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MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 1 APOSTILA 2015 MATEMÁTICA PROFESSOR: DENYS YOSHIDA MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 2 Sumário 1.Sequências.................................................................................................................................4 1.1 Sequências numéricas............................................................................................................ 2. Progressão Aritmética...............................................................................................................6 2.1 Classificação de uma P.A........................................................................................................6 2.2 Termo geral de uma P.A.........................................................................................................6 2.3 Propriedades de uma P.A.......................................................................................................7 2.4 Soma dos n primeiros termos de uma P.A...........................................................................10 3.Progressão Geométrica............................................................................................................13 3.1 Fórmula do termo geral.........................................................................................................13 3.2 Propriedades principais.........................................................................................................14 3.3 Soma dos n primeiros termos de uma P.G ..........................................................................16 3.4 Soma dos n primeiros termos de uma P.G infinita................................................................16 4. Matrizes...................................................................................................................................19 4.1 Representação genérica de uma matriz................................................................................19 4.2 Lei de formação de uma matriz.............................................................................................20 4.3 Tipos de matrizes..................................................................................................................20 4.4 Operações com matrizes.......................................................................................................25 4.5 Matriz inversa........................................................................................................................32 5. Determinantes.........................................................................................................................34 5.1 Determinante de ordem 2x2..................................................................................................34 MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 3 5.2 Regra de Sarrus....................................................................................................................34 5.3 Teorema de Laplace..............................................................................................................36 6. Sistemas Lineares...................................................................................................................42 6.1 Equações lineares.................................................................................................................42 6.2 Sistemas lineares..................................................................................................................42 6.3 Método do escalonamento....................................................................................................43 6.4 Matrizes associadas a um sistema linear..............................................................................43 6.5 Regra de Cramer...................................................................................................................44 7. Trigonometria na circunferência..............................................................................................53 7.1 Arcos e ângulos.....................................................................................................................53 7.2 Medidas de arcos e ângulos..................................................................................................54 7.3 Conversão entre graus e radianos........................................................................................54 7.4 Comprimento da circunferência.............................................................................................55 7.5 Congruência de arcos...........................................................................................................55 7.6 Razões trigonométricas.........................................................................................................59 7.7 Funções trigonométricas.......................................................................................................61 7.8 Outras razões trigonométricas..............................................................................................67 7.9 Relações trigonométricas......................................................................................................69 Exercícios de vestibulares...........................................................................................................73 Referências bibliográficas.........................................................................................................106 MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 4 1. Sequências Em nossas aulas estudaremos as sequências, na qual seus elementos estão dispostos em uma determinada ordem pré-estabelecida. 1.1 Sequências numéricas Os elementos de uma sequência numérica devem ser apresentados entre parênteses, conforme os exemplos abaixo: • (2, 4, 6, 8, 10, 12,... ) é uma sequência de números pares positivos. • (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11...) é uma sequência de números naturais. • (10, 20, 30, 40, 50...) é uma sequência de números múltiplos de 10. • (10, 15, 20, 30,35,40) é uma sequência de números múltiplos de 5, maiores que cinco e menores que 45. Existem dois tipos de sequências, as sequências finitas e as sequências infinitas: • Sequência finita é uma sequência numérica na que tem um último elemento, ou seja, tem fim, como por exemplo, a sequência dos números múltiplos de 5 maiores que 5 e menores que 45. • Sequência infinita é uma sequência que não possui um último termo, ou seja, seus elementos seguem ao infinito, por exemplo: a sequência dos números naturais. Denominamos o primeiro termo de uma sequência numérica por a1, o segundo termo por a2, o terceiro por a3 e assim segue. O último elemento de uma sequência finita é representado por an. A letra n determina o número de elementos da sequência. (a1, a2, a3, a4, ... , an, ... ) sequência infinita. (a1, a2, a3, a4, ... , an) sequência finita. Os elementos de uma sequência numérica são determinados por uma lei matemática. Por exemplo: Determine os cinco primeiros elementos de uma sequência tal que an = 2n + 1, n N*. a1 = 2.(1) + 1 = 2 + 1 = 3 a2 = 2.(2) + 1 = 4 + 1 = 5 a3 = 2.(3) + 1 = 6 + 1 = 7 a4 = 2.(4) + 1 = 8 + 1 = 9 MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 5 a5 = 2.(5) + 1 = 10 + 1 = 11 Portanto, a sequência será: (3,5,7,9,11). Exercícios sobre sequências numéricas 1- Escreva os cinco primeiros termos das sequências cujos termos gerais estão expressosa seguir: a) 2na n b) 2 1na n c) 1 na n 2- Escreva os quatro primeiros termos da sequencia na nn .)1( . 3- Calcule o 15º termo da sequência cujo termo geral é: 3 1na n . 4- Calcule o 20º termo da sequência cujo termo geral é: 2 1na n . 5- Obtenha o décimo quarto termo da sequência em que n nA 102 . 6- Determine o quarto termo da sequência, em que 15.2 nnA . 7- Determine os sete primeiros termos de uma sequência tal que 10 1nna . 8- Determine o 5º termo da sequência 1)2( nna . 9- Qual a posição do termo de valor 20 na sequência dada por 2 6na n ? MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 6 10- Qual a soma dos quatro primeiros termos da sequência dada por 13 .( 1)nna n ? 2. Progressão Aritmética Denominamos Progressão Aritmética (ou PA) qualquer sequência numérica cujo termo seguinte, é igual ao anterior somado com um valor constante, denominado razão. Por exemplo: (2, 5, 8, 11, 14, 17,...) é uma PA de razão 3. 2.1 Classificação de uma P.A: Uma progressão aritmética é dita crescente se um termo qualquer for maior que seu anterior, ou seja: an > an-1. Uma progressão aritmética é dita decrescente se um termo qualquer for menor que seu anterior, ou seja: an < an-1. Outra forma de determinar se a PA é crescente ou decrescente é a partir da sua razão, se r > 0 a PA é crescente, se r < 0 a PA é decrescente. 2.2 Termo Geral de uma PA Considere a PA genérica (a1, a2, a3, ... , an, ...) de razão r. Conforme a definição, um termo é a2 = a1 + 1.r a3 = a2 + r = (a1 + r) + r = a1 + 2r a4 = a3 + r = (a1 + 2r) + r = a1 + 3r ___________________________ an = an-1 + r = an = a1 + (n – 1) . r Denominamos a expressão: an = a1 + (n – 1). r como o termo geral da PA. Onde an é o termo de ordem n (n-ésimo termo), r é a razão e a1 é o primeiro termo da Progressão Aritmética. Cálculo da Razão de uma PA: Para saber a razão de uma PA qualquer (a1, a2, a3, ... , an, ...), podemos utilizar uma das expressões utilizadas para determinar o termo geral da PA: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 7 an = an-1 + r r = an - an-1 Dessa maneira podemos deduzir que a razão é obtida a partir da diferença entre quaisquer termos consecutivos, como por exemplo: r = an – an-1 = an-1 – an-2 = … = a3 – a2 = a2 – a1 Exemplos: Qual o centésimo termo da PA (1, 5, 9, 13, 17,...)? Primeiro termo: a1= 1 Razão: r = a2 – a1 =5 – 1 = 4 Como queremos o centésimo termo, n = 100 Para calcular o centésimo termo, utilizaremos a expressão que nos dá o Termo Geral da PA. an= a1 + (n – 1) . r a100 = 1 + (100 - 1). 4 = 1 + 99.4 = 1 + 396 = 397. Portanto 397 é o centésimo termo da PA. Qual o número de termos da PA: (100, 98, 96,..., 22)? Como queremos saber o número de termos da PA, sabemos que esse número é dado por n, então essa é a incógnita que queremos encontrar. Temos a1 = 100, r = 98 -100 = - 2 e an = 22 Substituindo na fórmula do termo geral, temos: 22 = 100 + (n - 1). (- 2) 22 - 100 = - 2n + 2 22 - 100 - 2 = - 2n - 80 = - 2n n= 40 Portanto, a PA possui 40 termos. 2.3 Propriedades de uma P.A P1. Cada termo de uma PA pode ser dado pela média aritmética entre seu anterior e seu posterior. Exemplo: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 8 1. PA: (m, n, r); pela propriedade acima, temos: . 2. Na PA ( 2,x,12) calcule o valor de x. Pela propriedade anterior, temos: P2. A soma dos termos equidistantes dos extremos de uma PA é constante. 1. Exemplo: PA: (a, b, c, d, e, f), pela propriedade, temos: a+f = b+ e = c + d 2. Qual o segundo termo da PA (3,t,15,21,27) Pela propriedade anterior, temos: t+21 = 3+27 t+21 = 30 t = 30 – 21 t = 9 Exercícios sobre Progressão Aritmética 11- Escreva: a) Uma P.A de oito termos em que 1 6a e 4r . b) Uma P.A de sete termos em que 1 4a e 2r . c) Uma P.A de quatro termos em que 1 2a a e ar . 12- Calcule o número real x de modo que a sequência (x+1, 3x-1, 2x+3,...) seja uma P.A. 13- Encontre o termo geral das seguintes Progressões Aritméticas: a) (2, 7,...) b) (1, 9,...) c) (-1, 3,...) d) ,...)5,3( MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 9 e) ,... 4 11 , 3 7 14- Qual é o décimo quarto termo da P.A(4,10,...)? 15- Qual é o quadragésimo número natural ímpar? 16- Qual é o nono termo da P.A ,...)4,2,( mamaa ? 17- Calcule três números em P.A tais que sua soma seja 6 e seu produto 24. 18- Escreva uma P.A de três termos, de modo que a sua soma seja igual a -3 e seu produto seja igual a 8. 19- Obtenha três números em P.A de modo que sua soma seja 12 e seu produto 48. 20- Um estacionamento no centro de São Paulo cobra R$ 20,00 pela primeira hora de estacionamento. A partir da segunda, há um decréscimo dos preços segundo uma progressão aritmética. O preço da segunda hora é R$ 18,00 e o preço da quarta hora é R$ 12,00. Assim, se um automóvel ficar estacionado 6 horas nesse estacionamento, qual valor deverá ser pago pelo proprietário do carro estacionado? 21- Numa P.A de razão 5, o primeiro termo é igual a 4. Qual é a posição do termo igual a 44. 22- Considere a P.A(100, 93, 86,...). Determine a posição do termo de valor 37. 23- Quantos termos tem a P.A(4,7,10,...,157)? 24- Quantos termos tem a P.A(-1,2,...,86)? 25- Interpole cinco meios aritméticos entre 6 e 30. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 10 26- Interpole oito meios aritméticos entre 26 e -1. 27- Insira cinco meios aritméticos entre -5 e 13. 28- Insira quatro meios aritméticos entre 0 e 2. 29- Quantos múltiplos de 4 existem entre 15 e 200? 30- Quantos números ímpares há entre 18 e 272? 31- Um corpo, em queda livre, percorre 4,9m durante o 1º segundo. Depois disso, em cada segundo percorre sempre 9,8m a mais do que no segundo anterior. Quantos metros o corpo percorrerá em 8 segundos? 32- Quantos são os múltiplos de 6 compreendidos entre 100 e 1000? 33- Determine quantos múltiplos de 3 existem entre 1 e 100. 34- Quantos múltiplos de 5 existem entre 100 e 1500? 35- Quantos múltiplos de 6 maiores que 17 e menores que 972 existem? 2.4 Soma dos n primeiros termos de uma PA Seja a PA genérica (a1, a2, a3,..., an-1, an). A soma dos n primeiros termos Sn = a1 + a2 + a3 + ... + a n-1 + an, pode ser deduzida a partir da propriedade P2: Temos: Sn = a1 + a2 + a3 + ... + a n-1 + an MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 11 Aplicando a propriedade P2: Sn = (a1 + an) + (a2 + an-1) + ... + (an + a1) Logo, pela segunda propriedade acima, as n parcelas entre parênteses possuem o mesmo valor (são iguais à soma dos termos extremos a1 + an), de onde concluímos inevitavelmente que: 2. Sn = (a1 + an). n, onde n é o número de termos da PA. Daí então vem finalmente que: Exemplo: Calcular a soma dos dez primeiros termos da P.A(4,7,10,...). 31 3.94 ).1( 10 10 1 A A rnAAn 175 2 10).314( 2 ).( 10 1 S S naa S n n n Exercícios sobre soma dos termos de uma P.A 36- Calcule a soma dos trinta primeiros números ímpares positivos.37- Calcule a soma dos vinte primeiros termos da P.A(7,4,...). 38- Calcule a soma dos cem primeiros números naturais pares. 39- Determine a soma dos 25 primeiros termos da P.A (-7,-9,-11,...). MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 12 40- Obtenha a soma dos dez primeiros termos da P.A em que o primeiro termo é 2 1 e a razão . 2 3 41- Obtenha a soma dos vinte primeiros termos de uma P.A, sabendo que 21 A e 3r . 42- Calcule a soma dos múltiplos positivos de 4 formados por dois algarismos. 43- Calcule a soma dos múltiplos de 5 compreendidos entre 16 e 91. 44- Obtenha a soma dos múltiplos de 3 entre 13 e 100. 45- Calcule a soma dos números ímpares compreendidos entre 100 e 258. 46- Calcule a soma dos números pares compreendidos entre 200 e 357. 47- Determine a soma dos números pares positivos, menores que 101. 48- Qual é a soma de todos os números pares positivos de 2 a 450? 49- Determine a expressão que fornece a soma dos n primeiros números ímpares positivos. 50- (FGV-SP) Epaminondas corre sempre 500 metros a mais do que no dia anterior. Sabendo- se que ao final de 15 dias ele correu um total de 67500 metros, quantos metros ele percorreu no final do 3º dia? MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 13 3. Progressão Geométrica Entenderemos por progressão geométrica -PG - como qualquer sequência de números reais ou complexos, onde cada termo a partir do segundo é igual ao anterior, multiplicado por uma constante denominada razão. Exemplos: (1,2,4,8,16,32, ... ) PG de razão 2 (5,5,5,5,5,5,5, ... ) PG de razão 1 (100,50,25, ... ) PG de razão 1/2 (2,-6,18,-54,162, ...) PG de razão -3 3.1 Fórmula do termo geral Seja a PG genérica: (a1, a2, a3, a4, ... , a n, ... ) , onde a1 é o primeiro termo, e an é o n-ésimo termo, ou seja, o termo de ordem n. Sendo q a razão da PG, da definição podemos escrever: a2 = a1 . q a3 = a2 . q = (a1 . q) . q = a1 . q 2 a4 = a3 . q = (a1 . q 2 ) . q = a1 . q 3 ................................................ ................................................ Infere-se (deduz-se) que: an = a1 . q n-1 , que é denominada fórmula do termo geral da PG. Genericamente, poderemos escrever: aj = ak . q j-k Exemplos: a) Dada a PG (2, 4, 8,...), pede-se calcular o décimo termo. Temos: a1 = 2, q = 4/2 = 8/4 = ... = 2. Para calcular o décimo termo ou seja a10, vem pela fórmula: a10 = a1 . q 9 = 2 . 2 9 = 2. 512 = 1024 b) Sabe-se que o quarto termo de uma PG crescente é igual a 20 e o oitavo termo é igual a 320. Qual a razão desta PG? Temos a4 = 20 e a8 = 320. Logo, podemos escrever: a8 = a4. q 8-4 . Daí vem: 320 = 20. q 4 Então q 4 =16 e portanto q = 2. Nota: Uma PG genérica de 3 termos, pode ser expressa como: (x/q, x, xq), onde q é a razão da PG. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 14 3.2 Propriedades principais P1 - em toda PG, um termo é a média geométrica dos termos imediatamente anterior e posterior. Exemplo: PG (A,B,C,D,E,F,G) Temos então: B 2 = A . C; C 2 = B. D; D 2 = C. E; E 2 = D. F etc. P2 - o produto dos termos equidistantes dos extremos de uma PG é constante. Exemplo: PG ( A,B,C,D,E,F,G) Temos então: A . G = B. F = C. E = D. D = D 2 Exercícios sobre P.G 51- Escreva: a) Uma P.G de cinco termos em que 31 A e 3q . b) Uma P.G de cinco termos em que 51 A e 2q . 52- Determine x de modo que a sequência (x+6, 2-x, 2-4x,...) seja uma P.G. 53- A medida do lado, o perímetro e a área de um quadrado formam, nessa ordem, uma P.G. Quanto mede o lado desse quadrado? 54- Encontre três números em P.G, sendo 26 a sua soma e 216 o seu produto. 55- Três números reais formam uma P.G de soma 13 e produto 27. Determine esses números. 56- Encontre o termo geral da P.G(1, 5,...). 57- Calcule: a) O quinto termo da P.G ,... 3 4 ,4,12 . b) O décimo termo da P.G (8,-16,32,...). 58- Determine o oitavo termo da P.G ( ,...) 16 1 , 32 1 , 64 1 . MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 15 59- Insira seis meios geométricos entre 3 e 384. 60- Insira sete meios geométricos entre 3 e 768. 61- Insira cinco meios geométricos entre 4 e 256. 62- Insira três meios geométricos entre 9 e . 9 1 63- Determine o primeiro termo de uma P.G em que 312507 A e 5q . 64- Quantos termos existem na P.G(3, 6,..., 1536)? 65- Quantos termos existem na P.G(3, 6,..., 3072)? 66- Em uma P.G cujo 1º termo é 2 e a razão é -3, qual é a posição do termo -486? 67- Calcule a razão de uma P.G, sabendo que 4055 A , 51 A e que a P.G possui 5 termos. 68- Numa P.G, dados 21 A , 5q e 1250nA , calcule n . 69- Quantos termos possui a P.G onde 61 A , 384nA e 2q . 70- Em uma colônia de bactérias, uma bactéria divide-se em duas a cada hora. Determinar o número de bactérias originadas de uma só bactéria dessa colônia depois de 15 horas. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 16 3.3 Soma dos n primeiros termos de uma PG Seja a PG (a1, a2, a3, a4,..., an,...). Para o cálculo da soma dos n primeiros termos Sn, vamos considerar o que segue: Sn = a1 + a2 + a3 + a4 + ... + an-1 + an Multiplicando ambos os membros pela razão q vem: Sn . q = a1. q + a2. q + .... + an-1. q + an. q. Logo, conforme a definição de PG podemos reescrever a expressão acima como: Sn . q = a2 + a3 + ... + an + an. q Observe que a2 + a3 + ... + an é igual a Sn - a1 . Logo, substituindo, vem: Sn. q = Sn - a1 + an. q Daí, simplificando convenientemente, chegaremos à seguinte fórmula da soma: Se substituirmos a n = a1. q n-1 , obteremos uma nova apresentação para a fórmula da soma, ou seja: Exemplo: Calcule a soma dos 10 primeiros termos da PG (1, 2, 4, 8,...) Temos: Observe que neste caso a1 = 1. 3.4 Soma dos termos de uma PG infinita Considere uma PG ILIMITADA (infinitos termos) e decrescente. Nestas condições, podemos considerar que no limite teremos an = 0. Substituindo na fórmula anterior, encontraremos: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 17 Exercícios sobre soma dos termos de uma P.G 71- Calcule a soma dos 20 primeiros termos da P.G(-5, -5, -5,-5,...). 72- Obtenha a soma dos dez primeiros termos da P.G .,... 2 1 , ,2 1 , 2 1 73- Determine a soma dos termos da P.G (-8, -16, -32, -64, -128, -256, -512). 74- Considere a P.G(7, 14, 28, 56,...). Calcule a soma dos oito primeiros termos dessa P.G. 75- Calcule a soma dos 10 primeiros termos da P.G(3, 6, 12,...). 76- Calcule a soma dos oito primeiros termos da P.G(2, 4, 8,...). 77- Calcule a soma dos sete primeiros termos da P.G(1, 3, 9,...). 78- Calcule a soma dos dez primeiros termos da P.G(-3, -6, -12,...). 79- Determine a soma dos dez primeiros termos da P.G(1000, 100, 10,...). 80- Calcule a soma dos vinte primeiros termos da P.G(2, 6, 18,...). 81- Quantos termos tem a P.G finita (1, 3, 9,..., x), se a soma de todos os seus termos é 1093? 82- Calcule a soma dos 9 primeiros termos da P.G( ...)2,2,2,2 3210 . 83- Calcule a soma dos 5 primeiros termos da P.G( ...)3,3,3,3 3210 .MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 18 84- Calcule a soma 108642 222221 . 85- Determine a soma de cada P.G infinita: a) ,... 18 1 , 6 1 , 2 1 b) ,... 3 1 ,1,3 c) ,...25,50,100 d) ,... 4 , 2 , 22 2 aaa 86- Calcule a soma dos infinitos termos da P.G(32, 8, 2,...). 87- A soma dos termos da P.G ,...)5,5,5,5( 32 aaa é 3. Determine o valor de a. 88- Escreva a fração geratriz das seguintes dízimas: a) 0,555... b) 0,121212... c) 3,44.... d) -2,66... 89- Determine a fração geratriz da dízima periódica 1,49494949.... 90- Qual é a geratriz da dízima periódica 2,718181818... MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 19 4. Matrizes As matrizes são estruturas matemáticas organizadas na forma de tabela com linhas e colunas, utilizadas na organização de dados e informações. Na álgebra, as matrizes são responsáveis pela solução de sistemas lineares. Chamamos ordem de uma matriz a relação entre linhas e colunas, uma matriz que tenha n linhas e m colunas é uma matriz da ordem n x m, para obter o número de elementos de uma matriz, basta multiplicar m.n. Observe os exemplos de matrizes abaixo: , matriz de ordem 3 x 1. (3 linhas e 1 coluna), o número de elementos dessa matriz é 3 x 1 = 3 1 2 3 4 5 6 , matriz de ordem 3 x 2. (3 linhas e 2 colunas), o número de elementos dessa matriz é 3 x 2 = 6 1 2 3 4 , matriz quadrada de ordem 2 x 2. O número de elementos dessa matriz é 2 x 2 = 4 4.1 Representação genérica de uma matriz Seja A uma matriz qualquer de ordem m x n, podemos representar A por: Ou também, , onde i ∈ {1, · · · ,m} é o índice de linha e j ∈ {1, · · · , n} é o índice de coluna. Quanto aos elementos de cada matriz lê-se: a11: A um, um. a12: A um, dois. 1 2 3 MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 20 A21: A dois, um. amn: A m, n. 4.2 Lei de formação de uma matriz Chamamos lei de formação de uma matriz, a sentença matemática que determina quais serão cada um dos elementos da mesma, definida da maneira: (aij)m x n | Lei de Formação Por exemplo: temos que: (aij)2x3= 2j – i, é uma matriz 2x3 onde cada elemento é obtido através da lei 2j – i, vamos resolver a lei para cada elemento da matriz: (a11)= 2(1) – 1 = 2 – 1 = 1 (a12)= 2(2) – 1 = 4 – 1 = 3 (a13)= 2(3) – 1 = 6 – 1 = 5 (a21)= 2(1) – 2 = 2 – 2 = 0 (a22)= 2(2) – 2 = 4 – 2 = 2 (a23)= 2(3) – 2 = 6 – 2 = 4 Logo a matriz 11 12 13 21 22 23 1 3 5 0 2 4 a a a A a a a 4.3 Tipos de matrizes Matriz linha: Qualquer matriz com uma única linha. Esse tipo de matriz pode tem sempre ordem 1 x m. Por exemplo, a matriz A =[1, 2, 3, 4], do tipo 1 x 4. Matriz coluna: Qualquer matriz com uma única coluna. Esse tipo de matriz pode tem sempre ordem 1 x m. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 21 Por exemplo, a matriz 1 2 3 B do tipo 3 x 1. Matriz quadrada: Chamamos matriz quadrada de ordem n a toda matriz que tem o mesmo número de linhas e colunas. Por exemplo, a matriz 3 8 2 12 C é do tipo 2 x 2, isto é, quadrada de ordem 2. Numa matriz quadrada definimos a diagonal principal e a diagonal secundária. A principal é formada pelos elementos aij tais que i = j. Na secundária, temos i + j = n + 1. Veja: Observe a matriz a seguir: a11 = -1 é elemento da diagonal principal, pis i = j = 1 a31= 5 é elemento da diagonal secundária, pois i + j = n + 1 ( 3 + 1 = 3 + 1) Matriz nula: matriz em que todos os elementos são nulos; é representada por 0m x n. Por exemplo, . Matriz diagonal: matriz quadrada em que todos os elementos que não estão na diagonal principal são nulos. Por exemplo: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 22 Matriz identidade: matriz quadrada em que todos os elementos da diagonal principal são iguais a 1 e os demais são nulos; é representada por In, sendo n a ordem da matriz. Por exemplo: Assim, para uma matriz identidade . Matriz transposta: matriz A t obtida a partir da matriz A trocando-se ordenadamente as linhas por colunas ou as colunas por linhas. Por exemplo: Desse modo, se a matriz A é do tipo m x n, A t é do tipo n x m. Note que a 1ª linha de A corresponde à 1ª coluna de A t e a 2ª linha de A corresponde à 2ª coluna de A t . Exercícios sobre construção e definição de matrizes 91- Dada a matriz: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 23 a- Qual é a sua ordem? b- Quantos elementos ela possui? c- Dê o valor dos seguintes elementos: 31122111 ,,, aaaa . d- Calcule o valor de 33222113 aaaa . e- Ela é uma matriz quadrada? Justifique 92- Dê o tipo de cada matriz: a) 81 b) 5,04 97 c) 653 684 791 d) 6867 5698 7735 43,051 93- Construa a matriz A= 22)( xija , sendo jiaij . 94- Construa a matriz A= 23)( xija , sendo jiaij 2 . 520 11142 418 A MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 24 95- Construa a matriz A= 32)( xija , sendo 222 jiaij . 96- Construa a matriz 32)( xijcC , com 2 jicij . 97- Determine a matriz A= 22)( xija tal que: a) ija 0, se ji e ija 1, se ji . b) 2iaij , se ji e 2jaij , se ji . 98- Determine a soma dos elementos da diagonal principal com os elementos da diagonal secundária da matriz 33)( xijaA em que jiaij 2 . 99- Quantos elementos tem uma matriz quadrada de ordem 6? 100- Dê a matriz transposta de: a) 6 3 1 A b) 3 1 7 50 B c) 101128 6483 1802 73,05,11 C MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 25 4.4 Operações com Matrizes Igualdade de matrizes Sejam A e B duas matrizes reais, temos que A e B serão iguais se forem do mesmo tipo e se os elementos correspondentes forem iguais. Logo teremos: Exemplo: determine x e y para que as matrizes A e B sejam iguais 1 2 1 4 , 2 5 8 5 x A B y , Solução: 2 4 2 2 8 10 x x y y Adição de matrizes Assim como nos números, equações e funções que vimos até agora, podemos realizar algumas operações com matrizes e a soma é uma delas, podemos somar duas matrizes desde que elas sejam de um mesmo tipo. Sejam A e B duas matrizes de ordem m x n, chamamos matriz soma (A+B) a matriz obtida adicionando-se os elementos correspondentes de A e B. Sejam as A e B as matrizes abaixo, vamos definir A + B: 11 12 13 11 12 13 21 22 23 21 22 23 e aa a b b b A B a a a b b b 11 12 13 11 12 13 11 11 12 12 13 13 21 22 23 21 22 23 21 21 22 22 23 23 a a a b b b a b a b a b A B a a a b b b a b a b a b MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 26 Exemplo: Determine a matriz A+B, sendo A e B: 2 4 9 3 5 9 e 8 1 2 6 2 2 A B Solução: 2 4 9 3 5 9 2 3 4 5 9 ( 9) = 8 1 2 6 2 2 8 ( 6) 1 2 2 ( 2) A B = 5 1 0 2 1 -4 A B Propriedades da adição Sendo A, B, C e O (matriz nula) são matrizes de mesmo tipo, valem as propriedades: - Comutativa: A+B = B+A - Associativa: A+(B+C) = (A+B)+C - Elemento neutro: A+O = O+A = A Subtração de matrizes Dadas duas matrizes de mesmo tipo, A e B, denomina-se matriz diferença (A-B) a matriz obtida subtraindo-se os elementos correspondentes de A e B. Sejam as A e B as matrizes abaixo, vamos definir A - B: 11 12 13 11 12 13 21 22 23 21 22 23 e a a a b b b A B a a a b b b MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 27 11 12 13 11 12 13 11 11 12 12 13 13 21 22 23 21 22 23 21 21 22 22 23 23 a a a b b b a b a b a b A B a a a b b b a b a b a b Exemplo: Determine a matriz A+B, sendo A e B: 2 4 9 3 5 9 e 8 1 2 6 2 2 A B Solução: 2 4 9 3 5 9 2 3 4 5 9 ( 9) = 8 1 2 6 2 2 8 ( 6) 1 2 2 ( 2) A B = 1 9 18 14 3 0 A B Multiplicação de uma Matriz por um número escalar Seja k um número escalar real qualquer, definimos que a multiplicação de k por uma matriz A será dada pela multiplicação de cada elemento de A pelo número real k, assim: 11 12 13 11 12 13 11 12 13 21 22 23 21 22 23 21 22 23 . . . . . . . . a a a a a a k a k a k a A k A k a a a a a a k a k a k a Exemplo: seja A, a matriz dada abaixo, calcule 3.A: 1 1 4 10 A Solução: 1 1 3.( 1) 3.1 3 3 3. 3. 4 10 3.( 4) 3.10 12 30 A Matriz oposta MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 28 Chama-se matriz oposta de A a matriz –A, cuja soma com A resulta na matriz nula. A matriz oposta é a multiplicação de uma matriz A por (-1), Então: 11 12 13 11 12 13 11 12 13 21 22 23 21 22 23 21 22 23 ( 1). ( 1). a a a a a a a a a A A A a a a a a a a a a Exemplo: 1. Obtenha –A, dada a matriz 1 1 3 9 A , Então: 1 1 1 1 ( 1) ( 1) 3 9 3 9 A A Observe que, sempre que tivermos uma matriz oposta A+(-A) = O (Matriz Nula) Solução Temos acima que: 1 1 1 1 e - 3 9 3 9 A A , Então: 1 1 1 1 1 ( 1) 1 1 0 0 ( ) (Matriz Nula) 3 9 3 9 3 ( 3) 9 9 0 0 A A O Multiplicação de matrizes Sendo A uma matriz do tipo mxn e B uma matriz do tipo nxp, define-se produto da matriz A pela matriz B a matriz C, do tipo mxp, tal que cada elemento de C (cij) satisfaz: Em outras palavras, cada elemento de C é calculado multiplicando-se ordenadamente os elementos da linha i da matriz A pelos elementos correspondentes da coluna j da matriz B e , a seguir, somando-se os produtos obtidos. Veja abaixo: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 29 O produto entre duas matrizes A e B é definido se , e somente se, o número de colunas da matriz A for igual ao numero de linhas da matriz B. Assim: O elemento neutro da multiplicação de matrizes é a matriz identidade (I). Exercícios sobre operações com matrizes 101- Calcule os valores de x e y nas seguintes igualdades: a) 26 11 166 31 y x b) 01 1123 01 58 2 yx MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 30 c) y x 36 1002 816 2 2 102- Dada a matriz 210 432 011 A , obtenha a matriz X tal que a matriz X seja a soma da matriz A com a sua transposta. 103- Considere as seguintes matrizes: 32)( xijaA , definida por jiaij e 32)( xijbB , definida por jibij . Determine o elemento 23C da matriz BAC . 104- Dada a matriz 500 121 432 A , determine 3IA T . 105- Sendo 31)( xijaA tal que jiaij 2 e 31)( xijbB tal que 1 jibij , calcule BA . 106- Se 41 72 A e 06 23 B , determine a matriz X em cada caso: a) BXA b) ABX c) ABX 2 d) BXA 32 107- Dadas as matrizes 32 10 A e 11 02 B , calcule ABC 3 . Calcule o produto dos elementos da diagonal principal dessa matriz. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 31 108- Dadas as matrizes: A 12 46 e 53 21 B determine: a) AB 2 b) BA 32 c) TT BA 2 d) BA. e) AB. f) 2A g) 2B 109- Dada a matriz 20 01 A , determine AA .32 . 110- Dada a matriz 100 001 012 A , calcule 2A . 111- (UFRJ) Seja 10 11 A . Determine o valor de 3A . 112- Dadas as matrizes 41 14 M , 14 41 N e 51 32 P , calcule PNM ).( . 113- São dadas as matrizes 13 12 A e 01 43 B . a) Calcule BA. . b) Calcule ..AB c) Calcule 2A . MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 32 4.5 Matriz Inversa Considere que A é uma matriz quadrada de ordem n. Chamamos A de uma matriz inversível se existir uma matriz B, tal que: nA B B A I Nessas condições dizemos que B é inversa de A, e indicamos por A -1 . Exemplos: Determine a Inversa de A, dado: 1 2 4 2 A Temos que A -1 , é uma matriz quadrada de ordem 2, com elementos ainda desconhecidos, portanto: 1 a b A c d , tal que 1 2A A I , então: 1 1 2 1 0 2 2 1 0 4 2 0 1 4 2 4 2 0 1 a b a c b d A A c d a c b d Para identificarmos a, b, c e d precisamos resolver, baseados no conceito de igualdade de matrizes:2 6 1 1 2 , 5 0 5 5 a c a c a c 2 6 0 1 1 , 5 1 5 10 b d b d b d Portanto 1 1 1 5 5 2 1 5 10 A Exercícios sobre matriz inversa 114- Calcule a matriz inversa de: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 33 a) 52 83 B b) 31 20 D 115- Dada a matriz 11 32 A , determine a matriz X tal que: X TAA 1 . 116- São dadas as matrizes 57 23 A e 11 11 B . Calcule 1. ABA . 117- Calcule 21)( AA , sendo 43 21 A . 118- Dada a matriz 23 35 A , determine o valor de AA 21 . 119- Calcule a matriz inversa de 21 11 B . Prove que a multiplicação da matriz B pela sua inversa é igual à matriz identidade. 120- Dadas as matrizes 11 12 A e 12 01 M : a) Determine 1M . b) Determine o traço da matriz MAM ..1 , sabendo que o traço de uma matriz é a soma dos elementos da diagonal principal. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 34 5. Determinantes Uma das partes mais interessantes do estudo de matrizes são os Determinantes, esses são a associação de uma matriz quadrada com um número real, através dos determinantes podemos definir se uma matriz tem ou não matriz inversa, de forma que caso o determinante de uma matriz A seja igual a 0 (zero) a matriz A não é inversível. Para representação do determinante temos a inserção de uma nova simbologia. O determinante de uma matriz A, será dado como abaixo: Seja a b A c d uma matriz, seu determinante será representado por det a b A c d . 5.1 Determinante de ordem 2 x 2 Seja A uma matriz quadrada de ordem 2, o valor do determinante será dado por: det a b a b A A a d b c c d c d 5.2 Regra de Sarrus Para obter o determinante de uma matriz quadrada de ordem 3, podemos utilizar a regra de Sarrus, para definirmos a regra de Sarrus vamos primeiro às definições de Diagonal Principal e Diagonal Secundária. Na figura abaixo temos as duas diagonais destacadas, de maneira que: Diagonal principal: a11, a22 e a33. Diagonal secundária: a13, a22, a31. Para aplicação prática da regra de sarrus, devemos repetir as duas primeiras colunas do determinante e traçar a partir delas três diagonais principais e três diagonais secundárias. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 35 O determinante será calculado por meio da diferença entre a soma do produto das três diagonais principais e a soma do produto das três diagonais secundárias. Conforme abaixo: Somatório da Diagonal principal (a11 . a22 . a33) + (a12 . a23 . a31) + (a13 . a21 . a32) Somatório da Diagonal secundária (a13 . a22 . a31) + (a11 . a23 . a32) + (a12 . a21 . a33) Cálculo do Determinante D = {(a11 . a22 . a33) + (a12 . a23 . a31) + (a13 . a21 . a32)} – {(a13 . a22 . a31) + (a11 . a23 . a32) + (a12 . a21 . a33)} Exemplo: 1. Calcule o determinante de 1 1 2 2 3 0 2 3 4 A utilizando a regra de Sarrus: 1 1 2 1 1 2 1 1 ( ) 2 3 0 2 3 0 2 3 2 3 4 2 3 4 2 3 Det A Somatória das diagonais principais: [1.( 3).4] (1.0.2) (2.2.3) 12 0 12 0p Somatória das diagonais secundárias: (1.2.3) (1.0.3) [2.( 3).( 2)] 6 0 12 18s Regra de Sarrus: Det(A) = p – s =0 – 18= -18 MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 36 5.3 Teorema de Laplace O teorema de Laplace consiste num método de calcular o determinante de matrizes quadradas de ordem n ≥ 2 utilizando o cofator. Lembrando que o cofator do elemento aij de uma matriz quadrada é o número: Para calcular o determinante de uma matriz M quadrada de ordem n ≥ 2 utilizando o Teorema de Laplace, devemos proceder da seguinte forma: 1. Escolha qualquer fila (linha ou coluna) da matriz M. 2. Multiplique cada elemento da fila pelo seu respectivo cofator. 3. O teorema de Laplace diz que o determinante da matriz M será a soma dos produtos dos elementos da fila pelos seus respectivos cofatores. Como já dispomos de métodos práticos para o cálculo do determinante de matrizes quadradas de ordem 2 e 3, é interessante aplicar o Teorema de Laplace para matrizes de ordem maior ou igual a 4. Para melhor explicação do método vamos a um exemplo numérico de sua aplicação. Exemplo 1. Calcule o determinante da matriz abaixo utilizando o dispositivo prático de Sarrus e o Teorema de Laplace. Solução Devemos escolher qualquer linha ou coluna da matriz M. Nesse caso, escolheremos a linha 2. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 37 Agora, multiplicaremos cada elemento da linha pelo seu respectivo cofator: Logo, o determinante será a soma desses produtos, ou seja: D = – 6 + 3 +( – 1) = – 4. Observe que nesse caso o dispositivo prático de Sarrus torna o cálculo do determinante bem mais simples que o Teorema de Laplace, como foi dito anteriormente. Exercícios sobre determinantes 121- Calcule o valor do determinante das seguintes matrizes: a) 2A b) 41 23 B c) 16 34 C d) 32 46 D e) 23 6 1 2 1 E MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 38 f) 23 32 F 122- Calcule o determinante da matriz 22)( xijaA tal que jiaij 23 . 123- Se 20 11 A , encontre o valor do determinante de AA .22 . 124- (Vunesp-SP) Dadas as matrizes 42 31 A e 13 21 B , calcular o determinante da matriz BA. . 125- Resolva as equações: a) 0 75 2 xx b) 12 13 22 x c) 38 2 43 122 xxx d) x x x 0 2 4 43 126- Utilizando a Regra de Sarrus calcule o determinante das seguintes matrizes: a) 432 314 523 A MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 39 b) 524 132 030 B c) 552 287 402 C 127- Calcule o determinante das matrizes: a) 33)( xijAA tal que jiAij 32 . b) 33)( xijBB tal que jiBij 23 . c) 33)( xijCC tal que jiCij . 128- Se 33)( xijAA tal que jiaij , calcule o valor de Adet e tAdet . 129- Determine o valor de x para que: a) 0 321 412 31 x b) 3 025 112 312 x c) 0 213 42 142 x MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINOMÉDIO REGULAR - 2015 40 130- Para que valores de x o determinante 101 00 10 x x é positivo? 131- Dada a matriz 321 401 132 A , determine: a) )( 12acof b) )( 31acof c) )( 22acof d) )( 13acof e) )( 23acof f) )( 33acof 132- Dada a matriz 662 542 301 A , determine a soma dos cofatores dos elementos da 2ª linha. 133- (UFSC) Dada a matriz 2244 0731 0085 0010 A , calcule o determinante dessa matriz. 134- Utilizando o Teorema de Laplace calcule o determinante das seguintes matrizes: a) 87 43 A b) 35 41 B MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 41 c) 401 312 001 C d) 1012 3121 1312 1010 D e) 1010 2101 4312 0101 E 135- Resolva as equações: a) 0 1011 1021 10 1511 2 xx b) 0 5070 436 33 0040 2 x xxx MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 42 6. Sistemas Lineares 6.1 Equações lineares Chamamos equações lineares a toda equação da forma: a1x1 + a2x2+ a3x3 + ... + anxn = b de maneira que a1, a2, a3,... , an são números reais, que são chamados coeficientes das incógnitas x1, x2, x3,... , xn, e b é um número real chamado termo independente (quando b=0, a equação recebe o nome de linear homogênea). Seja k o grau das incógnitas, a equação é denominada linear, se e somente se, k = 1. Exemplos 1. São equações lineares a) x + y = 3 b) 2x – y = 0 c) y +3x = 7 2. Não são equações lineares a) x² - 4x = - 2 b) 2x³ – y = 7 c) x² + y² = 1 6.2 Sistemas lineares Um conjunto de equações lineares da forma: é denominado um sistema linear de m equações e n incógnitas. Um sistema linear tem n soluções, representadas pela n-upla de números reais (r1, r2, r3,..., rn) que é, simultaneamente, solução de todas as equações do sistema. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 43 Um sistema linear pode ser classificado quanto ao número de soluções da seguinte forma: Sistema linear possível: quando admite solução. Sistema linear impossível: quando não admite solução. Um sistema linear possível pode ser classificado em: Determinado: quando admite uma única solução. Indeterminado: quando admite infinitas soluções. 6.3 Método do escalonamento Um sistema linear é dito escalonado quando está disposto nas seguintes formas: 10 43 yx yx 700 150 22 zyx zyx zyx O processo de resolução de um sistema linear que envolve a eliminação de incógnitas é denominado método do escalonamento. Exemplo: Escalone e resolva o seguinte sistema linear: 95 824 yx yx . Primeiro multiplicamos a segunda equação por -4 para eliminamos a incógnita x: 2 95 4422 95 36820244 y yx y yx yyxx Como já achamos o valor de y, basta substituir esse valor na outra equação: 12 xy 6.4 Matrizes associadas a um sistema linear MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 44 Podemos associar determinadas matrizes a um sistema linear, sendo essas de dois tipos, a matriz incompleta e a matriz completa. Matriz incompleta Seja o sistema linear abaixo: 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 a x b y c z d a x b y c z d a x b y c z d Podemos associar ao sistema dado uma matriz A, chamada incompleta, quando formada apenas pelos coeficientes das incógnitas, conforme abaixo: 1 1 1 2 2 2 3 3 3 a b c A a b c a b c Matriz completa Seja o mesmo sistema linear utilizado acima, podemos associar ao sistema dado uma matriz B, chamada matriz completa, de maneira que basta adicionar uma ultima coluna à matriz A, com os termos independentes de cada equação. 1 1 1 2 2 2 3 3 3 a b c A a b c a b c 6.5 Regra de Cramer Consideremos um sistema linear de n equações e n incógnitas: 11 1 12 2 13 3 1n n 1 21 1 22 2 23 3 2n n 2 31 1 32 2 33 3 3n n 3 n1 1 n2 2 n3 3 n a x a x a x ... a x b a x a x a x ... a x b a x a x a x ... a x b a x a x a x ... a n n nx b MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 45 Como vimos esse sistema linear pode ser associado a uma matriz incompleta A, de maneira que cada um de seus coeficientes seja um elemento da matriz, seja a matriz A, existe um determinante D, tal que: 11 12 13 1 21 22 23 2 31 32 33 3 1 2 3 n n n n n n nn a a a a a a a a D a a a a a a a a Seja Dxi o determinante da matriz que se obtém do sistema dado, substituindo a coluna dos coeficientes da incógnita xi ( i = 1, 2, 3, ... , n), pelos termos independentes b1, b2, ... , bn, assim sendo: Segundo a regra de Cramer: Os valores das incógnitas de um sistema linear de n equações e n incógnitas são dados por frações cujo denominador é o determinante D dos coeficientes das incógnitas e o numerador é o determinante D xi, ou seja: ii Dx x D Exemplos Para resolver um sistema linear pelo método de escalonamento, precisamos ter conhecimentos de algumas propriedades fundamentais dos sistemas lineares, pertinentes à equivalência de dois ou mais sistemas lineares. 1. A permutação entre as linhas de um sistema linear não alteram o sistema em si, uma vez que sua solução permanece a mesma. Exemplo Os sistemas de equações lineares x 3y 7 5x 2y 1 e 5x 2y 1 x 3y 7 São sistemas lineares equivalentes, fica óbvio que a dupla ordenada (1, 2) satisfaz a ambos. 1 12 13 1 2 22 23 2 1 3 32 33 3 2 3 11 1 13 1 21 2 23 2 2 31 3 33 3 1 3 11 12 13 1 21 22 23 2 31 32 33 n n n n n n nn n n n n n n nn n b a a a b a a a Dx b a a a b a a a a b a a a b a a Dx a b a a a b a a a a a b a a a b Dx a a a 3 1 2 3n n n n b a a a b MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 46 2. Podemos multiplicar a um sistema linear qualquer valor k, e podemos garantir que seu resultado não será alterado. Exemplo Os sistemas de equações lineares x 3y 7 5x 2y 1 e x 3y 7 10x 4y 2 O segundo sistema tem a segunda linha sendo o dobro do sistema anterior, no entanto, afirmamos que esses sistemas lineares são equivalentes, a dupla ordenada(1, 2) satisfaz a ambos. 3. Um sistema de equações lineares não se altera, quando substituímos uma equação qualquer por outra obtida a partir da adição membro a membro desta equação, com outra na qual foi aplicada a transformação T2. Exemplo: Os sistemas 15x 3y 22 5x 2y 32 e 15x 3y 22 9y -74 São obviamente, pois a segunda equação foi substituída pela adição da primeira equação, com a segunda multiplicada por ( -3 ). Seja o sistema de equações lineares: x + 3y - 2z = 3 (e1) 2x - y + z = 12 (e2) 4x + 3y - 5z = 6 (e3) SOLUÇÃO: 1 - Aplicando a transformação T1, permutando as posições das equações 1 e 2, vem: 2x - y + z = 12 x + 3y - 2z = 3 4x + 3y - 5z = 6 2 - Multiplicando ambos os membros da equação 2, por (- 2) - uso da transformaçãoT2 - MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 47 somando o resultado obtido com a equação 1 e substituindo a equação 2 pelo resultado obtido - uso da transformação T3 - vem: 2x - y + z = 12 7y - 2z = 6 4x + 3y - 5z = 6 3 - Multiplicando ambos os membros da equação 1 por (-2), somando o resultado obtido com a equação 3 e substituindo a equação 3 pela nova equação obtida, vem: 2x - y + z = 12 -7y + 5z = 6 5y - 7z =-18 4 - Multiplicando a segunda equação acima por 5 e a terceira por 7, vem: 2x - y + z = 12 -35y+25z = 30 35y -49z =-126 5 - Somando a segunda equação acima com a terceira, e substituindo a terceira pelo resultado obtido, vem: 2x - y + z = 12 -35y+25z = 30 -24z = -96 6 - Do sistema acima, tiramos imediatamente que: 96 z= 4 24 , ou seja, z = 4. Como conhecemos agora o valor de z, fica fácil achar os valores das outras incógnitas: Teremos: - 35y + 25(4) = 30 y = 2. Analogamente, substituindo os valores conhecidos de y e z na primeira equação acima, fica: 2x - 2 + 4 = 12 x = 5. Portanto, x = 5, y = 2 e z = 4, constitui a solução do sistema dado. Podemos então escrever que o conjunto solução S do sistema dado, é o conjunto unitário formado por um terno MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 48 ordenado (5,2,4) : S = { (5, 2, 4) } Verificação: Substituindo os valores de x, y e z no sistema original, teremos: 5 + 3(2) - 2(4) = 3 2(5) - (2) + (4) = 12 4(5) + 3(2) - 5(4) = 6 o que comprova que o terno ordenado (5,4,3) é solução do sistema dado. Exercícios sobre sistemas Lineares 136- Dada a equação 534 yx , determine a solução em que 5y . 137- Verifique se (3,-4,5) é solução da equação 45 zyx . 138- Determine o valor de k para que (-1, 0,1) seja solução da equação 53 zykx . 139- Ache duas soluções da equação: 0 2 1 yx . 140- Calcule a, de modo que (-1, a+1, 2) não seja solução da equação 042 zyx . 141- Verifique se cada um dos pares ordenados é solução para este sistema: 02 022 0 zyx zyx zyx a) (0,0,0) MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 49 b) (0, 1, -1) c) (1,1,1) 142- Quais as matrizes incompletas e completas dos sistemas abaixo? a) 253 0 12 cba ca cba b) 542 13 02 2 tzyx tzy tyx tzyx 143- Represente o sistema 523 2 yx yx na sua forma matricial e, depois, resolva-o. 144- Resolva os sistemas a seguir utilizando a Regra de Cramer: a) 652 443 yx yx b) 25 72 yx yx c) 1 323 yx yx MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 50 d) 3233 932 22 zyx zyx zyx e) 5 023 1 zyx yx zyx f) 42 032 632 zyx zyx zyx 145- Escalone, e resolva se possível, os sistemas: a) 623 2 yx yx b) 25 72 yx yx c) 1 323 yx yx d) 423 26 yx yx 146- (Fuvest-SP) 186 2354 1432 z zy zyx , o valor de x é igual a: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 51 a) 27 b) 3 c) 0 d) -2 e) 1 147- A solução do sistema 733 822 542 zyx zyx zyx é: a) (-1, -2,2) b) (-1, 2, -2) c) (1,-2,-2) d) (1, 2, -2) e) (1,-2,2) 148- (FUVEST-SP) Dado o sistema linear abaixo: 1 83 74 zy yx zx Calcule o valor de zyx . 149- A soma de dois números inteiros é 10 e a diferença entre eles é 2. Quais são esses números? 150- (Faap-SP) Ache dois números reais cuja soma é 9 e cuja diferença é 29. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 52 151- Certa escola de ensino médio tem 107 alunos nas 1ª e 2ª séries, 74 nas 2ª e 3ª séries e 91 nas 1ª e 3ª séries. Qual o total de alunos dessa escola? 152- (UEL-PR) Numa loja, os artigos A e B, juntos, custam R$ 70,00, dois artigos A mais um C custam R$ 105,00 e a diferença de preço entre os artigos B e C, nessa ordem, é R$ 5,00. Qual é o preço do artigo C? 153- Classifique os sistemas em impossível, possível e determinado ou possível e indeterminado: a) 523 45 yx yx b) 9333 02 6 zyx zyx zyx 154- Determine o valor de a para que o sistema 93 155 ayx yx seja possível e determinado. 155- Determine o valor de k de modo que o sistema kyx yx 63 12 seja impossível. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 53 7. Trigonometria na circunferência Considere o ponto de origem do plano, e a partir dele uma medida denominada raio que mede uma unidade, sendo assim com o movimento de rotação do raio pela origem temos a circunferência trigonométrica. 7.1 Arcos e Ângulos Considere a circunferência de centro O sobre a qual tomamos dois pontos distintos, A e B. Então, tomando um terceiro ponto M, distinto dos anteriores. A circunferência fica dividida em duas partes, cada uma das quais é um arco de circunferência: Arco de circunferência AMB, e Arco de circunferência AM'B. A partir de agora consideraremos apenas os arcos orientados do ciclo trigonométrico com origem no ponto A=(1,0) , que são chamados arcos trigonométricos. O ponto A=(1,0) é chamado origem dos arcos. Os eixos x e y do sistema cartesiano dividem a circunferência trigonométrica em quatro quadrantes, que são partes iguais, com angulação 90º cada uma. Assim, na figura acima, I Q representa o primeiro quadrante, II Q o segundoquadrante e assim por diante. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 54 7.2 Medidas de arcos e ângulos Existem maneiras diferentes de se medir ângulos e arcos, nesse curso utilizaremos as mais usuais, graus e radianos. Grau Graus é a forma como usualmente medimos ângulos, esses tem medida igual a 1/360 da circunferência que contém o arco. Assim sendo uma circunferência tem medida 360 o Radiano O radiano (notação: rad) é definido como a medida de um ângulo central subtendido por um arco cujo comprimento é igual ao raio da circunferência que contém o arco. A circunferência toda contém 2π raios, o que significa que seu comprimento é igual a 2πr e que a medida dela (correspondente ao arco de uma volta) é de 2π rad. 7.3 Conversão entre graus e radianos Podemos relacionar determinados valores inicialmente em graus para radianos e vice-versa, para isso utilizaremos procedimentos matemáticos simples, sim a partir de uma regra de três simples podemos converter de graus para radianos e de radianos para graus, observe. Para todos os efeitos, temos que 2π r tem o mesmo valor que 360 o , assim sendo, temos facilmente que: πr = 180 o , utilizaremos essa notação e nossas conversões. Observe o exemplo: Exemplo 1. Converta 45 o em radianos: Solução: Considerando que as 180 o equivale a π rad, sabemos que 45 o tem um valor x rad correspondente em radianos, assim sendo, podemos dizer: 180 180 4 45 445 o o x x xx Então temos que 45 o equivalem a 4 rad. 2. Converta 3 radianos em graus Solução: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 55 Da mesma forma temos que πr = 180 o , então podemos relacionar as medidas de 3 para x graus. 180 180 3 180 180 . 60 1 3 3 3 o x x xx Então, temos que 3 radianos equivalem a 60 o . 7.4 Comprimento da circunferência O cálculo do comprimento da circunferência (perímetro) foi obtido da seguinte forma: como todas as circunferências são semelhantes entre si, ou seja, todas pertencem ao mesmo centro foi concluído que a razão entre os comprimentos de qualquer circunferência pelo seu respectivo diâmetro será sempre uma mesma constante. E essa constante foi provada pelo matemático grego Arquimedes de Siracura que seria aproximadamente 3,14, e como esse valor não era exato foi estipulado que poderia ser representado pela letra do alfabeto grego , facilitando os cálculos. Sendo C o comprimento da circunferência, temos: rC ..2 , onde r é o raio da circunferência. 7.5 Congruência de arcos Dois arcos são considerados côngruos (ou congruentes) quando têm a mesma posição no círculo trigonométrico, diferindo-se apenas no número de voltas inteiras. Então, se um arco mede α rad, a expressão geral dos arcos côngruos a ele é dada por α + 2kπ em que k ∈ Z. Na figura abaixo exibimos vários arcos côngruos ao arco de 60º ou de π/3 rad. Como por exemplo, temos um arco de 60º (ou π/3 rad) MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 56 E abaixo, seus côngruos: Para identificar os valores representantes na primeira volta de um ângulo côngruo, basta subtrair o valor de 360º quantas vezes forem necessárias, até que 0 360o . Exemplo 1. Encontre o representante côngruo de 1200º. Solução: Reduzindo uma volta: 1200º - 360º = 840º Como 840 > 360, podemos continuar reduzindo. Reduzindo mais uma volta, temos: 840º - 360º = 480º. Repetindo o procedimento, temos: 480º - 360º = 120º. Como 0 120 360o o , temos que o representante côngruo a 1200º na primeira volta do ciclo trigonométrico é 120º. Exercícios sobre trigonometria na circunferência 156- Converta em radianos: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 57 a) 30º b) 60º c) 120º d) 210º e) 225º f) 300º g) 315º h) 330º 157- Converta em graus: a) rad 3 4 b) rad 8 c) rad 6 7 d) rad 12 e) rad 4 7 158- Expresse: a) 12º para radianos b) 75º para radianos c) 5 para graus d) 12 5 para graus 159- Um atleta percorre um terço de uma pista circular, correndo sobre a linha de uma circunferência. Determine a medida do arco percorrido em graus e radianos. MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 58 160- Calcule o comprimento das seguintes circunferências: a) Raio igual a 10 cm b) Raio igual a 7,5cm c) Diâmetro igual a 18 cm d) Diâmetro igual a 21 cm 161- Ronycleisson dá 8 voltas em torno de uma pista circular de diâmetro 28 m. Qual a distância percorrida por Ronycleisson? 162- A bicicleta é um veiculo com duas rodas presas a um quadro movido pelo esforço de um ciclista por meio de pedais. Em alguns lugares ela é bastante utilizada no dia a dia por ser um meio de transporte barato, ecológico e saudável. a) Se as rodas de uma bicicleta tiverem 60 cm de diâmetro, qual a distância, em metros, que ela percorrerá dando uma volta inteira? b) Se a roda dianteira der 1600 voltas, quantos quilômetros a bicicleta percorrerá? 163- Determine a que quadrante pertencem os seguintes arcos: a) 1300º b) 440º c) -1640º d) 4 21 e) 7 8 f) 6 37 164- Quantas voltas completas dá e em que quadrante pára um móvel que, partindo da origem dos arcos, percorre, na circunferência trigonométrica, um arco de: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 59 a) 1810º? b) 2350º? c) -1200º? d) rad 8 17 ? 165- (UFGD-MS) Um dispositivo mecânico pode girar no sentido horário e anti-horário, e um contador registra o ângulo, em graus, que mede o quanto o dispositivo girou em relação ao ponto de partida. Se o contador marca um ângulo de 5000º negativos, o ângulo positivo correspondente é: a) 32º b) 320º c) 13º d) 40º e) 328º 7.6 Razões trigonométricas Conhecemos as definições de seno, cosseno e tangente para o triângulo retângulo, agora iremos ampliar esses conceitos à área onde eles foram originalmente concebidos, o circulo trigonométrico, ou a circunferência de raio unitário. Seno No plano cartesiano consideremos uma circunferência trigonométrica, de centro em (0,0) e raio unitário. Seja M=(x',y') um ponto desta circunferência, localizado no primeiro quadrante que determina um arco AM correspondente ao ângulo central a. Chamamos de seno do ângulo a, à medida da projeção ortogonal de AM no eixo y, indicamos por sen(a). MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 60 O sinal dos senos será positivo no primeiro e segundo quadrante, e negativo no terceiro e quarto: Cosseno Considerando o mesmo sistema anterior, chamamos de cosseno do ângulo a, à medida da projeção ortogonal de AM no eixo x, indicamos por cos (a). O sinal dos cossenos será positivo no primeiro e quarto quadrante, e negativo no segundo e terceiro: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 61 Tangente Seja a reta t tangente à circunferência trigonométrica no ponto A=(1,0). Tal reta é perpendicular ao eixo OX. A reta que passa pelo ponto M e pelo centro da circunferência intersecta a reta tangente t no ponto T=(1,t'). A ordenada deste ponto T, é definida como a tangente do arco AMcorrespondente ao ângulo a. Quando o arco é apresentado no segundo ou terceiro quadrantes, podemos representá-los no primeiro ou quarto quadrante, dessa maneira, por exemplo, caso queiramos indicar a tangente de um ângulo a no segundo quadrante, basta ver tg (a + 180º), sendo que esses valores de tangente são equivalentes. Assim como os valores de um ângulo a no terceiro quadrante, são equivalentes aos valores da tangente no primeiro quadrante, nesse caso basta ver a tg (a - 180º). Com isso podemos deduzir que o sinal da tangente será positivo no primeiro e terceiro quadrante, e negativo no segundo e quarto. 7.1 Funções trigonométricas Podemos associar nossos conhecimentos adquiridos recentemente com funções, no caso das funções trigonométricas, essas têm um grupo específico de funções, as funções trigonométricas, que estudaremos de agora em diante. Função seno MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 62 Definição Denominamos função seno a função f: →, que a cada número real x, associa o seno desse número: f: →, f(x) = sen x Domínio de f(x) = sen x; D(sen x) = . Imagem de f(x) = sen x; Im (sen x) = [-1,1], pois o raio no círculo trigonométrico mede 1. Sinal da Função Assim como já vimos, referente ao sinal dos senos, o valor de sen(x) será positivo no primeiro e segundo quadrante, e negativo no terceiro e quarto, assim como em seus valores côngruos. Gráfico Chamamos ao gráfico da função seno de senóide, para sua construção podemos utilizar o meio de construção através de pontos notáveis e tabela. Função cosseno Definição Denominamos função cosseno a função f: →, que a cada número real x, associa o cosseno desse número: f: →, f(x) = cos x. Domínio de f(x) = cos x; D(cos x) = Imagem de f(x) = cos x; Im (cos x) = [-1,1]. Sinal da Função MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 63 O sinal de f(x) = Cos (x) será positivo no primeiro e quarto quadrante, e negativo no segundo e terceiro quadrantes. Gráfico Chamamos ao gráfico da função cosseno de cossenóide, para sua construção podemos utilizar o meio de construção através de pontos notáveis e tabela. Função tangente Definição Denominamos função tangente a função f: →, que a cada número x associa a tangente desse número: f: →, f(x) = tg x. Domínio de f(x) = tg x; D(tg x) = / x ½ Imagem de f(x) = tg x; Im (tg x) = . Sinal da Função O sinal da função tg (x) será positivo no primeiro e terceiro quadrante, e negativo no segundo e quarto. Gráfico MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 64 Chamamos o gráfico da função tangente de Tangentóide, também podendo ser construído ponto a ponto. Exercícios sobre seno, cosseno e tangente 166- Determine o valor do seno e do cosseno dos seguintes arcos: a) 3 2 b) 240º c) 300º d) 135º e) 225º f) 150º g) 6 h) 2 7 i) 21 j) 2 29 167- Calcule o número 3 4 cos 3 2 3 4 3 2 cos sen sen A . MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 65 168- Calcule o número 4 3 4 3 cos 4 5 cos 4 7 sen sen B . 169- Calcule o valor da expressão xsen xxsen A 3 8cos4 2 , para 2 x . 170- Calcule o valor de º2460cosº330 sen . 171- (FEI-SP) Qual é o valor da expressão )31.(cos 2 7 seny ? 172- Determine o valor da expressão: 2 3 2 15 10cos sensenA . 173- O fenômeno da maré em determinado ponto da costa brasileira pode ser obtido pela expressão: 4 5 . 6 cos.2 2 21 )( ttP , em que t é o tempo decorrido após o inicio da operação )0( t , e P(t) é a profundidade da água no instante t. Qual é a profundidade aproximada da água no inicio da operação? 174- Determine o valor de: a) º900tg b) º1500tg c) 11tg d) º150tg e) º240tg f) º300tg g) 3 16 tg MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 66 175- Ache o valor de 4 3 º510cos tg . 176- Que número é maior: º70tg ou º760tg ? Justifique sua resposta. 177- Simplifique a expressão: 2 4 .3 tgtgA . 178- Determine o valor numérico da expressão: 2 º60 )º15( 3cos)º30( x tg xtg xxsen , para º60x . 179- Construa a partir de senxy os gráficos das funções indicadas abaixo. Escreva o domínio e determine o conjunto imagem: a) senxxf 2)( b) senxxf 1)( c) senxxf 1)( d) senxxf )( 180- Construa o gráfico da função dada por 2 )( x senxf , destacando o domínio, o conjunto imagem e o período. 181- Construa a partir de xxf cos)( os gráficos das funções indicadas abaixo. Escreva o domínio e determine o conjunto imagem: a) xxf cos1)( b) xxf cos1)( c) xxf cos)( d) xxf cos2)( MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 67 182- Determine o período de cada uma das seguintes funções: a) xseny 6 b) 3 x seny c) xy 8cos d) xy 6cos1 7.8 Outras razões trigonométricas Secante Podemos calcular a secante de um arco através da relação: x x cos 1 sec . Cossecante Podemos calcular a cossecante de um arco através da relação senx x 1 seccos . . Cotangente Podemos calcular a cotangente de um arco através da relação tgx gx 1 cot . Exercícios sobre outras razões trigonométricas 183- Determine o valor da tangente e da cotangente dos seguintes arcos: a) 0º b) 30º MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 68 c) 3 d) 2 e) 2 f) 2 3 g) 4 7 h) 4 5 184- Determine o valor da secante e da cossecante dos seguintes arcos: a) 0º b) 30º c) 45º d) 4 17 e) 120º f) 2 3 g) 150º h) 185- Calcule a cotangente, a secante e a cossecante dos seguintes arcos: a) 4 b) 150º c) 270º d) 2 5 186- Calcule: MATEMÁTICA - 2º ANO – ENSINO MÉDIO REGULAR - 2015 69 a) º45secº60sec b) º45sec.2º30sec.3 c) 2 3 seccos 4 seccos.2 187- Obtenha o valor de: a) )º180(sec8)º60(sec 3 b) 2 º30seccos.3 º60seccos3 7.9 Relações trigonométricas Dentro da trigonometria, há algumas relações que são fundamentais em problemas do cotidiano. Veremos algumas dessas relações: No círculo trigonométrico, o eixo horizontal é representado pelo seno e o eixo vertical, pelo cosseno. Ao determinarmos um ponto qualquer sobre a extremidade do círculo, temos sua projeção no eixo dos senos e dos cossenos. Ao traçarmos um segmento de reta do eixo das origens do círculo até o ponto determinado, formamos um ângulo , como mostram os esquemas a seguir: Com base no triângulo retângulo formado, vamos aplicar os fundamentos do Teorema de Pitágoras: MATEMÁTICA - 2º ANO
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