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.------ •.•.•......- _••..__ ....._---... -----.,.------ I (I) I o 2 3 4 ) I I ( I 23456 -D,S < x - 3 < D,S 2,5 < x < 3,5 (propriedade do valor absoluto) (somando 3) As solu~6es sao numeros reais do intervalo aberto (2,5; 3,5), conforme se ve na Figura 1.4. 2x> 10 (somando 7) x> 5 (dividindo por 2) As solu~6es sao dad as por (-00, 2) U (5, 00). Veja 0 grafico na Figura 1.5. Urn sistema de coordenadas retangulares e urna corres- pondencia entre pares orden ados [a, b] e pontos de urn plano, conforme ilustrado na Figura 1.6. 0 plano e charnado plano - coordenado ou plano-xy. Note que, neste contexto, (a, b) nao e urn intervalo aberto. Deve-se sempre ·deixar claro se (a, b) representa urn ponto ou urn intervalo. b ----~(a, I I I I I I a b) • (5,2) • (-5, -3) (0, -3) (5:-3) Formula da distfmcla (1.4) Formula do ponto medio (1.5) Demonstra-se que: A distiincia entre PI e P2 e d(P!, P0 = V(x2 - XI)! + (y! - y1J2 o ponto medio do segmentado PI p! e M(X':X2, Y':Yl) !y (n) d(A, lJ) SOLUC;AO ( S POIIIllS 'SI II IlIl1f '1Ilns .11. 111'"111 I, I, \I ","10 1\ Ii 111111111 ,'II' (I,ll) I) (I" ), 01\(1)1111\ : '11'1.11' (I): ::lll':lllllli~;'io de x pili X conduz a Illll llllt! cql1a~50 (b) M(-2 + 4 3 + (-2») =M(l 1) 2 '2, ','2 Uma equa~ao em x eye uma igualdade como 2x + 3y = 5, Y =,r - 5x + 2 ou T + sen x = 8. Uma solu~ao e urn par ordenado (a,b) tal que toma a equa~ao uma identidade quando substituimos x por a e y por b.O gnitIco da equa~ao consiste em todos os ponlos (a, b) em urn plano que correspondem a solu<;ao. Admitiremos que 0 \eitor ja tenha experiencia em esbo~ar graficos de equa<;6es basicas·em x e y. Certos graficos apresentam simelrias, conforrne se ve em (1.6), onde sao indicados testes que podem ser aplicados a uma equa~ao em x e y para determinar uma simetria. (ii) eixo - x y (iii) Origem AY (.>;y) /L; Teste (ii): Substitui~ao de x pOl' -x conduz a mesma equa~iio Teste (iii): Substitui~ao de x por -x e y por -y conduz a mesma equa~ao Os testes de simetria saG uteis no proximo exemplo, porque permitem esbo<;ar apenas a metade de urn grafico, refletindo-a em lomo de urn eixo ou da origem, conforme ilustrado em (1.6). Marcaremos varios pontos em cada grafico para ilustrar solu~6es da equa~ao; todavia, 0 principal objetivo ao fazermos 11mgnifico e obter !Ill! esbo~o preciso sem necessitar marcar mllitos (011 qllaisqller) pontos. 1(a)y=-,r 2 sOLUC;Ao (a) Pelo teste de simetria (i), 0 grafico de y = !,r e simetrico ... .2 em relac;ao ao eixo-y. Damos a seguir alguns pontos do griifico: 0 1 2 3 4 0 1 2 9 8y 2 2 r (4,2) A Y (2, 2)(4, 8) (9, 3) (1, 1 A marcac;ao de pontos, 0 trac;ado de uma curva suave pelos pontos e a utilizac;ao da simetria nos perrnitem fazer 0 esboc;o da Figura 1.8. 0 grafico e uma parabola com vertice (0, 0) e eixo ao longo do eixo-y. As parabolas sao estudadas em detalhe no Capitulo 12. (b) Pelo teste de simetria (ii), 0 grafico de y2 = X e simetrico em relac;ao ao eixo-x. Os ponlos acima do eixo-x sao dados por y =.fi. Alguns desses pontos sao (0, 0), (1, 1), (4, 2) e (9, 3). Grafando e usando a simetria obtemos a Figura 1.9. 0 grafico e uma parabola com vertice (0, 0) e eixo ao longo do eixo-x. Pelo teste de simetria (iii), 0 grafico de 4y = x' e simetrico em rel~c;aQ a origem. Alguns pont os do graficlniio (0, 0). (1, ~) e (2, 2). Marcando os pontos e usanclo a sil1lclrill obtemos 0 grafico da Figura 1.10. A Figura 1.11 ilustra urn circulo de centro CCh, k) e raio r. Se P(x, y) e urn ponto arbitrario do circulo, entao, pela f6rmula da distancia (1.4), d(P, C) = r, au [d(P,C)]2 = r 2. Isto conduz 11 equa«ao EquagBo de urn circulo (1.7) \"(X':':h)2+(Y-k)2=,i' Se 0 raio do circulo e 1, 0 circulo e charnado circulo unitario. A equa«ao do drculo unitario de centro na origem e Determinar a equa«ao do circulo de centro CC-2, 3) e que passa pelo ponto D(4, 5). o circulo est a ilustrado na Figura 1.12. Como De urn dos pontos do drculo, 0 raio r e d(C, D), ou seja, r=-I(_2_4)2+(3_5)2 =-136+4 =V40 Usando a equa«ao do drculo com h = -2, k = 3 e r = V40 ternos (x + 2)2 + (y - 3)2 = 40, No calculo, costurnamos considerar retas em urn plano coordenado. Suas equa«6es SaD dadas pel as seguintes f6rmulas. (II) Forma Ponto- -Coeficienle angular (ill) Forma Coeficienle angular- -Inlerceplo (1.9) da alguns tipos especiais de retas com seus coeficientes angulares. (i) Vertical: m nao-definido (i1) Paralelas: m I Horizontal: m = 0 ._."Esbo~e_ a.reia definida para cad a par de pontos e determine sell (C. epef\ciente angular. . (c) A(4,3) e B(-2,3) (d) A(4,-I)eB(4,4) SOLUC;Ao x B~~2:~)"'-l-+:+~+~'+-13!-J:)IHI+1 .~ -H-++r1' . r:'~ . t(4' -1) I I, 'I) IIII I 2-4 -2 1 3-(-1) =4""=-2 5-(-1) 6 3 2-(-2) -4"="2 3-3 0 4- (-2) =(; =0 (d) 4 - (-1) 5 -, d fi 'd N 'm= 4-4 =O,quenaoe eml o. otequearetae vertical. Urna equa~ao linear em x eye uma equa~ao da forma m: + by = C (ou ax + by + d = 0), com a e b nao simultaneamente nul os, 0 grafico de urna equa"ao linear e uma reta. 7-2 1 - (-3) Podernos usar as coordenadas deA ou deB para (xl' Yt) na forma "ponto-coef.angular'~. (1.8)(ii). Usando A(I, 7) temos: y-7 =~ (x-I), (a) Determine 0 coeficiente angular da reta 21: - 5y = 9. (b) Determine as equa,,6es das retas por P(3, --4), paralela e perpendicular 11 reta (a). SOLuC;Ao (a) Escrevendo a equa"ao como 5y = 2x - 9 e dividindo ambos os rnernbros por 5, obternos 2 9y=sx-s Cornparando esta equa"ao com a equa"ao geral y = mx + b, vernos que 0 coeficiente angular e m = ~ (b) Por (ii) e (iii) de (1.9), a reta por P(3, --4) paralela 11 reta (a) tern coeficiente angular ~ e a perpendicular, _~. As 2 equa,,6es correspondentes san y + 4 = ~ (x - 3), ou 2r - 5y = 26 e y + 4 = -% (x - 3), ou 5x + Zy = 7. Esboce os gnificos de 4x + 3y = 5 e 3x--Zy = 8, e ache 'sell puntu de intersec"ao. As duas equa,,6es sao lineares, logo, os gr('ficos s;,o rclas, I'ara tra"ar os graficos podernos usar os ioterccplos-x e us ;ntercep- tos-y, obtidos fazendo-sc x = 0 e y m 0 respcctivalll 'lite. As coordenadas do ponto P de intersec<;ao sao obtidas como solu<;ao do sistema: { 4x+ 3y =5 3x- 2y = 8 Para eliminar y do sistema, multiplicamos a primeira equa<;ao por 2 e a segunda por 3: { 8x+ 6y = 10 9x- 6y = 24 Somando membra a membra, obtemos: Esta e a coord enad a x do ponto de intersec<;ao. Para determinar a coordenada y de P, fazemos x = 2 em 4x + 3y = 5, obtendo Exeres. 1-8: Reesereva, sem usar 0 simbolo de valor ,ab~oluto. 1 ' (a) (-5)13 - 61 2 (a) (4)16- 71 3 (a) 14 -It I (b) I--6V(-2) (b) 5/1-21 (b)ln-41 (e) 1-71+141 (e) HI+I--91 (e) IY2 - 1,51 4 (a)1v'3 -1,71 (b)II,7-v'3f (c) 11-~1 5 13+x1 se x < -3 6 15- xl se x > 5 7 12- xl se x < 2 8 17+ xl se x >:-7 Exeres. 9-12: Res:olva por faloramento. 9 15x2 - 12 = -ax 10 15x2 - 14 = 29x 11 2x(4x + IS) = 27 12 x(3x + 10) = 77 Exeres. 13-16: Resolva a equa~ao ulilizando a f6r- mula quadnitiea. 13 x2 + 4x + 2 = 0 15 2x2 - 3x - 4 = 0 14 x2 - 6x ~ 3 = 0 16 3x2 + Sx + 1 = 0 Exeres. 17·38: Resolva a desigualdade e exprima a solu<;aoem termos de intervalos, quando possive!. 17 2x + 5 < 3x-7 18 x- 8> Sx + 3 2x-3 20 -2 < 4x + 1 ,,0193"-S-<7 3 21 x2 -x - 6 < 0 22x2+4x+3>:0 23x2-2x-S>3 24 x2 - 4x - 17" 4 25 x(2x + 3) >:S 26 x(3x-I)" 4 27~>2 28 x-2 ,,42x-3 3x+S 29 _1_>:_3_ 2 2 , x-2 x+l 30 2x+3" x-5 31 ~ + 31< 0,01 32 ~ - 41" 0,03 33 ~ + 21>: 0,001 34 ~ - 31> 0,002'...' 35 12x+ 51 < 4 36 13x - 71>:S 3716 - Sxl" 3 381-11-7xl > 6 Exercs. 39·40: Descreva 6 conjunto de ponios f(x, y) que satisfazem a condi<;aoindicada. I ~9 (a) x = -2 (b) y = 3 (c) x >: 0 (d)xy > 0 (e) y < 0 (I) ~I" 2 e 1>'1" 1 40 (a) y = -2 (b) x = - 4 (e) x/y < 0 (d) xy = 0 .. (e) y > 1 (I) Ixl >:2 e 1>'1>: 3 Exeres. 41·4: Determine (a) dCA, B) e (b) 0 ponto ~edio de AB. ' 43 Mostre que 0 triangulo com vertices A(8, S), B(I, -2) e C(-3,2) e retiinguto, ~ calcule sua area. 44 Mostre que os pontos A ('-4, 2), B(I, 4), C(3, -I) ., e D(-2, -3) sao vertices de um,quadrado. , .' ";~ "I 49 y = x3 - 8 51 y=Yx-453 (x + 3)2 + (y - 2)2 = 9 55 Y = - v"f6:XT 50 y = _x3 + 1 52 y = Yx- 4 54 x2 + (y - 2)2 = 2S 56 y=¥4=XT Exeres. 57-60: Determine a equa~ao do cueulo que satisfaz as condi~6es indieadas. 57 Centro C(2, -3), raio S. 58 Centro C(-4, 6), passando por P(I, 2). 59 Tangente a ambos os eixos, centro no segundo quadrante, raio 4. 60 Extremos de um diiimetroA(4, -3) e B(-2, 7). Exeres. 61-66: Ache a equa<;aoda rela que salisfaz as eondi¢es indicadas. 61 Passa por A(5, -3), coeficiente angular -4. 62. Passa por A(-I, 4), coeficiente angular i. 63 Intercepto-x 4, interceplo-y -3. 64 Passa por A(S, 2) e B(-I, 4). 65 Passa por A(2, - 4) e e paralela 11rela Sx - 2y " 'I. 66 Passa por A(7, -3) e e perpendicular 11 reta 2x - Sy = 8, i Exercs. 67-68:\Determine a equa<;ao da bisseclt rll perpendicular de ~:-., . -----:- Exeres. 69·72: Trace os graficos das relas e d Ic, mine seu ponto de intersec<;ao.' .70 4x + Sy = 13; 3x + Y =-4 71 2x + Sy = 16; 3x - 7y = 24 72 7x - By = 9; 4x + 3y = -10 1£J73Aproxime as coordenadas do pOlliO do 1111 Irl ( <;aodas retas . - 0.1 )x + (0.1l)\''Y = 1/,[5 (2,51)\"x + (6,27 - ..[f)y = V2 174 I\proxime a menor raiz da seguinte equa~ao: x2 _ (6,7 x 106)x + 1,08 = O. Para evitar caleular liln zero dessa raiz, escreva a formula quadnl.tiea omo 2c x~ -b±~ 75 A radIo na qual urn comprimido de vitamina C ome~a a dissolver-se:depeilde da area da super- ffcie do comprimido. Urna marca de comprimido I '111forma ciHndr';ca, cornprimento 2 cm, com 11'misferios de diametro 0,5 em cad a extremidade (veja a figura). Uma segunda marca de compri- Illi lu vai ser fabricada em forma cililldric~, com H,~ cm de altura. III) Del'lmine 0 djametro do segundo comprimi- ,Ill de modo que a area de sua superficie seja 111'11111\do primeiro comprimido. (10) Ill'lennine 0 volume de cada comprimido. /I, \1111Iltlll i ""lle <Je latas deseja fabricar uma lata I "' 111111111lle cilindro circular reto com 20 cm de 111111111cO I,HOO ellf de capacidade (veja a figura). I I, 1I'IIIIIne u raio interior r. II /I Ilil"'" 11\(,,111''"11 vidro de aumento simples, IHIP '11ndu "'11 1I111:lIcntc cOllvcxa. 0 objeto a ser 11\111\nilltill "!ll~ Ill'alizadu de maneira que sua distancia p da lente e menor que a distiineia focal f. A amplia~ao linear Mea razao do tamanho da imagem para 0 tamanho do objelo. Mostra-se em fisiea que M = f /(f-p). Se f = 6 .cm, a que distancia dalentedeve ser coloeado 0 objeio de modo que sua imagem seja nominimo Ires vezes o objeto? ,•••• r-~~"~---"----C_-_"'~j~..~....'.' ,l Objel~"'" ','. '---_.~ ; ; l..-p_:" . >--/----1 78 A medida que a altitude de uma nave espacial aumenta, 0 peso do astronauta diminui ate atingir urn est ado de imponderabilidade. 0 peso de urn astronaut a de 60 k, a uma altitude de x quilome- tros acima do mar, e dado por W=60(~)26400+x A que altitude 0 peso do astronauta sera inferior a 2k? 79 A distancia de frenagem d (em melros) de urn carro correndo a v km/b e dada aproximadamente por d = v + (1'2120). Delennine veloeidades que resultem em distiincias de frenagem inferiores a 25 m. 80 Para que um remedio produza 0 efeito desejado, sua coneentra~ao na corrente sanguinea deve estar acima de urn certo valor, 0 /Iivelteropelltico minima. Suponhamos que a concentra~ao de urn remedio t horas apos ser ingerido seja dada por c ;: 2011(12+ 4) mgfL. Se 0 nive! terapeutico minimo e 4 mg/L, determine quando este nlvel e exeedido. 81 A resislcneia eletrica R (em ohms) para'um fio de metal puro est a relaeionada com sua tempera- tura T (em "C) pela formula R. = Ro (1 + 01'). para constantes positivas a e Ro. (a) Para que temperatura se. tem R = RO? (b) Supondo que a resistencia seja O. ,(zero) se T = -27~. "C (zero absoluto), determine o. (c) Urn fio de praia tern uma resistenda de 1,25 ohms a O_°c. i..' que temperatura a resi~tencia c igual a 2 ohms? 112Os produtos famaceutieos devem especificar as dosagens recomendadas para adultos e crian~as. Duas formulas para modifica~iio da dosagem de adulto para uso por crian~as san: . on de a de nota a dose de "ciullO (elll lIlillgrllnll"l) eta idadc da crian~a (em anos). (a) se a = 100, fa~a 0 gnifieo das dllas c<Jua~<I's lineares no mesmo sistema de eixos para Os t s 12. (b) Para que idacle as duas formulas especificam a mesma dosagem? A oo<;ao de funr;'ii~ 6 fundamental para todo nosso trabalho em calculo. Definimos urna fun<;ao como segue: -;,; ·:'j.l·' :. ;1/' ".'·i_~··,. J I it \ •..• ; "'Uiria'ruii~ao- fdeum conjun1o D em. urn ·conj un to E e uma ;~ !:brr6spOlidenCiaAue .assoCi'a· a cadi elementox de D ex~tamentei.imelemCtito y de E. o elemento y de E e 0 valor de f em x e se denota pOI f(t) (le-se "f de x"). 0 conjunto D e 0 domfnio da fun<;ao. 0 !.<. : ;/' -'./. < contradominio f e 0 subconjunto de E que consiste em todos , J' 'L os valores possiveis f(x) para x em D. . Em geral ilustramos fum;oes como na Figura 1.15, onde os coojuntos DeE sao representados por pontos dentro de regiaes do plano. As setas curvas indicam que os elementos f(x), f(lV) , fez) e f(a) de E correspondem aos elementos x, IV, z e a-de D. E importante notar que a cada x em D esta associrido exOjomellte . um valor f(x) em E; todavia, diferentes elementos de I/, tais como w e z na Figura 1.15, podem originar 0 mesmo valor da fun<;ao em E. Nos Capitulos 1-14, a expressao "f Ii umoftlllr;iio" indica que 0 dominio e 0 contradominio de f san conjuntos de numeros rea is. Usualmen(e definimos lima 'fun<;ao f enunciando uma fonnula o~ ~egra para a:h.ar f(x),· tal. como f(x) = {x - ~. Supae-se entao que.o dommlO seJa 0 'conJunto de todos os reals tais que f(x) seja real. Assim, para f(x) ~~, 0 dominio e o intervalo infinito [2, 00). Se x esta no dominio, dizemos que f e defioida em x, ou que f(x) existe. Se oS c urn subconjunto do dominio, entao f e definida em S. A expressao f oao e definida em x significa que x nao esta no dominio'Qe f. lr- 1- , X ~ ') = ( , ) ) 1() ) I - 1,0,) ,.......,_1 ::: ') ': J , - 'J,) l I -, ~ 'j~ f(x) = ';4 +x I-x Determine 0 dominie de f. Determine f(5), f(-2), f(-a) e - f(a), SOLUI;Ao (a) Note-se que f e real se e somente se 0 radicando 4 + x e nao-negativo e 0 denominador 1 - x e diferente de zero. Assim, f(x) existe se e somente se ou, equivalentemente, x ;,;-4 ex;" 1. Logo, 0 dominio e [--4, 1) U (1, 00). (b) Para achar valores de f, substitufmos x pelos valores dados: f(5) = ';4 + 5 = ..f9 =_1 1-5 -4 4 fG]=2Y ..fI f(-2)= 1-(-2) 3 f( -a) = v'4+""(-iiI _ ';4 - a 1-(-a) l+a -f(a)=- ';4+a = ';4+a I-a a-I Muitas formulas que ocorrem na matematica e nas ciencias detemiina'm func,;oes. Porexemplo, a formula A = nl da area A de urn drculo'de raio r associa a cada real positivo r exatam~nte urn valor de A. A letra r, que represenia urn numero arbitnirio do. dominio, e uma varhivel independente. A letra A, que representa '0 contradomfnio, e uma variavel dependente, pois seu valor depellde do valor atribuido a r. Quando duas variaveis reA estao relacionadas desta maneira dizemos que A e fWI~iio de r. Outro exemplo: se urn automovel viaja a uma velocidade uniforme de 50 km/h, entao a distilncia d (em quil6metros) percorrida no tempo t (em horas) e dada por d = SOt; logo, a distiincia d e uma fun~ao do tempo t. ~1f.~~}1P~~!~m~sf::·~~~~~.----~~ . ~-.--3m --~ ----,-..~, ty y = f(x) r--'-------- Co"n~om'o,,1 P( a. f( a)) 1 "1'_ J_ -"1 : I I !fta) 1I I ' I'-----t_~ I I a I x i I I . ~- Domlnio de f - ~ Deve-se construir urn tanque de ac,;o,para armazenagem de gas propano, na forma de urn cilindro circular reto de 3m de altura com urn hemisferio em cada extremidade. 0 raio r deve ser aind~ determinado. Expresse 0 volume V do tanque como func,;ao de r. A Figura 1.16 ilustra 0 tanque. 0 volume da parte cilindrica e dado por 'o? ~ "'?'.@(nl.2) ~~nr Os dois hemisferios das extremidades, considerados em conjunto tern como volume v = _43n,-3 + 3nr = ~ nr (2r + 15)3 • Esta formula exprime V como func,;ao de r. $e f e uma func,;ao, utilizamos urn graftco para ilustrar a variac,;ao do valorfuncional f(x) quando x varia no dominio de f. Por deftnic,;ao, 0 grafico de uma func,;iio e 0 graftco da equac,;iioy = f(x) para x no dominio de f. Conforme a Figura 1.17, costurI)a-se rotular f(x) 0 graftco de uma func,;ao. Note-se que se pea, b) esta no graftco, entao a coordenada-y b e 0 valor funcional f(a). A figura exibe 0 dominio de f (conjunto de valores possiveis de x) e 0 contradominio de f (val ores corres- pondentes de y). Conquanto tenhamos considerado 0 dominie e o conlradominio intervalos fechados, eles podem ser intervalos infinitos ou quaisquer conjuntos de reais. E importante notar que, como hi! exatamente urn valor f(a) para cada a no dominio, somente urn ponto no grafico tern coordenada-x a, Assim, cada vertical intercepta 0 grafico de uma func,;iiono maximo em urn ponto. Conseqiientemente, 0 gn\fico de uma func,;ao nao pode ser uma figura tal como urn drculo, que pode ser cortado par uma vertical em mais de urn ponto. Os inlerceplos-x do gnifico de uma funltao f sao as solultoes daequaltao f(x) c 0. Tais niimeros sao os zeros da funltao. 0 inlerceplo-y do gnifico e f(O), se existir. Se f e uma fun~iio par - isto e, se f(-x) c f(x) para lodo x no dominio de f -entao 0 grafico de f e simetrico em relaltao ao eixo-y, pelo teste de simetria (i) de (1.6). Se f e uma fun~ao impar - isto e, se f(-x) c -f(x) para to do x no dominio de f - entao 0 grafico de f e simetrico em rela<;ao 11 origem, pelo tesle de simetria (iii). Grande parte das funlt0es no ciilculo nao sao nem pares nem imp ares. 'A ilustraltao que segue contem esbo<;os de griificos de algumas funlt0es comuns. 0 leitor deve verificar em cada caso a simelria, 0 dominio e 0 contradominio indicados. GRAFICOf; '-f-~ __._U_~(! x D = ( -00, 00)R = ( -00, 00) D = [0,00) R, = [0, 00) eixo-y (fun~iio par) D = ( _00, 00) R = [0, 00) origem (fun~iio imparl CIIJ!. J Ucvisllo jJ,.~.(,tltellllJ 1.1 FUN<;:Ao f GRAFf CO Sl!v!ETRIA DOMiNIO D, CONTRADOMfNIO II ,IJ -+ D= ( .00, ee). f(x) = x eixo • y R = [0, 00) f(x)= IIJ + origem D= ( -00, ee)X ([un~iio imparl R = ( .00, (0) '\ ~; f(x) = I xl eixo • y D = ( _00, ee) C ([un~iio par) R = [0, (0) . f(x) =.! + origemx ,x ([un~iio imparl D = ( _00, 0) U (0, (0)R = ( _00, 0) U (0, 00) t·J··~_ .•••••• _~ ._. ~'_' .•. ' :. •• _._ .0 •.• _ ••••••••• • Hii funlt0es que sao definidas por mais de uma expressao, como no exemplo a seguir. \ 2x+3 f(x)= ~2 se x < ° seOsx<2 se x 2: 2 Se x < 0, enlao f(x) = 2x + 3, e 0 griifico de f e parte da rela y c 2x + 3 (Figura 1.18). 0 pequeno circulo indica que 0 ponto (0, 3) nao eslii no griifico. Se ° s x s 2, f(x) =x2, e 0 grafico e parte da parabola y = i.Note que (2, 4) nao est a no gnlfico. Se x •• 2, os valores funcionais sao sempre I, e 0 grafico e uma semi-reta horizontal com extremidade (2, 1). Se x e urn numero real, definimos [[xl] como segue: [[x)) = n, oode II e 0 maior inteiro tal que liS X. Se identificames IR com pont os numa reta coordenada, entao II e 0 primeifo inteiro 11 esquerda de x, ou igual a x. [[0,5]] = 0 [[3]] = 3 [[- v'3 ]] = - 2 • [[V5]]=2 • [[-2,7]] = -3 • [[1,8]] = 1 • [[-3]] = -3 • [[-D,S]] = -1 -2sx<-1 -1 sx < 0 Osx<l Isx<2 2sx<3 ,Sempre que x estiver entre inteiros sucessivos, a parte corres- pondente do grafico sera urn segmento de reta horizontal., Parte do grafico est a esbo<;ada na Figura 1.19. 0 grafico continua indefinidamente 11 dire ita e 11 esquerda. Os graficos da Figura 1.20 ilustram transla<;oes verticais do grafico de y = f(x) resultantes da adi<;ao de uma constante c > X a - c a a + c x Figura 1.20 Figura 1.21 :.~ i. A} A y. :.l. - , 4". Y = x +7- Y = (x + 2)' y= x' Y = (x - 4)' Y = x' Y = , -2x x x Figura 1.22 Figura 1.23 " Transla<;jo Vertical, c > 0 c (positiva au negativa) a cada valor funcional. A Figura 1.21 ilustra transla<;oes horizontais. As vezes podemos obter 0 grafico de uma fun<;ao aplicando uma transla<;ao a urn grafico conhecido, conforme mostram as Figuras 1.22 e 1.23 para f(x) = x2• o grafico de y = c f(x) pode ser obtido multiplicando-se por c a coordenada-y de cada ponto do grafico de y = f(x). Se c < 0, os graficos de y = cf(x) e y = Ic If(x) sao chamados retlexiies de cad a urn deles em rela<;ao ao eixo-x. As Figuras 1.24 e 1.25 ilustram alguns casos especiais com f(x), = x2• Transla<;ao Horizontal, c > 0 (',1/(',,10 com Gcome/ria Analf/ica Cap. 1 y = 4x' y = ~x' Se f e g saG fun<;6es, definimos a soma f + g, a diferen<;a f - g, 0 produto fg e 0 quocicntc fig como segue: (f + g)(x) = fix) + g(x) (f - g)(x) = fix) - g(x) (fg)(x) = f(x)g(x) (~)iX) =~~ o dominio de f + g, f - g e fg e a illiersecr;iio dos dominios de f e g - isto e, os numeros comuns a ambos os dominios. 0 dominio de fig consiste de todos os numeros x na intersec<;ao tais que g(x) " O. Sejam fix) = v'4=7 e g(x) = 3x + 1. Determine a soma, a di- feren<;a, 0 produto e 0 quociente de f e g e indique 0 dominio de cada urn. o dominio de f e 0 intervalo fechado [-2, 2] e 0 dominio de g e R Conseqiientemente, a inlersec<;ao de seus dominios e [-2,2] e obtemos: (f + g)(x) =";4 - x2 + (3x + 1), (f - g)(x) = ~ - (3x + 1), (fg)(x) =";4 - x2 (3x+ 1), (1) «:7g (x).: (3x+ 1) , Uma fun<;ao f e uma fun<;ao polinoniial se fix) c urn polinomio, isto e, se , fix) = onX' + 0".!X"'+ ... + 0IX + 00' onde os coeficientes 00' a" ... , an saD numerus reais e os expoentes saG ,inteiros nao-negativos. Se an " 0 entao f e de grau n. Veja alguns casos' especiais (onde ° " 0): grau 0: grau 1: grau 2: ., fix) ,; ° fix) = ax + b fix) = a.r2 + bx + c fun<;ao constante fun<;ao linear fun<;ao quadratica Vma fun<;ao racional e 0 quociente de duas fun<;6es polinomiais. Mais adiante utilizaremos metodos para invesligar graficos de fun<;6es polinomiais e racionais. Uma fi.lli<;aoalgebrica e uma fun<;ao que pode ser expressa em terrnos de som'as, diferen<;as, produtos, quocientes ou poten- cias racionais de polinomios. Por exemplo, se f() 5 4 2 Vi x(r + 5)x = x - x + ..fX'+7X entao f e uma fun<;ao algebrica. As fun<;6es que nao SaD algebricas SaGditas transcendcntes. As fun<;6es trigonomelricas, exponenciais e logaritmicas, estudadas mais adiante, SaD exem- pIos de fun<;6es transcendentes. No restante desta se<;ao veremos como, a parlir de duas fun<;6es f e g, poderemos obter fun<;6es composlas fog ego f. A fun<;ao fog e definida como segue: A fun~'o 'compo'slaj;" g e definida como' "·i:·}I:;~:'.I{{;:;,~/,Cf.,0 g)(x) = f(g(x» ;~. ·-:';;".,f:! n;'~:'i!";:'::\ : ;;;):''':~q. '. . ",0 dorn!nio,de;/ 0 g.e p;cohjunlo de lodos os x do domimo , cie'g'iai 'q~!~'glx)'est~'no dorninio de f A Figura] ,26 ilustra rela<;6es entre f, g e fog. Note que, para x no dominio de g, primeiro determinomos g(x) (que deve estar no dominio de 1) e entao, em segulldo lugar, determillamo.l' f(g(x», Para a fum;ao composta g 0 I, invertemos a ordem, determinando primeiro I(x) e, em seguida g(f(x». 0 dominie de g 0 I e 0 conjunto de lodos os x no dominio de I tais que ,I(x) esta no dominio de g. Se f(x) = r-1 e g(x) = 3x + 5, determine (a) (I 0 g)(x) e 0 dominio de log. (b) (g 0 f)(x) e 0 dominie de g 0 f. SOLUc;Ao (a) (f 0 g)(x) = f(g(x» = f(3x + 5) =(3x +5f-1 =9r + 30x+ 24 definil$ao de log definil$ao de g definil$ao de f o dominio tanto de I como de g e R Como para cada x em ~ (0 dominio de g) 0 valor g(x) esla em ~ (dominio de I), o dominio de log e tambem R (b) (g 0 f)(x) = g(f(x» defini<;ao de g 0 I =g(r-1) definil$ao de I =3(~.2-1)+5 defini<;ao de g =3r}2 simplificando Como para cada x em ~ (dominio de f) a fun<;ao f(x) estii em ~ (dominio de g), 0 dominio de go I e ~. Pelo Exemplo fi. ve-se que I(g(x» e g(f(x» nem sempre sac a mesma~ f.r ::, ~ ~ 0 I. ,,'. ,,,' Se duas fun~oc' I <: g tern ambas dominio ~, 0 dominio de log ego I e tambem R Este fato e ilustrado pelo ExempIo 6. 0 proximo exemplo mostra que 0 dominie de uma fun<;aocomposta .pode ser diferente dos dominios das duas fun<;6es dadas. EXEMPLO 7 Se f(x) = r-16 e g(x) = Vi, d~termine .. \. (a) (f o'g)(;) e 0 do~nio de log (b) (g0 f)(x) e 0 dominio de g 0 I Primeiramente note que 0 dominio de I e ~ e que 0 dominie de g e 0 conjunto de todos os reais nao-negativos - isto e, 0 intervalo [0, oc). Procedernos como segue: . . (a) (f og)(x) = I(g(x)) = I(Vi) = (Vi)2 - 16 = x -16 defini<;ao de log defini<;ao de g defini<;ao de I simplificando Se consideriissemos apenas a expressao final x - 16, poderiamos ser Ievados a crer que 0 dominie de log fosse ~, pois x -16 e definirla para todo real x. Todavia, tal nao e 0 caso. Por defini<;ao, 0 dominie de log e 0 conjunto de todos os x em [0, <Xl) (dominio de g) tal que g(x) est a em ~ (dominio de f). Como g(x) = Vi estii em ~ para todo x em [0,00), segue-se que o dominio de log e [0, x). (b) (g 0 f)(x) = g(f(x» =g(r-16) =YXCI6 defini<;ao de g 0 I defini<;ao de I Por defmi<;ao, 0 dominio de g 0 I e 0 conjunto de todos os x em ~ (dominio de f) tal que I(x) = x2 - 16 estii em [0, 00) (dominio de g). A afirma<;aoi -16 estii em [0,00) e equivalente a cad a uma das desigualdades -\.2 _ 16" 0, r" 16, e Ixl" 4 Assim, 0 dominio de g 0 I e a uniao (-00, -4] U [4, 00). Note que e diferen'le dos 'do'minios de leg.-..• Para certos problemas no ciilcuIo, coslumamos Inverter estc procedimento, ou seja, dado y = hex) para alguma fun<;ao ". determinamosuma forma funcionalcompostay= I(lI) e 1I = g(x) tal que hex) = I(g(x» . Suponha que, para urn numero real x, queiramos ca1cular (2x + 5)8 usando uma ca1culadora. Primeiro calculariamos 2x + 5 e em seguida elevariamos 0 resultado a potencia 8. Isto sugere fazer o metoda usado no exemplo precedente pode ser aplicado a outras fun~6es. Em geral, suponha y = h(x). Para escolher a expressao interior It = g(x) em uma forma funcional compost a, fa~a a seguinte pergunta: se estivesse us ando uma calculadora, que parte da expressao h(r) seria calculada primeiro? Isto conduz em geral a escolha adequada de It = g(x). Ap6s escolher u, recorra a h(x) para determinar y = f(u). A ilustra~ao que segue contem problemas tipicos. ILUSTRAC;Ao EscolllU de II = g(x) 1I=.~-5x+l Valor do FIlIlfrIO • y = (x3 - 5x + It • y=,h.2_4 2 • y= 3x+7 2y=- II A forma funcional composla nunca e iinica. Considere, por exempl~, a primeira expressao da ilustra<;ao precedente: Sendo n urn inteiro arbitrario nao-nulo, poderiamos escolher II = (x3 -5x + 1)" ey = 1/4/•• Assim, ha urn niimero ilimitado de formas funcionais compostas. Geralmente, nosso objetivo e escolher uma forma tal que a expressao resullante para y seja simples, como fizemos na ilustra<;ao. I 1 Se f(x) = -.Ix- 4 - 3x, ca1cule f( 4), f(8) e f(13). x '.. 2 Se f(x) = x _ 3' ca1cule f( -2),f(0) e f(3,01). Exeres. 3·6: Se a e Iz sao reais, determine e simpli- fique (a) f(a), (b) fe-a), (c) -f(a), (d) f(a + h), (e) f(a + It),- f(a) , f(a) + f(It), e (I) It' desde que It '" 0. f'.(\..!J f(x) = 5x - 2 4 f(x) = 3 - 4x . @)f(x) = x2 - X + 3 6 f(x) = 2x2 + 3x - 7 Exercs. 7·10: Determine 0 dorninio de f 7 f(x) = ...!.±.l j x3-4x 4x ' . 8 f(x) = 6x2 + 13x _ 5 10 f(x) = -.l4x-3 x2-4 Exeres. 11-12: Determine se f e par, impar ou nem par nem impar. 11 (a) f(x) = 5x3 + 2x (b) f(x) = ~rl-3 (c) f(x) = (8x3 - 3X2)3 12 (a) f(x) = -.l3X4 + 2rl - 5 (b) f(x) = 6x5 - 4x3 + 2x (c) f(x) = x(x - 5) Exercs. 13-22: Esboce, no mesmo phino coordena- do, os graficos de f para os valores dados de e. (Utilize simetrias, transla~oes verticais, transla~oes horizontais, alongamento ou reflexao.) 13 f(x) = ~rl+ e; 14 f(x) = Ix - cl; 15 f(x) = 2vx + e; 16 f(x) = .;g.::xr + e; 17 f(x)= 2-.1x-e; 18 f(x) = -2(x - e)2; 19 f(x) = d4 _Xl; 20 I(x) = (x + c)3; e = 0, 1,-3 e = 0, 1,-2 e = 0, 1,-2 e = 1,3,-2 e = 0,1,-2 21 I(x) = (x - efJ3 + 2; e = 0, 4, :-3 22 f(x) = ~r- Ij1/3 - e; c = 0, 2, -1 Exercs. 23-24: 0 grafico de uma fun~ao f com dominio 0 ,; x ,; 4 e exibido pela figura. Esbocc 0 grafico da equa~ao dada. (a) y = I(x + 3) (b) y = f(x - 3) (e) y = I(x) + 3 (d) y = f(x) - 3 (e) y = -3f(x) (I) Y = -31(x) (g) y = . fix + 2) - 3 (h) y = f(x - 2) + 3 (a) Y = f(x- 2) (b) Y = f(x+ 2) (e) y = f(x) - 3 (d) Y = f(x) + 3 (e) y = -2f(x) (I) Y = -1f(x) (g)y= -f(x+ 4)-2 (h)y= f(x-4) + 3 { X+2 sex,;-I 25 f(x) = x3 se Ixl < 1 -x+3 sex>: 1 { X 1 sex,;-2 26 I(x) = _;2 se -2 < x < 1 -x + 4 se X" 1 { X2 - I--sex ••-l 27 I(x) ~ x + 1 2 se x --1 { x2 - 4 28 I(x) = 2 -x se x •• 2 1 se x - 2 29 (a) f(x) = [[x - 3]] (e) f(x) = 2[[x]] 30 (a) f(x) = [[x + 2]] (e) f(x) = ~[[x]] (b) f(x) = [[x]] - 3 (d) f(x) = [[2x]1 (b) f(x) = [[x]] + 2 (d) f(x) = [[~x]] 48 = 1 .~!'- y (x2 + 3x - 5j3 W 50 Y= 1 + Tx" x3-x+l . @ 51 Se I(x) = ~ e g(x) =~, aproxlme vx. if a g)(2,4) e (g 01)(2,4). @ 52 Se f(x) =R+1 -I, aproxime f(O,OOOI). Para evilar ealcular urn valor zero para f(O,OOOI), reescreva a formula de f como Xl f{x)- R+T + 1Exercs. 31-34: (a) Determine if + g)(x), if - gK~), ifg)(x) e if Ig)(x). (b) Determine 0 dominie de f + g, 1- g,fg e fIg. 31 f(x) = VX+ 5; 32 f(x) = ~3 - 2x; Exercs. 35-42: (a) Determine if a g)(x) e 0 domfnio de fog. (b) Determine (g a I)(x) e 0 dominio de g of. 35 f(x) = x2 - 3x; g(x) = vx + 2 36 f(x) = vx - 15; g(x) = x2 + 2x 37 f(x) = vx - 2; g(x) = VX+ 5 38 f(x) = v3 -x; g(x) = vx+ 2 39 f(x) = v25 -xl; g(x) = vx-3 40 f(x) = v3 -x; g(x) = VXC16 41 f(x) = _x_. g(x)= -x2 3x+2' 2x 33 f(x) =-; x-4 \ \\ g(x) = vx + 5 g(x) = vx + 4 3x g(x) = X + 4 3 g(x) = ~ 53 Deve-se construir uma caixa aberta com urn peda~o retanguJar de cartoJina de 50 x 76 em, cortando-se uma area x em cada canto e dabran- do-se as lados (veja a figural. Expresse a volume V da caixa como fun~lio de x. , /1x} . / .' .. " .:./__________ ? ,.., /1 '~"-""'''''''' Exercs. 43-50: Determine uma forma funcional com- posta para y. 54 Urn aquario aberto em ci!Jla, de.15 em de altura; deve ter Urn volume de rio It: Sejam x 0 comprimento e y a largura (veja'a figural. (a) Expriinir y como fun~o de x. '. (b) Exprimir em fun~lio de x·a area total de vidro necessario. 43 Y = (x2 + 3x)1f3 1 45 Y= (X-3)4 f 45cm ~ 55 Urn baliio de ar quente e Jiberado 3 Ih da tarde e sobe verlicalmenle 11 razlio de 2 m/s. Urn ponto de observa~lio est a situado a 100m do ponto do chlio direlamenle debaixo do ballio (veja a figural. Sendo t 0 tempo em segundos, apos 1 da tarde, exprima a distancia d do ballio ao ponto de observa~lio em .fun~lio de t. 56 Deve-se construir urn lanque de a~o em forma de urn ciJindro circular relOde 3m de altura com dois hemisferios nos extremos. 0 raio r ainda eSla par determinar. Expresse a area S da superficie do tanque em fun~lio de r. 57 De urn ponto exterior P que esta a It unidades de urn cfrculo de raio r, tra~a-se uma tangente ao cfrculo (veja a figural. Seja y a distancia do ponto P ao ponto de tangericia T. (a) Expresse y como fun~o de It. (Sugest5es: Se C e 0 centro do circulo,PT e perpendicular a CT.) (b) Se reo raio da terra e It e. a altura de urn foguete, entao podemos deduzir uma formula para a distancia maxima (3 terra) que urn astronauta pode ver da nave. Em particular, se It = 321.800m e r = 6.436.000m, de uma aproxima~lio para y. 58 0 trianguloABC esta inscrito em urn semicfrculo de diametro 15 (veja a figural. (a) Se x e 0 comprimento do lade AC, expresse o comprimenlo y do lado BC como fun~ao de x, e indique seu dominio. (Sugestiio: 0 angulo ACB e reto.) (b) Expresse a area do triangulo ABC como fun~iio de x. ~A 15 B 59 As posigaes relativas de uma pista de aeroporto e de uma torre de controle de 6,1m de altura sao iJustradas na proxima figura. A cabeceira da piSlll esta a uma distiincia perpendicular de 100 metros da base da torre. Se x e a distancia percorrida nil pista par urn avilio, expresse a distancia d enll' o aviiio e a torre de controle como fun~lio de x . :1\ , \' \ "2 .)' ) •• " C -:: >' " . r,-;, "J': If Wllslru;r urn abrigo retangular aberto 11111 I II<1U ern 2 lados verticais 'de 1,20m de hilI \1111 f 11111I '10 plano, anexo a urn armazem ja I ,IHII 1111'. Ido plano deve ser de lala· que III III "II ",,:.Iro quadrado, e as dais lados III Villi ,,'I de c,)mpcnsado,que custa $ 2 por 111111111111111""<10. II ) '" 11I/11'1I111O de $ 400 para a conslru\Vao, I KI'"\/I/10 0 comprimento y em fun\Vao da 11111111' \, III 1\ 1'1 1111 III 1I/lIlOlIavedo programa Apolo tinha a 11111111\ II 11111 1I'll"';0 de cone circular relo. Na III 11111, II III liS <IllSbases a c /) ja foram delermi- 11111111 <a) Utilize a semeJhan~ de trianguJos para ex- pressar y como fun~ao de h. (b) Expresse a volume do lionco em fun~o de h. <c) Se a = 2m e b = 1m, para ~ue valor de h a volume do tronco e de 20m ? ' 62 Urn cilindro circular reto de raio r e altura h esta inserito num cone de altura 12 e raio da base 4, eonforme a figura. <a) Expresse h como fun\Vaode r. (b) Expresse 0 volume V do cilindro em fun~ao de r. /, /, ~ o I. x Lado Inicial Na geometria, urn angulo fica determinado por duas semi-retas com mesma origem 0, 0 vertice do angulo. Sc A e B sao pontos das retas I. e 12na Figura 1.27, temos 0 anguloAGB ou L AGB. Costumarnos de no tar urn anguJo por uma letra grega n, f3 ou e. Na Irigonometria tambem pod cmos interpretar L AGB como uma rotac;ao do raio II (lado inicial do angulo) em tomo de 0 ate uma posiC;ao especificada por 12 (0 lado terminal). A quantidade e a direc;ao de rotac;ao sao arbitHlrias; podemos fazer II darvarias vollas em qualquer das duas direc;6es ein tomo de o antes de parar em 12, Assim, infinitos angulos podem ter os rnesmos lados inicial e terminal. lntroduzindo urn sistema retangular de coordenadas, a posiC;iio padriio de urn angulo 8 e obtida tomando a origem como vertice e 0 lado inicial ao longo do eixo-x positivo (veja a Figura 1.28). 0 angulo 8 e positivo para uma rotac;ao anti-horaria, e negativo para uma rotac;ao horaria. A magnitude de urn angulo pode ser express a seja em graus ou em radianos. Urn angulo de medida em grallS, I" corresponde a ~ de uma revoluc;ao completa na direc;ao anti-horaria. Urn minllto (1') e cl; de urn grau, e urn segundo (I") e cl; de urn minuto. No calculo, a unidade de medida angular lIlais impor- tante e 0 radiallo. Para definir urn radiano, consideremos 0 drculo ullitario U com centro na origem de urn sistema retangular de coordenadas, e seja 8 urn angulo na posiC;ao padrao (veja a Figura 1.29). Fazendo 0 eixo-x rodar ate coincidir com o Iado terminal de 8, seu ponto de intersecc;ao com U percorre uma certa distancia tate chegar a sua posiC;ao final P(x; y). Se t e considerado positivo para uma rota~ao anti-horaria e negativo para uma rotac;aQ horaria, entao 8 e urn angulo de 1 radianos, e escrcvemos 8 = I. Na Figura 1.29, t e 0 comprimento do area AP. Se 8 = 1 (isto e, se 8 e urn angulo de 1 radiano), entao 0 comprimento do arco AP em U e 1 (veja a Figura 1.30). Como a circunferencia do circulo unitariohn,·segue-se (180).1 radiano = ~ Quando se dd a medida em radian os, nao se indicu unidade. Assirn, se urn lingulo tern rnedida em radianos 5, escrevernos 6 = 5 em lugar de 6 = 5 radianos. Quando se trata de rnedida em graus,escrevernos 6 = 5'. Radianos 0 ~ ~ ~ ~ 2rc 3rc 5rc 7rc 5rc 4rc 3rc 5rc 7rc llrc6 4 3 2 3 4 6 rc 6 4 3 2 3 4 6 2J1: Graus O' 30' 45' 60' 90' 120' 135' 150' 180' 210' 225" 240' 270' 300' 315' 330' 360' A tabua acirna exibe a rela<;ao entre rnedidas em radianos e em graus, para varios lingulos usuais. Os valores podern ser verificados utilizando-se 0 Teorerna (1.13). Urn angulo central de urn circulo e urn iingulo 6 cujo vertice coincide com 0 centro do circulo (Figura 1.31). Dizernos entao que 0 arcoAB subtende 0 lingulo 0 ou que 6 e sub ten dido por AB. Da-se a seguir a rela<;ao entre 0 cornprirnento s de AB, a rnedida em radianos de 0 e 0 raio do circulo r. Se urn areo de comprirnento s nurn circulo de raio r subtende urn angulocentra1de rnegida 6 em radian os, entao Se Sl e 0 cornprirnento de qualquer outro arco do circulo, e Sc 61 e a rnedida em radianos do lingulo central correspondentc, entao, pela geornetria plana, a razao dos arcos e a rnesma que II razao das rnedidas angulares; isto e, S/Sl = 6/61' donde S = S, 0/61, Se considerarrnos 0 caso especial em que 6,= 2n:, enlno SI = 2Jtr, e obternos S = 2Jtr6/(2n:) = r 6. Utilizarernos rnais adiante 0 pr6xirno result ado. Se 6 e amedida em radianos de urn iingulo central de "'11 circl!l~ derai6'rAseA e~~rea do setor circular dcfinido po,' ~~.~~J~<};\:.~:~;:i~>:~~};~t·~)d~'j, ~ .<;,~\~;.~\~b .::~>':~;:.--\';;;) "; ':-J,"~:i;:~;";:.;;.!';- :,:,':~:. j "; >:~' . .:4.::.!. rie 2 A Figura 1.31 exibe urn lingulo tfpico e 0 corresponLlcl11 . r, 'io, circular. Se 6 e qualquer outro iingulo central eA I a arCH<1\1 '1\lilll correspondente; entao, pel a geornetria plana, A/A, •• 0/01 1111 A = AI6/61• Considerando 0 caso especial 6, = 2Jt cntUuA I 1I11 e A = nr6/(2Jt) = ,!/26. 2 . As seis fu~<;oes trigonometricas sao 0 SCIIIl, 0 1''''Nllllll, II tangente, a co-secante, a secante e a co-tanI,:Cllfl', I I pllll VII mente .. PodernosdefiniT as fun<;oes trigonol11ctri liS 1111111111 I de urn iingulo 60ude urn nurnero realx. H:\ dois m~IO"llrll'lIdl ,que utilizarn linguI9s:, . 1. Se 6 e agudo (0 < 6 < n/2), poclemos ut illl.lIl' '"11 II 11111111 retlingulo. ft I ,II, Ifill '.'111 (Irln"t1I,I" A",,'_"_(i_cn__ C~ap~,_l _ filII I111111t1111 IrlCBS (1.16) TlIdos posilivQS t'c~,\();O--~ 'ee 0> 0 2: ,Se f) e qua/quer angulo (em posi<;ao padrao), podernos utilizar 0 ponlo pea, b) em que 0 lado lerminal de f) intercepta 0 eir~ulo xl + y2 = r. ., .. , '."1,' .\ ff! ,Nas defini<;oe,S'que seguern, as abreviaturas adj, op e hip sac usadas para d~;;ignar os cornprirnenlos do lado adjacente, do lado oposto e da hipotenusa de urn triangulo retangulo tendo f) como angulo. I 6, 'cos6 =-.'sec6 =_ (~~.\fV;'i';~";{~li'}ht";"".:'a :;t.. 'C', tg' 6 = ~ ,;'cot 6 = 1 '~,; ·:~:!:~.:~i:,';.t:~,lY,;:r,(;" (iii) De urn nurnero 'real X:t o valor de lima filllfiio' Irigonomelrica para 11mmlmero real x e ~eu valor em urn anguli> de x radianos .. Note, por (iii), que nao ha diferen<;a entre fun<;oes trigono- rnelricas de angulos medidos em radianos e fun<;iies trigonome- tricas de um nurnero real. Por exernplo, podernos inlerpretar sen2 como 0 'Seno de urn angulo de 2 radianos ou como sendo o seno do numero real 2. Os val ores das fun<;oes trigonornetricas de angulos agudos em (i) sao razoes de lados de urn lriangulo retangulo, logo, sao numeros reais positivos. Para 0 caso geral (ii), 0 sinal do valor da fun<;ao depende do quadrante que contern 0 lado terminal de 0, Por exemplo, se 0 esta no quadrante II, entao a < 0, b > 0 e dai sen f) = blr > 0 e csc e = rib> O. As oulras quatro fun<;oes sao negativas. A Figura 1.32 indica esquernaticamente estes falos. 0 leitor deve verificar os sinais nos quadrantes reslantes. Ideqtidades fundamentais (1.17) Observa-se a partir de (ii) da Defini<;ao 1.16 que 0 dominio de sen e eos cons isle em todos os angulos e. Como tan e e sec e nao sac definidos se a = 0 (isto e, se 0 lado terminal de 0 est a no eixo-y), 0 dorninio de tan e see consiste em todos os angu)os exceto os de medida em radianos (r/2) + nil, onde t! e um numero inteiro. 0 dominio de cot e csc consiste em todos os iingulos exceto os de medida em radianos 1ft!, pois cot 0 e csc e nao sao o,,finidos se b = O. De (ii), nola-se que Isen 01 :s 1, Icos 01 :s 1, Icsc 01 ",Ie Isee 01 "' 1 para todo 0 no dominie destas fun<;oes. Indicamos a seguir algumas rela<;oes importantes 'entre as fun<;oes lrigonometricas, Lembremos que uma expressao tal como sen2 0 significa (sen e)(sen 8). ·.''''.r:' J.f' ...,...fl.····"B 'cosO see e = cos f) cot = sen f) 1,. - &:> .' 1 + eot2 e = csc2 f) ))~ , , Cad a identidade fundamental pode ser demonslrada recor- rendo ao item (ii) da Defini<;ao (1.16). Por exemplo: r 1 1cscf)=-=--=-- b (blr) sell e I e = !!. = 1!?ld = sell e g a (air) cos 0 As identidades fundamentais sao uteis para mudar a forma de uma expressao que envolva fun<;iies trigonometricas, Para iluslrar, como cos1 e = 1 - sen1 e, sell 0 sell e Ig e = cas 0 = ± "II - sell" e 'No Capitulo 9 utilizaremos substilrtifoes trigOIlOllllftriclI.I' do tipo ilustradono proximo exemplo. Se a > 0, expre sse ~ ell! termos de uma fun<;ao lrigono- metrica de 0 sem radicais, fazendo a substitui<;ao trigonometrica x = a sen 0 para _!:!. '" 0", !:!.2 2 Fa<;amos x = a sen 0: .,ja2- xl = .,ja" - (a sen OJ! = .,ja"_ (a2 sen" 0) = .,ja" (1 - sen" 0) = .,ja" cos" 0 = a cos 0 A ultima igualdade e verdadeira porque, primeiro, yar = a se a > 0, e segundo, se -n12 '" 0 '" n/2, entao cos 0 '" 0 e dai VCQS2ll = cos O. Ha varios metodos para achar valores de fun<;6es trigono- metricas. Para certos casos especiais podemos referir -nos a6s trHingulos retangulos da Figura 1.33. Aplicando (i) da Defini<;ao (1.16) obtemos: Va/ores especiais das fum;6es trigonometricas (1.18) Graus sen 8 CDS 8 tg 8 cot 8 see 8 csc e ~I ~ .l Vf Vf Vf 2Vf 26 30' 2 2 3 3 ~ Vf Vf 1 Vf Vf30° 4 45' 2 2 V3 Vf Vf 2Vf~ .l Vf 2 3 60' 2 2 3 32J1 Duas raz6es para enfatizarmos esses valores especiais saD 45° (1) que eles saD exatos e (2) que eles ocorrem com freqiiencia 1 na trigonometria. Em vista de sua importilncia, e conveniente, Figura 1.33 se nao memorizar a tabua, pelo menos ser capaz de determina-Ios rapidamente com auxilio dos triangulos da Figura 1.33. Angulos de referencia E possivel aproximar, com qualquer grau de precisao, os valores das fun<;6es trigonometricas para qualquer angulo. A Tabua A do Apendice III da aproxima<;6es de alguns valores com quatro decimais. As calculadoras cientificas tern teclas SIN, COS e TAN que pod em ser usadas para obler essas aproxima<;6es. Os valores de csc, see e cot pod em ser obtidos utilizando a tecla de inverso 1/x. A lites de usar a ca/cu/adora para achar va/ores de ftlllf;oes qlle correspolldem em radiallos, certifiqlle-se de qlle a ca/cll/a- dora esta IlOmodo radiallo. Para va/ores de fum;oes elll graltS, a ca/cll/adora deve estar IlOmodo grall. Como ilustra<;ao, para achar sen 3D' numa calculadora lipica, coloque-a no modo grau, entre 0 numero 30 e aperte a tecla SIN. Obtera sen 3D' = 0,5, que e 0 valor exato. Utilizando o mesmo processo para 60' obtemos uma aproxima<;ao decimal de ..[3/2, como, por exemplo, sen 60' = 0,8660254. Do mesmo modo, para achar urn valor tal como cos 1,3, onde 1,3 e urn numero real ou a medida em radianos de urn angulo, colocamos a calculadora no modo radiano, entramos 1,3 e apertamos a tecla COS obtendo cos 1,3 = 0,2674988. Para determinar valores exatos de fun<;6es trigonometricas para urn angulo 0 em (ii) da Defini<;ao (1.16), as vezes utilizamos o angulo de referenda de e - isto e, 0 ilngulo agudo OR que o lado terminal de e faz com 0 eixo-x. A Figura 1.34 ilustra 0 angulo de referencia OR para urn angulo em cad a quadrante. Mostra-se que, para achar 0 valor de uma fun<;ao trigono- 'metrica em 0, podemos determinar seu valor para 0 angulo de referencia OR de 0 e entao prefixar 0 sinal adequado referindo-a .•. ao quadrante que contem 0 (veja a Figura 1.32). II II) 1/ e = 5lt 6 A Figura 1.35 ilustra 0 angulo e seus angulos de referencia. Utilizando vaiores funcionais de angulos especiais (1.18), ob- temos: 5lt It V3 cos (; = -cos "6= -2 5lt It V3 Ig (; = -lg"6 = -3 (b) sell 315· = -sell 45· = _Y2 2 cos 315" = cos 45" = Y2 2 Se usarmos uma calculadora para aproximar val ores de fllnc;oes, os angulos de referenda tornar-se-ao desnecessarios. Como ilustrac;ao, para achar sen 210·, colocamos a calculadora no modo grau, inserimos 0 numero 210 e apertamos a tecla SIN, obtendo sen 210· = --0,5, que e 0 valor exato. Usando 0 mesmo processo para 240·, obtemos a aproximac;ao decimal Para achar 0 valor exato de sen 240·, nao se deve usar uma calculadora. Neste caso, achamos 0 angulo de referencia 60· de 240· e usamos 0 teorema sobre angulos de referencia juntamente com resultados conhecidos sobre angulos especiais, obten~o sell 240· = -sell 60· = _V3 2 Para trac;ar 0 griifico do seno e do co-seno, podemos estudar a variac;ao de sen e e cas e quando e varia, usando urn cfrculo unit,hio U em (ii) da Definic;ao (1.16). Fazendo r = 1, as formulas cos e = aIr e sen e = blr tomam as formas mais simples cos e = a e sen e = b. Logo, 0 ponto pea, b) em U pode se denotar por P( cos e, sen ll), conforme ilustrado na Figura 1.36. Fazendo e aumentar de 0 a 21t, 0 ponto P(cos e, sen e) percorre 0 cfrculo unitario uma vez no senlido anti-horario. Observando a coorde- nada-y, sen e, de P, obtemos os seguintes fatos nos quais as setas sao usadas para indicar as variac;oes de e e sen e. (Por exemplo, o ....,.lt/2 indica que e aumenta de 0 a lt/2, e 0....,. 1 significa que sen e aumenta de 0 a 1). o ....,.~ ....,.It ....,.3lt ~ 2lt 2 2 ":.~ ''lI1!,' ~~:\ .~.. Se P continua a percorrer U, 0 mesmo padrao se repete a intervalos [m, 4lt] e [4lt, 6ltJ. Em geral, os valores de sen e se repctem em todos os intcrvalos sucessivos de amplitude 2lt. Uma func;ao f com dominio D e periodica se existe urn. numero positivo real k tal quc x + k esla em D e f(x+k) = f(x) para todo x em D. Isto implica que 0 griifico de f se rcpete a interval os sucessivos de amplitude k. Se existe urn menor numero real posilivo k, e chamado 0 periodo de f. Segue-se que a func;ao seno e peri6dica com periodo 2lt. Utilizando este fato e grafando diversos pontos, lomando val ores especiais de e tais como lt/6, lt/4 e m/3, oblemos 0 graft co da Figura 1.37(i), em que utilizamos l:J = x como variavel indcpendente (medida em radianos ou numeros reais). o gr:\fico de y = cos e pode ser obtido 'de modo ana logo, estudando a variac;ao da coordenada-x, cos e, de P na Figura 1.36 a mcdida que e cresce. 0 lei tor deve verificar os griificos restantcs da Figura 1.37. Note que 0 periodo das func;oes tan- gente e co-tangente e It. Uma equa ••iio trigonometrica e uma equac;ao que contem expressoes trigonometricas. Cada identidade fundamental e um exemplo de equac;ao trigonometrica, onde cad a numero (ou allgulo) no dominio da variavel e uma soluc;ao da equac;ao. Se uma equac;ao trigonometrica nao e uma identidade, em geral oblemos soluc;oes utilizando tecnicas analogas as usadas para equac;oes algebricas. A principal diferenc;a e que primeiro resolvemos a equac;ao trigonometrica em relac;ao a sen x, cos e elc., e em seguida achamos os valores de x ou e que salisfac;am a equac;ao. Se nao se especifica a medida em grollS, entao as soilll;oes de lima eqlla~ao Irigollometrica devem ser expressas em radianos (011;llimeros reais). u (ii) Y = cosx Y (iii) Y = tgx Y SOLu<;Ao (a) Se sen = t, .entad 0 angulo de referencia para 8 e rt/6. Se considerarmos 8 como urn angulo na posi~ao padrao, entao, como sen 8 > 0, 0 Iado terminal de e estii no quadrante I ou no quadrante II (veja a Figura 1.38). Assim, hii duas solu~6es para 0 s 8 < 2rt: (b) Como a fun~ao seno tein periodo 2rt, podemos obler todas as solu~6es adicionando multipJos de 2rt a rt/6 e 5rt/6. Oaf vem 8r t285rt2 ..= 6 + rtll e = (5 + nil para todo mteno 11 'y I 1ti y = sen B y = 2"--m-__~n~~ hnv ~'Irt_7x\:;i1 :DJ3~"1;;;J 6 6 6 6 6 6 Uma solu~ao griifica alternativa envolve a determinar;ao do ponto em que 0 griifico de y = sen e intercepta a reta horizontal y = 1, con forme ilustra a Figura 1.39. Dada uma equa<;ao trigol1ometrica tal como sen 8= 0,6635, podemos aproximar e usando uma calculadora ou uma liibua. Cerlas calculadoras tern uma tecla SI~l ou ASIN para este fim. Com outras, e preciso apertar INV e entao SIN. Essas nota<;6es baseiam-se nas" fWII;oes Irigollol/lI!lricas illversas, que serfio estudadas na Se~ao 8.2. Como veremos, hii uma fun<;iio denotatla por sen -I, ou arcsen, tal que rt rt sen-I (sen e) = 8 se -"2 s e s"2 (ou -90· s e s 90") Note que "esta formula indica que, aplicando sen-I a sell II, obtemos 8, desde que 8 satisfa<;a as restri~6es indicadas. "0 proximo exemplo ilustra 0 uso de uma calculadorll Ill! - ies?lu~ao deuma equa<;iio trigonometrica. EXEMPLO 4 Se sen 8 = 0,5 e 8 e um angulo agudo, use Ul11l1'alcllladlll'lI iJllIll apr.oximar a. medida de 8 .sOLu<;Ao • •• " ••0£ (a) Coloque a calculadora no lI1odo grllll: (vllillf d ' ~~II II) (11ll"1lillll"'II 11.1111'1IIII /""(b) Coloquc a calculadora 110l11odo IlIdlllll": "'" -,,:'''"'"" fnsira 0,5: 11,5 (vld'lI 11\ iI'li 0 o ultimo numero e uma aproxima«ao decimal para urn angulo de medida n/6 radian os. E imporlanle nolar que ha muitos va)ores de 0 tais que sen 0 = 0,5, todavia, uma calculadora dii apenas 0 valor entre 0 e n/2 (ou entre O· e 90·). Da mesma forma se sen B = _ 0 5 a calculadora darii uma aproxima«ao do v~lor 0 = -n/6' (~u o = -30·) entre -n/2 e 0 (ou entre -90· cO·). Na Se«ao S.2 dcfiniremos tambem fun«6es denotadas por cos- I , ou arcos, e tan-I, ou arctg, com as seguintes propriedadcs: cos-I (cas B) = B se O:s 0 :s lt (ou O·:s 0 :s ISO·) Ig-I (Ig 0) = e se -~ < B < ~ (ou -90· < B < 90·) Estas fun«6es podem ser cmpregadas da mesma forma que S)N""I (islo e, INV SIN) usada no Exemplo 4. Ao utilizar uma calculadora para achar 0, devem-se observar as restri«6es quanto a B. Por exemplo, hii muilos (infinilos) valores de 0 tais que tg o = -1; todavia, uma calculadora dii apenas 0 valor que estii ' entre -n/2 e 0 (ou entre -90· eO·). Se se desejam outros valores, pode-se proceder como no excmplo seguinte. Se 19 0 = -0,4623 e O· :s 0 < 360·, delermine 0 a menos de 0,1". SOLU<;A.O Se estamos utilizando uma calculaclora (modo grau) para achar o quando tg 0 e negativa, enlao a medida em graus est<\ no intervalo (-90·, 0·). Em particular, temos: Insira -0,4623: -0,4623 Aperte INV TAN: -24,S11101 (valor de 19 0) (um valor de 0) Assim, a aproxima«ao em graus e = -24,S·. Como desejamiJs ohler valores de Bentre O· e 360·, us·amos o angulo de referencia (aproximado) OR~ 24,S·. Hii dois valorcs posslveis de 0 tais que tg 0 e negativa - urn no quadrante II, outro no quadrantc IV. Se 0 cslii no quadrante II e O· :s 0 < 360·, temos a silua<;:ao da Figura 1.40, e 0= 180· - OR = ISO· - 24,S·, ou 0 = 155,2· Se 0 estii no quadranle IV e O· :s 0 < 360·, entao, conforme Figura 1.41, o = 360· -.oR - 360· --:24,S·, ou 0 - 335,2· Urn metodo ·de resolu«ao que nao envolve angulos de referenda consiste em usar 0 fato de que a fun<;:aotangenle tem perfodo n, ou ISO·. Assim, ap6s obter B - -24,S·, podemos achar angulos apropriados entre O· e 360· somando ISO· e 360·, C0l110 segue: -24,S· + ISO· = 155,2· -24,S· + 360· = 335,2· Existem muitas rela<;:6es importantes entre as fun<;:6es trigonometricas. As formulas para as negalivas sao sen (-ll) = -sen u eos (-u) = cos u tan (-II) = -tan II csc (-II) = -CSCII see (-u) = see u cot (-u) = -cot Ii Essas f6rmulas moslram que 0 seno, a tangente, a co-secanle e a co-tangente sao fun<;:6es impares, e 0 co-seno e a secanle fun<;:6es pares, conforrne tamhem indicado pelas simetrias de seus griificos na Figura 1.37. As formulas de adi(;iio e SUblra(;iio para 0 seno e 0 co-seno As formulas do lingulo melode sao sen2 u = l=..~os2u 2 ? 1 + cos 2u cos- u = 2 Estas e outras f6rmulas uleis no calculo estao relacionadas Illl inicio deste livro. Exercs. 1-2: Ache a medida exala do aogulo em radianos: 1 (a) 150' (b) 120' (c) 450' (d) ....QO· 2 (a) 225" (b) 210' (c) 630' (d) -135' Exercs. 3-4: Ache a medida exala do angulo em graus: 3 (a) 2Jt 3 (b) 5lt 6 (b) 4lt 3 (d) _ 7lt 2 (d) _ 5lt 2 (c) 3lt 4 (c) lIlt 4 4 (a) lIlt 6 Exercs. 5-6: Ache 0 comprimenlo do arco que subtende urn lingulo cenlral e em urn drculo de diamelro d. . 5 e = 50'; (; e = 2,2; d = 16 d = 120 Exercs. 9-12: Ache as valores das fun~6es trigono- metricas se e e urn angulo agudo. 11 tg e =.1- .,. 12 Exercs. 13-14: Se e esta ria posi~ao padrao. e Q esta no lado terminal de e, ache os valores das fun~6es trigon~melricas de e. Exercs. 15-16: Seja e na posi<;ao padrao, com lado terminal no quadrante especificado e satisfazendo a condi~ao dada. Determine os valores das fun<;6es trigonometricas de 8. 15 Ill; paralela 11 reta 2y - 7x + 2 = 0 16 IV; perpendicular 11 reta por A(5. 12) e B(-3. -3) Exercs. 17-20: Se e e urn angulo agudo, use identi- dades fundamentais para escrever a primeira expres.- san em termos da segunda. 17 (a) cot 8. sen 8 18 (a) tg 8. cos 8 19 (a) tg 8, sec 8 20 (a) cot 8, csc e (b) sec 8. sen 8 (b) csc 8, cos 8 (b) sen 8. see 8 (b) cos 8. cot e Exercs. 21-26: Volte ao Exemplo 1. Fa<;a a substi- tui<;ao trigonometrica indicada e use identidades fundamentais para obler uma expressao trigonome- trica simplificada que nao contenha radicais. . It It x = 4 sen e, para - 2" s e s 2" X2 22 ';9 _x2 ; 23 __ x_ ';25 +x2 24 ';x2 + 4 . x2 J 25 ,;xZ - 9 . x • 27 (a) sen (2ltl3) (b) sen (-,-5"'4) 28 (a) cos 150' (b) cas (....QO·) 29 (a) tg (5lt/6) (b) tg (-lt/3) 30 (a) cot 120' (b) cot (-ISO') 31 (a) see (2lt/3) (b) see (-"'6) 32 (a) ese 240' (b) ese (-330') Exercs. 33-38: Fa~a 0 grMico de f. utilizando alon- gamento, reflexao ou lransla~ao. 33 (a) f(x) = ~ sen x 34 (a) fix) = sen (x - lt/2) (b) fix) = sen x - :ll2 35 (a) f(x) = 2 cas (x + It) (b) fix) = 2 cas x + ;( 36 (a) f(~) = ~ cas x (b) fix) = -3 cos x (b) fix) = tg (x - 1t'-l) (b) f(x) = tg (x + 3:(/4) 37 (a) fix) = 4 tg x 38 (a) fix) = ~ tgx Exercs. 39-42: Escreva y em forma de fun~ao composta. 39 y = ';Ig! x + 4 40 y = cot3 (2x) 41 Y = see (x + lt/4) 42 y = esc ';x - It 43 Se fix) = cos x. mostre que [(x+ il) - [(x) (COS h - 1) (sen h)h = cosx --,-, - - sen x -h- 44 Se j{x)=sen x. mostre que [(x + h) - [(x). (COS h - 1) (sen h)h = sen x --'-I - + cas x -it- Exercs. 45-54: Verifique a identidade. 4S (1 - sen! 1)(1 + tg! I) = 1 46 see ~ - cas ~ = tg 13 sen ~ 47 cse 2 e = cot2 8 1 + tg28 l+ese(? 49 ,,- cot (? = cas (? see p 52 2 sen! 2/ + cos 4/ = 1 53 cos4 (8/2)·= -83+ ~ cas 8 + 1. cos 20_ 8 54 sen' 2x = 1 -' 1. cos 4x + ! cos 8x 8 2 8 Exercs. 55-56: Ache todas as solu~6es da cqlla~ o. 55 2 eos 28 - {3 = 0 56 2 sen 38 + V2 - 0 Exercs. 57-64: Ache as soluC;6es da equa~iio 'm [O.2lt). 57 2 sen! u = 1 - sea u 58 eos 0 - sea 8 = I 59 2 tg 1 - see! 1 = 0 [gExercs. 65-70: Aproxime. a menos de 10'. as snlll <;6es da equa<;ao que estao em l0'. 360'). 65 sea e = --D,5640 67 tg 8 = 2.798 69 see 8 = -1.116 66 eos e = 0,7/190 68 cot 8 = --D.960J 70 cse 0 = 1.485 [g 71 Grafe y = (sea x - eos nx)/eos x para -.I e estime os intereeptos-x. [g 72 Aproxime a soluc;ao da equac;iio x - ~ens III I zaado 0 processo abaixo: (1) Grafar y = x e y = i eos x nos mcsmo ·1 (1/ coordenados. (2) Usar as graticos em (1) para obler 11Il1h primeira aproxima~ao x. da solu~ o. (3) Determiaar aproximac;6es sllccssivllS I' x3 •••.• empregaado as f6rmulns Xl - I ''lIt1 • I' x3 = ~cos x2 ••..• ale abler lImll I' c i~ ') ii, sex!a decimal.
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