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Texto 01. Cálculo II Curso de Engenharia Prof. José Norberto Reinprecht LIMITE E CONTINUIDADE Um pouco de história... O conceito de limite de uma função é a principal ferramenta que diferencia o cálculo da álgebra e da trigonometria. O próprio Isaac NEWTON (1642-1727) - considerado o criador do Cálculo Diferencial e Integral - não tinha uma idéia muito clara do conceito de limite. Muitos anos mais tarde, que Augustin-Louis CAUCHY (1789 – 1857) – matemático francês - elaborou o conceito de limite em bases mais sólidas, em termos de épsilons e deltas. Portanto, o conceito de limite já era utilizado por Newton, muito antes de Cauchy, ter dado uma definição mais rigorosa e precisa que atualmente conhecemos. Neste texto, trataremos este assunto de um modo mais intuitivo, da mesma forma como este conceito se desenvolveu historicamente. Intuitivamente, a idéia de limite é verificar próximo de que valor L está a função ƒ(x) quando os valores de x estão próximos de um valor a . Esta noção intuitiva de “próximo de” não é um conceito matemático claro e preciso. Assim, considerando as seguintes situações: “ Mogi das Cruzes, que dista 50 quilômetros de São Paulo, está próximo de São Paulo ? , “ a Lua, que está a uma distância de 380.000 quilômetros, aproximadamente, da Terra, está próximo da Terra? ”. As respostas a essas perguntas dependem do que se entende por “próximo de”. No cálculo e suas aplicações, em geral, estamos interessados nos valores de uma função ƒ(x) quando os valores de x estiverem próximos de um número a , mas, não necessariamente iguais a a . Na vida real aparecem um grande número de exemplos em que trabalhamos com situações-limites. “Determinar a eficiência de um novo motor em condições ideais”; ou, “a temperatura na qual cessam a agitação de todas as moléculas”, o chamado zero- absoluto”. Estes são exemplos de situações na qual podemos se aproximar de um determinado valor, mas que jamais o atingiremos. 1. LIMITE 1.1 Introdução Para introduzirmos o conceito de limite, consideremos a função 2 4 )( 2 x x xf e vamos supor que estamos interessando no seu comportamento quando x se aproxima de 2 , embora a função não possa assumir esse valor. Podemos obter uma idéia desse comportamento, analisando as tabelas abaixo, para valores cada vez mais próximo de 2 , pela direita (isto é, valores maiores que 2 ) e pela esquerda (ou seja, valores menores que 2 ). Tabela de valores de x , se aproximando de 2 , pela esquerda. x 0 1 1,5 1,9 1,99 1,999 ... x 2 ƒ(x) 2 3 3,5 3,9 3,99 3,999 ... ƒ(x) 4 Tabela de valores de x , se aproximando de 2 , pela direita. x 4 3 2,5 2,1 2,01 2,001 ... x 2 ƒ(x) 6 5 4,5 4,01 4,01 4,001 ... ƒ(x) 4 Observarmos que quando os valores de x , se aproximam de 2 , pela esquerda, os valores de ƒ(x) se aproximam de 4 . Podemos descrever esta situação escrevendo 4)(lim 2 xf x , chamado limite lateral a esquerda. Analogamente, quando os valores de x , se aproximam de 2 , pela direita, os de ƒ(x) também se aproximam de 4 . Da mesma forma, podemos escrever 4)(lim 2 xf x , denominado limite lateral a direita. Nessas condições, como os dois limites laterais são iguais, dizemos que a função admite limite para x tendendo a 2 , o seu valor é igual a 4 , e indicamos por 4)(lim 2 xf x ou 4 2 4 lim 2 2 x x x Mas, 2 )2)(2( 2 4 )( 2 x xx x x xf , e como 2x podemos efetuar a simplificação dessa expressão acima, e obtemos 2)( xxf . Logo, a função 2 4 )( 2 x x xf , pode ser escrita na forma 2/,2)( xpxxf . E portanto, o gráfico de 2 4 )( 2 x x xf é uma reta com um “buraco” no ponto quando x é igual a 2 , conforme a figura abaixo. Observe que, )2(f não existe ( isto é, a função não está definida para 2x ) e 4)(lim 2 xf x ( ou seja, o limite existe e o seu valor é igual a 4 ). “ A função não precisa estar definida no ponto, para que exista o valor do limite nesse ponto ”. De um modo intuitivo, podemos dizer que: “ Se a função ƒ(x) se aproxima de um número L , quando x se aproxima de um número a , tanto pela esquerda quanto pela direita, então o limite de ƒ(x) quando x tende para a é igual a L , e denotamos por Lxf ax )(lim . ” 1.2 ALGUMAS OBSERVAÇÕES IMPORTANTES 1. O limite de ƒ(x) é L quando x tende para a , significa dizer que, o valor de ƒ(x) pode ser tornar tão próximo de L quanto quisermos, bastando escolher o valor de x , conveniente, próximo de a , e ax . 2. Dizer que o limite de uma função ƒ(x) existe, e o seu valor é L , significa dizer que, quando x tender para a , pela esquerda, ou pela direita, ƒ(x) tende para L . 3. Se obtivermos os valores 1L quando x tender para a pela esquerda, e 2L ( 21 LL ) quando x tender para a pela direita, então não existe o valor do limite da função ƒ(x) quando x tender a . 4. O valor da função no ponto a não tem qualquer influência na existência ou não, do limite. Observe os exemplos a seguir: Exemplo 1. Considere a função 2,6 2, 2 4 )( 2 xse xse x x xf Para 2x , temos 2 4 )( 2 x x xf , cujo gráfico é uma reta que apresenta um “buraco” no ponto 2x , como vimos no exemplo da introdução de limite. Graficamente, temos Note que, 6)2(f , 4)(lim 2 xf x e 6 4 2 )2()(lim fxf x “ A função pode estar definida no ponto, existir o valor do limite nesse ponto, e no entanto o valor do limite não ser igual ao valor da função”. Exemplo 2. Considere a função 1,2 1,1 )( xsex xsex xf Para 1x , temos 1)( xxf e 1x , temos xxf 2)( . Assim, o gráfico de ƒ(x) , para todo x real, são duas semi-retas, conforme a figura abaixo. Analisando o gráfico vemos que: Para x se aproximando de 1 , pela esquerda, ƒ(x) se aproxima de 1 . Nesse caso, temos que 1)(lim 1 xf x . Para para x se aproximando de 1 , pela direita, ƒ(x) se aproxima de 2 , ou seja, 2)(lim 1 xf x . Como os limites laterais são diferentes, então não existe )(lim 1 xf x . Mas, 2)1(f , isto é, a função está definida para 1x . “ A função pode estar definida no ponto, e não existir o valor do limite nesse ponto”. Exemplo 3. Considere a função 1,12 1,4 )( 2 xsex xsex xf Para 1x , temos 24)( xxf , e para 1x , temos12)( xxf . Dessa forma, o gráfico da função ƒ(x) é formado por parte de uma parábola, para os valores de x menores que 1 , e de uma semi-reta para os valores ,de x maiores ou iguais a 1 , conforme a figura abaixo. Observe que, 3)1(f , 3)(lim 1 xf x e 3 3 2 )1()(lim fxf x “ A função está definida no ponto, existe o valor do limite nesse ponto, e o valor do limite é igual ao valor da função”. Exemplo 4. Considere a função 0,1 0,1 )( xse xse xf A função ƒ(x) não está definida para 0x . Graficamente, temos “ A função não está definida no ponto, e também não existe o valor do limite nesse ponto ”. 1.3 TEOREMA DA SUBSTITUIÇÃO O cálculo de limites de algumas funções se baseiam no teorema a seguir: Teorema. Sejam a um número real e as funções funções )()( xgxf , para todo ax . Se existe o limite de )(xf quando x tende para a , então )(lim)(lim xgxf axax O teorema afirma que, se duas funções coincidem em todos os pontos, exceto possivelmente, num único ponto ax , então seus limites nesse ponto ax , são iguais. Exemplo. Calcule 2 4 lim 2 2 x x x Solução. A função 2 4 )( 2 x x xf , está definida para todo x real, 2x . Podemos escrever, 2,2 2 )2)(2( 2 4 )( 2 xparax x xx x x xf . Agora, consideremos a função, 2)( xxg , que está definida para todo x real. Assim, as funções 2,2)( xparaxxf e 2)( xxg , são idênticas para todo x real, exceto no para 2x . Graficamente, as funções )(xf e )(xg estão representadas abaixo: Na prática, para calcularmos 2 4 lim 2 2 x x x , inicialmente, substituímos a variável x pela tendência 2 , obtendo-se 0 0 22 42 2 4 lim 22 2 x x x O termo 0 0 é um dos muitos termos que na teoria dos limites recebe o nome de indeterminação. A expressão indeterminado, não significa dizer que o limite não existe. Apenas significa dizer que não é possível obter o seu valor, através da simples substituição da variável pelo seu valor de tendência. O cálculo desse limite pode ser obtido efetuando as seguintes etapas: )( 2 2 2 4 lim xf x x x = numeradorofatorando x x xx 2 )2)(2( lim 2 = 422)2(lim 2 )( 2,2 2 porx dosubstituinxg xpoisx fatorondosimplifica x x 1.4 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Calcule os limites: 1. 3 9 lim 2 3 x x x Solução. Efetuando a substituição direta, temos: 0 0 3 9 lim 2 3 x x x ( indeterminado ) 1º modo. Fatorando o numerador, que é uma diferença de dois quadrados. 633)3(lim 3 )3)(3( lim 3 9 lim 33 2 3 x x xx x x xxx 2º modo. Como 3x é raiz do polinômio numerador, então êsse polinômio é divisível por 3)3( xx raiz . Efetuando a divisão do polinômio por 3x , através do dispositivo de Briot- Ruffini, temos: 031|3 901| 3 _________________________________ x 01|3 31| 1 _________________________________ 633)3(lim 1 3 lim 3 9 lim 33 2 3 x x x x xxx 2. 6 63 lim 2 23 2 xx xxx x Solução. Efetuando a substituição direta, temos 0 0 6 63 lim 2 23 2 xx xxx x (indeterminado) Como 2x é raiz do polinômio numerador e também do denominador, então ambos os polinômios são divisíveis por raiz x 2 . Efetuando essas divisões através dispositivo de Briot-Ruffini, temos: 0331|2 6311| 33 _________________________________ 2 xx 031|2 611| 3 _________________________________ x 6 63 lim 2 23 2 xx xxx x 5 13 32 32.32 3 33 lim 22 2 x xx x 3. 9 6 lim 2 2 3 x xx x Solução. Efetuando a substituição direta, temos 9 6 lim 2 2 3 x xx x 0 0 9)3( 6)3()3( 2 2 (indeterminado) Como 3x é raiz do polinômio numerador e também do denominador, então ambos os polinômios são divisíveis por raiz xx 3)3( . Efetuando essas divisões através dispositivo de Briot-Ruffini, temos 021|3 611| 2 _________________________________ x 031|3 901| 3 _________________________________ x 9 6 lim 2 2 3 x xx x 3 2 lim 3 x x x 33 23 6 5 6 5 4. 1 1 lim 4 1 x x x Solução. Efetuando a substituição direta, temos: 0 0 1 1 lim 4 1 x x x (indeterminado) 1º modo. Fatorando o numerador, que é uma diferença de dois quadrados. 1 )1)(1)(1( lim 1 )1)(1( lim 1 1 lim 2 1 22 1 4 1 x xxx x xx x x xxx 4])1)(1([lim 2 1 xx x 2ºmodo. Como 1x é raiz do polinômio numerador, então êsse polinômio é divisível por raiz x 1 . Efetuando essa divisão, através dispositivo de Briot-Ruffini, temos: 01111|1 10001| 1 _________________________________ 23 xxx 01|1 11| 1 _______________________ 4)1(lim 1 1 lim 1 1 lim 23 1 23 1 4 1 xxx xxx x x xxx 5. h xhx h 22 0 )( lim Solução. Efetuando a substituição direta, temos: 0 0 0 )( lim 2222 0 xx h xhx h (indeterminado) Devemos fator a diferença de dois quadrados que aparece no numerador da função racional. h xhxxhx h xhx hh )()( lim )( lim 0 22 0 h hxh h )2( lim 0 xxxhx h 32)2(lim 0 6. 842 20249 lim 23 23 2 xxx xxx x Solução. Efetuando a substituição direta, temos: 0 0 842 20249 lim 23 23 2 xxx xxx x (indeterminado) Como 2x é raiz do polinômio numerador e também do denominador, então ambos os polinômios são divisíveis por raiz xx 2)2( . Efetuando essas divisões, através dispositivo de Briot-Ruffini, temos: 01071|2202491| 107 _________________________________ 2 xx 0401|2 8421| 4 _________________________________ 2 x Assim, 4 107 lim 842 20249 lim 2 2 223 23 2 x xx xxx xxx xx Efetuando a substituição por 2x , temos 0 0 4 107 lim 2 2 2 x xx x (indeterminado) Logo, 2x ainda é raiz do polinômio numerador e também do denominador. Efetuando, novamente, a divisão do numerador e do denominador por 2x , temos: 051|2 1071| 5 _________________________________ x 021|2 401| 2 _________________________________ x Assim, 4 3 2 5 lim 4 107 lim 22 2 2 x x x xx xx 7. 4 2 lim 4 x x x Solução. Efetuando a substituição direta, temos: 0 0 4 2 lim 4 x x x (indeterminado) No caso do limite de função irracional, devemos racionalizar a função, ou seja, nesse caso multiplicarmos ambos os termos da fração por 2x . Desse modo, temos: )2()4( 2)( lim )2( )2( )4( )2( lim 4 2 lim 22 444 xx x x x x x x x xxx 4 1 2 1 lim )2()4( 4 lim 44 xxx x xx 8. Calcule )(lim 1 xf x , se existir, onde 1,24 1,13 )( 2 xsex xsex xf Solução. Devemos calcular os limites laterais para 1x . 2)24(lim)(lim 11 xxf xx ( limite lateral à esquerda de 1) 2)13(lim)(lim 2 11 xxf xx ( limite lateral à direita de 1) Como, 2)(lim)(lim 11 xfxf xx . Portanto, 2)(lim 1 xf x 9. Calcule )(lim 2 xg x , se existir, onde 2,|1| 2,5 )( 2 3 xsex xsex xg Solução. Devemos calcular os limites laterais para 2x . 385)2(5)5(lim)(lim 33 22 xxg xx ( limite lateral à esquerda de -2) 3|3||41||)2(1||1|lim)(lim 22 22 xxg xx (limite lateral à direita de -2) Como, )(lim)(lim 22 xgxg xx Logo, não existe, 2)(lim 2 xg x 10. Calcule )(lim 0 xf x , se existir, onde 0,0 0, 1)1( )( 2 xse xse x x xf Solução. No cálculo de )(lim 0 xf x estamos interessado no comportamento da função ƒ(x) para valores de x próximos de 0 , mas diferente de 0 . Neste caso, nas proximidades de 0 , tanto a direita quanto a esquerda, a função é dada por x x xf 1)1( )( 2. Logo, x x xf xx 1)1( lim)(lim 2 00 Efetuando a substituição direta, temos 0 01)1( lim 2 0 x x x ( indeterminado ) Neste caso, desenvolvendo o produto notável 2)1( x , temos 2)2(lim )2( lim 2 lim 121 lim 00 2 0 2 0 x x xx x xx x xx xxxx Portanto, 2)(lim 0 xf x 1.5 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Nos exercícios de 1 a 20, calcule os limites. 1. 854 5 lim 23 2 1 xxx xx x 2. 32 2 lim 3 2 x x x 3. 2 32 lim 5 2 x x x 4. x x x 3 27 lim 3 3 5. xx xx x 2 3 0 lim 6. 1 1 lim 5 1 x x x 7. 23 12 lim 3 2 1 xx xx x 8. 65 474 lim 3 23 1 xx xxx x 9. 35 23 lim 23 3 1 xxx xx x 10. 158 65 lim 2 2 3 xx xx x 11. 45 23 lim 2 2 1 xx xx x 12. 375 23 lim 23 3 1 xxx xx x 13. 2 23 lim 2 2 x xx x 14. 32 2795 lim 2 234 1 xx xxxx x 15. 24269 6116 lim 23 23 2 xxx xxx x 16. 3 6 lim 2 3 x xx x 17. 1 1 lim 1 x x x 18. 3 9 lim 9 x x x 19. 2 2 lim 2 x x x 20. h xhx h 0 lim Nos exercícios de 21 a 24, calcule (se existir) os limites: 21. )(lim 1 xf x , sendo 1,53 1,1 )( xsex xsex xf 22. )(lim 1 xf x , sendo 1,26 1,12 )( 2 2 xsex xsexx xf 23. )(lim 0 xf x , sendo 0,2 0,21 )( 3 2 xsex xsex xf 24. )(lim 2 xf x , sendo 2,1 2, 2 4 )( 2 xse xse x x xf Nos exercícios de 25 a 34, calcule o limite envolvendo infinito: 25. )752(lim 23 xx x 26. ) 21 3(lim 2xxx 27. 3 423 lim 3 35 x xx x 28. 12 54 lim 3 3 x x x 29. 1 2 lim 3t t t 30. 13 25 lim 34 23 xxx xxx x 31. 2 25 1 53 lim tt tt t 32. 12 427 lim 2 2 x xx x Nos exercícios de 33 a 36, calcule (se existir) os limites laterais: 33. 4 3 lim 2 2 xx 34. 3 1 lim 3 xx 35. xx 1 5 lim 1 36. 2 3 )3( 1 lim xx 2. CONTINUIDADE 2.1. INTRODUÇÃO Em matemática, a expressão “contínuo” é utilizada com o mesmo significado da linguagem cotidiana, como, “em que não há interrupção”. Os fenômenos contínuos desempenham um papel importante em nossas vidas. O tempo é “contínuo” não salta de minuto a minuto, por exemplo, de 12 horas para 12 horas e 1 minuto ou para 12 horas e 1 segundo, deixando lapsos de tempo de 1 minuto e 1 segundo, respectivamente. Assim, quando deixamos um objeto cair do alto de uma torre de 50 metros, seu movimento é contínuo. O objeto passa por todas as altitudes entre 50 metros e 0 metros antes de atingir o solo. Ao aumento do volume de água num reservatório, enquanto está sendo enchido é também contínuo. Intuitivamente, dizer que uma função é contínua em cx , significa que não há interrupção do gráfico em c , ouseja, não há “buracos”, “saltos” ou “lacunas” no gráfico da função em c . Informalmente, função contínua é aquela cujo gráfico pode ser traçado sem “levantarmos” o lápis do papel. Apesar da simplicidade deste conceito, sua definição precisa escapou aos matemáticos durante muitos anos. Somente, em princípios do século XIX é que se formulou finalmente uma definição precisa. 2.2. DEFINIÇÃO Uma função ƒ é contínua em um número c, se satisfaz as seguintes condições: i) ƒ (c) existe ii) )(lim xf cx existe iii) )()(lim cfxf cx Se uma ou mais dessas condições não se verificar, dizemos que ƒ é descontínua, ou tem uma descontinuidade em c . Ao utilizarmos esta definição para mostrar que uma função ƒ é contínua em c , basta verificarmos a condição (iii) , por que se )()(lim cfxf cx , então )(cf deve estar definida e também o )(lim xf cx deve existir, ou seja as duas primeiras condições estão satisfeitas automaticamente. Exemplo 1. Verifique se a função 1,0 1, 1 1 )( 2 xse xse x x xf é contínua em 1x Solução. a) 0)1(f (existe) b) )(lim 1 xf x 0 0 1 1 lim 2 1 x x x 2)1(lim 1 )1()1( lim 1 1 lim 11 2 1 x x xx x x xxx (existe) c) )(lim 1 xf x )1(f Portanto, )(xf é descontínua em 1x . Exemplo 2. Verifique se a função 2,12 2,1 )( 2 xsex xsex xf é contínua em 2x . Solução. a) 512)2( 2f (existe) b) )(lim 2 xf x 5)12(lim)(lim 22 xxf xx 512)1(lim)(lim 22 22 xxf xx c) )(lim 2 xf x 5)2(f Portanto, )(xf é contínua em 2x . Respostas: 1. 8 3 2. 10 3. 80 4. 27 5. 1 6. 5 7. 3 1 8. 4 1 9. 4 3 10. 2 1 11. 3 1 12. 2 3 13. 1 14. 0 15. 2 1 16. 5 17. 2 18. 6 19. 22 1 20. x2 1 21. 2 22. 4 23. )(lim 0 xfexistenão x 1)(lim2)(lim 00 xfexfpois xx 24. 4 25. 26. 3 27. 28. 2 29. 0 30. 0 31. 32. 2 7 33. 34. 35. 36.
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