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Matemática Elementar Material Didático Agosto 2015 Equipe de Matemática: (PCNA - Agosto de 2015) José Benício da Cruz Costa (Coordenação) Monitores: Daniel de Souza Avelar da Costa Fernanda Lacerda Palheta João Marcos Costa de Oliveira Lucas Carvalho de Paula Matheus Roberto Martins Batista Murilo Henrique Silva da Silva Universidade Federal do Pará Equipe de Professores Alexandre Guimarães Rodrigues (Coordenação Geral) Matemática: José Benício da Cruz Costa (Coordenação) Rosana Paula de Oliveira Soares Rita de Cássia Carvalho Silva Química: Shirley Cristina Cabral Nascimento (Coordenação) Marlice Cruz Martelli Ana Rosa C.L.M. Duarte Marcos Vinícius de Souza Pinto Física: Alexandre Guimarães Rodrigues (Coordenação) José Benício da Cruz Costa i Sumário 1. Aritmética e Expressões Algébricas ............ 2 1.1.Operações com Números Fracionários ..... 2 1.2. Potenciação e Radiciação ........................ 3 1.3. Logaritmos ............................................... 4 1.4. Racionalização ......................................... 6 1.5. Polinômios ............................................... 7 1.6. Operações Com Expressões Algébricas. 11 Exercícios ..................................................... 15 Gabarito de Aritmética e Expressões Algébricas .............................................. 17 2. Intervalos, Inequações e Módulo ....... 18Erro! Indicador não definido. 2.1. Intervalos Erro! Indicador não definido.18 2.2. Inequações ................ Erro! Indicador não definido.18 2.3. Módulo ou Valor Absoluto ...................... 19 Exercícios ..................................................... 23 Gabarito de Intervalos, Inequações e Módulo 25 3. Função ...................................................... 26 3.1. Definição ................................................ 26 3.2. Domínio, Contradomínio e Imagem ........ 26 3.3. Tipo de Funções .................................... 28 3.4. Gráfico de Funções ................................ 31 3.5. Função Polinomial de 1° Grau ................ 32 3.6. Função Polinomial de 2° Grau ................ 33 3.7. Função Exponencial .............................. 36 3.8. Função Logarítmica............................... 37 3.9. Função Inversa ...................................... 37 3.10. Função Composta ............................... 38 Exercícios ..................................................... 40 Gabarito de Função ...................................... 42 ii 4. Geometria ................................................. 43 4.1. Sistema de Coordenadas Cartesianas Retangulares ou Plano Cartesiano ......... 43 4.2. Distância Entre Dois Pontos No Plano Cartesiano .............................................. 43 4.3. Coeficiente Angular e Equação da Reta . 44 4.4. Semelhança ........................................... 46 4.5. Área ....................................................... 47 4.6. Volumes ................................................. 49 Exercícios ..................................................... 51 Gabarito de Geometria .................................. 52 5. Trigonometria ............................................ 53 5.1. Conceitos Iniciais ................................... 53 5.2. Círculo Trigonométrico ........................... 55 5.3. Relações Trigonométricas Inversas ....... 59 5.4. Identidades Trigonométricas .................. 60 5.5. Funções Trigonométricas ....................... 60 5.6. Sistema de Coordenadas Polares .......... 63 Exercícios ..................................................... 66 Gabarito de Trigonometria ............................ 67 6. Limite ........................................................ 68 7. Derivada ................................................... 74 8. Integral ...................................................... 82 3 1. Aritmética e Expressões Algébricas 1.1.Operações com Números Fracionários 1.1.1 Soma e Subtração 1º Caso: Para a soma ou subtração de duas frações deve- se observar se as mesmas possuem o mesmo denominador. Neste caso, o resultado é uma nova fração onde o numerador é a soma dos numeradores e o denominador é o mesmo das frações que estão sendo somadas, de acordo com a regra geral: a b a b c c c Veja alguns exemplos: Ex1: 2 4 2 4 6 5 5 5 5 Ex2: 23 3 23 3 26 10 10 10 10 Ex3: 9 2 1 9 2 1 10 8 8 8 8 8 2º Caso: Para frações que não possuem o denominador em comum, deve-se determinar com antecedência o mínimo múltiplo comum (MMC) de todos os denominadores das frações envolvidas, de modo a igualar os denominadores e aplicar a regra acima. 2 9 ? 3 4 O MMC é obtido a partir da fatoração dos denominadores, como segue abaixo: 4,3 2 2,3 2 1,3 3 1,1 2.2.3 12 O MMC então é igual a 12. Prossegue-se adotando o 12 (MMC) como denominador comum para as duas frações e determinando um novo numerador para ambas, o qual é obtido dividindo-se o MMC pelo antigo denominador e multiplicando este resultado pelo antigo numerador, como abaixo: 2 9 (12 3) 2 (12 4) 9 8 27 35 3 4 12 12 12 12 Outra forma de solução para igualar os denominadores do exemplo anterior é multiplicar e dividir uma das frações pelo denominador da outra fração envolvida. O mesmo procedimento deverá ser efetuado na outra fração. Observe: 2 9 2 4 9 3 8 27 35 3 4 3 4 4 3 12 12 12 Ou ainda segundo a regra geral: 𝑎 𝑏 + 𝑐 𝑑 = 𝑎𝑑 + 𝑏𝑐 𝑏𝑑 2 3 + 9 4 = 2 × 4 + 3 × 9 3 × 4 = 35 12 Verifica-se que o resultado obtido foi o mesmo quando se calculou usando o MMC. Ressalta-se que esta forma de cálculo é aconselhável quando a operação envolve poucas frações, visto que no caso de mais frações envolvidas os cálculos poderão ser mais trabalhosos e, consequentemente, levar a resultados errados. 2 8 7 ? 5 9 12 5,9,12 2 5,9,6 2 5,9,3 3 5,3,1 3 5,1,1 5 1,1,1 2 2 3 3 5 180 2 8 7 (180 5) 2 (180 9) 8 (180 12) 7 72 160 105 127 5 9 12 180 180 180 180 180 180 180 2 8 7 (180 5) 2 (180 9) 8 (180 12) 7 72 160 105 127 5 9 12 180 180 180 180 180 180 180 4 1.1.2 Multiplicação de Números Fracionários O produto de duas ou mais frações é o produto dos seus numeradores dividido pelo produto dos seus denominadores. Ex1: 3 21 3 21 63 63 21 3 14 15 14 15 210 210 21 10 Ex2: 1 2 1 2 2 10 5 10 5 50 Ex3 5 2 10 5 2 10 5 2 50 2 (12 3) 50 (12 4) 2 10 3 4 1 3 4 1 3 4 3 4 12 12 5 2 10 5 2 10 5 2 50 2 (12 3) 50 (12 4) 2 10 3 4 1 3 4 1 3 4 3 4 12 12 5 2 200 6 206 10 3 4 12 12 12 Com o objetivo de facilitar os cálculos pode-se primeiramente simplificar as frações envolvidas para depois efetuar os cálculos multiplicativos: 3 21 (3 3) 21 1 21 1 (21 7) 1 3 1 3 3 14 15 14 (15 3) 14 5 (14 7) 5 2 5 2 5 10 1.1.3. Divisão de Números Fracionários Para o caso de divisão entre frações procede-se multiplicando a primeira fração pelo inverso da segunda: a a d a db c b c b c d Exemplos: Ex1: 1 1 5 57 2 7 2 14 5 Ex2: 11 11 10 11 55 5 11 11 2 5 2 5 5 10 Ex3: 35 35 12 (35 7) (12 4) 5 3 1514 28 14 28 (14 7) (28 4) 2 7 14 12 35 35 12 (35 7) (12 4) 5 3 1514 28 14 28 (14 7) (28 4) 2 7 14 12 1.2. Potenciação e Radiciação Sendo a e b números reais não nulos, m e n inteiros, tem-se as seguintes regras para a potenciação e radiciação: Potenciação 1) Potência de expoente nulo e igual a 1: 𝑎0 = 1 𝑒 𝑎1 = 𝑎 2) Potencia de expoente negativo: 𝑎−𝑚 = ( 1 𝑎 ) 𝑚 3) Multiplicação de potência (= base): 𝑎𝑚. 𝑎𝑛 = 𝑎𝑚+𝑛 4) Multiplicação de potência (≠ base): 𝑎𝑚. 𝑏𝑚 = (𝑎. 𝑏)𝑚 5) Divisão de potência (= base): 𝑎𝑚: 𝑎𝑛 = 𝑎𝑚−𝑛 6) Divisão de potência (≠ base): 𝑎𝑚: 𝑏𝑚 = (𝑎: 𝑏)𝑚 7) Potência de expoente fracionário: 𝑎 𝑚 𝑛 = √𝑎𝑚 𝑛 8) Potência de uma potência: (𝑎𝑚)𝑛 = (𝑎)𝑚.𝑛 3 21 (3 3) 21 1 21 1 (21 7) 1 3 1 3 3 14 15 14 (15 3) 14 5 (14 7) 5 2 5 2 5 10 5 Exemplos: Ex1: 4 1 4 1 32 2 2 2 2 2 2 8 Ex2: 2 3 3 2 610 10 10 Ex3: 3 3 3 3 2 7 7 7 7 7 343 7 2 2 2 2 2 8 Ex4: 6 3 6 3 94 4 4 4 262144 Ex5: 5 5 52 11 2 11 32 161051 5153632 Radiciação 1) Raiz elevada a expoente de mesmo índice: ( √𝑎 𝑚 )𝑚 = 𝑎 2) Raiz em forma de potência: √𝑎 2 = 𝑎 1 2 3) Raiz de uma raiz: √√𝑎 𝑛𝑚 = √𝑎 𝑚.𝑛 4) Raiz de um produto e produto de raízes: √𝑎. 𝑏. 𝑐 𝑚 = √𝑎 𝑚 . √𝑏 𝑚 . √𝑐 𝑚 5) Raiz de um quociente e quociente de duas raízes: √ 𝑎 𝑏 𝑚 = √𝑎 𝑚 √𝑏 𝑚 6) Raiz de uma potência e potência de uma raiz: ( √𝑎 𝑚 )𝑛 = √𝑎𝑛 𝑚 7) Inversamento: 𝑎 √𝑏 𝑚 = √𝑎𝑚𝑏 𝑚 Exemplos: Ex1: √5 = 5 1 2 Ex1: 33 3 13 38 2 2 2 2 Ex2: 44 2216 2 2 2 4 Ex3: 22 2 220 2 5 2 5 2 5 2 5 Ex4: 333 33 2 3 23 3 3372 2 3 2 3 2 9 2 9 1.3. Logaritmos O logaritmo de a na base b é o expoente c que devemos atribuir ao número b para obter a. 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 = 𝑐 ↔ 𝑏 𝑐 = 𝑎. onde 𝑎 > 0; 𝑏 > 0 𝑒 𝑏 ≠ 1. Isto é ilustrado nos seguintes exemplos: Ex1: 𝑙𝑜𝑔2 4 = 𝑥 → 2 𝑥 = 4 →2𝑥 = 22 ∴ 𝑥 = 2, Ex2: 𝑙𝑜𝑔3 27 = 𝑑 → 3 𝑑 = 27 →3𝑑 = 33 ∴ 𝑑 = 3, Ex3: 𝑙𝑜𝑔3 ( 1 81 ) = 𝑓 → 3𝑓 = 1 81 →3𝑓 = 1 34 → 3𝑓 = 3−4 ∴ 𝑓 = −4, Ex4: 𝑙𝑜𝑔2 ( 1 32 ) = 𝑔 → 2𝑔 = 1 32 → 2𝑔 = 1 25 → 2𝑔 = 2−5 ∴ 𝑔 = −5 Ex5: 𝑙𝑜𝑔3 1 = ℎ → 3 ℎ = 1 → 3ℎ = 30 ∴ ℎ = 0 O 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 é definido somente para 𝑎 ∈ ℝ+ ∗ . 1.3.1. Tipos particulares de logaritmos A notação para o logaritmo decimal, cuja base é igual a 10, é 𝑙𝑜𝑔 𝑎 como é indicado nos exemplos a seguir: Ex1: 𝑙𝑜𝑔 100 = 𝑐 → 10𝑐 = 100 → 10𝑐 = 102 ∴ 𝑐 = 2 Ex2: 𝑙𝑜𝑔 1000 = 𝑐 → 10𝑐 = 1000 → 10𝑐 = 103 ∴ 𝑐 = 3 Ex3: 𝑙𝑜𝑔 ( 1 10 ) = 𝑐 → 10𝑐 = 1 10 → 10𝑐 = 10−1 ∴ 𝑐 = −1 Ex4: 𝑙𝑜𝑔 ( 1 10000 ) = 𝑐 → 10𝑐 = 1 10000 → 10𝑐 = 10−4 6 ∴ 𝑐 = −4 A notação para o logaritmo natural, cuja base é o número de (Euler 𝑒) é: 𝑙𝑛 𝑎 como está ilustrado nos exemplos a seguir: Obs: Logaritmo natural não é a mesma coisa que logaritmo neperiano. Logaritmo neperiano é o logaritmo cuja base é 1 𝑒 . Ex1: 𝑙𝑛 𝑒 = 𝑐 → 𝑒𝑐 = 𝑒 ∴ 𝑐 = 1, Ex2: 𝑙𝑛 𝑒3 = 𝑐 → 𝑒𝑐 = 𝑒3 ∴ 𝑐 = 3 Ex3: 𝑙𝑛 1 𝑒4 = 𝑐 → 𝑒𝑐 = 1 𝑒4 → 𝑒𝑐 = 𝑒−4 ∴ 𝑐 = −4. Exemplo: Encontre o valor de 𝑙 = 𝑙𝑜𝑔3 9 + 𝑙𝑜𝑔2 ( 1 2 ) 𝑙𝑜𝑔 100 + + 𝑙𝑛 𝑒−3 + 𝑙𝑜𝑔 1000 − 𝑙𝑜𝑔4(1/16) 𝑙𝑛 𝑒2 + 𝑙𝑜𝑔 10 + 𝑙𝑜𝑔 100 Resolução: 𝑙 = 2 + 𝑙𝑜𝑔2 2 −1 𝑙𝑜𝑔 102 + (−3). 1 + 𝑙𝑜𝑔 103 − 𝑙𝑜𝑔4 4 −2 2 + 1 + 𝑙𝑜𝑔 102 𝑙 = 2 + (−1) 2 + (−3) + 3 − (−2) 2 + 1 + 2 = = 1 2 + 2 5 , 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: 𝑙 = 1.5 + 2.2 2.5 = 5 + 4 10 = 9 10 1.3.2. Propriedades dos logaritmos 1) Logaritmo de 1 em qualquer base b é 0. 𝑙𝑜𝑔𝑏 1 = 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑏 0 = 0 2) Logaritmo da base é 1. 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑏 = 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑏 1 = 1 3) Logaritmo de um produto 𝑙𝑜𝑔𝑏(𝑎. 𝑐) = 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 + 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑐 4) Logaritmo de um quociente 𝑙𝑜𝑔𝑏 ( 𝑎 𝑐 ) = 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 − 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑐 5) Logaritmo de uma potência 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 𝑛 = 𝑛 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 6) Potência de base b e expoente log𝑏 𝑎 é igual a 𝑎. 𝑏𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 = 𝑎 6) Mudança da base b para a base c 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎 = 𝑙𝑜𝑔𝑐 𝑎 𝑙𝑜𝑔𝑐 𝑏 Exemplos: Ex1: 𝑙𝑜𝑔2 16 = 𝑙𝑜𝑔2 2.8 = 𝑙𝑜𝑔2 2 + 𝑙𝑜𝑔2 8 = = 1 + 3 = 4 Ex2: 𝑙𝑜𝑔3 243 = 𝑙𝑜𝑔3 9.27 = 𝑙𝑜𝑔3 9 + 𝑙𝑜𝑔3 27 = = 2 + 3 = 5 Ex3: 𝑙𝑜𝑔4(16.64) = 𝑙𝑜𝑔4 16 + 𝑙𝑜𝑔4 64 = 2 + 3 = 5 Ex4: 𝑙𝑜𝑔(0,1 × √10) = 𝑙𝑜𝑔 0,1 + 𝑙𝑜𝑔√10 = 𝑙𝑜𝑔10−1+ 𝑙𝑜𝑔10 1 2 = −1 + 1 2 = − 1 2 Ex6: 𝑙𝑜𝑔2 ( 1 16 ) = 𝑙𝑜𝑔2 1 − 𝑙𝑜𝑔2 16 = 0 − 4 = −4 Ex7: 𝑙𝑜𝑔3 ( 27 81 ) = 𝑙𝑜𝑔3 27 − 𝑙𝑜𝑔3 81 = 3 − 4 = −1 Ex8: 𝑙𝑜𝑔2 ( 1024 256 ) = 𝑙𝑜𝑔2 1024 − 𝑙𝑜𝑔2 256 = 10 − 8 = 2 Ex9: 𝑙𝑜𝑔5 ( 25 625 ) = 𝑙𝑜𝑔5 25 − 𝑙𝑜𝑔5 625 = = 2 − 4 = −2 Ex10: 𝑙𝑜𝑔5 25 = 𝑙𝑜𝑔5 5 2 = 2 𝑙𝑜𝑔5 5 = 2.1 = 2 Ex11: 𝑙𝑜𝑔5 ( 1 125 ) = 𝑙𝑜𝑔5 5 −3 = (−3) 𝑙𝑜𝑔5 5 = − 3 7 Ex12: 𝑙𝑜𝑔4 1024 = 𝑙𝑜𝑔4 4 5 = 5 𝑙𝑜𝑔4 4 = 5.1 = 5 Ex13: 𝑙𝑜𝑔 0,0001 = 𝑙𝑜𝑔 10−4 = (−4) 𝑙𝑜𝑔 10 = = (−4)1 = −4 Ex14: 𝑙𝑜𝑔 0,001 = 𝑙𝑜𝑔 10−3 = (−3) 𝑙𝑜𝑔 10 = = (−3)1 = −3 Ex15: 4𝑙𝑜𝑔2 4 = 22.𝑙𝑜𝑔2 4 = 2𝑙𝑜𝑔2 4 2 = 2𝑙𝑜𝑔2 16 = 16 Ex17: 𝑒−3𝑙𝑛 𝑥 = 𝑒𝑙𝑛𝑥 −3 = 𝑥−3 Ex18: 𝑒−2.𝑙𝑛𝑥 3 = 𝑒𝑙𝑛𝑥 (−2).3 = 𝑒𝑙𝑛𝑥 −6 = 𝑥−6 Ex19 Encontre 𝑦 em função de 𝑥 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔2(2 . 8) + 𝑙𝑜𝑔5(125 . 5) + 𝑒 −2.𝑙𝑛 𝑥 𝑙𝑜𝑔 1000 + 𝑙𝑛 𝑒5 Resolução: 𝑦 = (𝑙𝑜𝑔2 2 + 𝑙𝑜𝑔2 8) + ( 𝑙𝑜𝑔5 125 + 𝑙𝑜𝑔5 5) +𝑒 𝑙𝑛𝑥−2 𝑙𝑜𝑔 103 + 5. 𝑙𝑛 𝑒 𝑦 = (1 + 3) + (3 + 1) + 𝑥−2 3 𝑙𝑜𝑔 10 + 5.1 𝑦 = 4 + 4 + 𝑥−2 3.1 + 5 = 8 + 𝑥−2 3 + 5 , 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: 𝑦 = 8 + 𝑥−2 8 = 8 8 + 𝑥−2 8 = 1 + ( 1 8 )𝑥−2 Para uma igualdade tem-se que 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑦 ↔ 𝑥 = 𝑦 como é ilustrado a seguir: Ex1: 2 𝑙𝑜𝑔2 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔2 4 → 𝑙𝑜𝑔2 𝑥 2 = 𝑙𝑜𝑔2 4 ∴ 𝑥 2 = 4 Ex2: 𝑙𝑛 𝑢 = − 𝑙𝑛 𝑡 → 𝑙𝑛 𝑢 = 𝑙𝑛 𝑡−1 ∴ 𝑢 = 𝑡−1 Ex3: e2x−1 = 1 → 𝑙𝑛(𝑒2𝑥−1) = 𝑙𝑛(1) → (2𝑥 − 1) 𝑙𝑛 𝑒 =0 → 2𝑥 − 1 = 0 → 𝑥 = 1 2 Observe que ln(𝑒2.𝑥−1) não é um produto de "ln" com "(𝑒2.𝑥−1)" , pois ln é uma função, ou seja, ln(𝑒2𝑥−1) = ln(1) é a aplicação do logaritmo ln na igualdade 𝑒2𝑥−1 = 1. Exemplo: Encontre o valor de 𝑥 na equação 3 𝑒4𝑥+8 = 1 Resolução: Para isolar a variável 𝑥 na equação é necessárioaplicar o logaritmo ln na igualdade, então: 3 𝑒4𝑥+8 = 1 → 𝑙𝑛[3 . 𝑒4𝑥+8] = 𝑙𝑛(1) aplicando as propriedades de logaritmo, tem-se: ln(3) + 𝑙𝑛(𝑒4𝑥+8) = 𝑙𝑛(𝑒0) (4𝑥 + 8) 𝑙𝑛(𝑒) = 0 − 𝑙𝑛 (3) (4𝑥 + 8). 1 = −𝑙𝑛 (3) 𝑥 = −8 − 𝑙𝑛(3) 4 𝑥 = −2 − 1 4 𝑙𝑛 (3) 1.4. Racionalização O objetivo nos cálculos realizados abaixo é retirar a raiz do denominador. A seguir serão mostrados diferentes casos para realizar a racionalização de denominadores: 1° Caso: O denominador possui somente uma raiz. Ex1: 30 2 30 2 30 2 30 2 30 2 15 2 2 22 2 2 2 4 30 2 30 2 30 2 30 2 30 2 15 2 2 22 2 2 2 4 Ex2: 3 3 63 6 3 6 3 6 3 6 3 6 6 6 4 6 4 6 3 4 2 84 6 6 4 6 6 4 6 6 4 36 3 3 63 6 3 6 3 6 3 6 3 6 6 6 4 6 4 6 3 4 2 84 6 6 4 6 6 4 6 6 4 36 8 Ex3: 2 5 7 2 7 5 7 2 7 35 2 7 352 5 7 77 7 7 7 7 7 49 2 5 7 2 7 5 7 2 7 35 2 7 352 5 7 77 7 7 7 7 7 49 2 5 7 2 7 5 7 2 7 35 2 7 352 5 7 77 7 7 7 7 7 49 2° Caso: Quando o denominador é composto por uma raiz somada a um número qualquer 23 4 5 23 4 23 5 92 23 523 4 5 24 5 4 5 16 254 5 4 5 4 4 5 4 5 5 5 = (23 × 4) − (23 × √5) 42 + (4 × √5) − (4 × √5) − √5 × 5 = 92 − (23 × √5) 16 − √25 = = 92 − (23 × √5) 16 − 5 = 92 − (23 × √5) 11 3° Caso: Ocorre quando se tem uma raiz dentro de outra raiz no denominador 2 21 3 7 21 3 7 21 3 7 3 7 3 7 3 7 3 7 3 3 7 3 7 7 7 2 21 3 7 21 3 7 21 3 7 3 7 3 7 3 7 3 7 3 3 7 3 7 7 7 = 21 3 7 21 3 7 21 3 7 9 7 23 7 3 7 Ainda há uma raiz no denominador e por isso deve-se usar o cálculo mostrado no caso 1. 21 6 2 721 2 3 721 3 7 2 21 2 3 7 2 22 2 2 2 21 6 2 721 2 3 721 3 7 2 21 2 3 7 2 22 2 2 2 4° Caso: Quando no denominador há uma raiz diferente da raiz quadrada Ex1: 5 5 5 52 1 3 3 3 5 3 5 5 5 52 2 1 3 2 5 21 7 21 7 21 7 21 7 3 7 77 7 7 7 5 5 5 52 1 3 3 3 5 3 5 5 5 52 2 1 3 2 5 21 7 21 7 21 7 21 7 3 7 77 7 7 7 Ex2: 3 3 3 3 3 34 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 37 7 4 7 4 7 4 3 3 3 6 3 6 3 6 3 6 3 6 6 6 26 6 6 6 6 6 6 3 3 3 3 3 34 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 37 7 4 7 4 7 4 3 3 3 6 3 6 3 6 3 6 3 6 6 6 26 6 6 6 6 6 6 1.5. Polinômios Define-se um polinômio 𝑝(𝑥) de grau 𝑛 da seguinte forma: 𝑝(𝑥) = 𝑎𝑛𝑥 𝑛 + 𝑎𝑛−1𝑥 𝑛−1 + 𝑎𝑛−2𝑥 𝑛−2 +⋯+ +𝑎1𝑥 + 𝑎0𝑥 0 Em que os coeficientes 𝑎𝑛 , 𝑎𝑛−1, … , 𝑎1e 𝑎0 são números reais e 𝑛 é inteiro. A seguir exemplificam- se alguns polinômios: 𝑎(𝑥) = 4𝑥4 − 2𝑥2 + 5 𝑏(𝑥) = 3 − 5 2 𝑥2 + 𝑥 𝑐(𝑥) = 𝑥3 − 𝑥 Note que 𝑎(𝑥) é de 4º grau, com coeficientes 𝑎3 = 𝑎1 = 0; 𝑏(𝑥) é de 2º grau e 𝑐(𝑥) é de 3º grau, com coeficientes 𝑎2 = 𝑎0 = 0. 9 1.5.1. Soma e Subtração de Polinômios Para somar dois polinômios 𝑝(𝑥) = 𝑎𝑛𝑥 𝑛 + 𝑎𝑛−1𝑥 𝑛−1 +⋯+ 𝑎1𝑥 + 𝑎0𝑥 0 e 𝑞(𝑥) = 𝑏𝑛𝑥 𝑛 + 𝑏𝑛−1𝑥 𝑛−1 +⋯+ 𝑏1𝑥 + 𝑏0𝑥 0 é só somar os termos de mesmo grau, como está indicado a seguir: 𝑝(𝑥) + 𝑞(𝑥) = (𝑎𝑛 + 𝑏𝑛)𝑥 𝑛 +⋯+(𝑎0 + 𝑏0)𝑥 0 Para subtrair dois polinômios 𝑝(𝑥) = 𝑎𝑛𝑥 𝑛 + 𝑎𝑛−1𝑥 𝑛−1 +⋯++𝑎1𝑥 + 𝑎0𝑥 0 e 𝑞(𝑥) = 𝑏𝑛𝑥 𝑛 + 𝑏𝑛−1𝑥 𝑛−1 +⋯+ 𝑏1𝑥 + 𝑏0𝑥 0 é só subtrair os termos de mesmo grau, como é mostrado a seguir: 𝑝(𝑥) − 𝑞(𝑥) = (𝑎𝑛 − 𝑏𝑛)𝑥 𝑛 +⋯+ (𝑎0 − 𝑏0)𝑥 0 Ex1: Calcule 𝑝(𝑥) + 𝑞(𝑥) e 𝑝(𝑥) − 𝑞(𝑥), sendo: 𝑝(𝑥) = −3𝑥2 + 5 − 𝑥 + 2𝑥3 𝑞(𝑥) = 4𝑥 − 2 + 𝑥4 − 6𝑥2 Resolução: 𝑝(𝑥) + 𝑞(𝑥) = [−3 + (−6)]𝑥2 + [5 + (−2)] + [−1 + 4]𝑥 + 2𝑥3 + 𝑥4 𝑝(𝑥) + 𝑞(𝑥) = [−3 − 6]𝑥2 + [5 − 2] + 3𝑥 + 2𝑥3 + 𝑥4 𝑝(𝑥) + 𝑞(𝑥) = −9𝑥2 + 3 + 3𝑥 + 2𝑥3 + 𝑥4 𝑝(𝑥) − 𝑞(𝑥) = [−3 − (−6)]𝑥2 + [5 − (−2)] + [−1 − 4]𝑥 + 2𝑥3 + 𝑥4 𝑝(𝑥) − 𝑞(𝑥) = [−3 + 6]𝑥2 + [5 + 2] + (−5)𝑥 + 2𝑥3 + 𝑥4 𝑝(𝑥) − 𝑞(𝑥) = 3𝑥2 + 7 − 5𝑥 + 2𝑥3 + 𝑥4 1.5.2. Multiplicação e Divisão de Polinômios Para multiplicar dois polinômios, utiliza-se a propriedade distributiva da multiplicação: (𝑎 + 𝑏)(𝑐 + 𝑑 + 𝑓) = (𝑎𝑐) + (𝑎𝑑) + (𝑎𝑓) + (𝑏𝑐) + (𝑏𝑑) + (𝑏𝑓) Ex1: Determine os produtos 𝑔(𝑥) 𝑘(𝑥) e ℎ(𝑥) 𝑚(𝑥), sendo 𝑔(𝑥) = 2𝑥 − 1 𝑘(𝑥) = −𝑥2 + 3𝑥 ℎ(𝑥) = −𝑥 + 𝑥3 𝑚(𝑥) = 𝑥5 − 𝑥3 Resolução: 𝑔(𝑥)𝑘(𝑥) = (2𝑥 − 1)(−𝑥2 + 3𝑥) 𝑔(𝑥)𝑘(𝑥) = (2𝑥)(−𝑥2) + (2𝑥)(3𝑥) + (−1)(−𝑥2) + +(−1)(3𝑥) 𝑔(𝑥)𝑘(𝑥) = [2(−1)]𝑥1+2 + (2.3)𝑥1+1 +[(−1)(−1)]𝑥2 + [(−1)3]𝑥 𝑔(𝑥)𝑘(𝑥) = −2𝑥3 + 6𝑥2 + 𝑥2 − 3𝑥 𝑔(𝑥)𝑘(𝑥) = −2𝑥3 + 7𝑥2 − 3𝑥 ℎ(𝑥)𝑚(𝑥) = (−𝑥 + 𝑥3)(𝑥5 − 𝑥3) ℎ(𝑥)𝑚(𝑥) = (−𝑥)(𝑥5) + (−𝑥)(−𝑥3) + +(𝑥3)(𝑥5) + (𝑥3)(−𝑥3) ℎ(𝑥)𝑚(𝑥) = [(−1)1]𝑥1+5 + [(−1)(−1)]𝑥1+3 + +(1 ∗ 1)𝑥3+5 + [1(−1)]𝑥3+3 ℎ(𝑥)𝑚(𝑥) = −𝑥6 + 𝑥4 + 𝑥8 − 𝑥6 ℎ(𝑥)𝑚(𝑥) = −2𝑥6 + 𝑥4 + 𝑥8 Para dividir dois polinômios 𝑎(𝑥) e 𝑏(𝑥) , o processo é semelhante ao da divisão de dois números reais. Os termos do quociente 𝑞(𝑥)são escolhidos de modo que os termos de maior grau dos dividendos ao longo da operação sejam eliminados. E o resto 𝑟(𝑥) é o dividendo que tem grau menor que o divisor. A relação entre 𝑎(𝑥) , 𝑏(𝑥), 𝑞(𝑥) e 𝑟(𝑥) é: 𝑎(𝑥) ÷ 𝑏(𝑥) = 𝑞(𝑥) + 𝑟(𝑥) 𝑏(𝑥) Estes conceitos são ilustrados no exemplo a seguir: Ex1: Determine a divisão 𝑓(𝑥)/𝑔(𝑥), sendo: 𝑓(𝑥) = 𝑥3 − 2𝑥 𝑔(𝑥) = 𝑥 + 1 Resolução: 10 𝑥3 − 2𝑥 | 𝑥 + 1 −𝑥3 − 𝑥2 𝑥2 − 𝑥 − 1 −𝑥2 − 2𝑥 +𝑥2 + 𝑥 −𝑥 +𝑥 + 1 1 A soma (𝑥3 − 2𝑥) + (−𝑥3 − 𝑥2) é −𝑥2 − 2𝑥 (o “novo” dividendo). A soma (−𝑥2 − 2𝑥) + (𝑥2 + 𝑥) é – 𝑥 (o “novo” dividendo). E finalmente, fazendo-se a divisão de – 𝑥 por(𝑥 + 1)encontramos como resultado o número 1. Como 1 é de grau menor que (𝑥 + 1), tem-se que 1 é o resto da divisão. Portanto o quociente da divisão é 𝑥2 − 𝑥 − 1 e o resto é 1. Então, de [1.5], tem-se que: (𝑥3 − 2𝑥) ÷ (𝑥 + 1) = (𝑥2 − 𝑥 − 1) + ( 1 𝑥 + 1 ) Método de Briot-Ruffini para a divisão de polinômios Baseado no Método de Descartes para a divisão de polinômios, criou-se um algoritmo simplificado para realizar a divisão de um polinômio qualquer por um binômio da forma (𝑥 − 𝛼). Esse algoritmo simplificado é conhecido como Algoritmo de Briot- Ruffini, ou também Algoritmo de Redução de Ordem. Vamos ilustrar a divisão de 𝑥4 + 2𝑥3 − 5𝑥2 + 2𝑥 − 4 pelo polinômio 𝑥 − 5 utilizandoo Algoritmo: a) Coloque do lado direito em ordem decrescente de grau os coeficientes do dividendo Os coeficientes de 𝑥4 + 2𝑥3 − 5𝑥2 + 2𝑥 − 4, já na ordem decrescente de grau, são: 1, 2, −5, 2 𝑒 − 4 b) Do lado esquerdo coloque a raiz do divisor A raiz do divisor (𝑥 − 5) é 𝑥 = 5 Devemos então montar o seguinte diagrama: c) “Desce” o 1º coeficiente do dividendo d) Multiplique pela raiz do divisor e acrescente ao resultado o próximo coeficiente do dividendo. Multiplicamos então 1 por 5 e somamos com 2, resultando em 7: Multiplicamos 7 por 5 e somamos com −5, resultando em 30: Multiplicamos 30 por 5 e somamos com 2 , resultando em 152: Multiplicamos 152 por 5 e somamos com −4, resultando em 756: e) o último número será o RESTO e, os demais, os coeficientes do QUOCIENTE: Sendo assim, temos 𝑅(𝑥) = 756 e o quociente é 𝑄(𝑥) = 𝑥3 + 7𝑥2 + 30𝑥 + 152 11 1.5.3. Raiz de um Polinômio A raiz ou o zero de um polinômio 𝑝(𝑥) é o valor que torna 𝑝(𝑥) = 0. Para um polinômio de 1ª ordem da forma 𝑝(𝑥) = 𝑎𝑥 + 𝑏 tem-se que a raiz 𝑥1 é dada por 𝑎𝑥1 + 𝑏 = 0 → 𝑥1 = −𝑏 𝑎 Ex1: Encontre a raiz dos polinômios 𝑟(𝑥) = 3𝑥 − 5 𝑠(𝑥) = 6𝑥 + 18 Resoluções: Primeiramente faz-se 𝑟(𝑥) = 0 e calcula-se o respectivo valor de 𝑥1: 3𝑥1 − 5 = 0 3𝑥1 = 5 ∴ 𝑥1 = 5 3 Repete-se o mesmo procedimento para 𝑠(𝑥): 6𝑥1 + 18 = 0 6𝑥1 = −18 ∴ 𝑥1 = −18 6 = −3 Para um polinômio de 2ª ordem da forma 𝑝(𝑥) = 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 tem-se que as raízes 𝑥1 e 𝑥2 são dadas por 𝑥 = −𝑏 ± √∆ 2𝑎 em que ∆= 𝑏2 − 4𝑎𝑐 Ex1: Calcule as raízes dos polinômios 𝑔(𝑥) = 𝑥2 − 3𝑥 + 2 𝑘(𝑥) = −8𝑥 + 2𝑥2 + 6 Resolução: Para 𝑔(𝑥) tem-se que 𝑎 = 1, 𝑏 = −3 e 𝑐 = 2, então: ∆= (−3)2 − 4.1.2 = 9 − 8 = 1, logo: 𝑥 = −(−3) ± √1 2.1 = 3 ± 1 2 , portanto: 𝑥1 = 3 + 1 2 = 4 2 = 2 𝑥2 = 3 − 1 2 = 2 2 = 1 E como para 𝑘(𝑥) tem-se que 𝑎 = 2, 𝑏 = −8 e 𝑐 = 6, então: ∆= (−8)2 − 4.2.6 = 64 − 48 = 16, logo: 𝑥 = −(−8) ± √16 2.2 = 8 ± 4 4 , portanto: 𝑥1 = 8 + 4 4 = 12 4 = 3 𝑥2 = 8 − 4 4 = 4 4 = 1 1.5.4. Produtos Notáveis Alguns produtos são tão utilizados que acabam recebendo nomes e métodos especiais de resolução. Eis alguns deles: a) Produto da soma pela diferença de dois termos: 2 2x a x a x a b) Quadrado da soma de dois termos: 2 2 22x a x xa a c) Quadrado da diferença de dois termos: 2 2 22x a x ax a d) Cubo da soma de dois termos: 3 3 2 2 33 3( )x a x x a xa a e) Cubo da diferença de dois termos: 3 3 2 2 33 3x a x x a xa a ATENÇÃO: 2 2 2x a x a 12 3 3 3x a x a Exemplos 1) 25 𝑎2 − 𝑏2 = 52 𝑎2 − 𝑏2 = (5 𝑎 − 𝑏) (5 𝑎 + 𝑏) 2) 9 𝑥2 + 12 𝑥𝑦 + 4 𝑦2 = 32 𝑥² + 2.3.2 𝑥 𝑦 + 22 𝑦2 = (3𝑥 + 2𝑦)2 3) 9 𝑣2 + 𝑢2 − 6 𝑢 𝑣 = 32 𝑣2 − 2.3.1 𝑢 𝑣 + 𝑢2 = (3𝑣 − 𝑢)2 4) (7 + 𝑛)3 = 73 + 3.72𝑛 + 3.7𝑛2 + 𝑛3 = 343 + 147𝑛 + 21𝑛2 + 𝑛³ 5) 3 3 2 3 2 2 2 3 36 122 3 2 3 2 2 8 4 4 4 4 64 16 4 g g g g g g h gh h h h h h 3 3 2 3 2 2 2 3 36 122 3 2 3 2 2 8 4 4 4 4 64 16 4 g g g g g g h gh h h h h h 3 3 2 3 2 2 2 3 36 122 3 2 3 2 2 8 4 4 4 4 64 16 4 g g g g g g h gh h h h h h 3 3 2 2 332 3 8 4 64 8 g g g h h gh h 6) Qual é o polinômio P que devemos adicionar a (x – 2)³ para obter ( x + 3)³ ? P + (x – 2)³ = (x + 3)³ P = (x + 3)³ - (x – 2)³ (x + 3)³ = x³ + 3x².3 + 3x.3² + 3³ = x³ + 9x² + 27x + 27 (x – 2)³ = x³ - 3x².2 + 3x.2² - 2³ = x³ - 6x² + 12x – 8 P = x³ + 9x² + 27x + 27 – (x³ - 6x² + 12x -8) = = x³ + 9x² + 27x + 27 – x³ + 6x² - 12x +8 = 15x² + 15x + 35 7) 2 2 22 2 2 4l l l l 8) 3 3 2 2 3 2 34 4 4 4 64 163 3 4 3 3 3 3 27 3 a a a a a a a 3 3 2 2 3 2 34 4 4 4 64 163 3 4 3 3 3 3 27 3 a a a a a a a 1.6. Operações Com Expressões Algébricas Uma expressão matemática é denominada algébrica ou literal quando possui “números e letras”. As letras são chamadas variáveis. Exemplos: 1) 𝑥 + 𝑦 2) 3𝑧 + 𝑤2 3) 4𝑎 − 7𝑏(𝑐 + 3𝑑) 1.6.1Fatoração Fatoração significa escrever um número ou uma expressão algébrica como produto de outras expressões (transformar em fatores). Caso 1: Fator comum em evidência 𝑎 𝑥 + 𝑏 𝑥 = 𝑥 (𝑎 + 𝑏) Exemplos: 1) 6 𝑎4 − 12 𝑎2 + 18 𝑎3 = = 6 (𝑎4 − 2 𝑎2 + 3 𝑎3) → 6 é o maior divisor entre 6, 12 e 18 = 6 𝑎2(𝑎2 − 2 + 3 𝑎) → 𝑎2 é o maior divisor entre 𝑎2, 𝑎3e 𝑎4 2) 3 𝑥2 𝑦 − 9 𝑥 𝑦2 = 3 (𝑥2 𝑦 − 3 𝑥 𝑦2) = = 3 𝑥 (𝑥 𝑦 − 3 𝑦2) = 3 𝑥 𝑦(𝑥 − 3 𝑦) 3) − 15 𝑥2 − 20 𝑥3 − 30 𝑥4 − 50 𝑥6 = = 5𝑥2(−3 − 4𝑥 − 6𝑥2 − 10𝑥4) 13 4) 3 𝑎 (𝑥 + 𝑦) + 5 𝑏 (𝑥 + 𝑦) = (𝑥 + 𝑦) (3 𝑎 + 5 𝑏) Caso 2: Agrupamento 𝑎𝑥 + 𝑏𝑥 + 𝑎𝑦 + 𝑏𝑦 = 𝑥(𝑎 + 𝑏) + 𝑦(𝑎 + 𝑏) = = (𝑎 + 𝑏)(𝑥 + 𝑦) Exemplos: 1) 2 𝑎 𝑚 + 3 𝑏 𝑚 + 2 𝑎 𝑛 + 3 𝑏 𝑛 = = 𝑚 (2 𝑎 + 3 𝑏) + 𝑛 (2 𝑎 + 3 𝑏) = = (2 𝑎 + 3 𝑏) (𝑚 + 𝑛) 2) 3 𝑎 𝑥 − 3 𝑎 𝑦 − 2 𝑏 𝑥 + 2 𝑏 𝑦 = = 3 𝑎 (𝑥 − 𝑦) + 2 𝑏 (−𝑥 + 𝑦) = = 3 𝑎 (𝑥 − 𝑦) − 2 𝑏 (𝑥 − 𝑦) = (𝑥 − 𝑦) (3 𝑎 − 2 𝑏) Caso 3: Fatoração de Polinômios Pode-se escrever um polinômio 𝑝(𝑥)em função de suas raízes, utilizando a fatoração: 𝑝(𝑥) = 𝑎𝑛(𝑥 − 𝑥1)(𝑥 − 𝑥2)… (𝑥 − 𝑥𝑛−1)(𝑥 − 𝑥𝑛) Ex1: Fatore os polinômios 𝑟(𝑥) = 3𝑥 − 5, 𝑠(𝑥) = 6𝑥 + 18, 𝑔(𝑥) = 𝑥2 − 3𝑥 + 2 𝑘(𝑥) = −8𝑥 + 2𝑥2 + 6 Resoluções: Para 𝑟(𝑥) tem-se que 𝑎𝑛 = 3 e 𝑥1 = 5/3, então: 𝑟(𝑥) = 𝑎𝑛(𝑥 − 𝑥1) 𝑟(𝑥) = 3 (𝑥 − 5 3 ) Para 𝑠(𝑥) tem-se que 𝑎𝑛 = 6 e 𝑥1 = −3, então: 𝑠(𝑥) = 𝑎𝑛(𝑥 − 𝑥1) 𝑠(𝑥) = 6[𝑥 − (−3)] = 6(𝑥 + 3) Para 𝑔(𝑥) tem-se que 𝑎𝑛 = 1 , 𝑥1 = 2 e 𝑥2 = 1 , então: 𝑔(𝑥) = 𝑎𝑛(𝑥 − 𝑥1)(𝑥 − 𝑥2) 𝑔(𝑥) = (𝑥 − 2)(𝑥 − 1) e para 𝑘(𝑥) tem-se que 𝑎𝑛 = 2 , 𝑥1 = 3 e 𝑥2 = 1 , então: 𝑘(𝑥) = 𝑎𝑛(𝑥 − 𝑥1)(𝑥 − 𝑥2) 𝑘(𝑥) = 2(𝑥 − 3)(𝑥 − 1) 1.6.2. Simplificação de Expressões Algébricas Regra: 1º Passo: Fatorar o numerador e o denominador 2º Passo: Dividir numerador e denominador em seus fatores comuns Exemplos: 1) 4𝑥 + 6 2 = 2 (2𝑥 + 3) 2 = 2 2 (2 𝑥 + 3) = 1 (2 𝑥 + 3) = 2𝑥 + 3 2) −3𝑎2 + 9𝑎 3𝑎 = 3𝑎 (−𝑎 + 3) 3𝑎 = 3 − 𝑎 3) 𝑥2 + 10𝑥 + 25 𝑥 + 5 = 𝑥2 + 2. 𝑥. 5 + 52 𝑥 + 5 = (𝑥 + 5)2 𝑥 + 5 = 𝑥 + 5 4) 2𝑢 − 2 𝑢2 − 1 = 2(𝑢 − 1) (𝑢 − 1)(𝑢 + 1) = 2 𝑢 + 1 5) 4𝑎2 − 12𝑎𝑏 + 9𝑏2 4𝑎2 − 9𝑏2 = 22𝑎2 − 2.2.3𝑎𝑏 + 32𝑏2 22𝑎2 − 32𝑏2 = (2𝑎 − 3𝑏)2 (2𝑎 − 3𝑏)(2𝑎 + 3𝑏) = 2𝑎 − 3𝑏 2𝑎 + 3𝑏 14 6) 6𝑎𝑥 + 3𝑎𝑦 + 6𝑏𝑥 + 3𝑏𝑦 12𝑥2 − 3𝑦2 = 3(2𝑎𝑥 + 𝑎𝑦 + 2𝑏𝑥 + 𝑏𝑦) 3(4𝑥2 − 𝑦2) = 2𝑥(𝑎 + 𝑏) + 𝑦(𝑎 + 𝑏) 22𝑥2 − 𝑦2 = (𝑎 + 𝑏)(2𝑥 + 𝑦)(2𝑥 − 𝑦)(2𝑥 + 𝑦) = 𝑎 + 𝑏 2𝑥 − 𝑦 1.6.3. Operações com Frações Algébricas Adição e Subtração Regra: Somar ou subtrair as frações utilizando o MMC dos denominadores Exemplos: 1) 𝑦 𝑥 + 𝑥 + 2𝑦 𝑦 = 𝑦2 + 𝑥(𝑥 + 2𝑦) 𝑥 𝑦 = 𝑦2 + 𝑥2 + 2𝑥𝑦 𝑥 𝑦 = (𝑥 + 𝑦)2 𝑥𝑦 2) 2𝑥 𝑦 + 𝑦 = 2𝑥 𝑦 + 𝑦 1 = 2𝑥 + 𝑦2 𝑦 3) 3𝑥2 − 3𝑥3 𝑥2 = 3𝑥4 − 3𝑥3 𝑥2 = 3 𝑥2(𝑥2 − 𝑥) 𝑥2 = 3 (𝑥2 − 𝑥) 4) 𝑥 + 3 𝑥2 − 9 + 1 𝑥 + 3 = 𝑥 + 3 (𝑥 + 3)(𝑥 − 3) + 1 (𝑥 + 3) = 1(𝑥 + 3) + (𝑥 − 3)1 (𝑥 + 3)(𝑥 − 3) = = 𝑥 + 3 + 𝑥 − 3 (𝑥 + 3)(𝑥 − 3) = 2𝑥 (𝑥 + 3)(𝑥 − 3) = 2𝑥 𝑥2 − 9 5) 2 𝑎 12 𝑎2 − 3 𝑏2 + 𝑏 12 𝑎2 − 3 𝑏2 = 2 𝑎 + 𝑏 12 𝑎2 − 3 𝑏2 = 2 𝑎 + 𝑏 3 (4 𝑎2 − 𝑏2) = = 2 𝑎 + 𝑏 3 (2 𝑎 + 𝑏)(2𝑎 − 𝑏) = 1 3 (2 𝑎 − 𝑏) 6) 𝑎2 − 4 𝑎 − 2 − 𝑎 + 2 𝑎2 − 4 = = (𝑎 − 2)(𝑎 + 2) 𝑎 − 2 − 𝑎 + 2 (𝑎 + 2)(𝑎 − 2) = = 𝑎 + 2 1 − 1 𝑎 − 2 = = (𝑎 − 2)(𝑎 + 2) − 1 𝑎 − 2 = 𝑎2 − 4 − 1 𝑎 − 2 = 𝑎2 − 5 𝑎 − 2 Multiplicação Regra: Multiplicar entre si tanto os numeradores quanto os denominadores. Exemplos: 1) 3 2 𝑥 . 𝑥2 6 = 3 𝑥2 12 𝑥 = 3 𝑥 (𝑥) 3 𝑥 (4) = 𝑥 4 2) 4 𝑥2 − 4 2 𝑥 + 2 . 2 𝑥 − 1 = 2 (4 𝑥2 − 4) (2 𝑥 + 2)(𝑥 − 1) = 2 (2 𝑥 + 2)(2 𝑥 − 2) (2 𝑥 + 2)(𝑥 − 1) = 2 . 2 (𝑥 − 1) (𝑥 − 1) = 4 3) 6 𝑥 − 3 𝑥 . 𝑥2 2 𝑥 − 1 = (6 𝑥 − 3)𝑥2 𝑥 (2 𝑥 − 1) = 3 (2𝑥 − 1)𝑥2 (2𝑥 − 1) 𝑥 = 3𝑥 4) 6 𝑥 − 3 𝑥 . 𝑥−2 2 𝑥 − 1 = 6𝑥 − 3 𝑥 . 1 𝑥2(2 𝑥 − 1) 15 = (6𝑥 − 3) 𝑥3 (2 𝑥 − 1) = 3 (2 𝑥 − 1) 𝑥3(2 𝑥 − 1) = 3 𝑥3 Divisão Regra: Conservar a 1𝑎 fração e multiplica pelo inverso da 2𝑎fração. Exemplos: 1) 3 2 𝑥 ÷ 𝑥2 6 = 3 2 𝑥 . 6 𝑥2 = 18 2 𝑥3 = 9 𝑥3 2) 𝑥2 + 2 𝑥 𝑦 + 𝑦2 𝑥 − 𝑦 ÷ 𝑥 + 𝑦 𝑥 − 𝑦 = = 𝑥2 + 2 𝑥 𝑦 + 𝑦2 𝑥 − 𝑦 . 𝑥 − 𝑦 𝑥 + 𝑦 = = (𝑥 + 𝑦)2(𝑥 − 𝑦) (𝑥 + 𝑦)(𝑥 − 𝑦) = 𝑥 + 𝑦 3) 2 𝑥 + 6 ÷ 4 𝑥2 − 36 2 𝑥 − 6 + 1 2𝑥 − 6 = 2 𝑥 + 6 1 . 2𝑥 − 6 4 𝑥2 − 36 + 1 2 𝑥 − 6 = = (2 𝑥 + 6)(2 𝑥 − 6) 4 𝑥2 − 36 + 1 2 𝑥 − 6 = 4 𝑥2 − 36 4 𝑥2 − 36 + 1 2𝑥 − 6 = 1 + 1 2 𝑥 − 6 = = 2 𝑥 − 6 + 1 2 𝑥 − 6 = 2 𝑥 − 5 2 𝑥 − 6 = 2 𝑥 − 5 2 (𝑥 − 3) 16 Exercícios 1) Encontre o valor de A 𝐴 = 1 − 1 4 + 1 1+ 1 4 1 + 1 4 − 1 1+ 1 4 2) Calcule a expressão ( 2𝑎 𝑥 − 3 + 𝑎 𝑥 − 2𝑎𝑥 𝑥2 − 3𝑥 ) . 𝑥 2𝑎 3) Encontre o valor de x que satisfaz a equação 22𝑥+1 − 3. 2𝑥+2 = 32 4) Reduza à expressão mais simples 5)Encontre o Valor de y 𝑦 = 3−2 + 2−1 √1 − 7. 2−3 3 6)Sabendo que log3(7x - 1) = 3 e que log2(y3 + 3) = 7, calcule logy(x2 + 9) 7) Sabendo que 𝑥 = 2 é raiz de 𝑥3 − 8𝑥2 + 37𝑥 − 50, determine suas outras raízes. 8) A solução para o sistema de equações 9) Calcule o Log24 6 em função de x e y, sabendo que o Log27 6 = x que o Log27 4 = y. 10) Resolva a equação log(x + 2) + log(x – 2) = 1 11) Racionalize 13 13 13 13 12) A expressão [ 2.(x2y).(3x2y3) ] : (x2y2) é igual a: 13) Efetue o produto (3𝑎𝑏 − 6𝑎𝑏2 + 5) . (− 5𝑎 3 + 2𝑏2 𝑎 ) 14) Determine o quociente e o resto da seguinte divisão 2𝑥3 − 9𝑥2 + 10𝑥 − 2 𝑥2 − 3𝑥 + 1 15) Calcule os valores de a, b, c e d para que o polinômio p(x) = a(x+c)³ +b(x+d) seja idêntico a q(x)= x³ +6x² +15x+14 16) Simplifique a expressão 𝑥2−1 𝑥2−2𝑥+1 𝑥2+2𝑥+1 𝑥−1 17 17) Simplificar a expressão ab2b ab2a ab2b ab2a2b2a 18) Calcule . 19) Resolva a expressão 𝑥 + 𝑦 𝑎2 − 6𝑎 + 9 . 𝑎 − 3 𝑥2 − 𝑦² 20) Resolva a expressão ( 𝑥+1 𝑥−2 + 𝑥−3 𝑥+2 ) 2𝑥2−2𝑥+8 𝑥−2 21) Sabendo – se que 𝑥 ∈ ℝ mostre que a expressão: 𝑥 = √2 + √2 + √2 + √2 +⋯ é igual a 2. 22) Simplifique a expressão 2𝑎√1+𝑥2 𝑥+√1+𝑥2 sabendo que 𝑥 = 1 2 (√ 𝑎 𝑏 −√ 𝑏 𝑎 ); (0 < 𝑏 < 𝑎) 23) Qual o último algarismo (algarismo das unidades) do número 14(14 14) ? 24) Se: 6 − 5𝑥 𝑥3 − 5𝑥2 + 6𝑥 = 𝐴 𝑥 − 𝑎 + 𝐵 𝑥 − 𝑏 + 𝐶 𝑥 − 𝑐 Onde 𝐴, 𝐵 e 𝐶 são reais e 𝑎, 𝑏 e 𝑐 são raízes da equação 𝑥3 − 5𝑥2 + 6𝑥. Calcule 𝐴, 𝐵 e 𝐶. 18 Gabarito de Aritmética e Expressões Algébricas 1) A = 31 9 2) 1 2 3) x = 4 4) 𝑎 1 3⁄ . 𝑎 5 24⁄ 5) y = 11 9 6) 𝐿𝑜𝑔𝑦(𝑥 2 + 9) = 2 7) x’ = 3 + 4i; x’’ = 3 - 4i 8) x = 4; y = 9 9) 𝐿𝑜𝑔246 = 𝑥 𝑥+𝑦 10) x = ±√14 11) 4 12) 6x²y² 13) -15a²b + 6b² - 12b² + 10b²/a – 25/3a 14) q(x) = 2x - 3; r(x) = -x + 1 15) a = 1; b = 3; c = 2; d = 2 16) 1 𝑥+1 17) b² - a² 18) -5 19) 1 (𝑎−3)(𝑥−𝑦) 20) 1 𝑥+2 22) 𝑎+𝑏 2√𝑎𝑏 23)...6 24) A = 1; B = -2/5; C = -3/5 19 2. Intervalos, Inequações e Módulo 2.1. Intervalos Intervalos são trechos contínuos da reta numérica. Que podem ser delimitados conforme conveniência ao estudo do problema abordado 2.1.1. Intervalos Limitados Sejam a e b números reais com a < b a) Intervalo aberto de a até b (𝑎, 𝑏) = ]𝑎, 𝑏[ = {𝑥 ∈ ℜ |𝑎 < 𝑥 < 𝑏} Obs: a e b não fazem parte do intervalo, apenas o limitam. b) Intervalo fechado de a até b [𝑎, 𝑏] = {𝑥 ∈ ℜ |𝑎 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏} Obs: a e b fazem parte do intervalo, e o limitam. c) Intervalo aberto à direta de a até b [𝑎, 𝑏) = {𝑥 ∈ ℜ |𝑎 ≤ 𝑥 < 𝑏} Obs: a limita o intervalo e faz parte dele, b limita mas não faz parte. d) Intervalo aberto à esquerda de a até b (𝑎, 𝑏] = {𝑥 ∈ ℜ |𝑎 < 𝑥 ≤ 𝑏} Obs: a limita o intervalo mas não faz parte dele, b limita o intervalo e faz parte dele. 2.1.2. Intervalos Não Limitados a) Intervalo aberto de a até +∞ (𝑎, +∞) = ]𝑎,+∞[ = {𝑥 ∈ ℜ |𝑥 > 𝑎} b) Intervalo fechado de a até +∞ [𝑎, +∞) = {𝑥 ∈ ℜ |𝑥 ≥ 𝑎} c) Intervalo aberto de −∞ até a (−∞, 𝑎) = ]−∞, 𝑎[ = {𝑥 ∈ ℜ |𝑥 < 𝑎} d) Intervalo fechado de −∞ até a (−∞, 𝑎] = {𝑥 ∈ ℜ |𝑥 ≤ 𝑎} 2.2. Inequações Resolver uma inequação é determinar todos os valores da variável que torna verdadeira a inequação. Este conjunto de valores é chamado conjunto solução da inequação. O conjunto solução representa um trecho contínuo do eixo de coordenadas, ou seja, representa um intervalo. 2.2.1Regras para trabalhar com desigualdades Sejam a, b, c, e d números reais i) Se 𝑎 < 𝑏 então 𝑎 + 𝑐 < 𝑏 + 𝑐 ii) Se 𝑎 < 𝑏 e 𝑐 < 𝑑 então 𝑎 + 𝑐 < 𝑏 + 𝑑 iii) Se 𝑎 < 𝑏 e 𝑐 > 0 então 𝑎. 𝑐 < 𝑏. 𝑐 e 𝑎/𝑐 < 𝑏/𝑐 com 𝑐 ≠ 0 iv) Se 𝑎 < 𝑏 e 𝑐 < 0 então 𝑎. 𝑐 > 𝑏. 𝑐 e 𝑎/𝑐 > 𝑏/𝑐 com 𝑐 ≠ 0 a b a b a b a a aa a b 20 Obs: Isto significa que se formos multiplicar ou dividir por um número negativo devemos inverter o sinal da desigualdade v) Se 𝑎 < 𝑏 e 𝑏 < 𝑐 , ou seja, 𝑎 < 𝑏 < 𝑐 então 𝑎 < 𝑐 Nestas regras também podemos usar as desigualdades não estritas ≤ e ≥. Exemplos: Resolva as inequações e represente o conjunto solução na reta numérica: 1) 𝑥 + 3 < 5𝑥 − 1 𝑥 − 5𝑥 < −1 − 3 −4𝑥 < −4 x (-1) 4 𝑥 > 4 𝑥 > 1 𝑆 = {𝑥 ∈ ℜ |𝑥 > 1} 2) 13 ≥ 2𝑥 − 3 ≥ 5 Separando em duas inequações temos: 𝐴) 13 ≥ 2𝑥 − 3 13 + 3 ≥ 2𝑥 2𝑥 ≤ 16 → 𝑥 ≤ 8 𝑆𝐴 = {𝑥 ≤ 8} e (significa a interseção) 𝐵) 2𝑥 − 3 ≥ 5 2𝑥 ≥ 8 → 𝑥 ≥ 4 𝑆𝐵 = {𝑥 ≥ 4} 𝑆 = {𝑥 ∈ ℜ | 4 ≤ 𝑥 ≤ 8} 2.3. Módulo ou Valor Absoluto O nome módulo deriva do latim modulus, que significa medida, comprimento (valor necessariamente positivo). Pode-se dizer que módulo é o mesmo que distância de um número real (positivo ou negativo) à origem da reta numérica, sendo a origem tida como ponto de referência. O módulo de um número real 𝑥 também é conhecido como valor absoluto de 𝑥. 2.3.1. Interpretação Geométrica O módulo ou valor absoluto de um número real é, na reta numérica, a distância entre este número e a origem. Exemplo O número -2 está a 2 unidades de medida à esquerda da origem. Assim, sua distância à origem é 2. Dizemos, então, que o módulo ou valor absoluto de -2 é 2, indicado por |−2| = 2. O número 3 está a 3 unidades de medida à direita da origem. Assim, sua distância à origem é 3. Dizemos, então, que o módulo ou valor absoluto de 3 é 3, indicado por |3| = 3. Se considerarmos dois números reais x e y associados aos pontos X e Y na reta real, então |x – y| corresponde a distância entre os dois pontos. 𝑥 ≤ 8 𝑥 ≥ 4 𝑆𝐴 ∩ 𝑆𝐵 [4 , 8] 1 (1, +∞) 0 -2 3 2 3 ℜ 21 2.3.2 Definição de Módulo de um Número Real O módulo de um número real irá seguir duas opções: O módulo ou valor absoluto de um número real é o próprio número, se ele for positivo ou zero. O módulo ou valor absoluto de um número real será o seu simétrico, se ele for negativo. Assim, dado x ∈ℝ, definimos o módulo (ou valor absoluto) de x, o qual é indicado por |x|, como segue: |𝑥| = { 𝑥, 𝑠𝑒 𝑥 ≥ 0 −𝑥, 𝑠𝑒 𝑥 < 0 De acordo com a definição acima, para todo x, |𝑥| ≥ 0, ou seja, o módulo de um número real é sempre positivo. 2.3.3. Propriedades i) |𝑥| ≥ 0 ii) |𝑥| = | − 𝑥| iii) −|𝑥| ≤ 𝑥 ≤ |𝑥| iv) |𝑥. 𝑦| = |𝑥|. |𝑦| v) |𝑥/𝑦| = |𝑥|/|𝑦| com 𝑦 ≠ 0 vi) |𝑥| = |𝑦| 𝑠𝑒 𝑒 𝑠𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑒 𝑥 = ±𝑦 vii) |𝑥| ≤ 𝑎 ⇔ −𝑎 ≤ 𝑥 ≤ 𝑎 viii) |𝑥| ≥ 𝑎 ⇔ 𝑥 ≥ 𝑎 𝑜𝑢 𝑥 ≤ −𝑎 ix) √𝑥𝑛 𝑛 = { |𝑥| 𝑠𝑒 𝑛 𝑓𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑟 𝑥 𝑠𝑒 𝑛 𝑓𝑜𝑟 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑟 x) Desigualdade Triangular |𝑥 + 𝑦| ≤ |𝑥| + |𝑦| Observe que:|𝑥 + 𝑦| ≠ |𝑥| + |𝑦| Exemplos: 1) Considerando |𝑎| = 10, |𝑏| = 2 e 𝑐 = −5, calcule as expressões: 𝑎) |𝑎2. 𝑏| |𝑎2. 𝑏| = |𝑎2|. |𝑏| = |𝑎|. |𝑎|. |𝑏| = 10.10.2 = 200 𝑏) | 𝑎 𝑐 | | 𝑎 𝑐 | = |𝑎| |𝑐| = 10 | − 5| = 10 5 = 2 𝑐) √𝑐2 2 √𝑐2 2 = |𝑐| = |−5| = 5 𝑑) √𝑐3 3 √𝑐3 3 = 𝑐 = −5 𝑒) |𝑎 − 𝑏| |𝑎 − 𝑏| = |𝑎 + (−𝑏)| ≤ |𝑎| + |𝑏| |𝑎 − 𝑏| ≤ 10 + 2 |𝑎 − 𝑏| ≤ 12 2) Resolva a equação |2𝑥 + 1| = 3. Solução: Da definição de módulo, temos que: |2𝑥 + 1| = 2𝑥 + 1 se (2𝑥 + 1) ≥ 0 ou |2𝑥 + 1| = −( 2𝑥 + 1) se (2𝑥 + 1) < 0 Dessa forma, 2𝑥 + 1 = 3 ou −(2𝑥 + 1) = 3. 2𝑥 + 1 = 3 → 2𝑥 = 3 − 1 → 2𝑥 = 2 → 𝑥 = 2 2 = 1 -(2𝑥 + 1) = 3 → −2𝑥 − 1 = 3 → −2𝑥 = 4 → 𝑥 = 4 −2 = −2 Assim, o conjunto-solução é o seguinte: 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ |𝑥 = 1 𝑜𝑢 𝑥 = −2}. 22 3) Resolva a equação |𝑥 − 𝑥𝑜| = 𝜀, com 𝜀 > 0 . Temos que 𝑥 − 𝑥𝑜 = 𝜀 𝑜𝑢 − ( 𝑥 − 𝑥𝑜) = 𝜀 , equivalente a 𝑥 = 𝑥𝑜 + 𝜀 ou 𝑥 = 𝑥𝑜 − 𝜀 . Observando na reta real, percebe-se que o número x está a uma distância 𝜀 de 𝑥𝑜. 4)Resolva a inequação |3𝑥 + 2| ≥ 5 Da propriedade (viii) do módulo temos: 3𝑥 + 2 ≥ 5 ou 3𝑥 + 2 ≤ −5 Lembre que ou em matemática significa união. Resolvendo as inequações: 𝐴) 3𝑥 + 2 ≥ 5 3𝑥 ≥ 3 → 𝑥 ≥ 1 B) 3𝑥 + 2 ≤ −5 3𝑥 ≤ −7 𝑥 ≤ −7/3 (−∞,−7 3⁄ ] ∪ [1, +∞ 𝑆 = {𝑥 ∈ ℜ |𝑥 ≤ − 7 3 𝑜𝑢 𝑥 ≥ 1} 3)Resolva a inequação (𝑥 − 3)4 ≤ 16 (𝑥 − 3)4 ≤ 16 √(𝑥 − 3)4 4 ≤ √16 4 Da propriedade (ix) do módulo √(𝑥 − 3)4 4 = |𝑥 − 3| então |𝑥 − 3| ≤ 2 Da propriedade (vii) do módulo −2 ≤ 𝑥 − 3 ≤ 2 Resolvendo as inequações 𝐴) 𝑥 − 3 ≤ 2 𝑥 ≤ 5 E (usar interseção) B) −2 ≤ 𝑥 − 3 1 ≤ 𝑥 → 𝑥 ≥ 1 𝑆 = {𝑥 ∈ ℜ |1 ≤ 𝑥 ≤ 5} 𝑆=[1 , 5] 4) Resolver a inequação modular |2𝑥 − 5| < 3. Solução: Da propriedade (vii) do módulo temos que: −3 < 2𝑥 − 5 < 3 Resolvendo sem separar as inequações: −3+ 5 < 2𝑥 < 3 + 5 2 < 2𝑥 < 8 2 2 < 𝑥 < 8 2 1 < 𝑥 < 4 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ | 1 < 𝑥 < 4} 5) Resolver a inequação modular |6 − 2𝑥| ≥ 7. Solução: Da propriedade (vii), temos que: -7/3 1 -7/3 1 1 5 1 5 23 6 − 2𝑥 ≤ −7 −2𝑥 ≤ −7 − 6 −2𝑥 ≤ −13 → 𝑥 ≥ 13 2 Ou 6 − 2𝑥 ≥ 7 −2𝑥 ≥ 7 − 6 −2𝑥 ≥ 1 → 𝑥 ≤ −1 2 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 𝑥 ≤ −1 2 𝑜𝑢 𝑥 ≥ 13 2 } 24 Exercício de Intervalos 1) Escreva na forma de intervalo cada representação geométrica dada abaixo. 2) Dados os conjuntos abaixo, expresse-os na forma de intervalo e na forma geométrica: 3) Dados os intervalos abaixo, expresse-os na forma geométrica: 4) Sendo A = ]-3,4[ e B = [-1,6[, calcule A U B, A ∩ B, A – B e B – A. 5) Dados A = ]-3,2]; B = ]-1,4[ e C = (-∞, +∞) determine: a) (A U C) ∩ B b) (B U C) - A c) A – B d) B – C e) (C – A) ∩ B f) A ∩ B Exercício de Inequações 6) Resolva a seguinte inequação: a) 5𝑥 4 + 𝑥 2 ≤ 2𝑥 − 1 b) 4𝑥−4 3 − 2𝑥 − 2 > 3𝑥 + 1 3 c) 2𝑥−4 3 + 𝑥+1 4 > 𝑥−1 2 + 𝑥 d) 𝑥2 + 1 < 2𝑥2 − 3 ≤ −5𝑥 7) Determine a solução das inequações: a) (x - 2).(-x2 + 3x + 10) > 0. b) (x2 - 8x + 12).(x2 - 5x) > 0. c) (x - 5).(x2 - 2x - 15) ≤ 0 d) (x2 - 4).(5x2 + x - 4) ≥ 0 e) 2𝑥−3 1−𝑥 ≥ 0 Exercício de Módulo 8) Resolva as equações: a) |5𝑥 − 3| = 12 b) |3𝑥 + 2| = 5 – x c) | 3x+1 | = | x-3 | c) d) e) |xl 2 + |x| - 6 = 0 25 9) Resolver a inequação a) | x2 - 4 | < 3x. b) | 2𝑥+1 𝑥−1 | < 1 2 c) |𝑥 + 1| < |2𝑥 − 1| d) |𝑥 − 3| < 𝑥 + 1 10) Elimine o módulo: a) |𝑥 + 1| + |𝑥| b) |𝑥 + 2| − |𝑥 + 1| c) |2𝑥 − 1| + |𝑥 − 2| d) |𝑥| + |𝑥 − 1| + |𝑥 − 2| 26 Gabarito de Intervalos, Inequações e Módulo 1.a) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| − 2 < 𝑥 ≤ 3} 1.b) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 𝑥 ≥ 4} 1.c) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 𝑥 < −5} 1.d) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 0 < 𝑥 < 1} 2.a) [6,10] 2.b) [1,5] 2.c) [-4,+∞) 2.d) (-∞,1[ 4) AU B ]-3,6[ ; A ∩ B [-1,4[ ; A – B [-3,-1[ ; B – A [4,6[ 5.a) ]-1,4[ 5.c) ]-3,-1] 5.d) não existe 6.a) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 𝑥 ≥ 4} 6.b) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 𝑥 < −1} 6.c) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ| 𝑥 < −1} 6.d) x² + 1 < 2x² - 3 ≤ -5x 7.a) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 < −2 𝑜𝑢 2 < 𝑥 < 5} 7.b) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 < 2 𝑜𝑢 0 < 𝑥 < 5 𝑜𝑢 𝑥 > 6} 7.c) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≤ −3} 7.d) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 ≤ −2 𝑜𝑢 − 1 ≤ 𝑥 ≤ 4 5 𝑜𝑢 𝑥 ≥ 2} 7.e) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|1 < 𝑥 < 3/2} 8.a) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 = 3 𝑜𝑢 𝑥 = −9/5} 8.b) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 = 3/4 𝑜𝑢 𝑥 = −7/2} 8.c) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 = −2 𝑜𝑢 𝑥 = 1/2} 8.c) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 = 3 + 3√2 𝑜𝑢 𝑥 = 3 − 3√2 𝑜𝑢 𝑥 = −3} 8.d) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 = ±1/2} 8.e) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 = 2 𝑜𝑢 𝑥 = −2} 9.a) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|1 < 𝑥 < 4} 9.b) 𝑆 = {Ø} 9.c) 𝑆 = {𝑥 ∈ ℝ|𝑥 < 0 𝑜𝑢 𝑥 > 2} 10.a) 𝑆 = { −2𝑥 − 1, 𝑠𝑒 𝑥 < 1 1, 𝑠𝑒 − 1 ≤ 𝑥 ≤ 0 2𝑥 + 1, 𝑠𝑒 𝑥 > 0 } 10.b) 𝑆 = { −1, 𝑠𝑒 𝑥 < −1 −2𝑥 − 3, 𝑠𝑒 − 1 ≤ 𝑥 ≤ 2 1, 𝑠𝑒 𝑥 > 2 } 10.c) 𝑆 = { −3𝑥 + 3, 𝑠𝑒 𝑥 < 1/2 −𝑥 − 1, 𝑠𝑒 1/2 ≤ 𝑥 ≤ 2 3𝑥 − 3, 𝑠𝑒 𝑥 > 2 } 10.d) 𝑆 = { −3𝑥 + 3, 𝑠𝑒 𝑥 < 0 −𝑥 + 3, 𝑠𝑒 0 ≤ 𝑥 ≤ 1 𝑥 + 1, 𝑠𝑒 1 < 𝑥 ≤ 2 3𝑥 − 3, 𝑠𝑒 𝑥 > 2 } 27 3. Função 3.1. Definição No estudo científico e na engenharia muitas vezes precisamos descrever como uma quantidade varia ou depende de outra. O termo função foi primeiramente usado por Leibniz justamente para indicar essa dependência ou variação. Dizemos que uma relação entre dois conjuntos A e B é uma função de A em B, representado por 𝑓: 𝐴 → 𝐵 , se todos os elementos do conjunto A estão associados a um e somente um elemento do conjunto B. Vamos analisar alguns tipos de relações e verificar se são funções. (a) Esta relação não é uma função, pois o elemento 3, pertencente a A, está associado a dois elementos de B (b) Esta relação não é uma função, pois o elemento 1, pertencente a A, não está associado a elemento algum de B (c) Esta relação é uma função. 3.2. Domínio, Contradomínio e Imagem Considere a função 𝑓: 𝐴 → 𝐵 indicada no diagrama de fechas: Ao conjunto A damos o nome de domínio da função. Neste nosso exemplo o domínio da função 𝑓 é representado por 𝐷(𝑓) = { − 3, 0, 3 }, ou seja, o domínio contém todos os elementos do conjunto A. Ao conjunto B damos o nome de contradomínio da função. No exemplo, o contradomínio da função 𝑓 é representado por 𝐶𝐷(𝑓) = { 0, 9, 18 }, isto é, o contradomínio contém todos os elementos do conjunto B. Segundo o conceito de função não é necessário que todos os elementos de B estejam relacionados aos elementos do domínio. Note que no conjunto B o elemento 18 não está relacionado a qualquer elemento de A. Um elemento do contradomínio B pode estar associado a mais de um elemento do domínio. Como exemplo temos o elemento 9 que está associado aos elementos do domínio -3 e 3. Os elementos do conjunto imagem são todos os elementos do contradomínio que estão associados a algum elemento do domínio. No exemplo, o conjunto imagem é representado por 𝐼𝑚(𝑓) = { 0, 9 }, pois 0 e 9 são todos os elementos do 𝐶𝐷(𝑓) que estão associados a algum elemento do 𝐷(𝑓). Nesta função, o conjunto imagem é um subconjunto do contradomínio, pois o elemento 18 de B não está contido no conjunto imagem, por não estar associado a nenhum elemento do domínio. Na representação cartesiana temos que Domínio é o conjunto das abscissas dos pontos tais que as retas verticais conduzidas por esses pontos interceptam o gráfico de 𝑓 , isto é, é o conjunto formado por todas as abscissas dos pontos do gráfico de 𝑓. Imagem é o conjunto das ordenadas dos pontos tais que as retas horizontais A 1 2 3 B a b c d e A 1 2 3 B a b c d e A 1 2 3 B a b c d e 28 conduzidas por esses pontos interceptam o gráfico de 𝑓 , isto é, é o conjunto formado por todas as ordenadas dos pontos do gráfico de 𝑓. A função 𝑓 de A em B, 𝑓: 𝐴 → 𝐵 , deste exemplo, pode ser expressa pela seguinte lei de associação: 𝑓: 𝐴 → 𝐵, 𝑓(𝑥) = 𝑥2 ou ainda como 𝑓: 𝐴 → 𝐵, 𝑦 = 𝑥2 A variável 𝑓(𝑥) ou 𝑦 é chamada de variável dependente, pois depende de 𝑥, já a variável 𝑥 é chamada de variável independente, pois independentemente de y, pode representar qualquer elemento do domínio A IMPORTANTE: Não confundir 𝒇 e 𝒇(𝒙) : 𝑓 é o “nome” da função, enquanto 𝑓(𝑥) é o valor que a função 𝑓 assume no ponto 𝑥 ∈ 𝐷(𝑓). A definição da função leva em conta tanto o domínio quanto o contradomínio, relacionando-os. O conjunto imagem Im(f), depende não só da regra de associação, no caso f(x) = x2, como também do D(f) e do CD(f). Quando a função 𝑓 é definida apenas pela lei de associação, sem especificação dos conjuntos 𝐴 e 𝐵 , convenciona-se que o contradomínio 𝐵 seja o conjunto dos números reais. O domínio é o conjunto dos números reais, desconsiderando os valores de 𝑥 para os quais não é possível obter, pela lei de associação, uma imagem real. Diz-se, então, que a função 𝑓 é uma função real de variável real. Exemplos: 1) Dada a função 𝑓(𝑥) = 4𝑥2 − 2, determine [𝑓(0) − 𝑓(2)]/𝑓(1) 𝑓(0) = 4.02 − 2 = −2 𝑓(2) = 4. 22 − 2 = 14 𝑓(1) = 4.12 − 2 = 2 [𝑓(0) − 𝑓(2)] 𝑓(1) = −2 − 14 2 = − 16 2 = −8 2) Exercício Proposto: Considere a função 𝑓 (𝑥) = 𝑥² + 2𝑥 + 1. Calcule o valor da constante 𝑏 = {[𝑓(1)]2 − 2. 𝑓(1)}/4𝑓(0) e um número real 𝑎 de modo que 𝑓 (𝑥) = 0. Resposta: 𝑏 = 2 ; 𝑎 = −1 (multiplicidade 2). 3) Seja 𝑓 uma função que identifica a letra inicial do nome de uma pessoa. Considere esta função aplicada a um grupo de cinco pessoas chamadas José, Lia, Mário, Maria e Vítor. Determine o Domínio, a Imagem e o Contradomínio da função. 𝐷(𝑓) = { 𝐽𝑜𝑠é, 𝐿𝑖𝑎,𝑀á𝑟𝑖𝑜,𝑀𝑎𝑟𝑖𝑎, 𝑉𝑖𝑡𝑜𝑟} 𝐼(𝑓) = { 𝐽, 𝐿,𝑀, 𝑉} 𝐶𝐷(𝑓) = 𝑡𝑜𝑑𝑎𝑠 𝑎𝑠 𝑙𝑒𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑜 𝑎𝑙𝑓𝑎𝑏𝑒𝑡𝑜 4) Encontre o Domínio e a Imagem da função 𝑓 que calcula o quadrado de um número. Como não há especificação do domínio e do contradomínio, considera-se a função 𝑓 como uma função real de variável real. Chamando a variável independente de 𝑥 e a variável dependente de 𝑦, a função 𝑓 pode ser representada pela equação: 𝑦 = 𝑥2. Como para qualquer valor de 𝑥 ∈ ℜ , (negativo, zero, positivo) é possível calcular o valor de 𝑦, tem- se: 𝐷(𝑓) = {ℜ} Se 𝑥 < 0 então 𝑦 = 𝑥2 > 0; se 𝑥 = 0 então 𝑦 = 0 e se 𝑥 > 0 então 𝑦 > 0. Portanto, 𝑦 poderá ser zero ou um número positivo, assim: 𝐼(𝑓) = {𝑦 𝜖 ℜ| 𝑦 ≥ 0} = [0,+∞) 𝑥 = 𝐽𝑜𝑠é 𝑥 = 𝐿𝑖𝑎 𝑥 = 𝑀á𝑟𝑖𝑜 𝑥 = 𝑀𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑥 = 𝑉í𝑡𝑜𝑟 𝑦 = 𝑓(𝐽𝑜𝑠é) = 𝐽 𝑦 = 𝑓(𝐿𝑖𝑎) = 𝐿 𝑦 = 𝑓(𝑀á𝑟𝑖𝑜) = 𝑀 𝑦 = 𝑓(𝑀𝑎𝑟𝑖𝑎) = 𝑀 𝑦 = 𝑓(𝑉í𝑡𝑜𝑟) = 𝑉 29 5) Encontre o Domínio e a Imagem da função 𝑔 que calcula a área de um quadrado. Chamando o comprimento do lado do quadrado de 𝑥 e sua área de 𝑦, podemos calcular a área de uma seção quadrada como 𝑥. 𝑥 = 𝑥2. Assim, a função 𝑔 pode ser representada pela equação 𝑦 = 𝑔(𝑥) = 𝑥2. Só é possível calcular a área 𝑦 de um quadrado se o tamanho de seu lado for maior do que zero 𝐷(𝑔) = {𝑥 𝜖 ℜ| 𝑥 > 0} = (0,+∞) Como 𝑥 é sempre maior do que zero, a área 𝑦 calculada pela equação 𝑦 = 𝑥2 será sempre um número maior do que zero;𝐼𝑚(𝑔) = {𝑦 𝜖 ℜ| 𝑦 > 0} = (0,+∞) Observe que a função 𝑓, que calcula o quadrado de um número, e a função 𝑔, que calcula a área de um quadrado, podem ser expressas pela mesma equação 𝑦 = 𝑥2 , porém não são funções iguais, pois seus domínios são diferentes. Duas funções 𝒇 e 𝒈 são iguais se elas têm o mesmo domínio e se 𝒇(𝒙) = 𝒈(𝒙) para todo 𝒙 do domínio. 6) Calcule o domínio da função: 𝑓(𝑥) = √2𝑥 − 4 Como √2𝑥 − 4 só é possível em IR se 2𝑥 − 4 ≥ 0, ou seja, x ≥ 2, então: D = {x IR | x ≥ 2} 7) Calcule o domínio da função: 𝑓(𝑥) = 5 𝑥 + 1 Como o termo x + 1 é o denominador da função, ele não pode ser nulo (pois não existe divisão por zero). Portanto x + 1 ≠ 0, ou seja, x ≠ -1. D = {x IR | x ≠ -1} 8) Calcule o domínio da função: 𝑓(𝑥) = (√𝑥 − 2) (√3 − 𝑥) . Como visto anteriormente: √𝑥 − 2 ≥ 0. Portanto 𝑥 – 2 ≥ 0, ou seja, 𝑥 ≥ 2 (condição 1). Além disso, √3 − 𝑥 > 0, ou seja, x < 3. Mas como ele está no denominador, ele não pode ser igual a zero, portanto, x < 3 (condição 2). Resolvendo o sistema formado pelas condições 1 e 2 obtemos a solução representada na figura a seguir. Portanto, D = {x IR | 2 ≤ x < 3}. 9) Determine o domínio da função: 2 1 1)( z z zzh Devemos ter simultaneamente: 21/ 21 )2(202 )1(101 zzzD ssD szz szz 3.3. Tipos de Funções Função Sobrejetora: Uma função 𝑓: 𝐴 → 𝐵 é sobrejetora se, e somente se, o seu conjunto imagem for especificadamente igual ao contradomínio. Função Injetora: Uma função 𝑓: 𝐴 → 𝐵 é injetora se os elementos distintos do domínio tiverem imagens distintas. A B 30 Função Bijetora: Uma função 𝑓: 𝐴 → 𝐵 é bijetora se ela é injetora e sobrejetora. Isto é, se os elementos distintos do domínio tiverem imagens distintas e o conjunto imagem for igual ao contradomínio. 3.3.1 Outros tipos de funções 3.3.1.1 Função Crescente Definição: A função BAf : definida por )(xfy é crescente no conjunto AA 1 se, para dois valores quaisquer 1 x e 2 x pertencentes a 1 A , com 21 xx tivermos )()( 21 xfxf . Em símbolos: f é crescente quando ))()(();( 212121 xfxfxxxx A função é crescente em um determinado intervalo se, ao aumentarmos o valor atribuído a 𝑥, o valor de 𝑦 também aumenta (coeficiente angular positivo). Gráfico: Exemplo: A função xxf 2)( é crescente em , pois: )(;22 :);()( 2,12121 2121 xxxxxx assimxfxfxx 3.3.1.2 Função Decrescente: Definição: A função BAf : definida por )(xfy é decrescente no conjunto AA 1 se, para dois valores quaisquer 1 x e 2 x pertencentes a 1 A , com 21 xx tivermos )()( 21 xfxf . Em símbolos: f é decrescente quando ))()(();( 212121 xfxfxxxx A função é decrescente em um determinado intervalo se, ao aumentarmos o valor atribuído a 𝑥, o valor de 𝑦 diminui (coeficiente angular negativo). Gráfico: Exemplo: B A B A 31 A função xxf 2)( é decrescente em , pois: )(;22 :);()( 2,12121 2121 xxxxxx assimxfxfxx Função Constante Toda função 𝑓:ℜ → ℜ na forma 𝑓(𝑥) = 𝑘, com 𝑘 ∈ ℜ é denominada função constante. 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = 𝑘 Na função constante, todos os elementos do domínio terão sempre o mesmo valor de imagem, isto é, ao variarmos 𝑥 encontramos sempre o valor 𝑘. O diagrama de flechas abaixo representa este tipo de função. O gráfico de uma função constante é uma reta paralela ao eixo X que cruza o eixo Y em 𝑦 = 𝑘. Ou seja, passa pelo ponto (0, 𝑘). Exemplo: Plote o gráfico da função 𝑓(𝑥) = 2 Para qualquer valor de 𝑥 o valor da imagem da função é igual a 2. Por exemplo, se 𝑥 = 0 → 𝑓(0) = 2, se 𝑥 = 4 → 𝑓(4) = 2. Assim, o gráfico da função é uma reta paralela ao eixo X e que passa pelo ponto (0, 2). 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = 2 Função Identidade Uma aplicação f de em ,recebe o nome de função identidade quando a cada elemento x associa o próprio x , isto é: xx f : O gráfico da função identidade é uma reta que contém as bissetrizes do 1º e 3º quadrantes. A imagem é Im Gráfico: Função Par e Função Ímpar Uma função 𝑓 é dita ser uma função par se: 𝑓(−𝑥) = 𝑓(𝑥) O gráfico de uma função par é simétrico em relação ao eixo dos Y. Uma função 𝑓 é dita ser uma função impar se: 𝑓(−𝑥) = −𝑓(𝑥) O gráfico de uma função impar é simétrico em relação à origem do sistema cartesiano. Exemplos: Dada a função 𝑓 determine se ela é uma função par ou uma função impar. 1) 𝑓(𝑥) = 𝑥2 − 1 Escolhendo valores arbitrários do domínio de f temos: 32 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 2 → 𝑓(−2) = 𝑓(2) = 3 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 3 → 𝑓(−3) = 𝑓(3) = 8 como 𝑓(−𝑥) = 𝑓(𝑥) a função é par Também podemos reconhecer se uma função é par analisando seu gráfico. Observe no gráfico da função 𝑓(𝑥) = 𝑥2 − 1, que existe uma simetria em relação ao eixo 𝑦 . Por exemplo, as imagens de 𝑥 = 2 e 𝑥 = −2 são iguais ( 𝑦 = 3 ), assim os pontos (2,3) e (-2,3) estão simétricos em relação a Y. 2) 𝑓(𝑥) = 2 𝑥 Escolhendo valores arbitrários do domínio de f temos: 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 1 → 𝑓(1) = 2 𝑒 − 𝑓(−1) = 2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 2 → 𝑓(2) = 4 𝑒 − 𝑓(−2) = 4 como −𝑓(−𝑥) = 𝑓(𝑥) a função é impar É possível observar que no gráfico de 𝑓(𝑥) = 2 𝑥 existe uma simetria em relação ao ponto da origem do sistema cartesiano (0;0). Temos os pontos simétricos (1;2) e (–1;-2), assim como (2;4) e (-2;– 4). Nesse caso, temos uma função ímpar. 3.4. Gráfico de Funções O gráfico de uma função 𝑓 é o conjunto de todos os pares ordenados (𝑥, 𝑦) no plano 𝑥𝑦 tal que 𝑥 pertence ao 𝐷(𝑓) e 𝑦 pertence a 𝐼(𝑓). Assim, o gráfico de uma função é o conjunto dos pares ordenados (𝑥, 𝑓(𝑥)) , pois 𝑦 = 𝑓(𝑥). Costuma-se dizer que uma função real a uma variável real gera uma curva em 2. Como não é possível a representação de todos os pontos (𝑥, 𝑓(𝑥)), podemos escolher alguns valores de 𝑥 pertencentes ao 𝐷(𝑓) para calcular as correspondentes imagens 𝑓(𝑥) . Representando estes pontos no sistema de coordenadas obtemos o chamado gráfico de dispersão. Se os pontos de dispersão são suficientemente próximos e a forma da função é simples ou conhecidas podemos ligar os pontos do gráfico de dispersão com uma curva, obtendo o gráfico da função. Exemplo: Esboce o gráfico da função 𝑓(𝑥) = √9 − 𝑥 9 − 𝑥 ≥ 0 ∴ 𝑥 ≤ 9 𝐷(𝑓) = (−∞, 9] 𝑒 𝐼𝑚(𝐹) = [0,+∞) 𝑥 𝑦 = √9 − 𝑥 -16 5 -7 4 0 3 5 2 9 0 33 3.4.1. Análise de Gráficos Para reconhecer se uma curva representa ou não o gráfico de uma função, basta verificar se qualquer reta paralela ao eixo vertical e que passe por um ponto do domínio intercepta a curva em um só ponto. Se esta reta cruza a curva do gráfico em mais de um ponto não é função. Na figura abaixo traçamos o gráfico da equação 𝑦2 = 4𝑥 + 6𝑦 − 13 . Esta equação não representa uma função, pois para um mesmo valor de x obtém-se dois valores de y. Através do gráficoda função podemos visualizar seu domínio e sua imagem. O domínio de uma função é o conjunto das abscissas 𝑥 dos pontos do gráfico (projeção no eixo X). A imagem da função é o conjunto das ordenadas 𝑦 dos pontos do gráfico (projeção no eixo Y). Os valores de 𝑥 para os quais 𝑓(𝑥) = 0 chamam-se zeros da função 𝑓 ou raízes da equação 𝑓(𝑥) = 0. Geometricamente os zeros reais de uma função são as abscissas dos pontos onde o gráfico corta o eixo horizontal. 3.5. Função Polinomial de 𝟏º Grau A função 𝑓 é dada por um polinômio de 𝟏º Grau: 𝑓(𝑥) = 𝑎. 𝑥 + 𝑏 com 𝑎 e 𝑏 reais e 𝑎 ≠ 0. 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = ℜ Se 𝑏 ≠ 0 a função recebe o nome de função afim. Se 𝑏 = 0 a função recebe o nome de função linear. O coeficiente 𝑎 determina se 𝑓 é uma função crescente ou decrescente. Se 𝑎 > 0 , 𝑓 é uma função crescente. Se 𝑎 < 0 , 𝑓 é uma função decrescente. O gráfico de uma função polinomial de 1º grau é uma reta. Para determinar uma reta bastam 2 pontos. Uma vez encontrados dois pontos que satisfazem a equação da função, seu gráfico é obtido traçando uma reta por eles. Gráfico de uma Função Afim Seja a função afim de equação: 𝑦 = 𝑓(𝑥) = 𝑎 𝑥 + 𝑏 com 𝑎 ≠ 0 e 𝑏 ≠ 0 O coeficiente linear 𝑏 é o valor que 𝑦 assume quando 𝑥 = 0, enquanto que a raiz 𝑥 = −𝑏/𝑎 é o valor de 𝑥 que torna 𝑦 = 0. Assim, os pontos (0, 𝑏) e (−𝑏/𝑎, 0) podem ser usados para traçar o gráfico da função Exemplo: Plote o gráfico das funções dadas pelas equações: a) 𝑦 = 2 𝑥 + 4 Quando 𝑥 = 0 → 𝑦 = 4 e quando 𝑦 = 0 → 𝑥 = −2 . A reta passa pelos pontos 𝐴(−2,0) e 𝐵(0,4). b) 𝑦 = −2 𝑥 − 2 34 Para 𝑥 = 0 → 𝑦 = −2 e para 𝑦 = 0 → 𝑥 = −1 . A reta passa pelos pontos 𝐴(−1,0) e 𝐵(0,−2). Gráfico de uma Função Linear Seja a função linear de equação: 𝑦 = 𝑓(𝑥) = 𝑎 𝑥 com 𝑎 ≠ 0. A função linear é um caso particular da função afim quando o termo independente 𝑏 é nulo. Uma característica das funções lineares é que o seu gráfico passa pelo ponto (0,0). a origem da sistema de coordenadas cartesianas. Para o traçado do gráfico precisamos de mais um ponto. Este ponto pode ser obtido encontrando o valor da imagem 𝑦 = 𝑓(𝑥) para qualquer valor de 𝑥 ∈ 𝐷(𝑓). Exemplo: Plote o gráfico da função dada pela equação: 𝑦 = − 𝑥 2 Quando 𝑥 = 0 → 𝑦 = 0 e quando 𝑥 = −4 → 𝑥 = 2 . A reta passa pelos pontos 𝐴(0,0) e 𝐵(−4,2). Sinal de uma Função Para se estudar o sinal de uma função, quando a função está representada no plano cartesiano, basta examinar se é positiva, nula ou negativa a ordenada de cada ponto da curva. Ex: Estudar o sinal da função 𝑦 = 𝑓(𝑥) cujo gráfico está abaixo representado. Preparando o gráfico com aspecto prático temos: Conclusão: 𝑓(𝑥) = 0 → 𝑥 = −1 𝑜𝑢 𝑥 = 2 𝑜𝑢 𝑥 = 4 𝑜𝑢 𝑥 = 7 𝑓(𝑥) > 0 → −1 < 𝑥 < 2 𝑜𝑢 2 < 𝑥 < 4 𝑜𝑢 𝑥 > 7 𝑓(𝑥) < 0 → 𝑥 < −1 𝑜𝑢 4 < 𝑥 < 7 3.6. Função Polinomial de 𝟐º Grau Uma função 𝑓 é denominada de função de 2º grau quando ela for dada por um polinômio de 𝟐º Grau: 𝑓(𝑥) = 𝑎 𝑥2 + 𝑏 𝑥 + 𝑐 com 𝑎, 𝑏 e 𝑐 reais e 𝑎 ≠ 0 O gráfico de uma função de 2º grau é uma parábola. A parábola será côncava para cima se 𝑎 > 0, e será côncava para baixo se 𝑎 < 0. O vértice da parábola é dado pelo ponto (𝑥𝑣 , 𝑦𝑣) em que as coordenadas 𝑥𝑣 e 𝑦𝑣 são dadas por: 𝑥𝑣 = −𝑏 2 𝑎 𝑒 𝑦𝑣 = −∆ 4 𝑎 𝑜𝑢 𝑦𝑣 = 𝑓(𝑥𝑣) y x y x 35 onde ∆ = 𝑏2 − 4 𝑎 𝑐. O domínio e imagem da função de 2º grau é: 𝑠𝑒 𝑎 > 0 , 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = [𝑦𝑣 , +∞) 𝑠𝑒 𝑎 < 0 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = (−∞ , 𝑦𝑣 ] É importante notar que se a parábola for côncava para cima, 𝑥𝑣 corresponde ao seu ponto de mínimo e 𝑦𝑣 corresponde ao valor mínimo da função. Se a parábola for côncava para baixo, 𝑥𝑣 corresponde ao seu ponto de máximo e 𝑦𝑣 corresponde ao valor máximo da função. A função polinomial de 2º grau possui duas raízes ou zeros, que são os pontos 𝑥1 e 𝑥2 do domínio para os quais a imagem é nula, ou seja, 𝑓(𝑥1) = 0 𝑒 𝑓(𝑥2) = 0 As raízes da função podem ser calculadas pela fórmula de Bhaskara: 𝑥1 = −𝑏 + √∆ 2 𝑎 𝑒 𝑥1 = −𝑏 − √∆ 2 𝑎 Se ∆ > 0 a função 𝑓 tem duas raízes reais e distintas 𝑥1 ≠ 𝑥2 . Se ∆ = 0 a função 𝑓 tem duas raízes reais iguais 𝑥1 = 𝑥2 . Se ∆ < 0 a função 𝑓 não tem raízes reais. Se as raízes da função forem números reais então os pontos (𝑥1, 𝑓(𝑥1)) = (𝑥1, 0) e (𝑥2, 𝑓(𝑥2)) = (𝑥2, 0) são os pontos que o gráfico da função intercepta o eixo dos X. Exemplos: Plote o gráfico das funções: a) 𝑓(𝑥) = 3 𝑥2 − 9 𝑥 + 6 𝑎 = 3 ; 𝑏 = −9 ; 𝑐 = 6 ∆ = 𝑏2 − 4 𝑎 𝑐 = (−9)2 − 4.3.6 = 9 𝑥1 = 9 + √9 6 = 2 𝑒 𝑥2 = 9 − √9 6 = 1 𝑥𝑣 = − 𝑏 2𝑎 = 9 6 = 3 2 𝑒 𝑦𝑣 = − ∆ 4𝑎 = − 9 12 = − 3 4 O gráfico da função é a parábola que passa pelos pontos (1,0), (2,0) e (3/2,−3/4) e que é côncava para cima, pois 𝑎 = 3 > 0. b) 𝑓(𝑥) = − 𝑥2 + 3 𝑥 𝑎 = −1 ; 𝑏 = 3 ; 𝑐 = 0 Como o termo 𝑐 = 0, a fatoração deste polinômio é bastante simples e podemos utilizar este fato para encontrar as raízes da função sem utilizar a fórmula de Baskara. 𝑓(𝑥) = − 𝑥2 + 3 𝑥 = 0 → 𝑥 . (−𝑥 + 3) = 0 Para que o produto seja nulo temos que ou 𝑥 = 0 ou (−𝑥 + 3) = 0, assim, 𝑥1 = 0 𝑒 𝑥2 = 3. 𝑥𝑣 = − 3 2(−1) = 3 2 𝑒 𝑦𝑣 = 𝑓 ( 3 2 ) = 9 4 O gráfico da função é a parábola que passa pelos pontos (0,0), (3,0) e (3/2 , 9/4) e que é côncava para baixo pois 𝑎 = −1 < 0. c) 𝑓(𝑥) = 2 𝑥2 − 4 𝑥 + 2 𝑎 = 2 ; 𝑏 = −4 ; 𝑐 = 2 ∆ = 𝑏2 − 4 𝑎 𝑐 = (−4)2 − 4.2.2 = 0 𝑥1 = 𝑥2 = 4 ± 0 4 = 1 36 𝑥𝑣 = − 𝑏 2𝑎 = 4 4 = 1 𝑒 𝑦𝑣 = − ∆ 4𝑎 = − 0 8 = 0 Quando ∆= 0 as raízes da função são iguais 𝑥1 = 𝑥2. O gráfico da função é uma parábola de vértice (𝑥1, 0) coincidindo com o ponto que ela intercepta o eixo dos X. Para uma representação razoável de uma parábola, necessitamos de no mínimo 3 pontos. O gráfico da função intercepta o eixo Y quando 𝑥 = 0 então, se 𝑥 = 0 → 𝑓(0) = 2, assim o ponto (0 , 2) pertence à parábola. Qualquer ponto do domínio pode ser utilizado para encontrar o terceiro ponto da parábola. Se 𝑥 = 2 → 𝑓(2) = 2, assim o ponto (2 , 2) pertence à parábola. O gráfico da função 𝑓(𝑥) = 2 𝑥2 − 4 𝑥 + 2 é a parábola que passa pelos pontos (1 , 0), (0 , 2) e (2 , 2) e que é côncava para cima, pois 𝑎 = 2 > 0. d) 𝑓(𝑥) = 2 𝑥2 − 4 𝑥 + 3 𝑎 = 2 ; 𝑏 = −4 ; 𝑐 = 3 ∆= (−4)2 − 4 .2 .3 = −8 < 0 𝑥𝑣 = − 𝑏 2𝑎 = 4 4 = 1 𝑒 𝑦𝑣 = − ∆ 4𝑎 = − (−8) 8 = 1 Quando ∆ < 0 as raízes da função não são números reais. Isto significa que o gráfico da função não intercepta o eixo dos X. O gráfico da função intercepta o eixo Y quando 𝑥 = 0 então, se 𝑥 = 0 → 𝑓(0) = 3 . Quando 𝑥 = 2 → 𝑓(2) = 3, assim o ponto (2 , 3) pertence à parábola. O gráfico da função 𝑓(𝑥) = 2 𝑥2 − 4 𝑥 + 3 é a parábola que passa pelos pontos (1 , 1), (0 , 3) e (2 , 3) e que é côncava para cima, pois 𝑎 = 2 > 0. Gráfico de uma Função Quadrática Para fazermos o esboço do gráfico de uma função quadrática 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 , buscaremos, daqui para a frente,informações preliminares que são: 1) O gráfico é uma parábola, cujo eixo de simetria é a reta 𝑥 = − 𝑏 2𝑎 perpendicular ao eixo dos 𝑥. 2) Verificar se a parábola tem concavidade voltada para cima ou para baixo, 𝑎 > 0 ou 𝑎 < 0. 3) Zeros da função. Se ∆> 0, a parábola intercepta o eixo dos 𝑥 em dois pontos distintos 𝑃1 ( −𝑏+√∆ 2𝑎 ) e 𝑃2 ( −𝑏−√∆ 2𝑎 ) 4) Vértice da parábola é o ponto 𝑉 ( −𝑏 2𝑎 , −∆ 4𝑎 ) que é máximo se 𝑎 < 0 e mínimo se 𝑎 > 0. Seguem-se os tipos de gráficos que poderemos obter: 37 3.7. Função Exponencial Toda função 𝑓: ℜ → ℜ na forma 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥 , com 𝑎 > 0 e 𝑎 ≠ 1 é denominada de função exponencial. 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = ℜ+ ∗ = (0,+∞) O gráfico da função exponencial 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥 é uma curva que intercepta o eixo Y no ponto (0 , 1), pois 𝑓(0) = 𝑎0 = 1 e nunca intercepta o eixo dos X, pois a imagem da função não pode ser zero pois é estritamente positiva. A função é crescente se a base 𝑎 > 1 e decrescente se 0 < 𝑎 < 1. Observe que para valores positivos de 𝑥,o gráfico da função se aproxima do eixo 0x, embora sem nunca tocá-lo. Dizemos que o eixo 0x é uma assíntota do gráfico desta função. A função 𝑓(𝑥) = 𝑒𝑥 , cuja base é a constante de Euler 𝑒 (𝑒 ≈ 2,718… ) desempenha um papel muito importante nas aplicações da engenharia. Exemplos: Plote o gráfico das seguintes funções: a) 𝑓(𝑥) = 𝑒𝑥 e 𝑔(𝑥) = −𝑒𝑥 Como a função 𝑓(𝑥) = 𝑒𝑥 é uma função exponencial de base igual ao número de Euler 𝑒 = 2,7182…, a função é crescente, pois 𝑒 > 0. Os valores que a função 𝑔(𝑥) = −𝑒𝑥 assume são iguais aos valores de 𝑓(𝑥) = 𝑒𝑥 multiplicados por - 1. Isto significa que as funções 𝑔 e 𝑓 são simétricas em relação ao eixo dos X. b) 𝑓(𝑥) = 𝑒−𝑥 𝑒 𝑔(𝑥) = −𝑒−𝑥 Como a função 𝑓(𝑥) = 𝑒−𝑥 = (𝑒−1)𝑥 é uma função exponencial de base igual 𝑒−1, ela é decrescente, pois 0 < 𝑒−1 < 1. Os valores que a função 𝑔(𝑥) = −𝑒−𝑥 assume são iguais aos valores de 𝑓(𝑥) = 𝑒−𝑥 multiplicados por - 38 1. Isto significa que as funções 𝑔 e 𝑓 são simétricas em relação ao eixo dos X. 3.8. Função Logarítmica Toda função 𝑓: ℜ → ℜ na forma 𝑓(𝑥) = 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 com 𝑎 > 0 e 𝑎 ≠ 1 é denominada de função logarítmica 𝐷(𝑓) = ℜ+ ⋆ = (0,+∞) 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = ℜ O gráfico da função logarítmica 𝑓(𝑥) = log𝑎 𝑥 é uma curva que intercepta o eixo X no ponto (1, 0), pois 𝑓(1) = log𝑎 1 = log𝑎 𝑎 0 = 0 . O gráfico da função nunca intercepta o eixo dos Y, pois 𝑥 = 0 não pertence ao domínio da função, ou seja, ∄ 𝑓(0). A função é crescente se a base 𝑎 > 1 e decrescente se 0 < 𝑎 < 1. Exemplo: Plote o gráfico das seguintes funções: 𝑓(𝑥) = ln (𝑥) e 𝑔(𝑥) = −ln (𝑥) Como a função 𝑓(𝑥) = ln (𝑥) é uma função logarítmica de base igual ao número de Euler 𝑒 = 2,7182…, a função é crescente, pois 𝑒 > 0. Os valores que a função 𝑔(𝑥) = −ln (𝑥) assume são iguais aos valores de 𝑓(𝑥) = ln (𝑥) multiplicados por -1. Isto significa que as funções 𝑔 e 𝑓 são simétricas em relação ao eixo dos X. 3.9. Função Inversa Se 𝑓: 𝐴 → 𝐵 for uma função injetora então, ela admite uma função inversa 𝑓−1: 𝐵 → 𝐴. Exemplo: Dados dois conjuntos 𝐴 = {𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑑 , 𝑒} e 𝑌 = { 𝐴, 𝐵, 𝐶 , 𝐷 , 𝐸}, define-se a função (𝑓 ) como sendo a lei que associa cada letra minúscula ao seu correspondente em maiúsculo. 39 Observe que a função f é injetora onde 𝐷(𝑓) = 𝐴 e 𝐼𝑚(𝑓) = 𝐵. Se 𝑓 é injetora então ela admite uma função inversa 𝑓−1: 𝐵 → 𝐴 onde 𝐷(𝑓) = 𝐵 e 𝐼𝑚(𝑓) = 𝐴. Observação 1: o que era domínio na função 𝑓 original vira imagem na função inversa 𝑓−1, e o que era imagem na função original vira domínio na função inversa. Observação 2: Se 𝑓 tiver uma inversa, então os gráficos de 𝑦 = 𝑓(𝑥) e 𝑦 = 𝑓−1(𝑥) são reflexões um do outro em relação a reta 𝑦 = 𝑥. Exemplos: 1) Dada a função 𝑓 calcule sua inversa 𝑓−1 1) 𝑓(𝑥) = 3 𝑥 + 6 Fazendo 𝑦 = 𝑓(𝑥) (I) 𝑦 = 3 𝑥 + 6 (II) 𝑥 = 3 𝑦 + 6 (III) 3 𝑦 = 𝑥 − 6 (IV) 𝑦 = 𝑓 −1 (𝑥) = 𝑥 − 6 3 É fácil observar em (II) a mudança das variáveis: o que era 𝑥 virou 𝑦 , e vice-versa. Após fazer essa substituição, é só isolar a variável 𝑦 para encontrar a função inversa. 2) 𝑓(𝑥) = 2𝑥 𝑦 = 2𝑥 → 𝑥 = 2𝑦 log2(𝑥) = log2 2 𝑦 𝑦 log2 2 = log2 𝑥 𝑦 = 𝑓−1(𝑥) = log2 𝑥 Observe que as funções exponenciais e logarítmicas são funções inversas. 𝐷(𝑓) = ℜ 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = ℜ+ ⋆ = (0,+∞) 𝐷𝑜𝑚(𝑓−1) = ℜ+ ⋆ = (0,+∞) 𝑒 𝐼𝑚(𝑓) = ℜ 3.10. Função Composta Sejam três conjuntos distintos 𝐴, 𝐵 e 𝐶 que entre eles existam as seguintes funções: 𝑓: 𝐴 → 𝐵 𝑒 𝑔: 𝐵 → 𝐶 Assim, irá existir outra função ℎ ∶ 𝐴 → 𝐶 tal que ℎ(𝑥) = 𝑔(𝑓(𝑥)) que é chamada de função composta de 𝑔 e 𝑓 denotada por (𝑔 ∘ 𝑓)(𝑥). B A A B 40 Na função (𝑔 ∘ 𝑓)(𝑥) = 𝑔(𝑓(𝑥)) , resolvemos primeiro a função interna 𝑓, ao resultado, ou seja, à imagem de 𝑓 aplicamos a função 𝑔 . Assim, o domínio de (𝑔 ∘ 𝑓)(𝑥) é o conjunto de todos os elementos 𝑥 no domínio de 𝑓 tal que 𝑓(𝑥) esteja no domínio de 𝑔. 𝐷𝑜𝑚(𝑔 ∘ 𝑓) = {𝑥 ∈ 𝐷𝑜𝑚(𝑓)|𝑓(𝑥) ∈ 𝐷𝑜𝑚(𝑔)} É importante lembrar que as funções (𝑔 ∘ 𝑓) e (𝑓 ∘ 𝑔) são geralmente diferentes. Exemplo: Considere as funções: 𝑔(𝑥) = 2𝑥2 e 𝑓(𝑥) = 𝑥 + 1 a) Determine a função composta 𝑔 𝑜 𝑓. Como a função (𝑔 𝑜 𝑓)(𝑥) = 𝑔(𝑓(𝑥)) agora os elementos do domínio de 𝑔 são as imagens 𝑦 = 𝑓(𝑥) da função 𝑓. Isto significa que o "𝑥" da função 𝑔 deve ser substituído por "𝑓(𝑥)". Então: 𝑔 𝑜 𝑓 = 𝑔(𝑓(𝑥)) = 2. 𝑓(𝑥)2 = 2. [𝑥 + 1]2 = = 2. [𝑥2 + 2𝑥 + 1] = 2𝑥2 + 4𝑥 + 2 ∴ (𝑔 𝑜 𝑓)(𝑥) = 2𝑥2 + 4𝑥 + 2 b) Determine a função composta 𝑓 𝑜 𝑔. Como a função (𝑓 𝑜 𝑔)(𝑥) = 𝑓(𝑔(𝑥)) agora os elementos do domínio de 𝑓 são as imagens 𝑦 = 𝑔(𝑥) da função 𝑔. Isto significa que o "𝑥" da função 𝑓 deve ser substituído por "𝑔(𝑥)". Então: 𝑓 𝑜 𝑔 = 𝑓(𝑔(𝑥)) = 𝑔(𝑥) + 1 = [2𝑥2] + 1 = = 2 𝑥2 + 1 ∴ (𝑓 𝑜 𝑔)(𝑥) = 2𝑥2 + 1. c) Determine a função composta 𝑓 𝑜 𝑓. 𝑓 𝑜 𝑓 = 𝑓(𝑓(𝑥)) = 𝑓(𝑥) + 1 = [𝑥 + 1] + 1 = = 𝑥 + 2 ∴ (𝑓 𝑜 𝑓)(𝑥) = 𝑥 + 2 c) Determine a função composta 𝑔 𝑜 𝑔. 𝑔 𝑜 𝑔 = 𝑔(𝑔(𝑥)) = 2. [𝑔(𝑥)]2 = 2. [2𝑥2]2 = = 2. (4𝑥4) = 8 𝑥4 ∴ (𝑔 𝑜 𝑔)(𝑥) = 8 𝑥4 41 Exercícios 1) Seja 𝑓(𝑥) = 1 𝑥 , 𝑥 ≠ 0. Se 𝑓(2 + 𝑝) − 𝑓(2) = 3 2 . Calcule 𝑓(1 − 𝑝) − 𝑓(1 + 𝑝). 2) Esboce o lugar geométrico do seguinte conjunto 𝐻 = {(𝑥, 𝑦) ∈ ℝ2 𝑥2⁄ + 𝑦2 − 2𝑦 = 0}. Verifique que o conjunto esboçado não corresponde a uma função. 3) Verifique as possibilidades para os quais x satisfaz a inequação (4𝑥 − 3)/(𝑥 + 1) > 2 4) Os pontos (0,0) e (2,1) estão no gráfico de uma função quadrática 𝑓. O mínimo de 𝑓 é assumido no ponto de abscissa 𝑥 = −0.25. Calcule o valor de 𝑓(1). 5) O maior elemento da sequência 𝑎𝑛 = 400 + 20𝑛 − 2𝑛2, 𝑛 = 1,2,3,…50, vale: 6) Plote o seguinte gráfico ||𝑥| − 2| − 3. 7) Considere a função 𝑓(𝑥) = { 1, 𝑠𝑒 0 ≤ 𝑥 ≤ 2 −2, 𝑠𝑒 − 2 ≤ 𝑥 < 0 e 𝑔(𝑥) = |𝑓(𝑥)| − 1. Plote 𝑔(𝑥). 8) Se o conjunto: 𝑆 = {𝑥 ∈ ℜ/𝑎 ≤ 𝑥
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