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SEÇÃO 4.3 COMO AS DERIVADAS AFETAM A FORMA DE UM GRÁFICO 1 1. f (x) = 20 – x – x2, f ¢(x) = –1 – 2x = 0 x = – 1 2 (o único número crítico) (a) f ¢(x) > 0 –1 – 2x > 0 x < – 1 2 , f ¢(x) < 0 x > – 1 2 , logo f é crescente em ( )12,-¥ - e decrescente em ( )12, .- ¥ (b) Pelo Teste da Primeira Derivada, ( )12 20,25f - = é um máximo local. 2. 3 2 1 3 ( ) 1. ( ) 3 1 0 f x x x f x x x¢= - + = - = = (os únicos números críticos). (a) 2 13 1 1 1 1 3 3 3 3 ( ) 0 3 1 ou e ( ) 0 . f x x x x x f x x ¢ > > > ¢< - > < - < < Logo, f é crescente em ( ) ( )1 13 3, e , -¥ - ¥ e decres- cente em ( )1 13 3, .- (b) Pelo Teste da Primeira Derivada, ( )1 23 3 31f - = + é um máximo local e ( )1 23 3 31f = - é um mínimo local. 3. 3 2( ) 1 ( ) 3 1 0 para todo . ¢= + + = + > Î f x x x f x x x (a) f é crescente em . (b) f não tem máximo ou mínimo locais. 4. f (x) = x3 – 2x2 + x. f ¢(x) = 3x2 – 4x + 1 = (3x – 1) (x – 1). Assim, os números críticos são x = 13 , 1. (a) 1 1 3 3 ( ) 0 (3 1)( 1) 0 ou 1 e ( ) 0 1. f x x x x x f x x ¢ > - - > ¢< > < < < Logo, f é crescente em ( )13 , -¥ e (1, ¥) e f é decrescen- te em ( )13, 1 . (b) O máximo local é ( )1 43 27f = e o mínimo local é f (1) = 0. 5. f (x) = 2x2 – x4. f ¢(x) = 4x – 4x3 = 4x (1 – x2) = 4x (1 + x) (1 – x), então os números críticos são x = 0, 1. (a) Intervalo 4x 1 + x 1 – x f ¢(x) x < –1 – – + + –1 < x < 0 – + + – 0 < x < 1 + + + + x > 1 + + – – Então f é crescente em (–¥, –1), decrescente em (–1, 0), crescente em (0, 1), e decrescente em (1, ¥). (b) Máximo local f (–1) = 1, mínimo local f (0) = 0, máximo local f (1) = 1. 6. 2 2 2 2 ( ) (1 ) . 0 ( ) 2 (1 ) [2(1 )( 1)] 2 (1 )(1 2 ) f x x x f x x x x x x x x = - ¢= = - + - - = - - Assim, os números críticos são 1 2 0, , 1.x = (a) Intervalo 2x 1 – x 1 – 2x f ¢(x) x < 0 – + + – 0 < x < 1 2 + + + + 1 2 < x < 1 + + – – x > 1 + – – + Então f é decrescente em (–¥, 0), crescente em ( )120, , decrescente em ( )12, 1 , e crescente em (1, ¥). (b) Mínimo local f (0) = 0, máximo local ( )1 12 16,f = mínimo local f (1) = 0. 7. 3 4 2 4 3 3 2 3 ( ) ( 4) . ( ) 3 ( 4) 4( 4) ( 4) (7 12) f x x x f x x x x x x x x = - é ù¢ = - + -ë û = - - Os números críticos são 1270, 4, .x = (a) 2 2 12 7 12 7 ( 4) 0 então ( ) 0 ( 4)(7 12) 0 ou 4. ( ) 0 4. x x f x x x x x f x x ¢- ³ ³ - - ³ £ ³ ¢ £ £ £ Logo, f é crescente em ( )127, e (4, )-¥ ¥ e decrescente em ( )127 , 4 . (b) Máximo local ( ) 473 16127 712 137,5,f = ⋅ » mínimo local f (4) = 0. 8. 5 3 4 2 4 2 2 2 ( ) 3 25 60 . ( ) 15 75 60 15( 5 4) 15( 4)( 1) 15( 2)( 2)( 1)( 1) f x x x x f x x x x x x x x x x x = - + ¢ = - + = - + = - - = - + + - Assim, os números críticos são x = 2, 1. (a) Intervalo x + 2 x – 2 x + 1 x – 1 f ¢(x) x < –2 – – – – + –2 < x < –1 + – – – – –1 < x < 1 + – + – + 1 < x < 2 + – + + – x > 2 + + + + + 4.3 SOLUÇÕES 2 SEÇÃO 4.3 COMO AS DERIVADAS AFETAM A FORMA DE UM GRÁFICO Então f é crescente em (–¥, –2), decrescente em (–2, –1), crescente em (–1, 2), decrescente em (1, 2) e decrescente em (2, ¥). (b) Máximo local f (–2) = –16, mínimo local f (–1) = –38, máximo local f (1) = 38, mínimo local f (2) = 16. 9. ( ) 6 . 1 3(4 ) ( ) 6 . 2 6 2 6 f x x x x f x x x x x = - æ ö -÷ç¢ = - + - =÷ç ÷÷çè ø- - Os números críticos são x = 4, 6. (a) ( ) 0 4 0 (e 6) 4 e ( ) 0 4 0 (e 6) 4 6. f x x x x f x x x x ¢ > - > < < ¢ < - < < < < Logo, f é crescente em (– ¥, 4) e decrescente em (4, 6). (b) Máximo local (4) 4 2f = . 10. 2 2 2 2 2 2 ( ) 1 . 1 2 ( ) 1 . 1 1 = - -¢ = - - = - - f x x x x x f x x x x Os números críticos são 1 2 e 1. (a) 2 2 1 2 1 1 1 2 2 2 1 1 2 2 ( ) 0 1 2 0 . ( ) 0 1 ou 1. f x x x x x f x x x ¢ > - > < ¢< - < < < - < < - < < Logo f é crescente em ( )1 12 2, - e decrescente em ( ) ( )1 12 21, e , 1 .- - (b) Mínimo local ( )1 1- = - máximo local ( )1 122 .f = 11. 1/5 4/5 1/5 4/51 1 5 5 ( ) ( 1). ( ) ( 1) (6 1). f x x x f x x x x x x- - = + ¢ = + + = + Os números críticos são 1 6 0, .x = - (a) 1 1 6 6 ( ) 0 6 1 0 ( 0) ( 0) e ( ) 0 . f x x x x x f x x ¢ > + > ¹ ¢> - ¹ < < - Logo f é crescente em ( )16, - ¥ e decrescente em ( )16,-¥ - (b) Mínimo local ( ) 6 / 5516 6 0,58f - = - » - 12. 2/3 2 1/3 2 2/32 3 1/32 3 ( ) ( 2) . O domínio é . ( ) ( 2) [2( 2)] ( 2)(4 2) f x x x f x x x x x x x x - - = - ¢ = - + - = - - Os números críticos são 1 2 0, , 2.x = (a) Intervalo x–1/3 x – 2 2x – 1 f ¢(x) x < 0 – – – – 0 < x < 1 2 + – – + 1 2 < x < 2 + – + – x > 2 + + + + Então f é decrescente em (–¥, 0), crescente em ( )120, , decrescente em ( )12, 2 e crescente em (2, ¥). (b) Mínimo local f (0) = 0, máximo local ( ) ( )4/3912 4 1,42,f = » mínimo local f (2) = 0. 13. { } 2 2 2 2 ( ) . O domínio de é (1 ) 0 [0, 1] 1 2 (3 4 ) ( ) . 2 2 f x x x x f x x x x x x f x x x x x x x x = - - ³ = - -¢ = - + = - - Assim, os números críticos são 3 4 0, , 1.x = (a) 3 4 3 4 ( ) 0 3 4 0 0 . ( ) 0 1. f x x x f x x ¢ > - > < < ¢ < < < Logo, ƒ é crescente em ( )340, e decrescente em ( )34, 1 (b) Máximo local ( ) 3 334 16f = 14. ( ) 3 2 1/3 2/33 2/3 1/3 2/3 1/31 2 1 3 3 3 ( ) . ( ) 1 2 . f x x x x x f x x x x x- - - = - = - ¢ = - = - Assim, os números críticos são 180, .x = (a) 1/3 1/31 2 1 1 8 8 ( ) 0 1 2 0 ( 0). ( ) 0 . f x x x x x f x x ¢ > - > > ¢< ¹ < > Logo, f é crescente em ( )18, -¥ e decrescente em ( )18, .¥ (b) Máximo local ( )1 18 4f = . 15. 4 4 3 3 2 2 4 ( ) sen cos , 0 2 . ( ) 4sen cos 4 cos sen 4sen cos (cos sen ) 2sen 2 cos 2 sen 4 . ( ) 0 sen 4 0 4 . f x x x x f x x x x x x x x x x x x f x x x n x n p p p = + £ £ ¢ = - = - - = - = - ¢ = = = = Assim, os números críticos são 3 5 3 7 4 2 4 4 2 4 0, , , , , , , , 2 .p p p pp p p p (a) 4 2 3 5 3 7 4 4 2 4 ( ) 0 sen 4 0 ou ou ou 2 . f x x x x x x p p p p p pp p ¢ > < < < < < < < < < f é crescente nestes intervalos. f é decrescente em ( ) ( ) ( ) ( )3 5 3 74 2 4 4 2 40, , , , , , , .p p p pp p p (b) Máximos locais ( ) ( )32 2( ) 1,f f f pp p= = = mínimos locais ( ) ( ) ( ) ( )3 5 7 14 4 4 4 2.f f f fp p pp = = = = SEÇÃO 4.3 COMO AS DERIVADAS AFETAM A FORMA DE UM GRÁFICO 3 16. 2 2 ( ) sen cos , . ( ) sen cos sen cos , ( ) 0 , 0, . f x x x x x f x x x x x x x f x x p p p p= + - £ £ ¢ ¢= + - = = = - (a) 2 ( ) 0 cos 0 ouf x x x x pp¢ > > - £ £ - 2 0 .x p< < Logo, f é crescente em ( ) ( )2 2, e 0, p pp- - e decrescente em ( ) ( )2 2, 0 e , .p p p- (b) Máximos locais ( ) ( )2 2 2 ,f fp p p- = = mínimo local f (0) = 1. 17. ( ) ( ) ( ) 3 2 2 4 28 2 7 2 7 6 3 3 2 7 2 7 2 7 3 3 3 2 7 2 7 3 3 2 7 2 7 3 3 ( ) 2 1. ( ) 3 4 1 0 . Agora ( ) 0 para ou e ( ) 0 para . é crescente em , e , e decrescente em , . f x x x x f x x x x f x x x f x x f - - - - - + - - - + - - - + - - - + ¢= + - + = + - = ¢= = > < ¢> < < < -¥ ¥ 18. 5 3 4 2 ( ) 4 6. ( ) 5 12 0 para todo 0. Então é crescenteem . f x x x f x x x x f ¢= + - = + > ¹ 19. ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 4 2 4 4 2 ( ) 2 tg tg . ( ) 2sec 2 tg sec 2 sec (1 tg ). Então ( ) 0 1 tg 0 tg 1 , , um inteiro. Então é crescente em , , um inteiro, e decrescente em , , f x x x f x x x x x x f x x x x n n n f n n n n n p p p p p p p p p p p p = - ¢ = - = - ¢ > - > < Î - + - + + + um inteiro.n 20. ( ) 2 3 4 2 3 2 2 1 5 1 5 2 2 1 5 1 5 1 5 2 2 2 1 5 1 5 2 2 ( ) 6 2 ( ) 12 6 4 ( ) 12 12 12 0 1 0 . Para , ( ) 0. Para , ( ) 0, e se então ( ) 0. Portanto, é CC em , . - - - - - - + - + - - - + ¢= - - = - - ¢¢ = - - = + - = ¢¢ = < < ¢¢< < > > ¢¢ < f x x x x f x x x x f x x x x x x x f x x f x x f x f 21. { }2 1/2 21 2 2 3/2 3/2 1/2 2 3 2 2 5/2 , 1 1 2 1 (1 ) 4 3 1 2(1 ) (4 6 )2(1 ) 3(1 ) (4 3 ) 4(1 ) 3 8 8 0 3 8 8 0, 4(1 ) x y D x x x x x x x x x y x x x x x x x y x x x x x x - = = > - + + - + ⋅ +¢ = = + + + + - + +¢¢ = + + += > + + >+ que é verdadeiro para todo x uma vez que o discriminante é negativo, logo a função é CC no seu domínio, que é (–1, ¥). 22. 2 2 3 3 4 3 4 ( ) (1 ) ( ) (1 ) 2 (1 ) (1 ) (1 ) ( ) 3(1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (2 4) 0 (2 4) 0 2. f x x x f x x x x x x f x x x x x x x x - - - - - - - = + ¢ = + - + = + + ¢¢ = - + - - + = + - > - > > Portanto, f é CC em (2, ¥). 23. 3 4 2 2 2 2 3 2 2 2 4 2 2 4 2 2 3 9 3 ( 3) (4 18 ) ( 3) 4 ( 3)( 9 ) ( 3) 6 ( 9) ( 3) x x x y y x x x x x x x x x y x x x x -¢= = - - - - - - -¢¢ = - += - Agora, uma vez que x2 + 9 > 0, o quociente é positivo ( )( )2 0.3 3 3 x x x x x = >- - + Intervalo x x + 3 x – 3 2 3 x x - x < – 3 – – – – – 3 < x < 0 – – – – 0 < x < 3 + + – – x > 3 + + + + Logo, y é côncava para cima em ( ) ( )3, 0 e 3, .- ¥ 24. (a) 6 5 5 5 ( ) 192 17 ( ) 6 192 6( 32). Então ( ) 0 32 2 e ( ) 0 2. f x x x f x x x f x x x f x x = + + ¢ ¢= + = + > ¢> - > - < < - Logo f é crescente em (–2, ¥) e decrescente em (–¥, –2). (b) f muda de decrescente para crescente no seu único núme- ro crítico, x = –2. Portanto, f (–2) = –303 é um mínimo local. (c) f ¢¢(x) = 30x4 ³ 0 para todo x, então a concavidade de f não muda e não há nenhum ponto de inflexão. f é côncava para cima em (–¥, ¥). 25. (a) 2 2 22 4 4 3 ( ) /(1 ) (1 ) (1) ( )2(1 ) ( ) (1 ) (1 ) [(1 ) 2 ] (1 ) (1 ) (1 ) 1 (1 ) (1 ) Logo ( ) 0 1 1 e ( ) 0 1 ou 1. f x x x x x x f x x x x x x x x x x x f x x f x x x = + + - +¢ = é ù+ë û + + -= + + - -= =+ + ¢ > - < < ¢ < < - > Então, f é crescente em (–1, 1) e f é decrescente em (–¥, –1) e (1, ¥). 4 SEÇÃO 4.3 COMO AS DERIVADAS AFETAM A FORMA DE UM GRÁFICO (b) f muda de crescente para decrescente em x = 1. x = –1 não está no domínio de f. Portanto, f (1) = 14 é um máxi- mo local. (c) ( ) 3 2 23 2 6 4 (1 ) ( 1) (1 )3(1 ) ( ) (1 ) (1 ) [ 1 (1 ) 3(1 )] (1 ) 2 4 . (1 ) ( ) 0 2 e ( ) 0 2 ( 1). x x x f x x x x x x x x f x x f x x x + - - - +¢¢ = é ù+ë û + - + - -= + -= + ¢¢ ¢¢> > < < ¹ - Assim, f é côncava para cima em (2, ¥) e f é côncava para baixo em (–¥, –1) e (–1, 2). Existe um ponto de inflexão em ( )292, . 26. (a) 2( ) 2 sen sen em [0, 2 ] ( ) 2 cos 2 sen cos 2 cos (1 sen ). ( ) 0 cos 0 (uma vez que 1 sen 0 p= + ¢ = + = + ¢ > > + ³ f x x x f x x x x x x f x x x com igualdade quando 3 2 ,x p= um valor onde cos x = 0) 3 2 2 0 ou 2 .x xpp p £ < < £ Logo, f é crescente em ( ) ( )32 20, e , 2pp p e f é decrescente em ( )32 2, .pp (b) Uma vez que f muda de crescente para decrescente quando ( )2 2, 3x fp p= = é um máximo local. Uma vez que f muda de crescente para decrescente quando ( )3 32 2, 1x fp p= = - é um mínimo local. (c) 2 2 2 2 2 1 2 5 6 6 ( ) 2 cos (cos ) (1 sen ) ( 2sen ) 2 cos 2 sen 2sen 2(1 sen ) 2 sen 2sen 2 2 sen 4sen 2(1 sen ) (1 2 sen ) ( ) 0 1 2 sen 0 sen 0 ou 2 , então é côncava f x x x x x x x x x x x x x x x f x x x x x fpp p ¢¢ = + + - = - - = - - - = - - = + - ¢¢ > - > < £ < < £ para cima em ( ) ( )56 60, e , 2pp p e côncava para baixo em ( )56 6, .pp Existem pontos de inflexão em ( ) ( )5 5 56 4 6 4, e , .pp 27. f (–1) = 4 e f (1) = 0 nos dá dois pontos de início. f ¢(–1) = f ¢(1) = 0 tangentes horizontais em x = 1. f ¢(x) < 0 se ½x ½ < 1 f é decrescente em (–1, 1). f ¢(x) > 0 se ½x ½ > 1 f é crescente em (–¥, –1) e (1, ¥). f ¢¢(x) < 0 se x < 0 f é côncava para baixo em (–¥, 0). f ¢¢(x) > 0 se x > 0 f é côncava para cima em (0, ¥) e existe um ponto de inflexão em x = 0. 28. Uma vez que f ¢(–1) = 0 e f ¢(1) não existe, temos uma tan- gente horizontal em x = –1 e uma tangente vertical em x = 1. f ¢(x) < 0 se ½x ½ < 1 f é decrescente em (–1, 1), e f ¢(x) > 0 se ½x ½ > 1 f é crescente em (– ¥, –1) e (1, ¥). f ¢¢(x) < 0 se x ¹ 1 f é côncava para baixo em (– ¥, 1) e (1, ¥). 29. Primeiro marcamos os pontos presentes no gráfico: (2, –1) e (0, 0). Podemos também desenhar um curto segmento de reta da inclinação 0 em x = 2, uma vez que temos f ¢(2) = 0. Agora sabemos que f ¢(x) < 0 (ou seja, a função é decrescente) em (0, 2) e que f ¢¢(x) < 0 em (0, 1) e f ¢¢(x) > 0 em (1, 2). Então, devemos unir os pontos (0, 0) e (2, –1) de modo que a curva fique côncava para baixo em (0, 1) e côncava para cima em (1, 2). A curva deve ser côncava para cima e crescente em (2, 4) e côncava para baixo e crescente em (4, ¥). Agora, preci- samos apenas refletir a curva com respeito ao eixo y, já que nos é dado que f é uma função par. 30. 3 lim ( ) x f x = -¥ há uma assíntota vertical em x = 3. f ¢(0) = 0 significa que há uma tangente horizontal em x = 0. f ¢(x) > 0 se x < 0 ou x > 3 e f ¢(x) < 0 se 0 < x < 3 indicam que há um máximo local x = 0, uma vez que f é crescente em (– ¥, 0) e decrescente em (0, 3) e, em seguida, crescente em (3, ¥). f ¢¢(x) < 0 se x ¹ 3 f é côncava para baixo em (– ¥, 3) e (3, ¥). 31. (a) 2 2 2 2 2 2 ( ) 1 2 1 ( ) 1 0, 1 1 P x x x x x P x x x x = + +¢ = + + = > + + portanto, P é crescente em . (b) Sem máximo ou mínimo SEÇÃO 4.3 COMO AS DERIVADAS AFETAM A FORMA DE UM GRÁFICO 5 (c) 2 2 2 2 2 2 3/2 4 1 (2 1) 1( ) 1 (2 3) 0 0, ( 1) x x x x xP x x x x x x + - + +¢¢ = + += > >+ então P é CC em (0, ¥) e CB em (–¥, 0). PI em (0, 0) (d) 32. (a) 1/3 2/3 2/3 2 1 ( ) 3 ( ) 1 0 1 1 1 ou 1, Q x x x Q x x x x x x ¢= - = - > > > < - > então Q é crescente em (– ¥, –1) e (1, ¥) e decrescente em (–1, 1). (b) ( ) 0 1; (1) 2Q x x Q¢ = = = - é um mínimo local e Q (–1) = 2 é um máximo local. (c) 5/32 3 ( ) 0 0,Q x x x-¢¢ = > > então Q é CC em (0, ¥) e CB em (–¥, 0). Ponto de inflexão em (0, 0) (d) 33. (a) ( ) 1/3 2/3 2/3 2/3 1/3 1/31 2 3 3 2/3 1/3 ( ) ( 3) ( ) ( 3) ( 3) 1 . ( 3) Q x x x Q x x x x x x x x - - - = + ¢ = + + + += + Os números críticos são –3, –1 e 0. Note que x2/3 ³ 0 para todos x. Logo, Q ¢(x) > 0 quando x < –3 ou x > –1 e Q ¢(x) < 0 quando –3 < x < –1 Q é cres- cente em (–¥, –3) e (–1, ¥) e decrescente em (–3,–1). (b) Q (–3) = 0 é um máximo local e Q (–1)= – 41/3 » –1,6 é um mínimo local. (c) 5/3 4/3 2 ( ) ( ) 0 ( 3) Q x Q x x x ¢¢ ¢¢= - >+ quando x < 0, logo Q é CC em (–¥, –3) e (–3, 0) e CB em (0, ¥). PI em (0, 0) (d) 34. (a) ( ) ln (1 ) ( ) 0 f x x f x¢= + = > x > 0, então f é crescente em (0, ¥) e decrescente em (– ¥, 0). (b) f (0) = 0 é um mínimo local. (c) 2 2 2 2 2 2 2(1 ) 2 (2 ) 2(1 ) ( ) 0 (1 ) (1 ) x x x x f x x x + - -¢¢ = = > + + ½x ½ < 1, logo f é CC em (–1, 1), CB em (– ¥, –1) e (1, ¥). Existem PI em (1, ln 2) e (–1, ln 2). (d) 35. (a) ( ) ( ) 2 3 2 2 ( ) sen ( ) 2sen cos sen 2 0 2 (0, ) (2 , 3 ) 0, , . f f pp q q q q q q q p p p q p = ¢ = = > Î È Î È Logo, f é crescente em ( ) ( )32 20, e , pp p e decrescente em ( ) ( )32 2, e , 2 .pp p p (b) Mínimo local f (p) = 0, máximos locais ( ) ( )32 2 1f f pp = = (c) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 5 7 2 2 2 2 3 5 7 4 4 4 4 ( ) 2cos 2 0 2 0, , , 4 0, , , 2 , f p p pp p p pp q q q p q p ¢¢ = > Î È È Î È È logo, f é CC nesses intervalos e CB em ( ) ( )3 5 74 4 4 4, e , .p p pp PI em ( )14 2, , 1, 3, 5, 7n np = (d) 36. (a) , A partir dos gráficos de f (x) = 3x5 – 40x3 + 30x2, parece que f é côncava para cima em (–2, 0,25) e (2, ¥) e côncava para baixo em (– ¥, –2) e (0,25, 2), com pontos de inflexão em aproximadamente (–2, 350), (0,25, 1) e (2, –100). 6 SEÇÃO 4.3 COMO AS DERIVADAS AFETAM A FORMA DE UM GRÁFICO (b) , , A partir do gráfico de f ¢¢(x) = 60x3 – 240x + 60, parece que f é CC em (–2,1, 0,25) e (1,9, ¥) e CB em (–¥, –2,1) e (0,25, 1,9), com pontos de inflexão em cerca de (–2,1, 386), (0,25, 1,3) e (1,9, –87). (Temos de verificar novamente o gráfico de f para encontrar as coordenadas y dos pontos de inflexão.) 37. (a) A partir do gráfico de f (x) = 2cos x + sen2x, parece que f é CC em (1,5, 3,5) e (4,5, 6,0) e CB em (0, 1,5), (3,5, 4,5) e (6,0, 2p), com pontos de inflexão em cerca de (1,5, 0,3), (3,5, –1,3), (4,5, 0,0) e (6,0, 1,5). (b) A partir do gráfico de f ¢¢(x) = –2cos x – 4 sen 2x, parece que f é CC em (1,57, 3,39) e (4,71, 6,03) e CB em (0, 1,57), (3,39, 4,71) e (6,03, 2p), com pontos de inflexão em cerca de (1,57, 0,00), (3,39, –1,45), (4,71, 0,00) e (6,03, 1,45).
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