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1 _________________________________________________________ Centro de Ciências e Tecnlogia Agroalimentar - Campus Pombal Disciplina: Cálculo - 2012.2 Aula 1 Professor: Carlos Sérgio Revisão de Funções Sistema cartesiano ortogonal O Sistema de Coordenadas Cartesianas, mais conhecido como Plano Cartesiano, foi criado por René Descartes com o objetivo de localizar pontos. Ele é formado por dois eixos perpendiculares: um horizontal e outro vertical que se cruzam na origem das coordenadas. O eixo horizontal é chamado de abscissa (x) e o vertical de ordenada (y). Os eixos são enumerados compreendendo o conjunto dos números reais. Observe a seguir uma figura representativa do plano cartesiano: As coordenadas cartesianas são representadas pelos pares ordenados (x ; y). Em razão dessa ordem, devemos localizar o ponto observando primeiramente o eixo x e posteriormente o eixo y. Qualquer ponto que não se encontrar sobre os eixos, estará localizado nos quadrantes, veja: http://mundoeducacao.uol.com.br/matematica/plano-cartesiano.htm 2 1º quadrante = x > 0 e y > 0 2º quadrante = x < 0 e y > 0 3º quadrante = x < 0 e y < 0 4º quadrante = x > 0 e y < 0 Localizando pontos no Plano Cartesiano: A(4 ; 3) → x = 4 e y = 3 B(1 ; 2) → x = 1 e y = 2 C( –2 ; 4) → x = –2 e y = 4 D(–3 ; –4) → x = –3 e y = –4 E(3 ; –3) → x = 3 e y = –3 O Plano Cartesiano é muito utilizado na construção de gráficos de funções, onde os valores relacionados à x constituem o domínio e os valores de y, a imagem da função. A criação 3 do Sistema de Coordenadas Cartesianas é considerada uma ferramenta muito importante na Matemática, facilitando a observação do comportamento de funções em alguns pontos considerados críticos. Podemos associar o Plano Cartesiano com a latitude e a longitude, temas relacionados aos estudos geográficos e à criação do atual sistema de posicionamento, o GPS. O Sistema de Posicionamento Global permite que saibamos nossa localização exata na terra, desde que tenhamos em mão um receptor de sinais GPS, informando a latitude, a longitude e a altitude com o auxilio de satélites em órbita da Terra. Um exemplo de utilização do GPS são os aviões, que para não se colidirem são monitorados e informados em qual rota devem seguir viagem. A noção de função via conjuntos 1º) Dados A = {-2, -1, 0, 1, 2} e B = {-8, -6, -4, -3, 0, 3, 6, 7} e a correspondência entre A e B dada pela fórmula y = 3.x, com xA e yB, temos: Note que: * Todos os elementos de A têm correspondente em B; * A cada elemento de A corresponde um único elemento de B. Nesse caso, temos uma função de A em B. 2°) Dados A = {0, 4} e B = {2, 3, 5} e a correspondência entre A e B dada pela desigualdade y > x, com xA e yB, temos: Note que: * Todos os elementos de A têm correspondente em B; * Ao elemento 0 de A correspondem três elementos de B e não a um único. Nesse caso, NÃO temos uma função de A em B. 3º) Dados A = {-4, -2, 0, 2, 4} e B = {0, 2, 4, 6, 8} e a correspondência entre A e B dada pela fórmula y = x, com xA e y B, temos: http://mundoeducacao.uol.com.br/matematica/plano-cartesiano.htm http://mundoeducacao.uol.com.br/matematica/plano-cartesiano.htm 4 Note que: * Há elementos de A (os números -4 e -2) que não têm correspondente em B. Nesse caso, NÃO temos uma função de A em B. 4º) Dados A = {-2, -1, 0, 1, 2} e B = {0, 1, 4, 8, 16} e a correspondência entre A e B dada pela fórmula y = x 4 , com xA e yB, temos: Note que: * Todos os elementos de A têm correspondente em B; * A cada elemento de A corresponde um único elemento de B. Nesse caso, temos uma função de A em B. Definição e Notação Dados dois conjuntos não-vazios A e B, uma função de A em B é uma regra que diz como associar cada elemento xA a um único elemento yB. Usamos a seguinte notação: f: AB ou A f B que se lê: f é uma função de A em B. A função f transforma x de A em y de B. 5 Exercícios Propostos 1) Quais dos seguintes diagramas representam uma função de A em B? a) b) c) d) 2) Dados A = {0, 1, 2, 3}, B = {-1, 0, 1} e a correspondência entre A e B dada por y = x – 2, com xA e yB, faça um diagrama e diga se f é uma função de A em B. 6 Domínio, Contradomínio e Conjunto Imagem 1º) Dados os conjuntos A = {0, 1, 2, 3} e B = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}, vamos considerar a função f: AB que transforma xA em yB. Nesse caso, a função f: AB está definida por y = 2.x ou por f(x) = 2.x. Veja que para caracterizar uma função é necessário conhecer seus três componentes: o domínio (A), o contradomínio (B) e uma regra que associa cada elemento de A a um único elemento y = f(x) de B. Nesse exemplo, o domínio é A = {0, 1, 2, 3}, o contradomínio é B = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}, a regra é dada por y = 2.x e o conjunto imagem é dado por Im(f): {0, 2, 4, 6}. 2º) Consideremos a função g: definida por g(x) = x². Nesse caso a função g transforma todo número inteiro x em outro número inteiro y que é o quadrado de x. . . . * A imagem de x = -2 é g(-2) = (-2)² = 4 * A imagem de x = -1 é g(-1) = (-1)² = 1 * A imagem de x = 0 é g(0) = (0)² = 0 * A imagem de x = 1 é g(1) = (1)² = 1 * A imagem de x = 2 é g(2) = (2)² = 4 . . . Portanto, o domínio é , o contradomínio é , a regra é y = x² e o conjunto imagem é , isto é, Im(g) = . Generalizando: Dada uma função h de A em B, o conjunto A chama-se domínio da função e o conjunto B, contradomínio da função. Para cada xA, o elemento yB chama-se imagem de x pela função h ou o valor assumido pela função h para xA e o representamos por h(x). Assim, y = h(x). Em toda função f de A em B, Im(f)B. 7 O conjunto de todos os y assim obtidos é chamado conjunto imagem da função h e é indicado por Im(h). Exercícios Propostos 1) Considere a função A f B dada pelo diagrama e determine: a) D(f) b) CD(f) c) Im(f) d)f(4) e) y, quando x = 6 f) x, quando y = 7 g) f(x), quando x = 5 h) x, quando f(x) = 1 2) Considere A g B a função para a qual A = {0, 1, 2, 3, 4} e B = {-2, -1, 0, 1, 4, 7, 10} e g(x) é o triplo de x diminuído de 2 para todo xA. a) Considere o diagrama de flechas da função: b) Determine D(g), CD(g) e Im(g): c) Determine g(3): d) Determine x para o qual g(x) = -2: Estudo do Domínio de uma Função Real Vimos que uma função consta de três componentes: domínio, contradomínio e lei de correspondência. Quando é citada uma função f de A em B, já ficam subentendidos o domínio (A) e o contradomínio (B). Construção de Gráficos de Funções Para construir o gráfico de uma função dada por y = f(x), com xD(f), no plano cartesiano, devemos: * Construir uma tabela com valores de x escolhidos convenientemente no domínio D e com valores correspondentes para y = f(x); * A cada par ordenado (x, y) da tabela associar um ponto do plano cartesiano; * Marcar um número suficiente de pontos, até que seja possível esboçar o gráfico da função. Exemplos: 1º) Vamos construir o gráfico da função f: dada por f(x) = 2x + 1. Como, neste caso, D = , vamos escolher alguns valores arbitrários de x: 8 X y = f(x) = 2x + 1 -2 -3 -1 -1 0 1 1 3 2 5 O gráfico da função dada é o conjunto de todos os pontos (x, y), com x real e y = 2x + 1, resultando na reta da figura abaixo.2º) Vamos construir o gráfico da função f dada por f(x) = -x². x Y = f(x) = -x² (x, y) -2 -4 (-2, -4) -1,5 -2,25 (-1,5; -2,25) -1 -1 (-1, -1) 0 0 (0, 0) 1 -1 (1, -1) 1,5 -2,25 (1,5; -2,25) 2 -4 (2, -4) 9 A curva que contém todos os pontos obtidos com y = -x² é o gráfico da função dada. Essa curva se chama parábola. 3º) Vamos construir o gráfico das função f dada por f(x) = Nesse caso, a função está definida por duas sentenças: x 3 x y = f(x) = x (x, y) -1 -1 (-1, -1) 1 1 (1, 1) 3 3 (3, 3) x > 3 x y = f(x) = x (x, y) 4 3 (4, 3) 5 3 (5, 3) 6 3 (6, 3) x, se x 3 3, se x > 3 f(x) = x, se x 3 f(x) = 3, se x > 3 10 Exercícios Propostos 1) Construa o gráfico de cada uma das seguintes funções y = f(x), f: : a) y = 2x + 3 b) f(x) = x² + 3 c) f(x) = Como determinar o domínio e a imagem de uma função a partir do seu gráfico? Observando o gráfico de uma função no plano cartesiano podemos, às vezes, determinar o domínio D e o conjunto Im da função, projetando o gráfico nos eixos: D(f) = { x 2 x 4} = [2, 4] D(f) = { x 2 x 4} = [2, 4] Im(f) = {x 1 x 5} = [1, 5] Im(f) = {x 1 x 5} = [1, 5] Exercícios Propostos 1) Os seguintes gráficos representam funções; determine o domínio D e o conjunto imagem Im de cada uma delas: a) b) c) Determinando se um conjunto de pontos é gráfico de uma função 4x, se x 0 0, se x < 0 11 Já vimos que, para ter uma função de A em B, a cada xA deve corresponder um único yB. Geometricamente, isso significa que qualquer reta perpendicular ao eixo x que intersecta o gráfico deve fazê-lo uma única vez. Assim, se essa reta intersectar o gráfico em mais de um ponto, esse gráfico não é gráfico de uma função. Por exemplo: O gráfico acima é de uma função. O gráfico acima não é de uma função. Exercícios Propostos 1) Determine se cada um dos gráficos abaixo representa uma função: a) b) c) d) 12 Analisando o gráfico de uma função De modo geral, analisando o gráfico de uma função, podemos observar propriedades importantes dela, tais como: 1º) Onde ela é positiva (f(x) > 0), onde ela é negativa (f(x) < 0) e onde ela se anula (f(x) = 0). Os valores 0x nos quais ela se anula (f(x 0 ) = 0) são chamados zeros ou raízes da função f. 2º) Onde ela é crescente (se x 1 < x 2 , então f(x 1 ) < f(x 2 )), onde ela é decrescente (se x 1 < x 2 , então f(x 1 ) > f(x 2 )), onde ela é constante (se x 1 < x 2 , então f(x 1 ) = f(x 2 )) e onde ela assume um valor máximo ou um valor mínimo, se existirem. Exemplo: Considere o gráfico abaixo de uma função definida no intervalo ]-6, 6[: * f é positiva em ]-5, -1[ e em ]5, 6[. * f é negativa em ]-6, -5[ e em ]-1, 5[. * f é nula em x = -5, x = -1 e x = 5. Esses são os zeros ou raízes da função. * f é crescente em ]-6, -3] e em [2, 6]. * f é decrescente em [-3, 2]. * O ponto com x = -3 é um ponto de máximo e f(x) = 2 é o valor máximo de f. * O ponto com x = 2 é um ponto de mínimo e f(x) = -3 é o valor mínimo de f. 13 Exercícios Propostos 1) Considerando o gráfico a seguir, que representa uma função, responda: a) Qual o domínio e a imagem da função? b) Em que intervalos a função é crescente? c) Em que intervalo a função é decrescente? d) f (1) é maior, menor ou igual a f(4)? e) Qual o valor de )2()3( )5( ff f ? f) Quais são os zeros ou raízes da função? g) Qual é o valor mínimo de f ? Funções Sobrejetoras, Injetoras e Bijetoras. Função Sobrejetora: Seja uma função f de A em B. Dizemos que f é sobrejetora, se e somente se, a imagem de f for o próprio contradomínio (conjunto B). Em símbolos f é sobrejetora Im (f) = Cd (f). Exemplos: a) b) :f . 2)( xxf a ● b ● c ● ● 1 ● 2 B BCd AD Im Contradomínio e imagem iguais sobrejetora -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -3 -2 -1 0 1 2 3 x y Im Cd D Contradomínio e imagem iguais sobrejetora 14 Função Injetora: Seja uma função f de A em B. Dizemos que f é injetora, se cada elemento do conjunto contradomínio for imagem de apenas um elemento do conjunto A. Em símbolos: f é injetora x 1 , x 2 A, com x 1 x 2 temos f (x1 ) f (x 2 ) Exemplos: a) Como cada elemento da imagem tem um único correspondente no domínio, pode-se afirmar que esta função é injetora. b) :f , 2)( xxf Como cada elemento da imagem tem um único correspondente no domínio, pode-se afirmar que esta função é injetora. Função Bijetora: Seja f uma função de A em B. Dizemos que f é bijetora, se e somente se f for ao mesmo tempo sobrejetora e injetora. Em símbolos: f é bijetora f é sobrejetora e injetora. Exemplos: a) a ● b ● c ● ● 1 ● 2 ● 3 ● 4 A B 3,2,1Im 3,2,,1, BCd AD cbaf Im Cd D a ● b ● c ● ● 1 ● 2 ● 3 A B B BCd AD cbaf Im 3,2,,1, -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -3 -2 -1 0 1 2 3 x y 15 Esta função é sobrejetora pois a imagem e o contradomínio são iguais. É também injetora pois cada elemento da imagem tem um único correspondente no domínio. Como é sobrejetora e injetora é então bijetora. b) :f , 2)( xxf Esta função é sobrejetora poisa imagem e o contradomínio são iguais. É também injetora pois cada elemento da imagem tem um único correspondente no domínio. Como é sobrejetora e injetora é então bijetora. Função Inversa. Se f é uma função bijetora de A em B, a relação inversa de f é uma função de B em A que denominamos função inversa f e indicamos por 1f . Ainda, fyxxyf ,/,1 é a função inversa de f se para todo By , existe um único Ax tal que 1),( fxyf . Obs.: 1º) Os pares ordenados que formam 1f podem ser obtidos dos pares ordenados de f, permutando-se os elementos de cada par, isto é: 1,, fxyfyx ; 2º) Pela observação anterior, temos: 1,, fxyfyx e se 111 ,, fyxfxy isto é, a inversa de 1f é a própria função f ou seja ff 11 ; 3º) O domínio da função 1f é B, que é a imagem de f. A imagem da função 1f é A, que é o domínio de f. A B B f 1 A )Im(1 fBfD )(Im 1 fDAf Exemplo: -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -3 -2 -1 0 1 2 3 x y Im Cd D ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 16 Dados os conjuntos A = {1, 2, 3, 4} e B = {1, 3, 5, 7}, consideremos a função f de A em B definida por 12)( xxf .. x y 1 1 2 3 3 5 4 7 Determinação da Função Inversa. Regra prática. Dada a função bijetora f de A em B, definida pela sentença )(xfy , para obtermos a sentença aberta que define 1f , procedemos do seguinte modo: 1º) Na sentença )(xfy fazemos uma mudança de variável, isto é, trocamos x por y e y por x, obtendo )(yfx ; 2º) Transformamos algebricamente a expressão )(yfx , expressando y em função de x para obtermos )(1 xfy . Exemplos: a) Vamos encontrar a função inversa da função f dada por 32)( xxf .. 1 3 5 7 1 2 3 4 A B f f é bijetora BfCd AfD )( )( 4,7,3,5,2,3,1,11 f em que BfD )( 1 e Af )Im( 1 . Observemos que a função f é definida por 12 xy e 1f é definida pela sentença 2 1 y x 1 2 3 4 1 3 5 7 B A f --1 y x 17 b) Vamos encontrar a função inversa da função bijetora f 14: f tal que 4 1 )( x x xf Solução: 1º) 2º) Estudo das Funções: Função Constante: Dado um número real c, definimos função constante aquela que a todo número real x faz corresponder o número c: ccxff ,)(/: Exemplo: 2)( xf 1 14 )( 1 14 14)1( 1414 4 1 4 1 1 x x xf x x y xxy xyxyyxxy y y x x x y )( fD 2)Im( f 18 Função Polinomial do 1∘ Grau: Dados os números reais a e b, sendo a 0, definimos função polinomial do 1º grau aquela em que a todo número real x faz corresponder o número ax + b: f : , com f (x) = ax + b (a * , b ) Exemplos: a) 12 x)x(f b) 12 x)x(f c) x)x(f 2 x y 0 0 1 2 Função Polinomial do 2º grau: Dados os números reais a, b e c, sendo a 0, definimos função polinomial do 2º grau aquela em que a todo número real x faz corresponder o número ax 2 + bx + c: c,b*,a,cbxax)x(f/:f 2 x y 0 1 1 3 x y 0 1 1 -2 D (f) = Im (f) = D(f) = Im(f) = D(f) = Im(f) = 19 Exemplos: a) 322 xx)x(f x y -4 5 -3 0 -1 -4 1 0 2 5 b) 322 xx)x(f Funções Polinomiais de grau maior que 2: Dados os números reais a n , a 1n , ..., a1 , a 0 , sendo a 0n , definimos função polinomial de grau n aquela em que a todo número real x faz corresponder o número 01 1 1 ... axaxaxa n n n n 011,01 1 1 ,,...*,)(/: aaaaaxaxaxaxff nn n n n n x y -4 -5 -3 0 -1 4 1 0 2 -5 D (f) = Im (f) = [-4, + ) D (f) = Im (f) = (- , 4] 20 Exemplos: a) 3x)x(f b) 4x)x(f c) 5x)x(f x y -2 -8 -1 -1 -0 0 1 1 2 8 x y -1,5 -5,1 -1 1 0 0 1 1 1,5 5,1 x y -1,4 -5,4 -1 -1,0 0 0,0 1 1,0 1,4 5,4 D (f) = Im (f) = D (f) = Im (f) = D (f) = Im (f) = 21 D (f) = Im (f) = * d) 22)( 23 xxxxf e) xxxx)x(f 652 234 x y -2,5 6,6 -2,0 0,0 -1,5 -0,9 -1 0,0 -0,5 0,6 0 0,0 0,5 -0,9 1 0,0 1,5 6,6 Função Exponencial: Denominamos função exponencial de base a (a > 0 e a 1) à função f (x) = xa definida para todo x real. Exemplos: a) x)x(f 2 b) x )x(f 2 1 x y -3,0 -8,0 -2,5 -2,6 -2,0 0,0 -1,5 0,6 -1 0,0 -0,5 -1,1 0 -2,0 0,5 -1,9 1 0,0 1,5 4,4 x y -4 0,0625 -3 0,125 -2 0,25 -1,0 0,5 0 1,0 1 2,0 2 4,0 3 8,0 4 16,0 D(f) = Im(f)= D(f) = Im(f)= [-1,+ ) a > 0 Função Crescente 22 D (f) = ] Im (f) = * 0 < a < 1 Função Decrescente xxf 2log)( D (f) = * Im (f) = a > 0 Função Crescente Função Logarítmica: Dado um número real a (a > 0 e a 1), chamamos função logarítmica de base e à função xxf alog)( , definida para todo x > 0. Exemplos: a) x y -4 16,0 -3 8,0 -2 4,0 -1,0 2,0 0 1,0 1 0,5 2 0,25 3 0,125 4 0,0625 x y 0,125 -3 0,25 -2 0,5 -1 1,0 0 2 1 4 2 8 3 23 D (f) = * Im (f) = 0 < a < 1 Função Decrescente D(f)= Im(f)=[-1, 1] P=2 rad xxfb 2 1log)() Funções Trigonométricas: Função Seno: Denominamos função seno à função que a cada número real x, faz corresponder o número senxy . Exemplo: senxy x y 0,125 -3 0,25 -2 0,5 -1 1,0 0 2 1 4 2 8 3 X y 0 0 2/ 1 0 3 /2 -1 2 0 24 D(f)={x /x k } Im(f)= P= rad D(f)= 2 / kxx Im(f) = P = rad Função Cosseno: Denominamos função cosseno à função que a cada número real x, faz corresponder o número xcosy . Exemplo: xcosy Função Tangente: Denominamos função tangente à função que a cada número real x, Zkkx , 2 , faz corresponder o número tgxy . Exemplo: tgxy Função Cotangente: Denominamos função cotangente à função que a cada número real x, Zkkx , , faz corresponder o número gxcoty . x y 0 1 /2 0 -1 3 /2 0 2 1 x y 0 0 /2- + /2 /2+- 0 3 /2- + 3 /2 3 /2+ - 2 0 25 D(f) = kxx / Im(f) = P = rad D(f) = 2 / kxx Im(f) = 1, ,1 P = 2 rad Exemplo: gxcoty Função Secante: Denominamos função secante à função que a cada número real x, Zk,kx/x 2 , faz corresponder o número xsecy . Exemplo: xsecy x y 0+ + /2 0 - - + + 3 /2 0 2 - - 2 x y 0 1 /2- + /2 /2+ - -1 3 /2- - 3 /2 3 /2+ + 2 1 26 D (f) = kxx / Im(f)= ,11, P = 2 rad Função Cossecante: Denominamos função cossecante à função que a cada número real x, Zk,kx/x , faz corresponder o número xcscy . Exemplo: xcscy x y 0 + + /2 1 - + + - 3 /2 -1 2 - - 2
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