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Professor: Especialista Luiz Augusto. prof.luizaugusto@bol.com.brPág.1 I COM LUIZ AUGUSTO prof.luizaugusto@bol.com.br Página 2 Uma breve história do estudo da Derivada A derivada tem dois aspectos básicos, o geométrico e o computacional. Além disso, as aplicações das derivadas são muitas: a derivada tem muitos papéis importantes na matemática propriamente dita, tem aplicações em física, química, engenharia, tecnologia, ciências, economia e muito mais, e novas aplicações aparecem todos os dias. A origem da derivada está nos problemas geométricos clássicos de tangência, por exemplo, para determinar uma reta que intersecta uma dada curva em apenas um ponto dado. Euclides (cerca de 300 a.C.) provou o familiar teorema que diz que a reta tangente a um círculo em qualquer ponto P é perpendicular ao raio em P. Arquimedes (287--212 a.C.) tinha um procedimento para encontrar a tangente à sua espiral e Apolônio (cerca de 262--190 a.C.) descreveu métodos, todos um tanto diferentes, para determinar tangentes a parábolas, elipses e hipérboles. Mas estes eram apenas problemas geométricos que foram estudados apenas por seus interesses particulares limitados; os gregos não perceberam nenhuma linha em comum ou qualquer valor nestes teoremas. Problemas de movimento e velocidade, também básicos para nosso entendimento de derivadas hoje em dia, também surgiram com os gregos antigos, embora estas questões tenham sido originalmente tratadas mais filosoficamente que matematicamente. Os quatro paradoxos de Zenão (cerca de 450 a.C.) se apóiam sobre dificuldades para entender velocidade instantânea sem ter uma noção de derivada. Na Física de Aristóteles (384--322 a.C.), os problemas de movimento estão associados intimamente com noções de continuidade e do infinito (isto é, quantidades infinitamente pequenas e infinitamente grandes). Na época medieval, Thomas Bradwardine (1295--1349) e seus colegas em Merton College, Oxford, fizeram os primeiros esforços para transformar algumas das idéias de Aristóteles sobre movimento em afirmações quantitativas. Em particular, a noção de velocidade instantânea tornou-se mensurável, pelo menos em teoria; hoje, é a derivada (ou a taxa de variação) da distância em relação ao tempo. Foi Galileu Galilei (1564--1642) quem estabeleceu o princípio que matemática era a ferramenta indispensável para estudar o movimento e, em geral, ciência: “Filosofia [ciência e natureza] está escrita naquele grande livro o qual está diante de nossos olhos quero dizer o universo, mas não podemos entendê-lo se não aprendermos primeiro a linguagem. O livro está escrito em linguagem matemática.” Galileu estudou o movimento geometricamente; usou as proporções clássicas de Euclides e propriedades das cônicas de Apolônio para estabelecer relações entre distância, velocidade e aceleração. Hoje, estas quantidades variáveis são aplicações básicas das derivadas. O interesse em tangentes a curvas reapareceu no século 17 como uma parte do desenvolvimento da geometria analítica. Uma vez que equações eram então usadas para descreverem curvas, o número e variedade de curvas aumentou tremendamente naqueles estudos em épocas clássicas. Por exemplo, Pierre Fermat (1601--1665) foi o primeiro a considerar a idéia de uma família inteira de curvas de uma só vez. Ele as chamou de parábolas superiores, curvas da forma y = k n, onde k é constante e n = 2, 3, 4, … A introdução de símbolos algébricos para estudar a geometria de curvas contribuiu significativamente para o desenvolvimento da derivada, da integral e do cálculo. Por outro lado, como conclusões e resultados geométricos poderiam ser obtidos mais facilmente usando raciocínio algébrico que geométrico, os padrões de rigor lógico que tinham sido iniciados pelos gregos antigos foram relaxados em muitos problemas de cálculo, e isto (entre outros fatores) levou a controvérsias espirituosas e até amarguradas. Fermat desenvolveu um procedimento algébrico para determinar os pontos mais altos (máximos) e mais baixos (mínimos) sobre uma curva; geometricamente, ele estava encontrando os pontos onde a tangente à curva tem inclinação zero. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 3 Uma breve história do estudo da Integral O cálculo integral se originou com problemas de quadratura e cubatura. Resolver um problema de quadratura significa encontrar o valor exato da área de uma região bidimensional cuja fronteira consiste de uma ou mais curvas, ou de uma superfície tridimensional, cuja fronteira também consiste de pelo menos uma curva. Para um problema de cubatura, queremos determinar o volume exato de um sólido tridimensional limitado, pelo menos em parte, por superfícies curvas. Hoje, o uso do termo quadratura não mudou muito: matemáticos, cientistas e engenheiros comumente dizem que "reduziram um problema a uma quadratura", o que significa que tinham um problema complicado, o simplificaram de várias maneiras e agora o problema pode ser resolvido avaliando uma integral. Historicamente, Hipócrates de Chios (cerca de 440 A.C.) executou as primeiras quadraturas quando encontrou a área de certas lunas, regiões que se parecem com a lua próxima do seu quarto crescente. Antiphon (cerca de 430 A.C.) alegou que poderia "quadrar o círculo" (isto é, encontrar a área de um círculo) com uma seqüência infinita de polígonos regulares inscritos: primeiro um quadrado; segundo um octógono, a seguir um hexadecaedro, etc., etc. Seu problema era o "etc., etc.". Como a quadratura do círculo de Antiphon requeria um número infinito de polígonos, nunca poderia ser terminada. Ele teria que ter usado o conceito moderno de limite para finalizar seu processo com rigor matemático. Mas Antiphon tinha o início de uma grande idéia agora chamado de método de exaustão. Mais de 2000 anos depois, creditamos a Eudoxo (cerca de 370 A.C.) o desenvolvimento do método de exaustão: uma técnica de aproximação da área de uma região com um número crescente de polígonos, com aproximações melhorando a cada etapa e a área exata sendo obtida depois de um número infinito destas etapas; esta técnica foi modificada para atacar cubaturas também. Arquimedes (287--212 a.C.), o maior matemático da antigüidade, usou o método de exaustão para encontrar a quadratura da parábola. Arquimedes aproximou a área com um número grande de triângulos construídos engenhosamente e então usou o argumento da redução ao absurdo dupla para provar o resultado rigorosamente e evitar qualquer metafísica do infinito. Para o círculo, Arquimedes primeiro mostrou que a área depende da circunferência; isto é muito fácil de se verificar hoje em dia, uma vez que ambas as fórmulas dependem de p. Então Arquimedes aproximou a área do círculo de raio unitário usando polígonos regulares de 96 lados inscritos e circunscritos! Seu famoso resultado foi 3 10/71 < p < 3 1/7; mas como estas eram apenas aproximações, no sentido estrito, não eram quadraturas. Esta técnica refinou o método de exaustão, assim quando existe um número infinito de aproximações poligonais, chamamos de método da compressão. O processo de Arquimedes para encontrar a área de um segmento de uma espiral era comprimir esta região entre setores de círculos inscritos e circunscritos: seu método de determinar o volume de um conóide (um sólido formado pela rotação de uma parábola ao redor de seu eixo) era comprimir este sólido entre cilindros inscritos e circunscritos. Em cada caso, a etapa final que estabelecia rigorosamente o resultado era o argumento da reduçãoao absurdo duplo. No seu possivelmente mais famoso trabalho de todos, um tratado combinado de matemática e física, Arquimedes empregou indivisíveis para estimar o centro de gravidade de certas regiões bidimensionais e de certos sólidos tridimensionais. (Arquimedes reconheceu que, por um lado, seu trabalho sugeria a verdade de seus resultados, e por outro faltava um rigor lógico completo). Se considerarmos uma destas regiões sendo composta de um número infinito de retas, de comprimentos variados, então estas retas são chamadas de indivisíveis. Similarmente, quando a composição de um sólido tridimensional é pensada como um número infinito de discos circulares, de raios variados, mas com espessura zero, então estes discos são conhecidos como indivisíveis. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 4 Matemáticos muçulmanos dos séculos 9 a 13 foram grandes estudiosos de Arquimedes, mas nunca souberam da determinação de Arquimedes do volume de um conóide. Assim, um dos mais notáveis de todos matemáticos árabes, Thabit ibn Qurrah (826--901) desenvolveu sua própria cubatura, um tanto complicada, deste sólido; e então o cientista persa Abu Sahl al-Kuhi (século 10) simplificou consideravelmente o processo de Thabit. Ibn al-Haytham (965--1039), conhecido no ocidente como Alhazen e famoso por seu trabalho em ótica, usou o método de compressão para encontrar o volume do sólido formado pela rotação da parábola ao redor de uma reta perpendicular ao eixo da curva. Durante o período medieval no ocidente, progresso foi obtido aplicando as idéias de cálculo a problemas de movimento. William Heytesbury (1335), um membro do notável grupo de estudiosos do Merton College, em Oxford, foi o primeiro a vislumbrar métodos para a determinação da velocidade e a distância percorrida por um corpo supostamente sob "aceleração uniforme". Hoje, podemos obter estes resultados encontrando duas integrais indefinidas ou antiderivadas, sucessivamente. Notícias deste trabalho de Heytesbury e seus colegas de Merton alcançaram Paris posteriormente no século 14 onde Nicole Oresme (1320--1382) representou ambas a velocidade e o tempo como segmentos de reta de comprimentos variáveis. 1 - INTRODUÇÃO LIMITES A ideia de limite de uma função pode ser considerada de maneira intuitiva e de maneira formal, ambas são importantes para a compreensão desse conceito. Iniciaremos pelo conceito intuitivo e em seguida apresentaremos o conceito formal. O Conceito Intuitivo de Limite. O gráfico abaixo representa uma função. Observe-o um pouco. A observação do gráfico acima permite afirmar que: Quando tomamos valores de x bem próximos de 1 pela direita a imagem da função tem valores bem próximos de 3; Quando tomamos valores de x bem próximos de 1 pela esquerda a imagem da função tem valores bem próximos de 3; Quando tomamos valores de x próximos bem de 4 pela direita a imagem da função tem valores bem próximos de -1 ; Quando tomamos valores de x próximos bem de 4 pela esquerda a imagem da função tem valores bem próximos de 4; prof.luizaugusto@bol.com.br Página 5 Quando tomamos valores de x bem próximos de 5 pela direita a imagem da função tem valores bem próximos de 3,5; Quando tomamos valores de x próximos bem de 5 pela esquerda a imagem da função tem valores próximos bem de -1; Quando tomamos valores de x próximos bem de 0 pela direita a imagem da função decresce infinitamente; Quando tomamos valores de x próximos bem de 0 pela esquerda a imagem da cresce indefinidamente; Quando tomamos valores de x bem próximos de -2 pela direita a imagem da função tem valores bem próximos de -3; Quando tomamos valores de x bem próximos de -2 pela esquerda a imagem da função tem valores bem próximos de -3. Quando tomamos valores de x bem próximos de 1 pela direita e a função toma valores bem próximos de 3. Dizemos que x tende a 1 pela direita e que a imagem função tende a 3. Desse modo podemos afirmar que para a função representada pelo gráfico acima podemos afirmar que: Quando x tende a 1 pela direita a imagem da função tende a 3. Quando x tende a 1 pela esquerda a imagem da função tende a 3. Quando x tende a -2 pela direita a imagem da função tende a -3. Quando x tende a -2 pela esquerda a imagem da função tende a -3. Quando x tende a 5 pela direita a imagem da função tende a 3,5. Quando x tende a 5 pela esquerda a imagem da função tende a -1. Quando x tende a 4 pela direita a imagem da função tende a -1. Quando x tende a 4 pela esquerda a imagem da função tende a 4. Em linguagem mais formalizada a afirmação de que “Quando x tende a 1 pela direita a imagem da função tende a 3 .” É equivalente a afirmar que: O limite da função quando x tende a 1 pela direita é 3 . Assim, podemos afirmar que para a função representada pelo gráfico acima podemos afirmar que: O limite da função quando x tende a -2 pela direita é -3. O limite da função quando x tende a -2 pela esquerda é -3. O limite da função quando x tende a 5 pela direita é 3,5. O limite da função quando x tende a 5 pela esquerda é -1. O limite da função quando x tende a 4 pela direita é -1. O limite da função quando x tende a 4 pela direita é 4. O limite da função quando x tende a -5 pela direita é 0. O limite da função quando x tende a -5 pela direita é 0. Quando os limites de uma função à direita e a esquerda de um ponto são iguais dizemos que o limite da função no ponto existe e é o valor para o qual o valor da função tende. Quando os limites de uma função à direita e a esquerda de um ponto são diferentes dizemos que o limite da função no ponto não existe. Desse modo, temos que: prof.luizaugusto@bol.com.br Página 6 O limite da função representada pelo gráfico no ponto x = 2 é –3; O limite de função representada pelo gráfico no ponto x = -5 é 0; O limite da função representada pelo gráfico no ponto x = 1 é 3; O limite da função representada pelo gráfico no ponto x = 4 não existe; O limite da função representada pelo gráfico no ponto x = 5 é não existe. Em linguagem simbólica a afirmação: “O limite da função f(x) quando x tende a 1 pela direita é 3 .” É representada por: lim 1x f(x) = 3. Em linguagem simbólica a afirmação: “O limite da função f(x) quando x tende a 2 pela é -3.” É representada por: lim 2x f(x) = 3. Assim, temos que: lim 1x f(x) = 3. lim 5x f(x)= 0. lim 4x f(x) não existe. lim 5x f(x) não existe. Como acabamos de ver, por meio do gráfico de uma função é possível determinar o limite da mesma num x0 dado ponto por observação do comportamento da imagem função à direita e a esquerda de x0. Isso pode levar a idéia de que o conceito intuitivo de limite de uma função é suficiente. Entretanto, com o conceito intuitivo de limite não é possível se perceber resultados muito importantes acerca dos limites que são possíveis por meio de seu conceito mais formal. O Conceito formal. O conceito de limite é apresentado mais formalmente da seguinte forma. Definição: O limite de uma função f(x) quando x tende a x0 é L se e somente se para todo > 0 existir um > 0 tal que, para todo x, se 0 <x – x0<, então f(x) – L <. Em símbolos temos: Lxf xx )(lim 0 > 0 existir um > 0 tal que,x, se 0 <x –x0<, então f(x) –L<. Seja f uma função definida sobre algum intervalo aberto que contém o número a, exceto possivelmente em a. Então dizemos que o limite de f(x) quando x tende a a é L, e escrevemosSe para todo número 𝜀 > 0 há um número correspondente 𝛿 > 0 tal que | f(x) – L| 𝜀 < 0 sempre que 0 < |x – a| <𝛿 Uma vez que |x – a| é a distância de x a a e | f(x) – L| é a distância de f(x) a L, e como pode ser arbitrariamente pequeno, a definição de um limite pode ser expressa como: Significa que a distância entre f(x) e L pode ser arbitrariamente pequena tornando-se a distância de x a a suficientemente pequena(mas não 0). prof.luizaugusto@bol.com.br Página 7 Uma interpretação geométrica pode ser dada, observando o gráfico da função e notando que uma escolha de um 𝜀 > 0 menor implica um 𝛿 > 0 menor, como mostrado nas figuras 3 e 4. 1.1 - LIMITE DE UMA FUNÇÃO: Consideremos a função :f , definida por ( ) 2 1f x x . Vamos estudar o limite de ( )f x quando x tende a 1, ou seja, 1 lim ( ) x f x 2𝑥 + 1 x 0,9 0,99 0,999 0,9999 1 1,0001 1,001 1,01 1,1 ( ) 2 1f x x 2,8 2,98 2,998 2,9998 3 3,0002 3,002 3,02 3,2 1 lim ( ) 3 x f x ou 1 lim2 1 2.1 1 3 x x Faça uma conjectura sobre o valor limite: Solução. Esta função não está definida para x=0 , então, fazendo os valores de x se aproximarem de 0 , tanto pela esquerda, quanto pela direita, pode-se construir a tabela 1. Para fazer o gráfico da função, pode-se simplificar algebricamente a expressão do limite. para x≠0 , tem- se: ( )f x 5 3 1 x y 1 2 Aproximação pela direita Aproximação pela esquerda prof.luizaugusto@bol.com.br Página 8 Pode-se concluir que o gráfico da função é igual ao gráfico da função 𝑦 = 𝑥 + 1 + 1 para x≠0. Analisando os dados da tabela 1 e do gráfico dado pela figura, tem-se que: 𝑥 𝑥+1 −1 → 2 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑥 → 0 ( 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑚𝑏𝑜𝑠 𝑜𝑠 𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠) Logo, pode-se escrever: 𝐥𝐢𝐦 𝒙→𝟏 𝒙 𝒙 + 𝟏 − 𝟏 = 𝟐 Exemplo Resolvido Prove que existe o limite Inicialmente, devemos achar um 𝜹 tal que 4𝑥 − 5 − 7 < 𝜀 𝑠𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 0 < 𝑥 − 3 < 𝛿 Temos que 4𝑥 − 5 − 7 = 4𝑥 − 12 = 4 𝑥 − 3 = 4 𝑥 − 3 , então queremos 4 𝑥 − 3 < 𝜀 𝑠𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 0 < 𝑥 − 3 < 𝛿 ou, 𝑥 − 3 < 𝜀 4 𝑠𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 0 < 𝑥 − 3 < 𝛿 Então podemos escolher 𝛿 = 𝜀 4 Agora, devemos mostrar que a escolha de 𝛿 funciona. Se 0 < 𝑥 − 3 < 𝛿 , então 4𝑥 − 5 − 7 = 4 𝑥 − 3 < 4 𝛿 = 𝛿 Ou seja , 4𝑥 − 5 − 7 < 𝜀 𝑠𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 0 < 𝑥 − 3 < 𝛿 Portanto, pela definição de limite, Graficamente, temos a ilustração do exemplo na figura 5. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 9 Questões Resolvidas Usando a definição de limite demonstre: 1) x 2 lim(2 5x) 8 2) 2 x 2 2x 2x 12 lim 10 x 2 3) x 3 lim(4 2x) 2 f (x) L 2 5x ( 8) 2 5x 8 10 5x 5(2 x) 5. (2 x) (2 x) 5 (x 2) 5 x 2 5 (Ida) o x x x 2 5 x 2 5 5. (x 2) 5x 10 (10 5x) (10 5x) (2 5x) ( 8) f (x) L (Volta) 2 f (x) L 2x 2x 12 10 (x 2) 2(x 3)(x 2) 10 (x 2) 2(x 3) 10 2x 6 10 2x 4 2(x 2) 2 x 2 x 2 2 (Ida) ox x x 2 2 2 x 2 2 2. (x 2) 2(x 2) 2x 4) 2x 6 10 (2x 6) 10 2(x 3)(x 2) 10 (x 2) 2x 2x 12 10 (x 2) f (x) L (Volta) f (x) L 4 2x ( 2) 2x 4 2 6 2x 2.( x 3) ( x 3) 2 (x 3) 2 x 3 2 ox x x 3 x 3 2 (x 3) 2 2.( x 3) 2x 6 2x 4 2 (4x 2x) ( 2) f (x) L prof.luizaugusto@bol.com.br Página 10 Questões Propostas Usando a definição de limite demonstre: 1) x 2 lim(4x 1) 7 2) x 4 lim(5 2x) 3 3) x 1 lim(5x 8) 3 4) x 1 lim(4x 5) 9 S OPERATÓRIAS DE LIMITES: 1) a a) 66Lim 2x b) 1111 Lim 4x c) 88 Lim 2x d) 44 Lim 0x e) 99 Lim 5x f) 1212 Lim 6x 2) Limite da soma: )( Lim)( Lim])()([ Lim 000 xxx xgxfxgxf xxx Exemplos: a) 122424x Lim Lim4x)( Lim 2 2x 2 2x 2 2x xx b) 1 Lim3x Lim4xLim5 Lim1)3x4x5( Lim 2x2x 2 2x 3 2x 23 2x xx 6312324251)3x4x5( Lim 2323 2x x c) 713143x Lim4xLim3x)4x( Lim 2 1x 2 1x 2 1x d) 83153 Lim5xLim3)5x( Lim 2 1x 2 1x 2 1x e) 4828228x Lim2xLim8x)2x( Lim 4 2x 4 2x 4 2x 3) Limite da diferença: )( Lim)( Lim])()([ Lim 000 xxx xgxfxgxf xxx Exemplos: a) 42424x Lim Lim4x)( Lim 2 2x 2 2x 2 2x xx b) 1 Lim3x Lim4xLim5 Lim1)3x4x-5( Lim 2x2x 2 2x 3 2x 23 2x xx 2512324251)3x4x5( Lim 2323 2x x c) 113143x Lim4xLim3x)4x( Lim 2 1x 2 1x 2 1x d) 23153 Lim5xLim3)5x( Lim 2 1x 2 1x 2 1x e) 3228228x Lim2xLim8x)2x( Lim 4 2x 4 2x 4 2x 4) Limite do produto: )( Lim)( Lim])()([ Lim 000 xxx xgxfxgxf xxx Exemplos: prof.luizaugusto@bol.com.br Página 11 a) 48412)22(232x Lim3 Limx)23( Lim 2 2x 2 2x 2 2x xx b) 6488)24(24x Lim Lim4x)( Lim 3 2x 3 2x 3 2x xx c) 62525125)55()5(55x Lim5 Lim5x)5( Lim 5 5x 5 5x 5 5x xx d) 1280516165)44(45 Lim4x Lim Lim5)x4( Lim 2 4x4x 2 4x 2 4x xx e) 15)13(1153x Lim xLim5Lim3x)x5( Lim 23 1x 2 1x 3 1x 23 1x xx 5) Limite do quociente: )(Lim )(Lim )( )( Lim 0 0 0 x x x xg xf xg xf x x x , com 0)(Lim 0x xg x Exemplos: a) 3 4 12 2 1xLim Lim 1x Lim 2 2x 2 2x 2 2x x x b) 7 8 52 2 5xLim Lim 5x Lim 3 2x 3 2x 3 2x x x c) 11 1 12.5 1 15xLim Lim 15x Lim 2 1x 2 1x 2 1x x x d) 2 1 6 3 15 9 1xLim 4Lim 1x 4 Lim 5x 5x 5x xx e) 6 4 24 4 5154 1xLim 5513Lim 1x 5513 Lim 3x 3x 3x xx xx 6) Limite da potência: 1lim ( ) lim ( ) o o n n n x x x x f x f x L Exemplo: 82 Lim Lim 3 3 2x 3 2x xx a) 82 Lim Lim 3 3 2x 3 2x xx b) 813 Lim Lim 4 4 3x 4 3x xx c) 2166 )9( Lim )9( Lim 3 3 3x 3 3x xx prof.luizaugusto@bol.com.br Página 12 d) 648 )9( Lim )9( Lim 2 2 1x 2 1x xx b) 5125 5 Lim )5( Lim 3 1 3 1 25x 6 2 25x xx Exercícios Propostos Usando as propriedades operatórias de limite calcular: 1) 1)2( Lim 3x x 2) 1)2(x Lim 2 2--x x 3) 9)37x(x Lim 23 3x x 4) 22 4x )2(x Lim x 5) 3 2 3x x 2x Lim 6) 16x Lim 2 4x 7) 2 4x )9( Lim x 8) 5 2x )16( Lim x 9) 3 5x )8( Lim x 10) 2 x 3 (x 4x 12) lim (7 x) (x 2) 11) 23 2 2x 4 x 3x 2x 5 lim 2x 9x 2 𝑹𝒆𝒔𝒑𝒐𝒔𝒕𝒂𝒔: 1) 5 2) − 5 3) − 541 4) 3136 5) 7 27 6) 0 7) 25 8) 2 9) − 27 10) − 1 11) 9 4 1.3 - LIMITES LATERAIS Definição (1): Seja f uma função definida em um intervalo aberto ] , [a b . O limite de ( )f x , quando x se aproxima de a pela direita, seja L e escrevemos lim ( ) x a f x L , se para todo 0 , existe 0 , tal que 0 x a , então ( )f x L , portanto: lim ( ) 0, δ 0 / 0 ( ) x a f x L x a f x L prof.luizaugusto@bol.com.br Página 13 Definição (2): Seja f uma função definida em um intervalo aberto ] , [a b . O limite de ( )f x , quando x se aproxima de a pela direita, seja L e escrevemos lim ( ) x a f x L , se para todo 0 , existe 0 , tal que 0x a , então ( )f x L , portanto: lim ( ) 0, δ 0 | 0 ( ) x a f x L x a f x L Questões propostas 01) Calcule os limites indicados, se existirem; se o(os) limite(s) não existir(em), especifique a razão. 1) 3 2 se 1 ( ) 2 se 1 4 1 se 1 x x f x x x x a) 1 lim ( ) x f x = 1 b) 1 lim ( ) x f x = 5 c) 1 lim ( ) x f x = 2) 3 2 se 1 ( ) 4 se 1 x x f x x x a) 1 lim ( ) x f x = 5 b) 1 lim ( ) x f x = 5 c) 1 lim ( ) x f x = 5 3) 2 3x + 2 se 3 ( ) 8 2 se 3 x x f x x x a) 3 lim ( ) x f x = 2 b) 3 lim ( ) x f x = 2 c) 3 lim ( ) x f x = 2 4) 2 2 2 3 1 se 2 ( ) 1 se 2 6 7 se 2 x x x f x x x x x 0 0 ( ) logo: lim ( ) x a x a x a x a x a f x L f x L ( )f x x y a L D E prof.luizaugusto@bol.com.br Página 14 a) 2 lim ( ) x f x = 1 b) 2 lim ( ) x f x = 1 c) 2 lim ( ) x f x = 1 5) x + 1 se 0 4 ( ) 1 se 0 1 x f x x x a) 0 lim ( ) x f x = 1 b) 0 lim ( ) x f x = 1 4 c) 0 lim ( ) x f x = 6) 2 3 +4 se 2 ( ) se 2 x x f x x x a) 2 lim ( ) x f x = 2 b) 2 lim ( ) x f x = 8 c) 2 lim ( ) x f x = 1.4 - CONTINUIDADE: Funções continuas são as funções que usamos para achar o ponto em que um planeta mais próximos do Sol ou pico de concentração de anticorpos no plasma sanguíneo. Elas também são as funções que usamos para descrever como um corpo se move através do espaço ou como a velocidade de uma reação química varia com o tempo. Na verdade, tantos processos físicos ocorrem de modo contínuo que durante os séculos XVIII e XIX raramente se pensou em pesquisar qualquer outro tipo de comportamento. Foi uma surpresa quando os físicos de 1920 descobriram que a luz vem em partículas e que os átomos aquecidos emitem luz vem em partículas em freqüências distintas. Como conseqüência dessas e de outras descobertas e em função do grande uso de funções descontínuas na ciência da computação, na estatística e em modelos matemáticos, o tema da continuidade se tornou importante tanto prática como teoricamente. Gráfico de uma função continua) Uma função f é dita continua em ( )ox , se as três condições a seguir são satisfeitas: 1) ( )of x está definida e existe. 2) lim ( ) ox x f x existe. 3) lim ( ) ( ) o o x x f x f x . y x prof.luizaugusto@bol.com.br Página 15 Demonstração: lim ( ) ( ) o o x x f x f x . )()()()( oo xfxfxfxf Multiplicando e dividindo o 2º membro por )( oxx )( )( ).()()()( o o oo xx xx xfxfxfxf ).( )( )()( )()( o o o o xx xx xfxf xfxf Aplicando a definição de lim ox x , obtemos: )(lim. )()( lim)]()([lim o xx o o xx o xx xx xx xfxf xfxf ooo lim ( ) ( ) 0 lim ( ) ( ) o o o x x o x x f x f x f x f x Observações: Uma função é dita contínua e m um intervalo ( , )a b se é contínua em todos os pontos do intervalo; Uma função que é contínua em toda a reta real ( , ) é dita contínua em toda a parte; Uma função ( )f x é dita descontínua em ox se f está definida em um intervalo aberto contendo ox (com a possível exceção do ox ), e ( )f x não é contínua em ox ; As descontinuidades podem ser de dois tipos: removível e não removível (ou essencial); Uma descontinuidade em ox x é dita removível quando redefinimos o domínio ( )f x apropriadamente; A descontinuidade é dita de 1ª espécie se os limites laterais existem e são diferentes; A descontinuidade é dita de 2ª espécie quando não existem os limites laterais. Quando o ponto for a ou b consideramos apenas o limite lateral correspondente. Os seguintes tipos de funções são continuas em cada pontos de seus domínios: Funções polinomiais; Funções racionais; Funções raiz ( ny x , onde n é um inteiro positivo maior que 1); y x ox 0 y x | ox 0 y x | ox 0 , ( )o ox f x 1) ( )of x não é definida. 2) lim ox x não existe. 3) lim ( ) ( ) o o x x f x f x prof.luizaugusto@bol.com.br Página 16 Funções trigonométricas diretas; Funções trigonométricasinversas; Funções exponenciais; Funções logarítmicas. Como as funções continuas podem aparecer como combinações algébricas de funções continuas, são continuas em qualquer lugar onde elas sejam definidas: 1.4 - Propriedades operatórias das funções continuas: (1) Teorema: Se f e g são funções continuas em a, então são continuas em a as funções f + g, f – g, f g e f g , neste último caso, desde que g(a) 0 . Demonstrações: 1) Como f e g são continuas em a, pela definição temos: lim ( ) ( ) x a f x f a e lim ( ) ( ) x a g x g a . Para provarmos que f + g é contínua em a devemos provar a igualdade lim( )( ) ( )( ) x a f g x f g a . De fato: lim( )( ) lim ( ) ( ) lim ( ) lim ( ) ( ) ( ) ( )( ) lim( )( ) ( )( ) x a x a x a x a x a f g x f x g x f x g x f a g a f g a f g x f g a 2) Como f e g são continuas em a, pela definição temos: lim ( ) ( ) x a f x f a e lim ( ) ( ) x a g x g a . Para provarmos que f - g é contínua em a devemos provar a igualdade lim( )( ) ( )( ) x a f g x f g a . De fato: lim( )( ) lim ( ) ( ) lim ( ) lim ( ) ( ) ( ) ( )( ) lim( )( ) ( )( ) x a x a x a x a x a f g x f x g x f x g x f a g a f g a f g x f g a 3) Como f e g são continuas em a, pela definição temos: lim ( ) ( ) x a f x f a e lim ( ) ( ) x a g x g a Para provarmos que f g é contínua em a devemos provar a igualdade lim( )( ) ( )( ) x a f g x f g a De fato: lim( )( ) lim ( ) ( ) lim ( ) lim ( ) ( ) ( ) ( )( ) lim( )( ) ( )( ) x a x a x a x a x a f g x f x g x f x g x f a g a f g a f g x f g a prof.luizaugusto@bol.com.br Página 17 4) Como f e g são continuas em a, pela definição temos: lim ( ) ( ) x a f x f a e lim ( ) ( ) x a g x g a . Para provarmos que f g é contínua em a devemos provar a igualdade lim ( ) ( ) x a f f x a g g . De fato: lim ( ) ( ) lim ( ) lim ( ) lim ( ) ( ) lim ( ) ( ) x a x a x a x a x a f xf f f a f x a g g g x g a g f f x a g g (2) Teorema: Se lim ( ) x a g x b e se f é uma função continua em b, então lim( )( ) ( ) x a fog x f b , isto é, lim( )( ) (lim ( )) x a x a fog x f g x . Demonstração: O teorema ficará demonstrado se provamos que: 0, 0 | 0 ( )( ) ( )x a fog x f b . Sabemos que f é continua em b, isto é lim ( ) ( ) y b f y f b , portanto, 1 10, 0 | 0 ( ) ( )y b f y f b (I) Por outro lado, lim ( ) x a g x b , isto é, 1 10, 0 | 0 ( )x a g x b (II) Se substituirmos y por g(x) em (I), teremos: 1 10, 0 | 0 ( ) ( ( )) ( )g x b f g x f b (III) Com base nas afirmações obtidas em (I) e (II), obtemos: 10, 0 | 0 ( ) ( ( )) ( ) ( )( ) ( )g x b f g x f b fog x f b Observações: Este teorema continua válido se o símbolo “ x a ” for substituído por “ x a ” e “ x a ”. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 18 (3) Teorema: Se a função g é continua em a e a função f é continua em g(a) então a função composta fog é continua em a. Demonstração: Considerando que g é continua em a, isto é, lim ( ) ( ) x a g x g a e f é continua em g(a), pelo (2) teorema temos: lim(fog)(x) lim (g(x)) (lim(g(x)) ( ( )) (fog)( ) x a x a x a f f f g a a , o que prova que fog é continua em a. Questões Resolvidas 01) Verifique se as funções f são contínuas no ponto especificado: 1) 3 se 0 ( ) no ponto 0 2 se 0 x f x x x 1ª Condição: (0) 3f Portanto a função não é contínua no ponto x = 0. 2) 2x 4 se 2 ( ) no ponto 22 4 se 2 x f x xx x 1ª Condição: ( 2) 4f 2ª Condição: 2 2 2 2 ( 2). ( 2)4 lim ( ) lim lim 2x x x x xx f x x ( 2)x 2 2 2 2 2 lim ( 2) ( 2 2) 4 ( 2). ( 2)4 lim ( ) lim lim 2 x x x x x x xx f x x ( 2)x 2 lim ( 2) ( 2 2) 4 x x 3ª Condição: 2 lim ( ) ( 2) x f x f 2ª Condição 0 0 0 0 0 lim ( ) lim 3 3 lim ( ) lim ( ) lim 2 2 x x x x x f x f x f x 3ª Condição 0 (0) lim ( ) x f f x Pontos Diferentes 2 3 prof.luizaugusto@bol.com.br Página 19 Portanto a função não é contínua no ponto x = 2. 3) 3 10 se 4 ( ) 2 se 4 no ponto 4 10 2 se 4 x x f x x x x x 1ª Condição: (4) 2f 2ª Condição: 4 4 4 4 4 lim ( ) lim(3 10) (3.4 10) (12 10) 2 lim ( ) 2 lim ( ) lim(10 2 ) (10 2.4) (10 8) 2 x x x x x f x x f x f x x 3ª Condição: 4 (4) lim ( ) 2 x f f x Portanto a função é contínua no ponto 4x . 4) 2 2 2 3 2 se 1 ( ) 2 se 1 no ponto 1 2 se 1 x x x f x x x x x 1ª Condição: (1) 2f 2ª Condição: 1 lim ( ) 1 x f x 3ª Condição: 1 (1) lim ( ) x f f x Portanto a função não é contínua no ponto 1x . 05) Determine a em cada função abaixo, para que a função seja contínua no ponto especificado: 1) tg x se 0 ( ) no ponto 0sen 2x cos a se 0 x f x x x | 4 E D | 1 E D | 0 E D prof.luizaugusto@bol.com.br Página 20 1ª Condição: (0) cosf a 2ª Condição: 0 0 0 coslim lim lim 2 2. .cosx x x sen x sen xtgx x sen x sen x x 1 cos 2.x sen x 220 0 2 2 1 1 lim lim 2.cos.cos 2. cos 1 1 1 22. cos0 2. 1 x xxx x 3ª Condição: 0 1 (0) lim ( ) cos cos cos 2 , 2 3 3x f f x a a a k k 06) 3 2. 2 se 1 ( ) no ponto 1 . 8 se 1 a x x f x x a x x 1ª Condição: (1) . 8 8 (1) 8f a x a f a 2ª Condição: 3 2 1 1 lim . 8 lim . 2 x x a x a x 3 3 3 2 2 8 2 2 8 0 6 0 ( 2).( 2 3) 0 ( 2) 0 2 2 3 0 4 12 a a a a a a a a a a a a a a 3) 2 2 se 0 ( ) se 0 se 0 2 2 x x f x a x x x a 1ª Condição: (0)f a 3 a 3 6 2 a a a 2 2 2 2 2 3 2 a a a a 2 6 2 a a 43 a a 6 3a 6 0 prof.luizaugusto@bol.com.br Página 21 2ª Condição: 22 2 2 2 2 2 0 0 2 2 2 2 2 ( 2 2) 2 2 2 2 2 2 2 2 4.2( 2) ( 2) (2 2) ( 8).( 2 2) .( 2 2) lim ( 8).( 2 2) lim .( 2 2) ( 8).( 0 2 2) 0.( 2 2) ( 8).(2 2) 0 0 ( 8) 8 0 8 (2 2) 2.4 como o de x x x a x a x ax a a x x a a x x a a a a a a a a monimador nao pode ser igual a zero logo o sinal + e descartado ficando o - . 2 2a 07) 2 se 4 ( ) no ponto 44 3 se 4 x x f x xx x a x 1ª Condição: (4) 3f x a 2ª Condição: 2 2 4 4 4 2 42 2 lim lim lim 4 2 4 2x x x x xx x x x x x 1 4x 4 1 lim 2 2 1 1 1 2 2 44 2 xx x 3ª Condição: 4 lim 3 3.4 12 x x a a a logo igualando obtemos 1 1 1 48 47 12 12 4 4 4 4 a a a a 07) 2 2 2 se 0 ( ) no ponto 0 3 4 se 0 x x f x xx x x a x 0 0 lim lim 2 2 2 2x x x x x a x ( 2 2) 2 2 ( 2 2) x x x x .( 2 2) 2 2.( 2 2) a a a prof.luizaugusto@bol.com.br Página 22 1ª Condição: 2(0) 3 4f x x a 2ª Condição: 2 2 0 0 0 2 22 2 2 2 lim lim lim 2 2 2 2x x x xx x x x x x x 2 2 1 x 0 1 lim 2 22 2 1 1 2 2 2 2.2 42 2 2 2 2 x xx 3ª Condição: 2 2 0 lim3 4 3.0 4.0 x x x a a a 2 4 a 08) 2 3 15 se 5 ( ) no ponto 55 se 5 x x x f x xx a x 1ª Condição: (5)f a 2ª Condição: 2 5 5 ( 5)3 15 lim lim 5x x xx x x ( 3) 5 x x 5 lim( 3) 5 3 2 x x 3ª Condição: 5 (5) lim ( ) 2 x f f x a 7) 2 16 se 4 ( ) no ponto 44 se 4 x x f x xx a x 1ª Condição: (4)f a 2ª Condição: 2 x 2 8 15 5 x x x 5 3 3 x x x +15 3x 15 2 0 8 15 ( 5).( 3)x x x x prof.luizaugusto@bol.com.br Página 23 2 4 4 ( 4)16 lim lim 4x x xx x ( 4) 4 x x 4 lim( 4) 4 4 8 x x 3ª Condição: 4 (4) lim ( ) 8 x f f x a 09) Calcular os valores a e b para que a função f tenha limite no ponto x = 0: 1) 3x + a se 0 ( ) 7x - b se 0 x f x x 0 0 0 0 0 0 lim ( ) lim 3 a a lim ( ) lim ( ) a b lim ( ) lim 7 b b x x x x x x f x x f x f x f x x Questões Propostas 01) Verifique se a função f é continua no ponto especificado: a) se 0 ( ) no ponto 0 1 se 0 sen x x f x xx x R: Continua b) 1 cos se 0 ( ) no ponto 0 0 se 0 x x f x xx x R: Continua c) 1 cos x se 0 sen x( ) no ponto 0 1 se 0 x f x x x R: Descontinua d) x sen x se 0 x sen x( ) no ponto 0 1 se 0 x f x x x R: Descontinua prof.luizaugusto@bol.com.br Página 24 f) 2 3 2 x + x + 1 se 1 ( ) 2 cos(πx) se -1 x 1 no ponto 1 x + 2x - x se 1 x f x x x R: Continua 02) Determine a em cada função abaixo, para que a função seja contínua no ponto especificado: a) 3 8 se 2 ( ) no ponto 22 se 2 x x f x xx a x R: 12 b) 3 se 3 ( ) no ponto 33 se 3 x x f x xx a x R: 1 2 3 c) 3 se 5 ( ) no ponto 55 10 se 5 x x f x xx a x R: 2 d) 2 2 3 5 2 se 2 ( ) no ponto 22 3 se 2 x x x f x xx ax x x R: - 4 4.1 - LIMITES INFINITOS Definição (1): Seja f uma função e suponhamos que exista a tal que ] , [ ( )a D f . Definimos: 1) lim ( ) 0, 0, com 0, tal que ( ) x f x L x f x 2) lim ( ) 0, 0, com 0, tal que ( ) x f x L x f x Definição (2): Seja f uma função, a um número real e suponhamos que exista b , tal que ] , [ ( )a b D f . Definimos: prof.luizaugusto@bol.com.br Página 25 lim ( ) 0, δ 0, com , tal que ( ) x a f x a b a x a f x Fazendo algumas modificações podem ser definidas também: 1) lim ( ) x a f x 4) lim ( ) x a f x 7) lim ( ) x a f x a 2) lim ( ) x f x 5) lim ( ) x a f x 3) lim ( ) x f x 6) lim ( ) x a f x Teorema: Sejam f e g funções tais que lim ( ) c 0 x a f x e lim ( ) 0 x a g x . Então. I) f(x) f(x) lim se 0 g(x) g(x)x a quando x está próximo de a. II) f(x) f(x) lim se 0 g(x) g(x)x a quando x está próximo de a. Este teorema continua válido se substituirmos ( )x a for substituído por ( )x a ou ( )x a . Teoremas: 1) lim ( ) lim ( ) ( ) lim ( ) lim ( ). ( ) x x x x f x f x g x g x f x g x 2) lim ( ) , real lim ( ). ( ) , se 0 lim ( ) lim ( ). ( ) , se 0 x x x x f x L L f x g x L g x f x g x L 3) lim ( ) lim ( ). ( ) lim ( ) x x x f x f x g x g x 4) lim ( ) , real lim ( ) ( ) lim ( ) x x x f x L L f x g x g x ( )f x x y xa a b prof.luizaugusto@bol.com.br Página 26 5) lim ( ) , real lim ( ) ( ) lim ( ) x x x f x L L f x g x g x 6) lim ( ) lim ( ) ( ) lim ( ) lim ( ) ( ) x x x x f x f x g x g x f x g x 7) lim ( ) , real lim ( ) ( ) , se 0 lim ( ) lim ( ) ( ) , se 0 x x x x f x L L f x g x L g x f x g x L Os teoremas acima continua válido se substituirmos ( )x por ()x ou por ( )x a ou por ( )x a ou por ( )x a . Observação: O teorema acima mostra como operar com os símbolos e : 1) ( ) 4) ( ) , se 0L L 2) ( ) 5) ( ) , se 0L L 3) ( ) , se 0L L 6) ( ) , se 0L L Em muitas situações os limites laterais não existem devido ao fato de os valores da função crescer ou decrescer indefinidamente. Por exemplo,analisando o comportamento da função 𝒇 𝒙 = 𝟏 𝒙 nas proximidades de x = 0 , pode-se construir a tabela 2. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 27 Analisando os dados apresentados na tabela 2 e através da figura que mostra o gráfico da função fica evidente o seguinte: à medida que x fica mais próximo de 0 pela esquerda, os valores de 𝒇 𝒙 = 𝟏 𝒙 são negativos e decrescem indefinidamente e à medida que x fica mais próximo de 0 pela direita, os valores de 𝒇 𝒙 = 𝟏 𝒙 são positivos e crescem indefinidamente. Logo o comportamento da função 𝒇 𝒙 = 𝟏 𝒙 nas proximidades de 0, pode ser resumido da seguinte forma: 1 𝑥 → − ∞ 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑥 → 0− 𝑒 1 𝑥 → + ∞𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑥 → 0+ daí tem-se: 𝐥𝐢𝐦𝒙→𝒑− 𝟏 𝒙 = −∞ 𝒆 𝐥𝐢𝐦𝒙→𝒑+ 𝟏 𝒙 = +∞ Definição 3. Uma reta x= p é chamada de assíntota vertical do gráfico de uma função f (x) se f (x) tende a +∞ ou −∞, quando x tende a p pela esquerda ou pela direita. Às vezes se está interessado em saber o comportamento da função não em torno de um ponto específico p , e sim quando a variável x cresce ou decresce indefinidamente. Isto é chamado de comportamento final da função,pois descreve como a função se comporta para valores de x que estão longe da origem.Novamente considera-se a função 𝒇 𝒙 = 𝟏 𝒙 , mas agora para valores de x que estão bem distantes da origem. Fazendo x crescer e decrescer sem limitação, pode-se construir a tabela 3. Definição 4. Se os valores de f (x) subseqüentemente ficam cada vez mais próximos de um número L , à medida que x cresce sem limitação; ou seja: f (x)→ L quando 𝑥 → +∞ , então escreve-se: lim𝑥→+∞ 𝑓 𝑥 = 𝐿 Definição 5. Se os valores de f (x) subseqüentemente ficam cada vez mais próximos de um número L , à medida que x decresce sem limitação; ou seja: f (x)→ L quando 𝑥 → −∞ , então escreve-se: lim𝑥→−∞ 𝑓 𝑥 = 𝐿 Logo, podem-se descrever os comportamentos limitantes da função 𝒇 𝒙 = 𝟏 𝒙 da seguinte forma: 𝐥𝐢𝐦 𝒙→−∞ 𝟏 𝒙 = 𝟎 𝒆 𝐥𝐢𝐦 𝒙→+∞ 𝟏 𝒙 = 𝟎 4.2 - LIMITES NO INFINITO Teorema: I) Se c , então lim c c x II) Se n é um número inteiro e positivo, então: i) nlim x + x ii) n + se n é par lim x - se n é imparx prof.luizaugusto@bol.com.br Página 28 III) Se n é um número inteiro e positivo, então: n 1 lim 0 xx IV) Se f(x) = 2 n 0 1 2 na a x a x a x e na 0 é uma função polinomial então: i) n nlim ( ) lim (a x ) x x f x ii) n nlim ( ) lim (a x ) x x f x V) Se 2 n 0 1 2 n n 2 m 0 1 2 m m f(x) = a a x a x a x e a 0 g(x) = b b x b x b x e b 0 , são funções polinomiais então: i) n - mn m af(x) lim lim x g(x) bx x ii) n - mn m af(x) lim lim x g(x) bx x Questões resolvidas 1) Calcule os limites das funções abaixo: 1) 2 31 4 3 lim ( 1)x x x x ( 1)x 3 .( 3) ( 1) x x 2 3 ( 1) 3 0 3 1 x x x x x 2) 21 3 2 lim ( 1)x x x 3 2 0 2 3 1 x x x 3) 0 45 3 lim 3 1 x x x x 4 0 0 x x 4) 3 1 lim 3x x x 3 1 1 E D 2 3 1 1 E D 0 D 0 0 I II 3 3 E 1 prof.luizaugusto@bol.com.br Página 29 5) 6 4 2 2 3 2 1 lim 8 5x x x x x x 6) 2 22 2 2 2 ( 1 ( 1 1)1) lim ( 1 1)x x x x x x x x x x x x x 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 ( 1) ( 1) 1 ( 1) lim lim 1 1 1 11 1 1 1 . 1 . 1. 1 . 1 lim x x x x x x x x x x x x xx x x x x xx x x x x 21x x 2 2 2 2 1 2 2 lim 1 1 1 1 1 1 1 1 . 1 . 1 . 1 1 . lim x x x x x x x x x x x x x x x x 2 . x x x 2 2 2 lim 1 1 1 1 1 1 x x x x x x x 1 1 x 2 1 x 1 1 x 2 1 x 2 2 2 1 1 1 21 1 7) lim x x x x = 1 1 lim 1 lim . 1 x x x x x x x 1 . 1 x .1.1 8) 2 2 2( ).( 3 4 ) ( 3 4 3 4 l ) im x x x x x x x x x x I 1 0 1 x x II 3 0 3 x x Toda vez que a tendência do limite for ou , será necessário colocar em evidência o maior expoente do polinômio envolvido na operação. 6 4 6 2 2 2 5 5 2 6 2 3 2 1 8 5 2 3 2 1 . 2 8 5 . 1 3 . 2 lim x x x x x x x x x x x x x x x 5 2 x 5 1 x 2 8. 1x x 2 5 x 4 4lim .2 ( ) .2 x x 0 0 0 00 0 0 0 0 0 prof.luizaugusto@bol.com.br Página 30 2 2 2 2 2 ( 3 4) ( ) lim lim 3 4x x x x x x x x x 23 4x x 2 2 2 2 4 . 3 lim 3 4 3 4 1 . 1 4 . 3 . lim lim 3 4 . 1 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 4 3 . x x 2 4 3 lim 3 4 1 1 x x x x 3 1 x 2 4 x 1 3 3 3 lim 1 1 01 1x 2 2 2 2 2 ( 3 4) ( ) lim lim 3 4x x x x x x x x x 23 4x x 2 2 2 2 4 . 3 lim 3 4 3 4 1 . 1 4 . 3 . lim lim 3 4 . 1 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 4 3 . x x 2 4 3 lim 3 4 1 1 x x x x 3 1 x 2 4 x 1 3 3 3 lim 1 1 01 1x Exercícios Resolvidos a) a) l im x x 7 0 b) l im x x 3 1 0 3 c) 0 1 x 1 Lim 22x d) 4 432 4234 3lim 1112 3lim123lim x xxxx xxxxx xxx e) 1 3 lim 21 x x x Para sabermos o sinal da resposta com x tendendo a 1 pela direita, podemos fazer x=1,1 e verificar qual é o sinal da função. f(x) = 0 11,1 1,13 1 3 22 x x Se a função é positiva para x =1,1, o limite tende a +. 0 0 0 prof.luizaugusto@bol.com.br Página 31 f) 1 3 lim 21 x x x Fazendo x = 0,9, temos: f(x) = 0 19,0 9,03 2 , logo, o limite tende a . g) 0 7 lim xx h) 0 1 3 lim 3 xx 0 1 0 14 1 3121 lim 14 32 lim 14 32 lim) 74 7652 77 3 7 7 777 2 7 5 37 25 xx xxxx xx x x x xx x x x x x xx xxx i x xx j) 43 4 2 5 21 1 1 lim 2 lim xx x xx xx xx Exercícios propostos a) 253lim 2 xx x b) 12 13 lim 2 3 xx xx x c) 12 13 lim 2 23 x xx x d) 13 32 lim 2 2 xx xx x e) 13 lim 2 xx x x f) 3 2 5lim xx g) 23 1 lim 2 x x x h) 234 125 lim 4 4 xx xx x i) 32 12 lim 4 3 xx x x prof.luizaugusto@bol.com.br Página 32 j) 3 2 3 lim x x x 𝑹𝒆𝒔𝒑𝒐𝒔𝒕𝒂𝒔:𝑎)∞𝑏)∞𝑐)∞𝑑)∞𝑒) 1 3 𝑓) 0 𝑔) 5 3 ) 1 3 𝑖) 5 4 𝑗) 0 𝑙) 0 1.4 CASOS EM QUE O NUMERADOR E O DENOMINADOR TENDEM A ZERO Exercícios resolvidos a) 2lim 2 )2( lim 2 2 lim 22 2 2 x x xx x xx xxx b) 2 1 11 1 lim 11 11 lim 11 1111 lim 11 lim 00 00 xxx x xx xx x x xx xx c) 3 0 ( 1 1) lim x x x 3 3 2 2 3 3 2 2 33 ( ) ( ).( . ) . ( 1 a b a b a a b b a b a b a a b b a x 3) 3 3 1 (1) 1 1 x b x 1 2 23 3 2 33 0 ( 1) ( 1).(1) 1 ( 1) 1 1 lim x x x x x x x 2 33 ( 1) 1 1x x x 3 32 20 3 33 3 1 1 1 1 1 lim 1 1 1 31 1 1( 1) 1 1 (0 1) 0 1 1x x x d) 31 1 lim 2 3 1x x x 3 3 33 3 3 3 ( 2 3) 2 3 (1) 1 a x a x b b 0 0 0 0 3 3 2 2 2 2 23 3 33 3 3 2 3 1 2 2 2.( 1) . (2 3) 2 3.1 1 (2 3) 2 3 1 (2 3) 2 3 1 a b x x x a b a a b b x x x x x x I prof.luizaugusto@bol.com.br Página 33 21 133 1 2.( 1) lim lim ( 1) (2 3) 2 3 1x x x x x x x 2 33 (2 3) 2 3 1 . 2. ( 1) x x x 2 33 1 2 2 3 3 33 33 (2 3) 2 3 1 lim 2 (2.( 1) 3) 2.( 1) 3 1 ( 2 3) 2 3 1 1 1 1 1 1 1 3 2 2 2 2 2 x x x Exercícios propostos 1) 2 2 23 4 292 523 lim xx xxx x 5) 113 2653 lim 3 2 3 1 xx xx x 2) 2 124 7lim 2 3 x xx x x 6) bxb x x 0 lim 3) lim x a x x a a x a 7) tttt 1 1 1 lim 0 4) 23 352 lim 23 2 1 xx xx x 8) 1 27 lim 3 1 x x x 9) 3 96 lim 2 3 x xx x 10) 1 123 lim 2 1 x xx x 11) 25 2510 lim 2 2 5 x xx x 12) 9 81 lim 2 4 3 x x x 13) 1 12 lim 2 2 1 x xx x 14) 1 43 lim 2 2 1 x xx x 15) 4 6 lim 2 3 2 x xx x Respostas: 1) 4 9 2) -1 3) 3a 4) 3 1 5) -3 6) b2 7) 2 1 8) 12 1 9) 0 10) 4 11) 0 12) 18 13) 0 14) 5/2 15) 5/4 1.5 LIMITES FUNDAMENTAIS Objetivos: Apresentar o limite exponencial fundamental; Apresentar o limite fundamental trigonométrico; Calcular limites envolvendo o limite exponencial fundamental; Calcular limites envolvendo o limite fundamental trigonométrico. Introdução Vejamos a seguinte situação-problema! prof.luizaugusto@bol.com.br Página 34 Como cresceria um depósito bancário ao longo do tempo se os juros, ao invés de serem creditados anualmente ou semestralmente, o fossem em intervalos de tempos cada vez menores, até que os acréscimos pudessem ser considerados instantâneos e sobre eles, imediatamente incidissem as mesmas taxas de juros? Este problema foi proposto por Jacques Bernoulli, matemático suíço, no século XVII. A resolução do problema levou a necessidade de calcular o seguinte limite n n n Lim 1 1 . Vejamos alguns valores de n n 1 1 ! Para n = 10 temos que n n 1 1 = 2.59374246010000 Para n = 100 temos que n n 1 1 = 2.70481382942153 Para n = 1000 temos que n n 1 1 = 2.71692393223559 Para n = 10000 temos que n n 1 1 = 2.71814592682493 Para n = 100000 temos que n n 1 1 = 2.71826823719230 Como podemos observar que à medida que n aumenta o valor n n 1 1 converge para um valor próximo de 2,7182818284. O matemático suíço Loenardo Euler ( pronuncia-se Oiler) dedicou-se ao problema proposto por Jacques Bernoulli e concluiu que o valor do limite n n n Lim 1 1 é um número que converge para próximo 2,7182818284. Anos depois outro matemático provou que o valor de n n n Lim 1 1 é um número irracional. Hoje o número resultante do cálculo de n n n Lim 1 1 é representado pela letra e em homenagem ao matemático Euler. Assim, podemos chegar ao seguinte resultado n n n Lim 1 1 = e. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 35 Vejamos um teorema, sem sua demonstração que amplia dos naturais para os reais a variável n. Teorema:Seja f a função definida em { xR x< -1 ou x > 0} por f(x) = x x 1 1 , então x x x Lim 1 1 = e . Agora vejamos as seguintes proposições que são conseqüências do limite exponencial fundamental! Proposição Seja f a função definida em { xR x< -1 ou x > 0} por f(x) = x x 1 1 , então x x x Lim 1 1 = e . Demonstração: Seja f a função definida em {xR x< -1 ou x > 0} por f(x) = x x 1 1 . Fazendo x = - (w+1) e notando que se x tende a - então w tende a +. Assim, temos que x x x Lim 1 1 = w w w Lim )1( 1 1 1 = w w w w Lim )1( 1 = w w w w Lim )1( 1 O limite n n n Lim 1 1 = e O limite de f a função definida em { xR x< -1 ou x > 0} por f(x) = x x 1 1 que é x x x Lim 1 1 = e é denominado limite exponencial fundamental. prof.luizaugusto@bol.com.br Página 36 = w w w Lim 1 1 1 = w w ww Lim 1 1 1 1 = ww LimLim w w w 1 1 1 1 = e 1 = e Desse modo, fica demonstrado que se f é uma função definida em { xRx < -1 ou x > 0 } por f(x) = x x 1 1 , então x x x Lim 1 1 = e . Proposição Seja f a função definida em { xR -1< x ≠ 0} por f(x) = xx 1 1 , então x x xLim 1 0 1 = e . Demonstração: Seja f a função definida em { xR -1< x ≠ 0} por f(x) = xx 1 1 . Fazendo x = y 1 temos que y = x 1 . Assim, temos que quando x tende a 0+ , y tende a +; quando x tende a 0- , y tende a - . Desse modo, obtemos: 1) x x xLim 1 0 1 = y y y Lim 1 1 = e ; 2) x x xLim 1 0 1 = y y y Lim 1 1 = e . Como x x xLim 1 0 1 = x x xLim 1 0 1 = e então x x xLim 1 0 1 = e , como queríamos demonstrar. Agora vejamos a aplicação do limite exponencial e suas conseqüências no cálculo de alguns limites. Exemplo 1: Calcular x x x Lim 3 1 1 . Solução: prof.luizaugusto@bol.com.br Página 37 Como 3 3 1 1 1 1 xx xx então x x x Lim 3 1 1 = 3 1 1 x x x Lim = 3 1 1 x x x Lim = e 3. Exemplo 2: Calcular x x x Lim 4 1 . Solução: Fazendo w= 4 x temos que x = 4w . Assim, quando x tende a +, w também tende a +. Desse modo, x x x Lim 4 1 = w w w Lim 4 1 1 = 4 1 1 w w w Lim = 4 1 1 w w w Lim = e4 1.6 TEOREMA DO CONFRONTO 1) lim ( ) ox x g x L , lim ( ) ox x h x L , logo lim ( ) ox x f x L Sendo lim g( ) lim h( ) o ox x x x x x e se ( )f x é tal que ( ) ( ) ( )g x f x h x para todo I ox x em que I é intervalo aberto que contém ox , estão lim ( ) ox x f x L . Demonstração: 1 1lim ( ) 0, δ 0 / 0 ( ) o o x x g x L x x g x L . 2 2lim ( ) 0, δ 0 / 0 ( ) o o x x h x L x x h x L . Admitindo que existe min 1 2δ δ ,δ , tais que 0 , 0 ( ) ( ) ( ) g x L g x L L g x L ( ) ( ) ( ) h x L h x L L h x L y x L ( )g x ( )f x ( )h x ox prof.luizaugusto@bol.com.br Página 38 Somando as desigualdades (1) e (2): 1.7 O limite trigonométrico fundamental Agora vamos ver um resultado importante no cálculo devido, entre outros motivos, o mesmo possibilitar a determinação do valor de outros limites. Teorema: Seja f a função definida em R – {0} por f(x) = x senx então Lim x x senx = 1. Demonstração: Seja f a função definida em R – {0} por f(x) = x senx . Consideremos a figura abaixo Suponhamos que o raio da circunferência é 1. Seja x a medida em radianos do arco MOA . Limitando a variação de x ao intervalo (0 , 2 ) podemos da observação da figura acima concluir que: área do triângulo MOA < a área do setor MOA < área do triângulo AOT. Que equivale a afirmar que 2 `MMOA < 2 AMOA < 2 ATOA . Multiplicando a desigualdade acima por 2 temos que OA 'MM < AO MA < AO TA Como o raio AO é 1 então a ultima desigualdade é equivalente a ( ) ( ) , por outro lado ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , onde podemos concluimos que ( ) ( ) ( ) , logo lim ( ) ox x L g x h x L g x f x h x L g x f x h x L L f x L f x L f x L f x L prof.luizaugusto@bol.com.br Página 39 `MM < AM< AT Da figura podemos concluir que `MM = senx , AM= x e AT = tgx. Assim, a desigualdade `MM < AM< AT se torna equivalente a senx < x < tgx . Como senx > 0 para x em (0 , 2 ), dividindo a desigualdade acima por senx obtemos a seguinte desigualdade 1 < senx x < xcos 1 Invertendo os termos da desigualdade teremos a inversão da desigualdade que nos dá a seguinte relação que é equivalente a ultima desigualdade 1 > x senx > cosx Como as funções x senx e cosx são pares temos que )( )( x xsen = x senx e cos(-x)= cosx. Assim, podemos concluir que a desigualdade 1 > x senx > cosx é válida para todo x ≠ 0. Calculando o limite de cada termo da desigualdade quando x tende a zero obtemos a seguintes desigualdade Lim x 0 1 < x senx Lim x 0 < xLim x cos 0 Como Lim x 0 1 = 1 e xLim x cos 0 = 1 entãopelo teorema do confronto podemos afirmar que x senx Lim x 0 = 1. Assim, demonstramos que x senx Lim x 0 = 1. Agora vejamos algumas aplicações do limite trigonométrico fundamental no cálculo de outros limites. Exemplo 3: O limite x senx Lim x 0 = 1 é conhecido como limite trigonométrico fundamental! prof.luizaugusto@bol.com.br Página 40 Calcular x xsen Lim x 3 0 . Solução: Como x xsen Lim x 3 0 = x xsen Lim x 3 33 0 = 3 0 Lim x x xsen Lim x 3 3 0 = 3.1= 3, então podemos concluir que x xsen Lim x 3 0 = 3. Exemplo 4: Calcular xsen xsen Lim x 7 3 0 . Solução: Como xsen xsen Lim x 7 3 0 = x xsen x xsen Lim x 7 3 0 = x xsen x xsen Lim Lim x x 7 3 0 0 = x xsen x xsen Lim Lim x x 7 77 3 33 0 0 = x xsen x xsen LimLim LimLim xx xx 7 7 7 3 3 3 00 00 = 17 13 = 7 3 . Assim podemos concluir que xsen xsen Lim x 7 3 0 = 7 3 . RESUMO n n n Lim 1 1 é um número irracional aproximadamente igual a 2,7182818284; O número n n n Lim 1 1 é representado por e em homenagem ao matemático suíço Leonardo Euler; Se f é a função definida em { xR x< -1 ou x > 0} por f(x) = x x 1 1 , então x x x Lim 1 1 = e ; O x x x Lim 1 1 = e é denominado limite exponencial fundamental. x x x Lim 1 1 = e; prof.luizaugusto@bol.com.br Página 41 x x xLim 1 0 1 = e; O limite x senx Lim x 0 =1 é conhecido como limite trigonométrico fundamental! Como conseqüência do limite trigonométrico fundamental apresentamos. 1) 0 1 cos x lim 0 xx 2) 0 tg x lim 1 xx Exercícios resolvidos 01) Calcular os limites trigonométricos abaixo: a) 0 5 5 lim 5x sen x x b) 0 3 lim 2x sen x sen x c) 20 1 sec lim x x x d) 4 cos lim 1x sen x x tg x e) 0 3 2 lim x sen x sen x sen x 0 0 5 5 lim5 5 lim 5.1 5 5 5 Teorema x x sen x sen x x x 1 0 0 1 0 0 0 0 3 3 3 3 3 lim3 3 lim 3.1 33 3 3lim lim 2 2 2 2.1 2 2 lim 2 22 2 2 lim 2 x x x x x x sen x sen x sen x sen x x x x x sen x sen x sen x sen xx x x x 2 2 2 2 1 cos 1 1 cos 1 1 cos 1cos cos cos .cos x x xx x x x x x x x 2 2 2 2 2 2 2 22 2 1 2 0 0 cos 1 (cos 1) cos 1 (1 cos ) .cos (cos 1) .cos .(cos 1) .cos .(cos 1) .cos .(cos 1) 1 1 cos .(cos 1) cos .(cos 1) 1 lim lim cosx x x x x x sen x x x x x x x x x x x x x sen x senx x x x x x x senx x x 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .(cos 1) cos .(cos 1) 1.(1 1) 1.(1 1) 2 2x x x 4 4 4 4 cos cos cos lim lim lim cos cos cos 1 cos cos lim ( cos ) x x x x sen x x sen x x x sen x x sen x x sen x x sen x x x sen x x cos ( cos ) x sen x x 4 2 lim cos cos 4 2x x 3cos3 3 4 2 2 cos x sen x sen x sen x sen x x 3 0 0 .3 4 2 cos lim lim x x sen xsen x sen x sen x x sen x 2(3 4 2 cos )sen x x sen x 2 0 2 2 0 lim3 4 2 cos lim3 4 ( ) 2 cos 3 4 ( 0) 2 cos0 3 4 0 2 1 3 2 1 x x sen x x sen x x sen prof.luizaugusto@bol.com.br Página 42 f) 4 2 2lim 2 x sen x x g) 2 20 5 lim x x sen x h) lim x a tg x tg a x a i) π 2 π 3 2 lim 6 3πx sen x x Mudança da variável e conseqüência, mudança da tendência do limite. π π π 2 2 2 0 π π π 3 3 12 2 2 lim lim lim π π π6 2 6 2 2 2 1 1 1 lim 1 2 2 2 x x x t sen x sen x sen x x x x sent t j) 45 2 lim 5 1 x x x x 2 4 42 cos 2 4 2 2 x x sen x sen x sen sen 22 2 25 25 25 5 x x x 2 2 2 2 2 20 0 0 1 1 1 1 15 5 5 lim lim lim 1 25 25 25 25 25 55 5 x x x x x x sen sen sen xx x 2 0 0 2 2 x t t x x cos cos ( ) ( ) 1cos cos cos cos cos coslim lim lim lim cos cos ( ) ( ) 1 ( ) 1 1 lim lim lim 1 lim ( ) cos cos ( ) cos .cos c x a x a x a x a x a x a x a x a x xsen sena sen a x sena sen x a sen x ax a x a x a x a x a x a x a x a sen x a sen x a x a x a x a x a 2 2 1 1 os .cos cos .cos 1 sec a cos a x a a a prof.luizaugusto@bol.com.br Página 43 QUESTÕES PROPOSTAS Calcule os limites abaixo 01) x x x Lim 7 1 1 = 02) x x x Lim 3 1 = 03) 43 1 x x x Lim = 04) bx x x a Lim 1 = 05) x x x x Lim 1 = 06) x x x Lim 3 1 1 = 07) x x x Lim 2 3 1 = 08) x x x x Lim 3 4 = 09) x x x x Lim 1 2 = 10) 3 1 4 x x x x Lim = 11) x xsen Lim x 5 0 = 12) x xsen Lim x 3 5 0 = 13) )( )( 2 2 0 xx xxsen Lim x = 14) )23( )23( 2 2 2 xx xxsen Lim x = 15) x senx Lim x 2 0 = 16) 2 0 x senx Lim x = 17) 1 )1( 2 0 x xsen Lim x =
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