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Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 0 UNIP UNIDADE UNIVERSITÁRIA DE SOROCABA ENGENHARIA MECATRÔNICA / ELÉTRICA-1ºANO CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL DE UMA VARIÁVEL (CÁLCULO I) ALUNO:_______________________________ RA.:___________ TURMA:______________________________ SALA:__________ PROF. MACHADO AGOSTO/2010 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 1 INDICE 1. Sistema Cartesiano Ortogonal....................................................................................02 2. Variáveis e Constantes...............................................................................................02 3. Funções......................................................................................................................03 3.1. Função Constante...............................................................................................03 3.2. Função Afim.........................................................................................................04 3.3. Equação da reta que “passa” por um ponto dado...............................................05 3.4. Função Quadrática..............................................................................................06 3.5. Exercícios de Funções........................................................................................07 3.6. Funções Trigonométricas....................................................................................11 3.6.1. Função Seno.............................................................................................11 3.6.2. Função Co-seno........................................................................................12 3.6.3. Função Tangente.......................................................................................13 3.6.4. Função Co-tangente, Secante e Co-secante............................................13 3.6.5. Exercícios propostos de trigonometria......................................................13 3.7. Função Exponencial............................................................................................14 3.8. Logaritmo.............................................................................................................15 3.9. Função Logaritmo................................................................................................16 4. Derivadas....................................................................................................................17 4.1. Taxa de variação.................................................................................................17 4.2. Noções intuitiva de Derivada...............................................................................18 4.3. A Derivada como Velocidade..............................................................................21 4.4. Regras de Derivação...........................................................................................23 4.5. Exercícios resolvidos...........................................................................................24 4.6. Exercícios propostos...........................................................................................25 4.7. Regra da Cadeia..................................................................................................26 4.8. Derivada Implícita................................................................................................27 4.9. Exercícios propostos...........................................................................................28 5. Noções de Integração.................................................................................................30 5.1. Integral Indefinida................................................................................................30 5.2. Regras de Integração..........................................................................................30 5.3. Exercícios Resolvidos..........................................................................................31 5.4. Exercícios Propostos...........................................................................................32 5.5. Método da Substituição.......................................................................................32 5.6. Exercícios Resolvidos..........................................................................................33 5.7. Método da Integração por Partes........................................................................34 5.8. Tabela de Integrais imediatas..............................................................................36 5.9. Integrais Definidas...............................................................................................36 5.10. Propriedades da Integral Definida.....................................................................38 5.11. Exercícios Resolvidos........................................................................................39 5.12. Exercícios Propostos.........................................................................................40 5.13. Exercícios Gerais de Integral.............................................................................41 5.14. Exercícios Resolvidos........................................................................................43 6. Gabarito dos Exercícios Propostos (livro indicado pela Unip)....................................48 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 2 SISTEMA CARTESIANO ORTOGONAL* 1. Coordenadas cartesianas ortogonais Seja αααα o plano determinado por dois eixos Ox e Oy perpendiculares em O. Considere um ponto P qualquer do plano, e conduza por ele as paralelas aos eixos, que interceptarão Ox e Oy respectivamente em P1 e P2. Escolhida uma unidade de medida (geralmente a mesma sobre os dois eixos), adota- se a seguinte nomenclatura: a) Abscissa de P é o número real xP = OP1 ; b) Ordenada de P é o número real yP = OP2 ; c) Coordenadas de P são os números reais xP e yP indicados na forma de um par ordenado (xP ; yP); d) O eixo dos x ou Ox será chamado eixo das abscissas; e) O eixo dos y ou Oy será chamado eixo das ordenadas; f) O plano formado pelo par de eixos Oy e Ox será chamado plano cartesiano; g) O sistema de eixos formados por Oy e Ox é chamado sistema cartesiano ortogonal (ou ortonormal ou retangular); h) O ponto O é chamado de origem do sistema cartesiano ortogonal. y xP (abscissa de P) P(x ; y) P2 yP (ordenada de P) O P1 x αααα NOTA: Os eixos coordenados Oy e Ox dividem o plano cartesiano em quatro regiões angulares que são denominadasquadrantes: y 2º quadrante 1º quadrante (- ; +) (+ ; +) O x 3º quadrante 4º quadrante (- ; -) (+ ; -) • * A palavra “cartesiano” refere-se ao nome do criador da Geometria Analítica, René Descartes, o qual assinava as obras escrevendo seu nome em latim: Cartesius. A palavra “ortogonal” é utilizada aqui pelo fato de os eixos OX e OY formarem ângulo reto. Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 3 Representar no sistema de eixos cartesianos ortogonais os pontos: A(4 ; 3) , B(−1; 3) , C(−3 ; −4) , D(4 ; −2) , E(2 ; 0) , F(0 ; 4) y VARIÁVEIS E CONSTANTES A grande finalidade dos números é sua utilização no sistema de medidas das grandezas do mundo real. Uma constante é uma quantidade cujo valor permanece invariável num problema particular, como por exemplo: altitude de uma região, temperatura em que a água ferve, etc. Uma variável é uma quantidade que assume diversos valores num determinado problema particular, como por exemplo: temperatura ambiente, uma distância percorrida, etc. A matemática trabalha basicamente com variáveis e constantes. As variáveis ou quantidades que mudam na realidade ou nas nossas simulações são em geral representadas pelas últimas letras do alfabeto: x, y, z, .... . As constantes são em geral representadas pelas primeiras letras do alfabeto: a, b, c, ..... Existem dois tipos de constantes: a) constantes absolutas que sempre têm o mesmo valor: números ou símbolos denotando números (ex. temperatura em que a água ferve, valor de π, etc.); b) constantes paramétricas que têm o mesmo valor em cada problema dado, mas podem ter valores diferentes em problemas diferentes. Tais quantidades dependem da situação particular representada no problema. Exemplo: 1) Na equação da área de um círculo, A = ππππr2 temos que: ππππ é uma constante numérica (aproximadamente igual a 3,1416); A e r são variáveis . 2) Na equação segmentaria da reta 1 b y a x =+ , temos: 1 é constante numérica; a e b são parâmetros; x e y são variáveis NOTA: Na matemática aplicada freqüentemente convenciona-se representar uma variável pela primeira letra do seu nome – por exemplo: p para preço, q para quantidade, c para custo, d para demanda, o para oferta, r para receita e assim por diante. x Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 4 FUNÇÕES 1. Definição – dizemos que uma relação f de um conjunto A em um conjunto B, não vazios, é uma função de A em B, se e somente se, cada elemento (x) de A se relaciona com um único elemento (y) de B. Essa relação é denotada por y = f(x). Notação: f : A B x y = f(x) NOTA: x é denominado de variável independente e y de variável dependente, ou seja, o valor de y depende do valor de x que geralmente é expresso por uma lei de formação ou lei de dependência, por exemplo: y = 2.x + 3 2. Domínio – o conjunto A é denominado de domínio da função , indicado por D(f) e representa os valores que a variável independente x pode assumir; 3. Contradomínio – o conjunto B é denominado contradomínio da função, indicado por CD(f) e representa os valores da variável y; 4. Imagem – o conjunto imagem da função é o conjunto de valores que a variável dependente y pode assumir para cada x correspondente. A B A é o domínio ou seja, conjunto de partida B é o contradomínio– conjunto de chegada x f y Conjunto Imagem da função : Im (f) y é a imagem do domínio x Im(f) = { y ∈ B | ∃ x ∈ A com y = f(x) } Observações: 1. Uma função definida em valores reais f: A B , A e B são subconjuntos reais; 2. Por simplificação, deixamos muitas vezes de explicitar o domínio e o contradomínio da função f, falando apenas da lei y = f(x). Neste caso, fica implícito que o contradomínio é real e o domínio o “maior” subconjunto dos reais para o qual a função está definida (ou seja, para que faça sentido a lei); 3. Algumas funções que comumente são usadas na matemática e por serem utilizadas muitas vezes em operações na própria matemática ou nas aplicações de fenômenos físicos, químicos ou biológicos, ou na área econômica, são denominadas funções elementares. No estudo de tais funções, necessitamos sempre de informações, tais como: Domínio, Imagem, Raízes, gráficos e suas principais propriedades. I. FUNÇÃO CONSTANTE 1. Definição – f: R R é uma função constante se para cada x ∈ D(f) existe um único y tal que f(x) = k ou y = k, k é uma constante real f: R R x y = k 2. O gráfico da função constante é uma reta paralela ao eixo Ox pelo ponto (o ; k) y k (0; k) Im(f) = { k } ⊡ x Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 5 II. FUNÇÃO AFIM (ou função polinomial do 1º grau) 1. Definição – denomina-se função afim a função f: R R x y = ax + b , com a ≠ 0 2. Gráfico – o gráfico da função afim é uma reta (não vertical)de coeficiente angular a e coeficiente linear b, ou seja, a reta que “passa” pelos pontos (0 ; b) e (−b/a ; 0). Para a > 0 Para a < 0 y y (0 ; b) −b/a b (−b/a ; 0) x b (−b/a ; 0) (0 ; b) −b/a x Nota: o ponto onde a reta “corta“ o eixo x recebe o nome de raiz da função e é obtido fazendo y = o Temos: y = ax + b se y = 0 ax + b = 0 ax = − b x = − b/a que é a raiz ou zero da função se x = 0 y = 0.x+ b y = b, ou seja, b corresponde ao valor de y onde a reta “corta” o eixo dos y . 3. Inclinação A inclinação da reta é o ângulo “convexo”α entre o eixo x e a reta r, sempre medido de x para r no sentido anti-horário. As únicas situações possíveis são: Reta Horizontal Reta “Crescente” Reta Vertical Reta “Decrescente” y y y y r r r r α α α x x x x αααα = 0º 0º < αααα < 90º αααα = 90º 90º < αααα < 180º 4. Coeficiente angular da reta O coeficiente angular, ou declividade da reta r, não vertical, é a tangente trigonométrica do ângulo α, ou seja, a = tg αααα NOTA: Alguns autores denotam a função do 1º grau por y = mx + n, neste caso: m = tg αααα ● ● ● ● ⊡ ⊡ (f é estritamente crescente) (f é estritamente decrescente) Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 6 y P y ∆y = y – n (0 ; n) ∆x α 0 x x A partir do ponto (0 ; n), para uma variação ∆x de x haverá uma correspondente variação ∆y de y. No triângulo retângulo do gráfico acima temos que: tg α = x n y x y − = ∆ ∆ x . tg α = y – n y = tg α . x + n m Portanto, m = tg αααα 4.1. Como obter o coeficiente angular “m” sendo dados dois pontos: y r P2 y2 y2 – y1 P1 y1 x2 – x1 x1 x2 x Seja r uma reta, não vertical, e sejam P1(x1 ; y1) e P2(x2 ; y2) dois pontos distintos de r. No triângulo retângulo da figura, temos: tg α = 12 12 x x y y − − m = 12 12 x x y y − − 5. Equação da reta que passa por um ponto Po(xo ; yo) Se Q(x ; y) é qualquer outro ponto da reta (isto é, um ponto genérico), então pode ser usado, juntamente com o ponto Po(xo ; xo) para determinar o coeficiente angular ou declividade da reta: m = o o xx y y − − e, como a declividade é constante, podemos escrever: y – yo = m . (x – xo) α αααα • ● ● • α Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 7 III. FUNÇÃO QUADRÁTICA (ou polinomial do 2º grau) 1. Definição – denomina-se função quadrática ou função polinomial do 2º grau a função f : R R x y = ax2 + bx + c , com a ≠ 0 Ex.: y = x2 – 5x + 6 ; f(x) = – x2 – 4 ; y = 2x2 ; etc. 2. Gráfico – o gráfico da função polinomial do 2º grau é uma parábola nas seguintes condições: ∆ > 0 ∆ = 0 ∆ < 0 y y y a > 0 x1 x2 x x1 = x2 x x x1 ≠ x2 x ∈∃ R y y x1 = x2 y x ∈∃ R x x a < 0 x x1 ≠ x2 Os pontos onde o gráfico intercepta os eixos cartesianos Ox e Oy, denominam-se interceptos. No eixo x temos os interceptos (x1 ; 0) e (x2 ; 0) e, no eixo y, o intercepto (0 ; c). ∆∆∆∆ = b2 – 4ac é o discriminante (determina o nº de raízes reais da função). As raízes ou zeros da função polinomial do 2º grau são obtidas através da fórmula de Báscara : x = 2a b ∆±− NOTA 1: Se ∆∆∆∆ > 0, a função tem duas raízes reais e distintas: x1 = 2a b ∆+− e x2 = 2a b ∆−− , podemos escrever: f(x) = a . (x – x1) . (x – x2) NOTA 2: Se ∆∆∆∆ = 0, a função tem uma única raiz real de multiplicidade 2: x1 = x2 = 2a b − , neste caso, podemos escrever: f(x) = a . (x – x1) 2 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 8 y a > 0 y a < 0 NOTA 3 : yV V(xV ; yV) xV xV x x yV V (xV ; yV) eixo de simetria As coordenadas do vértice da parábola são : xV = 2a b − e yV = 4a ∆− , logo: V = ∆−− a4 ; a2 b OBSERVAÇÃO: 1. Se a > 0 , V é ponto de mínimo (ou minimante) da função. A imagem da função neste caso, será: Im(f) = ∞+ ∆− ; 4a 2. Se a < 0 , V é ponto de máximo (ou maximante) da função. A imagem da função nestecaso, será: Im(f) = ∆−∞− 4a ; EXERCÍCIOS GERAIS DE FUNÇÃO 1. Se (a + 2b, a – 4) e (2 – a, 2b) representam o mesmo ponto do plano cartesiano, determine o valor de ab. 2. Sejam os conjuntos A = {1; 2; 3} e B = {0; 1; 3; 5}. Represente num diagrama de flechas as seguintes relações binárias de A em B: a. f = { (x; y) ∈ A x B | y = x + 2}; b. g = { (x; y) ∈ A x B | y > x}; c. h = { (x; y) ∈ A x B | y = 2x – 1} 3. Sendo A = {0; 2; 4} e B = {1; 3; 5}, represente no gráfico cartesiano de A x B a relação y = x + 1, com x ∈ A e y ∈ B. 4. Represente graficamente a função f: R R, definida por y = x + 1. 5. Quais dos seguintes diagramas definem uma função de A ={a, b, c, d} em B = {x, y,z,w} A B A B A B A B A B (I) (II) (III) (IV) (V) a) II, III e IV b) I e IV c) IV e V d) I, III e V e) I, IV e V a b c d x y z w a b c d x y z w a b c d x y z w a b c d x y z w a b c d x y z w ● (Concavidade para cima) ● (Concavidade para baixo) Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 9 6. “Quando uma máquina tem t anos de idade, seu valor de revenda é de: v(t) = 4800 . e-t/5 + 400 reais.” Qual era o preço, em reais, da máquina nova? 7. Considere as funções f(x) = 3x – 5, g(x) = 3x2 + 2x – 4, h(x) = x – x2 e o número real A = −÷ h(2) 1)g(f(0) . Determine o valor de 5 . A 1− 8. O preço a ser pago por uma corrida de táxi inclui uma parcela fixa, denominada bandei- rada, e uma parcela que depende da distância percorrida. Se a bandeirada custa R$ 3,44 e cada quilômetro rodado custa R$ 0,86, calcule: a) o preço de uma corrida de 11 km; b) a distância percorrida por um passageiro que pagou R$ 21,50 pela corrida. Solução: Seja P(x) o preço, em reais, a ser pago por uma corrida de x km. De acordo com o enunciado, temos: P(x) = 3,44 + 0,86 . x a) Para x = 11 P(11) = 3,44 + 0,86 . 11 = 3,44 + 9,46 P(11) = R$ 12,90 b) Para P(x) = 21,50, teremos: 3,44 + 0,86 . x = 21,50 0,86x = 18,06 x = 21 km 9. O diagrama abaixo representa uma função f de A em B. Determine o domínio e a imagem dessa função. A B f D(f) = Im(f) = 10. Determine o domínio das funções: a) y = 4 2 −x b) f(x) = 5−x c) y = 4 2 2 −x d) f(x) = (2x – 6) ...333,0 e) y = 5 5 −x f) f(x) = 3 2 − − x x g) y = 44 2 2 +− − xx x h) f(x) = 3 2 − − x x i) y = 3 2 − − x x 11. Qual dos gráficos seguintes representa uma função f de R *+ em R ? R R R a) b) c) R R R 0 1 2 3 2 4 10 0 9 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 10 R R d) e) R R 12. O gráfico de f(x) = x2 + bx + c, em que b e c são constantes, passa pelos pontos (0; 0) e (1; 2). Determine a imagem do domínio x = −2/3 13. Seja f: R R a função definida por f(x) = 2x – 4. Construa o gráfico de f e complete as sentenças abaixo: a) O conjunto solução da equação f(x) = 0 ou 2x – 4 = 0 é S = { } b) O conjunto solução de f(x) > 0 ou 2x – 4 > 0 é S = { } c) O conjunto solução de f(x) < 0 ou 2x – 4 < 0 é S = { } 14. Seja g: R R a função definida por g(x) = – x + 3. Construa o gráfico de g e complete as sentenças abaixo: a) O conjunto solução da equação g(x) = 0 ou – x + 3 = 0 é S = { } b) O conjunto solução de g(x) > 0 ou – x + 3 > 0 é S = { } c) O conjunto solução de g(x) < 0 ou – x + 3 < 0 é S = { } 15. A função f, do 1º grau, é definida por f(x) = 3x + k. Determine: a) O valor de k para que o gráfico de f “corte” o eixo das ordenadas no ponto de ordenada 5; b) O ponto em que o gráfico de f “corta” o eixo das abscissas. 16. Determine a função polinomial do 1º grau que contém os pontos (1; 3) e (3; 7) 17. Esboce o gráfico da função f :R R definida por f(x) = x2 – 4x + 3 e determine o conjunto solução das inequações abaixo: a) x2 – 4x + 3 > 0 b) x2 – 4x + 3 ≥ 0 c) x2 – 4x + 3 < 0 d) x2 – 4x + 3 ≤ 0 18. Esboce o gráfico da função f :R R definida por f(x) = x2 – 4x + 4 e determine o conjunto solução das inequações abaixo: a) x2 – 4x + 4 > 0 b) x2 – 4x + 4 ≥ 0 c) x2 – 4x + 4 < 0 d) x2 – 4x + 4 ≤ 0 19. Um homem-bala é lançado de um canhão e sua trajetória descreve uma parábola. Considerando que no instante de lançamento (t = 0) ele está a 3 metros do solo, 1 segundo após ele atinge a altura de 4 metros e 3 segundos após o lançamento ele atinge o solo, pede-se: a) A altura h do homem-bala, medida em metros e a partir do chão, em função do tempo t, medido em segundos; Resp.: h(t) = − t2 + 2t + 3 b) O valor de h para t = 2. Resp.: 3 metros Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 11 20. Determine o vértice da parábola de função y = 4 1 (x + 4) (x – 8) 21. Obtenha o vértice e o conjunto-imagem da função f : R R definida por f(x) = x2 – 6x + 5 22. Determine o conjunto-imagem da função f : R R definida por f(x) = −x2 + 8x – 12. 23. Esboçar o gráfico e obter o conjunto-imagem da função f : [−1; 4] R definida por f(x) = x2 – 2x – 3. 24. Esboce o gráfico da função f : [0; 5] R definida por f(x) = x2 – 4x + 3. Ache o máximo e o mínimo de f. 25. Nas funções polinomiais do 2º grau abaixo, determine os interceptos e construa o seu gráfico: a) f(x) = x2 – 2x b) f(x) = x2 – 4 c) y = – x2 + 2x + 3 d) y = x2 – 6x + 8 26. Uma indústria produz óculos de sol pelo preço de R$ 20,00 cada. Calcula-se que se cada óculos for vendido por p reais, os consumidores comprarão 120 – p unidades. a) expresse o lucro L(p) da indústria em função do preço de venda; b) esboçar o gráfico; c) calcular o preço para o qual o lucro será máximo Resolução: a)O lucro é expresso pelo produto : (preço vendido – custo de fabricação) . (unidades vendidas) , ou seja: L(p) = (p – 20) . (120 – p) L(p) = – p2 + 140 p – 2400 b) As raízes ou zeros da função são dadas por – p2 + 140 p – 2400 = 0 ou então, por (p – 20) . (120 – p) = 0 p – 20 = 0 p1 = R$ 20,00 I1 (20 ; 0) ou 120 – p = 0 p2 = R$ 120,00 I2 (120 ; 0) O vértice é dado por : xV = 22 120 20 p p 21 += + = 70 xV = R$ 70,00 e yV = L(xV) = L(70) = (70 – 20) . ( 120 – 70) = 50 . 50 yV = R$ 2500,00 que representa o preço máximo de lucro, ou seja, LMÀX = R$ 2.500,00 L(p) 2500 20 70 120 p c) do gráfico e do cálculo do item (b) , concluímos que o lucro será máximo quando o preço p for igual ao xV , ou seja: p = R$ 70,00 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 12 IV. FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS 1. FUNÇÃO SENO A) Definição: é uma função de IR em IR, tal que a cada x associa um y = sen x. f : IR IR | y = sen x Geometricamente, o valor do seno de x é a medida algébrica do segmento ON obtido pela projeção ortogonal do raio OP em que AP é um arco trigonométrico. B) Gráfico: O gráfico da função seno é uma curva chamada “senóide”. Do gráfico, temos: 1) sen x = sen (x ± 2π), pois x e (x ± 2π) são arcos de mesma extremidade no ciclo trigonométrico; 2) D(f) = IR e Im(f) = [−1; 1] ou Im(f) = {y ∈ IR | −1 ≤ y ≤ 1}; 3) a função é crescente no 1º e no 4º quadrantes; 4) a função é decrescente no 2º e 3º quadrantes; 5) o período (comprimento da senóide) da função seno é 2π; 6) a função seno é ímpar, pois sen (−x) = −sen x 2. FUNÇÃO CO-SENO A) Definição: é uma função de IR em IR, tal que a cada x associa um y = cos x. f : IR IR | y = cos x Geometricamente, o valor do co-seno de x é a medida algébrica do segmento OM obtido pela projeção ortogonal do raio OP em que AP é um arco trigonométrico. Sinal do Seno : ⊕ ⊕ Θ Θ Iº Q IIº Q IIIº Q IVº Q x y 0º = 0 rad 0 30º = π/6 1/2 45º = π/4 2 /2 60º = π/3 3 /2 90º = π/2 1 180º = π 0 270º = 3π/2 −1 360º = 2π 0 1 −1 0 2 π π 2 3π 2π 4π 2 π − −π − 2 3π −2π ⊕ ⊕ Θ Θ Sinal do co-seno : ⊕ ⊕ Θ Θ Iº Q IIº Q IIIº Q IVº Q Eixo dos senos N O P A x Sen x ⊡ y = sen x = ON ⊕ Θ 1 y = cos x = OM Eixo dos co-senos M O P A x cos x ⊡ ⊕ Θ 1 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 13 B) Gráfico: O gráfico da função co-seno é uma curva chamada “co-senóide”. Do gráfico, temos: 1) cos x = cos (x ± 2π), pois x e (x ± 2π) são arcos de mesma extremidade no ciclo trigonométrico; 2) D(f) = IR e Im(f) = [−1; 1] ou Im(f) = {y ∈ IR | −1 ≤ y ≤ 1}; 3) a função é crescente no 3º e no 4º quadrantes; 4) a função é decrescente no 1º e 2º quadrantes; 5) o período (comprimento da co-senóide) da função co-seno é 2π; 6) a função co-seno é par, pois cos (−x) = cos x. 3. FUNÇÃO TANGENTE A) Definição: é uma função de IR – { 2 π + n π, n ∈ Z } em IR, tal que a cada x associa um único y = tg x, ou seja: f : IR – { 2 π + n π, n ∈ Z } IR | y = tg x Geometricamente, o valor da tangente de x é a medida algébrica do segmento AT obtido pela projeção ortogonal do segmento OT no eixo das tangentes, em que AP é um arco trigonométrico, conforme figura: B) Gráfico: o gráfico da função tangente é uma curva chamada “tangentóide”. D(f) = { x ∈ IR| x ≠ 2 π + n π, n ∈ Z }, Im(f) = IR e período = π x y 0º = 0 rad 1 30º = π/6 3 /2 45º = π/4 2 /2 60º = π/3 1/2 90º = π/2 0 180º = π −1 270º = 3π/2 0 360º = 2π 1 x 1 −1 0 2 π π 2 3π 2π 4π 2 π − −π − 2 3π −2π ⊕ ⊕ Θ Θ y Sinal da tangente: ⊕ ⊕ Θ Θ Iº Q IIº Q IIIº Q IVº Q 0 2 π π 2 3π 2π − 2 π −π 4π − 2 3π −2π x y x y 0º = 0 rad 0 30º = π/6 3 /3 45º = π/4 1 60º = π/3 3 90º = π/2 ∫ 180º = π 0 270º = 3π/2 ∫ 360º = 2π 0 Eixo das tangentes T O P A x tg x y = tg x = AT ⊕ Θ 1 • Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 14 4. FUNÇÃO COTANGENTE, SECANTE E CO-SECANTE O estudo das funções Cotangente, Secante e Co-secante pode ser feito a partir das três funções já vistas (seno, co-seno e tangente), pois elas são funções inversas. Assim, podemos escrever: FUNÇÃO COTANGENTE: f(x) = cotg x = x tg 1 , com tg x ≠ 0 e xcos xsen x tg = FUNÇÃO SECANTE: f(x) = sec x = xcos 1 , com cosx ≠ 0 FUNÇÃO CO-SECANTE: f(x) = cossec x = xsen 1 , com sen x ≠ 0 NOTA: A relação fundamental da trigonometria é: 1 xcos xsen 22 =+ . Dessa relação, obtemos duas relações auxiliares: 1) x tg 1 xsec 22 += 2) xcotg 1 xseccos 22 += EXERCÍCIOS 1. Esboce os gráficos das funções e determine a sua imagem: a) y = | sen x| e) y = 2. cos x b) f(x) = | cos x| f) y = 1 + sen x c) y = | tg x | , para 2 x 2 π << π − g) f(x) = 1 + cos x d) y = 2. sen x h) y = − sen x i) f(x) = − cos x 2. Faça o estudo do sinal das funções: a) y = sen x, para 0 ≤ x ≤ 2π b) f(x) = cos x, para 0 ≤ x ≤ 2π c) y = tg x, para 2 x 2 π ≤≤ π − 3. Qual o ponto de máximo e de mínimo das funções: a) y = sen x, para 0 ≤ x ≤ π b) y = cos x , para π ≤ x ≤ 2π c) y = tg x, para 2 x0 π ≤≤ d) y = | sen x |, para 0 ≤ x ≤ 2π e) y = | cos x |, para 0 ≤ x ≤ 2π Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 15 V. FUNÇÃO EXPONENCIAL Dado um número real a > 0 e a ≠≠≠≠1, chama-se função exponencial de base a à função f: IR IR *+ definida por f(x) = a x • Domínio = IR • Contradomínio = Conjunto Imagem = IR *+ Em a > 0 e a ≠≠≠≠1, temos: 0 1 a 0<a<1 ou a>1 Gráfico: O gráfico da função exponencial é uma curva exponencial do tipo: A) Crescente se a > 1 B) Decrescente se 0 < a < 1 yy a 1 1 a 1 x 1 x Exemplo 1. Esboçar o gráfico da função definida em IR por f(x) = 2x Exemplo 2. Esboçar o gráfico da função exponencial definida em IR por f(x) = x 2 1 x y = 2x -3 1/8 -2 1/4 -1 1/2 0 1 1 2 2 4 3 8 ∙ ∙ Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 16 PROPRIEDADES: P1 : ∀ x ∈ IR, a x > o P2 : f(0) = a o = 1 f(1) = a 1 = a Se x1 , x2 ∈ IR e 0 < a ≠ 1 , então: P3 : 21 2x1x x x a a =⇔= P4 : <<≤ >≥ ⇒≥ 1a0 se , x x 1 a se , x x a a 21 212x1x NOTA: Um caso particular importante é o número de Euler “e” = 2, 7182818184..., que é usado no cálculo dos logaritmos naturais ou neperianos (em homenagem ao seu criador John Napier 1550 - 1617) cuja base usa a constante de “Néper” que é o número de Euler. Assim, f(x) = ex é a função exponencial natural. LOGARITMO – Chama-se logaritmo de um número N, numa base a o expoente x que se deve elevar a base a para se obter o número N, ou seja: N a x Nlog x a =⇔= , onde N e a são números reais, tais que N > 0 e 0 < a ≠≠≠≠ 1 Exemplos: a) log 2 8 = 3 , pois, 23 = 8 b) log 2/1 4/1 = 2 , pois, 4 1 2 1 2 = x y=(1/2)x -3 8 -2 4 -1 2 0 1 1 1/2 2 1/4 3 1/8 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 17 c) log 4 x = 2 x = 42 x = 16 (x > 0) d) log x 64 = 3 x3 = 64 x3 = 43 x = 4 (0 < x ≠ 1) e) log 3 (x 2 – 1) = 1 x2 – 1 = 31 x2 = 4 x = ± 2 VI. FUNÇÃO LOGARITMO Dado um número real a, tal que, 0 < a ≠≠≠≠ 1, chama-se função logarítmica de base a a função f: IR *+ IR definida por f(x) = log a x • Domínio = IR *+ • Contradomínio = Imagem = IR Gráfico: O gráfico da função logarítmica é uma curva logarítmica do tipo: A) Crescente se a > 1 B) Decrescente se 0 < a < 1 y y 1 1 1 a x a 1 x NOTA: A função logarítmica é inversa da função exponencial. Exemplo 1. Esboçar o gráfico da função definida em por IR *+ por f(x) = log 2 x -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x Exemplo 2. Esboçar o gráfico da função definida em IR *+ por f(x) = log 2/1 x x y 1/8 -3 1/4 -2 1/2 -1 1 0 2 1 4 2 8 3 ∙ ∙ 4 y 3 2 1 0 -1 -2 -3 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 18 tabela PROPRIEDADES: P1 : log a x1 = log a x2 x1 = x2 , se 0 < a ≠ 1 P2 : log a x1 ≤ log a x2 0 < x1 ≤ x2 , se a > 1 P3 : log a x1 ≤ log a x2 x1 ≥ x2 , se 0 < a < 1 P4 : para a > 1, temos: ≤<⇔≤ ≥⇔≥ 1 x 0 0 xlog 1 x 0 xlog a a P5 : para 0 < a < 1 , temos: ≥⇔≤ ≤<⇔≥ 1 x 0 xlog 1 x 0 0 xlog a a DERIVADAS (Resumo) 1. TAXA DE VARIAÇÃO Dada a função f(x) = 2x + 3, quando atribuímos valores para a variável x, obtemos valores correspondentes para a variável y ou f(x): x y = 2x + 3 (x ; y) 0 y = f(0) = 2 . 0 + 3 = 3 (0 ; 3) 1 y = f(1) = 2 . 1 + 3 = 5 (1 ; 5) 2 y = f(2) = 2 . 2 + 3 = 7 (2 ; 7) 3 y = f(3) = 2 . 3 + 3 = 9 (3 ; 9) De acordo com os valores da tabela, notamos que, a medida que x varia de 0 até 3, a variável y varia de 3 até 9, ou seja: x1 = 0 y1 = 3 x2 = 3 y2 = 9 ∆x = x2 – x1 = 3 ∆y = y2 – y1 = 6 (a variação de x foi de 3 unidades) (a variação de y foi de 6 unidades) A taxa de variação de uma função em relação a sua variável independente x, dada no caso por x y ∆ ∆ , representa o coeficiente angular da reta ou a sua inclinação, e que é sempre constante, quando a função dada é linear. Vejamos a tabela para y = 2x + 3: x y 1/8 3 1/4 2 1/2 1 1 0 2 -1 4 -2 8 -3 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 19 x1 x2 ∆x = x2 – x1 y1 = f(x1) y2 = f(x2) ∆y = y2 – y1 x y ∆ ∆ 0 1 1 – 0 = 1 3 5 5 – 3 = 2 2 ÷÷÷÷1 = 2 1 3 3 – 1 = 2 5 9 9 – 5 = 4 4 ÷÷÷÷2 = 2 2 5 5 – 2 = 3 7 13 13 – 7 = 6 6 ÷÷÷÷3 = 2 3 6 6 – 3 = 3 9 15 15 – 9 = 6 6 ÷÷÷÷3 = 2 Assim, a taxa de variação x y ∆ ∆ = 2 , isto significa que o coeficiente angular da reta (m) é constante e igual a 2, ou seja, m = 2 na reta de equação y = mx + n. Para uma função do 2º grau, a taxa de variação não será mais uma constante, por exemplo, seja a função f(x) 2x2 – 1 x1 x2 ∆x = x2 – x1 y1 = f(x1) y2 = f(x2) ∆y = y2 – y1 x y ∆ ∆ 0 –1 –1 – 0 = –1 –1 1 1 – (–1) = 2 –2 1 –2 –2 – 1 = –3 1 7 7 – 1 = 6 –2 2 4 4 – 2 = 2 7 31 31 – 7 = 24 12 3 5 5 – 3 = 2 17 49 49 – 17 = 32 16 Veja a situação dos dois gráficos: y y = x2 – 1 y y = 2x + 37 2=(∆y) 5 =(∆y) 1=(∆x) 2=(∆y) 3 = (∆x) 1=(∆x) 1 2 x x Taxa de variação constante: Taxa de variação não constante: x y ∆ ∆ = 1 2 = 1 2 = 2 x y ∆ ∆ = 1 6 ≠ 1 2 2. NOÇÃO INTUITIVA DE DERIVADA Seja a função y = f(x) contínua num intervalo [a ; b], com a ≤ x1 ≤ x2 ≤ b. Se ∆x = x2 – x1 e ∆y = y2 – y1 = f(x2) – f(x1) , então a taxa de variação é dada por: 12 12 1 2 12 x x )f(x )f(x xx y- y x y − − = − = ∆ ∆ (I) =(∆y) =(∆x) Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 20 x y Como ∆x = x2 – x1 x2 = x1 + ∆x Substituindo em (I) , teremos: x )f(x x) f(x x x )f(x )f(x x y 11 12 12 ∆ −∆+ = − − = ∆ ∆ y f(x) reta secante Q y2 ∆y = y2 – y1 P y1 ∆x = x2 – x1 x1 x2 = x1 + ∆x x Sendo ∆x um acréscimo dado em x (positivo ou negativo) e ∆y um acréscimo dado em y (positivo ou negativo), a taxa de variação x y ∆ ∆ , que é um quociente de acréscimos, pode ser também positiva ou negativa, significando coeficiente angular ou inclinação positiva ou negativa . Essa taxa de variação x y ∆ ∆ também é chamada de razão incremental ou taxa média de variação. Na figura acima, a taxa de variação x y ∆ ∆ representa o coeficiente angular da reta secante à curva determinada pelos pontos P(x1 ; y1) e Q(x2 ; y2). Quando o ponto Q tende a P, isto é, o ponto Q desloca-se sobre a curva até coincidir com o ponto P, a reta secante se aproxima da reta tangente à curva. Isto faz com que ∆x 0 (lê-se: delta x tende a zero). reta reta Como vimos no gráfico, à medida que x2 x1 (x2 tende a x1), ∆x vai tendendo a zero, conseqüentemente , a reta secante vai se aproximando da reta tangente. Usando a teoria dos limites, podemos escrever: 12 12 ox x x )f(x )f(x lim − − →∆ = x )f(x )x f(x lim 11 ox ∆ −∆+ →∆ = x y lim ox ∆ ∆ →∆ que é o coeficiente angular da reta secante quando Q P, ou seja, Q tende a coincidir com P. a b Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 21 A esse limite, x y lim ox ∆ ∆ →∆ , que é o limite de uma taxa instantânea de variação ou simplesmente, taxa de variação quando ∆x → 0, chamamos de derivada da função f(x) no ponto x1∈D(f) e indicamos por f’(x1), quando o limite existe e é finito. Portanto: f’(x1) = x )f(x )x f(x lim 11 ox ∆ −∆+ →∆ = x y lim ox ∆ ∆ →∆ NOTA: Se um ponto P(x0 ; y0) pertence a uma função y = f(x), então o coeficiente angular da reta tangente à curva dada pela função será: m = f’(x0) = x y lim ox ∆ ∆ →∆ = x )f(x )x f(x lim 00 ox ∆ −∆+ →∆ A derivada de uma função y = f(x) é a função denotada por y’ ou f’(x), tal que, seu valor em qualquer x do domínio de f é dado por: y’ = f’(x) = x )f(x )x f(x lim ox ∆ −∆+ →∆ , se o limite existir. NOTA: Dizemos que uma função é derivável quando existe a derivada para todos os pontos do seu domínio. OBSERVAÇÃO: A derivada de uma função pode ser denotada por: y’ ou f’(x) ou dx dy ou dx df ou Dx(y) ou Df(x) Exemplos: 1) Calcular a derivada da função f(x) = 3x2 f’(x) = x )f(x )x f(x lim ox ∆ −∆+ →∆ = x x3 )x 3.(x lim 22 ox ∆ −∆+ →∆ f’(x) = x 3x )xx 2xx.(3 lim 222 ox ∆ −∆+∆+ →∆ = x x3 x 3x 6x 3x lim 222 ox ∆ −∆+∆+ →∆ f’(x) = x x 3 xx6 lim 2 ox ∆ ∆+∆ →∆ = x x) 36x ( . x lim ox ∆ ∆+∆ →∆ = x 36x lim ox ∆+ →∆ = 6x + 3.0 Portanto : f’(x) = 6x ou y’ = 6x 2) Calcular o coeficiente angular da reta tangente à curva f(x) = 3x2 no ponto P( 1 ; 3 ) Solução: Da questão (1) vimos que f’(x) = 6x e, sabendo que m = f’(x0) , onde xo é a abscissa de um ponto pertencente à curva dada, concluímos que: m = f’(xo) = f’(1) = 6 .1 m = 6 0 xo yo notação de Leibniz Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 22 y reta tangente (y = mx + n) 3 P(1 ; 3) x 3) Determine a equação da reta tangente à curva f(x) = 3 x2, no ponto P(1; 3) Solução: A equação da reta tangente pode ser obtida pela fórmula: y – yo = m . ( x – xo ) Das questões (1) e (2) , temos que: m = 6, xo = 1 e yo = 3 Portanto: y – 3 = 6 . (x – 1) y – 3 = 6x – 6 y = 6x – 3 que é a equação da reta tangente representada no gráfico acima. A) A DERIVADA COMO VELOCIDADE S(t) S(t + ∆t) ∆S ∆S = S(t+∆t) – S(t) é o S(t) deslocamento t t (t + ∆t) ∆t Temos que: t S(t) t) S(t t S ∆∆∆∆ −−−−∆∆∆∆++++ ==== ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ = vm Quando ∆t→0 , obtemos a velocidade instantânea, ou velocidade no instante t, que é o limite das velocidades médias, ou seja:v(t) = dt dS t S(t) t) S(t lim 0t ==== ∆∆∆∆ −−−−∆∆∆∆++++ →→→→∆∆∆∆ ou v(t) = (t)S' dt dS ==== Esse valor é o que se vê no velocímetro de um auto. B) ACELERAÇÃO – De modo análogo à velocidade, temos: A aceleração média no instante t é dada por: 1 Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 23 am = t v(t) t) t(v ∆∆∆∆ −−−−∆∆∆∆++++ Quando ∆t→0 , obtemos a aceleração instantânea, ou aceleração no instante t, que é o limite das acelerações médias, ou seja: a(t) = dt dv t v(t) t) v(t lim 0t ==== ∆∆∆∆ −−−−∆∆∆∆++++ →→→→∆∆∆∆ ou a(t) = (t)v' dt dv ==== EXEMPLO 1: No instante t = 0 um corpo inicia um movimento em linha reta. Sua posição no instante t é dada por S(t) = 16t – t2 . Determinar: a) a velocidade média do corpo no intervalo de tempo [2 ; 4]; b) a velocidade do corpo no instante t = 2; c) a aceleração média no intervalo [0 ; 4]; d) a aceleração no instante t = 4 Resolução: a) Vm = t S ∆ ∆ = vel. unid. 10 2 2848 2 )22.16()44.16( 24 )2(S)4(S 22 ==== −−−− ==== −−−−−−−−−−−− ==== −−−− −−−− b) V(t) = S’(t) = 16 – 2t no instante t = 2, temos: v(2) = 16 – 2 . 2 = 12 unid. vel. c) am = t V ∆ ∆ = acel. unid. 2 4 8 4 168 4 )0.216()4.216( 04 )0(v)4(v −−−−==== −−−− ==== −−−− ==== −−−−−−−−−−−− ==== −−−− −−−− d) a(t) = V’(t) = S’’(t) = −2 no instante t = 4, temos: a(4) = −2 unid. acel. 2. Calcular a taxa de variação da função f(x) = x2 + 3x – 1, quando x varia de 1 para 3. x y ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ = 7 2 14 2 317 2 )11.31()13.33( 13 )1(f)3(f 22 ======== −−−− ==== −−−−++++−−−−−−−−++++ ==== −−−− −−−− 3. Dada a função y = x2 + x + 1, determinar a taxa de variação da função quando x aumenta de 0 para 1. x y ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ = 2 1 2 1 13 1 )100()111( 01 )0(f)1(f 22 ======== −−−− ==== ++++++++−−−−++++++++ ==== −−−− −−−− 4. Uma cidade é atingida por uma moléstia epidêmica. Os setores de saúde calculam que o número de pessoas atingidas pela moléstia depois de um tempo t (medido em dias a partir do primeiro dia da epidemia) é, aproximadamente, dado por: 3 t 64t )( 3 −=tf . a) qual a razão da expansão da epidemia no tempo t = 4 ?; b) qual a razão da expansão da epidemia no tempo t = 8 ?; c) quantas pessoas serão atingidas pela epidemia no 5º dia ? Resolução: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 24 Para um tempo t qualquer, a taxa é dada por f’(t) = 64 – t2 a) no tempo t = 4 , temos: f’(4) = 64 – 42 = 64 – 16 = 48 pessoas / dia; b) no tempo t = 8 , temos: f’(8) = 64 – 82 = 64 – 64 = 0 a epidemia está totalmente controlada. c) Como o tempo foi contado em dias a partir do 1º dia de epidemia, o 5º dia corresponde à variação de t do 4º para o 5º dia. O número de pessoas atingidas pela moléstia durante o 5º dia foi: f(5)–f(4) = 3 64 256 3 125 320 3 4 4 . 64 3 5 5 64 33 +−−= −− −. ≅ 43 pessoas OBSERVAÇÃO: * A taxa de variação da função horária é chamada de velocidade escalar V dt dS = ; * A taxa de variação da velocidade é chamada de aceleração escalar a dt dv = . Para facilitar o cálculo das derivadas das funções, evitando o uso da definição, podemos usar as regras de derivação a seguir: REGRAS DE DERIVAÇÃO: (derivadas de algumas funções elementares) Função Derivada y = k y’ = 0 K = constante real; y = x y’ = 1 u e v são funções de x; y = k . x y’ = k n é um número natural. y = x n y’ = n . x n – 1 y = k . x n y’ = k . n . x n − 1 y = k . u y’ = k . u’ y = u n y’ = n . u n – 1 . u’ y = u ± v y’ = u’ ± v’ y = u . v y’ = u’.v + v’. u y = v u y’ = 2v u . v' v '.u − y = eu y’ = eu . u’ y = ln u y’ = u 'u Obtidas a partir da Regra da Cadeia y = au y’ = au . ln a . u’ y = log a u y’ = u 'u . log a e ou y’ = a ln . u 'u y = sen u y’ = u’ . cos u y = cos u y’ = − u’ . sen u y = tg u y’ = u’ . sec2 u y = cotg u y’ = − u’ . cossec2 u Exemplos: I) Calcular pela regra de derivação a derivada das seguintes funções: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 25 1) f(x) = 5 f’(x) = D(k) = 0 2) f(x) = 3 . x f’(x) = D(k . x) = k f’(x) = 3 3) f(x) = x3 f’(x) = D(xn) = n . x n – 1 , n = 3 f’(x) = 3 . x 3 – 1 f’(x) = 3 x2 4) f(x) = 3x + 2 f’(x) = D(u + v) = u’ + v’ = 3 + 0 = 3 5) f(x) = (2x + 3)3 f’(x) = D(un) = n . un – 1 . u’ n = 3 u = 2x + 3 u’ = 2 + 0 = 2 f’(x) = 3 . (2x + 3)3 – 1 . 2 f’(x) = 6 . (2x + 3)2 6) y = x3 – 12x + 5 y’ = 3x2 – 12 7) y = x3x2 − y = (x2 – 3x) 2 1 y’ = D(un) = n . un−1 . u’ n = 1/2 u = x2 – 3x u’ = 2x – 3 y’ = 2 1 . (x2 – 3x) 1 2 1 − . (2x – 3) y’ = 2 1 . (x2 – 3x) 2 1− . (2x – 3) 8) y = (2 + 3x).(5 – 2x) y’ = D(u . v) = u’.v + v’. u u = 2 + 3x u’ = 3 v = 5 – 2x v’ = −2 y’ = 3 . (5 – 2x) + (−2) . (2 + 3x) = 15 – 6x – 4 – 6x y’ = 11 – 12x 9) y = 1x3 4x2 − + y’ = D v u = 2v u . v' v '.u − u = 2x + 4 u’ = 2 v = 3x – 1 v’ = 3 y’ = 2)1x3( 4) (2x . 3 1) (3x . 2 − +−− = 2)1x3( 12x62x6 − −−− y’ = 2)1x3( 14 − − 10) f(x) = ln (x3 – 2) f’(x) = D(ln u) = u 'u u = x3 – 2 u’ = 3x2 y’ = 2x x3 3 2 − 11) f(x) = e5x –2 f’(x) = D(eu) = eu . u’ u = 5x – 2 u’ = 5 y’ = 5. e5x – 2 12) y = 2 x3x 2 − y’ = D(au) = au . ln a . u’ a = 2 , u = x2 – 3x u’ = 2x – 3 y’ = 2 x3x 2 − . ln 2 . (2x – 3) 13) y = log (2x + 3) y’ = D(log u) = a ln . u 'u u = 2x + 3 u’ = 2 y’ = 10 ln . )3x2( 2 + 14) y = sen 5x y’ = D(sen u) = u’ . cos u Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 26 u = 5x u’ = 5 y’ = 5 . cos 5x 15) y = cos (2x + 3) y’ = D(cos u) = − u’ . sen u u = 2x + 3 u’ = 2 y’ = − 2 . sen (2x + 3) 16) y = tg (x2 – 4x) y’ = D(tg u) = u’ . sec2 u u = x2 – 4x u’= 2x – 4 y’ = (2x – 4) . sec2 (x2 – 4x) II) Dada a função f(x) = x2 + 2x –1 , determine: 1) a variação de y quando x aumenta de 1 para 3 para x1 = 1 , temos: y1 = 1 2 + 2 . 1 – 1 = 1 + 2 – 1 y1 = 2 para x2 = 3 , temos: y2 = 3 2 + 2 . 3 – 1 = 9 + 6 – 1 y2 = 14 Temos: quando x varia de 1 para 3, y varia de 2 para 14 2) a taxa de variação x y ∆ ∆ 6 2 12 1 2 14 x x y y x y 12 12 == − − = − − = ∆ ∆ 3 EXERCÍCIOS 1) Calcular a primeira derivada das seguintes funções: a) f(x) = – 10 b) f(x) = 4x c) y = 5x2 + 6x - 2 d) f(x) = x e) y = (x 2 – 3x).(x + 1) f) y = 3x 2x + − g) y = x 3 1 h) y = 2x 1 + i) y = 3 3x + j) f(x) = (2x + 3)5 k) y = 4x2 + 2x l) y = x + 4 m) y = 9x3 + 5 x 4 1 − n) y = (7 – x)(7 + x) o) y = x 3x2 − p) y = 4x3 + 5x2 +10x – 3 q) y = (2x + 2)2 + (x –1)2 r) y = (2x + 4)0,5 s) y = 4x x2 + t) y = 3x . )3x( 5 ++ u) y = 3 1 x x21 + v) y = 4x23 + x) f(x) = log 3 (x2 +5) z) y = ln (x3 – 3x) 2) Se λ é a curva de equação y = x3 – 12x, determine a equação da reta tangente à curva, no ponto de abscissa 4, ou seja, xo = 4. 3) Determine a taxa de variação da função f(x) = x2 + 1 quando x varia de 1 para 3. 4) O lucro semanal de uma fábrica em função do preço de venda, é dado pela lei denominada função lucro por: L(p) = 20.(10 – p).(p – 2) . Determinar a taxa de variação do lucro se o preço p variar de R$ 2,00 para R$ 6,00. Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 27 REGRA DA CADEIA (Derivada da função composta) Seja y = g(u), u = f(x) e se as derivadas dx du e du dy existem, então a função composta y = g[f(x)] tem derivada que é dada por: du dy dx dy = . dx du ou y’(x) = g’(u) . f '(x) Exemplo: Determine as derivadas dx dy : a) y = (x2 + 3x + 4)5. A função equivale a y = u5 , então: du dy = 5.u4 ; sendo u = x2 + 3x + 4, temos dx du = 2x + 3 . Logo: du dy dx dy = . dx du = 5. u4 . (2x + 3) = 5.(x2 + 3x + 4)4.(2x + 3) Obs.: Note que: se y = un, então y’ = n.un−−−−1.u’ b) y = (2x +1)100 y = un u = 2x + 1 dx du = 2 e du dy = 100.u99 ∴∴∴∴ du dy dx dy = . dx du = 100.u99.2 = 200.(2x + 1)99 c) y = ln(x2 + 1) y = ln u u = x2 + 1 dx du = 2x e du dy = u 1 ∴∴∴∴ du dy dx dy = . dx du = u 1 . 2x = 1x x2 2 + dx dy = y’ = 1x x2 2 + d) y = 5 . 3x2 + y = 5 . (x2 + 3)1/2 y = a.un y’ = dx dy = a.n.un−1.u’ a = 5 , n = ½ u = x2 + 3 u’ = dx du = 2x dx dy = y’ = 5 . 2 1 . (x2 + 3) 1 2 1− . 2x = 5x . (x2 + 3) 2 1− = 2 1 2 )3x( x5 + ou dx dy = y’ = 3x x5 2 + Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 28 DERIVADA IMPLÍCITA Seja F(x; y) = 0 uma equação nas variáveis x e y. Se existir uma função f, tal que para todo x pertencente ao seu domínio [∀x∈D(f)] se tenha F(x; y) = 0, dizemos que f é dada implicitamente por essa equação. Exemplos: a) A equação 01y 2 1 x2 =−+ define implicitamente a função y = 2.(1- x2) Verificação: substituindo y = 2.(1 – x2) na equação dada, temos: 2 1 x2 + . 2 . (1 – x2) – 1 = 0 x2 + 1 – x2 – 1 = 0 0 = 0 (V) b) A equação x2 + y2 = 4 (que é a equação de uma circunferência de centro na origem e raio igual a 2) define, implicitamente, as funções: x2 + y2 = 4 y2 = 4 –x2 y = ± 2x4 − y = 2x4 − ou funções na forma implícita y = − 2x4 − A DERIVADA DE UMA FUNÇÃO NA FORMA IMPLÍCITA Suponhamos que F(x; y) = 0 defina implicitamente uma função derivável y = f(x). Podemos determinar y’, sem explicitar y (sem precisar isolar y), usando a regra da cadeia. Exemplos: 1) Determinar as derivadas implicitamente: a) x2 + y2 = 4 derivando ambos os membros em relação a x, temos: dx d )yx( 22 + = dx )4(d ou (x2 + y2)’ = (4)’ 0 dx dy dx dx 22 =+ ou (x2)’ + (y2)’ = 0 2x + 2y . dx dy = 0 ou 2x + 2y . y’ = 0 isolando-se dx dy ou y’ , temos: 2y . dx dy = − 2x ou 2y . y’ = − 2x dx dy = y x y2 x2 −= − ou y’ = y x y2 x2 −= − b) x2 + 2 1 y – 1 = 0 derivando membro a membro, temos: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 29 ' 2 1y 2 1 x −+ = 0’ (x2)’ + ' y 2 1 - (1)’ = 0 2x + 'y 2 1 - 0 = 0 y 2 1 ’ = − 2x y’ = −−−− 4x c) x2 + 5y3 – x = 5 temos: (x2 + 5y3 – x )’ = 5’ 2x + 15y2.y’ – 1 = 0 15y2 . y’ = 1 – 2x y’ = 2y15 x21 − d) x . y – ln y = 2 temos: (x . y – ln y)’ = 2’ 1 . y + y’ . x - y 1 . y’ = 0 y’ . − x y 1 = y y’ . − y xy1 = y y’ = xy1 y2 − e) x2.y + 3x.y3 – 3 = x temos: (x2.y + 3x.y3 – 3)’ = x’ (x2.y)’ + 3(x.y3)’ – 3’ = 1 2x.y + x2.y’ + 3.(1.y3 + 3x2.y’) – 0 = 1 2xy + x2y’ + 3y3 + 9x2.y’ = 1 y’.(x2 + 9xy2) = 1 – 2xy – 3y3 y’ = 22 3 xy9x y3xy21 + −− 2) Determinar a equação da reta tangente à curva x2 + 2 1 y – 1 = 0 no ponto (−1 ; 0). Solução: I) Derivando implicitamente em relação a x, temos: 2x + 2 1 y’ = 0 2 1 y’ = −2x y’ = − 4x ou f’(x) = − 4x II) No ponto de abscissa xo = −1 determinamos o coeficiente angular da reta: m = f’(xo) = f’(−1) = −4.(−1) m = 4 III) Equação da reta: y – yo = m.(x – xo) y – 0 = 4 . [x – (-1)] y = 4 . (x + 1) y = 4x + 4 EXERCÍCIOS DO LIVRO: UM CURSO DE CÁLCULO – HAMILTON LUIZ GUIDORIZZI, indicados no cronograma do programa. Página 148: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 30 Exercícios 7.3 2. Calcule g’(x) sendo g dada por: a) g(x) = x6 b) g(x) = x100 c) g(x) = x 1 d) g(x) = x2 e) g(x) = 3 1 x f) g(x) = 7 1 x g) g(x) = x h) g(x) = x−3 Página 159: Exercícios 7.7 1. Calcule f ’(x). a) f(x) = 3x2 + 5x b) f(x) = x3 + x2 + 1 c) f(x) = 3x3 – 2x2 + 4 d) f(x) = 3x + x e) f(x) = 5 + 3x−2 f) f(x) = 2 3 x g) f(x) = 3x + x 1 h) f(x) = x 4 + 2 5 x i) f(x) = 3 2 x3 + 4 1 x2 j) f(x) = 3 x + x l) f(x) = 2x + x 1 + 2 1 x m) f(x) = 6x3 + 3 x n) f(x) = 5x4 + bx3 + cx2 + k, onde a, b, c e k são constantes. 7. Calcule F’(x) onde F(x) é igual a: a) 12 +x x b) 1 12 + − x x c) 35 33 2 − + x x d) 1+x x Página 160: Exercícios 7.7 9. Calcule f ’(x) onde f(x) é igual a: a) 3x2 + 5cos x b)1 cos 2 +x x c) x . sen x d) x2. tgx 12. Calcule f ’(x). a) f(x) = x2. ex b) f(x) = 3x + 5 ln x c) f(x) = ex . cos x e) f(x) = x2. ln x + 2ex i) f(x) = x xln Página 179: Exercícios 7.11 1.Determine a derivada. a) y = sen 4x b) y = cos 5x c) f(x) = e3x d) f(x) = cos 8x e) y = sen t3 f) g(t) = ln (2t + 1) g) y = esen t h) f(x) = cos ex i) y = (sen x + cos x)3 j) y = 13 +x Página 180: Exercícios 7.11 (regra da cadeia - funções compostas) 4.Derive. a) y = x e3x b) y = ex cos 2x c) y = e−x sen x d) y = e−2t sen 3t e) f(x) = e 2x− + ln (2x + 1) g) y = xsen x 2 5 cos Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 31 NOÇÕES DE INTEGRAÇÃO I) INTEGRAL INDEFINIDA A integral é a operação inversa da derivada, ou seja, conhecida a derivada de uma função, a integração ou antiderivação desta gera a função que originou a derivada. Exemplo: a derivada da função f(x) = x3 + C é a função f’(x) = 3x2 , então a integral ou integração da função f’(x) = 3x2 é a função f(x) = x3 + C , onde C = constante real. Simbolicamente podemos escrever: 23x dx dy = , cuja diferencial é representada por dy = 3x2 . dx ∫ ∫= dx .3x dy 2 y = x3 + C ou f(x) = x3 + C ∫ símbolo da operação integração (lê-se: integral) Definições: I. Uma função F(x) é chamada uma primitiva da função f(x) em um intervalo dado, se para todo valor de x pertencente ao intervalo dado, tem-se F’(x) = f(x); II. Se F(x) é uma primitiva de f(x), a expressão F(x) + C, onde C é uma constante é chamada integral indefinida da função f(x) e é denotada por: ∫ )x(f dx = F(x) + C (notação de Leibniz) III. Da definição de integral indefinida, decorre que: ∫ )x(f dx = F(x) + C F’(x) = f(x) f(x) é a função integrando; F(x) é uma integral; F(x) + C é a integral indefinida; C é uma constante de integração Obs.: O processo que permite achar a integral indefinida de uma função é chamado Integração. PROPRIEDADES DA INTEGRAL INDEFINIDA I. ∫ )x(f. k dx = k ∫ )x(f dx , k = constante real II. ∫ ± .dx g(x)] )x(f[ = ∫ )x(f dx ± ∫ )x(g dx III. [ ]∫ dx . )x(f dx d = f(x) , ou seja, a derivada da integral de uma função é a própria função. REGRAS DE INTEGRAÇÃO: Considerando: C ∈ IR, K ∈ IR, u = f(x) , v = g(x) e n ≠ −1, temos as seguintes integrais (elementares) imediatas: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 32 1. ∫dx = x + C 2. ∫ dx k = k ∫dx = k . x + C 3. ∫ dx xn = 1 n x 1 n + + + C 4. ∫ − dx x 1 = ∫ dx x 1 = ln |x| + C 5. ∫ dx ax = a ln ax + C , 0 < a ≠ 1 6. ∫ dx ex = xe + C 7. ∫ ∫ ∫±=± dv du dv) du( Exemplo 1: Calcular as integrais indefinidas: a) ∫ dx 5 = 5 ∫ dx = 5 x + C , C∈IR b) ∫∫ +−=++−=−=− + C 2 x C 1 1 x dx x dx x 21 1 , C∈IR c) dx 5 dx x 3 dx 5 dx 3x dx 5) x3(∫ ∫ ∫ ∫ ∫ =+=+=+ C 5x x 2 3 C x 5 1 1 x . 3 2 1 1 ++=++ + = + d) ∫ ∫ ∫∫ =−+=−+ dx x 2 dx x dx x dx 2x) x x( 3232 = C 1 1 x 2 1 3 x 12 x 1 11 31 2 + + − + + + +++ = = C x 4 x 3 x 2 43 +−+ , C∈IR e) ∫ ∫ ∫ ∫ +−=−=−=−+ C x 3 x dx dx x dx 1) (x dx 1) (x . 1) x( 3 22 , C∈IR f) ∫ ∫ ∫ ∫∫ =++=++=+ dx 9 dx x 6 dx x dx 9) x6 (x dx 3) x( 242422 = C 9x x2 5 x C 9x 3 x 6 5 x 3 535 +++=+++ , C∈IR g) C x 1 C 1 x C 1 2 x dx x dx x 1 11 22 2 +−=+ − =+ +− == −+− −∫∫ , C∈IR h) C |x| ln dx x 1 dx x 1 +== ∫∫ − , C∈IR i) C x 3 2 C x 3 2 C x C 1 x dx x dx x 32 3 2 3 2 3 2 1 1 2 1 2 1 +=+=+=+ + == + ∫ ∫ , C∈IR j) ∫ ∫∫ ++=+=+ C 2 ln 2 e 2 dx 2 dx e 2 dx )2 e 2( x xxxxx , C∈IR EXERCÍCIOS Calcular as integrais indefinidas: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 33 a) ∫ dx x b) ∫ dx x5 c) ∫ dx x6 2 d) ∫ dx x 2/1 e) ∫ dx x . 3 4 3 f) ∫ − dx x 3/1 g) ∫ − dt t 2 h) ∫ dx x . 2 3 2 i) ∫ dt . t3 j) ∫ + dx )3x2( k) ∫ + dx . x1 l) ∫ dx x3 2 m) ∫ ++ dx . 4)3xx1,0( 2 n) ∫ − dx . 9) x( 2 o) ∫ +− dx 5). 4x x3( 2 p) ∫ − dx . 1) (x x2 q) ∫ + dt . 3)(2t 2 r) ∫ −+ dx ).1x2).(3x( s) ∫ 3t dt t) ∫ +1x dx u) ∫ + dx . 3x 1 Respostas: a) C x. 2 1 2 + b) C x. 2 5 2 + c) C 2x 3 + d) C x. 3 2 2 3 + e) C x 3 4 + f) C x. 2 3 2/3 + g) C t 1 +− h) C x. 5 6 3 5 + i) C t . 3 . 3 2 3/2 + j) C 3x x 2 ++ k) C x) .(1 3 2 3/2 ++ l) C x3 + m) C 4x x. 2 3 x. 30 1 23 +++ n) C 9x x. 3 1 3 +− o) C 5x 2x x 23 ++− p) C x. 3 1 x. 4 1 34 +− q) C 9t 6t t . 3 4 23 +++ r) C 3x x. 2 5 x. 3 2 23 +−+ s) C t2 1 2 +− t) C 1)2(x 1/2 ++ u) Ln |x + 3| + C MÉTODO DA SUBSTITUIÇÃO OU MUDANÇA DE VARIÁVEL PARA INTEGRAÇÃO Sejam f(x) e F(x) duas funções tais que F’(x) = f(x). Se g(x) é uma função derivável tal que Im(g) ⊂ D(F), podemos considerar a função composta F[g(x)]. Pela regra da cadeia, temos: F[g(x)]’ = F’[g(x)] . g’(x) = f[g(x)] . g’(x), isto é, F[g(x)] é uma primitiva de f[g(x)].g’(x). Então, podemos escrever: Cálculo Diferencial e Integral de uma variável para os cursos de Engenharia e CC Anotações de Aula Eurípedes Machado Rodrigues 34 ∫ ] )( [ xgf . g’(x) dx = F[g(x)] + C Fazendo u = g(x), du = g’(x) dx, temos: ∫ ] )( [ xgf . g’(x) dx = ∫ du
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