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CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I ATIVIDADE DE APLICAÇÃO DA DERIVADA PROF. ÉRICO BARBOSA PETROLINA, 2018 ATIVIDADE DE CÁLCULO I Nome da dupla: Vinicius Carvalho Deisienne Nogueira Turma/Turno: Física Mod. 1-2018.1 / Noite (i) Resolver todas as questões e digitar as respostas; (ii) Entregar dia 03/08/2018; (iii) É recomendável que formem duplas para resolução; (iv) A questão 8 pode ser utilizado um software da preferencias dos componentes da dupla, porém o winplot oferece maior facilidade na construção das curvas. Aplicação da Derivada • PROBLEMA 1: A figura mostra uma lâmpada localizada três unidades à direita do eixo e uma sombra originada pela região elíptica Se o ponto estiver na borda da sombra, qual a altura da lâmpada acima do eixo? • RESOLUÇÃO: Sendo que a reta tangente à elipse passa por P1(-5, 0) e por um ponto P2(a, b) da elipse. 𝑚 = ∆y ∆x → 𝑚 = (b − 0) (𝑎 + 5) → 𝑚 = b (a + 5) (1) Por outro lado, podemos dizer que a derivada da função (x²+4y²=5) da Elipse, define o coeficiente angular da reta tangente em um ponto qualquer. Logo; 𝑑𝑦 𝑑𝑥 (𝑥2 + 4𝑦2 = 5) 𝑑𝑦 𝑑𝑥 [𝑥2] + 𝑑𝑥 𝑑𝑦 [4𝑦2] 𝑑𝑥 𝑑𝑦 = 𝑑𝑦 𝑑𝑥 [5] 2𝑥 + 8𝑦 𝑑𝑥 𝑑𝑦 = 0 𝑑𝑥 𝑑𝑦 = − 𝑥 4𝑦 = 𝑚 Sendo P2(a,b) o ponto de tangencia, logo; 𝑚 = − 𝑥 4𝑦 → 𝑚 = − 𝑎 4𝑏 (2) De (1) = (2), temos; 𝑏 𝑎 + 5 = − 𝑎 4𝑏 4𝑏2 = −𝑎2 − 5𝑎 𝑎2 + 4𝑏2 = −5𝑎 (3) Como P2(a,b) é um ponto da elipse também, logo; 𝑥2 + 4𝑦2 = 5 𝑎2 + 4𝑏2 = 5 (4) De (3) = (4); −5𝑎 = 𝑎2 + 4𝑏2 = 𝑎2 + 4𝑏2 = 5 −5𝑎 = 5 𝑎 = 5 −5 𝑎 = −1 Substituindo o valor de “𝑎 = −1” em (4); 𝑎2 + 4𝑏2 = 5 (−1)2 + 4𝑏2 = 5 1 + 4𝑏2 = 5 4𝑏2 = 5 − 1 𝑏2 = 4 4 𝑏 = 1 Aplicando os valores de "𝑎 = −1” e “𝑏 = 1" em (1); 𝑚 = b (a + 5) (1) 𝑚 = 1 (−1 + 5) 𝑚 = 1 4 E assim definimos a equação da reta como; (𝑦 − 𝑦0) = 𝑚 (𝑥 − 𝑥0) (𝑦 − 𝑏) = 1 4 (𝑥 − 𝑎) (𝑦 − 1) = 1 4 [𝑥 − (−1)] 𝑦 = (𝑥 + 5) 4 (5) O poste está "𝑥 = 3”, aplicando esse valor na equação da reta (5), em função de y, obtemos; 𝑦 = (𝑥 + 5) 4 𝑦 = (3 + 5) 4 𝑦 = 8 4 𝑦 = 2 Isso implica-nos dizer que a altura da lâmpada é de 2 U.C. a cima do eixo, no ponto PL(3,2). • PROBLEMA 2: A altura (em metros) de um projetil lançado verticalmente para cima de um ponto a 2m acima do nível do solo com a velocidade inicial de 24,5 m/s é após segundos Encontre a velocidade após 2 s e após 4 s. Quando o projétil alcança sua altura máxima? Qual é a altura máxima? Quando ele atinge o solo? Com qual velocidade ele atinge o solo? • RESOLUÇÃO: (I) Encontre a velocidade após 2 s e após 4 s. Sendo a equação da posição da partícula, logo; 𝑑 𝑑𝑡 ℎ(𝑡) = 2 + 24.5𝑡 − 4.9𝑡2 (1) 𝑑 𝑑𝑡 𝜗(𝑡) = 24.9 − 9.8𝑡 (2) ... ... Para 2s ; 𝜗(𝑡) = 24.9 − 9.8𝑡 𝜗(2) = 24.9 − 9.8(2) 𝜗(2) = 4.9 𝑚/𝑠 Para 4s ; 𝜗(𝑡) = 24.9 − 9.8𝑡 𝜗(4) = 24.9 − 9.8(4) 𝜗(4) = −14.7 𝑚/𝑠 (II) Quando o projétil alcança sua altura máxima? Sabendo que quando o projetil atingir sua altura máxima, sua velocidade será igual a zero, logo podemos calcular o tempo para 𝜗 = 0 na equação (2), assim; 𝜗(𝑡) = 24.9 − 9.8𝑡 0 = 24.9 − 9.8𝑡 9.8𝑡 = 24.9 𝑡 = 24.9 9.8 𝑡 = 2.5 𝑠 (III) Qual é a altura máxima? Sabendo o tempo necessário para que o projetil atinja sua altura máxima (𝑡 = 2.5 𝑠) aplicando esse tempo na equação da posição (1), logo obtemos; ℎ(𝑡) = 2 + 24.5𝑡 − 4.9𝑡2 ℎ(2.5) = 2 + 24.5(2.5) − 4.9(2.5)² ℎ(2.5) = 2 + 61,25 − 4.9(6,25) ℎ(2.5) = 63,25 − 30,62 ℎ(2.5) = 32,63 𝑚 (IV) Quando ele atinge o solo? Sabendo que quando a partícula atingir o chão, sua posição será ℎ = 0, logo para acharmos o tempo substituímos esse valor em (1); ℎ(𝑡) = 2 + 24.5𝑡 − 4.9𝑡2 0 = 2 + 24.5𝑡 − 4.9𝑡² Observamos que geramos uma equação de segundo grau em função do tempo para a posição zero, para extrairmos o tempo calculamos as raízes dessa equação utilizando a equação de Bhaskara, desse modo; 𝑡 = −𝑏 ± √𝑏2 − 4𝑎𝑐 2𝑎 𝑡 = −(24.5) ± √(24.5)2 − 4(−4.9)(2) 2(−4.9) 𝑡 = −24.5 ± √600.25 + 39.2 −9.8 𝑡 = −24.5 ± 25.28 −9.8 𝑡′ = −24.5 − 25.28 −9.8 ⇒ 𝑡′ = 5.07𝑠 𝑡′′ = −24.5 + 25.28 9.8 ⇒ 𝑡′′ = −0.07𝑠 Ele atingirá o chão após 𝑡′ = 5.07𝑠 = 𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑡 ′′ = −0.07𝑠, é negativo por isso é descartado) (V) Com qual velocidade ele atinge o solo? Sabendo que 𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 5.07𝑠, calculado no item (IV), substituindo 𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 em (2), obtemos; 𝜗(𝑡) = 24.9 − 9.8𝑡 𝜗(5.07) = 24.9 − 9.8(5.07) 𝜗(5.07) = 24.9 − 49,68 𝜗(5.07) = −24,78𝑚𝑠 • PROBLEMA 3: A Lei de Gravitação de Newton diz que a intensidade da força exercida por um corpo de massa sore um corpo de massa é: Onde é a constante gravitacional e é a distância entre os corpos. Encontre . Suponha que seja conhecida que a Terra atrai um objeto com uma força que decresce a uma taxa 2 N/km quando km. Quão rápido essa força varia quando km? • RESOLUÇÃO: (I) Encontre . 𝐹′ = 𝑑𝐹 𝑑𝑟 𝐺𝑚𝑀 𝑟2 𝐹′ = 𝑑𝐹 𝑑𝑟 [𝐺𝑀𝑚] ⋅ 𝑑𝐹 𝑑𝑟 [ 1 𝑟2 ] 𝐹′ = 𝐺𝑀𝑚 . (0. 𝑟2 − 1.2𝑟) (𝑟2)2 𝐹′ = 𝐺𝑀𝑚 . −2𝑟 𝑟4 𝐹′ = 𝐺𝑀𝑚 . −2 𝑟3 𝐹′ = −2𝐺𝑀𝑚 𝑟3 (II) Suponha que seja conhecida que a Terra atrai um objeto com uma força que decresce a uma taxa 2 N/km quando km. Quão rápido essa força varia quando km? Primeiro usaremos os dados já conhecidos para encontrar a massa de “m”, deste modo; 𝐹′ = −2𝐺𝑀𝑚 𝑟3 −2 = (−2)(6,6𝑥10−11)(5,972𝑥1024)𝑚 (2𝑥104) 3 −2 ≅ −98,538𝑚 𝑚 ≅ −2 −98,538𝑚 ≅ 2𝑥10−2𝑘𝑔 Com a massa de “m”, utilizamos em função da força em um raio de 10.000 km; 𝐹′ = −2𝐺𝑀𝑚 𝑟3 𝐹′ = (−2)(6,6𝑥10−11)(5,972𝑥1024)(2𝑥10−2) (104) 3 𝐹′ = (−2)(6,6𝑥10−11)(5,972𝑥1024)(2𝑥10−2) 3𝑥1012 𝐹′ = −15,76608 𝑁/𝑘𝑚 • PROBLEMA 4: Algumas das maiores marés no mundo ocorrem na Bay of Fundy, na Costa Atlântica do Canadá. No Cabo Hopewell a profundidade da água em maré baixa é cerca de 2,0 m e em maré alta é cerca de 12,0 m. O período natural de oscilação é pouco mais de 12 horas e, em 30 de junho de 2009, a maré alta ocorreu às 6h 45 min. Isso ajuda a explicar o seguinte modelo para a profundidade de Água (em metros) como uma função do tempo (em horas após a meia-noite) naquele dia: Em que velocidade a maré aumentava (ou diminuía) nos seguintes horários? 3 h 00 min 6 h 00 min 9 h 00 min • RESOLUÇÃO: Com base na equação da posição no tempo, fornecida inicialmente pelo problema, diferenciando a obtemos a equação da velocidade no tempo, assim; 𝑑𝐷 𝑑𝑡 𝐷(𝑡) = 7 + 5 cos[0.503(𝑡 − 6.75)] (1) 𝑑𝐷 𝑑𝑡 𝑣′(𝑡) = −2,515 sen[0.503(𝑡 − 6.75)] (2) Em que velocidade a maré aumentava (ou diminuía) nos seguintes horários? (I) 3 h 00 min; Utilizando (2) para 𝑡 = 3, obtemos; 𝑣′(𝑡) = −2,515 sen[0.503(𝑡 − 6.75)] 𝑣′(3) = −2,515 sen[0.503(3 − 6.75)] 𝑣′(3) = −2,515 sen(−1,88) 𝑣′(3) = −2,515(−0,032) 𝑣′(3) = 0,08 𝑚/ℎ → 8,0 𝑐𝑚/ℎ (II) 6 h 00 min; Utilizando (2) para 𝑡 = 6, obtemos; 𝑣′(𝑡) = −2,515 sen[0.503(𝑡 − 6.75)] 𝑣′(6) = −2,515 sen[0.503(6 − 6.75)] 𝑣′(6) = −2,515 sen(−0,37) 𝑣′(6) = −2,515(−0,006) 𝑣′(6) = 0,015 𝑚/ℎ → 1,5 𝑐𝑚/ℎ (III) 9 h 00 min Utilizando (2) para 𝑡 = 9, obtemos; 𝑣′(𝑡) = −2,515 sen[0.503(𝑡 − 6.75)] 𝑣′(9) = −2,515 sen[0.503(9 − 6.75)] 𝑣′(9) = −2,515 sen(1,13) 𝑣′(9) = −2,515(0,019) 𝑣′(9) = − 0,047 𝑚/ℎ → − 4,7 𝑐𝑚/ℎ • PROBLEMA 5: A frequência da vibração de uma corda de violino é dada por: Onde é o comprimento da corda, é sua tensão e é sua densidade linear. Encontre a taxa de variação da frequência em relação: Ao comprimento (quando e são constantes), À Tensão (quando e são constantes); À densidade linear (quando e são constantes) • RESOLUÇÃO: (I) Ao comprimento (quando e são constantes); 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = (0)2𝐿 − 1(2) (2𝐿)² √ 𝑇 𝜌 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = −2 4𝐿2 √ 𝑇 𝜌 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = −1 2𝐿² √ 𝑇 𝜌 (II) À Tensão (quando e são constantes); 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 2𝐿 ( 𝑇 𝜌 ) 1 2 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 2𝐿 . 𝑇 2√𝜌 − 1 2 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 2𝐿 . 1 2√𝑇𝜌 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 4𝐿√𝑇𝜌 (III) À densidade linear (quando e são constantes) 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 2𝐿 . 𝑇 1 2 𝜌 1 2 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 2𝐿 . 0(√𝜌) − 1 2√𝜌 . √𝑇 𝜌 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = 1 2𝐿 (− √𝑇 2𝜌√𝜌 ) 𝑑𝑓 𝑑𝐿 = −√𝑇 4𝐿𝜌√𝜌 • PROBLEMA 6: Se denota a reação do corpo a alguns estímulos de intensidade , a sensibilidade é definida como a taxa de variação de reação em relação . Um exemplo ocorre quando a luminosidade de uma fonte de luz é aumentada e o olho reage diminuído a área da pupila. A fórmula experimental: Tem sido usada para modelar a dependência de com respeito a , quando é medido em milímetros quadrados e , em uma unidade apropriada de luminosidade. Encontre a sensibilidade. • SOLUÇÃO: Como já fica explicito no problema, ele nos pede pra calcular a sensibilidade que será o diferencial da função R(x), logo; 𝑆 = 𝑑𝑅 𝑑𝑥 ( 40 + 24𝑥0,4 1 + 4𝑥0,4 ) 𝑆 = (9,6𝑥−0,6)(1 + 4𝑥0,4) − (40 + 24𝑥0,4)(1,6𝑥−0,6) (1 + 4𝑥0,4)² 𝑆 = 9,6𝑥−0,6 + 38,4𝑥−0,2 − 64𝑥−0,6 − 38,4𝑥−0,2 (1 + 4𝑥0,4)² 𝑆 = 9,6𝑥−0,6 − 64𝑥−0,6 (1 + 4𝑥0,4)² ⇒ 𝑆 = − 1 54,4𝑥0,6(1 + 4𝑥0,8)² • PROBLEMA 8: Escreva as curvas das funções implícitas usando um software 𝑦𝑠𝑒𝑛(2𝑥) = 𝑥𝑐𝑜𝑠(2𝑦) 𝑠𝑒𝑛(𝑥 + 𝑦) = 2𝑥 − 2𝑦 𝑦2 = 5𝑥4 − 𝑥² • PROBLEMA 9: Determinar a equação da reta tangente à elipse no ponto . • RESOLUÇÃO: Sabendo que 𝑚 = 𝑦′ 𝑥′ , logo; 𝑚 = 3𝑠𝑒𝑛(𝑡) 2cos(𝑡) 𝑚 = 3𝑐𝑜𝑠(𝑡) −2 𝑠𝑒𝑛(𝑡) 𝑚 = − 3 2 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑡) Para o valor do ângulo “t”, aplicamos os pontos em um dos parâmetros, logo; 𝑥 = 2𝑐𝑜𝑠(𝑡) √2 = 2 cos(𝑡) √2 2 = cos(𝑡) ⇒ 𝑡 = 𝑎𝑟𝑐 𝑐𝑜𝑠𝑒𝑛𝑜 ( √2 2 ) ⇒ 𝑡 = 45º Sabendo disso, extraímos que o valor real de “m” é; 𝑚 = − 3 2 𝑐𝑜𝑡𝑔(45º) 𝑚 = − 3 2 . (1) 𝑚 = − 3 2 Aplicando 𝑚 𝑒 𝑃1em (𝑦 − 𝑦𝑜) = 𝑚. (𝑥 − 𝑥𝑜), obtemos; (𝑦 − 𝑦𝑜) = 𝑚. (𝑥 − 𝑥𝑜) (𝑦 − 3√2 2 ) = − 3 2 . (𝑥 − √2) 𝑦 = − 3𝑥 2 + 3√2 • PROBLEMA 10: Determinar as equações da reta tangente e da reta normal à astróide no ponto P1 . • RESOLUÇÃO: Sabendo que 𝑚 = 𝑦′ 𝑥′ , logo; 𝑚 = 𝑠𝑒𝑛³(𝑡) cos³(𝑡) 𝑚 = 3𝑠𝑒𝑛²(𝑡). cos (𝑡) −3 𝑐𝑜𝑠²(𝑡) . 𝑠𝑒𝑛(𝑡) 𝑚 = − 𝑠𝑒𝑛(𝑡) cos(t) ⇒ 𝑚 = −𝑡𝑔(𝑡) Para o valor do ângulo “t”, aplicamos os pontos em um dos parâmetros, logo; 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠³(𝑡) − 1 8 = cos3(𝑡) √−1 3 √8 3 = cos(𝑡) ⇒ 𝑡 = 𝑎𝑟𝑐 𝑐𝑜𝑠𝑒𝑛𝑜 (− 1 2 ) ⇒ 𝑡 = 120º Sabendo disso, extraímos que o valor real de “m” é; 𝑚 = −𝑡𝑔(120º) 𝑚 = −(√3) 𝑚 = √3 Aplicando 𝑚 𝑒 𝑃1em (𝑦 − 𝑦𝑜) = 𝑚. (𝑥 − 𝑥𝑜), obtemos; (𝑦 − 𝑦𝑜) = 𝑚. (𝑥 − 𝑥𝑜) (𝑦 − 3√3 8 ) = √3. (𝑥 + 1 8 ) 𝑦 = √3𝑥 + √3 2 • PROBLEMA 11: Encontrar das funções dadas. • RESOLUÇÃO: (I) 𝑦 = 3𝑥² − 𝑥 + 1 Para ∆𝑦; ∆𝑦 = 𝑓(𝑥 + ∆𝑥) − 𝑓(𝑥) ∆𝑦 = 3(𝑥 + ∆𝑥)2 − (𝑥 + ∆𝑥) + 1 − 3𝑥2 + 𝑥 − 1 ∆𝑦 = 3𝑥2 + 6𝑥∆𝑥 + 3∆𝑥2 − 𝑥 − ∆𝑥 + 1 − 3𝑥2 + 𝑥 − 1 ∆𝑦 = 6𝑥∆𝑥 + 3∆𝑥2 − ∆𝑥Para 𝑑𝑦; 𝑑𝑦 = 𝑓′(𝑥). ∆𝑥 𝑑𝑦 = (6𝑥 − 1)∆𝑥 𝑑𝑦 = 6𝑥∆𝑥 − ∆𝑥 Para ∆𝑦 − 𝑑𝑦; ∆𝑦 − 𝑑𝑦 = 6𝑥∆𝑥 + 3∆𝑥2 − ∆𝑥 − (6𝑥∆𝑥 − ∆𝑥) ∆𝑦 − 𝑑𝑦 = 6𝑥∆𝑥 + 3∆𝑥2 − ∆𝑥 − 6𝑥∆𝑥 + ∆𝑥 ∆𝑦 − 𝑑𝑦 = 3∆𝑥2 (II) 𝑦 = 2√𝑥 Para ∆𝑦; ∆𝑦 = 𝑓(𝑥 + ∆𝑥) − 𝑓(𝑥) ∆𝑦 = 2√𝑥 + ∆𝑥 − 2√𝑥 Para 𝑑𝑦; 𝑑𝑦 = 𝑓′(𝑥). ∆𝑥 𝑑𝑦 = ( 1 √𝑥 ) ∆𝑥 𝑑𝑦 = ∆𝑥 √𝑥 Para ∆𝑦 − 𝑑𝑦; ∆𝑦 − 𝑑𝑦 = 2√𝑥 + ∆𝑥 − 2√𝑥 − ∆𝑥 √𝑥 (III) 𝑦 = 𝑥+1 2𝑥−1 Para ∆𝑦; ∆𝑦 = 𝑓(𝑥 + ∆𝑥) − 𝑓(𝑥) ∆𝑦 = 𝑥 + ∆𝑥 + 1 2𝑥 + 2∆𝑥 − 1 − 𝑥 + 1 2𝑥 − 1 ∆𝑦 = 2𝑥2 + 2𝑥∆𝑥 + 2𝑥 − 𝑥 − ∆𝑥 − 1 − 2𝑥2 − 2𝑥 − 2𝑥∆𝑥 − 2∆𝑥 + 𝑥 + 1 (2𝑥 + 2∆𝑥 − 1)(2𝑥 − 1) ∆𝑦 = −3∆𝑥 (2𝑥 + 2∆𝑥 − 1)(2𝑥 − 1) Para 𝑑𝑦; 𝑑𝑦 = 𝑓′(𝑥). ∆𝑥 𝑑𝑦 = [ 1. (2𝑥 − 1) − (𝑥 + 1). 2 (2𝑥 − 1)2 ] ∆𝑥 𝑑𝑦 = [ −3 (2𝑥 − 1)2 ] ∆𝑥 𝑑𝑦 = −3∆𝑥 (2𝑥 − 1)² Para ∆𝑦 − 𝑑𝑦; ∆𝑦 − 𝑑𝑦 = −3∆𝑥 (2𝑥 + 2∆𝑥 − 1)(2𝑥 − 1) + 3∆𝑥 (2𝑥 − 1)2 PROBLEMA 12: Encontrar e para os valores dados • RESOLUÇÃO: Para ∆𝑦; ∆𝑦 = 𝑓(𝑥1 + ∆𝑥1) − 𝑓(𝑥1) ∆𝑦 = 1 (2𝑥1 + ∆𝑥1)² − 1 2𝑥2 ∆𝑦 = 1 2(1,001)2 − 1 2 ∆𝑦 = 1 2,004002 − 1 2 ⇒ ∆𝑦 = −0,000998 Para dy; 𝑑𝑦 = 𝑓′(𝑥). ∆𝑥 𝑑𝑦 = − 1 𝑥3 (0,001) 𝑑𝑦 = − 1 (1)3 (0,001) 𝑑𝑦 = −0,001 Para ∆𝑦; ∆𝑦 = 𝑓(𝑥1 + ∆𝑥1) − 𝑓(𝑥1) ∆𝑦 = 5(0,002)2 − 6(0,002) − 0 ∆𝑦 = 0,002𝑥10−2 − 1,2𝑥10−2 ∆𝑦 = 1,198𝑥10−2 Para dy; 𝑑𝑦 = 𝑓′(𝑥). ∆𝑥 𝑑𝑦 = 10𝑥 − 6. (0,002) 𝑑𝑦 = 10. (0) − 6. (0,002) 𝑑𝑦 = −0,012
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