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UNIVERSIDADE DO SAGRADO CORAÇÃO NATÁLIA LUISA MESSIAS TALIABOA TRABALHO SEMESTRAL: CÁLCULO I: LIMITE E DERIVADA Bauru 2018 NATÁLIA LUISA MESSIAS TALIABOA TRABALHO SEMESTRAL: CÁLCULO I: LIMITE E DERIVADA Trabalho apresentado a disciplina de Cálculo I: Limite e Derivada, na Universidade do Sagrado Coração, para obter aprovação na mesma sob orientação da Prof.ª Mestre Fátima Regina Lima Ribeiro. Bauru 2018 “A Matemática apresenta invenções tão sutis que poderão servir não só para satisfazer os curiosos como, também para auxiliar as artes e poupar trabalho aos homens”. (Descartes) RESUMO O presente trabalho trás os conteúdos estudados em sala de aula no 1° semestre do ano de 2018, nas aulas ministradas pela professora Mestre Fátima Regina Lima Ribeiro da disciplina de Calculo I: Limite e Derivada. O mesmo terá breve explicação dos conteúdos vistos e exercícios para fixação, ao final do trabalho será possível também ver aplicações da disciplina em diversas áreas e curiosidades. Palavras Chaves: Calculo I. Explicação. Exercícios Resolvidos. Aplicações. ABSTRACT The present work brings the contents studied in the classroom in the first semester of 2018, in the classes taught by Professor Fátima Regina Lima Ribeiro of the discipline of Calculus I: Limit and Derivative. The same will have a brief explanation of the contents seen and exercises for fixing, at the end of the work will also be possible to see applications of the discipline in various areas and curiosities. Keywords: Calculus I. Explanation. Exercises Solved. Applications. SUMÁRIO 1. Introdução 06 2. objetivos 07 2.1. OBJETIVO GERAL 07 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 07 3. Justificativa 08 4. funções 09 4.1. FUNÇÃO DE 1° GRAU OU FUNÇÃO AFIM 09 4.1.1 Exercícios função de 1° grau ou função afim 09 4.2. FUNÇÃO DE 2° GRAU OU FUNÇÃO QUADRÁTICA 13 4.2.1. Exercícios função de 2° grau ou função quadrática 14 4.3. FUNÇÃO EXPONENCIAL 18 4.3.1. Exercícios função exponencial 19 4.4. FUNÇÃO LOGARÍTMICA 20 4.4.1. Exercícios Função Logarítmica 21 4.5. FUNÇÃO POLINOMIAL 23 4.5.1. Exercícios Função Polinomial 23 5. LIMITES 26 5.1. NOÇÃO INTUITIVA DE LIMITE 26 5.1.1. Exercícios Noção Intuitiva De Limite 26 5.2. PROPRIEDADE IMEDIATA DE LIMITE 29 5.2.1. Exercícios Propriedade Imediata De Limite 29 5.3. LIMITES INDETERMINADOS 31 5.3.1. Exercícios Limites Indeterminados 31 5.4. LIMITES INFINITOS 34 5.4.1. Exercícios Limites Infinitos 34 6. DERIVADAS 36 6.1. DERIVADAS PELA DEFINIÇÃO DE LIMITE 36 6.1.1. Derivadas Pela Definição De Limite 36 6.2. CALCULO PELAS REGRAS DE DERIVAÇÕES 39 6.2.1. Exercícios Cálculo Pelas Regras De Derivações 39 6.3. DERIVADA DE FUNÇÕES COMPOSTAS 41 6.3.1. Exercícios Derivada De Funções Compostas 41 6.4. DERIVADAS SUCESSIVAS 42 6.4.1. Exercícios Derivadas Sucessivas 42 6.5. AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE UMA FUNÇÃO 44 6.5.1. Exercícios Avaliação Do Comportamento De Uma Função 44 6.6. REGRA DE L´HOSPITAL 45 6.6.1. Exercícios Regra De L´Hospital 45 7. APLICAÇÕES 47 8. CONSIDERAÇÕES FINAIS 48 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 49 1 INTRODUÇÃO Na disciplina de Calculo I: Limite e Derivada iremos conhecer e aplicar estudos práticos e teóricos sobre funções: 1° e 2° grau, exponencial, logarítmica, polinomial e trigonométrica; limites: noção intuitiva, propriedade imediata, indeterminados e infinitos e derivadas: por definição, regras básicas, produto/ quociente/ potência, funções compostas/ sucessivas, ponto Maximo, ponto mínimo e ponto de inflexão, regra de L’Hospital e método algébrico. No primeiro momento, será feito uma revisão com as funções de 1° e 2° grau, função exponencial, função logarítmica, função polinomial e função trigonométrica. Em seguida quando conhecermos todas as definições e conceitos de funções será dado o inicio na parte de limites, onde iremos ver primeiramente a noção intuitiva, seguido das propriedades (imediatos), em seguida os limites indeterminados sua solução se dá pelos métodos algébricos: evidência; produtos notáveis; fatoração; divisão de polinômios; racionalização, e para finalizar a parte que envolve os limites iremos trabalhar com os infinitos. E por último entramos na parte de derivadas, onde a estudaremos pelas definições, usando limite, veremos as regras básicas de derivadas, depois veremos a regra da derivada por produto, quociente e potência, estudar a derivada de funções compostas que também é conhecida como regra da cadeia, regra das derivadas sucessivas, a avaliação do comportamento de uma função, onde vamos encontrar o ponto máximo, mínimo e de inflexão e por ultimo será a regra de L’Hospital e método algébrico. 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL O intuito deste trabalho é observar se o conteúdo estudado em sala de aula fora absorvido, de maneira com a qual possamos desenvolvê-lo com suas definições, e a cada assunto do mesmo elaborar e resolver cinco exercícios de acordo com o que fora ensinado em aula. 2.2 OBJETIVO ESPECIFÍCO Definições; Exercícios elaborados e resolvidos; Demonstrar conhecimento obtido; 3 JUSTIFICATIVA O intuito deste trabalho é apresentar o que fora estudado em sala de aula, tal que cada aluno mostre os conhecimentos obtidos nas matérias de funções, limites e derivadas, para demonstrar se os conceitos estudados foram obtidos. 4 FUNÇÕES Como o assunto sobre funções é um pouco extenso, o mesmo será dividido em tópicos explicando conceito geral de cada uma das funções vistas e em seguida teremos os exercícios resolvidos referentes a todos os conceitos escritos sobre cada matriz. 4.1 FUNÇÃO DE 1° GRAU OU FUNÇÃO AFIM Uma função chama-se afim quando existem constantes tais que para todo . Ponto onde o gráfico intercepta o eixo O gráfico de uma função afim é sempre uma reta, lembrando para que para determinar uma reta serão necessários dois pontos: Reta crescente Reta constante Reta decrescente 4.1.1 Exercícios função de 1° grau ou função afim TEXTO PARA A PROXIMA QUESTÃO (UFMS) Recomendações Da frieza dos números da pesquisa saíram algumas recomendações. Transformadas em políticas publicas, poderiam reduzir a gravidade e as dimensões da tragédia urbana do transito. A primeira é a adoção de praticas que possam reduzir a gravidade dos acidentes. A segunda recomendação trata das motociclistas, cuja frota equivale a 10% do total, mas cujos custos correspondem a 19%. O ‘motoboy’ ganha R$2 por entrega, a empresa, R$8. É um exercito de garotos em disparada. O pedestre forma o contingente mais vulnerável no transito e necessita de maior proteção, diz a terceira recomendação da pesquisa. Entre a 0h e as 18h da quinta-feira, as ambulâncias vermelhas do resgate recolhem 16 atropelados nas ruas de São Paulo. Fonte: “Folha de São Paulo”, 12.06.03, p. C1 (adaptado) Conforme o texto, num dia de trabalho, são necessárias 12 entregas para um motoboy receber R$24,00. Por medida de segurança, a empresa limitará a 10 a quantidade de entregas por dia. Como compensação, pagará um adicional fixo de reais ao dia á quem atingir esse limite, porem reduzirá para R$1,80 o valor pago por cada entrega. O valor que manterá inalterada a quantia diária recebida pelo motoboy, ou seja, R$24,00, será: R$ 5,40 R$ 5,60 R$ 5,80 R$ 6,00 R$6,20 RESOLUÇÃO: Alternativa correta- (d) TEXTO PARA AS PRÓXIMAS 2 QUESTÕES. (Faap) Mediações realizadas mostram que a temperatura no interior da terra aumenta, aproximadamente, 3°C a cada 100m de profundidade. Num certo local, a 100m deprofundidade, a temperatura é de 25°C. Nessas condições, podemos afirmar que: A temperatura a 1.500m de profundidade é: 70°C 42°C 67°C 45°C 60°C RESOLUÇÃO: Alternativa correta- (c) Encontrando-se uma fonte de água mineral a 46°C, a profundidade dela será igual a: 700m 600m 800m 900m 500m RESOLUÇÃO: Alternativa correta- (a) TEXTO PARA A PROXIMA QUESTÃO (Faap) A variação de temperatura num intervalo de tempo é dada pela função calcule o valor de “” de modo que: O gráfico da função seja uma reta e seja crescente: -3 9 3 -9 0 RESOLUÇÃO: (Mackenzie) Na figura temos os gráficos das funções e . Se , então vale: 6 8 10 12 14 RESOLUÇÃO: Alternativa correta- (a) 4.2 FUNÇÃO DE 2° GRAU OU FUNÇÃO QUADRÁTICA Chama-se função quadrática, quando a mesma possui números reais com tal que para todo . O gráfico de uma função quadrática é uma parábola com eixo de simetria paralelo a . O ponto de intersecção da parábola com o eixo de simetria chama-se vértice. De acordo com a lei da função quadrática, a parábola que a representa pode ter concavidade voltada para baixo, se , ou para cima, se . As coordenadas do vértice da parábola são: 4.2.1 Exercícios função de 2° grau ou função quadrática Determine o conjunto imagem das funções de domínio real: RESOLUÇÃO Inicialmente calculamos a ordenada do vértice: Como , a concavidade está voltada para cima. Então conjunto imagem é: Calculamos a ordenada do vértice: Sabendo que a concavidade está voltada para baixo , temos: Um objeto foi jogado do alto de um edifício, sua altura, em metros, depois de segundos é dada pela função . Qual a altura do edifício e em que instante o objeto atingira o solo? RESOLUÇÃO: A altura do edifício é obtida fazendo na função O objeto atingira o solo quando Determine os zeros das funções: RESOLUÇÃO: Determine os valores de para que a função tenha duas raízes reais e iguais: RESOLUÇÃO: =0 =0 = Encontre os zeros das funções: RESOLUÇÃO: RESOLUÇÃO: 4.3 FUNÇÃO EXPONENCIAL Uma função exponencial é dada por , onde temos como constante . A função exponencial será crescente quando a base for maior que , e decrescente se for positivo e menor que . Seu gráfico sempre terá um dos seguintes aspectos: 4.3.1 Exercícios função exponencial Resolva a equação . RESOLUÇÃO: Pela propriedade da pot ê ncia, quando temos bases iguais, as mesmas são cancela das e igualamos o expoente. Determine o conjunto solução da equação . RESOLUÇÃO: Obtenha a solução da equação RESOLUÇÃO: Quanto renderá em 10 anos um capital de R$30.000,00 aplicados a juros compostos de 8% ao ano? RESOLUÇÃO: Logo, renderá em 10 anos um juro de R$ 34.800,00. Resolva a seguinte função exponencial: RESOLUÇÃO: Pela propriedade da pot ê ncia, quando temos uma multiplicação, conservamos as bases iguais e somamos os expoentes . 4.4 FUNÇÃO LOGARÍTMICA A função logarítmica é dada por , em que a constante é positiva e diferente de 1. O gráfico da função depende do valor de . Para será crescente; para será decrescente: A resolução dos logarítmicos se dá por: 4.4.1 Exercícios Função Logarítmica Calcule o valor de tal que: RESOLUÇÃO: RESOLUÇÃO: Se e , resolva os seguintes logarítmicos: RESOLUÇÃO: RESOLUÇÃO: Dados e , obter . RESOLUÇÃO: Determine o valor de em : RESOLUÇÃO: Como , temos que o Resolva a seguinte função: , onde RESOLUÇÃO: 4.5 FUNÇÃO POLINOMIAL É toda função do tipo . Principais características: Grau do polinômio: é o termo do expoente de maior valor; Valor numérico : idem as funções já estudadas; Operações: adição/subtração; multiplicação/divisão. 4.5.1 Exercícios Função Polinomial Dados os polinômios ; e , obter o grau das mesmas. RESPOSTAS: → quinto grau → sexto grau → segundo grau Utilizando os polinômios da 1° questão, obter os valores numéricos para: Ainda utilizando os polinômios dados na questão número 1, resolver as seguintes operações: Sendo , determine: RESOLUÇÃO: RESOLUÇÃO: Determine, onde . RESOLUÇÃO: 5 LIMITES Este tópico sobre limite seguirá o mesmo modelo que o tópico das funções, porém algum dos tópicos não terá a explicação e seguirá direto para os exercícios. A parte de limites será dividida em quatro sub partes: Noção Intuitiva; Propriedade Imediata; Indeterminados e por fim Infinitos. 5.1 NOÇÃO INTUITIVA DE LIMITE Estudaremos o comportamento de uma função nas proximidades de um ponto , tanto quando os valores de se aproximam de , ou por valores onde (valores menores que ) ou por valores onde (valores maiores que ). 5.1.1 Exercícios Noção Intuitiva De Limite Seja a função . Vamos dar valores a que se aproximem de 1, pela sua direita (valores maiores que 1) e pela esquerda (valores menores que 1) e calcular o valor correspondente de : x→1+ f(x) =2x+1 x y 1,5 4 1,3 3,6 1,1 3,2 1,05 3,1 1,02 3,04 1,01 3,02 x→1− f(x) =2x+1 x y 0,5 2 0,7 2,4 0,9 2,8 0,95 2,9 0,98 2,96 0,99 2,98 Fazer o mesmo para , onde o . x→2− f(x) =3x2+x+1 x y 1,7 11,37 1,8 12,52 1,9 13,73 1,99 14, 8703 1, 999 14, 987 x→2+ f(x) =3x2+x+1 x y 2,3 19,17 2,2 17,72 2,1 16,33 2,01 15, 1303 2, 001 15, 013 Obter o limite da função em , pela noção intuitiva: x→1− f(x) =5x-2 x y 0,7 1,5 0,8 2 0,9 2,5 0,99 2,95 0, 999 2, 995 x→1+ f(x) =5x-2 x y 1,3 4,5 1,2 4 1,1 3,5 1,01 3,05 1,001 3, 005 Obter o limite da função em , pela noção intuitiva: x→1− f(x) =4x2-12 x y 0,7 -10,04 0,8 -9,44 0,9 -8,76 0,99 -8, 0796 0,999 -8, 0079 x→1+ f(x) =4x2-12 x y 1,3 -5,24 1,2 -6,24 1,1 -7,16 1,01 -7, 9196 1,001 -7, 9919 Fazer o mesmo para , onde o x→1− f(x) =5x2 x y 0,7 2,45 0,8 3,2 0,9 4,05 0,99 4, 9005 0,999 4, 990005 x→1+ f(x) =5x2 x y 1,3 8, 45 1,2 7, 2 1,1 6, 05 1,01 5, 1005 1,001 5, 010005 5.2 PROPRIEDADE IMEDIATA DE LIMITE Muitas funções do Calculo podem ser obtidas como somas, diferenças, produtos, quocientes e potencias de funções simples. Onde vão ser mostradas algumas propriedades que podem ser utilizadas para simplificar as funções mais elaboradas: Regra da soma: o limite da soma de duas funções é a soma de seus limites: Regra da diferença: o limite da diferença de duas funções é a diferença de seus limites: Regra do produto: o limite do produto de duas funções é o produto de seus limites: Regra da multiplicação por constante: o limite de uma constante multiplicada pela função é a constante multiplicada pelo limite da função: Regra do quociente: o limite do quociente de duas funções é o quociente de seus limites, desde que o limite do denominador seja diferente de zero: Regra da potencia: o limite de uma potencia racional de uma função é a potencia do limite da função, desde que a ultima seja um número real: O limite de uma constante se dá por: 5.2.1 Exercícios Propriedade Imediata De Limite Calcular o limite pela propriedade imediata: Fazer o mesmo para o limite abaixo: Resolver o limite em que :Desenvolver , pela propriedade imediata: Obter o limite da seguinte função: 5.3 LIMITES INDETERMINADOS Os limites indeterminados são conhecidos quando sua substituição pela propriedade imediata da o resultado , onde vamos resolver o limite utilizando o método algébrico que há cinco maneiras de sair da indeterminação: Evidência; Produtos Notáveis; Fatoração; Racionalização; Divisão de polinômios. 5.3.1 Exercícios Limites Indeterminados Calcular o seguinte limite indeterminado: Resolver o limite da função indeterminada pelo método de evidência: Agora identifique por qual método resolver o limite indeterminado á seguir: Identifique se o limite abaixo é indeterminado e o resolva pelo método algébrico: Determinar o limite indeterminado: 5.4 LIMITES INFINITOS Dado o polinômio , diz-se que o “limite para tendendo para é sempre: Ou seja, se verificar a lógica, tem-se que o “termo de maior grau” supera as demais parcelas. Isto só é valido se: E não existem regras pré- estabelecidas, devem-se analisar cada caso para obter um resultado final. 5.4.1 Exercícios Limites Infinitos Resolver o seguinte limite: Resolver o limite que tende a Resolver o limite infinito: Fazer o mesmo com esse limite: Resolver o próximo limite infinito. 6 DERIVADAS As derivadas serão divididas em varias partes, onde será explicada suas propriedades e regras para a resolução das mesmas. 6.1 DERIVADAS PELA DEFINIÇÃO DE LIMITE Dada a função , tem-se que: Derivada da função num ponto : Diz-se que a derivada é a “inclinação” da reta da tangente ao ponto considerado, e é obtida pela 1° definição: e pela 2° definição:, para denotar a derivada de 1° ordem. Em outras palavras derivar, significa transformar, andar, modificar, tornar mais simples a função dada originalmente. 6.1.1 Derivadas Pela Definição De Limite Calcular a derivada da função , onde através das duas definições de limites: Calcular apenas pela 1° definição, a derivada da função Calcular a derivada de , onde pela 2° definição de limite. Calcular pela 1° definição de limite a derivada de . Calcular pela 2° definição de limite a derivada dada na questão anterior, onde 6.2 CALCULO PELAS REGRAS DE DERIVAÇÕES Regras de derivação: sendo e , tem-se que: Derivada da soma: ; Derivada do produto: ; Derivada do quociente: ; Derivada da potência: . A regra do produto pode ser verificada através da propriedade distributiva da multiplicação. Não aplicar a regra da soma, nas expressões com produto e quociente. 6.2.1 Exercícios Calculo Pelas Regras De Derivações Calcular a derivada de 1° ordem, pela regra da soma. Pela regra do produto, calcular a derivada de 1° ordem. Calcular a derivada de ordem 2, pela regra do quociente. Resolva a função , pela propriedade da potência: Pegar a derivada de 1° ordem da questão anterior e calcular 6.3 DERIVADA DE FUNÇÕES COMPOSTAS Derivada das funções compostas (regra da cadeia) seja . , onde 6.3.1 Exercícios Derivada De Funções Compostas Calcular a derivada de Calcular a deriva da função Utilizar a 3° definição da função composta citada no tópico 6.3, na função a seguir: . Resolver a derivada da função . Dar a derivada de ordem 1, na função 6.4 DERIVADAS SUCESSIVAS A Partir do que fora estudado, como as regras básicas, as operações basicas e a regra da cadeia, pode-se calcular: ; 6.4.1 Exercícios Derivadas Sucessivas Calcular a derivada de ordem , na função Calcular a derivada de ordem 3, da função Dar a derivada de ordem 2 da função Calcular a derivada de da função: Calcular a derivada de 1° ordem da função 6.5 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE UMA FUNÇÃO Lembrar da função quadrática, onde: Se Se Aplicar o seguinte critério da segunda derivada: Se , então tem ponto mínimo. Se , então tem ponto máximo. Passo a passo para obter os pontos críticos: (1°) calcular a derivada de ordem 1; (2°) igualar a e encontrar ; (3°) determinar o ; (4°) aplicar o critério da 2° derivada em , isto é ; (5°) igualar e obter o valor de (ponto de inflexão) ou muda o sentido. 6.5.1 Exercícios Avaliação Do Comportamento De Uma Função Encontrar os pontos críticos: Achar o ponto de inflexão da função 6.6 REGRA DE L´HOSPITAL A partir dos limites e das derivadas, pode-se aplicar a regra de L´Hospital em todos os casos de limites indeterminados do tipo . A regra de L´Hospital diz que: 6.6.1 Exercícios Regra De L´Hospital Resolver pela regra de L´Hospital: Resolver da mesma forma: Resolver pela regra citada a cima. Fazer o mesmo para o limite: Resolver pelos dois métodos: M.A. R.L. 7 APLICAÇÕES Na engenharia civil, esta fortemente ligada ao uso de derivadas, com elas podemos realizar vários tipos de estudo e aplica-las transformando em uma função. Podendo assim serem utilizadas para diversas áreas, como está relacionada a taxa de variação e também as outras áreas, como: tempo, volume, temperatura, resistência, área, ou seja, qualquer quantidade que possa ser representada por uma função. No ramo da construção civil, o uso das derivadas estão sempre presentes nos desenvolvimentos de projetos de estruturas, hidráulicas, topográficos e geotécnicos, pois sem elas seria impossível calcular o dimensionamento de lajes, colunas e vigas. A aplicação ocorre em diversas áreas do conhecimento, tendo um papel de extrema importância, sendo uma porta para a solução de diversos problemas. 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS No decorrer do trabalho podemos concluir que os conceitos estudados em sala de aula contribuem de grande forma para o aprendizado do aluno em sala de aula. O incentivo ao processo auto didático é fornecido pela proposta de trabalho, que tende a fazer com que o aluno consiga aumentar o número de informações sobre determinado assunto e obter a autonomia para a formulação e resolução de problemas. Neste trabalho também vemos onde podemos aplicar o conteúdo que nele contem, não sendo apenas de uso exclusivo para a área de matemática, mas que poderá ser útil em quaisquer outras áreas/profissões. Logo se conclui que pela elaboração do trabalho, que os alunos tenham adquirido os conhecimentos sobre a formulação e resolução dos exercícios, trabalhados na disciplina de Calculo I: Limite e Derivada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHUEIRI M. M., Vanilda. GONÇALVES M., Eliete. Dicionário comentado de matemática. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna, 2012. DANTE R., Luiz. Matemática: contexto e aplicações (volume único). 1° ed. São Paulo: Editora Ática, 2000. IEZZI, Gelson. DOLCE, Osvaldo. DEGENSZAJN, David. PÉRIGO, Roberto. Matemática (volume único). 4°ed. São Paulo: Atual Editora, 2007. SOUZAR., Joamir.Novo olhar matemática(coleção novo olhar; v.2). 1°ed. São Paulo: FTD, 2010. YOUSSEF N., Antonio. SOARES, Elizabeth. FERNANDEZ P., Vicente. Matemática (volume único). 1°ed. São Paulo: Editora Scipione, 2009. SÓ MATEMÁTICA. Frases matemáticas.Disponível em: http://www.somatematica.com.br/frases.php. Acesso em: 02 de junho de 2016.
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