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Função Logarítmica Prof.o Ricardo Reis Universidade Federal do Ceará Campus de Quixadá 8 de maio de 2014 1 Logaritmos 1.1 Definição Seja a potência ab = c com a, b, c ∈ R e ainda a, c > 0 e a 6= 1. Então dizemos que, b = loga c (1) e lemos b é igual ao logaritmo de c na base b. Matematicamente diz-se que o logaritmo é o inversa da exponencial. São exemplos de logaritmos, log2 16 = 4 ⇒ 24 = 16 log10 100 = 2 ⇒ 102 = 100 log10 0.001 = −3 ⇒ 10−3 = 0.001 log0.5 4 = −2 ⇒ 0.5−2 = 1 0.52 = 1 0.25 = 4 Quando a base é omitida, ela vale 10. Por exemplo, log x equivale log10 x. A notação lnx é conhecida como logaritmo natural ou lo- garitmo neperiano e equivale a loge x onde e é o número de Euler (número irracional de valor aproximado 2.7183). 1.2 Propriedades Se a, b, c, d ∈ R+∗ então são válidas as propri- edades, logc (a · b) = logc (a) + logc (b) (2) logc (a b ) = logc (a)− logc (b) (3) logc (a n) = n logc (A) n ∈ R (4) logc (a) = logd (a) logd (c) (5) logc (a) = 1 loga (c) (6) logc (c a) = a (7) logc (c) = 1 (8) logc (1) = 0 (9) ILUSTRAÇÃO 1 Simplificar a expressão log2 ( 83 · 27) SOLUÇÃO Utilizando propriedades de logaritmos te- mos, log2 ( 83 · 27) = log2 (83)+ log2 (27) = 3 · log2 (8) + 7 · log2 (2) = 3 · 3 + 7 · 1 = 9 + 7 = 16 Ou simplesmente, log2 ( 83 · 27) = log2 ((23)3 · 27) = log2 ( 29 · 27) = log2 ( 216 ) = 16 1.3 Reduções Consideremos expressões aritméticas cujas únicas operações são multiplicações (que podem inclusive aparacer em forma de po- tências) e divisões. Em geral o desenvolvi- mento destas expressões é computacional- mente dispendioso pois tanto a operação de 1 multiplicação quanto a de divisão são len- tas quando comparadas com as operações de soma e subtração. Uma maneira de re- duzir o esforço desta computação é utili- zando logaritmos. A ideia é aplicar log na expressão de entrada e depois reduzi-la a soma e subtrações de logaritmos. Com- putacionalmente falando, apesar de o loga- ritmo ser também de determinação lenta, após a redução das expressões descritas, eles aparecem em quantidade substancial- mente menor. As ilustrações a seguir de- monstram isso. ILUSTRAÇÃO 2 Reduzir a expressão 221 · 711 312 utilizando logaritmos. SOLUÇÃO O total de multiplicações e divisões nessa expressão vale, 21 + 11 + 12 + 1 + 1 = 46 Aplicando o logaritmo temos, log ( 221 · 711 312 ) = log ( 221 ) + log ( 711 )− log (312) = 21 log (2) + 11 log (7)− 12 log (3) Note que para computar esta expressão são necessários apenas 3 logaritmos, 3 multi- plicações, 1 soma e uma subtração. Note também que este processo retorna y = log x onde x é o valor da expressão inicial. Logo adicionalmente, pela própria definição de logaritmo, deve-se usar x = 10y. ILUSTRAÇÃO 3 Se a = log 2 e b = log 3 então escrever o número log 31104 em função de a e b. SOLUÇÃO Fatorando 31104 em potências de fatores primos, obtemos, log 31104 = log ( 27 · 35) = 7 log 2 + 3 log 3 = 7a + 3b 1.4 Equações Exponenciais Equações exponenciais cujos termos não podem ser reduzidas a a uma base comum podem ser resolvidas com uso de logarit- mos. A ideia neste caso é, ao invés de igualar bases, separam-se termos de um mesmo expoente que é função de x. O passo seguinte é isolar x utilizando loga- ritmos. As ilustrações seguintes mostram como isso é feito. ILUSTRAÇÃO 4 Resolver a equação 2x = 5x · 11. SOLUÇÃO 2x = 5x · 11( 2 5 )x = 11 x = log 2 5 (11) ILUSTRAÇÃO 5 Resolver a equação 2x = 5x+2 SOLUÇÃO 2x = 5x+2 2x = 5x · 52 (2/5)x = 25 x = log2/5 (25) ILUSTRAÇÃO 6 Resolver a equação 2x+1 − 2x = 3x+2 − 3x SOLUÇÃO 2x+1 − 2x = 3x+2 − 3x 2x · 2− 2x = 3x · 32 − 3x 2x · (2− 1) = 3x · (32 − 1) 2x = 3x · 8 (2/3)x = 8 x = log2/3 (8) ILUSTRAÇÃO 7 Resolver a equação 3x+1 + 18 3x = 29 SOLUÇÃO Fazendo y = 3x, temos, 3x+1 + 18 3x = 29 3x · 3 + 18 3x = 29 3y + 18 y = 29 2 3y2 + 18 = 29y 3y2 − 29y + 18 = 0 ⇒ ∆ = (−29)2 − 4(3)(18) = 625 y = 29±√625 2(3) y = 29± 25 6 y = {2 3 , 9} 3x = {2 3 , 9} x = {log3 ( 2 3 ) , log3 (9)} x = {log3 ( 2 3 ) , 2} 1.5 Equações Logarítmicas De forma similar às equações exponenci- ais, equações que envolvem logaritmos pre- cisam primeiramente ter seus termos leva- dos a uma base comum para então igualar os operandos e finalizar a resolução. Mate- maticamente, logc (A) = logc (B)⇒ A = B Em geral a relação da equação-(5) é útil como mostram as ilustrações seguintes. ILUSTRAÇÃO 8 Resolver a equação, log5 (3x + 2) = log5 (7− 2x) SOLUÇÃO log5 (3x + 2) = log5 (7− 2x) 3x + 2 = 7− 2x 5x = 5 x = 1 Note que ainda é necessário testar se x = 1 é operável pelos logaritmos, log5 (3x + 2)⇒ log5 (3(1) + 2) = log5 (5) = 1 log5 (7− 2x)⇒ log5 (7− 2(1)) = log5 (5) = 1 Logo x = 1 é solução. ILUSTRAÇÃO 9 Resolver a equação, log2 ( x2 − 10) = log2 (2x + 5) SOLUÇÃO log2 ( x2 − 10) = log2 (2x + 5) x2 − 10 = 2x + 5 x2 − 2x− 15 = 0 ⇒ ∆ = (−2)2 − 4(1)(−15) = 64 x = 2±√64 2(1) x = 2± 8 2 x = {−3, 5} Testando valores de x, x = −3⇒ log2 ( (−3)2 − 10) = log2 (−1) x = 5⇒ log2 ( (5)2 − 10) = log2 (15) Note que x = −3 não é operável. Logo a solução da equação é S = {5}. ILUSTRAÇÃO 10 Resolva a equação, log4 ( 2x2 + 5x + 4 ) = 2 SOLUÇÃO log4 ( 2x2 + 5x + 4 ) = 2 2x2 + 5x + 4 = 42 2x2 + 5x− 12 = 0 ⇒ ∆ = (5)2 − 4(2)(−12) = 121 x = −5±√121 2(2) x = −5± 11 4 x = {3/2, −4} Testando os valores de x encontrados, log4 ( 2(3/2)2 + 5(3/2) + 4 ) = log4 (16) = 2 log4 ( 2(−4)2 + 5(−4) + 4) = log4 (16) = 2 Logo a solução da equação é x = {3/2, −4}. ILUSTRAÇÃO 11 Resolver a equação, logx (5x + 2) = logx (3x + 4) 3 SOLUÇÃO logx (5x + 2) = logx (3x + 4) 5x + 2 = 3x + 4 2x = 2 x = 1 Testando os dois logaritmos, os operandos obtidos são 5(1) + 2 = 7 e 3(1) + 4 = 7. En- tretanto como a base dos logaritmos é x e a base de um logaritmo de ser diferente de 1 então nosso conjunto solução é vazio, ou S = �. 2 Definição A função logarítmica básica é definida como, f(x) = logc (x) (10) onde {0 < c 6= 1|c ∈ R} e x ∈ R+∗ . A generali- zação da equação-(10) tem forma, f(x) = logc [u(x)] (11) onde u(x) é uma função real de x com 0 < c 6= 1. 3 Domínio O domínio da função da equação-(11) é de- terminado de acordo com a imagem de u(x). De forma geral o domínio de f(x) é o sub- conjunto do domínio de u(x) cujo sinal da imagem (de u(x)) é positivo (de outra forma invalidaria o operador log). Note ainda que se um ou mais números não fazem parte do domínio de u(x) então eles também não fazem parte do domínio de f(x). ILUSTRAÇÃO 12 Determinar domínio da função f(x) = log3 [x2 − 1]. SOLUÇÃO Neste caso u(x) = x2 − 1 cujo domínio são os reais e cuja parcela positiva da imagem ocorre quando x < −1 ∪ x > 1. Logo D(f) = {x ∈ R | x < −1 ∪ x > 1} ILUSTRAÇÃO 13 Determinar o domínio da função f(x) = log x− 1 x− 3 . SOLUÇÃO Neste exemplo temos que u(x) = x− 1 x− 3 cujo estudo de sinal da imagem revela que, y < 0 1 < x < 3 y = 0 x ∈ {1} y > 0 x < 1 ∪ x > 3 Como log só opera números positivos então temos que D(f) = {x ∈ R | x < 1 ∪ x > 3}. 4 Gráfico 4.1 Crescimento O gráfico da equação-(10) varia de acordo com o valor da base c. Quando 0 < c < 1 forma-se uma curva decrescente ao passo que quando c > 1 a curva formada é cres- cente. A figura a seguir ilustra os gráficos das funções f(x) = log2 (x) e g(x) = log0.5 (x), f(x) = log2 (x) f(x) = log0.5 (x) As curvas anteriores não tocam o eixo y apesar de se aproximarem infinitamente dele, ou seja, o eixo y é uma assíntota verti- cal da função logarítmica da equação-(10).Note também que ambas as funções pos- suem raiz em x = 1 pois f(0) = log2 (0) = 1 e g(0) = log0.5 (0) = 1. De uma forma geral, da equação-(10), como 0 < c 6= 1, logc (0) = 1. No caso geral, equação-(11), o cresci- mento/decrescimento de f(x) dependerá tanto do valor da base c quanto da fun- ção u(x). No caso em que c > 1 en- tão nos intervalos em que u(x) for cres- cente/decrescente, f(x) também será cres- cente/decrescente. Mas se 0 < c < 1 então quando u(x) for crescente/decrescente, f(x) 4 será decrescente/crescente. Vale ressaltar que apenas a parcela de domínio de u(x) com imagem positiva diz respeito a f(x). ILUSTRAÇÃO 14 Avaliar crescimento da função f(x) = log3 [1− x2]. SOLUÇÃO Neste caso c = 3 e u(x) = 1 − x2. Como c > 1 então as partes crescentes/decrescentes de u(x), de imagem positiva, são crescen- tes/decrescentes em f(x) também. A parte de imagem positiva de u(x) ocorre quando −1 < x < 1 e logo este intervalo representa o domínio de f(x). Como a parábola 1 − x2 é crescente em −1 < x < 0 e decrescente em 0 < x < 1 então f(x) é crescente em −1 < x < 0 e decrescente em 0 < x < 1. 4.2 Assíntotas A função da equação-(11) pode apresentar mais de uma assíntota. De fato cada raiz de u(x), se houver, representa uma assín- tota vertical de f(x). Além disso as assínto- tas verticais de u(x), se houverem, também serão assíntotas verticais de f(x). Se u(x) possui uma assíntota horizontal em y = d então f(x) possui uma assíntota horizontal em y = logc (d). ILUSTRAÇÃO 15 Determinar assíntotas da função f(x) = log2 [2x− 6], SOLUÇÃO Neste caso u(x) = 2x− 6. Como cada raiz de u(x) denota uma assíntota vertical fazemos, 2x− 6 = 0 x = 3 Assim há uma assíntota vertical, x = 3. Veja o gráfico, log(2x− 6) x = 3 ILUSTRAÇÃO 16 Determinar assíntotas da função, f(x) = log2 [ x− 2 x + 1 ] SOLUÇÃO Neste caso u(x) = x− 2 x + 1 . Como x = −1 anula o denominador sem anular o nume- rador de u(x) então representa uma assín- tota vertical de u(x) e consequentemente de f(x). Como os polinômios de u(x) possuem mesmo grau então u(x) possui uma assín- tota horizontal em y = 1 1 = 1 1 sendo conse- quentemente y = log(1) = 0 (eixo x) uma as- síntota horizontal de f(x). Além disso x = 2 é raiz de u(x) sendo logo outra assíntota vertical de f(x). Totalizam três assíntotas sendo duas verticais e uma horizontal. Veja o gráfico de f(x) a seguir, 4.3 Reflexão Consideremos a função f(x) = logb [u(x)] com 0 < b < 1. Além do mais seja c = 1 b de onde consequentemente deduz-se que c > 1. Como b = 1 c pode-se escrever f(x) como segue, f(x) = log 1 c [u(x)] = logc [u(x)] logc [ 1 c ] = logc [u(x)] −1 = − logc [u(x)] Sendo o reflexo em relação ao eixo x de uma função f(x) a função −f(x) então, deste último resultado, o reflexo de logc [u(x)] é 1razão de coeficientes dos monômios de maior grau 5 − logc [u(x)] = log 1 c [u(x)]. Na prática tal rela- ção é utilizada para converter bases logarít- micas no intervalo 0 < c < 1 para o intervalo c > 1. ILUSTRAÇÃO 17 Construir curvas das fun- ções f(x) = log0.5 (x) e g(x) = log1.3 (x) e seus respectivos reflexos em relação ao eixo x. SOLUÇÃO As funções reflexos de f e g são respectiva- mente, f ◦(x) = − log0.5 (x) = log2 (x) g◦(x) = − log1.3 (x) A figura a seguir ilustra as quatro curvas, f g f ◦ g◦ 4.4 Ampliação Em caso de multiplicação por uma cons- tante real k, ou seja f(x) = k logc [u(x)], o gráfico de f(x) pode tanto mudar na inten- sidade em que cresce (ou decresce) quanto em monotonia (passar de crescente para decrescente ou vice-versa). ILUSTRAÇÃO 18 Comparar comportamen- tos das funções f(x) = log x e g(x) = 3 · log x. SOLUÇÃO Os gráficos das funções são, f(x) = log x g(x) = 3 log x Note que ambas funções são crescentes mas que g cresce mais rapidamente do que f , ou seja, para um mesmo valor de domí- nio x o módulo dos valores de imagem de g são superiores ou iguais (em x = 1) aos de f . Note que isso se revela através da curva de g acima da de f quando x > 1 e logo abaixo quando 0 < x < 1. ILUSTRAÇÃO 19 Comparar comportamen- tos das funções f(x) = log x e g(x) = −2·log x. SOLUÇÃO A função g tem como reflexo em relação ao eixo x a função g◦(x) = 2 log x que está acima de f . A figura a seguir ilustra as três fun- ções, f(x) = log x g◦(x) = 2 log x g(x) = −2 log x 4.5 Análise de Sinal Uma vez determinado o domínio e as assín- totas de uma função logarítmica é necessá- rio ainda, para efetuar um esboço de grá- fico, saber a forma como a função se apro- xima de uma assíntota vertical (veja figura a seguir), ou seja, se se aproxima dela com valores de imagem positivos (f3 e f4) ou ne- gativos (f1 e f2). f1f2 f3f4 Da equação-(11), quando c > 1, tem-se que quando 0 < u(x) < 1 então a imagem de f(x) 6 possui valores negativos haja vista que o lo- garitmo de valores no intervalo (0, 1) são ne- gativos. Porém se u(x) > 1 então os valores de imagem da função são positivos. Em re- sumo o estudo de sinal da função, v(x) = u(x)− 1 (12) estabelece o comportamento do sinal da imagem de f(x). Na prática se x = a é uma assíntota vertical de f(x) então o sinal de v(x) nas vizinhanças de a equivale ao sinal da imagem de f(x) na mesma vizinhança. ILUSTRAÇÃO 20 Esboçar o gráfico da fun- ção f(x) = log [x2 − 1]. SOLUÇÃO Sendo u(x) = x2 − 1 então x = ±1 são raízes de u(x) e consequentemente assíntotas ver- ticais de f(x). Pelo estudo de sinal de u(x) tem-se que o domínio de f(x) deve ser, D(f) = {x < −1 ∪ x > 1 |x ∈ R} Fazendo f(x) = 0 calculamos as raízes de f(x), log [ x2 − 1] = 0 x2 − 1 = 100 = 1 x2 = 2 x = ± √ 2 Como ±√2 pertencem ao domínio de f então representam de fato raízes. Da equação-(12) tem-se que, v(x) = x2 − 1− 1 = x2 − 2 cujo estudo de sinal, no intervalo do domí- nio de f revela, v(x) < 0⇒ x < − √ 2 ∪ x > √ 2 v(x) = 0⇒ x = ± √ 2 v(x) > 0⇒ − √ 2 < x < −1 ∪ 1 < x < √ 2 Assim a curva de f se aproxima da assín- tota x = −√2 pela direita com valores de imagem negativos e pela esquerda com va- lores de imagem positivos. Similarmente f se aproxima da assíntota x = √ 2 pela direita com valores de imagem positivos e pela esquerda por valores de imagem nega- tivos. O esboço do gráfico deve ser, −3 −2 −1 1 2 3 −2 −1 1 ILUSTRAÇÃO 21 Esboçar gráfico da função f(x) = log2 [ x2 − 4 x + 8 ] SOLUÇÃO Tomando u(x) = x2 − 4 x + 8 obtemos as raízes x = ±2 e a assíntota vertical x = −8. Logo f(x) possui três assíntotas verticais, x = −8, x = −2 e x = 2. O estudo de sinal de u(x) revela que, u(x) < 0⇒ x < −8 ∪ −2 < x < 2 u(x) = 0⇒ x = ±2 u(x) > 0⇒ −8 < x < −2 ∪ x > 2 Logo o domínio de f(x) deve ser, D(x) = {−8 < x < −2 ∪ x > 2} Fazendo f(x) = 0 obtemos as raízes da fun- ção, log2 [ x2 − 4 x + 8 ] = 0 x2 − 4 x + 8 = 1 x2 − 4 = x + 8 x2 − x− 12 = 0 ⇒ ∆ = (−1)2 − 4(1)(−12) = 49 x = 1±√49 2 x = {−3, 4} Como −3 e 4 pertencem ao domínio de f(x) então são de fato raízes. Da equação-(12), v(x) = x2 − 4 x− 8 − 1 = x2 − x− 12 x− 8 Cujo estudo de sinal mostra que, 7 x2 − x− 12 x− 8 v(x)−8 −3−2 2 4 + − − + + + − + − − + − − + − + + + onde a parte destacada é o domínio de f(x). Note que à direita da assíntota x = −8 a imagem deve tender a valores positivos. à esquerda da assíntota x = −2 a imagem vai para valores negativos. Por fim à esquerda da assíntota x = 2 a imagem tende a valores negativos. Eis o esboço, −8 −6 −4 −2 2 4 6 −2 2 4 5 Exercícios Simplifique as equações a seguir, 1. log27 (81) 2. log125 (25) 3. log25 (0.008) 4. log2 (√ 2 ) 5. log 3√5 ( 4 √ 5 ) 6. log 3√4 ( 1√ 8 ) 7. 8log4 (5) 8.32−log3 (6) 9. 92−log3 ( √ 2) Reduzir as equações logarítmicas a seguir, 10. log2 ( 2ab c ) 11. log3 ( a3b2 c4 ) 12. log ( a3 b2 √ c ) 13. log ( ab3 c 3 √ a2 ) 14. log 3√a4√ab b3 3 √ bc 2 Se a = log 2 e b = log 3 colocar em função de a e b os seguintes logaritmos decimais, 15. log 6 16. log 5 17. log √ 2 18. log 4 19. log 0.5 20. log 15 Resolva os seguintes problemas 21. Se a = log20 (2) e b = log20 (3) calcule log6 (5). 22. Se logab (a) = 4, calcule logab ( 3 √ a√ b ) 23. Se a = log12 (27), calcule log6 (16). 24. Calcular A = log3 (5) · log4 (27) · log25 (√ 2 ) . Marque verdadeiro ou falso nas expressões a seguir, 25. log2 (3) > log2 (0.2) 26. log4 (0.1) > log4 (0.9) 27. log0.1 (0.13) > log0.1 (0.32) 28. log0.5 ( 2 3 ) > log0.5 ( 3 4 ) Resolva as equações a seguir, 8 29. 23x−2 = 32x+1 30. 72x−1 = 33x+4 31. 5x−1 = 34−2x 32. 3x = 2x + 2x+1 33. 5x + 5x+1 = 3x + 3x+1 + 3x+2 34. 23x+2 · x2x−1 = 8 35. 4x+1 − 2x+4 + 16 = 0 36. logx (3x 2 − 13x + 15) = x 37. log√x (2x2 + 5x + 6) = 4 38. logx−1 (x3 − x2 + x− 3) = 3 39. log3 (2x) log3 (4x− 15) = 2 Para as funções logarítmicas a seguir deter- minar domínio, raízes, assíntotas, análise de crescimento e esboço de gráfico, 40. f(x) = log3 (x) 41. f(x) = log 1 3 (x) 42. f(x) = log2 (x− 1) 43. f(x) = log2 (x2) 44. f(x) = log3 (2x− 1) 45. f(x) = log2 (1− 2x) 46. f(x) = log (x2 + x− 12) 47. f(x) = log5 (x2 − 14x + 33) 48. f(x) = log3 [(x− 1)(2− x)(6− 3x)] 49. f(x) = 2 + log2 (x) 50. f(x) = 1 + log 1 2 (x) 51. f(x) = log5 [ x + 1 1− x ] 52. f(x) = log3 [ x2 − 4x + 3 x2 − 9 ] 53. f(x) = log3 [ x2 + 1 x3 − 27 ] 54. f(x) = log4 [ 2− 5x 1 + x4 ] 55. f(x) = log2 [ x4 + 14 6 + x2 ] 56. f(x) = log2 ( √ x) 57. f(x) = log2 [ 2√ 4− x2 ] Para cada f(x) a seguir determine o gráfico de −f(x), f(−x), 2f(x) e −2f(x), 58. f(x) = log3 (2x− 1) 59. f(x) = log0.5 (4− 12x) 60. f(x) = log4 (1− x2) 61. f(x) = log0.8 (x2 − 16) 9
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