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Matemática Básica Unidade 7 1 Unidade 7 Fatoração Metas Esta unidade é sobre fatoração de expressões matemáticas. Objetivos Ao final desta unidade você deve: saber fatorar alguns tipos de expressões matemáticas; saber simplificar alguns quocientes de expressões matemáticas; saber resolver alguns tipos de equações polinomiais. Matemática Básica Unidade 7 2 Resolução de equações Uma vez que grandezas podem ser representadas numericamente, fenômenos podem ser traduzidos por expressões matemáticas. Neste momento, muitos problemas de determinação de valores podem ser resolvidos a partir da manipulação da expressão matemática. Um exemplo bem simples desta ideia, visto na unidade 1, é o de determinar quando a temperatura do forno que estava à 200ºC e foi diminuindo 12ºC por minuto, atingiria a temperatura ambiente de 20ºC. Neste caso, vimos que o fenômeno pode ser traduzido matematicamente pela expressão y = 12x + 200, onde x representa o tempo em minutos e y representa a temperatura em grau Celsius. Assim, resolver o problema é equivalente a resolver a equação 20 = 12x + 200. No estudo da unidade 4, sobre os números reais e suas operações básicas, soma e produto, vimos que é muito fácil determinar a solução de uma equação do tipo ax + b = c, com a 0, basta fazer x = (c b)/a. Uma equação assim se caracteriza por ter a variável incógnita, x, aparecendo sem potência, ou melhor, com potência 1, x = x 1 . Desta forma, é comum chamar uma equação do tipo ax + b = c, com a 0, de equação polinomial de grau 1 na variável x, ou mais simplesmente, equação do 1º grau. Agora, quando temos uma equação matemática envolvendo potências da incógnita, nem sempre é tão fácil obter uma solução da equação. Por exemplo, você sabe resolver a seguinte equação, 3x 5 4x4 + x = 35? Equações envolvendo potências de números naturais de uma incógnita dada (digamos x) são chamadas equações polinomiais (na variável x). Vamos ver, nesta unidade, algumas propriedades operacionais que ajudam a lidar com alguns tipos de equações polinomiais. Fatoração Quando se fala em fatoração de uma expressão algébrica, isto significa que a expressão deve ser transformada, através de propriedades operacionais, em uma nova expressão que seja definida por um produto. O exemplo mais simples de fatoração é dado pela propriedade distributiva, ab + ac = a(b + c). Ela transforma a expressão formada por uma soma, ab + ac, na expressão Matemática Básica Unidade 7 3 formada por um produto, a(b + c). Como simples aplicação, veja esta propriedade sendo usada para transformar uma expressão envolvendo x 2 em uma expressão só com x: x 2 + 3x = x.x + 3x = (x + 3)x, isto é, x 2 + 3x = (x + 3)x (lembre-se que também vale ac + bc = (a + b)c). Desafio: Você consegue fatorar a expressão x 2 + x? Vejamos algumas das expressões de fatoração mais conhecidas. am + an = a(m + n) a2 – b2 = (a + b)(a – b) a2 + 2ab + b2 = (a + b)(a + b) a2 – 2ab + b2 = (a – b)(a – b) Observação: 1) A propriedade distributiva pode ser aplicada em mais de dois termos. Por exemplo, 5x + 15b 25xb = 5(x + b xb). 2) Às vezes é necessário aplicar a propriedade distributiva seguidamente para se obter uma fatoração. Por exemplo, ac + bc + ad + bd = c(a + b) + d(a + b) = (a + b)(c + d). 3) Podemos dar uma interpretação geométrica para a fatoração a 2 + 2ab + b 2 = (a + b)(a + b) em termos de áreas de retângulos e quadrados. Observe a figura abaixo. O quadrado maior tem área (a + b) 2 e pela divisão feita, tal área é igual à soma das áreas dos dois quadrados em verde e rosa com as áreas dos dois retângulos em azul. Logo, (a + b) 2 = b 2 + a 2 + ab + ab + = a 2 + 2ab + b 2 . Atividade 1: A propriedade distributiva pode ser representada por um desenho. Por exemplo, a expressão a(b + c) = ab + ac pode ser representada por Matemática Básica Unidade 7 4 a) Para cada figura a seguir, encontre uma expressão algébrica correspondente. b) Represente a variável a, que simboliza um número desconhecido, como a área de um retângulo. Verifique se esta atividade te ajuda na resolução do desafio proposto. Atividade 2: Fatore as expressões a) x 2 2x b) x2 x c) x4 x2 x + 1 d) x 2 + x + 0,25 e) x 2 12 f) x4 + 26x2 +169 g) mx 2y m2x + 2my h) 2 m2 i) x4 16 j) 4 2x + 4 2x k) 10x 4 90x2 l) a5 a3 m) x 2 + y 2 +2x + 2y + 2xy n) 3a2b2 + 7a3b o) x2 2x + 1 Aplicações Uma aplicação imediata da fatoração de expressões é na simplificação de expressões matemáticas em forma de frações. Um exemplo bem simples é a expressão um tanto complexa, 12 44 2 xx x , que pode ser simplificada através das seguintes transformações, 1 4 )1)(1( )1(4 )1( )1(4 12 44 22 xxx x x x xx x . Atividade 3: Simplifique as expressões. b c a Lembre-se que a área de um retângulo de base a e altura b é dada por ab. Matemática Básica Unidade 7 5 a) 3 3 2 12 a a a b) 4 4 8 16 8 2 2 x x x c) 5 10 15 2a ab ab d) x x 2 9 3 e) aba aa 5 f) xx xx 62 9 2 3 g) x x x 2 2 2 1 1 h) 4 2 x x i) ( )3 92 h h j) 25,024 14 2 xx x k) 4 44 2 2 x xx Uma aplicação importante da noção de fatoração é na resolução de equações. O produto entre números reais goza da seguinte propriedade: um produto é zero se, e somente se, um de seus fatores é zero. Em linguagem simbólica, ab = 0 a = 0 ou b = 0. A combinação desta propriedade com a possibilidade de fatoração de expressões matemáticas se transforma numa ótima técnica de resolução de equações. Veja um exemplo. (Observação: é claro que esta última propriedade vale para vários fatores.) x 3 4x = 0 x(x2 4) = 0 x(x 2)(x + 2) = 0 x = 0 ou x = 2 ou x = 2. Ou seja, o conjunto solução da equação x 3 4x = 0 é S = {2, 0, 2}. Atividade 4: Utilize a técnica ilustrada para resolver as seguintes equações. a) (x 2)(x + 1) = 0 b) x(2x + 5) = 0 c) x2 133x = 0 d) x 2 x = 0 e) x2 9 = 0 f) x2 + 4x + 4 = 0 g) x 2 = 64 h) x 2 + 2x = 1 i) 2x2 = x j) x 3 = 0 l) x 5 = 0 m) x 2 121 = 0 n) 3x(x + 0,1)(0,25x + 1) = 0 o) x 2 0,09 = 0 p) 2x2 8 = 0 Atividade 5: Caro aluno, você acabou de aprender uma técnica bem simples e que pode ser muito útil na resolução de equações polinomiais de grau maior do que 1. Utilize esta técnica para resolver os problemas dados a seguir. Matemática Básica Unidade 7 6 Questão 1: Baseado na figura abaixo, encontre x de modo que a área do quadrado seja igual à área do retângulo. Questão 2: A equação h = 5t2 +30t representa a relação entre a altura, h, em metros, de um corpo lançado e o tempo, t, em segundos, decorrido após o lançamento do corpo. a) Determine quanto tempo o corpo gasta para atingir o solo após o lançamento. b) Levando em consideração que o tempo de subida do corpo é igual ao tempo de descida, determine a altura máxima atingida no lançamento. Atividade 6: Podemos agora discutir a questão das soluções de uma equação do tipo x 2= a, quando a > 0. a) Manipule a expressão x 2 = a até chegar a (x a )(x + a ) = 0. b) Conclua que as únicas soluções da equação x 2 = a são a e a . Fórmula de Báskara Vamos nos focar agora na equação do 2º grau: ax 2 + bx + c = 0, com a 0. Você sabe por que pedimos a condição a 0? O que aconteceria se tivéssemos a = 0? Basta substituir o valor para verificar que a equação ficaria reduzida a uma equação do 1º grau. Atividade 7: Transforme a equação dada para o formato normal de uma equação do 2º grau. Dê a resposta especificando os coeficientes, a, b e c, da equação encontrada. (1) 3x 2 – 3 + x = 2 + 5x – x2; (2) x2 + 3x = 3x + 2; (3) x 2 – x3 – 1 = x(2 – x2); (4) 0 3 2 23 x xxx . x x 2 Matemática Básica Unidade 7 7 Nem toda expressão polinomial é passível de ser fatorada segundo as propriedades de fatoração vistas nesta unidade. Por exemplo, x 2 – 5x + 6 pode ser fatorada como x 2 – 5x + 6 = (x – 2)(x – 3). Contudo, não é possível aplicar qualquer das propriedades de fatoração e obter imediatamente a expressão fatorada. (Verifique, leitor, usando a propriedade distributiva, que o desenvolvimento da expressão (x – 2)(x – 3) leva à expressão x 2 – 5x + 6.) Por que é importante se preocupar com a fatoração de uma expressão polinomial? Já vimos na atividade 4 que podemos usar a fatoração para resolver equações. Por exemplo, se quisermos resolver a equação x 2 – 5x + 6 = 0, a técnica de tentar isolar a variável x, usada para equações do 1º grau, não funciona (experimente, leitor, tentar isolar x nesta equação). A melhor estratégia é tentar fatorar a expressão x 2 – 5x + 6. Bom, neste caso, já sabemos que x 2 – 5x + 6 = (x – 2)(x – 3). Assim, resolver a equação x 2 – 5x + 6 = 0 é equivalente a resolver a equação (x – 2)(x – 3) = 0. Portanto, devemos ter x – 2 = 0 ou x – 3 = 0. Ou seja, as soluções da equação x2 – 5x + 6 = 0 são x = 2 e x = 3. É importante notar que nem toda equação do 2º grau pode ser resolvida no conjunto dos reais, ao contrário das equações do 1º grau que sempre têm solução real. Por exemplo, é evidente que a equação x 2 + 1 = 0 não tem solução real. Neste caso, não se analisa a fatoração da expressão. De fato, saber que uma expressão não pode ser fatorada de modo algum não é uma tarefa nada simples. O que torna evidente saber que esta equação não tem solução no conjunto dos reais é a análise dos valores da expressão. Devemos notar em primeiro lugar que x 2 ≥ 0, qualquer que seja o valor de x . Então, x 2 + 1 é sempre um valor estritamente positivo, maior do que zero. Assim, a equação x 2 + 1 = 0 não pode ser resolvida no conjunto dos reais. Pode-se notar também que x 2 + 1 = 0 é equivalente a x 2 = 1, que claramente não tem solução em , pois x2 ≥ 0. Felizmente, existe uma fórmula geral que serve para se verificar imediatamente se uma equação do 2º grau tem solução real ou não e, mais ainda, também serve para a determinação da solução da equação dada, caso se verifique a sua existência. Atividade 8: Considere a equação ax 2 + bx + c = 0, com a 0. Verifique que tanto x1 = a acbb 2 42 quanto x2 = a acbb 2 42 satisfazem a equação dada. (Ou seja, Matemática Básica Unidade 7 8 substitua a expressão de x1 na expressão ax 2 + bx + c e desenvolva a expressão até chegar a 0. Você deve fazer o mesmo com x2.) As fórmulas da atividade 8 são as conhecidas fórmulas de Baskara e normalmente são expressas numa única fórmula: a acbb x 2 42 . Note que existe uma condição natural nesta fórmula, a saber, é preciso que se tenha b 2 4ac ≥ 0, para que a expressão acb 42 faça sentido. Como a expressão b 2 4ac aparece em vários momentos no estudo de polinômios de grau 2, existe um nome e uma notação para esta, = b2 4ac é chamado discriminante da expressão ax2 + bx + c. Apesar de a fórmula funcionar sempre como uma solução da equação do 2º grau associada, ela só faz sentido, para soluções reais, quando ≥ 0. Ou, por outro lado, se < 0, a expressão não faz sentido em . É possível se verificar que de fato < 0 implica na não existência de soluções reais para a equação do 2º grau. Mais, precisamente, temos o seguinte critério sobre a existência de soluções em para uma equação do 2º grau. Critério: Considere a equação ax 2 + bx + c = 0, com a 0, e seja = b2 4ac. Então: (i) existem duas soluções reais distintas > 0; (ii) existe uma única solução real = 0; (iii) não existe solução real < 0. Observação: Lembramos que uma solução da equação ax 2 + bx + c = 0 é chamada de raiz do polinômio ax 2 + bx + c. Atividade 9: a) Use o critério acima e a fórmula de Baskara para resolver a equação x 2 – 5x + 6. b) Use o critério acima para mostrar que não existe solução real para equação x 2 + 1 = 0. A fórmula de Baskara pode ser muito útil na fatoração de expressões polinomiais de grau 2. Vimos como fatorar algumas expressões, contudo as fórmulas Matemática Básica Unidade 7 9 usadas não servem para qualquer tipo de expressão, nem diz quando uma expressão não pode ser fatorada. De fato, se ax 2 + bx + c é fatorável, a fatoração só pode ser do tipo ax 2 + bx + c = a(x x1)(x x2). Neste caso, a equação ax 2 + bx + c = 0 é equivalente à equação a(x x1)(x x2) = 0, o que significa que x1 e x2 são soluções da equação. Ou seja, ax 2 + bx + c pode ser fatorado se, e somente se, ax 2 + bx + c = 0 tem solução. Atividade 10: a) Verifique que sempre vale a relação ax 2 + bx + c = a(x x1)(x x2), onde x1 e x2 são as raízes de ax 2 + bx + c = 0, com a 0 (use as expressões de x1 e x2 dadas por Baskara e desenvolva a expressão a(x x1)(x x2)). b) As raízes de um polinômio do 2º grau podem ser usadas para fatorá-lo. Mais precisamente, se x1 e x2 são raízes da equação ax 2 + bx + c = 0, com a 0, então vale que ax 2 + bx + c = a(x x1)(x x2). (i) Verifique que 1 e 3 1 são as raízes da equação 3x 2 + 2x 1 = 0 e que vale a relação 3x 2 + 2x 1 = 3(x + 1)(x 3 1 ). (ii) Determine as raízes x1 e x2 de 2x 2 14x + 12 = 0 e verifique que vale a seguinte fatoração 2x 2 14x + 12 = 2(x x1)(x x2). (iii)Obtenha uma fatoração para o polinômio x 2 + 11x +28. (iv) Simplifique a expressão 9 12 2 2 x xx . Sabemos que se x1 e x2 são as raízes de ax 2 + bx + c = 0, com a 0, vale a relação ax 2 + bx + c = a(x x1)(x x2). Além de ser uma fórmula de fatoração, esta pode nos dar outras informações importantes. Vamos desenvolver o segundo membro da equação: a(x x1)(x x2) = a(x 2 (x1 + x2)x + x1x2) = ax 2 a(x1 + x2)x + ax1x2. Assim, temos ax 2 + bx + c = ax 2 a(x1 + x2)x + ax1x2, donde b = a(x1 + x2) e c = ax1x2, donde: a b xx 21 e a c xx 21. . Conhecer estas últimas relações pode ajudar em alguns problemas. Matemática Básica Unidade 7 10 Atividade 11: a) Calcule a soma e o produto das raízes de x 2 34x + 11 = 0. b) Calcule a soma dos inversos das raízes da equação x 2 + 4x + 1 = 0, sem resolvê-la. c) Encontre dois números cuja soma seja 4 e o produto seja 1. Resposta das atividades Desafio: x 2 + x = x.x + x.1 = x(x + 1) – o importante aqui é perceber que o termo x pode ser visto como um produto, x = x.1. Atividade 1 – solução: a) (a + b)c = ac + bc– neste caso, deve-se imaginar a base do retângulo, que está dividida, como medindo a + b e a altura medindo c. (a + b + c)d = ad + bd + cd. b) A representação de um número como uma área pode ocorrer quando vemos este número como um produto, pois aí encontramos a base e a altura do retângulo. Por exemplo, podemos ver o 6 como um retângulo de base 2 e altura 3, pois 6 = 2.3. Também podemos ver o 6 como um retângulo de base 6 e altura 1, pois 6 = 6.1. Dado um valor a, sempre temos a = 1.a = a.1, donde a pode ser visto como um retângulo de base 1 e altura 6 ou como um retângulo de base 1 altura 6. Atividade 2 solução: a) x 2 2x = x(x 2) b) x 2 x = x.x x.1 = x(x 1) (muita gente se complica com esta expressão, esquece que é possível fazer a transformação x = x.1, o que permite realizar a fatoração) c) x 4 x2 x + 1 = ( ) ( ) ( )( 1) d) x 2 + x + 0,25 = (x 2 + 2.x.0,5 + 0,25) = (x + 0,5) 2 a a 1 1 Matemática Básica Unidade 7 11 e) x 2 12 = ( √ )( √ ) f) x 4 + 26x 2 +169 = ( ) g) mx 2y m2x + 2my = mx 2y m(mx 2y) = (1 m)(mx 2y) h) (√ )(√ ) i) x 4 16 ( )( )( ) j) 4 2x + x2/4 ( ) k) 10x 4 90x2 ( )( ) l) = ( )( ) m) x 2 + y 2 + 2x + 2y + 2xy ( ) ( ) ( )( ) n) 3a2b2 + 7a3b ( ) o) x 2 2x + 1 ( ) Atividade 3 solução: a) 1 3 12 33 2 aaa a b) )1(2 )1( 8168 44 2 2 x x xx x c) b ba ab aba 3 )2( 15 105 2 d) 3 3 92 x x x e) baba aa 1 45 f) 2 3 )3(2 )3)(3( 62 9 2 3 x xx xxx xx xx g) 1 1 1 12 2 2 x x x xx h) 24 1 )24( 44 )24( 4)4( 24 24 . 2424 2 xxx x xx x x x x x x x = i) h h hh h hh h h 6 )6(9699)3( 22 j) 2 2 4 44 2 2 x x x xx k) 14 4 )14( )14(4 25,024 14 22 xx x xx x (a expressão estava errada, não dava para fatorar o denominador) Atividade 4 solução: Matemática Básica Unidade 7 12 a) (x 2)(x + 1) = 0 b) x(2x + 5) = 0 c) x 2 133x = 0 d) x 2 x = 0 x(x 1) = 0 e) x 2 9 = 0 ( )( ) f) x 2 + 4x + 4 = 0 ( )( ) g) x 2 = 64 ( ) ( )( ) h) x 2 + 2x = 1 x2 + 2x + 1 = 0 ( )( ) i) 2x 2 = x ( ) j) x 3 = 0 l) x 5 = 0 m) x 2 121 = 0 ( )( ) n) 3x(x + 0,1)(0,25x + 1) = 0 o) x 2 0,09 = 0 ( )( ) p) 2x 2 8 = 0 2(x2 4) = 0 x2 4 = 0 (x 2)(x + 2) = 0 Atividade 5: Questão 1: Baseado na figura abaixo, encontre x de modo que a área do quadrado seja igual à área do retângulo. Solução: Devemos resolver a equação ( ) x = 0 ou x = 4/3. Como x é o lado do quadrado e, portanto, positivo, temos que x=4/3. x x 2 Matemática Básica Unidade 7 13 Questão 2: A equação h = 5t2 +30t representa a relação entre a altura, h, em metros, de um corpo lançado e o tempo, t, em segundos, decorrido após o lançamento do corpo. a) Determine quanto tempo o corpo gasta para atingir o solo após o lançamento. b) Levando em consideração que o tempo de subida do corpo é igual ao tempo de descida, determine a altura máxima atingida no lançamento. Solução: a) Quando atingir o solo, a altura h será nula, portanto precisamos resolver a equação 0= h = 5t2 +30t ( ) Assim, atingirá o solo 6 segundos após o lançamento. b) O corpo levará 3 segundos para atingir a altura máxima e nesse instante a altura será de Atividade 6 solução: a) x2 = a x2 a = 0 (x a )(x + a ) = 0. b) Para o produto ser zero, devemos ter x = a ou x = a . Ou seja, se x é solução de x 2 = a então x = a ou x = a . Atividade 7 solução: (1) a = 4, b = 4, c = 5; (2) a = 1, b = 0, c = 2; (3) a = 1, b = 2, c = 1; (4) a = 1/3, b = 2/3, c = 1/3. Atividade 8 solução: Para fazer a verificação pedida, basta substituir cada um dos valores x1 e x2 na equação dada. Apresentamos somente uma delas e a segunda será feita de forma totalmente análoga. Substituindo: Matemática Básica Unidade 7 14 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4 2 2 ( 4 ) ( 4 ) 4 2 1 2 4 4 2 4 4 4 4 4 1 4 2 4 2 2 4 4 4 1 .0 0 4 b b ac b b ac ax bx c a b c a a a b b b ac b b ac c a a b ac b ac b b ac b b b ac a a a b ac b b ac b b b b ac ac a a Como esperávamos que acontecesse. Para a outra raiz, o procedimento é perfeitamente análogo. Faça e irá encontrar o resultado. Atividade 9 – solução: a) Basta aplicar a fórmula e encontrar x1 = 2 e x3 = 3. b) Basta verificar que < 0. Atividade 10 solução: a) Para resolver este problema é só fazer como fizemos na atividade 8. Com as raízes x1 e x2 obtidas por Baskara, substitua e, certamente irá encontrar ax 2 +bx +c. b) (i) Basta verificar que: 3(1)2 + 2(1) 1 = 0; 3( 3 1 ) 2 + 2. 3 1 1 = 0 e 3x2 + 2x 1 = 3(x + 1)(x 3 1 ). (ii) As raízes são 3 e 4. (iii) As raízes são 4 e 7, donde x2 + 11x +28 = (x + 4)(x + 7) (iv) As raízes de x 2 + x 12 são 4 e 3, donde 3 4 )3)(3( )3)(4( 9 12 2 2 x x xx xx x xx . Atividade 11 solução: a) 1,2 34 1156 44 34 1112 34 2 278 17 278 2 2 2 x Matemática Básica Unidade 7 15 A soma será x1 + x2 = 17 + 278 + 17 278 = 34 e o produto será x1.x2 = (17 + 278 ).(17 278 ) = 17 2 278 = 289 278 = 11. b) Temos que a soma das raízes é 4 e o produto delas é 1 (uma equação do segundo grau pode ser escrita como x 2 – Sx + P = 0 sendo S e P, respectivamente, a soma e o produto das raízes). Sendo x1 e x2 as raízes, o problema pede 1 2 1 1 x x . Ora, efetuando esta soma, temos que 1 2 1 2 1 2 1 1 4 4. 1 x x x x x x c) Podemos resolver este problema pensando nas raízes de uma equação do segundo grau. Se a soma é 4 e o produto é 1, os números são as raízes da equação 2 4 1 0x x . Assim, 1,2 4 16 4 4 2 3 2 3 2 2 x . Logo, os números são 2 3 e 2 3 .
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