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Universidade Federal de Vic¸osa Centro de Cieˆncias Exatas Departamento de Matema´tica 1a Lista MAT 146 - Ca´lculo I 2018/I FUNC¸O˜ES De forma geral uma func¸a˜o relaciona os elementos de dois conjuntos por meio de uma determinada regra de associac¸a˜o. No nosso caso, usaremos a seguinte Definic¸a˜o 1 Sejam A,B ⊂ R. Uma func¸a˜o f definida em A e com valores em B e´ uma regra que associa a cada elemento x ∈ A um u´nico elemento y ∈ B. Notac¸o˜es usuais: f : A −→ B tal que y = f(x) ou f : A −→ B x 7−→ f(x) EXEMPLOS: 1. A concentrac¸a˜o de certo tranquilizante aplicado no soro, varia na sua efica´cia ao longo do tempo pela expressa˜o C = t2 − 2t + 5, onde C e´ medido em miligramas por litro e o tempo t em horas. (a) C e´ uma func¸a˜o que associa a cada tempo t um u´nico valor de concentrac¸a˜o do tranquilizante. Ale´m disso, Dom(C) = [0,+∞) (b) A bula estabelece que o tranquilizante na˜o produz danos colaterais e e´ eficaz se a concentrac¸a˜o estiver entre 8 e 13 miligramas por litro. De acordo a isto, 8 ≤ t2−2t+5 ≤ 13. Ora, resolver a desigualdade anterior, e´ equivalente a resolver as desigualdades 8 ≤ t2 − 2t + 5 e t2 − 2t + 5 ≤ 13. 8 ≤ t2− 2t+ 5⇐⇒ t2− 2t− 3 ≥ 0⇐⇒ (t− 3)(t+ 1) ≥ 0⇐⇒ t ∈ (−∞,−1]∪ [3,+∞) t2 − 2t + 5 ≤ 13⇐⇒ t2 − 2t− 8 ≤ 0⇐⇒ (t− 4)(t + 2) ≤ 0⇐⇒ t ∈ [−2, 4] A soluc¸a˜o comum a ambas as desigualdades e´ o intervalo [3, 4]. Isto nos diz que entre 3 e 4 horas de aplicado, o tranquilizante e´ eficaz. 2. Va´rios jogos da copa do mundo de 1994 ocorreram no esta´dio da Universidade de Stanford na Califo´rnia. O campo esta´ a 30m mais longo do que e´ sua largura e a a´rea do campo e´ de 8800m2. Quais sa˜o as dimenso˜es deste campo de futebol? Soluc¸a˜o: Chamando de x a largura do campo, temos que o seu comprimento e´ x+30. Logo, a a´rea do campo e´ x(x + 30) = 8800. Resolvendo esta equac¸a˜o do segundo grau, temos ∆ = 302 − 4.(−8800) = 36100. Portanto, as soluc¸o˜es da equac¸a˜o sa˜o dadas por: x1 = −30 +√36100 2 = −30 + 190 2 = 80 e x2 = −30−√36100 2 = −30− 190 2 = −110. Como x na˜o pode ser negativo, as dimenso˜es do campo sa˜o 80m de largura e 110m de comprimento. 3. Uma famı´lia dispo˜e de um orc¸amento mensal de 1200 reais e tem um gasto fixo, como aluguel, alimentac¸a˜o, luz, etc, de 650 reais e de 200 reais em artigos supe´rfluos. (a) Determine a restric¸a˜o orc¸amenta´ria da famı´lia. (b) Determine a regia˜o dos gastos, onde os mesmos na˜o ultrapassam o orc¸amento. Soluc¸a˜o: Sejam x os artigos supe´rfluos e y artigos fixos. Note que x, y ∈ N ∪ {0}. (a) A restric¸a˜o orc¸amenta´ria equivale a igualar o orc¸amento com os gastos; enta˜o: 200x + 650y = 1200 =⇒ y = 0, 3077x + 1, 846 Assim, a restric¸a˜o orc¸amenta´ria e´ uma func¸a˜o afim. (b) Neste caso, devemos resolver 200x+ 650y < 1200; enta˜o: 0, 3077x+ y < 1, 846. Fazendo o gra´fico e hachurando a regia˜o inferior a` reta 0, 3077x + y = 1, 846, a` direita de x = 0 e acima de y = 0, temos regia˜o requerida. -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 x y 4. Determine o domı´nio e imagem de f dada por f(x) = √ 3−√x− 1. Soluc¸a˜o: Por definic¸a˜o de func¸a˜o raiz quadrada devemos ter: (i) x − 1 ≥ 0 e (ii) 3−√x− 1 ≥ 0. A primeira desigualdade fornece x ≥ 1. A segunda desigualdade fornece √ x− 1 ≤ 3, equivalente a x ≤ 10 (elevando ao quadrado ambos os lados). Assim, obtemos 1 ≤ x ≤ 10. Portanto, Dom(f) = [1, 10]. Quanto a imagem, vamos proceder da seguinte forma: Seja x ∈ [1, 10], logo 1 ≤ x ≤ 10⇐⇒ 0 ≤ x− 1 ≤ 9⇐⇒ 0 ≤ √x− 1 ≤ 3⇐⇒ −3 ≤ −√x− 1 ≤ 0⇐⇒ ⇐⇒ 0 ≤ 3−√x− 1 ≤ 3⇐⇒ 0 ≤ √ 3−√x− 1 ≤ √ 3⇐⇒ 0 ≤ y ≤ √ 3 Portanto, Im(f) = [0, √ 3]. EXERCI´CIOS: 1. Exerc´ıcios sugeridos do livro do Leithold V1. Cap´ıtulo 1. Sec¸a˜o 1.4 (p. 39) 1, 3, 5(e,f,h,i,j), 6(e,f,h,i,j), 8(d,f,g), 10(e, f), 13, 14, 16, 18, 20, 26, 28, 30, 34, 37, 40-42. Sec¸a˜o 1.5(p. 44) 8, 14, 16, 24, 28, 36. Ex. Revisa˜o (p. 52-53) 16, 38, 40, 45, 47, 48, 50 2. Sabe-se que 100 g (g=gramas) de soja contem 35 g de prote´ınas e 100 g de lentilhas contem 26 g de prote´ınas. Um adulto me´dio, num clima moderado, necessita de 70 g de prote´ınas dia´rias em sua alimentac¸a˜o. Uma pessoa deseja prover estas 70 g de prote´ınas somente com soja e/ou lentilhas. Se x e´ a quantidade de soja e y a quantidade de lentilhas dia´rias (x e y medidas em unidades de 100 g), qual e´ a relac¸a˜o entre x e y? 3. Um pesquisador de fisiologia estableceu que a func¸a˜o r(s) = −s2 + 12s − 20 e´ um modelo matema´tico que descreve o nu´mero de pulsos emitidas por uma pesso˜a, apo´s ter sido estimulado na regia˜o nervosa. A varia´vel s indica o nu´mero de segundos decorridos desde a estimulac¸a˜o nervosa. Fazer o gra´fico da func¸a˜o e interpretar no contexto do problema. 4. Uma empresa compra um equipamento por 3 milho˜es de reais e espera que sua vida u´til seja de 15 anos: (a) Determine a depreciac¸a˜o anual. (b) Determine V = V (t) e calcule o valor do equipamento apo´s 7 anos. (c) Qual e´ a depreciac¸a˜o apo´s 10 anos? 5. O faturamento de uma empresa, num certo per´ıodo, foi expresso em func¸a˜o do nu´mero x de vendedores por f(x) = x3−3x2−18x milhares de reais por dia. Quantos eram os vendedores no dia em que o faturamento atingiu 70 mil reais? 6. Suponha que foram introduzidos numa ilha, 144 indiv´ıduos de uma certa espe´cie de macacos. Inicialmente, a quantidade de ind´ıviduos tende a crescer; apo´s um certo tempo, o alimento e a populac¸a˜o de macacos decresce. Se o nu´mero de macacos no tempo t, em anos, e´ dado por P (t) = −t4 + 32t2 + 144. Quando a populac¸a˜o se extingue? 7. Para uma populac¸a˜o particular de salma˜o, a relac¸a˜o entre o nu´mero de feˆmeas x e o nu´mero de filhotes y que sobrevivem ate´ alcanc¸ar idade adulta esta´ dada pela fo´rmula y = 4|7− x| − |x− 3| 2 . Quando o nu´mero de feˆmeas e´ menor ou igual do que o nu´mero de filhotes que sobrevive? 8. Uma floresta possui, aproximadamente, 24000m3 de madeira comercializa´vel, a qual aumenta na raza˜o de 3 : 5% ao ano. Outra floresta possui, aproximadamente, 48000m3 de madeira comercializa´vel com a mesma raza˜o de crescimento da primeira. (a) Quantos anos devem trascorrer para que a primeira floresta tenha a mesma quantidade de madeira da segunda? (b) Quantos anos sa˜o necessa´rios para que ambas as florestas tripliquem a quantidade de madeira? LIMITES Intuitivamente, dizer que lim x→a f(x) = L equivale a dizer que na medida em que x se aproxima de a, as correspondentes imagens f(x) se aproximam de L. Observe que em limites nem sempre chegamos a x = a, nem a f(x) = L para algum x. Perceba que tanto a como L podem ser um nu´mero real ou +∞ ou −∞. Para calcular lim x→a f(x), seguimos o seguinte procedimento: 1. Primeiro, supomos que x = a e vemos o que sera´ f(a). Caso f(a) seja um valor bem definido, este resultado sera´ o limite procurado. 2. Segundo, caso f(a) seja uma indeterminac¸a˜o ( 0 0 , ∞ ∞ , ∞ − ∞, ∞ ∞, 00, 1∞). Fazendo uso de procedimentos alge´bricos, eliminamos a indeterminac¸a˜o. Uma vez eliminada, retornamos a 1 com a nova func¸a˜o de ficou apo´s o procedimento alge´brico. EXEMPLOS: 1. Calcular lim x→2 x2 − x− 2√ x−√2 Soluc¸a˜o: Observe que ao substituir x por 2 obtemos a indeterminac¸a˜o 0 0 . Isto significa que tanto no numerador como no denominador ha´ um fator (x − 2) que devemos de eliminar. Note que x2 − x − 2 = (x − 2)(x + 1) e que x − 2 = (√x − √2)(√x + √2), de onde √ x−√2 = x− 2√ x + √ 2 . Logo, lim x→2 x2 − x− 2√ x−√2 = limx→2 (x− 2)(x + 1) x− 2√ x + √ 2 = lim x→2 (x− 2)(x + 1)(√x +√2) x− 2 = limx→2(x+1)( √ x+ √ 2) Em (x + 1)( √ x + √ 2) substituimos novamente x por 2 e obtemos o valor 6 √ 2. Ou seja limx→2(x + 1)( √ x + √ 2) = 6 √ 2 Portanto, lim x→2 x2 −x− 2√ x−√2 = limx→2(x + 1)( √ x + √ 2) = 6 √ 2. 2. Calcular lim h→0 f(a + h)− f(a) h , para f dada por f(x) = 1 x− 1, onde a 6= 1. Soluc¸a˜o: Note que f(a + h)− f(a) = 1 a + h− 1 − 1 a− 1 = −h (a− 1)(a + h− 1). Assim, lim h→0 f(a + h)− f(a) h = lim h→0 −h (a− 1)(a + h− 1) h = lim h→0 −1 (a− 1)(a + h− 1) = − 1 (a− 1)2 3. Uma montadora de computadores determina que um empregado apo´s x dias de treinamento, monta m computadores por dia, onde: m(x) = 20x2 x2 + x + 5 . Qual e´ o comportamento de m = m(x) para treinamentos longos? Soluc¸a˜o: Por treinamento longo entendemos aqui que x → +∞. Assim, devemos calcular limx→+∞m(x). lim x→+∞ 20x2 x2 + x + 5 = lim x→+∞ x2(20) x2(1 + 1 x + 5 x2 ) = lim x→+∞ 20 1 + 1 x + 5 x2 = 20 Isto nos diz que apo´s um longo treinamento um empregado consegue fabricar 20 computadores por dia e que este e´ o valor limite da produtividade deste empregado. 4. Um empresa comprou uma ma´quina por R$ 80.000, 00. O departamento financeiro calculou que pode revender no final de t anos ao prec¸o de P (t) = 80 1 + 0, 4t mil reais. (a) Apo´s quantos anos a ma´quina perdera´ a metade do seu valor de compra? (b) Calcule lim t→+∞ P (t) e deˆ uma interpretac¸a˜o econoˆmica para este resultado. Soluc¸a˜o: (a) A metade do valor de compra corresponde a 40.000. Como a func¸a˜o P (t) e´ dada em mil reais, temos que resolver a seguinte equac¸a˜o 80 1 + 0, 4t = 40⇔ 80 = (1 + 0, 4t)40⇔ 80 = 40 + 16t⇔ 16t = 40⇔ t = 2, 5. Logo, apo´s 2, 5 anos a ma´quina perdera´ a metade do seu valor de compra. (b) lim t→+∞ P (t) = lim t→+∞ 80 1 + 0, 4t = 0, pois lim t→+∞ 80 = 80 e lim t→+∞ 1 + 0, 4t = +∞. Este resultado significa que a longo prazo a ma´quina perdera´ totalmente seu valor. EXERCI´CIOS: 1. Exerc´ıcios sugeridos do livro do Leithold V1. Cap´ıtulo 2. Sec¸a˜o 2.2(p. 72) 2 - 14(so´ os pares), 22, 24, 27-36, 38, 39 Sec¸a˜o 2.3(p. 76-77) 2 - 10(so´ os pares, menos 6), 17, 18, 21, 29 - 32 33 - onde diz ”Mostre que limx→0 f(x) existe, pore´m limx→0 |f(x)| na˜o existe”. Leia-se ”Verifique que limx→0 |f(x)| existe, pore´m limx→0 f(x) na˜o existe. Justifique sua resposta!” Sec¸a˜o 2.4(p. 88) 13 - 32(menos 27 e 28) Sec¸a˜o 2.5(p. 98) 11 - 29 (so´ os ı´mpares), 31 - 36 2. Considere a func¸a˜o g(x) = | x− 3 |x− 3 , se x 6= 30, se x = 3. Encontre, se existirem, lim x→3− g(x), lim x→3+ g(x) e lim x→3 g(x). 3. O custo em um(unidades moneta´rias) para remover x% dos detritos to´xicos despejados num aterro e´ dado por C(x) = 0, 8x 100− x , para 0 < x < 100. (a) Calcule lim x→100− S(x). (b) Interprete o resultado obtido. 4. Os custos de transporte de mercadorias sa˜o usualmente calculados por uma fo´rmula que resulta em custos mais baixos por quilo a` medida que o tamanho da carga aumenta. Suponhamos que x quilos seja o peso de uma carga a ser transportada, C(x) o seu custo total e C(x) = 0, 80x se 0 < x ≤ 50 0, 70x se 50 < x ≤ 200 0, 65x se x < 200. (a) Fac¸a um esboc¸o do gra´fico de C. (b) Calcule cada um dos seguintes limites i. lim x→50− C(x) ii. lim x→50+ C(x) iii. lim x→200− C(x) iv. lim x→200+ C(x) 5. A func¸a˜o de produc¸a˜o de um certo bem em relac¸a˜o a` quantidade de mate´ria prima, em quilogramas, e´ dada por P (x) = x2 − 4 x− 2 . Determine e interprete a produc¸a˜o quando se tem 2 quilogramas de mate´ria prima. 6. Numa cidade, uma determinada not´ıcia foi propagada de tal maneira que o nu´mero de pessoas que tomaram conhecimento e´ dado por: N(t) = 3025 1 + 54e−10t em que t representa o nu´mero de dias apo´s ocorrer a not´ıcia: (a) Quantas pessoas souberam a not´ıcia de imediato? (b) Determine lim t→∞ N(t) e explique o seu resultado. 7. Os psico´logos consideram que quando se pede a uma pesso˜a lembrar um conjunto de eventos, o nu´mero de fatos lembrados apo´s t minutos esta´ dado por uma func¸a˜o da forma Q(t) = A(1−e−kt), onde k e´ uma constante positiva e A e´ o nu´mero total de fatos importantes presentes na memo´ria de uma pesso˜a. Qual o comportamento de Q quando t cresce sem limite? Explique este comportamiento na pra´tica. 8. A altura de uma a´rvore, como func¸a˜o de sua idade, e´ dada pela seguinte expressa˜o f(x) = 132e− 20 x , com x ≥ 0. Calcule limx→+∞ f(x) e interprete o resultado obtido. 9. O custo para produzir x unidades de um certo produto e´ dado por C(x) = 0, 25x+ 3600 em reais. (a) Determine o custo me´dio quando x cresce. (b) Interprete o resultado. CONTINUIDADE Definic¸a˜o 2 Uma func¸a˜o f : R −→ R e´ dita cont´ınua em a ∈ Dom(f) se sa˜o satisfeitas as seguintes condic¸o˜es: 1. Existe f(a). Isto e´, f(a) esta´ bem definida. 2. Existe limx→a f(x). Isto e´, os limites laterais limx→a+ f(x) e limx→a− f(x) existem e sa˜o iguais. 3. limx→a f(x) = f(a) f e´ cont´ınua em A ⊆ Dom(f), se f e´ cont´ınua em cada um dos pontos x ∈ A. EXEMPLOS: 1. Num certo pa´ıs, o montante de impostos de renda T (x) devido por uma pessoa f´ısica que recebe x unidade moneta´rias e´ modelado por: T (x) = 0, 15x , se 0 ≤ x < 25000 3750 + 0, 25(x− 25000) , se 25000 ≤ x < 60000 12500 + 0, 35(x− 60000) , se 60000 ≤ x Estude a continuidade do imposto de renda T = T (x). A renda de um contribuinte e´ sensivelmente diferente se sua receita e´ ligeiramente inferior ou superior a 600000 reais? Soluc¸a˜o: Note em primeiro lugar que a func¸a˜o assim dada, fora dos pontos x0 = 25000 e x1 = 60000 e´ dada por polinoˆmios os quais como sabemos sa˜o cont´ınuos. Sendo assim, fora dos pontos x0 e x1 a func¸a˜o T e´ cont´ınua. Resta saber sobre a continuidade nesses pontos. Para tal devemos fazer uso da definic¸a˜o de continuidade: (a) Existe T (x0) e T (x1). De fato, T (2500) = 3750 e T (60000) = 12500. (b) Existem limx→25000 T (x) e limx→60000 T (x). De fato, lim x→2500− T (x) = lim x→2500− 0, 15x = 3750 lim x→2500+ T (x) = lim x→2500+ 3750 + 0, 25(x− 25000) = 3750 lim x→60000− T (x) = lim x→60000− 3750 + 0, 25(x− 25000) = 12500 lim x→60000+ T (x) = lim x→60000+ 12500 + 0, 35(x− 60000) = 12500 (c) limx→25000 T (x) = T (2500) e limx→60000 T (x) = T (60000) Satisfeitas as treˆs condic¸o˜es da definic¸a˜o, concluimos que a func¸a˜o T e´ cont´ınua em x0 e x1 e daqui e´ cont´ınua em todo seu domı´nio. Por outro lado, as mudanc¸as da renda do contribuinte na˜o tem variac¸a˜o sens´ıvel se sua receita e´ levemente inferior ou superior a 60000 unidades moneta´rias. 2. Uma empresa ferrovia´ria cobra R$ 10, 00 por milha para transportar um vaga˜o ate´ 200 milhas e R$ 8, 00 por milha por cada milha que exceda 200. Ale´m disso, a ferrovia cobra uma taxa de movimentac¸a˜o de R$ 1000, 00 por vaga˜o. Esboce o gra´fico do custo do envio de um vaga˜o por x milhas. A func¸a˜o obtida e´ cont´ınua? Justifique! Soluc¸a˜o: Se x e´ no ma´ximo 200 milhas, enta˜o o custo C(x) e´ dado por C(x) = 1000 + 10x reais. O custo para 200 milhas e´ de C(200) = 1000 + 2000 = 3000 reais. Se x excede 200 milhas, enta˜o o custo total sera´ C(x) = 3000︸︷︷︸ custo das primeiras 200 milhas + 8(x− 200)︸ ︷︷ ︸ custo das milhas acima de 200 = 1400 + 8x Logo, C(x) = { 1000 + 10x se 0 ≤ x ≤ 200 1400 + 8x se x > 200. Como 1000+10x e 1400+8x sa˜o func¸o˜es polinomiais, segue que sa˜o cont´ınuas, logo a func¸a˜o C(x) e´ cont´ınua em [0, 200) e em (200,+∞). Resta analisar a continuidade em x = 200. Note que C(200) = 3000, lim x→200− C(x) = lim x→200− 1000 + 10x = 3000 e lim x→200+ C(x) = lim x→200− 1400 + 8x = 3000. Como lim x→200− C(x) = lim x→200+ C(x) = C(200) = 3000, segue a func¸a˜o C(x) e´ cont´ınua em x = 200, logo C e´ sempre cont´ınua. 3. Determine o valor de b de tal forma que a func¸a˜o f dada abaixoseja cont´ınua no intervalo (0, 10). f(x) = bx− 3 , se 0 < x < 2 x2 − 1 , se 2 ≤ x < 10 Soluc¸a˜o: Pelo enunciado, podemos concluir que a func¸a˜o ja´ e´ cont´ınua em (0, 10), logo valem as treˆs condic¸o˜es da definic¸a˜o de continuidade em qualquer ponto de (0, 10). Assim, f(2) = (2)2−1 = 3, lim x→2− f(x) = lim x→2+ f(x) = f(2) = 3. Mas, lim x→2− f(x) = lim x→2− bx−3 = 2b−3 e lim x→2+ f(x) = lim x→2+ x2 − 1 = 3. De onde 2b− 3 = 3 e daqui b = 3. Portanto, o valor de b que torna f cont´ınua em (0, 10) e´ b = 3. EXERCI´CIOS: 1. Exerc´ıcios sugeridos do livro do Leithold V1. Cap´ıtulo 2. Sec¸a˜o 2.6 (p. 106, 107) 1, 5, 10, 11, 15, 17, 20, 23, 26, 27, 28, 33, 36, 37, 39, 41, 42, 44, 46 Sec¸a˜o 2.7 (p. 112, 113) 15, 18, 21, 23, 24, 41, 43 - 48 1. Calcule p de modo que a func¸a˜o a seguir seja cont´ınua. h(x) = { x + 2p, se x ≤ −1 p2, se x > −1. 2. Numa cidade se observa que a despesa de uma famı´lia com TV a cabo depende do tempo t, mensal, que os habitantes assistem TV e esta quantidade, em centenas de reais, e´ modelada por P (t) = 0 , se 0 ≤ t < 20 0, 1t , se 20 ≤ t ≤ 100 40t− 1000 2t + 100 , se 100 < t Estude a continuidade da despesa P = P (t). A despesa de uma famı´lia e´ sensivelmente diferente se o tempo que assiste TV e´ ligeiramente inferior ou superior a 20 horas? E para 100 horas? 3. A despesa em artigos de limpeza, de certa famı´lia, depende de sua receita x, em centenas de reais. A despesa destes artigos e´ modelada por: G(x) = 0, 25x− 2 se 0 ≤ x ≤ 200 40x 2x + 2000 se 200 < x (a) Estude a continuidade da despesa G = G(x). A despesa de uma famı´lia e´ sensivelmente diferente se sua receita e´ levemente inferior ou superior a 200 reais? (b) Pode uma famı´lia gastar mais do que 20 reais? 4. A populac¸a˜o (em milhares) de uma colonia de bacterias t minutos apo´s administrar uma toxina esta dada pela func¸a˜o P (t) = t2 + 7 se 0 ≤ t < 5 −8t + 72 se t ≥ 5 (a) Qual o tamanho da populac¸a˜o apo´s 2 minutos? (b) Em que instante a populac¸a˜o e´ nula? (c) A func¸a˜o P e´ cont´ınua?. Justifique. 5. Um fabricante de latas quadradas sem tampa deseja usar pedac¸oes de folha-de-flandres com dimenso˜es 8 e 15cm, cortando quadrados iguais dos quatro cantos e dobrando os lados. a) Se x cm for o comprimento do lado do quadrado a ser cortado, expresse o volume da caixa, em cent´ımetros cu´bicos, como uma func¸a˜o de x. b) Qual o domı´nio da func¸a˜o? c) Prove que a func¸a˜o e´ cont´ınua em seu domı´nio.
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