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Profª Lilian Brazile 1 Conceito intuitivo de Limites Dada uma função 𝑓: 𝐴 → ℝ, 𝐴 ⊂ ℝ, o seu gráfico cartesiano nos mostra como variam os valores de 𝑓(𝑥) (ordenada ou imagem), enquanto 𝑥 varia em 𝐴 ⊂ ℝ. O gráfico é um instrumento importante e nos permite identificar propriedades da função 𝑓. Com o estudo de limites encontramos mais recursos para conhecer o comportamento de funções e para a construção de gráficos. Exemplo: Seja 𝑓: ℝ → ℝ definida por 𝑓(𝑥) = 2𝑥 − 1, vamos analisar como são os valores (imagem) de 𝑓(𝑥), quando fazemos 𝑥 se aproximar, por exemplo, de 2. A aproximação de 𝑥 à 2, pode ser feita por uma sequência de valores menores que 2; dizemos à esquerda de dois e, por uma sequência de valores maiores que 2; dizemos à direita de 2. atribuindo valores menores que 2, cada vez mais próximos de 2 na 𝑓(𝑥), temos: 𝑥 1,8 1,95 1,99 1,999 𝑥 → 2− 𝑓(𝑥) 2,6 2,9 2,98 2,998 𝑓(𝑥) → 3 atribuindo valores maiores que 2, cada vez mais próximos de 2 na 𝑓(𝑥), temos: 𝑥 2,2 2,05 2,005 2,001 𝑥 → 2+ 𝑓(𝑥) 3,4 3,1 3,01 3,002 𝑓(𝑥) → 3 Fundamentos do Cálculo Integral e Diferencial 1 - Limites Profª Lilian Brazile Profª Lilian Brazile 2 As duas tabelas mostram que, quando 𝑥 tende a 2, a sequência de valores de 𝑓(𝑥) tende a 3 e, podemos encontrar valores da função muito muito próximos de 3, basta substituirmos valores para 𝑥 cada vez mais próximos de 2, portanto, o limite da função quando 𝑥 tende a 2 é 3, por substituição; nas tabelas provamos que os valores de 𝑓(𝑥) se aproximam de 3, então, podemos usar a seguinte notação: lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = 3 , pois os limites laterais lim 𝑥→2+ 𝑓(𝑥) = 3 e lim 𝑥→2− 𝑓(𝑥) = 3 são iguais, portanto existe o limite da função em determinado ponto se, e somente se, os limites laterais forem iguais nesse mesmo ponto. Definição de Limites Dizemos que 𝐿 ∈ ℝ é o limite da função 𝑓(𝑥) quando 𝑥 tende a 𝑥0 ∈ ℝ, se e somente se, o limite da função 𝑓(𝑥) quando 𝑥 tende a 𝑥0 pela esquerda for igual ao limite da função 𝑓(𝑥) quando 𝑥 tende a 𝑥0 pela direita e ambos iguais a 𝐿. Se lim 𝑥→𝑥0+ 𝑓(𝑥) = 𝑳 e lim 𝑥→𝑥0− 𝑓(𝑥) = 𝑳 então lim 𝑥→𝑥0 𝑓(𝑥) = 𝑳 É importante entende que para o cálculo do limite não interessa o que ocorre com a função no ponto 𝑥 = 𝑥0, mas com os valores da função nas “vizinhanças” de 𝑥 = 𝑥0. Exemplos: Profª Lilian Brazile 3 1) Calcule o lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) , sendo 𝑓(𝑥) = 𝑥2. Verificando os limites laterais: 𝑥 2,1 2,001 2,0001 𝑥 → 2+ 𝑓(𝑥) 4,41 4,004001 4,0004 𝑓(𝑥) → 4 𝑥 1,9 1,99 1,999 𝑥 → 2− 𝑓(𝑥) 3,61 3,9601 3,996001 𝑓(𝑥) → 4 Os limites laterais são iguais lim 𝑥→2+ 𝑥2 = lim 𝑥→2− 𝑥2 ∴ ∃ lim 𝑥→2 𝑥2, então temos: lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = lim 𝑥→2 𝑥2 = 22 = 4 Dizemos que 𝑓(𝑥) = 𝑥2 é contínua quando 𝑥 → 2, pois 𝑓(𝑥) = 𝑥2 𝑓(2) = 22 = 4 Sempre que ocorrer lim 𝑥⟶𝑥0 𝑓(𝑥) = 𝑓(𝑥0) dizemos que a função é contínua em 𝑥 = 𝑥0. lim 𝑥→2+ 𝑥2 = 4 lim 𝑥→2− 𝑥2 = 4 Profª Lilian Brazile 4 2) Representar graficamente a função ℎ(𝑥) = 𝑥 + 2 e calcular lim 𝑥→2 ℎ(𝑥). Verificando 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝒇(𝒙𝟎) 𝑓(𝑥) = 𝑥 + 2 𝑓(2) = 2 + 2 𝑓(2) = 4 lim 𝑥⟶2 ℎ(𝑥) = lim 𝑥→2 𝑥 + 2 = 2 + 2 = 4 Continuidade de Funções Uma função 𝑓(𝑥) é contínua no ponto 𝑥 = 𝑥0 se, e somente se, o limite da função 𝑓(𝑥) quando 𝑥 tende a 𝑥0 é igual ao valor da função nesse ponto, ou seja: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝒇(𝒙𝟎) . Para que uma função 𝑓(𝑥) seja contínua em 𝑥 = 𝑥0, é necessário que exista o limite da função definida em um ponto. 𝑥 ℎ(𝑥) 0 2 1 3 2 4 3 5 Profª Lilian Brazile 5 A expressão “no ponto 𝑥 = 𝑥0” quer dizer “no ponto do gráfico de abscissa (valor da variável 𝑥) igual a 𝑥0”. De modo geral, o gráfico de uma função contínua em um intervalo real é representado por uma curva que não apresenta ponto de descontinuidade, isto é, não possui saltos e nem furos. Exemplos gráficos: Função Contínua Função Descontínua Função Descontínua em 𝑥 = 0 (Salto) em 𝑥 = 3 (Furo) Exemplos: 1) lim 𝑥⟶3 𝑥 + 1 = 3 + 1 = 4 2) lim 𝑥⟶1 (2𝑥 + 5) = 2 · 1 + 5 = 2 + 5 = 7 3) lim 𝑥→−3 2𝑥 + 4 = lim 𝑥→−3 2𝑥 + lim 𝑥→−3 4 = 2(−3) + 4 = −6 + 4 = −2 4) lim 𝑥→2 4𝑥2 + 3𝑥 − 1 = lim 𝑥→2 4𝑥2 + lim 𝑥→2 3𝑥 − lim 𝑥→2 1 = 4 · 22 + 3 · 2 − 1 = 4 · 4 + 6 − 1 = 16 + 5 = 21 5) lim 𝑥→2 (𝑥 + 3) · (𝑥 − 5) = lim 𝑥→2 (𝑥 + 3) · lim 𝑥→2 (𝑥 − 5) = (2 + 3) · (2 − 5) = 5 · (−3) = −15 Profª Lilian Brazile 6 6) lim 𝑥→−2 3𝑥+2 𝑥+1 = lim 𝑥→−2 3𝑥+2 lim 𝑥→−2 𝑥+1 = 3(−2)+2 −2+1 = −6+2 −1 = −4 −1 = +4 7) lim 𝑥→1 2𝑥3+4 𝑥+2 = lim 𝑥→1 2𝑥3+4 lim 𝑥→1 𝑥+2 = 2·13+4 1+2 = 2·1+4 3 = 2+4 3 = 6 3 = 2 Descontinuidade de Funções 1) Calcular o lim 𝑥→1 √𝑥 − 1 𝑥−1 . Verificando os limites laterais: 𝑥 0,9 0,999 ... 𝑥 → 1− 𝑓(𝑥) 0,513167 0,5001250 ... 𝑓(𝑥) → 0,5 𝑥 1,9 1,99 ... 𝑥 → 1+ 𝑓(𝑥) 3,61 3,9601 ... 𝑓(𝑥) → 0,5 Os limites laterais são iguais lim 𝑥→1− 𝑓(𝑥) = lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) ∴ ∃ lim 𝑥→1 𝑓(𝑥). Verificando 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝒇(𝒙𝟎) : 𝑓(𝑥) = √𝑥 − 1 𝑥 − 1 𝑓(1) = √𝑥 − 1 𝑥 − 1 𝑓(1) = √1 − 1 1 − 1 = [ 0 0 ] lim 𝑥→1− 𝑓(𝑥) = 1 2 lim 𝑥→1+ 𝑓(𝑥) = 1 2 Profª Lilian Brazile 7 Logo, lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = lim 𝑥→1 √ 𝑥 − 1 𝑥−1 = √1 − 1 1−1 = [ 0 0 ] ∴ ∄ o valor da função para x=1; a função não é definida para x=1. [ 0 0 ] é uma indeterminação, sem significado como resultado de uma divisão. As tabelas mostram que os limites laterais são iguais, mas como não ocorre o lim 𝑥→1 𝑓(𝑥) = 𝑓(1), dizemos que a função 𝑓(𝑥) = √ 𝑥 − 1 𝑥−1 , não é contínua em 𝑥 = 1, então calculamos da seguinte maneira: procura-se fatorar o numerador e o denominador e também, se necessário, simplificar para eliminar os fatores iguais. lim 𝑥→1 √𝑥 − 1 𝑥 − 1 = lim 𝑥→1 √𝑥 − 1 𝑥 − 1 (√𝑥 + 1) (√𝑥 + 1) = lim 𝑥→1 𝑥 + √𝑥 − √𝑥 − 1 (𝑥 − 1) (√𝑥 + 1) = = lim 𝑥→1 𝑥 − 1 (𝑥 − 1) (√𝑥 + 1) = lim 𝑥→1 1 √𝑥 + 1 = 1 1 + 1 = 1 2 ∴ lim 𝑥→1 √𝑥 − 1 𝑥 − 1 = 1 2 Quando os limites laterais são diferentes, ∄ lim 𝑥→𝑥0 𝑓(𝑥) O cálculo do Limite de uma função é calcular seu valor numérico no ponto considerado, caso não ocorra como resultado um número real, o cálculo do limite, quando existir, pode ser calculado com a aplicação de alguma “técnica” matemática, como por exemplo, fatoração, racionalização, divisão de polinômios etc. Profª Lilian Brazile 8 2) Representar graficamente a função 𝑔(𝑥) = 𝑥2−4 𝑥−2 e calcular lim 𝑥→2 𝑔(𝑥). Analisando o domínio da função, 𝑥 − 2 tem que ser diferente de zero, ou seja,𝑥 = 2 não pertence a função 𝑔(𝑥). Assim, temos: 𝑔(𝑥) = 𝑥2 − 4 𝑥 − 2 = (𝑥 + 2)(𝑥 − 2) (𝑥 − 2) = 𝑥 + 2 com 𝒙 ≠ 𝟐 lim 𝑥⟶2 𝑔(𝑥) = lim 𝑥→2 𝑥 + 2 = 2 + 2 = 4 Neste exemplo notamos que a função 𝑔(𝑥) não é definida em 𝑥 = 2, mas existe lim 𝑥⟶2 𝑔(𝑥). Observação: Dos exemplos 2 e 3 podemos concluir: lim 𝑥→2 𝑥2 − 4 𝑥 − 2 = lim 𝑥→2 (𝑥 + 2)(𝑥 − 2) (𝑥 − 2) = lim 𝑥→2 𝑥 + 2 = 4 𝑥 𝑔(𝑥) 0 2 1 3 2 4 3 5 Profª Lilian Brazile 9 3) Dada a função 𝑓(𝑥) = 𝑥3+𝑥2−12𝑥 𝑥2−3𝑥 , determinar lim 𝑥→2 𝑓(𝑥), lim 𝑥→0 𝑓(𝑥) e lim 𝑥→3 𝑓(𝑥). Inicialmente vamos simplificar a fração: 𝑓(𝑥) = 𝑥3 + 𝑥2 − 12𝑥 𝑥2 − 3𝑥 = 𝑥(𝑥2 + 𝑥 − 12) 𝑥(𝑥 − 3) = 𝑥(𝑥 − 3)(𝑥 + 4) 𝑥(𝑥 − 3) = 𝑥 + 4 Observação: A forma fatorada da expressão 𝑥2 + 𝑥 − 12 vem da resolução da equação: 𝑥2 + 𝑥 − 12 = 0 { 𝑎 = +1 𝑏 = +1 𝑐 = −12 ∆= 𝑏2 − 4𝑎𝑐 ∆= +1 + 48 ∆= +49 49 7 1 | 7 7 𝑥 = −𝑏 ± √∆ 2𝑎 = −1 ± √+49 2 = −1 ± 7 2 ⟹ { 𝑥1 = −1 + 7 2 = +6 2 = +3 𝑥2 = −1 − 7 2 = −8 2 = −4 Forma fatorada de uma equação do 2º grau: 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 = 𝑎(𝑥 − 𝑥1)(𝑥 − 𝑥2) 𝑥2 + 𝑥 − 12 = 1. (𝑥 − 3)(𝑥 − (−4)) = (𝑥 − 3)(𝑥 + 4) Assim, temos: lim 𝑥→2 𝑓(𝑥) = lim 𝑥→2 𝑥3 + 𝑥2 − 12𝑥 𝑥2 − 3𝑥 = lim 𝑥→2 𝑥 + 4 = 2 + 4 = 6 lim 𝑥→0 𝑓(𝑥) = lim 𝑥→0 𝑥3 + 𝑥2 − 12𝑥 𝑥2 − 3𝑥 = lim 𝑥→0 𝑥 + 4 = 0 + 4 = 4 lim 𝑥→3 𝑓(𝑥) = lim 𝑥→3 𝑥3 + 𝑥2 − 12𝑥 𝑥2 − 3𝑥 = lim 𝑥→3 𝑥 + 4 = 3 + 4 = 7 Profª Lilian Brazile 10 Propriedades dos Limites Se existir o limite de uma função então esse limite é único, isto é, se 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝑳𝟏 e 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝑳𝟐 então 𝑳𝟏 = 𝑳𝟐 . Se 𝒇(𝒙) = 𝒌 ∈ ℝ (constante) então 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒌 = 𝒌 . Se 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝑳𝟏 e 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒈(𝒙) = 𝑳𝟐 então: 1) O limite da soma de duas funções é a soma dos limites dessas funções: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 [𝒇(𝒙) + 𝒈(𝒙)] = 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) + 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒈(𝒙) = 𝑳𝟏 + 𝑳𝟐 2) O limite da diferença de duas funções é a diferença dos limites dessas funções: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 [𝒇(𝒙) − 𝒈(𝒙)] = 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) − 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒈(𝒙) = 𝑳𝟏 − 𝑳𝟐 3) O limite do produto de duas funções é o produto dos limites dessas funções: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 [𝒇(𝒙). 𝒈(𝒙)] = 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) . 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒈(𝒙) = 𝑳𝟏. 𝑳𝟐 4) O limite do quociente de duas funções é o quociente dos limites dessas funções: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 [ 𝒇(𝒙) 𝒈(𝒙) ] = 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒈(𝒙) = 𝑳𝟏 𝑳𝟐 Se 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝑳 então 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 [𝒇(𝒙)]𝒏 = [ 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙)] 𝒏 = 𝑳𝒏 , para 𝑛 inteiro positivo. Profª Lilian Brazile 11 Se 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝑳 então 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 √𝒇(𝒙) 𝒏 = √ 𝐥𝐢𝐦𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙)𝒏 = √𝑳 𝒏 , observadas as condições de existência para raízes de índice par (𝐿 ≥ 0). Se 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙) = 𝑳 > 0 então: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝐥𝐨𝐠𝒃[𝒇(𝒙)] = 𝐥𝐨𝐠𝒃 [ 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝒙𝟎 𝒇(𝒙)] = 𝐥𝐨𝐠𝒃 𝑳 , 𝒃 > 0 e 𝒃 ≠ 𝟏. Limite Trigonométrico Fundamental: 𝐥𝐢𝐦 𝒙⟶𝟎 𝒔𝒆𝒏 𝒙 𝒙 = 𝟏 Exemplos: 1) lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 𝑥 4𝑥 = lim 𝑥⟶0 1 4 . 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 = 1 4 . 1 = 1 4 2) lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 3𝑥 𝑠𝑒𝑛 5𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 3𝑥 𝑥 𝑠𝑒𝑛 5𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 3 3 5 5 . 𝑠𝑒𝑛 3𝑥 𝑥 𝑠𝑒𝑛 5𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 3 . 𝑠𝑒𝑛 3𝑥 3𝑥 5 . 𝑠𝑒𝑛 5𝑥 5𝑥 = 3 . 1 5 . 1 = 3 5 3) lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 6𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 6𝑥 𝑥 . 6 6 = lim 𝑥⟶0 6 . 𝑠𝑒𝑛 6𝑥 6𝑥 = 6.1 = 6 4) lim 𝑥⟶0 𝑐𝑜𝑠 𝑥 − 1 𝑥2 = lim 𝑥⟶0 (cos 𝑥 − 1) 𝑥2 . (cos 𝑥+ 1) (cos 𝑥+ 1) = lim 𝑥⟶0 𝑐𝑜𝑠2 𝑥 − 12 𝑥2(cos 𝑥+ 1) = lim 𝑥⟶0 𝑐𝑜𝑠2 𝑥 − 1 𝑥2(cos 𝑥+ 1) = = lim 𝑥⟶0 – 𝑠𝑒𝑛2 𝑥 𝑥2(cos 𝑥 + 1) = lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛2 𝑥 𝑥2 . −1 (cos 𝑥 + 1) = 1. −1 𝑐𝑜𝑠 0 + 1 = 1. −1 1 + 1 = 1 . −1 2 = − 1 2 5) lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 1 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 = 1 1 = 1 Profª Lilian Brazile 12 6) lim 𝑥⟶0 𝑡𝑔 𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑐𝑜𝑠 𝑥 . 1 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 . 1 𝑐𝑜𝑠 𝑥 = 1. 1 𝑐𝑜𝑠 0 = 1. 1 1 = 1 7) lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑡𝑔 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑥 𝑡𝑔 𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 1 𝑡𝑔 𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑡𝑔 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑐𝑜𝑠 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑥 . 𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑠𝑒𝑛𝑥 = = lim 𝑥⟶0 𝑥 𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 = lim 𝑥⟶0 𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠 0 1 = 1 1 = 1 Profª Lilian Brazile 13 EXERCÍCIO 1) Calcule o limite das funções abaixo: a) lim 𝑥→2 (𝑥 + 1) b) lim 𝑥→ 𝜋 2 𝑠𝑒𝑛 𝑥 c) lim 𝑥→2 ( 𝑥 3 + 1) d) lim 𝑥→0 𝑒𝑥 e) lim 𝑥→3 𝑥2+3𝑥 𝑥+1 f) lim 𝑥→2 𝑥−2 3 g) lim 𝑥→10 4 h) lim 𝑥→3 𝑥2−9 𝑥−3 i) lim 𝑥→−5 𝑥2+5𝑥 𝑥+5 j) lim 𝑥→8 √𝑥+1−3 𝑥−8 k) lim 𝑥→2 1 𝑥 − 1 2 𝑥2−4 l) lim 𝑥→3 𝑥2−6𝑥+9 𝑥−3 m) lim 𝑥→0 𝑥3+𝑥2+2𝑥 𝑥3+3𝑥 Respostas: a) 3 b) 1 c) 5 3 d) 1 e) 9 2 f) 0 g) 4 h) 6 i) -5 j) 1 6 k) − 1 16 l) 0 m) 2 3
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