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APOSTILA DE MATEMÁTICA (NÍVEL MÉDIO) Curso/ Nível: Eja – Nível Médio – 1°, 2° e 3° Nr° de encontros: 08 Modalidade: Supletivo Médio PROFESSOR: WERBETH CUNHA DA SILVA AÇAILANDIA – MARANHÃO 2020 WERBETH CUNHA DA SILVA Especialista em Metodologia do Ensino da Matemática pela FAEL. Licenciado em Matemática pela Universidade Paulista. Professor da rede pública de ensino nos Ensinos Fundamental e Médio. Profissional Técnico Mecânico pelo (SENAI) com experiência profissional em Manutenção Mecânica Industrial em companhias siderúrgicas, indústria química, papel e celulose, fábricas cimenteiras e prestação de serviços industriais. SUMÁRIO 1. CONJUNTOS ......................................................................................................................... 4 2. CONJUNTOS NUMERICOS ................................................................................................. 8 3. RELAÇÕES .......................................................................................................................... 10 4. FUNÇÕES ............................................................................................................................. 11 5. LOGARITMO ...................................................................................................................... 18 6. PROGRESSOES ................................................................................................................... 19 7. TRIGONOMETRIA ............................................................................................................ 21 8. ANÁLISE COMBINATÓRIA ............................................................................................ 24 9. PROBABILIDADE .............................................................................................................. 25 10. PORCENTAGEM .............................................................................................................. 27 11. ESTATÍSTICA ................................................................................................................... 28 12. GEOMETRIA ANALÍTICA ............................................................................................. 30 13. MATRIZES ......................................................................................................................... 37 14. NÚMEROS COMPLEXOS ............................................................................................... 48 15. POLINOMIOS .................................................................................................................... 56 16. EQUAÇOES POLINOMIAIS ........................................................................................... 62 1. CONJUNTOS 1.1 TEORIA DE CONJUNTOS Em matemática a teoria dos conjuntos é utilizada basicamente para estudar e descrever o agrupamento de elementos. A noção intuitiva deste estudo permite uma interpretação mais abrangente de alguns problemas elementares envolvendo coleções, grupos, classes, categorias etc. Para entender estes conceitos é necessário definir alguns elementos crucias, tais como: CONJUNTO É toda coleção de objetos, números, nomes, cidades, letras e etc. Exemplo: Fonte: internet Imagine um carrinho de supermercado, que pode estar cheio de produtos ou vazio esse carrinho pode ser entendido como um conjunto, da mesma forma que determinada prateleira deste mesmo supermercado representam um conjunto de algo a ser exposta a venda neste estabelecimento comercial. ELEMENTO É todo objeto que faz parte de determinado conjunto. Exemplo: Tomemos o exemplo anterior do carrinho de supermercado, sabemos que o carrinho representa o conjunto de algo, neste caso cada objeto que está dentro do carrinho é chamado de elemento do conjunto denominado “carrinho de supermercado” de igual modo cada item da prateleira deste supermercado é denominado elemento do conjunto “prateleira”. REPRESENTAÇÃO DE CONJUNTOS A notação representativa mais usual para conjunto é dada por uma letra maiúscula, e cada elemento que faz parte do conjunto é colocado entre chaves e separado por vírgula. 11°°AANNOO A– UAULLAA0101 Observe os exemplos: A = {0, 1, 2, 3, 4, 5} B = {..., -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3,...} Observe que o conjunto A é finito, pois todos os seus elementos podem ser contados, ou seja, sabemos que todos os elementos desse conjunto estão sendo representados pelos números naturais 0, 1, 2, 3, 4, 5 e apenas estes, já o conjunto B é infinito, pois não podemos contar todos os seus elementos. Uma representação muito importante denominada lei de formação aplicada na teoria dos conjuntos define que os elementos de um conjunto podem ser anunciados por uma lei, ou condição que define critérios das quais estão sujeitos para fazer parte deste determinado conjunto, veja os exemplos: A = {x | x é um número maior que 2 e menor do que 7} Note que a lei de formação estabelece que os elementos desse conjunto será um número x tal que satisfaça a condição de ser um número maior que 2 e menor do que 7. Desta forma podemos concluir que os números 3, 5, 6 são os elementos desse conjunto. Outra situação: B = {x | x é par} Para este caso a condição de existência estabelece que os elementos do conjunto B deve ser um número x qualquer que seja par. Podemos então extrair a seguinte conclusão: B = {0, 2, 4, 6,...}. Outra forma de representar conjunto não menos importante é a representação por meio de diagramas, conforme ilustra a seguir: OS NÚMEROS NATURAIS E A RETA NUMÉRICA Um conjunto muito importante na matemática que merece nossa atenção é o conjunto dos números naturais, cuja representação se dá pela letra maiúscula N, o mesmo é constituído basicamente pelos números: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9... além de ser amplamente utilizado para contar coisas, quantificar subconjuntos e estabelecer algumas importantes relações matemáticas. Por meio dos números naturais podemos estabelecer algumas considerações importantes no nosso estudo, como por exemplo, descrever o conjunto através de uma reta horizontal, onde cada número natural é representado pelos pontos sobre esta mesma reta como veremos a seguir: Fonte: Internet Esta forma de representação em reta numérica é largamente empregada em estudos mais detalhados de análise de plano cartesiano, além de alguns conceitos inerentes a geometria que mais adiante no nosso curso de ensino médio será abordado. Vale destacar que a reta numérica não se limita a representar apenas os números naturais, mas também toda a ideia por trás dos conjuntos numéricos como um todo, favorecendo a didática de algumas demonstrações na matemática básica. RELAÇOES ENTRE ELEMENTOS E CONJUNTOS Os elementos que compõem um conjunto possuem algumas relações que estabelecem certas características associadas entre si ou a outro conjunto. A seguir veremos cada uma destas relações com mais riqueza de detalhes: Relação de Pertinência: estabelece o conceito de que determinado elemento pertence ou não pertence ao determinado conjunto. Para facilitar o entendimento veremos o exemplo a seguir: Exemplo: B = {a, b, c, d} Logo, a e b (são elementos integrantes do conjunto B, ou seja, pertence ao conjunto B). w e y (não fazem parte do conjunto B e obviamente não pertence ao conjunto B). IMPORTANTE! Quando um elemento pertence ou não pertence ao conjunto em questão podemos utilizar alguns símbolos para afirmar tal sentença, como: a ∈ B para indicar que o elemento a pertence ao conjunto B (leia-se “a pertence a B”). Assim como, a ∉ B para indicar que a não pertence a B (leia-se “a não pertence a B”). Relação de inclusão: como o próprio nome da relação já declara, este conceitodiz respeito a inclusão ou não inclusão de um elemento para determinado conjunto. Se todos os elementos de um conjunto B também são elementos do conjunto C, então B é um subconjunto de C. Exemplo: B = {a, e, i, o, u} C = {a, e, i, o, u, w, x, y, z} D = {k, l, m, n} Logo, B ⊂ C (leia-se B está contido em C, ou seja, todos os elementos que fazem parte de B estão em C). D ⊄ C (leia-se D não está contido em C, ou seja, todos os elementos do conjunto D são diferentes dos elementos do conjunto C). IMPORTANTE! Quando todo elemento de um conjunto B também é elemento de um conjunto C, podemos dizer que B é subconjunto de C. Conjunto unitário: é todo conjunto que possui apenas um elemento, não importa qual seja basta que seja apenas um elemento dentro desse conjunto. Conjunto vazio: como o próprio nome sugere este conjunto recebe este nome por não possuir elementos, sendo representado em linguagem simbólica por { } ou Ø. OPERAÇÕES COM CONJUNTOS União de conjuntos: representada pela letra maiúscula (U), corresponde a união dos elementos de dois conjuntos, caso exista elementos repetidos ele aparecerá uma única vez no conjunto união. Tomemos como exemplo um conjunto A e outro conjunto B, desta forma a união de ambos será representada por: A U B (leia-se A união B) Intersecção de conjuntos: a intersecção é o conjunto formado pelos elementos comuns a união de dois conjuntos dados. Ela é representada pelo símbolo (∩). Considere a união de um conjunto A e outro B, a intersecção é dada por: A ∩ B (leia-se A intersecção B) Diferença de conjuntos: a diferença entre dois conjuntos corresponde aos elementos que pertencem a A mas não pertencem a B. A – B (Leia-se: a diferença entre A e B) 2. CONJUNTOS NUMERICOS 2.1 NÚMEROS REAIS Os números reais representados pela letra maiúscula R fazem parte de um conjunto que engloba quatro outros conjuntos menores que inclui os: Números naturais (N): N = {0, 1, 2, 3,...} Números Inteiros (Z): Z = {...,-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3,...} Números Racionais (Q): Q = {..., 1/2, 4/3, -5/4,...} Números Irracionais (I): I = {...,√2, √3, √7,...} É importante destacar que a união deste conjunto pode ser expressa pela seguinte expressão simbólica: R = N U Z U Q U I Onde: 2.2 A RETA REAL Considere uma reta onde a partir de uma origem seja definida alguns valores por meio de pontos localizados da esquerda para a direita em ordem crescente e sentido positivo, note que esta reta pode muito bem representar um conjunto conhecido por nós denominado conjunto dos números naturais, conforme a imagem abaixo: Perceba que a partir desta reta podemos estabelecer outros valores que correspondem a outros conjuntos numéricos como o conjunto dos números inteiros (Z) que por sua vez tem a seguinte reta: Desta forma fica evidente que também é possível representar uma reta mais completa representada pelo conjunto real conforme a seguir: 2.3 INTERVALOS Os intervalos são subconjuntos de R determinados por desigualdades. O contexto em que se inserem os intervalos é observado com mais cautela no estudo de inequações, onde se faz necessário estabelecer subconjuntos na solução dos problemas. Seja a e b dois números reais, com a < b, podemos definir os seguintes intervalos limitados a estes extremos a e b: Intervalo aberto nos extremos a e b: ]a, b[ = {x ∈ R | a < x < b} Intervalo fechado nos extremos a e b: [a, b] = {x ∈ R | a ≤ x ≤ b} Intervalo fechado à esquerda e aberto à direita nos extremos a e b: [a, b[ = {x ∈ R | a ≤ x < b} Intervalo aberto à esquerda e fechado à direita nos extremos a e b: ]a, b] = {x ∈ R | a < x ≤ b} 3. RELAÇOES 3.1 SISTEMA CARTESIANO ORTOGONAL DE COORDENADAS O sistema cartesiano ou como é comumente denominado apenas de plano cartesiano representa um sistema de coordenadas constituído de dois eixos x e y perpendiculares entre si e que se cruzam na origem. O eixo vertical é chamado de eixo das ordenadas (Y) e o eixo horizontal e chamado de eixo das abscissas (X). 3.2 PRODUTO CARTESIANO 2 4 3 6 4 8 1° ANO – AULA 2 Dados dois conjuntos A e B não vazios, podemos definir o produto cartesiano entre A e B por meio da multiplicação entre seus pares ordenados (x, y). Desta forma podemos estabelecer a seguinte relação: A x B = {(x, y) | x ∈ A e y ∈ B} Exemplo: Dados A = { a, b, c} e B = {2, 3, 4}, o produto cartesiano de A x B terá 9 pares ordenados definidos por: A x B = {(a, 1), (a, 2), (a, 3), (b, 1), (b, 2), (b, 3), (c, 1), (c, 2), (c, 3)} 3.3 RELAÇÃO BINÁRIA Para definir o que seria uma relação binária no estudo do plano cartesiano podemos pensar que é um produto cartesiano que possui uma propriedade definida. R = {(x, y) ∈ A x B | ρ (x, y ) é verdadeira} Exemplo: A = {1, 3, 4} e B = {3, 6, 8} A x B = {(1, 3), (1, 6),(1, 8),(3, 3),(3, 6)(3, 8),(4, 3),(4, 6),(4, 8)} R = {(a, b) ∈ A x B y = 2x} ⇒ R = {(3, 6); (4, 8)} Graficamente teremos o seguinte resultado: 4. FUNÇÕES 4.1 NOÇÃO E REPRESENTAÇÃO DE FUNÇÃO Dados os conjuntos A = { 2, 3, 4} e B = { 4, 6, 8}, associar cada elemento de A em B: A B Para que a relação entre os conjuntos acima seja função é necessário seguir alguns critérios práticos estabelecidos a seguir: 1 – Todo elemento de A deve ter um único correspondente em B. 2- De cada elemento de A deve sair uma única flecha correspondente em B 4.2 LEI DE CORRESPONDENCIA DE UMA FUNÇÃO Para elucidar a definição da lei de correspondência de uma função tomemos o diagrama e os conjuntos dados na secção 4.1 onde A = {2, 3, 4) e B = {4, 6, 8}, observe que podemos estabelecer aqui uma lei aplicada no conjunto A de forma que obtenhamos o conjunto B da seguinte forma: Lei de correspondência: “Associar cada elemento de A ao seu dobro em B.” Observe que se multiplicarmos cada elemento do conjunto A por dois (que representa o seu dobro) obteremos o conjunto correspondente em B. 4.3 FUNÇÃO DE VARIÁVEL REAL Uma função pode ser entendida como uma aplicação entre conjuntos numéricos e procura descrever o comportamento numérico que podem ser representados por meio de gráficos tomando como partida o plano cartesiano. Através do gráfico de uma função é possível estudar a trajetória das notações e demonstrar algumas propriedades. A notação de uma função pode ser expressa pela seguinte relação: f: A → B Onde, A é o domínio e B é o contradomínio da função. Dentre as diversas formas de se representar uma função tem algumas que talvez sejam as mais usuais como: y = ax + b f(x) = ax +b Uma função real de variável real é uma função em que os elementos do conjunto de partida e os do conjunto de chegada são números reais, ou seja, fazem parte do conjunto R. Exemplos: f(x) = x + 2, f(x) = x 2 + 2x + 7 4.4 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE UMA FUNÇÃO Para construir o gráfico de uma função existem diversas maneiras entre as quais, basta tomar alguns pontos conhecidos relacionados aos pares ordenados ou ainda conhecer a lei de formação da função onde podemos atribuir valores para as variáveis e encontrar os pontos correspondentes no gráfico. x y 0 1 1 3 2 5 3 7 A (0,1) Veja um exemplo: Considere a seguinte função: f(x) = 2x + 1, construa o gráfico desta função: Solução: como exercício fornece apenas a função propriamente dita, podemos resolver atribuindo alguns valores para x de forma a obter a imagem y no gráfico desta função, veja a seguir: 4.5 RECONHECENDO O GRÁFICO DE UMA FUNÇÃO Para saber se determinado gráfica corresponde a uma função é bem simples, basta lembrar que todos os elementos do domínio estão associados a um único elemento do contradomínio, ou seja, cada elemento do domínio tem apenas uma imagem. Exemplos: a) Observe que para cada elemento dodomínio existe apenas uma imagem correspondente no gráfico, logo é função. b) D (3,7) C (2,5) B (1,3) Veja que neste gráfico um único domínio gerou duas imagens distintas, logo podemos concluir que não é uma função. 4.6 FUNÇÃO POLINOMIAL DO 1° GRAU Uma função f: R→R chama-se função de 1° grau quando existem dois números reais a e b tal que f(x) = ax + b, para todo x ∈ R. É importante saber que o número a é chamado de coeficiente angular e representa a taxa de decrescimento da função e a inclinação do gráfico. Já o numero b é chamado de coeficiente linear e representa exatamente onde no gráfico corta o eixo y. Exemplos de funções deste tipo: a) f(x): 3x + 1 b) f(x): 3-2x Onde a = 3 e b = 1 Onde a = -2 e b = 3 Zero ou raiz da função: chama-se zero ou raiz da função f(x) = ax +b o número real x tal que f(x) =0, ou seja, basta resolver a equação ax + b = 0 para determinar a raiz. Exemplo: determine a raiz da seguinte função de 1° grau f(x) = 3x + 2 Solução: 3x + 2 = 0 3x = 2 X = -2/3 → raiz Gráfico de uma função de 1° grau: o gráfico de uma função da forma f(x) = ax +b é sempre uma reta. Exemplo: Determinar o gráfico da função f(x) = 2x +3. Função constante: É uma função onde qualquer que seja o elemento do domínio eles sempre terão a mesma imagem e ao variar x encontramos sempre uma constante em y. É importante descrever que a notação deste tipo de função é dada por f(x) = 0x + b, note que a = 0 e b = R. Exemplo: Determine o gráfico da função de f: R → R, f(x) = 2. 4.7 FUNÇÃO QUADRÁTICA Definição: Uma função f: R → R chama-se quadrática quando existem números reais a, b, c com a ≠ 0, tal que f(x) = ax 2 + bx + c para todo x ∈ R. Exemplo: f(x) = 3x2 -4x + 2 Onde, a= 3, b = -4, c = 2 Gráfico: O gráfico de uma função quadrática, f(x) = ax 2 + bx + c, é uma curva chamada parábola. Exemplo: f(x) = x 2 – 2x – 3 Zeros da função quadrática: Chama-se zero ou raiz da função quadrática f(x) = ax 2 + bx + c o número real tal que f(x) = 0. Basta resolver a equação ax 2 + bx + c = 0, encontrar as duas raízes que obteremos como solução, para isto podemos utilizar de uma fórmula muito conhecida da matemática chamada Bhaskára. Fórmula de Bhaskára: Vértice da parábola: As coordenadas do vértice são fornecidas pelas fórmulas Valor máximo e Valor mínimo: Em determinadas situações é necessário descobrir quais os valores de máximo e mínimo que uma função quadrática assume. Nestes casos para descobrir estes dados, basta analisar o gráfico ou resolver primeiro a equação, descobrir seus vértices e depois verificar para quais valores x e y assumem para máximo e mínimo. Seja f: R → R uma função quadrática dada por f(x) = ax 2 + bx + c, e considere V (xv yv) o vértice da parábola correspondente ao gráfico de f. Se a > 0, então V é chamado de ponto de mínimo do gráfico de f e yv é o valor mínimo de f. Se a < 0, então V é chamado de ponto de máximo do gráfico de f e yv é o valor máximo de f. 4.8 FUNÇÃO EXPONENCIAL Antes de iniciarmos nosso estudo de funções exponenciais vamos relembrar alguns conceitos e propriedades das potencias, pois será de extrema necessidade dominar este tema antes de navegar na definição de função exponencial, sendo assim: Potenciação: Definição: a ∈ R, n ∈ N onde a n = a. a. a. a Propriedades: Agora que recordamos os conceitos de potenciação, vamos conhecer de perto a definição de função exponencial a seguir: Definição : Seja um número real a (a> 0 e a ≠ 0) denomina-se função exponencial de base “a” a função f: R→ R * + definida por f(x) = a x . Onde a é a base e x a variável. Vale a ressalva que: a base a, jamais será: 1 – Um número negativo. 2 – Um número igual a zero. 3 – Um número igual a 1. Exemplos de funções exponenciais: a) f(x) = 2x b) f(x) = 3 x c) f(x) = (½) x Gráfico da função exponencial: A base a da função exponencial f(x) = a x é um número a > 0 e a ≠ 1. Construir o gráfico f(x) = 2 x Equação exponencial: são aquelas em que a incógnita aparece nos expoentes. Uma das maneiras de resolve- las é transforma-las em igualdade de potencias de mesma base. Exemplo: Resolva a equação exponencial 3 x+1 = 81. Solução: 5. LOGARITMO No estudo das equações exponenciais, tratamos de casos em que podíamos reduzir as potencias a mesma base. Veja: 12°°AANNOO A– UAULLAA0103 2 x = 8 → Solução: 2 x = 8 ⇒ 2x = 23 ⇒ x = 3 Mas e quando não conseguimos igualar as bases? Como resolver? Veja o exemplo a seguir: 2 x = 3 Para este exercício especifico, podemos resolver por meio de logaritmos, mas o que é logaritmo? Definição: Sejam a e b números reais e positivos, com a ≠ 1, então: Condição de existência: existem algumas restrições para que seja definido um logaritmo, dentre as quais: 1 – A base deve ser (a > 0 e a ≠ 1). 2 – O logaritmando deve ser (b > 0). Propriedades: Logaritmo de um produto: O logaritmos de um produto é igual a soma de seus logaritmos: loga (b.c) = loga b + loga c Logaritmo de um quociente: O logaritmo de um quociente é igual a diferença dos logaritmos: loga = logab - loga c Logaritmo de uma potencia: O logaritmo de uma potencia é igual ao produto dessa potencia pelo logaritmo: loga b m = m . loga b 6. PROGRESSOES 6.1 PROGRESSÃO ARITMÉTICA (P.A) Uma P.A é uma sequencia na qual cada termo (a partir do 2°) é igual ao anterior somado a uma constante chamada razão. Exemplos de P.A: a) (5, 7, 9, 11,...) Note que cada número desta sequencia a partir do segundo é acrescido de + 2 unidades. b) (12,9, 6, 3, 0) Note que cada número desta sequencia a partir do segundo é acrescido de + (- 3) unidades. Calculo da razão de uma P.A: para calcular a razão utiliza-se a seguinte formula: R = an +1 - an Exemplo: R = 13 – 5 = 8 Fórmula do termo geral: é utilizada para descobrir um termo qualquer em uma sequencia numérica que se configura como um P.G. Veja a seguir: an = a1 + (n – 1) . R Onde: an = Termo qualquer a1 = Primeiro termo da sequencia n = posição do termo R = razão Exemplo: calcular o 23° termo da sequencia (3, 7, 11,...) R = 7 – 3 = 4 → a23 = a1 + (23 – 1) . 4 a23 = 3 + 22 . 4 a23 = 91 Formula da soma dos n primeiros termos de uma P.A: Sn = (a1 + an)/2 . N 6.2 PROGRESSÃO GEOMÉTRICA Definição: uma progressão geométrica é uma sequencia (de elementos não nulos) na qual cada termo, a partir do 2° é igual ao anterior multiplicado por uma constante chamada razão. Exemplo de P.G: A) (2, 4, 8, 16,...) Formula do termo geral de um P.G: Onde, an = Termo geral a1 = primeiro termo da sequencia q = razão n = posição do termo an = a1 . q n-1 Exemplo: dada a P.G (2, 6, 18,...), calcular o 8° termo desta sequencia. q = 6/2 = 3 an = a1 . q n-1 a8 = 2 . 3 7 a8 = 4374 Formula da soma dos n primeiros termos de uma P.G: Sn = a1 . (q n - 1/q - 1) 7. TRIGONOMETRIA É a parte da matemática que estuda as relações existentes entre os lados e os ângulos dos triângulos. É fundamental entender que o estudo da trigonometria não se resume apenas a aplicação do teorema de Pitágoras, mas a uma serie de medidas de lados e ângulos. Circunferência trigonométrica: Radiano: refere-se como a medida de um aro cujo comprimento é igual ao raio da circunferência e mede aproximadamente 57,3°. Sabendo que em graus uma volta completa mede 360°, podemos estabelecer uma relação importante entre radiano e grau de forma a obter uma formula de conversão de medidas conforme segue abaixo: Sendo o ângulo de 180° 1π, então este mede, aproximadamente 3,14R. Assim, O comprimento do arco de raio r pode ser determinado como: A circunferência trigonométrica é uma representação gráfica que ajuda no cálculo das razões trigonométricas. Como está representado abaixo, o Seno corresponde ao eixo vertical (y). Logo, o Cosseno corresponde ao eixo horizontal (x). Ângulos Notáveis Chamamos de ângulos notáveis, aqueles que mais se mostram no cálculo da trigonometria. Estes ângulos 30°, 45° e 60°; podem representar as razões trigonométricas de um ângulo qualquer da circunferência. Relação fundamental da Trigonometria Quaisquer triângulos Lei dos Senos: A medida dos lados dos triângulos é diretamente proporcional aos Senos dos respectivos ângulos opostos. A constante é igual à medida do diâmetro da circunferência circunscrita de um triângulo qualquer (que não possui um ângulo de 90°). Assim, para um triângulo ABC de lados a, b e c, podemos representar como: Lei dos Cossenos: Em qualquer triângulo, podemos calcular como o quadrado da medida de um dos lados, o resultado é igual à soma dos quadrados das medidas dos lados restantes, subtraída pelo dobro do produto da medida desses lados pelo Cosseno do ângulo formado por eles. Fórmula: Podemos também, a partir da lei dos cossenos, obter as seguintes relações entre os lados e os ângulos de um triângulo. 8. ANÁLISE COMBINATÓRIA Análise Combinatória é um conjunto de procedimentos que possibilita a construção de grupos diferentes formados por um número finito de elementos de um conjunto sob certas circunstâncias. Nesses grupos é possível realizar a análise das possibilidades e combinações. Caso queira, por exemplo, saber quantos números de quatro algarismos são formados com os algarismos 0, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 9, pode se utilizar das propriedades da análise combinatória. Uma mulher possui cinco vestidos, quatro shorts, três casacos e cinco pares de sapatos. De quantos modos diferentes ela poderá se vestir? Esses e outros problemas podem ser resolvidos por meio da análise combinatória. Princípio Fundamental da Contagem O princípio fundamental da contagem, também chamado de princípio multiplicativo, postula que: “quando um evento é composto por n etapas sucessivas e independentes, de tal modo que as possibilidades da primeira etapa é x e as possibilidades da segunda etapa é y, resulta no número total de possibilidades de o evento ocorrer, dado pelo produto (x) . (y)”. Em resumo, no princípio fundamental da contagem, multiplica-se o número de opções entre as escolhas que lhe são apresentadas. Exemplo 2° ANO – AULA 4 Uma lanchonete vende uma promoção de lanche a um preço único. No lanche, estão incluídos um sanduíche, uma bebida e uma sobremesa. São oferecidos três opções de sanduíches: hambúrguer especial, sanduíche vegetariano e cachorro-quente completo. Como opção de bebida pode-se escolher 2 tipos: suco de maçã ou guaraná. Para a sobremesa, existem quatro opções: cupcake de cereja, cupcake de chocolate, cupcake de morango e cupcake de baunilha. Considerando todas as opções oferecidas, de quantas maneiras um cliente pode escolher o seu lanche? Solução Podemos começar a resolução do problema apresentado, construindo uma árvore de possibilidades, conforme ilustrado abaixo: Acompanhando o diagrama, podemos diretamente contar quantos tipos diferentes de lanches podemos escolher. Assim, identificamos que existem 24 combinações possíveis. Podemos ainda resolver o problema usando o princípio multiplicativo. Para saber quais as diferentes possibilidades de lanches, basta multiplicar o número de opções de sanduíches, bebidas e sobremesa. Total de possibilidades: 3.2.4 = 24 Portanto, temos 24 tipos diferentes de lanches para escolher na promoção. 9. PROBABILIDADE Probabilidade é o ramo da Matemática que estuda experimentos ou fenômenos aleatórios e através dela é possível analisar as chances de um determinado evento ocorrer. Quando calculamos a probabilidade, estamos associando um grau de confiança na ocorrência dos resultados possíveis de experimentos, cujos resultados não podem ser determinados antecipadamente. Desta forma, o cálculo da probabilidade associa a ocorrência de um resultado a um valor que varia de 0 a 1 e, quanto mais próximo de 1 estiver o resultado, maior é a certeza da sua ocorrência. Experimento aleatório: Experimentos aleatórios são os fenômenos que apresentam resultados imprevisíveis quando repetidos, mesmo que a repetição seja feita sob as mesmas condições. Os acontecimentos deste tipo quando repetidos nas mesmas condições, podem dar resultados diferentes e essa inconstância é atribuída ao acaso. Um exemplo de experimento aleatório é jogar um dado não viciado (dado que apresenta uma distribuição homogênea de massa) para o alto. Ao cair, não é possível prever com total certeza qual das 6 faces estará voltada para cima. Espaço amostral: É o conjunto de todos os possíveis resultados de um experimento aleatório. Normalmente indicado pela letra S. Evento: Qualquer subconjunto de um espaço amostral. Normalmente indicado pela letra E. Observações: O evento { } (conjunto vazio) é chamado de evento impossível. O evento S (espaço amostral) é denominado evento certo. A probabilidade de ocorrer o evento em um espaço amostral é dada por: Onde: : número de elementos do conjunto Evento ( ) : número de elementos do conjunto Espaço Amostral ( ) Probabilidade Condicional Sejam e dois eventos do mesmo espaço amostral . Então a probabilidade de acontecer, dado que aconteceu é indicada e calculada por: NOTA! e são calculados em relação ao espaço amostral original . Intersecção de Dois Eventos Sejam A e B dois eventos do mesmo espaço amostral S. Então a probabilidade do evento Aedo evento B acontecerem simultaneamente é dada por: ou 10. PORCENTAGEM Porcentagem ou percentagem é usada para calcular descontos, acréscimo de preços, lucros, etc. É uma fração em que o denominador é igual a 100. O símbolo para representar uma porcentagem é % e vem precedido por um número. Como Calcular a Porcentagem? Podemos utilizar diversas formas para calcular a porcentagem. Abaixo apresentamos três formas distintas: regra de três transformação da porcentagem em fração com denominador igual a 100 transformação da porcentagem em número decimal Devemos escolher a forma mais adequada de acordo com o problema que queremos resolver. Exemplo: 1) Calcule 30% de 90 Para usar a regra de três no problema, vamos considerar que 90 corresponde ao todo, ou seja 100%. O valor que queremos encontrar chamaremos de x. A regra de três será expressa como: 10.1 CLASSIFICAÇÃO DOS JUROS Existem dois tipos de juros: Os juros simples, que são acréscimos somados ao capital inicial no final da aplicação e os juros compostos que são acréscimos somados ao capital, ao fim de cada período de aplicação, formando com esta soma um novo capital, também conhecido como “juros sobre juros”. Enquanto o crescimento dos juros simples é linear, o segundo juros compostos é exponencial e, portanto tem um crescimento muito mais acelerado. Como capital definimos o valor que é financiado, seja na compra de produtos ou empréstimos em dinheiro. Ao financiar algo utilizando juros simples, a pessoa obtém um montante (valor total a pagar) inferior ao que financia por meio de juros compostos. Fórmula de juro simples: j = C. i. t Onde: j = juros, C = capital, i = taxa, t = tempo. Fórmula para juros compostos: Onde: S = montante, P = principal, i = taxa de juros e n = número de períodos que o principal P (capital inicial) foi aplicado. 11. ESTATÍSTICA Estatística é uma ciência exata que estuda a coleta, a organização, a análise e registro de dados por amostras. Utilizada desde a Antiguidade, quando se registravam os nascimentos e as mortes das pessoas, é um método de pesquisa fundamental para tomar decisões. Isso porque fundamenta suas conclusões nos estudos realizados. Para tanto,as fases do método estatístico são: 1. Definição do problema: determinar como a escolha de dados pode solucionar um problema 2. Planejamento: elaborar como fazer o levantamento dos dados 3. Coleta de dados: reunir dados após o planeamento do trabalho pretendido, bem como definição da periodicidade da coleta (contínua, periódica, ocasional ou indireta) 4. Correção dos dados coletados: conferir dados para afastar algum erro por parte da pessoa que os coletou 5. Apuração dos dados: organização e contagem dos dados 6. Apresentação dos dados: montagem de suportes que demonstrem o resultado da coleta dos dados (gráficos e tabelas) 7. Análise dos dados: exame detalhado e interpretação dos dados. 11.1 GRÁFICOS DE SETORES E DISTRIBUIÇÃO DE FREQUÊNCIA A Matemática dispõe de ferramentas tecnológicas no intuito de dinamizar os cálculos e as representações gráficas. Quanto aos gráficos podemos utilizar programas específicos na sua elaboração, o Excel e o Calc são ferramentas muito utilizadas nesse sentido, mas as representações gráficas também podem ser produzidas de forma artesanal. A seguir demonstraremos como construir um gráfico de setores ou de pizza, como muitos o denominam. Para representar os dados em um gráfico de setores é preciso que os valores estejam em porcentagem, para isso devemos definir a frequência relativa dos dados observados. Vamos trabalhar com o seguinte modelo de exemplo: Uma escola realizou uma pesquisa com seus 400 alunos do Ensino Médio sobre a preferência por modalidades esportivas. Os dados foram distribuídos em uma tabela, veja: FA: frequência absoluta FR: frequência relativa Como o gráfico é de setores, os dados percentuais serão distribuídos levando-se em conta a proporção da área a ser representada relacionada aos valores das porcentagens. A área representativa no gráfico será demarcada da seguinte maneira: Concluímos que 1% corresponde a 3,6º, dessa forma podemos calcular os ângulos dos dados percentuais da seguinte maneira: Veja como ficou o gráfico pronto: 2° ANO – AULA 5 12. GEOMETRIA ANALÍTICA A geometria analítica também é conhecida como geometria de coordenadas e geometria cartesiana. Ela é estudada através dos princípios da álgebra e da análise, contrastando com a abordagem sintética da geometria euclidiana (plana), na qual certas noções são consideradas primitivas. A geometria analítica tem como principal objetivo descrever objetos geométricos utilizando um sistema de coordenadas, o plano cartesiano. Este consiste em dois eixos reais perpendiculares entre si. O eixo horizontal é chamado de eixo das abscissas, e o eixo vertical é chamado de eixo das ordenadas. https://brasilescola.uol.com.br/matematica/plano-cartesiano.htm Conceitos importantes da geometria analítica: Distância entre dois pontos A distância entre os pontos A (xa, ya) e B (xb, yb) é definida pelo segmento de reta AB, que vamos denotar dAB. Veja como obter o tamanho desse segmento, ou seja, a distância. Note que a distância entre os pontos A e B é a hipotenusa do triângulo, logo, para determiná-la, vamos utilizar o teorema de Pitágoras. Exemplo: Calcule a distância entre os pontos A (0, 0) e B (4, 2). Substituindo os valores das coordenadas na fórmula, temos: Coordenadas do ponto médio: Na geometria plana, o ponto médio é o ponto que divide o segmento de reta AB ao meio, ou seja, em duas partes iguais. Na geometria analítica, as coordenadas do ponto médio são dadas por: https://brasilescola.uol.com.br/matematica/triangulo.htm https://brasilescola.uol.com.br/matematica/teorema-pitagoras.htm https://brasilescola.uol.com.br/matematica/geometria-plana.htm A coordenada do ponto médio, ou seja, do ponto M, é dada por: Exemplo: Determine o ponto médio do segmento AB, sabendo que A (2, 1) e B (6, 5). Substituindo os valores das coordenadas na fórmula, temos: Condição de alinhamento de três pontos Considere três pontos — A (xa, ya), B (xb, yb) e C (xc, yc) — distintos no plano. Diremos que os pontos são colineares se o determinante abaixo for igual a zero. Podemos dizer também que eles são colineares se existir uma reta que os contenha. Área de um triangulo no plano cartesiano: Dado um ponto (x1,y1) localizado fora de uma reta que passa pelos pontos (x2,y2) e (x3,y3), pode-se calcular a área do triângulo cujos vértices são estes três pontos, bastando para isto determinar a medida da base do triângulo que é a distância entre (x2,y2) e (x3,y3) e a altura do triângulo que é a distância de (x1,y1) à reta que contém os outros dois pontos. https://brasilescola.uol.com.br/matematica/geometria-plana.htm https://brasilescola.uol.com.br/matematica/determinantes-1.htm Como o processo é bastante complicado, apresentamos um procedimento equivalente muito bonito, simples e fácil de memorizar. A área do triângulo é dada pela metade do valor absoluto do determinante da matriz indica pela expressão: Exemplo: A área do triângulo cujos vértices são (1,2), (3,4) e (9,2) é igual a 8, pois: Equação Geral da Reta Sabendo que uma reta r passa pelos pontos A(x1, y1) e B(x2, y2) do plano cartesiano, sua equação é dada pelo seguinte determinante: Desenvolvendo o determinante: Teorema Toda equação da forma ax + by + c = 0, com a, b, c ∈ R, a ≠ 0 ou b ≠ 0, está associada a uma única reta r no plano cartesiano, cujos pontos P(x, y) são as soluções da equação dada. Coeficiente Angular Uma reta que passa pelo ponto P(x0, y0) do plano cartesiano tem como equação y – y0 = m.(x – x0). Sendo m o coeficiente angular, consequentemente: Condição de Perpendicularismo Para que duas retas r e s, não verticais, sejam perpendiculares no plano cartesiano, temos que: mr.ms = -1, isto é, o produto de seus coeficientes angulares tem que ser igual a -1. A equação geral da reta é definida como: ax + by + c = 0 Onde a, b e c são constantes e a e b não podem ser simultaneamente nulos. Exemplo Encontre uma equação geral da reta que passa pelos pontos A(-1, 8) e B(-5, -1). Primeiro devemos escrever a condição de alinhamento de três pontos, definindo o matriz associada aos pontos dados e a um ponto genérico P(x,y) pertencente a reta. Desenvolvendo o determinante, encontramos: (8+1)x + (1-5)y + 40 + 1 = 0 A equação geral da reta que passa pelos pontos A(-1,8) e B(-5,-1) é: 9x - 4y + 41 = 0 Equação reduzida da reta Coeficiente angular Podemos encontrar uma equação da reta r conhecendo a sua inclinação (direção), ou seja o valor do ângulo θ que a reta apresenta em relação ao eixo x. Para isso associamos um número m, que é chamado de coeficiente angular da reta, tal que: m = tg θ O coeficiente angular m também pode ser encontrado conhecendo-se dois pontos pertencentes a reta. Como m = tg θ, então: Exemplo Determine o coeficiente angular da reta r, que passa pelos pontos A(1,4) e B(2,3). Sendo, x1 = 1 e y1 = 4 x2 = 2 e y2 = 3 Conhecendo o coeficiente angular da reta m e um ponto P0(x0,y0) pertencente a ela, podemos definir sua equação. Para isso vamos substituir na fórmula do coeficiente angular o ponto conhecido P0 e um ponto P(x,y) genérico, também pertencente a reta: Circunferência Circunferência é uma figura geométrica com formato circular que faz parte dos estudos de geometria analítica. Note que todos os pontos de uma circunferência são equidistantes de seu raio (r). Raio e Diâmetro da Circunferência Lembre-se que o raio da circunferência é um segmento que liga o centro da figura a qualquer ponto localizado em sua extremidade. Já o diâmetro da circunferência é um segmento de reta que passa pelo centro da figura, dividindo-a em duas metades iguais. Por isso, o diâmetro equivale duas vezes o raio (2r). Equação Reduzida da Circunferência A equação reduzida da circunferênciaé utilizada para determinar os diversos pontos de uma circunferência, auxiliando assim, em sua construção. Ela é representada pela seguinte expressão: (x - a) 2 + (y - b) 2 = r 2 Onde as coordenadas de A são os pontos (x,y) e de C são os pontos (a,b). Equação Geral da Circunferência A equação geral da circunferência é dada a partir do desenvolvimento da equação reduzida. x 2 + y 2 – 2 ax – 2by + a 2 + b 2 – r 2 = 0 Área da Circunferência A área de uma figura determina o tamanho da superfície dessa figura. No caso da circunferência, a fórmula da área é: Perímetro da Circunferência O perímetro de uma figura plana corresponde a soma de todos os lados dessa uma figura. No caso da circunferência, o perímetro é o tamanho da medida do contorno da figura, sendo representado pela expressão: Comprimento da Circunferência O comprimento da circunferência está intimamente relacionado com seu perímetro. Assim, quando maior o raio dessa figura, maior será seu comprimento. Para calcular o comprimento de uma circunferência utilizamos a mesma fórmula do perímetro: C = 2 π . r Onde, 3° ANO – AULA 6 C: comprimento π: constante Pi (3,14) r: raio Circunferência e Círculo Muito comum haver confusão entre a circunferência e o círculo. Embora utilizamos esses termos como sinônimos, eles apresentam diferença. Enquanto a circunferência representa a linha curva que limita o círculo (ou disco), este é uma figura limitada pela circunferência, ou seja, representa sua área interna. 13. MATRIZES Matrizes são organizações de informações numéricas em uma tabela retangular formada por linhas e colunas. Essa organização em uma tabela facilita que se possa efetuar vários cálculos simultâneos com as informações contidas na matriz. Definição de matrizes Toda matriz tem o formato m x n (leia-se: m por n, com m e n ∈ N*), onde m é o número de linhas e n o número de colunas. Representação de matrizes Existem diversas maneiras de representarmos matrizes, veja quais são: Colchetes: [ ] Parênteses: ( ) Barras Simples: | | Barras Duplas: || || Essas são as representações mais comuns que encontramos na literatura. Exemplos: Elementos de uma matriz Seja a matriz genérica Amxn, isto é, m representa as linhas e n o número de colunas. Então, temos: Dessa forma, os elementos da matriz A são indicados por aij, onde o i representa o índice da linha e j representa o índice da coluna para o elemento em questão. Assim, para localizarmos um elemento na coluna, procuramos o número da linha e da coluna, esses números são os índices i e j. Pela imagem acima, veja que as linhas são numeradas de cima para baixo, enquanto que as colunas são numeradas da esquerda para a direita. Exemplos: a11 representa o elemento da linha 1 e coluna 1. a32 representa o elemento da linha 3 e coluna 2. a22 representa o elemento da linha 2 e coluna 2. amn representa o elemento da linha m e coluna n. Seja a matriz Assim: a11 representa o elemento 1. a12 representa o elemento 4. a13 representa o elemento 0. a21 representa o elemento -2. a22 representa o elemento 4. a23 representa o elemento 3. Uma matriz também pode ser representada por uma forma abreviada de forma que possamos escrevê-la facilmente. Exemplo: Considere a matriz M = [aij]2×3, tal que aij = i + j. Escreva a matriz M. Primeiramente vamos verificar as informações passadas. Observe que teremos uma matriz retangular, com 2 linhas e 3 colunas. Os elementos da matriz é a soma dos índices (posição) das linhas e colunas. Assim: Escrevendo os elementos: a11 = 1 + 1 = 2. a12 = 1 + 2 = 3. a13 = 1 + 3 = 4. a21 = 2 + 1 = 3. a22 = 2 + 2 = 4. a23 = 2 + 3 = 5. Então a matriz M é: Matrizes Especiais Vamos conhecer agora alguns tipos de matrizes especiais que é muito importante saber. Matriz Linha É uma matriz que possui somente uma linha (ordem 1 x n) Exemplo: Matriz Coluna É uma matriz que possui uma única coluna (ordem m x 1) Exemplo: Matriz Nula É uma matriz que possui todos os seus elementos iguais a zero. Exemplo: Matriz Quadrada É uma matriz em que o número de colunas é igual ao número de linhas. Sendo que uma matriz quadrada de ordem mxn podemos dizer que ela tem ordem n Exemplo: Essa é uma matriz quadrada de ordem 3 x 3, ou simplesmente de ordem 3. Numa matriz quadrada de ordem n, temos que os elementos aij com i = j formam a diagonal principal, enquanto que os elementos i + j = n + 1, formam a diagonal secundária. Veja: Elementos da diagonal principal da matriz A. Elementos da diagonal secundária da matriz A. Obervação: Quando uma matriz não é quadrada chamamo-la de matriz retangular. Matriz Diagonal É uma matriz quadrada onde todos os elementos que não pertencem a diagonal principal são nulos. Exemplo: Matriz Identidade É uma matriz quadrada em que todos os elementos que não pertencem a diagonal principal são nulos e os elementos da diagonal principal são 1. É representada por In, matriz quadrada de ordem n. Exemplos I2 = Matriz identidade de ondem 2 I3 = Matriz identidade de ondem 3 Matriz Oposta É uma matriz que é obtida trocando os sinais dos elementos da matriz. Se chamamos uma matriz de A, então a matriz oposta é -A. Exemplo: Considere a matriz A a seguir: Então a matriz oposta -A é: Matriz Transposta Uma matriz transposta é uma matriz resultante da troca ordenadamente de linhas pelas colunas de outra matriz. Se temos uma matriz A, então a transposta de A tem notação A t . Exemplo: Seja a matriz A = [aij]mxn, a matriz transposta de A é A t = [aij]nxm. Operações entre Matrizes Aplicar as operações da aritmética para resolver problemas com matrizes é importante e vamos ver cada um delas a seguir: Igualdade de Matrizes Duas matrizes A e B de mesma ordem mxn são iguais, se, e somente se, todos os elementos que correspondem a B e a A sejam iguais. Ou seja, A = B ⇔ aij = bij. Exemplo: Adição de Matrizes Para fazer a adição de duas matrizes, devemos somar todos os elementos correspondentes de uma matriz com a outra, ou seja, somar linha com linha e coluna com coluna. As matrizes devem ter a mesma ordem. Exemplo: Sejam A e B duas matrizes de mesma mxn. Somamos A e B, e escrevemos A + B, obtendo uma matriz C de mesma ordem mxn, de forma que C seja obtida somando os elementos correspondentes de A e B. Veja: https://matematicabasica.net/matriz-transposta/ https://matematicabasica.net/adicao-e-subtracao-de-matrizes/ Propriedades da adição de matrizes Considerando A, B e C matrizes de mesma ordem e N uma matriz nula, caso as operações a seguir sejam possíveis, então temos que: Comutativa: A + B = B + A Associativa: (A + B) + C = A + (B + C) Elemento neutro: A + N = N + A = A Elemento oposto: A + (-A) = (-A) + A = N (A + B) t = A t + B t Subtração de Matrizes Para fazer a subtração de duas matrizes, devemos subtrair todos os elementos correspondentes de uma matriz com a outra, ou seja, subtrair linha com linha e coluna com coluna. As matrizes devem ter a mesma ordem. Exemplo: Sejam A e B duas matrizes de mesma ordem mxn. Fazemos a diferença de A e B, e escrevemos A – B, obtendo uma matriz C de mesma ordem mxn, de forma que C seja obtida subtraindo os elementos correspondentes de A e B. Veja: Multiplicação de um número real por uma Matriz Seja Amxn uma matriz, e a um número real. O produto de a por A resulta em uma matriz Bmxn, de forma que multiplicamos o número real a por cada elemento de A. https://matematicabasica.net/adicao-e-subtracao-de-matrizes/ Exemplo: Propriedades Considerando A e Bmatrizes de mesma ordem e a e b números reais, caso as operações a seguir sejam possíveis, então temos que: 1. 1 . A = A 2. (-1) x A = -A 3. a . 0 = 0 4. 0 . Amxn = 0mxn 5. a . (b . Amxn) = (a . b) . Amxn 6. a . (A + B) = a . A + a . B 7. (a + b) . A = a . A + b . A Multiplicação entre Matrizes Considerem as matrizes Amxn e Bnxp. A multiplicação das matrizes A e B, nesta ordem, resulta em Cmxp, de forma que C seja obtida pela soma dos produtos dos elementos da linha i de A e da coluna j de B. Exemplo: Considerem as matrizes A e B, então A x B é: Observações importantes: 1. A multiplicação de matriz somente é possível se o número de colunas em uma matriz for igual ao número de linhas da outra matriz. 2. A matriz resultante C tem o mesmo número de linha da primeira matriz e o mesmo número de colunas da segunda matriz. Matrizes e Determinantes O determinante de uma matriz A é um número real indicado por det A. Determinantes de matrizes de ordem 1, 2 e 3 Determinante de uma matriz de ordem 1 é o próprio elemento. A = [a] ⇒ det A = a Determinante de uma matriz de ordem 2 Determinante de uma matriz de ordem 3 Para matrizes de ordem 3, deve-se aplicar a regra de Sarrus para calcular o determinante. Este método só se aplica para matrizes de ordem 3. Considere a matriz A quadrada de ordem 3: Copiamos a 1ª e a 2ª coluna para a direita da matriz: Após isso, multiplicamos os termos entre si, seguindo as setas abaixo, colocando o sinal como especificado na imagem: https://matematicabasica.net/matrizes-e-determinantes/ https://matematicabasica.net/matrizes-e-determinantes/ det A = a11 . a22 . a33 + a12 . a23 . a31 + a13 . a21 . a32 – a13 . a22 . a31 – a11 . a23 . a32 – a12 . a21. a33 A ideia é multiplicar os elementos no sentido das setas e colocar os respectivos sinais de adição e subtração como está especificado. Determinante de matrizes de ordem superior a 3 Para matrizes de ordem superior a 3, devemos utilizar o teorema de Laplace. Antes de falarmos sobre o teorema de Laplace é preciso entendermos o que é cofator ou complemento algébrico (Mij). Cofator ou complemento algébrico (Mij) Para calcularmos o cofator ou complemento algébrico de um elemento aij, em uma matriz M de ordem n, com n > 1, devemos utilizar a seguinte fórmula: Mij = (-1) i + j . Dij Onde i e j são os índices do elemento em questão, e Dij representa o determinante da matriz resultante com a eliminação das linhas e colunas para o elemento escolhido. Exemplo: Vamos calcular o cofator M23 para a matriz abaixo: Então, escolhemos o elemento M23 e removemos a linha e coluna em relação a ele. Temos: Agora aplicaremos a fórmula definida acima. Assim: Aplicamos a fórmula e calculamos o determinante D23 para a matriz resultante, depois que excluímos a linha e coluna para o elemento da posição M23. Teorema de Laplace O teorema de Laplace pode ser aplicado em matrizes de ordem n, com n > 1. Mas como vimos nos tópicos anteriores, existem regras mais adequadas para cálculos dos determinantes de matrizes de ordem menores que 4. Para facilitar o cálculo utilizando o teorema de Laplace, devemos escolher uma linha ou coluna com a maior quantidade de zeros possíveis, pois isso ajuda na hora do cálculo. Isto é, teremos menos trabalhos para fazer a conta. Exemplo: Considere a matriz A a seguir: Resolução: Olhando a matriz A, vamos escolher a primeira linha como referência pois temos um número maior de zero e isso nos ajudará a fazer menos cálculos. Assim: det (A) = a11 . A11 + a12 . A12 + a13 . A13 + a14 . A14 = 1 . (–1) 1 + 1 . D11 + 0 . (–1) 1 + 2 . D12 + 2 . (–1) 1 + 3 . D13 + 0 . (–1) 1 + 4 . D14 = D11 + 2D13 Agora temos que determinar as matrizes D11 e D13, removendo as linhas e colunas para os elementos da posição Dij. Então: Portanto, det (A) = 19 Acima calculamos o determinante para D11 e D13 utilizando a regra de Sarrus para matrizes de ordem 3. 14. NÚMEROS COMPLEXOS Definição Número complexo é todo número da forma a + bi, em que a e b são números reais e i é a unidade imaginária. Temos que i² = - 1 O conjunto dos números complexos é indicado por C = {a + bi, com a e b reais} a + bi ↦ forma algébrica do número complexo, onde: a é a parte real e b é a parte imaginária. Exemplos de números complexos: a) 5 - 2i b) 7 + √2i c) 3i Conjugado dos números complexos https://matematicabasica.net/matrizes-e-determinantes/ O conjugado do número complexo a + bi ocorre se, e somente se, suas partes reais são iguais e suas partes imaginárias são opostas. Ou seja: o conjugado de z = a + bi é dado por z' = a - bi Exemplos: Indique o conjugado dos seguintes números complexos: a) z = 8 + 4i ⇒ z' = 8 - 4i b) z = 5 - 9i ⇒ z' = 5 + 9i c) z = 3 ⇒ z' = 3 Operações com números complexos Para quaisquer números complexos z1 = a + bi e z2 = c + di, em que a, b, c e d são números reais, temos: z1 + z2 = (a + c) + (b + d)i z1 - z2 = z1 + (- z2) z1 . z2 = (ac - bd) + (ad + bc)i z1 : z2 = z1. 1/z2 (com z2 ≠ 0) Exemplos: 01. Dados os números complexos z1 = 5 + 8i, z2 = 1 + 2i e z3 = 2 – 3i, calcule: a) z1 + z2 = (5 + 8i) + (1 + 2i) = (5 + 1) + (8 + 2)i = 6 + 10i b) z2 + z3 = (1 + 2i) + (2 – 3i) = (1 + 2) + (2 – 3)i = 3 – i 02. Dados os números complexos z = - 4 + 2i, w = 5 + i, k = - 3i, calcule: a) z - w = (- 4 + 2i) - (5 + i) = - 4 + 2i - 5 - i = - 9 + i b) k - w = (- 3i) - (5 + i) = - 3i - 5 - i = - 5 - 4i 03. Sendo z = 5 + 3i, w = 6, k = 2i, u = 2 - i, calcule: a) z.w = (5 + 3i).(6) = 30 + 18i b) z.k = (5 + 3i).(2i) = 10i + 6i² = 10i + 6.(-1) = - 6 + 10i Obs.: i² = - 1 c) z.u = (5 + 3i).(2 - i) = 10 - 5i + 6i - 3i² = 10 + i - 3(-1) = 10 + i + 3 = 13 + i 04. Considere os números complexos z = 2 + 3i, w = 2 - i e k = 4i, calcule: a) k/w = (4i)/(2 - i) ⇒ 4i.(2 +i)/(2 - i)(2 + i) ⇒ 8i + 4i²/(4 + 2i - 2i - i²) ⇒ 8i - 4/4 + 1 ⇒ 8i/5 - 4/5 b) 1/z = 1/(2 + 3i) ⇒ 1.(2 - 3i)/(2 + 3i).(2 - 3i) ⇒ 2 - 3i/(4 - 9i²) ⇒ 2 - 3i/13 = 2/13 - 3i/13 Adição Dado dois números complexos quaisquer z1 = a + bi e z2 = c + di, ao adicionarmos teremos: z1 + z2 a + bi) + (c + di) a + bi + c + di a + c + bi + di a + c + (b + d)i (a + c) + (b + d)i Portanto, z1 + z2 = (a + c) + (b + d)i. Subtração Dado dois números complexos quaisquer z1 = a + bi e z2 = c + di, ao subtraímos teremos: z1 – z2 (a + bi) – (c + di) a + bi – c – di a – c + bi – di (a – c) + (b – d)i Portanto, z1 – z2 = (a – c) + (b – d)i. Multiplicação Dado dois números complexos quaisquer z1 = a + bi e z2 = c + di, ao multiplicarmos teremos: z1 . z2 (a + bi) . (c + di) ac + adi + bci + bdi2 ac + adi + bci + bd (-1) ac + adi + bci – bd ac – bd + adi + bci (ac – bd) + (ad + bc)i Portanto, z1 . z2 = (ac + bd) + (ad + bc)i. Divisão Ao dividirmos dois números complexos devemos escrevê-los em forma de fração e multiplicarmos o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador, veja como: Dado dois números complexos z1 e z2, para efetuarmos a divisão dos dois devemos seguir a seguinte regra: Exemplo: Exemplo: De uma forma geral podemos demonstrar a divisão de dois números complexos por: Dado z1 = a + bi e z2 = c + di a divisão de z1 : z2 será: Forma algébrica Um número complexo é formado por um par ordenado (a, b). Os valores correspondentes a e b são valores que pertencem ao eixo das abscissas e eixo das coordenadas respectivamente. Graficamente, a sua representação ficaria assim: P é o ponto de coordenadas (a, b) que é o número complexo é chamado de afixo. A forma algébrica pela qual representamos esse número complexo será a + bi, como a e b R. A forma algébrica de representarum número complexo é mais prática e mais utilizada nos cálculos. Ao indicarmos um número complexo na sua forma algébrica fazemos da seguinte forma: z = a + bi z é um número complexo qualquer. a é a parte real do número complexo z. b é a parte imaginária do número complexo z. O conjunto dos números que formam a parte real é representado por Re (z). O conjunto dos números que formam a parte imaginária é representado por Im (z). Potências de números complexos Existem quatro, e somente quatro, valores para potências de i com expoentes inteiros. São eles: iº = 1 i¹ = i i² = - 1 i³ = - i Exemplo: 01. Calcule o valor de cada uma das potências: a) i³² Dividindo 32 por 4 temos 32:4 = 8, resto = 0 ↦ i³² ⇔ iº = 1 b) i²¹ Dividindo 21 por 4 temos 21:4 = 5, resto = 1 ↦ i²¹ ⇔ i¹ = i c) i³³¹ Dividindo 331 por 4 temos 331:4 = 82, resto = 3 ↦ i³³¹ ⇔ i³ = - i d) i²³³ Dividindo 233 por 4 temos 233:4 = 58, resto = 1 ↦ i²³³ ⇔ i¹ = i Argumento de um número complexo Introduzindo as coordenadas polares r e θ no plano complexo (Figura a seguir), de modo que x = r.cos(θ) e y = r.sen(θ) Como vimos, o número z = x + yi pode ser reescrito como z = rcos(θ) + irsen(θ) = r[cos(θ) + isen(θ)] chamada forma polar ou trigonométrica de um número complexo. Obs.: O valor r é o valor absoluto de z, enquanto o ângulo θ é o argumento de z. Denota-se arg(z) = θ. Geometricamente, o argumento é o ângulo formado pelo semi-eixo real positivo e pelo segmento de reta que representa r. Exemplo Calcular o módulo e o argumento de cada um do número complexo z = 2√3 + 2i. Cálculo do módulo r : r² = (2√3)² + 2² r² = 4.3 + 4 r² = 12 + 4 r² = 16 r = √16 = 4 Cálculo do argumento θ: cosθ = x/r = 2√3/4 = √3/2 ⇒ θ = 30º = 𝚷/6 Radiciação Se , suas raízes enésimas são dadas por: Essa expressão é conhecida como 2ª fórmula de Moivre. Exemplo Determine as raízes cúbicas de z = 8. Resolução Vamos calcular o módulo e o argumento de z para a aplicação da 2ª fórmula de Moivre: Módulo: Argumento: As raízes cúbicas de 8 são dadas por: O número k pode assumir os valores 0, 1 e 2: Geometricamente, note que as três raízes estão sobre uma circunferência de raio 2 e são vértices de um triângulo equilátero; seus argumentos formam uma PA, cujo primeiro termo é 0 e a razão é . Forma Trigonométrica de um Número Complexo Sabemos que um número complexo possui forma geométrica igual a z = a + bi, onde a recebe a denominação de parte real e b parte imaginária de z. Por exemplo, para o número complexo z = 3 + 5i, temos a = 3 e b = 5 ou Re(z) = 3 e Im(z) = 5. Os números complexos também possuem uma forma trigonométrica ou polar, que será demonstrada com base no argumento de z (para z ≠ 0). Considere o número complexo z = a + bi, em que z ≠ 0, dessa forma temos que: cosӨ = a/p e senӨ = b/p. Essa relações podem ser escritas de outra forma, acompanhe: cosӨ = a/p → a = p*cosӨ senӨ = b/p → b = p*senӨ Vamos substituir os valores de a e b no complexo z = a + bi. z = p*cosӨ + p*senӨi → z = p*( cosӨ + i*senӨ) Essa forma trigonométrica é de grande utilidade nos cálculos envolvendo potenciações e radiciações. Exemplo 1 Represente o número complexo z = 1 + i na forma trigonométrica. Resolução: Temos que a = 1 e b = 1 A forma trigonométrica do complexo z = 1 + i é z = √2*(cos45º + sen45º * i). 15. POLINOMIOS Um polinômio é uma expressão algébrica formada por monômios e operadores aritméticos. O monômio é estruturado por números (coeficientes) e variáveis (parte literal) em um produto, e os operadores aritméticos são: soma, subtração, divisão, multiplicação e potenciação. Grau dos Polinômios O grau de um polinômio é dado pelos expoentes da parte literal. Para encontrar o grau de um polinômio devemos somar os expoentes das letras que compõem cada termo. A maior soma será o grau do polinômio. Exemplos: a) 2x 3 + y O expoente do primeiro termo é 3 e do segundo termo é 1. Como o maior é 3, o grau do polinômio é 3. b) 4 x2y + 8x3y3 - xy4 Vamos somar os expoentes de cada termo: 4x 2 y=>2+1=3 8x 3 y 3 =>3+3=6 xy 4 => 1 + 4 = 5 Como a maior soma é 6, o grau do polinômio é 6 Observação: o polinômio nulo é aquele que possui todos os coeficientes iguais a zero. Quando isso ocorre, o grau do polinômio não é definido. Operações com Polinômios Confira abaixo exemplos das operações entre polinômios: Adição de Polinômios Fazemos essa operação somando os coeficientes dos termos semelhantes (mesma parte literal). (-7x 3 +5x 2 y-xy+4y)+(-2x 2 y+8xy-7y) -7x 3 +5x 2 y-2x 2 y-xy+8xy+4y-7y - 7x 3 + 3x 2 y + 7xy - 3y Subtração de Polinômios O sinal de menos na frente dos parênteses inverte os sinais de dentro dos parênteses. Após eliminar os parênteses, devemos juntar os termos semelhantes. (4x 2 -5xk+6k)-(3x-8k) 4x 2 -5xk+6k-3xk+8k 4x 2 - 8xk + 14k Multiplicação de Polinômios Na multiplicação devemos multiplicar termo a termo. Na multiplicação de letras iguais, repete-se e soma-se os expoentes. (3x 2 -5x+8).(-2x+1) -6x 3 +3x 2 +10x 2 -5x-16x+8 -6x 3 + 13x 2 - 21x +8 Divisão de Polinômios Na divisão de polinômios utilizamos o método chave. Primeiramente realizamos a divisão entre os coeficientes numéricos e depois a divisão de potências de mesma base. Para isso, conserva-se a base e subtraia os expoentes. Para dividirmos polinômios utilizamos o algoritmo da divisão, o mesmo está representado a seguir: P(x) | D(x) R(x) Q(x) P(x) é o dividendo. D(x) é o divisor. Q(x) é o quociente. R(x) é o resto da divisão. Do algoritmo da divisão, obtemos a relação: Dividendo = Divisor . Quociente + Resto P(x) = D(x) . Q(x) + R(x) Quando R(x) = 0, dizemos que a divisão é exata, ou seja, P(x) é divisível por D(x) ou D(x) é divisor de P(x). Para compreender melhor a divisão de polinômios, observe o exemplo a seguir: Exemplo: Efetue a divisão de P(x) = 4x 2 – 2x + 3 por D(x) = 2x – 1 4x² – 2x |2x – 1 – 4x² + 2x 2x 0 Logo: P(x) = D(x) . Q(x) + R(x) 4x² – 2x = (2x – 1) . 2x + 0 Teorema de D’Alembert Na matemática, os teoremas, as fórmulas, os postulados sempre recebem o nome de seus inventores e D’Alembert foi um desses, matemático e físico, foi um dos oficiais na revolução Francesa responsável pelas publicações solenes, anunciava a guerra e proclamava a paz. Além disso, vários teoremas, tanto na física como na matemática, levaram o seu nome, na matemática podemos destacar no estudo dos polinômios o Teorema de D’Alembert, que diz: Todo polinômio P(x) quando dividido por um binômio do tipo x – a, resultará em uma divisão exata, ou seja, terá resto igual a zero se, e somente se, a constante a for raiz do polinômio P(x). Exemplo: Sem efetuar as divisões, prove que o polinômio P(x) = x 4 - 4x 3 + 4x 2 - 4x +3 é divisível por x - 3 e x - i. As divisões dadas favorecem a aplicação do Teorema de D’Alembert, dessa forma podemos afirmar que: a constante a será raiz do polinômio P(x) se, somente se, o resto da divisão for igual a zero. Dessa forma, basta aplicarmos o Teorema do Resto. Para divisor igual a x – 3, a = 3. P(3) = 3 4 – 4 . 3 3 + 4 . 3 2 – 4 . 3 + 3 P(3) = 81 – 4 . 27 + 4 . 9 – 12 + 3 P(3) = 81 – 108 + 36 – 12 + 3 P(3) = -27 + 36 – 12 + 3 P(3) = 9 – 12 + 3 P(3) = -3 + 3 P(3) = 0 Portanto, o polinômio P(x) = x 4 - 4x 3 + 4x 2 - 4x +3 é divisível por x – 3. Para divisor igual a x – i, a = i. P(i) = i 4 – 4 . i 3 + 4 . i 2 – 4 . i + 3 P(i) = 1 – 4 . (-i) + 4 . (-1) – 4i + 3 P(i) = 1 + 4i – 4 – 4i + 3 P(i) = 1 – 4 + 3 P(i) = - 3 + 3 P(i) = 0 Portanto, o polinômio P(x) = x 4 - 4x 3 + 4x 2 - 4x +3 é divisível por x – i. Dispositivoprático de Briot-Ruffini Para efetuarmos a divisão de um polinômio P(x) por um binômio da forma (x – ), podemos utilizar o dispositivo prático de Briot-Ruffini. Vamos efetuar a divisão de por x - 2 através desse dispositivo. Acompanhe o roteiro para a resolução: 1º) Colocamos a raiz do divisor e os coeficientes do dividendo (ordenadamente do termo de maior grau para o termo de menor grau, completando com zero os termos que não aparecem) no dispositivo: 2º) Abaixamos o primeiro coeficiente do dividendo: 3º) Multiplicamos a raiz do divisor pelo coeficiente repetido e somamos o produto com o segundo coeficiente do dividendo, colocando o resultado abaixo deste: 4º) Multiplicamos a raiz do divisor pelo número colocado abaixo do 2º coeficiente e somamos o produto com o 3º coeficiente, colocando o resultado abaixo deste, e assim sucessivamente: 5º) Fazemos um traço entre o último e o penúltimo números obtidos. O último número é igual ao resto da divisão e os números que ficam à esquerda deste são os coeficientes do quociente: Portanto, . Exemplo Obtenha o quociente e o resto da divisão de x³ - 3x² + 5x - 1 por 2x - 1: Resolução Temos: Para aplicarmos o dispositivo de Briot-Ruffini, o coeficiente de x no divisor deve ser 1. Nesse caso, utilizamos o seguinte artifício: Fazemos : Aplicando o dispositivo de Briot-Ruffini: Como : Portanto, e . Gráficos da Função Polinomial Podemos associar um gráfico a uma função polinomial, atribuindo valores a x na expressão p(x). Desta forma, encontraremos os pares ordenados (x,y), que serão pontos pertencentes ao gráfico. Ligando esses pontos teremos o esboço do gráfico da função polinomial. Veja alguns exemplos de gráficos: Função polinomial de grau 1 Função polinomial de grau 2 Função polinomial de grau 3 16. EQUAÇOES POLINOMIAIS Equação polinomial é toda equação redutível à forma P(x) = 0, em que P(x) é um polinômio de grau maior ou igual a 1. Exemplos As raízes de uma equação polinomial são as raízes do polinômio P(x). O conjunto de todas as raízes de uma equação é o conjunto solução dessa equação. Observe os seguintes polinômios e as suas raízes. Podemos escrevê-los nas seguintes formas fatoradas: Polinômios Formas Fatoradas , de raiz 3. , de raízes 2 e 3. raízes 1, 2, 3 e 4. , de De maneira geral, todo polinômio pode ser escrito na seguinte forma fatorada: em que são raízes de P(x). Daí vem o seguinte teorema: Exemplo 1 Qual é a forma fatorada de , cujas raízes são 1, -1 e 5? Resolução: Como trata-se de uma equação do 3º grau com as 3 raízes distintas, temos: 3(x - 1)(x + 1)(x - 5) = 0 Toda equação polinomial P(x) = 0, de grau n, , tem exatamente n raízes reais ou complexas. 3° ANO – AULA 8 Teorema Fundamental da Álgebra (TFA) Toda equação polinomial p(x) = 0, de grau n onde n ≥ 1, admite pelo menos uma raiz complexa. Relações de Girard nas equações do 3º e do 4º grau As fundamentações de Girard são responsáveis pela relação existente entre os coeficientes de uma equação algébrica e suas raízes. Na equação do 2º grau, as relações são obtidas por meio das fórmulas da soma e do produto: – b/a e c/a, respectivamente. As equações do 3º grau possuem como lei de formação a equação algébrica: ax³ + bx² + cx + d = 0, com a ≠ 0 e raízes x1, x2 e x3. A decomposição dessa equação permite a determinação de expressões matemáticas capazes de relacionar as raízes da equação. Observe: ax³ + bx² + cx + d = a[x³ – (x1+x2+x3)x² + (x1*x2 + x1*x3 + x2*x3) – x1*x2*x3 Dividindo a equação por a, temos: Realizando a igualdade entre os polinômios: x1 + x2 + x3 = – b/a x1 * x2 + x1 * x3 + x2 * x3 = c/a x1 * x2 * x3 = – d/a Os polinômios do 4º grau possuem a seguinte lei de formação: ax 4 + bx³ + cx² + dx + e = 0. Nessa equação polinomial temos, no máximo, a existência de quatro possíveis raízes, as quais quando relacionadas, formam as seguintes expressões: x1 + x2 + x3 + x4 = – b/a x1 * x2 + x1 * x3 + x1 * x4 + x2 * x3 + x2 * x4 + x3 * x4 = c/a x1 * x2 * x3 + x1 * x2 * x4 + x1 * x3 * x4 + x2 * x3 * x4 = – d/a x1 * x2 * x3 * x4 = e/a Exemplo Determine as relações de Girard para a equação algébrica: x³ + 7x² – 6x + 1 = 0, considerando x1, x2 e x3, as raízes da equação. Na equação, temos que: a = 1, b = 7, c = – 6 e d = 1. x1 + x2 + x3 = – b/a = –7/1 = –7 x1 * x2 + x1 * x3 + x2 * x3 = c/a = –6/1 = – 6 x1 * x2 * x3 = – d/a = –1/1 = –1 Teorema da Decomposição de Polinômios Uma consequência do Teorema fundamental da Álgebra é o Teorema da Decomposição. Teorema das raízes racionais Considere a equação polinomial a seguir em que todos os coeficientes an são inteiros: anx n + an-1x n-1 + an-2x n-2 + … + a2x 2 + a1x + a0 = 0 O Teorema das Raízes Racionais garante que, se essa equação admite o número racional p /q como raiz (com p , q e mdc(p,q) = 1), então a0 é divisível por p e an é divisível por q. Observações: https://brasilescola.uol.com.br/matematica/equacao-polinomial.htm 1º) O teorema das raízes racionais não garante que a equação polinomial tenha raízes, mas caso elas existam, o teorema permite identificar todas as raízes da equação; 2º) Se an = 1 e os outros coeficientes são todos inteiros, a equação possui apenas raízes inteiras. 3°) Se q = 1 e há raízes racionais, estas são inteiras e divisoras de a0. Teorema de bolzano-cauchy É possível alterar os extremos do intervalo [a , b] (pontos a roxo) e o valor de k (seletor castanho). Para cada situação, a aplicação interativa informa se as condições do teorema de Bolzano-Cauchy se verificam, ou não, e apresenta a correspondente conclusão, quanto à existência de pelo menos uma solução da equação f (x) = k no intervalo [a , b] . A aplicação interativa permite observar exemplos em que a equação f (x) = k tem solução num certo intervalo [a , b] , mas em que a sua existência pode não ser garantida pela aplicação do teorema de Bolzano-Cauchy. Com a exploração da aplicação interativa é também possível reforçar a ideia de que o teorema apenas refere a existência de, pelo menos, uma solução da equação, podendo, no entanto, existir mais do que uma solução.
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