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Limites Infinitos Objetivo: Esta sessa˜o dedica-se a definir e atribuir algum significado a` ideia de dizer que f(x) crece ilimitadamente, quando x se aproxima de uma nu´mero real a e discutir Ass´ıntotas Verticais. Para melhor entender os conceitos que sera˜o discutidos e´ relevante introduzir de maneira intuitiva a ideia de infinito. Com este fim, e´ interessante que fac¸amoms a seguinte ‘brincadeira’: • Pense em um nu´mero real N , positivo, ‘bem grande’. Pensou? Pode-se dizer que o infinito e´ maior que este nu´mero. • Pense em um nu´mero real N , positivo, ‘maior do que o anteriror’. Pensou? Pode-se dizer que o infinito e´ maior que este nu´mero. Poder´ıamos seguir com este brincadeira sem fim, ou seja, na˜o existe um nu´mero real que limite o infinito. Enta˜o, conclui-se que ∞ e´ um s´ımbolo que representa algo que na˜o tem limitac¸a˜o, ou seja, e´ ilimitado, e na˜o e´ um elemento do conjunto dos nu´meros reais. A noc¸a˜o de −∞, segue as mesmas ideias. • Pense em um nu´mero real N , negativo, ‘bem grande em mo´dulo’. Pensou? Pode-se dizer que o menos infinito e´ menor que este nu´mero. Para introduzir a ideia de que f(x) cresce ilimitadamente (dizer que f(x) cresce ilimitadamente, equivale a dizer que f(x) −→ +∞), quando x tende ao nu´mero real a, vamos iniciar pensando no caso da func¸a˜o f(x) = 1 (x− 2)2 . Observe inicialmente que Dom(f) = R − {2}, mas, dado qualquer intervalo aberto I contendo o nu´mero 2, existe x ∈ I − {2}, tal que x ∈ Dom(f). Enta˜o, faz sentido questionar sobre lim x→2 f(x) = lim x→2 1 (x− 2)2 . Observando a figura a segir, que descreve o gra´fico da func¸a˜o f(x) = 1 (x− 2)2 , verifica-se facilmente que f(x) aumenta ilimitadamente, conforme x se aproxima do nu´mero 2, tanto pela esquerda, quanto pela direita. Em simbolozia matema´tica temos lim x→2− f(x) = +∞ e lim x→2+ f(x) = +∞. Mostra animac¸a˜o: Um-Sobre-Elevado-Quadrado 1 O pro´ximo passo e´ definir, com formalismo matema´tico, as noc¸o˜es introduzidas anteriormente, ou seja, definir matematicamente o que significa dizer lim x→a− f(x) = +∞/ lim x→a− f(x) = −∞ e lim x→b+ f(x) = +∞/ lim x→b+ f(x) = −∞, e atribuir algum sinificado gra´fico aos limites anteriores. Definic¸a˜o: • Seja f uma func¸a˜o bem definida no intervalo aberto I contendo ponto a, exceto, possivlemente, em a. Dizemos que a func¸a˜o f(x) cresce ilimitadamente (aumenta ilimitadamente), quando x tende ao nu´mero real a pela esquerda, e denotamos por lim x→a− f(x) = +∞, se dado qualquer nu´mero real N positivo, existe δ > 0, tal que, se x ∈ Dom(f) satisfaz que x ∈ (a− δ, a), enta˜o f(x) > N . Dizer que f(x) > N , para qualquer N nu´mero real positivo, equivale a dizer que f(x) −→ +∞, e, em palavras, equivale a dizer que f(x) cresce ilimitadamente, quando x se aproxima de a pela esquerda. • Seja f uma func¸a˜o bem definida no intervalo aberto I contendo ponto a, exceto, possivlemente, em a. Dizemos que a func¸a˜o f(x) decresce ilimitadamente (diminui ilimitadamente), quando x tende ao nu´mero real a pela esquerda, e denotamos por lim x→a− f(x) = −∞, se dado qualquer nu´mero real N negativo, existe δ > 0, tal que, se x ∈ Dom(f) satisfaz que x ∈ (a− δ, a), enta˜o f(x) < N . Dizer que f(x) < N , para qualquer N nu´mero real negativo, equivale a dizer que f(x) −→ −∞, e, em palavras, equivale a dizer que f(x) diminui ilimitadamente, quando x se aproxima de a pela esquerda. • Seja f uma func¸a˜o bem definida no intervalo aberto I contendo ponto b, exceto, possivlemente, em b. Dizemos que a func¸a˜o f(x) cresce ilimitadamente (aumenta ilimitadamente), quando x tende ao nu´mero real b pela direita, e denotamos por lim x→b+ f(x) = +∞, se dado qualquer nu´mero real N positivo, existe δ > 0, tal que, se x ∈ Dom(f) satisfaz que x ∈ (b, b+ δ, ), enta˜o f(x) > N . Dizer que f(x) > N , para qualquer N nu´mero real positivo, equivale a dizer que f(x) −→ +∞, e, em palavras, equivale a dizer que f(x) aumenta ilimitadamente, quando x se aproxima de b pela direita. • Seja f uma func¸a˜o bem definida no intervalo aberto I contendo ponto b, exceto, possivlemente, em b. Dizemos que a func¸a˜o f(x) decresce ilimitadamente (diminui ilimitadamente), quando x tende ao nu´mero real b pela direita, e denotamos por lim x→b+ f(x) = −∞, se dado qualquer nu´mero real N negativo, existe δ > 0, tal que, se x ∈ Dom(f) satisfaz que x ∈ (b, b+ δ, ), enta˜o f(x) < N . 2 Dizer que f(x) < N , para qualquer N nu´mero real negativo, equivale a dizer que f(x) −→ −∞, e, em palavras, equivale a dizer que f(x) diminui ilimitadamente, quando x se aproxima de b pela direita. Teorema: Seja r um nu´mero real positivo. Enta˜o: (a) Se r e´ par, enta˜o lim x→0− 1 xr = +∞, e se r e´ ı´mpar, enta˜o lim x→0− 1 xr = −∞. Para ter um melhor entendimento do enunciado, para o caso n par, imagine n = 2. Neste caso, o limite torna-se lim x→0− 1 x2 . Como, f(x) = 1 x2 e´ positiva, para todo x ∈ R− {0}, inclusive para x > 0, a func¸a˜o f so´ pode ‘estourar’ para +∞. Para o caso n ı´mpar, basta imaginar n = 3. Neste caso, o limite torna-se lim x→0− 1 x3 . Como x→ 0−, o que significa que x < 0. Enta˜o a func¸a˜o f(x) = 1 x3 e´ negativa, para todo x negativo. Logo, a func¸a˜o f so´ pode ‘estourar’ para −∞. (b) lim x→0+ 1 xr = +∞, independentemente de r ser par ou ı´mpar. Pergunta: O que um dos limites anteriores significa graficamente? • Suponha que lim x→a− f(x) = +∞ e lim x→a+ f(x) = +∞, enta˜o o comportamento do gra´fico da func¸a˜o f e´ como ilustra a figura a seguir, em uma vizinhanc¸a do ponto a. 3 • Suponha que lim x→a− f(x) = +∞ e lim x→a+ f(x) = −∞, enta˜o o comportamento do gra´fico da func¸a˜o f e´ como ilustra a figura a seguir, em uma vizinhanc¸a do ponto a. • Suponha que lim x→a− f(x) = −∞ e lim x→a+ f(x) = −∞, enta˜o o comportamento do gra´fico da func¸a˜o f e´ como ilustra a figura a seguir, em uma vizinhanc¸a do ponto a. 4 • Suponha que lim x→a− f(x) = −∞ e lim x→a+ f(x) = +∞, enta˜o o comportamento do gra´fico da func¸a˜o f e´ como ilustra a figura a seguir, em uma vizinhanc¸a do ponto a. Em qualquer dos casos anteriores, dizemos que a reta vertical x = a e´ uma Ass´ıntota Vertical para o gra´fico da func¸a˜o f . A definic¸a˜o formal de Ass´ıntota Vertical esta´ descrita a seguir. Definic¸a˜o: Seja f uma func¸a˜o bem definida em qualquer intervalo aberto I contendo o ponto a, exceto, possivelmente, em x = a. Dizemos que a reta x = a e´ Ass´ıntota Vertical para o gra´fico da func¸a˜o f, se vale uma das afirmac¸o˜es a seguir (Basta que uma frase seja verdadeira. Na˜o precisa que mais de uma frase seja verdadeira): (a) lim x→a− f(x) = −∞; (b) lim x→a− f(x) = +∞; (c) lim x→a+ f(x) = −∞; (d) lim x→a+ f(x) = +∞. Exemplo 1 Calcule lim x→2− 1 (x− 2)2 e limx→2+ 1 (x− 2)2 . Soluc¸a˜o: Considere a func¸a˜o f(x) = 1 (x− 2)2 . Observe que Dom(f) = R− {2}, pois x = 2, anula o denominador. Isso nos conduz a indagar: O que ocorre com o comportamento do gra´fico de f(x), quando x esta´ muito pro´ximo de 2? Por este motivo que a proposta do enunciado e´ calcular lim x→2− 1 (x− 2)2 e limx→2+ 1 (x− 2)2 . 5 A fim de apresentar uma resposta com formalismo matema´tico, se faz necessa´rio utilizar uma das afirmac¸o˜es do Teorema anterior. Com este fim e´ importante estar sob as condic¸o˜es do Teorema. Para tanto se e´ preciso usar um tipo de substituic¸a˜o. Considere a substituic¸a˜o u = u(x) = x− 2. Note que lim x→2− u(x) = lim x→2− (x− 2) = 0, mas x→ 2− ⇒ x < 2⇒ x− 2 < 0⇒ u < 0. Portanto, u→ 0−, quando x→ 2−. E mais, lim x→2+ u(x) = lim x→2+ (x− 2) = 0, mas x→ 2+ ⇒ x > 2⇒ x− 2 > 0⇒ u > 0. Portanto, u→ 0+, quando x→ 2+. Temos que, • lim x→2− 1 (x− 2)2 u=x−2 e u→0−, qdo x→2− ============ limu→0− 1 u2 item (a) do Teorema, com r par ============= +∞. Portanto, lim x→2− 1 (x− 2)2 = +∞ Temos que, • lim x→2+ 1 (x− 2)2 u=x−2 e u→0+, qdo x→2+ ============ lim u→0+ 1 u2 item (b) do Teorema ========= +∞. Portanto, lim x→2+ 1 (x− 2)2 = +∞ Exerc´ıcio 1 Determine se a func¸a˜o f(x) = 2x− 1 x2 − 9 , possui Ass´ıntotas Verticais, e, em caso aformativo, quais sa˜o elas. Soluc¸a˜o: 6 Considerac¸o˜es Preliminares Observe que o Domı´nio da func¸a˜o f(x) = 2x− 1 x2 − 9 e´ R− {−3, 3}, pois x = −3 e x = 3 anulam o denominador. Desta forma, as retas x = −3 e x = 3 sa˜o candidatas a` Ass´ıntotas Verticais. Para verificar se realmente as retas x = −3 e x = 3 sa˜o Ass´ıntotas Verticais, deve-se verificar o que ocorre com os limites lim x→−3− 2x− 1 x2 − 9 , limx→−3+ 2x− 1 x2 − 9 , limx→3− 2x− 1 x2 − 9 e limx→3+ 2x− 1 x2 − 9 . Para formalizar a resposta, deve-se utilizar o Teorema. Como no caso do exemplo anterior, vamos utilizar uma substituic¸a˜o. Considere a substituic¸a˜o u = u(x) = x2 − 9. Note que • lim x→−3− u(x) = lim x→−3− x2 − 9 = (−3)2 − 9 = 0. Como x→ −3−, observando a figura abaixo, percebe-se que (x2 − 9)→ 0+, ou seja, x→ −3− ⇒ u→ 0+. De maneira totalmente ana´loga, obtemos que x→ −3+ ⇒ u→ 0−, x→ 3− ⇒ u→ 0− e x→ 3+ ⇒ u→ 0+. (Pense nestas treˆs u´ltimas afirmac¸o˜es) Estudo do Sinal de uma Para´bola Temos que, • lim x→−3− 2x− 1 x2 − 9 = limx→−3−(2x− 1) ( 1 x2 − 9 ) (∗1) = (−7)(+∞) = −∞ Portanto, lim x→−3− 2x− 1 x2 − 9 = −∞ • lim x→−3+ 2x− 1 x2 − 9 = limx→−3+(2x− 1) ( 1 x2 − 9 ) (∗2) = (−7)(−∞) = +∞ 7 Portanto, lim x→−3+ 2x− 1 x2 − 9 = +∞ • lim x→3− 2x− 1 x2 − 9 = limx→3−(2x− 1) ( 1 x2 − 9 ) (∗3) = (5)(−∞) = −∞ Portanto, lim x→3− 2x− 1 x2 − 9 = −∞ • lim x→3+ 2x− 1 x2 − 9 = limx→3+(2x− 1) ( 1 x2 − 9 ) (∗4) = (5)(+∞) = +∞ Portanto, lim x→3+ 2x− 1 x2 − 9 = +∞ Janela de Explicac¸o˜es (∗1) O limite lim x→−3− 2x− 1 x2 − 9 foi encarado como os dois limites, lim x→−3− (2x− 1) e lim x→−3− ( 1 x2 − 9 ) . • lim x→−3− (2x− 1) Fazer x = -3 e finalizar as contas============== 2(−3)− 1 = −7⇒ lim x→−3− (2x− 1) = −7 • lim x→−3− ( 1 x2 − 9 ) u=x2−9, x→−3−⇒u→0+ ============ lim u→0+ ( 1 u ) Usar item (b) do Teorema =========== +∞⇒ lim x→−3− ( 1 x2 − 9 ) = +∞ (∗2) O limite lim x→−3+ 2x− 1 x2 − 9 foi encarado como os dois limites, lim x→−3+ (2x− 1) e lim x→−3+ ( 1 x2 − 9 ) . • lim x→−3+ (2x− 1) Fazer x = -3 e finalizar as contas============== 2(−3)− 1 = −7⇒ lim x→−3+ (2x− 1) = −7 • lim x→−3+ ( 1 x2 − 9 ) u=x2−9, x→−3+⇒u→0− ============ lim u→0− ( 1 u ) Usar item (a) do Teorema, com r = 1 =============== −∞⇒ 8 lim x→−3+ ( 1 x2 − 9 ) = −∞ (∗3) O limite lim x→3− 2x− 1 x2 − 9 foi encarado como os dois limites, lim x→3− (2x− 1) e lim x→3− ( 1 x2 − 9 ) . • lim x→3− (2x− 1) Fazer x = 3 e finalizar as contas============== 2(3)− 1 = 5⇒ lim x→3− (2x− 1) = 5 • lim x→3− ( 1 x2 − 9 ) u=x2−9, x→3−⇒u→0− ============ lim u→0− ( 1 u ) Usar item (a) do Teorema, com r=1 =============== −∞⇒ lim x→3− ( 1 x2 − 9 ) = −∞ (∗4) O limite lim x→3+ 2x− 1 x2 − 9 foi encarado como os dois limites, lim x→3+ (2x− 1) e lim x→3+ ( 1 x2 − 9 ) . • lim x→3+ (2x− 1) Fazer x = 3 e finalizar as contas============== 2(3)− 1 = 5⇒ lim x→3+ (2x− 1) = 5 • lim x→3+ ( 1 x2 − 9 ) u=x2−9, x→3+⇒u→0+ ============ lim u→0+ ( 1 u ) Usar item (b) do Teorema ========== +∞⇒ lim x→3+ ( 1 x2 − 9 ) = +∞ Concluso˜es: • Como lim x→−3− 2x− 1 x2 − 9 = −∞ e limx→−3+ 2x− 1 x2 − 9 = +∞, pela definic¸a˜o de Ass´ıntota Vertical, temos que a reta x = −3 e´ uma Ass´ıntota Vertical para o gra´fico da func¸a˜o f . • Analogamente, lim x→3− 2x− 1 x2 − 9 = −∞ e limx→3+ 2x− 1 x2 − 9 = +∞, pela definic¸a˜o de Ass´ıntota Vertical, temos que a reta x = 3 e´ uma Ass´ıntota Vertical para o gra´fico da func¸a˜o f . 9 Interpretac¸o˜es gra´ficas dos resultados obtidos: • Graficamente, os limites lim x→−3− 2x− 1 x2 − 9 = −∞ e limx→−3+ 2x− 1 x2 − 9 = +∞, implicam que o comportamento do gra´fico de f em uma vizinhanc¸a do ponto x = −3 e´ como ilustra a figura a seguir. • Graficamente, os limites lim x→3− 2x− 1 x2 − 9 = −∞ e limx→3+ 2x− 1 x2 − 9 = +∞, implicam que o comportamento do gra´fico de f em uma vizinhanc¸a do ponto x = −3 e´ como ilustra a figura a seguir. 10 • Reunindo as informac¸o˜es, obtemos uma figura como a seguir. • Gra´fico Completo: Nesta figura, a linha trac¸ejada representa uma ideia de como ‘completar’ a figura anterior a fim de obter um esboc¸o do comportamento do gra´fico da func¸a˜o f em todo seu domı´nio. 11 Quais ideias e argumentac¸o˜es matema´ticas podem ser utilizadas para ‘completar ’ a figura Observando a figura, verifica-se que f(x) = 2x− 1 x2 − 9 : • e´ negativa a` esquerda de x = −3; • tem partes negativas e partes positivas entre x = −3 e x = 3; • e´ positiva a` direita de x = 3. Como determinar isso matematicamente? Estudando o sinal da func¸a˜o f(x) = 2x− 1 x2 − 9 . Para estudar o sinal da func¸a˜o f(x), deve-se estudar, separadamente, o sinal das expresso˜es 2x− 1 (que representa uma RETA) e x2 − 9 (que representa uma PARA´BOLA), e, em seguida produzir o Quadro de Sinais, obtendo o sinal do quociente 2x− 1 x2 − 9 . • Estudo do sinal da expressa˜o y = 2x− 1. Como y = 2x− 1 e´ uma RETA, basta fazer uma figura bem simples como a seguir, e concluir qual e´ o sinal da expressa˜o 2x− 1(2x− 1 = 0⇔ x = 1/2). Estudo do Sinal da Reta y = 2x− 1 Assim, • 2x− 1 < 0⇔ x < 1/2 • 2x− 1 > 0⇔ x ≥ 1/2. • Estudo do sinal da PARA´BOLA y = x2 − 9. Basta voltar e observar a figura Estudo do Sinal de uma Para´bola e concluir que: • x2 − 9 < 0⇔ −3 < x < 3 • x2 − 9 > 0⇔ x < −3 ou x > 3 De posse destas informac¸o˜es, basta montar o Quadro de Sinais, como descrito a seguir. 12 Quadro de Sinais x < −3 −3 < x < 1/2 1/2 ≤ x < 3 x > 3 Expressa˜o − − + + y = 2x− 1 + − − + y = x2 − 9 − + − + f(x) = 2x− 1 x2 − 9 Assim, • f(x) < 0⇔ x < −3 • f(x) > 0⇔ −3 < x < 1/2 • f(x) ≤ 0⇔ 1/2 ≤ x < 3 • f(x) > 0⇔ x > 3 Observe que com as informac¸o˜es obtidas por meio do Quadro de Sinais, juntamente com as informac¸o˜es e interpretac¸o˜es gra´ficas obtidas por meio dos Limites e´ poss´ıvel fazer uma figura que representa bem o comportamento do gra´fico de f . Exerc´ıcio 2 Determine se a func¸a˜o f(x) = √ x2 − 4 x− 2 , possui Ass´ıntotas Verticais, e, em caso aformativo, quais sa˜o elas. Soluc¸a˜o: O primeiro passo e´ determinar o Dom(f) para ter uma desconfianc¸a de quais sa˜o as poss´ıveis candidatas a` Ass´ıntotas Verticais. Como a lei de formac¸a˜o da func¸a˜o envolve a expressa˜o √ x2 − 4, deve-se que ter x2 − 4 ≥ 0. A fim de determinar para quais valores de x tem-se que x2 − 4 ≥ 0, deve-se estudar o sinal da Para´bola y = x2 − 4. Observando a figura a seguir, verifica-se que: • x2 − 4 ≥ 0⇔ x < −2 ou x > 2; • x2 − 4 < 0⇔ −2 < x < 2. Estudo do Sinal da Para´bola y = x2 − 4 13 Ale´m da expressa˜o √ x2 − 4, no denominador da lei de formac¸a˜o da func¸a˜o f ocorre a expressa˜o x− 2, enta˜o deve-se ter que x− 2 6= 0⇔ x 6= 2. Desta forma, Dom(f) = (−∞, −2] ∪ (2, +∞). Observe que somente x = 2 anula o denominador. Logo, a u´nica candidata a` Ass´ınto Vertical e´ a reta x = 2. Por conta do Dom(f) so´ podemos nos aproximar de 2 pela direita. Mas, o que ocorre em x = -2? Substituindo x = −2 na lei de formac¸a˜o da func¸a˜o f , obtemos f(−2) = 0. (Ok. Isso na˜o e´ problema para no´s) Temos que, • lim x→2+√ x2 − 4 x− 2 (∗1) = lim x→2+ √ x2 − 4 |x− 2| (∗2) = lim x→2+ √ x2 − 4√ (x− 2)2 Colocar sobre a mesma raiz ============ lim x→2+ √ x2 − 4 (x− 2)2 = Decompor x2−4 em fatores ============ lim x→2+ √ (x− 2)(x+ 2) (x− 2)(x− 2) Cancelar x−2 ======= lim x→2+ √ (x+ 2) (x− 2) (∗3) = = lim x→2+ ( √ x+ 2) ( 1√ (x− 2) ) (∗4) = (2)(+∞) = +∞ Portanto, lim x→2+ √ x2 − 4 x− 2 = +∞ Desta forma, a reta x = 2 e´ Ass´ıntota Vertical para o Gra´fico da func¸a˜o f . 14 Janela de Explicac¸o˜es (∗1) Como x→ 2+ ⇒ x > 2⇒ x− 2 > 0⇒ |x− 2| = x− 2 (∗2) |x− 2| = √ (x− 2)2. Usei a propriedade que diz |x| = √x2 (∗3) e (∗4) O limite lim x→2+ √ (x+ 2) (x− 2) foi separado em dois: • lim x→2+ √ (x+ 2) = √ lim x→2+ (x+ 2) = √ 2 + 2 = √ 4 = 2 • lim x→2+ 1√ x− 2 u=x−2⇒u→0+, qdo x→2+ =========== lim u→0+ ( 1 u1/2 ) = +∞ • Interpretac¸a˜o Gra´fica Graficamente o limite lim x→2+ √ x2 − 4 x− 2 = +∞ significa que o comportamento do gra´fico da func¸a˜o f em uma vizinhanc¸a do ponto x = 2, a` direita de x = 2, e´ como ilustra a figura a seguir. Algumas considerac¸o˜es Para ajudar a plotar uma figura que representa bem o comportamento do gra´fico de f em todo seu domı´nio, e´ importante fazer um extudo do sinal da func¸a˜o f . Como a lei de formac¸a˜o da func¸a˜o f envolve o Quo- ciente das expresso˜es √ x2 − 4 e x − 2, deve-se estudar o sinal de cada expressa˜o separadamente, e, em seguida, montar o Quadro de Sinais. • Estudo do sinal da expressa˜o y = x - 2 Como y = x− 2 e´ representado por meio de uma Reta, basta estudar o sinal da reta, como ilustra a figura a seguir. 15 • Estudo do sinal da expressa˜o y2 − 4 O sinal desta expressa˜o ja´ foi discutido anteriormente. (Volte e olhe na janela logo no comec¸a da soluc¸a˜o) Reunindo os estudos no Quadro de Sinais, temos x < −2 −2 ≤ x < 2 x < 2 Expressa˜o − − + y = x− 2 + − + y = x2 − 4 − + + f(x) = √ x2 − 4 x− 2 Portanto, • x ≤ −2⇒ f(x) ≤ 0 • x > 2⇒ f(x) > 0 A figura a seguir descreve o comportamento do gra´fico de f . Observando a figura verifica-se que na˜o ha´ gra´fico de func¸a˜o no intervalo (−2, 2]. Isso ocorre por conta do domı´nio da func¸a˜o, que e´ dado por (−∞, −2] ∪ (2, +∞). Bons Estudos! 16
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