior são: A. 𝑥1 = 2 𝑒 𝑥2 = 10 B. 𝑥1 = 4 𝑒 𝑥2 = 10 C. 𝑥1 = 4 𝑒 𝑥2 = 8 D. 𝑥1 𝑒 𝑥5 6. Com base no gráfico a baixo resolva Qual é a solução da seguinte inequação 𝑓′′(𝑥) < 0? UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 234 A. 𝑥 ∈ 𝐼𝑅 B.x < 2 e x > 10 C. 4 < x < 8 D. x > 10 7. A derivada da função 𝑦 = 𝑡𝑔𝑥 − 1 3 𝑡𝑔3𝑥 + 1 5 𝑡𝑔5𝑥 é: A. 𝑠𝑒𝑐2𝑥 − 𝑠𝑒𝑐6𝑥 + 𝑠𝑒𝑐10𝑥 B. 𝑠𝑒𝑐2𝑥(1 − 𝑡𝑔2𝑥 + 𝑡𝑔4𝑥) C. 𝑐𝑠𝑐2𝑥(1 − 𝑡𝑔2𝑥 + 𝑡𝑔4𝑥) D. Nenhuma das alternativas. 8. O aplicando a regra de l’Hôpital, valor do seguinte limite lim 𝑥→0 𝑥2 𝑙𝑛𝑥 é: A. 2 B. 0 C. ½ D. Nenhuma das alternativas. 9. As derivadas das funções 𝑓(𝑥) = 2 − 3𝑥 e ℎ(𝑥) = 2 𝑥+1 são respectivamente: A. 𝑓′(𝑥) = −3 𝑒 ℎ′(𝑥) = 2 𝑥+1 B. 𝐵: 𝑓′(𝑥) = 2 𝑒 ℎ′(𝑥) = 2 (𝑥+1)2 C. 𝑓′(𝑥) = −3 e ℎ′(𝑥) = 2 (𝑥+1)2 D. 𝑓′(𝑥) = −3 e ℎ′(𝑥) = −2 (𝑥+1)2 10. Sendo 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑛(𝑐𝑜𝑠𝑥), 𝑓′(𝑥) é: A. tgx B. -tgx C. cotgx D. -cotgx Respostas: 1. B, 2.A, 3.B, 4.B, 5.C, 6.C, 7.B, 8.A, 9.D, 10.B UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 235 GRUPO 2 (Com respostas) 1. Duas variáveis x e y são funções de uma variável t e estão relacionadas pela equação: y2 − 3xy + x2 = 25. Se a taxa de variação de x em relação a t é igual a 1 quando x = 0 então determine a taxa de variação de y em relação a t neste mesmo instante. RESPOSTA: Y(0) = 3 2.Um farol giratório completa uma volta em cada 15 segundos, visto desde um ponto P a 60m em linha recta do farol. Determine a vvelocidade com que um raio de luz do farol está se movendo ao longo da praia num um ponto, Q, a 150m de P. RESPOSTA:3480 m/min. 3. Um meliante evade-se de uma penitenciária sobre uma muralha recta a uma velocidade de 4 m/s. Um holofote localizado a 20 metros de distância da muralha, e a mesma altura que esta, focaliza o homem em fuga. A que taxa o holofote girava quando o malfeitor se encontrava a 15 metros do ponto da muralha que está mais próximo do holofote? RESPOSTA: 125 16 rad/s. 4. Uma cidade x é atingida por uma certa epidemia do tipo êbola. Os sectores de saúde calculam que o número de pessoas atingidas pela pandemia, depois de um certo tempo t, medidos em dias, a partir do primeiro dia, seja, aproximadamente, dada pela fórmula f (t) = 64t − 3 3t (a) Qual a razão da expansão da epidemia no tempo t = 4? (b) Qual a razão da expansão da epidemia no tempo t = 8? (c) Quantas pessoas serão atingidas pela epidemia a partir do quinto dia? 5. Num aviário experimental , constatou-se que uma ave em desenvolvimento pesa, em gramas, segundo a lei f (t) = ( ) + ++ 90606048 6004 2 1 20 2 2 tset tset onde t é medido em dias. Pergunta-se: a) Qual a razão de aumento do peso da ave passados 50 dias? b) Em quanto o peso de uma ave aumentará no quinto dia? c) Qual a razão de aumento do peso quando t = 80? UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 236 6. Uma peça de carne foi congelada numa na câmara de um geleira no instante t = 0. Após o tempo t (medido em horas), notou-se que a sua temperatura T (em graus Celcius ou oC) diminuía, segundo a lei T (t) = 30 − 5t + 1 1 +t , 50 t . Urgiu razoável fazer-se a Pergunta: Qual a velocidade de redução de sua temperatura a) Volvidas duas horas?; b) Depois de uma semana? c) Depois de um dia? BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA • SANTOS, José Carlos. Introdução à Topologia. Departamento de Matemática - Faculdade de Ciências da Universidade do Porto. Junho de 2010, 171 páginas. Disponível em: <http://www.fc.up.pt/mp/jcsantos/PDF/Topologia.pdf>. Acesso em: 12 de Setembro de 2014. • Andraus, S. e Santos, U. P., Matemática no Ensino do Segundo Grau, Volumes. 1, 2 e 3, Companhia Ed.Nacional, 1973. • Ávila, G. S. S. (1983). Cálculo 1: Funções de uma Variável, ed. LTC. • Flemming, D. M. e Gonçalves, M. B. (1992) Cálculo A: Funções, Limite, Derivação e Integração, Makron Books. • Hoffmann, L. D. (1985). Cálculo: Um Curso Moderno e suas Aplicações, ed. LTC. • Iezzi, G. et al. Matemática, Volumes. 1, 2 e 3, Atual Editora Ltda - São Paulo. • Leithold, L. (1984). Matemática Aplicada à Economia e Adimistração, Ed. Harbra Ltda. http://www.fc.up.pt/mp/jcsantos/PDF/Topologia.pdf UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 237 • Weber, J. E. (1997) Matemática para Economia e Administração, LTC. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR 1. Euclides, Os Elementos, Livro I, Proposição 20 [em linha] 2. QUEIRÓ, J. F.; SANTANA, A. P. (2010). Introdução à Álgebra Linear (1.ª edição). Gradiva ISBN 978-989-636-372-3. Páginas 149 e 150. 3. João Jeronimo & Marcos Antônio Nunes de Moura. Introdução ao Cálculo vol II. 20 de março de 2013. 158 págs. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0). Acesso em 13 jul. 2013. 4. Sean Raleigh, Notation Guide for Precalculus and Calculus Students [em linha] 5. J J O'Connor and E F Robertson. Madhava of Sangamagrama School of Mathematics and Statistics University of St Andrews, Scotland. Página visitada em 2014-09-08. 6. LIMA, Elon Lages. Curso de Análise Vol.1. 14 ed. [S.l.]: IMPA, 2013. ISBN 9788524401183 7. ANTON, Howard. Cálculo - Volume 1. 8 ed. [S.l.]: Bookman, 2007. ISBN 9788560031634 8. Stewart, James. Cálculo vol. I. ISBN 978-85-221-0660-8. Ed. Cengage, 2009, pg. 98. 9. STEWART, James. Cálculo, volume 2. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2007. 5ª edição. ISBN 85-211-0484-0. Página 900. 10. STEWART, James. Curso de cálculo volume 1. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2002. 4ªa edição. ISBN 85-221- 0236-8. Página 159. 11. STEWART, James. Curso de cálculo volume 1. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2002. 4ªa edição. ISBN 85-221-0236-8. Página 156. 12. Agudo, F. R. Dias. (1994) Análise Real (3 volumes), Lisboa: Escolar Editora. 13. Ostrowski, A. (1981) Lições de Cálculo Diferencial e Integral (3 volumes), Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian. 14. Ricieri, A. P. (1993) Derivada Fracionária, Transformada de Laplace e outros bichos, Prandiano, S. José dos Campos - SP - Brasil. http://pt.wikipedia.org/wiki/Euclides http://pt.wikipedia.org/wiki/Os_Elementos http://en.wikisource.org/wiki/Page:The_Elements_of_Euclid_for_the_Use_of_Schools_and_Colleges_-_1872.djvu/47 http://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/9789896363723 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/C%C3%A1lculo_%28Volume_1%29.pdf http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/C%C3%A1lculo_%28Volume_1%29.pdf http://pt.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons http://pt.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Sean_Raleigh&action=edit&redlink=1 http://faculty.sdmiramar.edu/sraleigh/Notation%20Guide.pdf http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Biographies/Madhava.html https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/9788524401183 https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/9788560031634 https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/9788522106608 https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/8521104840 http://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/8522102368 http://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/8522102368 http://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/8522102368 UnISCED MATEMÁTICA APLICADA 238