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57 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Unidade II FUNÇÕES REAIS E LIMITES 5 OUTRAS FUNÇÕES REAIS 5.1 Função exponencial Voce recebeu R$ 500,00 de bonificação e aplicou na poupança. O banco paga a taxa de juros de 0,5% ao mês. Como saber quanto voce terá daqui a alguns meses, se a taxa for mantida? Quando aplicamos na poupança, temos que o capital acumulado (montante) é dado pela expressão M = C0 (1 + i) n, juro composto, no qual M é o capital acumulado, C0 é o capital inicial (depósito inicial), i é a taxa de juros e n o período. No nosso exemplo, C0 = 500, i = 0,5% = 0,005 ao mês e n número de meses, assim, para saber o montante a cada mês, substituímos o valor de n e determinamos M. Por exemplo, na tabela temos o montante para alguns meses: t(mês) M = 500 ( 1 + 0,005)n (t, M) 1 M = 500 ( 1 + 0,005)1 (1, 502.5) 2 M = 500 ( 1 + 0,005)2 (2, 505.0) 3 M = 500 ( 1 + 0,005)3 (3, 507.54) 4 M = 500 ( 1 + 0,005)4 (4, 510.08) A expressão M = C0 (1 + i) n é uma exponencial, variável n está no expoente. Estudaremos agora funções exponenciais, isto é, funções do tipo: f(x) = c + b amx, (a > 0, a ≠ 1, b ≠ 0 e m ≠ 0) Exemplos: a) f(x) = 32x – 4 É uma função exponencial com base a = 3, b = 1, c = –4 e m = 2. b) f(x) = –5x É uma função exponencial com base a = 5, b = –1, c = e m = 1. 58 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 c) f(x) = 4–2x + 2 É uma função exponencial com base a = 4, b = 1, c = 2 e m = –2. 5.1.1 Gráfico Para fazer o gráfico da função exponencial, utilizaremos a tabela de pontos: Exemplos: Esboçar o gráfico das funções: a) f(x) = 3x Atribuindo valores para x e calculando 3x, temos: x y = 3x (x,y) -2 y = 3-2 = 1/9 (-2,1/9) -1 y = 3-1 = 1/3 (-1,1/3) 0 y = 30 = 1 (0,1) 1 y = 31 = 3 (1,3) 2 y = 32 = 9 (2,9) x y 9 6 3 1 2-1-2 1 3 8 7 5 4 2 –1 -3-4-5 b) f x x ( ) = 1 3 Novamente, vamos esboçar o gráfico da função, atribuindo valores para x e calculando 1 3 x ,assim: 59 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel x y = (1/3)x (x, y) –2 y = (1/3)–2 = 9 (–2, 9 ) –1 y = (1/3)–1 = 3 (–1, 3) 0 y = (1/3)0 = 1 (0, 1) 1 y = (1/3)1 = 1/3 (1, 1/3) 2 y = (1/3)2 = 1/9 (2, 1/9) x y9 1 2-1-2-3-4 3 4 8 7 6 5 4 3 2 1 —1 –2 Comparando as duas funções, notamos que em relação à base da função exponencial, temos: a > 1, função crescente 0 < a < 1, função decrescente c) Retornando ao nosso exemplo, vamos construir o gráfico da função utilizando a tabela de pontos. Temos: t(mês) M = 500 ( 1 + 0,005)n (t, M) 1 M = 500 ( 1 + 0,005)1 (1, 502.5 ) 2 M = 500 ( 1 + 0,005)2 (2, 505.0) 3 M = 500 ( 1 + 0,005)3 (3, 507.54) 4 M = 500 ( 1 + 0,005)4 (4, 510.08) Representando os pontos no plano cartesiano, temos o gráfico da função: 60 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 y x3 510 1 4 507.5 505 502.5 500 2 Lembrete Esse gráfico só tem significado para valores no 1º quadrante, pois representa valores aplicados, o restante deve ser tracejado. 5.2 Função logarítmica Voltando ao exemplo do item 5.1. Agora, você quer saber por quanto tempo deve deixar seu dinheiro aplicado para receber R$ 531,00. Substituindo os valores na expressão, temos 531= 500 (1 + 0,005)n, e então 1,062 = 1,005 n, que para ser resolvida, utilizamos logaritmo. Também encontramos logaritmos em várias áreas: na Física, na Química, na escala Richter, utilizada para medir a magnitude de um terremoto. Uma função logarítmica é dada pela expressão: f(x)=loga x, com a > 0, a ≠ 1 e x > 0 As funções f(x)=loga x e g(x) = ax são inversas uma da outra. Para fazer o gráfico da função logarítmica, utilizaremos a tabela de pontos. Exemplos: 1) Esboçar o gráfico das funções: a) f(x)=log3 x Atribuindo valores para x e calculando log3 x , temos: 61 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel x ƒ(x) = log3 x (x,y) 1 9 ƒ(x) = log3 1 /9 = -2 (1/9,-2) 1 3 ƒ(x) = log3 1 /3 = -1 (1/3,-1) 1 ƒ(x) = log3 1 = 0 (1,0) 3 ƒ(x) = log3 3 = 1 (3,1) 9 ƒ(x) = log3 9 = 2 (9,2) Representando os pontos no plano cartesiano, temos: y 9 x3 2 1 0 1 b) f(x)=log1/3 X Atribuindo valores para x e calculando log1/3 X , temos: x ƒ(x) = log1/3 x (x,y) 1 9 ƒ(x) = log1/3 1/9 = 2 (1/9,2) 1 3 ƒ(x) = log 1/3 1/3 = 1 (1/3,1) 1 ƒ(x) = log1/3 1 = 0 (1,0) 3 ƒ(x) = log1/3 3 = -1 (3,-1) 9 ƒ(x) = log1/3 9 = -2 (9,-2) Colocando os pontos no plano, temos: y x3 2 1 1 9 62 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Comparando os dois gráficos, verificamos que: a > 1 , função crescente 0 < a < 1, função decrescente 2) Retomando o exemplo inicial: “quanto tempo deve deixar seu dinheiro aplicado para receber R$ 531,00?” Quando substituímos os valores na expressão, encontramos: 531 = 500 (1 + 0,005)n 1,062 = 1,005n Aplicando o logaritmo nos dois lados da expressão, temos: Ln 1,062 = Ln 1,005n, calculando o logaritmo vem 0,060 = 0,00498n, assim, chegamos a n = 12 meses, que é a solução do nosso exemplo. 5.3 Função modular Chamamos de função modular a função: f(x) = | x | Utilizando a definição de módulo, temos: f x x x ( ) | |= = ≥ < se x 0 -x se x 0 5.3.1 Gráfico O gráfico da função modular será formado por duas semirretas que devem obedecer às condições acima. Exemplos: Construir o gráfico das funções: a) y = | x | Conforme a definição de modulo, temos y x x = = ≥ < se x 0 -x se x 0 | | 63 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Devemos fazer o gráfico das duas funções (1) y = x, para x ≥ 0 e (2) y = –x, para x < 0. Construindo a tabela de pontos para cada uma das funções, temos: (1) y = x, para x ≥ 0 x y = x (x,y) 0 y = 0 (0,0) 1 y = 1 (1,1) y 0 1 x y = x (2) y = - x, para x < 0 x y = -x (x,y) -2 y = 2 (-2,2) -1 y = 1 (-1,1) y x y = -x 0-1-2 1 2 Unindo as figuras, temos: y x y = xy = -x -1 0 1 b) y = | x | + 2 Conforme a definição de módulo, temos y x x = + = + ≥ + < 2 se x -x 2 se x | | 2 0 0 64 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Devemos fazer o gráfico das duas funções: (1) y = x + 2, para x ≥ 0 (2) y = –x + 2, para x < 0 Construindo a tabela de pontos para cada uma das funções, temos: y = x + 2, para x ≥ 0 x y = x + 2 (x,y) 0 y = 2 (0,2) 1 y = 3 (1,3) (2) y = –x + 2, para x < 0 x y = -x + 2 (x,y) -2 y = 4 (-2,4) -1 y = 3 (1,3) Construindo os dois gráficos no mesmo sistema: y x y = -x+2 0-1-2 1 2 y = x+2 3 4 5.4 Funções trigonométricas São funções periódicas, isto é, após um intervalo, seus valores se repetem. Estudaremos algumas delas.1 5.4.1 Função seno Consideremos o ciclo trigonométrico de centro O e raio 1, definimos como função seno a função f: IR → IR dada por f(x) = sen x. 1 –Mais funções trigonométricas, consultar: FLEMMING, D. M.; GONÇALVES, M. B. Cálculo A – Funções, Limite, Derivação, Integração. São Paulo: Prentice Hall, 2006. 65 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel O valor de seno de x é a medida OM, conforme veremos na figura a seguir: + 10 - - 1 eixo dos senos x (0,1) (-1,0) (1,0) (0,-1) + - - M 10 - - 1 eixo dos senos x (0,1) (-1,0) (1,0) (0,-1) senx O sinal de sen x será positivo, se x estiver no 1° e no 2° quadrantes, e negativo no 3° e 4° quadrantes. Para a função seno, temos: D(f) = IR Im (f) = {y ∈ R / –1< y <1} período: p = 2π gráfico: y -1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 -1 π 2π x π/2 3π/2 + + f(x)= senx - - 5.4.2 Função cosseno Definimos como função cosseno a função f: IR → IR dada por f(x) = cos x. O valor do cosseno de x é a medida ON, conforme veremos no ciclo trigonométrico a seguir: N 10 -1 -1 1 eixo dos cossenos x cosx (0,1) (-1,0) (1,0) (0,-1) 10 -1 -1 1 eixo dos cossenos (0,1) (-1,0) (1,0) +- - + (0,-1) 66 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 O sinal do cosseno x será positivo, se x estiver no 1° e no 4° quadrantes, e negativo no 2° e 3° quadrantes. Para a função cosseno, temos: D(f) = IR Im (f) = {y ∈ R / –1< y <1} período p = 2π gráfico: y -1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 -1 π 2π x π/2 3π/2 + + f(x)= cosx - - + + 5.4.3 Função tangente Definimos como função tangente a função f: D → IR dada por f(x) = tg x, no qual D x IR= ∈ ≠ + ∈{ / x (2k 1) 2 , k Z } π O valor da tangente de x é a medida OS, conforme veremos na figura a seguir: 10 -1 - 1 eixo das tangentes tgx 0 S x O sinal da tg x será positivo, se x estiver no 1° e no 3° quadrantes, e negativo no 2° e 4° quadrantes. Para a função tangente, temos: D(f) = {x IR∈ ≠ + ∈ / x (2k 1) 2 , k Z } π 67 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Im (f) = IR período p = π gráfico: 1 2 3 4 5 6 7 8-1 1 2 -1 -2 2ππ/2 3π/2 f(x)= tgx π x y 5.5 Assíntotas Assíntotas são retas das quais o gráfico das funções se aproxima, porém, não corta e nem tem ponto comum com elas. Podemos ter assíntotas horizontais, verticais ou inclinadas. Em nosso estudo, veremos as assíntotas verticais e as horizontais. 5.5.1 Assíntotas horizontais São retas paralelas ao eixo x. As funções exponenciais e algumas funções racionais têm assíntotas horizontais. Votaremos a estudar esse tema na unidade III. • Assíntota de uma exponencial: Exponencial é uma função do tipo f(x) = c + b amx, com a > 0, a ≠1, b ≠ 0 e m ≠ 0. A família das funções exponenciais tem assíntota horizontal com equação y = c. Exemplo: a) y = 2x x y = 2x (x,y) -2 y = 2-2 (-2, 1/4) -1 y = 2-1 (-1,1/2) 0 y = 20 (0,1) 1 y = 21 (1,2) 2 y = 22 (2,4) 68 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 x y 4 1 -1 3 -2-3-4 -1 1 2 2 Observando o gráfico da função, notamos que ele se aproxima do eixo x. Na medida em que vamos diminuindo os valores de x, os valores de y também diminuem se aproximando cada vez mais de zero. Assim, a assíntota horizontal de f(x) = 2 x será a reta y = 0. b) f(x)=2+5x Observando o gráfico, notamos que a assíntota horizontal é a reta y = 2: x y = 2 + 5 x (x, y) -2 2 + 5 -2 (-2, 2.04) -1 2 + 5 -1 (-1, 2.2) 0 2 + 5 0 (0, 3) 1 2 + 5 1 (1, 7) x y 4 1 -1 3 -2-3-4 -1 1 2 2 -5 5 6 7 c) f(x) = –4 + 3 2x 69 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Não é necessário construir o gráfico para determinar a assíntota de uma função. Genericamente, podemos encontrar a assíntota vertical de uma função exponencial com equação f(x) = c + b amx simplesmente fazendo y = c. Em nosso exemplo, assíntota horizontal de f será a reta y = c, isto é, a reta y = –4. d) y = 12 – 2 . 3–x Nesse caso, a assíntota será a reta y = 12. • Assíntota de funções racionais Funções racionais são funções do tipo: f x p x q x ( ) ( ) ( ) = Estas funções podem apresentar assíntotas horizontais e verticais. Para determinar se uma função racional tem assíntota horizontal podemos observar o seu gráfico ou aplicar um conceito de limite que veremos mais adiante. Exemplo: Considerando a função racional f x x ( ) = 1 , podemos determinar se ela tem assíntota horizontal, construindo o seu gráfico. Veja a tabela de pontos: x -6 -4 -2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0,18 f(x) =(1/x) -0,167 -0,250 -0,500 -1,000 -1,250 -1,667 -2,500 -5,000 -5,556 x -0,16 -0,14 -0,12 -0,1 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 f(x) = (1/x) -6,250 -7,143 -8,333 -10,000 -12,500 -16,667 -25,000 -50,000 x 0 0,02 0,04 0,06 0,08 2 4 6 f(x) = (1/x) 50,000 25,000 16,667 12,500 0,500 0,250 0,167 70 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Assim: x y 4 1 -1 3 -2-3-4 -1 2 2 -5 5 6 7 -6-7-8-9 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 1 3 4 5 6 7 8 9 Observando o gráfico, vemos que a assíntota horizontal será a reta y = 0, ou seja, eixo x. Ela mostra o comportamento da função quando x é muito grande (x vai para +) ou muito pequeno (x vai para –). 5.5.2 Assíntotas verticais São retas paralelas ao eixo y. As funções logarítmicas e algumas funções racionais têm assíntotas verticais. Logarítmica: funções do tipo f(x)=loga mx+n, com a > 0, a ≠ 1 e (m x + n) > 0 têm assíntota vertical com equação x n m = − Determinamos a reta assíntota vertical da função f(x)=loga mx+n, determinando a solução da equação m x + n = 0. Exemplos: a) f(x)=log2 x tem assíntota vertical em x = 0 71 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Graficamente, temos: x f(x)=log2 x (x,y) 1 2 f(x)=log2 1/2=–1 (1/2,–1) 2 f(x)=log2 2=1 (2,1) 4 f(x)=log2 4=2 (4,2) 8 f(x)=log2 8=3 (8,3) y x-1 2 2 3 1 4 8 b) f(x)=log4 (x+3) Nesse caso, não faremos o gráfico da função, vamos determinar a assíntota vertical de f(x) por meio da solução de x + 3 = 0, isto é, x = –3. Assim, a reta x = –3 é assíntota vertical da função. Funções racionais: são funções do tipo f x p x q x ( ) ( ) ( ) = Para determinar a assíntota vertical de uma função racional, devemos determinar as raízes de q(x); os valores encontrados serão as assíntotas. Exemplos: 1) Observando o gráfico da função f x x ( ) = 1 , notamos que, além da assíntota horizontal, ela também tem assíntota vertical em x = 0. 72 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 x y 4 1 -1 3 -2-3-4 -1 2 2 -5 5 6 7 -6-7-8-9 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 1 3 4 5 6 7 8 9 2) Para função racional f x x x x ( ) = + − 2 2 5 , determinar se tem assíntota vertical: Devemos encontrar as raízes do denominador, esses valores são os pontos que estão fora do domínio da função. Assim, determinando as raízes de q(x), temos x 2 – 5 = 0 e então x = 5 e x = –5. As assíntotas verticaisserão as retas x = 5 e x = –5. Os gráficos de funções racionais serão feitos mais adiante, no módulo III. Para podermos entender melhor o comportamento da função, vamos tomar o gráfico pronto da função: 73 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel y x1 2 3 4 5 6 –1 –2 –3 –4 –5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10–1–2–3–4–5–6–7–8–9–10 assíntota vertical assíntota vertical Note que o gráfico se aproxima das retas x = 5 e x = –5, mas não passa por elas. Nesse gráfico, temos ainda outra assíntota (horizontal) que estudaremos mais adiante. Saiba mais Para saber mais sobre funções, leia o capítulo 2 de: FLEMMING, D. M., GONÇALVES, M. B. Cálculo A: funções, limite, derivação, integração. São Paulo: Prentice Hall, 2006. A seguir, você encontrará alguns exemplos para detalhar um pouco mais a teoria apresentada. Lembrete Estude os exemplos e depois tente refazê-los. 5.6 Ampliando seu leque de exemplos 1) Seja f: IR → IR, tal que f(x) = –16 + 4x, determinar o valor de x para o qual f(x) = 0 Resolução: Devemos igualar a expressão de f a zero e resolver a equação: –16 + 4 x = 0. 4x = 16, fatorando 16, temos 16 = 24, assim: 4x = 24 as bases ainda não são iguais, então, você deve fatorar a base 4 também para que possamos comparar as duas expressões, então, 22x = 24, logo, 2x = 4 e assim, x = 2. 74 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 2) A função Cn = 1.000. (1 + 0,2) n indica a capitalização composta de R$ 1.000,00 a uma taxa de juros de 20% a.a. (ao ano). Determinar o montante Cn, após 2 anos: Resolução: Devemos inicialmente verificar se a taxa de juros e o tempo estão na mesma unidade. Nesse caso, a taxa é anual e o período também. Substituindo n = 2 na função Cn, encontramos: Cn = 1.000. (1 + 0,2) 2 Cn = 1.000. (1,2) 2 Cn = 1.440,00 reais 3) A função logarítmica f(x) = 2.log2 (x–3) tem assíntota vertical, determine a equação desta assíntota. Resolução: A assíntota vertical indica que o domínio da função tem alguma restrição, isto é, valor que não pode ser substituído. No caso da função logarítmica, não podemos fazer o cálculo para valores negativos, ou seja, x – 3 ≠ 0. Resolvendo a equação, temos x ≠ 3. Logo, no domínio da função, temos um ponto que deve ser excluído, assim, a reta x = 3 é a assíntota vertical. 4) Sendo f(x) = |2x – 4|, determinar o valor de f(–5) Resolução: Para calcular o valor de f(–5), devemos substituir o valor de x na expressão da função: f (–5) = |2. (–5) – 4| = |–10 – 4| = |–14| = 14. Lembrete Observe que você deve efetuar todas as contas dentro do módulo e só depois utilizar a definição de módulo para encerrar o exercício. 75 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 5) Esboçar o gráfico da função y = 3. sen x, a seguir, determinar o domínio e a imagem de f Resolução: Para esboçar o gráfico da função, vamos utilizar uma tabela de pontos: x y = 3 . senx (x, y) 0 y = 3 . sen0 = 0 (0, 0) π/2 y = 3. sen π/2 = 3 (π/2, 3) π y = 3. sen π = 0 (π, 0) 3π/2 y = 3. sen (3π/2) = –3 (3π/2, –3) 2π y = 3. sen (2π) = 0 (2π, 0) 1 2 3 4 5 6 7 8-1 1 2 -1 -2 2π π/2 3π/2π x y -3 -2 3 O domínio da função é Df = IR e Im f = { y ∈IR | –3 ≤ y ≤ 3}. Lembrete O domínio da função não se altera por multiplicar o seno por 3, mas a imagem se altera ao multiplicarmos por um número, assim, a imagem foi multiplicada por 3. 6) Esboce o gráfico da função f(x) = cos(2x) e compare o período da nova função com o período de f(x) = cos x: x y = cos(2x) (x, y) 0 y = cos 0 = 1 (0, 1) π/2 y = cos 2. π/2 = cos π (π/2, –1) π y = cos 2π = 1 (π, 1) 3π/2 y = cos (3π) = –1 (3π/2, –1) 2π y = cos (4π) = 1 (2π, 1) 76 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 1 2 3 4 5 6 7-1 1 -1 2π 3π/2 π/2 π x y -2 Observando o gráfico da função e comparando com o gráfico de f(x) = cos x, notamos que o período da função f(x) = cos(2x) é igual a π, enquanto o período de f(x) = cos x é igual a 2 π. 7) Determine o domínio da função tg(4x) Resolução: Sabemos que o domínio da função g(x) = tg x é dado por: D x IR x kg = ∈ ≠ + | , π π 2 k inteiro Para determinar o domínio da função f(x) = tg 4x, devemos ter: 4 2 8 4 x k x k≠ + ⇒ ≠ +π π π π com k inteiro, Assim: D x IR x k f = ∈ ≠ + | , π π 8 4 k inteiro 6 LIMITE 6.1 Uma visão intuitiva Estudaremos a noção intuitiva de limite. Você encontra a definição formal nos livros indicados na bibliografia. Estudar o limite de uma função f é querer saber o comportamento de f(x) quando x está próximo de um determinado número, sem, no entanto, ser necessariamente igual a ele. Tomemos a função f(x) = x + 3, isto é, y = x + 3, queremos saber o que ocorre com f(x) quando x se aproxima de x0 = 2. Para isso, vamos construir duas tabelas de pontos com valores de x próximos de 2, uma para valores maiores e outra para valores menores que 2. 77 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Considere as tabelas: valores menores que 2 valores maiores que 2 x Y x y 1 4 2,001 5,001 1,3 4,3 2,01 5,01 1,5 4,5 2,08 5,08 1,7 4,7 2,1 5,1 1,8 4,8 2,2 5,2 1,9 4,9 2,4 5,4 1,93 4,93 2,7 5,7 1,99 4,99 2,9 5,9 A primeira tabela apresenta x se aproximando de 2 por valores menores que ele (pela esquerda) e a segunda tabela apresenta esta aproximação por valores maiores que 2 (pela direita). Observando as duas tabelas, notamos que quanto mais próximo o valor de x está de 2 mais o valor de y se aproxima de 5. Dizemos, então, que o limite de f(x) é 5, quando x tende a 2 por valores à direita, isto é, valores maiores que 2, e utilizamos a seguinte notação para indicar esse limite: lim ( ) x 2 → + + =x 3 5 Lemos: limite de (x+3), quando x tende para 2 pela direita é 5. Da mesma forma, temos que o limite de f(x) é 5, quando x tende a 2 por valores à esquerda e escrevemos: lim ( ) x 2 -→ + =x 3 5 Lemos: limite de (x+3), quando x tende para 2 pela esquerda é 5. Chamamos esses limites de limites laterais. Graficamente, temos: 78 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 L y C x L y C x Dizemos que existe o limite da função para x tendendo a x0, quando existirem os limites laterais e eles forem iguais, isto é: lim ( ) lim ( ) lim ( ) x x x f x L f x f x L c c c - → → + → = ⇔ = = Exemplos: 1) x x → + 2 3lim( ) Conforme já vimos, os limites laterais existem e são iguais, assim, x x → + = 2 3 5lim( ) . 2) x→ + + 2 (-x 2x 3) 1 lim Podemos também determinar o valor do limite, observando o gráfico da função. Construindo o gráfico da função, temos: y x -2 -1 0 1 2 3 4 4 3 2 1 Verificando o comportamento da função à direita e à esquerda de x0 = 1, temos: lim ( ) lim ( ) lim x x x x x x 1 - 1 logo → → + − + + = − + + =2 22 3 2 3 4 xx x x 1 → − + + =( )2 2 3 4 79 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVelA seguir, vamos relacionar alguns teoremas sobre limites; nesse texto não faremos a demonstração desses resultados, você pode encontrar as demonstrações nos livros indicados na bibliografia. • Teoremas - Unicidade do limite “Se o limite de f quando x tende para c existe, então, esse valor é único.” - Teorema do confronto “Se em uma região próxima de c uma função f está entre outras duas g e h que têm o mesmo limite finito L, quando x tende para c, então o limite de f, quando x tende para c, também será igual a L.” g x f x h x( ) ( ) ( )≤ ≤ = = ⇒ → → → e lim g(x) lim h(x) L lim x c x c x c f(x) L= Graficamente, temos: f(x)L h(x) g(x) c Limite do produto de uma função que tende a zero por outra que é limitada. “O produto de uma função f que tem limite igual a zero, quando x tende para c, por uma função g limitada é igual a zero.” Se a função g é limitada, isto é, –M ≤ g(x) ≤ M, então lim ( )x g x M c→ ≤ . lim g(x) e lim f(x) lim f(x).g( x c x c x c→ → → ≤ = ⇒M 0 xx) 0= Lembrete Você pode encontrar as demonstrações desses teoremas nos textos indicados na bibliografia. 80 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 6.1.1 Função contínua Intuitivamente, uma função f não é contínua em x = x0, x0 um ponto do seu domínio, se seu gráfico apresenta um “salto” ou buraco nesse ponto. Do contrário, f é chamada função contínua. Observe os gráficos das funções abaixo, todas com domínio IR: x ƒ(x) ƒ(xo) xo a) x ƒ(x) ƒ(xo) xo b) x ƒ(x) ƒ(xo) xo c) A função do item a não é contínua em x0, pois o gráfico apresenta um buraco nesse ponto, enquanto as funções dos itens b e c apresentam “saltos” no ponto x0. Notemos que essas funções são contínuas em todos os outros pontos de seu domínio. São exemplos de funções contínuas as funções polinomiais, exponenciais e logarítmicas. Uma função f é contínua em x0, se e somente se o limite de f, quando x tende para x0, é igual ao valor da função no ponto, isto é: f é contínua em x0 0 ⇔ = →x x f x f xlim ( ) ( )0 Lembrete Para verificar se uma função é contínua em um ponto x0, devemos verificar as 3 condições: a) f(x0) existe, isto é, x0 ∈ Df. b) O limite de f(x) quando x tende a x0 existe. c) O limite for igual a f(x0). Um resultado importante das funções contínuas é o teorema do valor intermediário. Esse teorema permite que se encontre um intervalo no qual temos, com certeza, uma raiz da função. 81 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel • Teorema do valor intermediário “Se f(x) é contínua num intervalo fechado [a, b] e L, tal que f(a) ≤ L ≤ f(b), então existe c ∈ [a, b] com f(c) = L.” L a c b Observação Para algum valor entre a e b, temos f(c) = L. Exemplos: 1) A função f(x) = x2 – 1 é contínua em x0 = 2, pois, observando o gráfico de f, notamos que x x → − = 2 2 1 3lim( ) e f(2) = 2 2 – 1 = 3: x0 3 y xo=2–1 2) A função f x x ( ) = + > ≤ 1 2 se x 3 se x 3 não é contínua em x = 3, pois não existe limite para x tendendo a 3, conforme podemos ver no gráfico, os limites laterais são diferentes. Para valores maiores que 3, a função tende a 4 e para valores menores que 3, a função tende a 2: 82 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 y f(x) = 2 x 4 2 f(x) = x+1 1 3 Vejamos agora alguns resultados importantes sobre funções contínuas. Consideremos f e g funções contínuas em x0, x0 um ponto do intervalo I, sendo I um subconjunto de Df ∩ Dg, temos: a) f + g é contínua em x0. b) f – g é contínua em x0. c) f. g é contínua em x0. d) k. f é contínua em x0, com k ∈ IR. e) f g é contínua em x0, com g ≠ 0. f) Uma função será contínua em um intervalo, se for contínua em todos os pontos do intervalo. 6.1.2 Propriedades operatórias dos limites Com estas propriedades, poderemos calcular o limite das funções sem o uso de gráficos e também sem o uso de tabela de pontos, elas permitem que os cálculos sejam feitos mais rapidamente. Sejam f e g funções contínuas em seu domínio, temos as propriedades: 1) f x k f x k x x ( ) , ( )lim= ⇒ = → k constante 0 Exemplos: a) x→ 1 3lim Note que queremos calcular o limite de f(x) = 3 que é uma função constante, logo, x→ = 1 3 3lim . b) limx 1 → −10 83 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Novamente, queremos calcular o limite de uma função constante, assim: lim x 1 → − = −10 10 2) x x x x x x f x a g x b → → → = = ∈ ∈ ⇒ 0 0 0 lim lim( ) ( ) , e com a IR e b IR llim ( )f x a b g(x)±[ ] = ± Exemplos: a) x x → + 1 1lim( ) Para calcular o limite da função f(x) = x + 1, você deve observar que ela é formada pela soma de duas funções, assim: x x x x x → → → + = + = + = 1 1 1 1 1 1 1 2lim lim lim( ) b) x x x → − + 0 2 2 3lim( ) x x x x x x x x → → → → − + = − + = − + . 0 3 0 2 0 2 0 0 22 3 2 3 0 2lim lim lim lim( ) == 3 c) x x x → − + 0 2 2 3lim( ) x x x → − + − = −( ) + − = − + − = 1 2 . (-1)lim( )3 2 35 2 1 5 2 1 5 2 2 3) x x x x x x f x a g x b → → → = = ∈ ∈ ⇒ 0 0 lim lim( ) ( ) , e com a IR e b IR 00 lim ( ). .f x abg(x)[ ] = Exemplos: a) lim . (x-5) x 2→ + +( )2 12x x Devemos calcular cada um dos limites e depois multiplicar os resultados, assim: x x x x x x x → → → + + = + + = .(x-5) . (x-5) (2.2 2 2 2 2 2 2 1 2 1lim lim lim( ) ( ) 22 .(2-5) 11.(-3) -33+ + = =2 1) b) lim .(x 2) x -1→ − + +( )x x3 2 5 84 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 lim .(x 2) lim . lim x -1 x -1 x → → − + + = − +( ) ( )x x x x3 32 5 2 5 -1 -2(-1) 5 .(-1 2) .1 6 → + = = − +( ) + = = ( ) ( ) x 2 1 63 4) x x x x n nf x a f x a → → = ∈ ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , [ ( )] com a IR e n IN* Exemplos: a) lim .2 6) x 2 7 → − + = − + = =( ) (2 6 2 2 1287 7x b) lim 1) x - 3 3 → − + = − − + = =( ) ( ( )x 1 3 4 643 3 5) x x x x f xf x a b b → + → = ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , ( ) com a IR f(x) Exemplos: a) lim x 3→ = =4 4 643x b) lim x 4→ − = − =( ) ( )2 2 164x 6) x x x x nf x a a → + → = ∈ ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , com a IR e n IN f(x)* n Exemplos: a) lim x x 4→ + = + = =2 29 4 9 25 5 b) lim ( ) x x -1→ + = − + = =2 23 1 3 4 2 7) x x x x f x a → + + → = ∈ ∈ ≠ ⇒ 0 0 lim lim( ) , com a IR e b IR , b 1 log* * bf((x) = logba Exemplos: x x → + 7 2 1limlog( ) x x → + += = = 7 2 1 2 7 1 2 8 3limlog log log( ) ( ) 85 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 8) x x x x x x f x a g x b → → → = = ∈ ∈ ⇒ 0 0 0 lim lim l( ) ( ) , e com a IR e b IR* iim f(x) g(x) = a b Exemplos: x x x x x x x→ → → − + = − + = − + = 4 2 4 2 4 216 4 16 4 4 16 4 4lim lim lim ( ) ( ) 00 8 0= Notemos que, em alguns casos, a substituição do valor de x0 gera uma indeterminação, nesses casos será necessário uma simplificação das funções para calcular o limite. x x x→ − + - 4 2 16 4lim O valor x = –4 não pode ser substituído,pois gera uma indeterminação, isto é, 0 0 . Devemos então fatorar o numerador e, após a simplificação, calcular o limite. Como x2 – 16 = (x – 4). (x + 4), temos: x x x x x x x→ → → − + = − + + = - - - . (x 4) 4 2 4 4 16 4 4 4lim lim ( ) llim ( )x − = − − = −4 4 4 8 Lembrete Esse procedimento deve ser feito toda vez que chegarmos a uma indeterminação. x x x→ − − 4 4 2lim O valor x = 4 não pode ser substituído, pois teremos uma indeterminação. Devemos então racionalizar o denominador e, após a simplificação, calcular o limite. Para a racionalização, vamos multiplicar e dividir a função por x +( )2 , assim: 86 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 x x x x x x x x x→ → → − − = − − + + = . (x- 4 4 4 4 2 4 2 2 2lim lim lim 44). (x-4). ( -4) x x x xx +( ) ( ) − = = +( ) → 2 2 2 2 2 4 lim = +( ) = + = →x x 4 2 4 2 4lim Esse procedimento deve ser feito toda vez que chegarmos a uma indeterminação envolvendo radicais. 6.1.3 Limites envolvendo infinito Algumas vezes, precisamos calcular limites de funções com características especiais. Nesses casos, o estudo requer técnicas diferentes das que você estava utilizando até agora, devemos observar o comportamento das funções. Estudaremos agora dois desses casos: limite quando x tende para + ∞ ou – ∞ e limites que têm como resultado infinito. • 1º caso: x tende para + ∞ ou – ∞. Veremos agora alguns limites de funções reais, quando x tende para + ∞ ou – ∞. Dependendo da função, o resultado desses limites pode ser tanto um número real quanto + ∞ ou – ∞. Estudaremos agora algumas destas funções: x nx→+ ∞ = > n 0lim , 1 0 Exemplos: 1 1 ) lim x x→+ ∞ Para entender o resultado desse limite, vamos esboçar o gráfico da função e observar o seu comportamento quando x → + ∞. Montando uma tabela de valores para x, notamos que como x tende para +∞, devemos colocar valores grandes para x, assim: 87 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel x y = 1/x (x, y) 1 y = 1/1=1 (1, 1 ) 10 y = 1/10 = 0,1 (10, 0.1) 100 y = 1/100 = 0,01 (100, 0.01) 1000 y = 1/1000 = 0,001 (1000, 0.001) Graficamente: x 3 y x → ∞1 2 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 Quando calculamos os valores de f(x) para valores muito grandes, notamos que os resultados são cada vez menores, aproximando-se de zero, assim: x x→+ ∞ = lim 1 0 Como será o comportamento da função, quando x se aproxima de – ∞? Para saber, vamos esboçar o gráfico para valores de x muito pequenos, tendendo para – ∞: x y = 1/x (x, y) –1 y = 1/–1= –1 (–1, –1 ) –10 y = 1/–10 = – 0,1 (–10, – 0.1) –100 y = 1/–100 = – 0,01 (–100, – 0.01) –1000 y = 1/–1000 = – 0,001 (–1000, – 0.001) Representando os pontos no plano, temos: 88 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 x y x → –∞ 1 1–2–3–4–5–6–7 –1 –1 –2 –3 –4 –5 Notamos que o mesmo ocorre, quando x tende para – ∞, isto é, lim x - → ∞ =1 0 x Lembrete Você não terá que fazer o gráfico da função em todos os exercícios, basta pensar no comportamento da função para valores muito grandes. 2) x x→+ ∞ + lim 2 1 2 Quando x tende para + ∞, temos 1 2x tende para zero, logo, 2 1 2+ x tende para 2, isto é, x x→+ ∞ + = lim 2 1 22 . é par é ímpar x n x n x x →+ ∞ → − ∞ = +∞ > = +∞ −∞ n 0 se n se lim lim , , , nn Exemplos: 1) x→+ ∞ 4 xlim 3 Como x tende a + ∞, temos x→+ ∞ = + ∞ 4 x lim 3 . 2) x→ − ∞ 3 xlim 5 89 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Como x tende a – ∞ e n = 3 é impar, temos x→ − ∞ = − ∞ 3 x lim 5 . 3) x x x→+ ∞ − + lim 5 2 4 Para valores muito grandes, tanto o numerador quanto o denominador da função tendem para + ∞, temos o caso ∞ ∞ , que é uma indeterminação. Para resolver, devemos colocar o x de maior grau do numerador e o x de maior grau do denominador em evidência. Após a simplificação, podemos calcular o limite: x x x x x x x x →+ ∞ →+ ∞ − + = − + lim lim 5 2 4 1 5 2 4 = − + = →+ ∞x x x lim 1 5 2 4 1 2 4) x x x→ ∞ − + − - 2 lim x3 7 10 8 Tanto o numerador quanto o denominador tendem para ∞. Podemos resolver de forma diferente da que foi utilizada no exemplo anterior. Tomamos apenas o termo de maior grau, simplificamos e calculamos o limite, assim: x x x x x x→ ∞ → ∞ → − + − = = - 2 - 2 - lim lim x x3 7 10 8 3 ∞∞ = −∞lim 3x • 2º caso – limites que têm como resultado infinito Estudaremos agora limites cujo resultado será + ∞ ou – ∞. Vejamos alguns exemplos: 1) lim x → 0 1 x Vamos analisar o gráfico da função para valores próximos de zero e como 0 ∉ Df, devemos substituir valores pela direita e pela esquerda de zero. 90 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Para valores maiores que 0, isto é, à direita de 0, temos: x y = 1/x (x, y) 0,5 y = 1/0,5 = 2 (0.5, 2 ) 0,1 y = 1/0,1 = 10 (0.1, 10) 0,01 y = 1/0,01 = 100 (0,01, 100) 0,001 y = 1/0,001 = 1000 (0,001, 1000) Representando os pontos no plano cartesiano: x 3 y + ∞ 1 2 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 Observando o gráfico e a tabela, notamos que quando x se aproxima de zero, a função vai para + ∞, logo, o limite pela direita é + ∞. lim x → + = + ∞ 0 1 x Devemos estudar agora os valores menores que 0, isto é, à esquerda de 0, temos: x y = 1/x (x, y) –0,5 y = 1/–0,5 = –2 (–0.5, –2 ) –0,1 y = 1/–0,1 = –10 (–0.1, –10) –0,01 y = 1/–0,01 = –100 (–0,01, –100) –0,001 y = 1/–0,001 = –1000 (–0,001, –1000) Representando no plano cartesiano: 91 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel x y –∞ 1 1–2–3–4–5–6–7 –1 –1 –2 –3 –4 –5 –6 Observando o gráfico e a tabela, notamos que quando x se aproxima de zero, a função vai para – ∞, logo, o limite pela esquerda é – ∞, isto é, lim x → − = − ∞ 0 1 x . Como os limites laterais são diferentes, temos que lim x → 0 1 x não existe. Juntando os dois gráficos, temos o gráfico da função f(x) = 1/x: x y 4 1 -1 3 -2-3-4 -1 2 2 -5 5 6 -2 -3 -4 -5 1 3 4 5 6 7 Vamos agora estudar o comportamento da função f(x) = 1 / x2, quando x tende a zero. 2) lim x → 0 2 1 x 92 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Vamos analisar o gráfico da função para valores próximos de zero e como 0 ∉ Df, devemos substituir valores pela direita e pela esquerda de zero. Para valoresmaiores que 0, isto é, à direita de 0, temos: x y = 1/x2 (x, y) 0,5 y = 1/0,52 = 4 (0.5, 4 ) 0,1 y = 1/0,12 = 100 (0.1, 100) 0,01 y = 1/0,012 = 10000 (0,01, 10000) 0,001 y = 1/0,0012 = 1000000 (0,001, 1000000) Representando no plano cartesiano: x 3 y + ∞ 1 2 4 1 2 3 4 5 6 7 –1 Observando o gráfico e a tabela, notamos que quando x se aproxima de zero, a função vai para + ∞, logo, o limite pela direita é + ∞. lim x → + = + ∞ 0 2 1 x Devemos estudar agora os valores menores que 0, isto é, à esquerda de 0, temos: x y = 1/x2 (x, y) –0,5 y = 1/(–0,5)2 = 4 (–0.5, 4 ) –0,1 y = 1/(–0,1)2 = 100 (–0.1, 100) –0,01 y = 1/(–0,01)2 = 10000 (–0,01, 10000) –0,001 y = 1/(–0,001)2 = 1000000 (–0,001, 1000000) 93 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel x y 4 1 -1 3 -2-3-4 -1 2 -5 5 6 1 + ∞ -6 Observando o gráfico e a tabela, notamos que quando x se aproxima de zero, a função vai para + ∞, logo, o limite pela esquerda é + ∞, isto é, lim x - → = + ∞ 0 2 1 x . Como os limites laterais são iguais e temos que lim x → = + ∞ 0 2 1 x unindo os dois gráficos, temos o gráfico da função f(x) = 1/x2: -1-2-3-4-5-6 x 3 y 1 2 4 1 2 3 4 5 6 7 –1 –2 5 6 3) lim x x→− + = 1 1 1 A função f(x) = 1/(x+1) terá o mesmo comportamento da função g(x) = 1/x, assim, temos que o limite para x tendendo a –1 não existe, logo: 94 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 lim x x→− + 1 1 1 não existe. 4) lim x x→− +( ) 1 2 1 1 A função f(x) = 1/(x+1)2 terá o mesmo comportamento da função g(x) = 1/x2, assim, temos que o limite para x tendendo a zero será igual a + ∞, isto é: lim ( )x → + = + ∞ 0 2 1 1x 6.1.4 Limites fundamentais Temos alguns casos de indeterminações que não são facilmente eliminadas, como nos casos anteriormente estudados. Esses são os limites fundamentais, vejamos alguns deles: 1º caso: lim x 1 → = 0 sen x x Exemplos: 1) lim x 3 → 0 sen x x Para calcular o limite da função, vamos utilizar o limite fundamental, para isso precisamos ter o denominador igual ao arco, assim, devemos multiplicar e dividir por 3, temos: lim lim x x 3 3 . 3 3 → → = 0 0 sen x x sen x x Arrumando o denominador, ficamos com: lim lim x x 3 3 3 → → = 0 0 3 sen x x sen x x Temos, então, o limite fundamental multiplicado por 3, logo: lim lim x x 3 3 .1 → → = = = 0 0 3 3 3 sen x x sen x x 33 95 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 2) lim x 3 → 0 5 sen x sen x Para calcular o limite da função, vamos utilizar o limite fundamental. Como temos a função seno, tanto no numerador quanto no denominador precisamos multiplicar por 15x e dividir por 15x, então: lim lim x x 3 5 3 sen 5 → → = 0 0 sen x sen x sen x x . 5x 3x . 3 5 Arrumando convenientemente os valores, temos: lim lim x x 3 5 3 3 → → = 0 0 sen x sen x sen x x . 5x sen 5x . 3 5 Temos, então, dois limites fundamentais multiplicados pela fração 3/5, assim: lim lim x x 3 5 3 5 3 3 → → = 0 0 sen x sen x sen x x = = → . 5x sen 5x 3 5 .1.1 3 5 x lim 0 2º caso: lim lim x x x x e; e → +∞ → −∞ + = + =1 1 1 1 x x e = nº de euler. Valem também os seguintes resultados: lim lim x a x a x x ae ; e → ± ∞ → ± ∞ + = + =1 1 1 x a x Saiba mais Para mais detalhes sobre número de euler e o limite fundamental, acesse: <http://www.educ.fc.ul.pt/icm/icm99/icm17/numeroe.htm>. 96 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Exemplos: 1) lim x 5 x → + ∞ + 1 1 x É um caso de limite fundamental no qual a = 5, logo: lim x 5 x 5=e → + ∞ + 1 1 x 2) lim x x → + ∞ + 1 4 x É um caso de limite fundamental no qual a = 4, logo: lim x 5 x 4e → + ∞ + =1 1 x A seguir, vamos reunir as propriedades para facilitar o seu estudo: Propriedades operatórias dos limites: 1) f x k f x k x x ( ) , ( )lim= ⇒ = → k constante 0 2) x x x x x x f x a g x b com a e b IR f x → → → = = ∈ ∈ ⇒ 0 0 0 lim lim lim( ) , ( ) , e IR (( ) ± ( ) = ±g x a b 3) x x x x x x f x a g x b com a e b IR f x → → → = = ∈ ∈ ⇒ ( 0 0 0 lim lim lim( ) ( ) , e IR ))⋅ ( ) = ⋅g x a b 4) x x x x n f x a com a e n IN f x a → → = ∈ ∈ ⇒ ( ) = 0 0 lim lim( ) , * IR 5) x x x x f x f xf x a com a b b → + → ( ) ( )= ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , IR 6) x x x x nf x a a → + → = ∈ ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , com a IR e n IN f(x) * n 7) x x x x b f xf x a b lo → + + → ( )= ∈ ∈ ≠ ⇒ = 0 0 1lim lim( ) , , log* com a IR e n IR 97 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 8) x x x x x f x a g x b IR → + → → = ∈ ( ) ∈ ∈ ⇒ 0 0 lim lim( ) , * e IR e =b, com a IR e xx f x g x a b 0 lim ( ) ( ) = Limites infinitos e fundamentais: lim , x n 0 → ∞ = >1 0 xn lim , x n 0 → ∞ = +∞ >xn lim , ,x → ∞ = +∞ −∞ xn se n é par se n é ímpar lim x → = +∞ 0 2 1 x lim x 1 → = 0 sen x x lim lim x x x x =e e → +∞ → −∞ + + = 1 1 1 1 x x 6.2 Ampliando seu leque de exemplos 1) Determinar o valor do limite x lim → +1 f x( ) , sendo f x x ( ) = + > ≤ 1 se x 1 3x se x 1 Resolução: Como queremos o limite para x tendendo a 1 pela direita, devemos usar a expressão da função para esse intervalo, isto é, f(x) = x + 1 e calcular o limite. Assim: lim ( ) lim x x f x x 1 - 1 - 1 1 2 → → = + = + =1 98 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 2) Determine o valor de a para a função f x( ) = + > = + < x 2x se x 5 a se x 5 x 30 se x 5 2 , seja contínua em xo = 5 Resolução: Para verificar se uma função é contínua em 5, devemos calcular o limite de f, quando x tende para 5, e comparar com f(5). Se forem iguais à função, será contínua, caso contrário, não será contínua. Para calcular o limite de f, devemos calcular os limites laterais, assim: lim ( ) lim x x f x x 5 - 5 - 5 → → = + =30 3 lim ( ) lim x x f x x x 5 5 25 .5 25 10 35 → + → + = + = + = + =2 2 2 Os limites laterais são iguais, logo existe o limite e lim ( ) x f x 5 5 → = 3 Para ser contínua em 5, ainda falta igualar f(5) ao valor do limite, assim: f(5) = a = 35. Logo, o valor de a para que a função seja contínua em x0 = 5 é a = 35. 3) Calcular valor do limite x 2 lim x x 20 x 5→ − − − 5 Resolução: Para se calcular o limite, a primeira providência é substituiro valor de x0 na função. Se a conta for possível, o limite está calculado, caso contrário, precisaremos utilizar outro procedimento para resolver o limite. Substituindo o valor de x na expressão, temos uma indeterminação. Vamos fatorar o numerador e simplificar a fração para eliminar a indeterminação: lim lim ) ) x x 5 2 5 x x 20 x 5 (x .(x 5 x 5→ → − − − = + − − =4 llim ) x 5 (x → + = + =4 5 4 9 99 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 4) Calcular o limite x - 4 3lim 2x 5 x 2→ ∞ + + + + 3 10 2 2 x x x Resolução: Novamente, temos uma indeterminação do tipo ∞ ∞ . Vamos calcular o limite utilizando o x de maior grau do denominador e o de maior grau do denominado. Assim: lim lim x xX - 4 2 3 - 4 3 2x 3x 5X x 2x x → ∞ → ∞ + + + + = 2 102 Simplificando a expressão, ficamos com: lim x→ ∞ = ∞ - 2 x - Logo, lim x x→ ∞ + + + + = −∞ - 4 2 3 2x 3x 5x x 2 102 5) Calcular o valor do limite x lim → − +( )4 2 1 4x Resolução: Substituindo x por –4, encontramos uma indeterminação. Nesse caso, não conseguimos eliminar a indeterminação por meio de fatoração. Será necessário outro procedimento. Estudando o comportamento da função à direita e à esquerda de –4, notamos que é o mesmo da função f(x) = 1 / x2, isto é, tanto pela esquerda quanto pela direita, teremos o mesmo valor: lim ( ) lim x xx x - - 1 1 → →+ = = +∞ 4 2 4 24 100 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Resumo Nessa unidade, estudamos mais algumas funções reais. Vamos agora destacar alguns itens importantes sobre elas: Função exponencial: f(x) = c + b amx, (a > 0, a ≠1, b ≠ 0 e m ≠ 0) Função logarítmica: f(x)=loga x, com a > 0, a ≠ 1 e x > 0 Função modular: f(x) = | x | y x x = = ≥ < | | se x 0 -x se x 0 Função seno: f(x) = sen x D(f) = IR Im (f) = {y IR∈ ≤ ≤ / -1 y 1} período p = 2π y -1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 -1 π 2π x π/2 3π/2 + + f(x)= senx - - Função cosseno: f(x) = cos x D(f) = IR Im (f) = {y IR∈ ≤ ≤ / -1 y 1} período p = 2π 101 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel y -1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 -1 π 2π x π/2 3π/2 + + f(x)= cosx - - + + Função tangente: f(x) = tg x D(f) = {x IR∈ ≠ + ∈ / x (2k 1) 2 , k Z} π Im (f) = IR período p = π 1 2 3 4 5 6 7 8-1 1 2 -1 -2 2ππ/2 3π/2 f(x)= tgx π x y Assíntotas: retas das quais o gráfico das funções se aproxima, porém não corta nem tem ponto comum com elas. Podemos ter assíntotas horizontais, verticais ou inclinadas. Limites: alguns resultados importantes sobre limites: • Teorema do confronto — g x f x h x( ) ( ) ( )≤ ≤ = = ⇒ → → → e lim g(x) lim h(x) L lim x c x c x c f(x) L= — lim g(x) e lim f(x) lim f(x).g(x) x c x c x c→ → → ≤ = ⇒M 0 == 0 • Função contínua f é contínua em x0 0 ⇔ = →x x f x f xlim ( ) ( )0 • Teorema do valor intermediário 102 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 “se f(x) é contínua num intervalo fechado [a, b] e L, tal que f(a) ≤ L ≤ f(b), então existe c ∈ [a, b] com f(c) = L.” • Propriedades 1) f x k f x k x x ( ) , ( )lim= ⇒ = → k constante 0 2) x x x x x x f x a g x b com a e b IR f x → → → = = ∈ ∈ ⇒ 0 0 0 lim lim lim( ) , ( ) , e IR (( ) ± ( ) = ±g x a b 3) x x x x x x f x a g x b com a e b IR f x → → → = = ∈ ∈ ⇒ ( 0 0 0 lim lim lim( ) ( ) , e IR ))⋅ ( ) = ⋅g x a b 4) x x x x n f x a com a e n IN f x a → → = ∈ ∈ ⇒ ( ) = 0 0 lim lim( ) , * IR 5) x x x x f x f xf x a com a b b → + → ( ) ( )= ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , IR 6) x x x x nf x a a → + → = ∈ ∈ ⇒ = 0 0 lim lim( ) , com a IR e n IN f(x) * n 7) x x x x b f xf x a b lo → + + → ( )= ∈ ∈ ≠ ⇒ = 0 0 1lim lim( ) , , log* com a IR e n IR 8) x x x x x f x a g x b IR → + → → = ∈ ( ) ∈ ∈ ⇒ 0 0 lim lim( ) , * e IR e =b, com a IR e xx f x g x a b 0 lim ( ) ( ) = • Limites infinitos e fundamentais lim , x n 0 → ∞ = >1 0 xn lim , x n 0 → ∞ = +∞ >xn lim , ,x → ∞ = +∞ −∞ xn se n é par se n é ímpar lim x → = +∞ 0 2 1 x 103 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel lim x 1 → = 0 sen x x lim lim x x x x =e e → +∞ → −∞ + + = 1 1 1 1 x x Exercícios Questão 1 No ano de 2005, uma empresa lançou um novo produto no mercado, com produção inicial de 2000 unidades. A quantidade P de unidades produzidas, a partir de 2005, segue a função p(t)=2000.(0,95)t, sendo que t representa o tempo em anos. Considerando-se que log(0,5)=–0,30 e log(0,95)=–0,02, após 2005, a produção será de 1000 unidades no ano de: (A) 2010 (B) 2015 (C) 2020 (D) 2025 (E) 2030 Resposta correta: Alternativa (C) Análise das alternativas: Considerando-se que o ano de 2005 é t = 0, fazemos: P(0)=2000.(0,95)0=2000.1=2000 O P(0) representa a quantidade de unidades do produto produzida no ano de 2005. Para sabermos em que ano a quantidade de unidades produzidas será de 1000, fazemos: P t t t t( ) .( , ) .( , ) ( , ) , (= ⇒ = ⇒ = ⇒ =2000 0 95 1000 2000 0 95 1000 2000 0 95 0 5 00 95, )t 104 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Podemos aplicar a definição de logaritmo em ambos os lados da equação (utilizar dica do enunciado). Logo: 0 5 0 95 0 5 0 95 0 5 0 95 0 30, ( , ) log( , ) log( , ) log( , ) .log( , ) ,= ⇒ = ⇒ = ⇒ −t t t == − ⇒ ⇒ = − − ⇒ = 0 02 0 30 0 02 15 , , , t t t Então, em 15 anos, a quantidade de unidades produzidas será de 1000. Sendo assim, como o ano inicial é 2005, fazemos: 2005 + 15 = 2020. Logo, a produção será de 1000 unidades no ano de 2020. Então: (A) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (B) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (C) Alternativa Correta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (D) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (E) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. Questão 2 (ENEM/2009) A população mundial está ficando mais velha, os índices de natalidade diminuíram e a expectativa de vida aumentou. No gráfico seguinte, são apresentados dados obtidos por pesquisa realizada pela Organização das Nações Unidas (ONU), a respeito da quantidade de pessoas com 60 anos ou mais em todo o mundo. Os números da coluna da direita representam as faixas percentuais. Por exemplo, em 1950 havia 95 milhões de pessoas com 60 anos ou mais nos países desenvolvidos, número entre 10% e 15% da população total nos países desenvolvidos. 105 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 35 30 25 20 15 10 5 0 1950 1970 1990 2010 2030 2050 Países desenvolvidos Países em desenvolvimentoEstimativas 1.592 461 269 Número em milhões 95 490 110 Fonte: “Perspectivas da popolação mundial”, ONU, 2009 Disponível em: www.economist.com. Acesso em: 9 jul. 2009 (adaptado). Suponha que o modelo exponencial y=363.e0,03.x, em que x = 0 corresponde ao ano 2000, x = 1 corresponde ao ano 2001, e assim sucessivamente, e que y é a população em milhões de habitantes no ano, x seja usado para estimar essa população com 60 anos ou mais de idade nos países em desenvolvimento entre 2010 e 2050. Desse modo, considerando e0,03=1,35, estima-se que a população com 60 anos ou mais estará, em 2030, entre: (A) 490 e 510 milhões. (B) 550 e 620 milhões. (C) 780 e 800 milhões. (D) 810 e 860 milhões. (E) 870 e 910 milhões. Resolução desta questão na plataforma. 106 Unidade II Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11
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