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CÁLCULO A Curso de Engenaharia Florestal - turma 18 Funções de uma variável real Limites e continuidade de funções Conjuntos numéricos ,4 ,3 ,2 ,1 ,0N ,3 ,2 ,1 ,0 ,1 ,2 ,3 , Z 0 e , ,/ qZqZp q p xxQ 718281828,2 141592654,3 7320508,13 41421356,12 e Conjunto dos números naturais Conjunto dos números inteiros Conjunto dos números racionais Conjunto dos números irracionais Conjunto dos números reais irracional é ou racional é ,/ xxxIQR Área superficial de frangos de corte Retirado de: http://www.scielo.br/pdf/eagri/v29n1/a01v29n1.pdf A figura acima mostra a área superficial estimada por meio de equações propostas por três autores. Área superficial (S) da pele 32pkpS , 3 2pkpS onde p é o peso em quilos k constante positiva (depende do animal considerado) O que é uma função? FUNÇÃO DEPENDÊNCIA variável independente (vi) variável dependente (vd) •TABELA •GRÁFICO •FÓRMULA (álgebra) •DIAGRAMA DE FLECHAS •VERBALMENTE Definição. Sejam A e B dois conjuntos não vazios. Uma função f de A em B é uma lei (ou regra) que associa a cada elemento de A um único elemento de B. Conceito matemático de função f : A B x y Escrevemos: regra (cálculos) entrada (x) saída (y) ou f : A B x f x Algebricamente ... Então, qual é o valor de x ? f x 2x − 7 f 5 ? 3 2 x x xf Qual é a imagem de x = 1? Neste caso, dizemos que 3 é imagem de 5. f x 2x − 7 f x −2 Determinação do domínio de uma função O domínio, D(f), de uma função é o conjunto de todos os números reais (valores de x) para os quais a função está definida. sabemos que para esta função “existir”, o denominador deve ser diferente de zero. Assim o seu domínio é Por exemplo, dada xx xf 2 1 Para a função 1 3 2 x x xg o domínio é ___________________. Faça você !! x 2 3x 1 f (x) D( f ) ? Gráfico Definição. O gráfico de uma função f(x), é o conjunto de todos os pontos (x, y) onde y = f(x) com x ∈ D(f). este gráfico representa uma função não representa o gráfico de uma função Considere P(t) a população humana mundial no instante t. E vamos medir t de modo que t = 0 corresponde ao ano de 1900. Veja tabela abaixo. Outro exemplo (do livro: “Cálculo”, Stewart) Este gráfico é chamado diagrama de dispersão. Mas qual é a fórmula para a função? É possível encontrar uma expressão para uma função que se aproxime de P(t). A figura mostra o ajuste feito para os dados coletados. ttftP )01395,1()1043653,1()( 9 A função f é chamada modelo matemático do crescimento populacional. observar Também é importante saber analisar o sinal de uma função. Leitura de um gráfico domínio imagem intervalo de crescimento intervalo de decrescimento ⁝ No gráfico de uma função: dado um valor x, no domínio da função, podemos encontrar um valor y correspondente (imagem de x). Gráfico: domínio e imagem D(f) = Im(f) = y f x) f é crescente em f é decrescente em Exemplo 1 y g(x) D(g) = Im(g) = g é crescente em g é decrescente em Exemplo 2 Exemplo 3. O gráfico abaixo representa a função y=h(x). Determine seu domínio e sua imagem. D(h) = Im(h) = Função constante Função afim Função quadrática Algumas funções (recordando) http://www.uesb.br/mat/download/publicacoes/Deusa.pdf Funções definidas por partes As funções nos exemplos a seguir são definidas por fórmulas distintas em diferentes partes de seus domínios. . 2 e 1 ,0 calcule , 1 se 1 se 1 Considere 1. 2 fff xx xx xf Esboce o gráfico de f . x y . xxf 2. Esboce o gráfico da função valor absoluto Encontre uma expressão para a função f cujo gráfico está na figura abaixo. x y 0 1 Temas Ax1, y1 Bx2 , y2 x2 x1 y2 y1 Revisão: determinando a equação de uma reta ... A inclinação ou coeficiente angular é A inclinação de uma reta vertical não está definida. Uma equação da reta passando pelo ponto Px0, y0 com inclinação m é A equação de uma reta na forma ponto-inclinação Esboce a reta definida por cada par de pontos e determine sua equação. a) A(˗1, 4) e B(3, 2) b) A(2, 5) e B(˗2, ˗ 1) c) A(4, 3) e B(˗2, 3) d) A(4, ˗1) e B(4, 4) 00 xxmyy 2 2 2 2 x y 2 , 3 20 ,1 0 , função da gráfico o Trace 2 x xx xx xf Temas 2 ,4 20 , 0 ,1 2 x xx xx xf 1 ,1 12 ,1 2 ,3 2 xx xx x xg Trace o gráfico das seguintes funções. Modelos matemáticos Exemplo 1 Volume pulmonar e tensão muscular A relação entre a tensão T dos músculos e o volume pulmonar V, durante a inspiração é dada por Faça um esboço gráfico da função V, considerando 0 ≤ T ≤ T1 . TfV onde k e vₒ são constantes positivas. kTv 0 Exemplo 2 Vendas de GPS As vendas (em bilhões de dólares) de sistemas de posicionamento global (GPS) do ano de 2000 ao ano de 2006 é mostrada na tabela abaixo, onde x = 0 corresponde ao ano 2000. Vendas anuais (y) 7,9 9,6 11,5 13,3 15,2 17 18,8 Ano (x) 0 1 2 3 4 5 6 a) Represente graficamente as vendas anuais (y) em função do ano (x) e trace a reta que passa pelos pontos correspondentes a 2000 e 2006; b) Determine uma equação para a reta (expresse y como função de x). Exemplo 3 Biólogos notaram que a taxa de cricridos de uma certa espécie de grilo está relacionada com a temperatura de uma maneira que aparenta ser quase linear. Um grilo cricrila 112 vezes por minuto a 20 ºC e 180 vezes por minuto a 29 ºC. a) Encontre uma equação linear que modele a temperatura T como uma função dos números de cricridos por minuto N. b) Qual é a inclinação do gráfico? O que ela representa? c) Se os grilos estiverem cricrilando 150 vezes por minuto, estime a temperatura. Temas Em um termômetro de mercúrio, a temperatura esta em função da altura do mercúrio. Sabendo que as temperaturas 0°C e 100°C correspondem, respectivamente, às alturas 20 ml e 270 ml do mercúrio. Então a temperatura correspondente a 112,5 ml, admitindo que este modelo é descrito por uma função afim, é: a) 36°C b) 37°C c) 37,5°C d) 38°C e) 40°C 1. Em certos tecidos, as células têm a forma de um cilindro circular reto de altura h e raio r. considerando a altura fixa, expresse o volume V da célula em função do raio r. 2. Em um experimento metabólico a massa M de glicose decresce de acordo com a fórmula 2 03,05,4 ttM Em quanto tempo a massa de glicose torna-se nula? (t em horas) Exercícios Famílias de funções f(x) = k retas horizontais f(x) = mx + b (b = 0 e m variando) nxxf Funções potência: Zn para 1n 2n 3n 4n nxxf Funções potência: Zn para Lei de Boyle: V k P 1n 2n nxxf 1 Funções potência: Zn para n x 2n 3n Polinômios 01 2 2 1 1 axaxaxaxaxp n n n n onde n é um número inteiro não negativo e os números aₒ, a₁, a₂ , ... , aₙ são constantes chamadas coeficientes do polinômio. Se n ≠ 0 , então o grau do polinômio é n. Um polinômio pode ser escrito na forma Polinômio de grau dois Um polinômio de grau três tem a forma 0 23 adcxbxaxxp 13 xxy xxxy 24 3 xxxy 60253 35 , xq xp xf Funções racionais 0 e polinômios são e onde xqqp Uma função racional é a razão de dois polinômios . 4 12 exemplo,Por 2 24 x xx xf É uma função racional com domínio 2/D xRxf Exemplo Em um experimento de adubação, a resposta do crescimento de uma planta (cm) pode ser dada por , 5 20 x x xf onde x é a quantidade de fertilizante adicionada (g/cm²), x > 0. Faça um esboço do gráfico desta função. Duas funções f e g , podem ser adicionadas, subtraídas, multiplicadas e divididas de forma natural para formar novas funções f + g , f − g, f g, f /g . Operações aritméticas sobre funções Definição Dadas as funções f e g, definimos xgxfxgf xgxfxgf xgxfxfg xgxfxgf // Para as funções f + g , f − g, f g , definimos o domínio como sendo a intersecção dos domínios de f e g; para a função f /g , o domínio é definido como sendo a intersecção dos domínios de f e g tais que g(x) ≠ 0. x f(x) f g(f(x)) g Definição Dadas as funções f e g, a composição de g e f indicada por g o f , é a função definida por xfgxfg Composição de funções O domínio de g o f consiste em todo x no domínio de f com o qual f(x) está no domínio de g . Expresse esta função sob a forma de uma função composta. .52 Considere 8 xy xfg xgf Sejam fx x² +3 e gx √ x determine Temas O número de ramos de uma árvore de vidoeiro branco começou a ser contado quando continha apenas 8 ramos. Modelo de crescimento exponencial Determine uma expressão que represente o número N(t) de ramos do vidoeiro em função do tempo t (em anos). Supondo que o número de ramos do vidoeiro (inicialmente com 8), cresce exponencialmente a uma taxa de 15% ao ano. https://www.youtube.com/watch?v=Ax2yYInCKmc (adaptado) a 1, a 0 f : R R x y ax Exemplos de funções exponenciais: xaxf Funções exponenciais Função exponencial de base a função crescente função decrescente x y x y (0,1) (0,1) a 1 a 1 a 0 Gráficos da função exponencial de base a Função exponencial de base e x y 0 1 x y 0 1 Voltando a trabalhar com o exemplo inicial... b) Se a taxa de crescimento permanecer de 15% por ano em quanto tempo o vidoeiro terá 2000 ramos? a) Se daqui a 4 anos o vidoeiro estiver com 22 ramos, qual foi a taxa de crescimento? a 1, a 0 f : R* R x y loga x Exemplos de funções logarítmicas 1log2 xxf xxg 3log Funções logarítmicas Função logarítmica de base a 1 y = loga x a > 1 y = loga x a 1 a > 0 a < 1 Gráficos da função logarítmica de base a Sejam p > 0 e q > 0 e r um número racional além disso então qpqp aaa logloglog i) qp q p aaa logloglog ii) prp a r a loglog iii) base) de (mudança log log log vi) a p p c c a a, c 1, a, c 0, Recordando: propriedades dos logaritmos xelog Logaritmos naturais O logaritmo na base e é chamado de logaritmo natural e tem a seguinte notação xln x y 1 y = x 1 Gráficos Sejam p > 0 e q > 0 e r um número racional, então qppq lnlnln i) qp q p lnlnln ii) prp r lnln iii) ppe lnlog :esqueça Não As propriedades escrita para logaritmos naturais (base e) 2) Uma cultura de bactérias, após a fase lag, desenvolve-se em um meio adequado ao seu crescimento. Sabe-se a população de bactérias, y, em função do tempo t, é dada pela expressão a) Determine a população inicial de bactérias; .10 6,08 tety 17,5 1) 2 xe Resolva b) Em que instante a população dobrará, mantidas as condições ideais de crescimento? c) Esboce o gráfico de y. Se vacas leiteiras ingerem capim contendo muito iodo 131, o leite que elas produzem será inadequado para o consumo. Suponha que algum capim contenha 10 vezes mais que o nível máximo de iodo 131 permitido. Sabe-se que a quantidade de iodo 131 é descrita por a) Sabendo que a meia-vida do iodo 131 é de 8 dias, obtenha uma fórmula para Q(t); Temas – decaimento exponencial c) Faça um esboço do gráfico de Q . ,0 teQtQ b) Quantos dias o capim deverá ser armazenado, antes de ser utilizado na alimentação das vacas? onde λ é uma constante positiva e t é medido em dias. Exercício O efeito residual de um nutriente aplicado no solo e dado por ,3615 128,0 tetf onde 0 ≤ t ≤ 18 anos e f (t) é dado em kg/ha. a) Determine o efeito residual inicial; b) Determine o tempo aproximado no qual a quantidade f (t) será a metade da inicial; c) Faça um esboço do gráfico de f . Limites de funções reais Noção intuitiva e geométrica Limites infinitos Limites no infinito O que acontece com os valores de quando x se aproxima de 2? 2 xxf Definição Suponhamos que f(x) seja definida próximo ao número a. Então escrevemos se pudermos tornar os valores de f(x) arbitrariarmente próximos de L, tornando x suficientemente próximo de a (por ambos os lados de a), mas não igual a a (x ≠ a). Limites Lxf ax lim Isso significa que f é definida em algum intervalo aberto que contenha a, exceto possivelmente no próprio a. a L a L a L .lim determine casos trêsNos xf ax f f f Quando x se aproxima de a pela direita, f(x) se aproxima de ___, Quando x se aproxima de a pela esquerda, f(x) se aproxima de ___, ___lim seja,ou xf ax ___lim seja,ou xf ax a M y f x L Observe o gráfico Neste caso, .__________ lim xf ax Note que ___af ___limlim seja,ou xfxf axax Quando x se aproxima de a pela direita ou pela esquerda, os valores de f(x) se aproximam de ___, a L=M y f x Quando L = M Neste caso, o limite existe e escrevemos Note que ___af Limites e gráficos Alguns exemplos 2 2 2 2 x y y f x 0 se 2 0 se 1 x xx xf Exemplo 1 ?lim 0 xf x 2 2 2 2 x y 3 ,1 30 ,2 0 ,3 2 x xxx xx xg xgy Exemplo 2 2 2 2 2 x y 2 se 4 20 se 0 se 1 2 x xx xx xh xhy Temas xh x 1 lim xhx 0 lim xh x 2 lim 2 2 2 2 x y xfy 1 ,1 12 ,1 2 ,3 2 xx xx x xf Temas xf x 2 lim xf x 0 lim xf x 1 lim y f x xf x 1 lim xf x 0 limDetermine os limites xf x 2 lim Cálculo de limites xgxf axax lim e lim Sejam a e k números reais. Então ax ax lim ii) Sejam a e k números reais. Se existem os limites kk ax lim i) então valem as seguintes propriedades: xgxfxgxf axaxax limlimlim i) xgxfxgxf axaxax limlimlim ii) xg xf xg xf ax ax ax lim lim lim iii) 0lim que desde xg ax xfkxfk axax lim lim iv) n ax n ax xfxf limlim v) parfor se 0lim que desde nxf ax 7lim 1) 4x x x 9 lim 2) 3lim 3) 5 x x 2 1 6lim 4) 1 x x x x 51lim 5) 5 1 7 24 lim 6) 1 x x x 3 0 33lim 7) x x 95lim 8) 2 0 xx x 4 4 lim 10) 4 x x x 1 1 lim 9) 21 x x x Exercícios. Calcule os seguintes limites . 0 ,1 0 , função a Dada 2 2 xx xx xf xf x 0 lim Exemplo Calcule . 1 ,3 1 ,1 Considere x xx xf ?lim o é Qual 1 xf x Exemplo .lim Calcule 1 xf x . 1 1 função a Dada 2 x x xf 2 se 4 2 se 2 42 x x x x xg Dada .limexistir se Calcule, 2 xg x Faça você 20 1 lim xx Calcule o limite abaixo, se existir. x y 0 2 1 x y x ± 1 ± 1/2 ± 1/5 ± 1/10 ±1/100 ± 1/1000 2 1 x Definição Seja f uma função definida em ambos os lados de a, exceto possivelmente no próprio a. Então Limites infinitos xf ax lim significa que podemos fazer os valores de f(x) ficarem arbitrariarmente grandes (tão grandes quanto quisermos) tornando x suficientemente próximo de a, mas não igual a a. xfy ax significa que os valores de f(x) podem ser arbitrariarmente grandes, porém negativos, ao tornarmos x suficientemente próximo de a, mas não igual a a. xf ax lim xfy ax Analogamente, escrever . 1 lim exemplo,Por 20 xx Definições equivalentes podem ser dadas no caso de limites laterais xf ax lim xf ax lim xf ax lim xf ax lim ?lim 0 xf x xfy Use o gráfico para determinar o limite abaixo x y 0 1 −2 2 −1 2 3 4 5 −1 Faça o gráfico da função e analise o que acontece com os valores de f(x) quando x tende a zero. x xf 1 Teorema. Se n é um número natural, então ímpar é se , par é se ,1 lim e 1 lim 00 n n xx nxnx Agora, para a mesma função, analise o que acontece com os valores de y quando x cresce ou decresce sem limitação. Limites que envolvem infinito Vamos analisar o gráfico da função 3 1 x xf Ainda limites infinitos 3 1 lim 3 xx 3 1 lim 3 xx A reta x = 3 é denominada assíntota vertical da curva. e calcular os limites. Assíntota vertical Dizemos que a reta x=a é uma assíntota vertical do gráfico da função f, se f(x) tende a +∞ ou −∞, quando x tende para a pela direita ou pela esquerda. Definição Seja f uma função definida em algum intervalo (a, ∞). Então Limites no infinito Lxf x lim significa que os valores de f(x) ficam arbitrariarmente próximos de L tornando x suficientemente grande. xfy Ly xfy Ly Ainda analisando o gráfico de 3 1 x xf 3 1 lim xx 3 1 lim xx A reta y = 0 é denominada assíntota horizontal da curva. Limites no infinito para determinar os limites. Assíntota horizontal Dizemos que a reta y=b é uma assíntota horizontal do gráfico da função f se: bxfbxf xx limou lim Teorema importante ....(limites no infinito) Teorema. Se n é um número natural, então 0 1 lim e 0 1 lim nxnx xx Uma técnica para determinar limites de funções racionais quando x → ±∞ consiste em: dividir cada termo do numerador e do denominador pela maior potência de x que ocorra no denominador. Usaremos esta técnica nos exemplos a seguir. Teorema. Se n é um número natural, então e usar o teorema visto anteriormente 0 1 lim e 0 1 lim nxnx xx Indeterminações do tipo ∞/∞ 14 13 lim x x x Calcule Exemplo 1 724 423 lim 3 2 xx xx x Calcule Exemplo 2 Calcule lim 3 x4 2x2 4 x 2x 2x 5 Exemplo 3 Um método rápido para encontrar limites de funções racionais quando x → +∞ ou x → −∞ é: Resumindo Calcular o limite do termo de maior grau do numerador dividido pelo termo de maior grau do denominador Exemplos Calcule os limites usando o método descrito anteriormente. 14 13 lim )1 x x x xx xx x 5 192 lim )2 2 2 5 2 54 19 lim )3 xx xx x x xx x 31 125 lim )4 23 Exercícios R.: 3 R.: R.: 0 R.: R.: 0 3lim )1 x x x 4lim )2 52 13 lim )3 x x x 4 3 lim )4 xx 3 67 lim )5 5 x x x 37 6 lim )6 3 3 x x x 12 2 lim )7 2 xx x x2 3 :.R 7 1 :. RCalcule os seguintes limites 5 20 x xVoltado ao problema do experimento de adubação O crescimento de uma planta (cm), em função da adubação pode ser dada por , 5 20 x x xf onde x é a quantidade de fertilizante adicionada (g/cm²), x > 0. x lim = 20 cm O comportamento desta função pode ser vista pelo limite Exercício Durante uma epidemia de dengue, o número de pessoas que adoeceram após t dias, num certo bairro, é dado por a) Aproximadamente, quantas pessoas ficaram doentes após o primeiro dia? E após 25 dias? b) O que acontece com o número de doentes a longo prazo? te tN 2,0 991 000 10 te tN 2,0 991 000 10 Gráfico de Para que servem os inventários de fauna? http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-40142010000100015#g4 “A noção de continuidade em Matemática é a que utilizamos no dia a dia, isto é, não há interrupção ou, então, onde não existem partes separadas umas das outras” H. Anton Funções contínuas2 2 2 2 3 3 4 3 3,5 3 1 2 4 3 . 2 se 2 2 se 44 função a Considere 2 xx xxx xf xf x 2 lim Calcule Mas o que isto significa? Em termos matemáticos significa que esta função é contínua em x = 2. Geometricamente, significa que conseguimos traçar seu gráfico, “sem levantar o lápis do papel”, ou seja, a função não tem buracos, quebras ou saltos. x y 2 se 2 2 se 442 xx xxx xf 2 2 a f(a) Definição Uma função f é contínua em x = a, se as seguintes condições forem satisfeitas: i) f (a) está definida existir lim )ii xf ax afxf ax lim )iii xfy Continuidade Observações: 1. Se uma função for contínua para todos os pontos do seu domínio, dizemos simplesmente que é contínua. 2. Se uma das condições da definição não for satisfeita em algum ponto dizemos que f é descontínua (ou não é contínua) nesse ponto. 2 2 2 2 3 3 4 3 3,5 3 1 2 4 3 .1 em contínua é 1 ,2 1 ,4 função a se Verifique 2 2 x xx xx xf Solução. a) b) c) d) Quais das seguintes funções são descontínuas? Explique porque. 3 se 2 3 se 3 9 Dada 2 x x x x xh Solução. Verifique se esta função é contínua em x = 3. 1 ,2 1 ,3 1 ,2 2 xxx x xx xf Verifique se a função abaixo é contínua em x = 1. Temas Considere a função custo representada abaixo. Observe o que ocorre com o gráfico em x igual a: 15 000, 30 000 e 45 000. 2 se 1 2 se 2 2 b) 2 x x x xx xf Determine se cada uma das seguintes funções é contínua. Exercícios 2 2 a) 2 x xx xf 0 se 1 0 se 1 c) 2 x x xxf 0 se 0 se d) 2 xx xe xf x Limites fundamentais e x x x 1 1lim a x a x x ln 1 lim 0 1 sen lim 0 x x x xxf sen • Função seno • Função cosseno xxf cos Função tangente x x xtg cos sen Função cotangente x x x sen cos gcot Função secante x x cos 1 sec Função cossecante x x sen 1 seccos Função seno Função arco seno Função cosseno Função arco cosseno
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