Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng – Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Disciplina do NCEng – Núcleo Comum das Engenharias COMPONENTE CURRICULAR: CÁLCULO I Prof(a): Raquel Taís Breunig e-mail: raquel.breunig@unijui.edu.br Cálculo Diferencial e Integral O que é Cálculo? É a ferramenta matemática usada para analisar movimentos e variações. Onde há movimento ou crescimento e onde forças variáveis agem produzindo aceleração, o cálculo é a matemática a ser empregada. O Cálculo foi “inventado” inicialmente para atender às necessidades matemáticas (basicamente mecânicas) dos cientistas dos séculos XVI e XVII principalmente Isaac Newton e G. Leibniz. Inicialmente oCálculo Diferenciallidou com o problema de calcular taxas de variação. Ele permitiu que as pessoas definissem os coeficientes angulares de curvas, calculassem grandezas como a velocidade e a aceleração de corpos em movimento e determinassem os ângulos a que seus canhões deveriam ser disparados para obter o maior alcance. Além disso, com a ajuda do cálculo foi possível prever quando planetas estariam mais próximos ou mais distantes entre si, etc. Figura: A diferença entre a matemática básica e cálculo: em uma só palavra, é a curva. Problemas clássicos: • Determinação da equação da reta tangente a uma curva em um ponto; • Determinação do comprimento de uma curva, da área de uma região e do volume de um sólido; • Determinação de valor máximo e mínimo; • Determinação da velocidade e aceleração de um corpo em cada instante ao longo de um intervalo. 2 Figura: Sem cálculo e com cálculo. Cálculos de área.... Para a aprendizagem do cálculo, vamos iniciar analisando o estudo de funções. 3 Atividade: Analisando comportamento de funções 1. Dada a função 3x 4 )x(f − = Estabeleça alguns valores para x e calcule os pares ordenados para a função dada. X f(x) Preencha a tabela com os valores próximos de x = 3, pela direita e pela esquerda. X 3,2 3,1 3,01 3,001 3,0001 f(x) X 2,8 2,9 2,99 2,999 2,9999 f(x) Represente graficamente a função Observe o gráfico de f(x). O que acontece com os valores de y quando a) os valores de x se aproximam de 3 pela direita ( +→ 3x )? _____________________________________________________________________________ b) os valores de x se aproximam de 3 pela esquerda ( −→ 3x )? _____________________________________________________________________________ c) Comente o que é possível observar da função quando x se aproxima de 3 ( 3x → ). _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ 4 2. Dada a função >+− ≤+ = 1xse4x 1xse1x2 )x(f Estabeleça alguns valores para x e calcule os pares ordenados para a função dada. x f(x) Preencha a tabela com os valores próximos de x = 1, pela direita e pela esquerda. x 1,2 1,1 1,01 1,001 1,0001 f(x) x 0,8 0,9 0,99 0,999 0,9999 f(x) Represente graficamente a função Observe o gráfico de f(x). O que acontece com os valores de y quando a) os valores de x se aproximam de 1 pela direita ( +→ 1x )? _____________________________________________________________________________ b) os valores de x se aproximam de 1 pela esquerda ( −→ 1x )? _____________________________________________________________________________ c) Comente o que é possível observar da função quando x se aproxima de 1 ( 1x → ). _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ 5 3. Dada a função >+ ≤ = 1xse1x 1xsex )x(f 2 Estabeleça alguns valores para x e calcule os pares ordenados para a função dada. x f(x) Preencha a tabela com os valores próximos de x = 1, pela direita e pela esquerda. x 1,2 1,1 1,01 1,001 1,0001 f(x) x 0,8 0,9 0,99 0,999 0,9999 f(x) Represente graficamente a função Observe o gráfico de f(x). O que acontece com os valores de y quando a) os valores de x se aproximam de 1 pela direita ( +→ 1x )? _____________________________________________________________________________ b) os valores de x se aproximam de 1 pela esquerda ( −→ 1x )? _____________________________________________________________________________ c) Comente o que é possível observar da função quando x se aproxima de 1 ( 1x → ). _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ 6 Observe o gráfico, analise e descreva o que ocorre com a função quando x → 1. Observe o gráfico, analise e descreva o que ocorre com a função quando x → 1. 7 �lim�→�� �� = �lim�→�� �� = �� lim�→� �� = � LIMITES E CONTINUIDADE Definição Dada uma função y = f (x), a teoria dos limites estuda a que valor tende y, a medida em que x tender a um determinado valor x0. Se x → x0tanto pela direita como pela esquerda e y tender a um mesmo valor L então dizemos que ( ) Lxflim 0xx = → 1) Considere as funções representadas abaixo e analise em cada uma seu limite, ou explique porque eles não existem. )(lim 3 xf x→ )(lim 3 xf x→ Observe o gráfico, analise e descreva o que ocorre com a função quando f(b)≈ f(c) = f(d) = f(e) = Justifique se existe o limite da função quando: x → b x → c x → d x → e 8 TEOREMAS SOBRE LIMITES Suponha que L)x(flim ax = → e M)x(glim ax = → e c uma constante. T1. cclim ax = → T5. )x(g)x(flim ax ± → = ML)x(glim)x(flim axax ±=± →→ T2. axlim ax = → T6. )x(g)x(flim ax ⋅ → = ML)x(glim)x(flim axax ⋅=⋅ →→ T3. )x(fclim ax ⋅ → = Lc)x(flimc ax ⋅=⋅ → T7. )x(g )x(f lim ax→ = M L )x(glim )x(flim ax ax = → → T4. bma)bmx(lim ax +=+ → T8. ( )c ax )x(glim → = ( ) cc ax M)x(glim = → DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE UMA FUNÇÃO Quando x tende a xo, sendo xo um número real qualquer, basta na função substituir o x ao qual ele tende e realizar os cálculos. Exemplos: Determine se o limite existe. a) = +→ 4 3lim 2 xx b) = + + → 12 43lim 1 x x x c) Dada >− ≤+ = 1xsex5 1xsex3 )x(f determine )x(flim 1x → . LIMITES INFINITOS Seja f uma função definida em todo número no intervalo aberto I contendo um valor a, exceto, possivelmente, no próprio a. Quando x se aproxima de a, f(x) cresce ou decresce ilimitadamente, o que pode ser escrito como ( ) ( ) ∞−=∞+= →→ xflimouxflim ax ax . Nestes casos diremos que temos “limites infinitos”. 9 Exemplos: a) Analisemos a situação x 1 lim 0x→ x → 0− f (x) x → 0+ f (x) -1 1 - 0,1 0,1 - 0,001 0,001 - 0,0001 0,0001 ____ x 1 lim 0x = −→ e ____ x 1 lim 0x = +→então ____ x 1 lim 0x = → Observações • Uma reta x = xoé chamada de assíntota vertical do gráfico de uma função f(x) se f(x) tende para ± ∞ quando x tende a xo. No exemplo acima x = 0 é uma assíntota vertical. • O símbolo ∞ não é um número, ele é utilizado para representar números muito grandes, ou pequenos quando precedido do sinal negativo. • Nas situações onde ∞±= → )x(flim 0xx diremos que a função não possui limite, ou seja, ∄ )x(flim 0xx→ . b) Determine o ( )22 2 5lim − → xx , e a assíntota vertical, caso existam. c) Determine o 1 32lim 1 − − → x x x , e a assíntota vertical, caso existam. LIMITES NO INFINITO Seja f uma função definida em todo número no intervalo ( )∞+∞− , . O limite de f(x), quando x cresce ou decresce ilimitadamente, é L e pode ser escrito como: ( ) ( ) LxflimouLxflim xx == ∞−→∞+→ Exemplos 1) 12 3lim − ∞→ xx Graficamente → 10 2) 5 2lim x x ∞→ 3) xxx 6 4lim 2 +∞→ 4) 12 3lim + ∞→ xx 5) 13lim − ∞−→ x x 6) Observe os gráficos da f(x) representados abaixo e determine, caso exista, os limites indicados a) = ∞−→ )x(flim x b) = ∞+→ )x(flim x c) = +→ )x(flim 2x d) = −→ )x(flim 2x d) Existe o limite da f(x) quando x tende a 2? Justifique. a) = ∞−→ )x(flim x b) = ∞+→ )x(flim x c) = −→ )x(flim 3x d) = +→ )x(flim 3x e) Existe o limite da f(x) quando x tende a 3? Justifique. AS “INDETERMINAÇÕES” 1 Em diversos Exemplos sobre o cálculo de limites nos defrontamos com situações desse tipo e "escapamos" delas através de manipulações algébricas. Não podemos esquecer que o limite do quociente é o quociente dos limites somente quando os limites do numerador e do denominador existem, sendo o do denominador diferente de zero. 1http://www.cepa.if.usp.br/e-calculo/ I) II) Uma expressão da forma do fato que se um limite é dessa forma, um... Casos de indeterminações: ∞- ∞;∞ Vejamos alguns Exemplos: a) 0 0 1 x x lim 0x = → x 1 lim x x lim 0x 2 0x →→ = que não existe b) ∞ ∞ 1 x x lim x = ∞→ Cálculo de limite envolvendo indeterminações No caso de indeterminações usamos alguns artifícios como: fatorar a função fracionária e simplificar; dividir os polinômios, etc. para retirá não do limite. Exemplos Resolvidos: I) 0 0 é denominada uma "indeterminação". Essa denomina do fato que se um limite é dessa forma, a priori, não sabemos qual é o resultado... Po ∞ . 0; 0 0 ; ∞ ∞ ; 00, ±∞1 ; 0∞ 2 x x2 lim 0x = → lim 0→ x x x não existe, pois +∞= +→ x 1 lim 0x e −∞= −→ x 1 lim 0x 2 x x2 lim x = ∞→ 0lim 3 = ∞→ x x x Cálculo de limite envolvendo indeterminações No caso de indeterminações usamos alguns artifícios como: fatorar a função fracionária e os polinômios, etc. para retirá-los e daí então concluirmos sobre II) 11 é denominada uma "indeterminação". Essa denominação advém , não sabemos qual é o resultado... Pode ser qualquer 0 2 == x x x No caso de indeterminações usamos alguns artifícios como: fatorar a função fracionária e los e daí então concluirmos sobre a existência ou 12 Exemplos: Determine, caso exista, os limites abaixo: a) x xx x 2 3lim 3 0 − → b) 4 16lim 2 4 + − −→ x x x c) 8 31lim 8 − −+ → x x x d) 12 82lim 22 −+ + → xx x x e) 52 33lim + − ∞→ x x x 13 Exemplos: a) 52 33lim + − ∞→ x x x b) 12 54lim 2 2 − +− ∞→ x xx x c) 15 52lim 3 2 − +− ∞−→ x xx x d) 14 632lim 2 3 − +− ∞→ x xx x Resolução de Exercícios – Lista 01 CONTINUIDADE DE FUNÇÕES Na linguagem quotidiana dizemos que o tempo é contínuo, uma vez que ele decorre de maneira interrupta. O tempo não salta, digamos, de 2 horas para 2 horas e 1 minuto da tarde, deixando um lapso de 1 minuto. Se a altitude inicial e 300 metros, o objeto passa por todas as altitudes entre 300 metros e 0 metro antes de atingir o solo. Em matemática usamos a expressão contínua em um sentido semelhante. Intuitivamente o gráfico de uma função pode ser descrito como uma curva contínua se não apresentar “quebras” ou “buracos”. Ou dizendo de outra forma, a noção de continuidade em Matemática é a que utilizamos no dia a dia, isto é, onde não há interrupção ou então, onde não existem partes separadas umas das outras. Continuidade de função em um número Definição: Dizemos que a função f é contínua no número “a” se e somente se as seguintes condições forem satisfeitas Um método prático para encontrar limites de funções racionais quando � → ±∞ Como o comportamento final de um polinômio coincide com o comportamento final se seu termo de maior grau, é razoável concluir que: O comportamento final de uma função racional coincide com o comportamento final do quociente do termo de maior grau do numerador dividido pelo termo de maior grau do denominador. 14 (i) f(a) existe (ii) ( )xflim ax→ existe (iii) ( )xflim ax→ = f(a) Se uma ou mais de uma dessas condições não forem verificadas em “a”, a função f será descontínua em “a”. 15 Exemplos Analise a continuidade no ponto indicado e represente graficamente nas proximidades do ponto. a) ( ) 42 −= xxf em x = 2 b) ( ) ≥ <+ = 1xse2 1xse1x xf em x = 1 c) ( ) = ≠− = 22 24 xsex xsex xf em x = 2 d) ( ) >+− ≤+ = 03 032 xsex xsex xf em x = 0 16 e) ( ) ≤ >− = 1 13 2 xsex xsex xf em x = 1 Algumas Aplicações A figura ao lado é um gráfico da voltagem versus tempo para um cabo subterrâneo que é acidentalmente cortado por uma equipe de trabalho no tempo t=t0. A voltagem caiu para zero quando a linha foi cortada. A figura abaixo é um gráfico de unidades de estoque versus tempo para uma companhia reabastecer com y1 unidades quando o estoque cai para y0 unidades. As descontinuidades ocorrem nos momentos em que acontece o reabastecimento. CONTINUIDADE DE FUNÇÃO EM UM INTERVALO DADO Definição 1) Se f for contínua em cada ponto do intervalo aberto (a,b), então diz-se que f é contínua em (a,b). 2) Se f for contínua no intervalo (a, b) e também for contínua à direita em a e à esquerda em b, diremos que f é contínua em[a, b]. (a) Contínua no intervalo (a, b) (b) Contínua à direita em a(x tente a a+) (c) Contínua à esquerda em b (x tente a b−) Uma função é contínua nos pontos extremos de um intervalo, se o valor no ponto extremo for igual ao limite lateral adequado naquele ponto. Tempos de reabastecimento 17 Exemplos 1) A função cujo gráfico é apresentado ao lado é contínua no ponto extremo à direita do intervalo [a,b] porque )b(f)x(flim bx = −→ , mas não é contínua no ponto extremo à esquerda porque )a(f)x(flim ax ≠ +→ Assim, fnão é contínua então no intervalo [a, b], mas pode-se dizer, que neste caso, é contínua no intervalo (a, b]. 2) Analise a função representada abaixo e verifique se ela é contínua nos intervalos dados a) [-1, ∞) b) (-∞, ∞) c) (3, ∞) d) [1, 4) e) [-1, 3] 3) Nos exercícios de 1-4 diga se a função traçada é contínua em [-1, 3]. Se não, onde ela deixa de ser contínua e por quê? Resolução de Exercícios – Lista 02 Exercícios complementares poderão ser obtidos no material de apoio do Portal e na Bibliografia Básica e Complementar expressa no Plano de Ensino, disponível na Biblioteca. Parte I 1) Observando o gráfico correspondente à função a) b) c) d) e) f(1) = 2 2) Determine os limites laterais de f(x) em = 4, para a função dada na figura abaixo: 3) Considere o gráfico de y = f(x) esboçado abaixo. Determine os limites solicit exista, determine os limites laterais. ercícios complementares poderão ser obtidos no material de apoio do Portal e na Bibliografia Básica e Complementar expressa no Plano de Ensino, disponível na Biblioteca. LISTA DE EXERCÍCIOS 1 1) Observando o gráfico correspondente à função f(x), assinale a única alternativa Determine os limites laterais de f(x) em x = 2 e x , para a função dada na figura abaixo: 3) Considere o gráfico de y = f(x) esboçado abaixo. Determine os limites solicit exista, determine os limites laterais. a) ( )xflim ax→ b) ( )xflim bx→ c) ( )xflim cx→ 18 ercícios complementares poderão ser obtidos no material de apoio do Portal e na Bibliografia Básica e Complementar expressa no Plano de Ensino, disponível na Biblioteca. ssinale a única alternativa incorreta: 3) Considere o gráfico de y = f(x) esboçado abaixo. Determine os limites solicitados. Caso algum não 4) Através do gráfico, determine o limite (se existir) de f(x) quando x tende ao valor indicado abaixo. I) _______)(lim 1 = − −→ xf x II) _______)(lim 1 = + −→ xf x III) _______)(lim 1 = −→ xf x IV) _______)(lim 3 = +→ xf x V) _______)(lim 3 = −→ xf x VI) _______)(lim 3 = → xf x b) o limite não existe, os limites laterais são: Parte II 1) Calcule os limites a seguir, caso existam. a) lim�→� �� � � � 7 b) lim�→� ������ c) lim�→� � ���!���� d) lim"→� "#�$�" �% 2) Calcule os limites laterais pela tendência. a) lim�→�� �#�&��� 3) Calcule o limite das funções abaixo, caso exista. a) lim�→� ��onde, �� = b) lim�→� ��onde, �� = 4) Através do gráfico, determine o limite (se existir) de f(x) quando x tende ao valor indicado abaixo. Resposta: 1) C 2) , , e logo 3) a) lim x limite não existe, os limites laterais são: ( ) 6xflim bx = −→ e lim x→ 4) I ) 5, II) 3, III) não existe, , IV) 5 V) 5, VI) 5. Calcule os limites a seguir, caso existam. R: a) -1 b) ¼ c) 8 Calcule os limites laterais pela tendência. b) lim�→�� �#���#�� Calcule o limite das funções abaixo, caso exista. � = ' � ( 2, +, � - 3�� � 1, +, � 0 3�. � = �4 � ��, +, � 2 12(��, +, � 3 1 �. 19 4) Através do gráfico, determine o limite (se existir) de f(x) quando x tende ao valor indicado abaixo. logo logo não existe. ( ) 3xflim ax = → ; ( ) 1xflim b = +→ c) ( ) 5xflim cx = → I ) 5, II) 3, III) não existe, , IV) 5 V) 5, VI) 5. d) -1/22 R: a) 6 b) -3/2 20 c) lim�→� ��onde, �� = 4�1, +, � 0 00, +, � = 01, +, � 3 0 �. Respostas: a)∄ lim�→� �� b) 3 c) )∄ lim�→� �� Parte II Calcule os limites, caso existam. 1) 52x 34xlim x + − ∞→ 2) 14x 5x2xlim 3 2 x − +− ∞−→ 3) 54x 43xlim 2 x + + ∞→ 4) 9x 4xlim 2 2 x − ∞→ 5) x x − ∞→ 3lim 6) 22 2lim 2 −+ − → x x x 7) 23x xlim 2 x +∞→ 8) 2xx 4x4xlim 2 2 2x −− +− → 9) xx xx x 44 12lim 2 2 1 − −+ → 10) 4x 6xxlim 2 2 2x − −+ → Respostas 1) 2 2) 0 3) ∞ ,ou seja, ∄ 678ite 4) 4 5) - ∞ , ou seja, ∄ 678ite 6) 4 7) ∞ ,ou seja, ∄ 678ite 8) 0 9) ∞ , ou seja, ∄ 678ite 10) 5/4 Cálculo I – Lista 2 A) Analise se as funções são contínuas nos pontos indicados. 1) 2 x 1)x(f = em x = 1 2) 9x 1 y 2 − = em x = 3 3) 3xem3xsex9 3xsex5)x(f = >− ≤+ = 4) 1xem 1xsex 1xsex2 )x(f 2 = ≤ >− = 21 B) Determine os pontos de descontinuidade da função abaixo e os intervalos onde elas são contínuas. C)Nos problemas a seguir: (a) trace o esboço do gráfico das funções dadas; (b) use a definição de continuidade e diga se a função é contínua em a. 1. f(x) = 3 39 35 = <− ≥+ a xsex xsex 2. f(x) = 0a 0xse1 0xse0 0xse1 = > = <− 3. f(x) = 1a 1xsex3 1xsex3 = >− ≤+ 4. f(x) = 1a 1xsex 1xsex2 2 = ≤ >− D) Observe o gráfico abaixo e responda: a) Determine se f(x) é contínua em A, B, C, D. b) Explique, caso não seja contínua, qual (quais) condições são violadas. E) Determine de é Verdadeiro ou Falso. Justifique sua escolha. a) ( ) a função que representa o número de habitantes de uma cidade em função do tempo é contínua em todos os pontos; b) ( ) a função que representa a altura de uma pessoa em função do tempo é contínua em todos os seus pontos. Respostas A) contínuas 1) e 4) Descontínuas 2) e 3) B) Descontínua em: x = -5; x = -3; x = -2; x = 1; x = 3 e x = 5 Contínua em: [-6, -5], (-5, -3), (-3, -2], (-2, 1), (1, 3), [3, 5] e (5, 7] C) 1. Descontínua em 3x = , pois não existe o ( )xflim 3x→ ; 2. Descontínua em 0x = , pois não existe o ( )xflim 0x→ ;3. Descontínua em 1x = , pois não existe o ( )xflim 1x→ ;4. Contínua em 1x = . D) a) contínua somente em A b) nos pontos B e D o valor da função no ponto difere do limite. No ponto C o limite não existe.E) a) F (quando nasce uma criança a função dá um pulo de uma unidade instantaneamente, não existe meio habitante); b)V (nos crescemos diariamente uma quantidade infinitamente pequena. Nossa altura não dá pulos)
Compartilhar