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CENTRO UNIVERSITÁRIO FAVENI FUNDAMENTOS DE MATEMÁTICA ELEMENTAR GUARULHOS – SP SUMÁRIO 1 A RETA REAL.......................................................................................................... 3 1.1 Construção de uma reta numérica ........................................................................ 3 1.2 Formalização e propriedades da reta numérica .................................................... 4 2 OPERAÇÕES COM NÚMEROS REAIS .................................................................. 4 2.1 Números naturais .................................................................................................. 5 2.2 Números inteiros ................................................................................................... 7 2.3 Números racionais ................................................................................................ 9 2.4 Números irracionais ............................................................................................ 12 2.5 Diagrama de inclusão ......................................................................................... 16 3 DESIGUALDADE E INTERVALOS ........................................................................ 16 3.1 Propriedades e características da desigualdade. ............................................... 16 3.2 Desigualdade ...................................................................................................... 19 3.3 Propriedades da desigualdade ........................................................................... 19 3.4 Intervalo .............................................................................................................. 21 4 MÓDULO OU VALOR ABSOLUTO DE UM NÚMERO REAL ............................... 26 5 EQUAÇÕES .......................................................................................................... 28 5.1 História das Equações ........................................................................................ 28 5.2 Equações do 1º grau ........................................................................................... 29 5.3 Desigualdades do Primeiro Grau em 1 Variável ................................................. 32 5.4 Desigualdades do primeiro grau em 2 Variáveis ................................................. 33 5.5 Método de substituição para resolver este sistema ............................................ 34 5.6 Sistema linear de equações do primeiro grau ..................................................... 35 5.7 Sistema Impossível ............................................................................................. 36 5.8 Equações de 2º grau ........................................................................................... 37 5.9 Fórmula de Bhaskara .......................................................................................... 38 5.10 Equação Biquadrada ......................................................................................... 41 5.11 Equações Irracionais ......................................................................................... 43 5.12 Equações Incompletas do 2° Grau .................................................................... 44 5.13 Equação Exponencial ........................................................................................ 47 5.14 Equações Logarítmicas ..................................................................................... 47 5.15 Propriedades Operatórias dos Logaritmos ........................................................ 49 5.16 Propriedades dos Logaritmos ............................................................................ 51 6 INEQUAÇÃO ......................................................................................................... 53 6.1 Propriedades da desigualdade nas inequações ................................................. 54 6.2 Inequações do 1º Grau ....................................................................................... 57 6.3 Inequação - Quociente ........................................................................................ 58 6.4 Inequação - Produto ........................................................................................... 60 6.5 Condições de uma Inequação do 2º Grau .......................................................... 62 6.6 Inequações Exponenciais ................................................................................... 65 6.7 Gráfico de Inequações do 1º Grau ...................................................................... 67 6.8 Inequações Modulares ........................................................................................ 68 6.9 Inequações Polinominais do 1º Grau .................................................................. 70 7 FUNÇÃO ................................................................................................................ 71 8 BIBLIOGRAFIA BÁSICA ........................................................................................ 89 3 1 A RETA REAL Uma reta numérica é uma reta na qual foram colocados todos os números reais. Essas retas são construídas com base no conceito de distância entre dois pontos, uma vez que toda distância é representada por um número real e quanto maior esse número, maior a distância que ele representa. Esse é justamente o conceito utilizado para a construção de uma reta numérica. Elas são usadas para medir distâncias e podem ser encontradas em objetos muito comuns como a régua ou a fita métrica. 1.1 Construção de uma reta numérica Os passos que devem ser tomados, na ordem correta, para a construção de uma reta numérica são os seguintes: 1 – Tomar uma reta e, nela, escolher um ponto que representará o número real 0 (zero). Esse ponto será chamado de origem. 2 – Escolher um sentido para essa reta, chamado sentido positivo. Por exemplo, em uma reta horizontal, se escolhermos “da esquerda para a direita” como sentido positivo, um número que estiver mais à direita será maior que um número que estiver mais à esquerda. Dessa maneira, o primeiro número inteiro que virá à direita do zero será 1, pois esse é o número inteiro imediatamente maior que zero e o primeiro número que virá à esquerda da origem é – 1, pois esse é o número inteiro imediatamente menor que zero. 3 – Escolher uma unidade de medida e usá-la para marcar os números na reta numérica. Esses números devem ser marcados da seguinte maneira: dada uma unidade 20 de medida predefinida, medir a distância entre um ponto e a origem. A distância obtida será o número real relacionado àquele ponto. Exemplo de reta numérica, com marcações de números inteiros e alguns números racionais. Fonte: www.mundoeducacao.bol.uol.com.br 4 Para representar números racionais, escreva-os na forma decimal e os marque na reta numérica conforme o exemplo a seguir: 3,25 é um número formado por 3 inteiros e 25 centésimos. Logo, dividiremos o espaço entre 3 e 4 em 100 partes iguais e marcaremos a que representa 25, como na imagem acima. 1.2 Formalização e propriedades da reta numérica O conceito que permite que as retas sejam relacionadas aos números é o de função. As retas numéricas são uma relação biunívoca entre os números reais e os pontos da reta. Isso significa que cada ponto da reta é representado apenas por um número real e que cada número real representa apenas um número da reta. Essa relação pode ser comparada às funções bijetoras. Os resultados dessa relação e da construção das retas numéricas, já discutido acima, são as seguintes propriedades: Um número mais à direita é maior que um número mais à esquerda. À esquerda da origem ficarão todos os números negativos. Um número negativo sempre émenor que um número positivo. Para essa última propriedade vale observar alguns exemplos: O número + 20 é sempre maior que o número – 20, pois o primeiro está à direita do segundo. Também podemos dizer que o número + 20 é maior que qualquer número negativo, pois não existe número negativo à direita de + 20. Já a comparação entre dois números negativos, quanto maior o módulo do número menor o seu valor. Por exemplo: o número – 50 é menor que – 1, pois – 50, além de estar mais à esquerda, possui maior módulo1. 2 OPERAÇÕES COM NÚMEROS REAIS Os números reais são elementos de um conjunto, que é formado pela reunião dos termos numéricos descrito abaixo: 1 Texto extraído de: MUNDO EDUCAÇÃO. Reta numérica dos números reais. Disponível em:https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/matematica/fracoes-algebricas.htm - Acesso em 23/08/2018. https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/matematica/conjunto-dos-racionais.htm 5 Números naturais → conjunto dos números naturais (N) Números inteiros → conjunto dos números inteiros (Z) Números racionais → conjunto dos números racionais (Q) Números irracionais → conjunto dos números irracionais (I) 2.1 Números naturais O conjunto dos números naturais, inicialmente composto por 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9... O primeiro povo a fazer a representação do zero, os babilônios, a fizeram há mais de dois milênios antes de Cristo. Hoje, temos este conjunto formado da seguinte maneira: N = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9...}. A partir destes elementos podemos formar infinitas quantidades, apenas agrupando-os de maneira que cada um represente determinado valor de acordo com a sua posição. É importante destacar, que o nosso sistema de numeração é decimal, isto é, a cada dez unidades formaremos uma dezena, a cada dez dezenas formaremos uma centena, a cada dez centenas formaremos um milhar, e assim sucessivamente. Ancorando-se nos valores posicionais, podemos escrever números astronômicos e saber o que cada um dos seus algarismos de composição representa naquele contexto. Vejamos um exemplo de análise dos valores dos algarismos componentes de certo número. Observem detalhadamente, que no número 2568, o algarismo 2 tem valor 2000, o 5 vale 500, o 6 vale 60 e 8 vale 8. Tudo isso se dá de acordo com a posição ocupada por cada um: o 8 ocupa a casa das unidades simples, por isso vale apenas 8 unidades; o 6 ocupa a casa das dezenas, valendo 6 dezenas (6 x 10), 60 unidades; o 5 ocupa a casa das centenas, valendo 5 centenas (5 x 100), 500 unidades; e, por fim, o 2 ocupa a casa das unidades de milhar, valendo 2 milhares (2 x 1000), 2000 unidades. Uma conclusão imediata deste fato é uma curiosidade que intriga a cabeça dos que com ela se depara. Imagine se alguém lhe perguntasse “quem é maior: 1 ou 3?” 6 Os apressados responderiam “3, é claro”. Mas até que ponto isso está correto? Bem, a melhor resposta, ou pelos menos a mais cautelosa, seria responder que para saber se 1 é maior ou menor que 3 seriamos obrigados a saber do contexto no qual eles estão inseridos, por exemplo: no número 321, o 3 é maior que o 1, pois enquanto o três representa 3 centenas, o 1 representa apenas uma unidade simples; já no caso do número123, enquanto o 1 representa uma centena, o 3 representa apenas 3 unidades simples, sendo, portanto, 1 maior que 3. Veja a resposta ideal: - Marcos, quem é maior, o 3 ou o 1? - Isso depende, Paulo. Antes que eu responda, preciso saber em qual número eles estão inseridos. Podemos ainda representar um subconjunto dos Números Naturais utilizando a linguagem moderna dos conjuntos. Este seria o conjunto dos Números Naturais Não-Nulos: N* = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9...}. Neste novo conjunto, apenas omitimos a presença do zero. Destaco também algumas características do conjunto dos Números Naturais, dentre elas temos: a multiplicação é sempre permitida neste conjunto – toda multiplicação ou adição entre números naturais resulta sempre outro número natural; a divisão nem sempre é permitida dentro deste conjunto – nem toda divisão entre naturais resulta em outro número natural (1/2, 3/5, 5/9 etc.); a subtração nem sempre é permitida em N – nem toda subtração entre naturais resulta em um número natural (1 - 2, 6 - 9, 5 - 8). Muitas representações já foram feitas dos Números Naturais. Cada povo os representava de acordo com os seus sistemas de escrita, suas interpretações das quantidades e dos recursos disponíveis à época. A forma como escrevemos esses números hoje foi criada na Índia e difundida na Arábia, sendo, por isso, chamados de Números Indo-Arábicos. Dá pra ver que a matemática sempre esteve, assim como qualquer outra ciência, a favor do homem em suas tomadas de decisões e nas resoluções de problemas. Os artifícios matemáticos que conhecemos hoje, e que achamos tão simples de compreender, foram criados numa época em que as estruturas basilares do conhecimento, que nos levam a profundas interpretações, eram muito escassas, mas nem por isso o homem deixou de criar, de inventar. 7 Somos uma espécie dotada de tanta sabedoria e inteligência, porém nem mesmo somos capazes de medir essas características estampadas em nós mesmos. O fato é que raciocinamos, refletimos, comparamos e relacionamos. Tudo isso em campos reais ou fictícios, através de um poder de conversão do abstrato a ideias palpáveis, facilmente compreendidas sem muito esforço por leitores secundários. Através da matemática, e do raciocínio aguçado que o seu estudo nos traz, podemos desenvolver ainda mais as percepções desse mundo de complexidades e realidades ainda pouco exploradas. Podemos nos fortalecer como intelectuais, autoridades naquilo que nos propusermos a defender, proprietários de um vasto conhecimento e compartilhadores dos saberes adquiridos ao longo das várias jornadas acadêmicas. 2.2 Números inteiros O sistema de numeração foi desenvolvido para quantificar. Ao longo do tempo, houve a necessidade de representar números que fossem menores que o zero. Situações como: medir a temperatura de regiões que nevam, estar em andares abaixo do solo, ou seja, subsolo e saldo de gols são situações em que utilizamos os números negativos. A reta numérica O conjunto dos inteiros é formado por números positivos e negativos. Esse conjunto é infinito nos dois sentidos da reta numérica. Relação de Inclusão A notação para representação do conjunto dos números inteiros é o símbolo Z A relação de inclusão no conjunto dos inteiros envolve o conjunto dos números https://www.infoescola.com/matematica/numeros-naturais/ 8 naturais (N). Sendo que: Lê-se: N está contido em Z ou Conjunto dos naturais está contido nos inteiros. Veja a representação em diagramas: Elementos do conjunto N: {+ 1, + 2, + 3, + 4, + 5} Elementos do conjunto Z: {- 5, - 4, - 3, - 2, -1, +1, +2, +3, +4, +5} Observe que os números naturais N = {+ 1, + 2, + 3, + 4, + 5} pertencem ao conjunto dos números inteiros Z = {- 5, - 4, - 3, - 2, -1, +1, +2, +3, +4, +5}, isso porque N⊂Z. Subconjunto dos números inteiros Conjunto dos números inteiros não negativos Z+={x∈Z/x≥0} https://www.infoescola.com/matematica/numeros-naturais/ 9 Exemplo: Z+ = {0, +1, +2, +3, +4, +5 ...} Conjunto dos números inteiros não positivos Z−={x∈Z/x≤0} Exemplo: Z− = {... -5, -4, -3, -2, 0} Conjunto dos números inteiros positivos não nulos Z+*={x∈Z/x>0} Exemplo: Z+* = {+1, +2, +3, +4, +5 ...} Obs. Utilizar o (*) significa que o número zero não pertence ao conjunto. Conjunto dos números inteiros negativos não nulos Z−*={x∈Z/x<0} Exemplo: Z−* = {... -5, -4, -3, -2, -1} 2.3 Números racionais O conjunto dos números racionais é constituído por números: inteiro (positivo e negativo), decimais, dizima periódica composta/ simples e frações.Utilizamos esses números para representar quantidades e medidas. Os conjuntos dos números naturais e inteiros fazem parte do conjunto dos números racionais. Na reta numérica podemos representar esse conjunto da seguinte forma: 10 Notação e relação de inclusão O conjunto dos números racionais é representado pelo símbolo Q. A relação de inclusão é estabelecida com os conjuntos dos números naturais (N) e inteiros (Z). Observe o diagrama a seguir: Lê-se: N está contido em Z, Z está contido em Q, N está contido em Q. Elementos do conjunto dos números naturais (N) N = {0, +1, +2, +3, +4, +5} Elementos do conjunto dos números inteiros (Z) Z = {-7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5} https://www.infoescola.com/matematica/numeros-naturais/ https://www.infoescola.com/matematica/numeros-inteiros/ 11 Elementos do conjunto dos números racionais (Q) Q = {-7; -6; -5; -4; -3,4; -3; -2; -1,55...; -1; -0,422...; −13; -0,02; 0; +12; +0,8; +1; +2; +3; +4; +5; +9,6} Subconjuntos dos números racionais Os números racionais também possuem subconjuntos, os mesmos estão listados a seguir: Conjunto dos números racionais não nulos Q*={x∈Q/x≠0} Exemplo: Q* = {...+2,5; -2; -1,5; -1; +12, +1; +1,5; +2; + 2,5...} Obs. O (*) significa que o zero não pertence ao conjunto por ser o elemento nulo. Conjunto dos números racionais não negativos Q+={x∈Q/x≥0} Exemplo: Q+ = {0; +12, +1; +1,5; +2; +2,5 ...} Conjunto dos números racionais positivos e não nulo Q+*={x∈Q/x>0} Exemplo: Q+* = {+12, +1; +1,5; +2; +2,5 ...} Conjunto dos números racionais não positivos Q−={x∈Q/x≤0} Exemplo: Q− = {-2; -1,5; -1; 0} Conjunto dos números racionais negativos e não nulo Q−*={x∈Q/x<0} Exemplo: Q−* = {-2; -1,5; -1} 12 2.4 Números irracionais Para uma melhor compreensão da definição de número irracional, é necessário que sejam apresentadas algumas propriedades dos números racionais. Definimos um número racional como qualquer número que possa ser escrito da forma pq, com p sendo um número inteiro e q um número inteiro diferente de zero. Formalmente escrevemos o conjunto dos números racionais Q da seguinte maneira: Então, podemos dizer que qualquer fração (ou razão) que possa ser obtida pela divisão de dois números inteiros nessas condições é chamado de número racional. A questão agora é: Como sabemos se um número é racional? Abaixo temos alguns casos possíveis para a sua representação: 1) Frações (redutíveis ou não): 1 4 , 7 5 , 12 135 , … 2) Números decimais finitos: 4,5 ; 7,32 ; 2,31 ; .... 3) Números mistos: 2 7 5 ,9 3 4 , … 4) Dízimas periódicas: 0,7777... ou 0, 7̅ ; 0,393939... ou 0, 39̅̅̅̅ ; 13,147147147... ou 13, 147̅̅ ̅̅ ̅. Há ainda alguns números que possuem representação decimal, porém não sabemos, de pronto, se ele pode ou não ser um racional. Vamos analisar por exemplo o número √2, que possui o seguinte valor aproximado. √2≈1,414213562... Ora, não podemos afirmar que o número possui uma dízima periódica, pois não sabemos se a representação decimal irá repetir um padrão (isso pode ocorrer na 20ª casa decimal ou na 100.000ª). Para definirmos números que estão nesta forma, digamos, incerta, devemos recorrer ao Teorema Fundamental da Aritmética para classificá-lo. Teorema Fundamental da Aritmética (T.F.A.): https://www.infoescola.com/matematica/numeros-racionais/ https://www.infoescola.com/matematica/numeros-inteiros/ https://www.infoescola.com/matematica/fracoes/ 13 Todo número inteiro maior do que 1, 0 e -1 pode ser escrito (ou decomposto) pelo produto de fatores primos de forma única. Exemplos: O número 15 pode ser escrito como (3.5), onde 3 e 5 são primos; 28 = 2.2.7 (2 e 7 são primos) 135 = 3.3.3.5 Se elevarmos qualquer número inteiro a uma potência de qualquer valor (2, 3, 4, ...) o T.F.A. continuará valendo, por exemplo: 152 = 32.52 = 9.25 = 225 282 = 22.22.72 = 4.4.49 = 784 1353 = 33. 33. 33.53 = 27.27.27.125 = 2460375 Podemos então generalizar. Qualquer número inteiro x pode ser escrito da seguinte forma: x=P1⋅P2⋅P3...Pn E se elevarmos esse número inteiro a qualquer potência de valor m teremos: xm=Pm1⋅Pm2⋅Pm3...Pmn Sendo P1,P2,P3,...Pn números primos. Voltando ao √2, temos uma dúvida a respeito de sua classificação. Porém, podemos partir da premissa de que ele é um número racional. Se ele for racional, então pode ser escrito da forma pq. E se ele pode ser obtido pela razão entre dois inteiros então é válido dizer que: 𝑝𝑞 = √2 Então uma nova pergunta surge: Existe um número racional que elevado ao quadrado seja igual a dois? Para responder essa pergunta, devemos então operar ambos os lados da equação, o que nos resulta em: ( 𝑝 𝑞 ) 2 = (√2)2 Como o índice da raiz a direita também é dois (raiz quadrada), então anulamos 14 a raiz, por definição: 𝑝2 𝑞2 = 2 O que nos garante escrever que: 𝑝2 = 2𝑞2 Como p é um número inteiro, então ele obedece ao T.F.A. quando elevado a uma potência e também pode ser decomposto em fatores primos. Mas note que na expressão, a potência de 2, que é igual a um, não acompanha a definição do T.F.A. o que é um absurdo! Elevando qualquer inteiro a uma potência m, os primos que o compõe também devem ser elevados a mesma potência m, o que não ocorre com 2 nesta expressão e sim apenas com o inteiro q. Concluindo então que não pode ser escrito da forma p/q, logo ele não é um número racional, e sim, Irracional. Em outras palavras, não existem dois inteiros p e q que quando divididos têm como resultado 1,414213562... Formalmente definimos então um Número Irracional, que é representado por I, como sendo um número que não pode ser obtido da forma p/q, com p e q inteiros. Alguns exemplos de números irracionais são: 1. Raízes quadradas de números primos: √2, √3, √5 ... 2. Algumas constantes: π, e, ln 2, ln 3 Da união desses conjuntos obtemos o conjunto dos números reais, que pode ser representado pela seguinte relação: Lê-se: Conjunto dos reais = (conjunto dos naturais) união (conjunto dos inteiros) união (conjunto dos racionais) união (conjunto dos irracionais) 15 Lê-se: Conjunto dos reais = (conjunto dos racionais) união (conjunto dos irracionais) Para compreender melhor, quais são os termos numéricos que fazem parte do conjunto dos números reais, acompanhe os exemplos a seguir: Conjunto dos números naturais: Esse conjunto é formado somente por números que são iguais ou maiores que o zero. Exemplo: N = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ...} Conjunto dos números inteiros: Os elementos desse conjunto são os números inteiros positivos e negativos. Exemplo: Z = {... -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 ...} Conjunto dos números racionais: Todo o número racional e do tipo ab, com a e b inteiros, sendo b ≠ 0. Fazem parte desse conjunto os números: naturais, inteiros positivos/negativos, decimais, fração e dízima periódica. Exemplo: Q = {... -3; -2,5; -1, 0, +12; +1; +1,8; +2 ...} Conjunto dos números irracionais: Os números irracionais não podem ser representados por uma fração. Possuem infinitas casas decimais, por esse motivo não apresenta período. Os números irracionais são considerados uma dízima não periódica. Exemplo: I = { -2,345...; -1,452...; 1,679...} https://www.infoescola.com/matematica/dizima-periodica/ https://www.infoescola.com/matematica/dizima-periodica/ 16 2.5 Diagrama de inclusão O conjunto dos números reais pode ser representado pelo diagrama de inclusão abaixo: Lê-se: (Conjunto dos naturais) está contido (Conjunto dos inteiros) está contido (Conjunto dos racionais) está contido (Conjunto dos reais).2 3 DESIGUALDADE E INTERVALOS 3.1 Propriedades e características da desigualdade.As expressões numéricas que apresentam desigualdade, chamadas de inequações, possuem propriedades e características que as diferenciam das equações. 2 Texto extraído de: INFO ESCOLA. Números reais. Disponível em https://www.infoescola.com/matematica/numeros-reais/ - Acesso em 23/08/2018. 17 Inequações são expressões algébricas munidas de uma desigualdade. Elas são muito parecidas com as equações, especialmente no que se refere ao método de resolução e ao modo como elas são apresentadas. O que as difere, entre outros aspectos, é que as equações possuem uma igualdade, e as inequações, uma desigualdade. Equação x Inequação As diferenças entre equações e inequações concentram-se nos resultados, em sua análise e quantidade. Para notar essa diferença, basta acompanhar a resolução de algum problema que envolva uma equação e outro que envolva uma inequação: Fonte: www.brasilescola.uol.com.br Equação: Uma jovem recebe em seu trabalho um salário de R$ 1200,00 e deseja comprar um carro, que custa R$ 3200,00 à vista. Sabendo que as despesas dessa jovem são de aproximadamente R$ 400,00 mensais e que ela consegue poupar o restante do dinheiro sem problemas, quanto tempo levará para que ela possa comprar o carro? https://brasilescola.uol.com.br/matematica/expressao-algebrica.htm https://brasilescola.uol.com.br/matematica/equacao-1-o-grau-com-uma-incognita.htm 18 Ela comprará o carro em 3 anos e 4 meses. Inequação: Em uma escola de inglês é cobrada uma mensalidade de R$ 240,00 e uma taxa de inscrição de R$ 100,00. Qual é a quantidade máxima de meses que um aluno que tem R$ 2000,00 poderá frequentá-la? A quantidade máxima de meses que esse aluno poderá frequentar a escola é 7, pois x é menor que 7,92. Nessa inequação, o resultado é exato porque estamos procurando um “maior número possível”. Todavia, normalmente, as inequações não possuem resultados únicos. Os resultados das inequações são conjuntos numéricos e, na maioria das vezes, possuem infinitos resultados. Quando procuramos o resultado de uma equação, procuramos um número que represente a exatidão de uma situação. Quando procuramos o resultado de uma inequação, estamos atrás de um conjunto de números que satisfaça determinada 19 sentença. 3.2 Desigualdade A desigualdade recebe esse nome por não representar uma igualdade. Os símbolos usados são: <, >, ≤ e ≥, que, respectivamente, significam: menor, maior, menor ou igual, maior ou igual. Para exemplificar o uso desses sinais, observe: Esse é o resultado de uma inequação qualquer e significa que qualquer número maior que 2 pode ser considerado como resposta correta. Entretanto, observe que 2 não é maior que 2, logo, o próprio 2 não satisfaz a inequação. Os números naturais são apenas os inteiros não negativos. Sendo assim, as soluções para essa inequação também podem ser escritas em lista: 0, 1, 2, 3, 4, 5 e 6 Dessa vez, o número 6 faz parte da lista de soluções, em virtude do símbolo “menor ou igual”. 3.3 Propriedades da desigualdade Uma vez ciente dos aspectos acima, é possível pensar em métodos de resolução para inequações. Graças à sua semelhança com as equações, os cálculos devem ser realizados da mesma maneira. A única diferença está na desigualdade que será colocada no lugar da igualdade. Por causa dessa diferença, as inequações apresentam algumas propriedades que precisam ser observadas. Propriedade 1 – Somar um mesmo número aos dois membros de uma inequação não altera o sentido da desigualdade; Propriedade 2 – Subtrair um mesmo número dos dois membros de uma inequação não altera o sentido da desigualdade; 20 Dada a inequação a seguir, observe a solução: Propriedade 3 – Multiplicar os dois membros de uma inequação por um número positivo não altera o sentido da desigualdade. Observe a continuação da solução da inequação acima, que será multiplicada pelo número positivo 1/10. Esse procedimento é equivalente a “passar o 10 para o segundo membro dividindo, já que ele está multiplicando no primeiro”. Assim, essa propriedade também é válida da seguinte maneira: “Passar para o outro membro um número positivo que está dividindo ou multiplicando não altera o sentido da desigualdade.” Propriedade 4 – Multiplicar os dois membros de uma inequação por um número negativo inverte o sinal da desigualdade. Assim, nos casos em que as inequações precisam ser multiplicadas por – 1, essa propriedade deve ser aplicada. Por exemplo: 21 Observe que, nesse passo, a inequação deve ser multiplicada por – 1. Pela propriedade 4, devemos inverter o sinal da desigualdade para obter:3 3.4 Intervalo Em matemática, podemos representar conjuntos, subconjuntos e soluções de equações pela notação de intervalo. Intervalo significa que o conjunto possui cada número real entre dois extremos indicados, seja numericamente ou geometricamente. Não é possível representar subconjuntos ou conjuntos que não sejam reais (ou contidos nos reais) pela notação de intervalo. Vamos, por exemplo, dizer que o conjunto A é um subconjunto dos números naturais e que será representado por: Note que qualquer elemento de A pertence ao conjunto dos naturais, porém é um absurdo dizer que nos naturais existem números entre 1 e 2, ou seja, em ℕ não existe o número 1,5, por exemplo. Então, neste caso, dizemos que o conjunto A é vazio. E será representado por: Logo não é correto dizer que A = [1,2]. A não é um subconjunto dos números 3 Texto extraído de:www.brasilescola.uol.com.br https://www.infoescola.com/matematica/conjuntos-numericos/ https://www.infoescola.com/matematica/numeros-reais/ https://www.infoescola.com/matematica/numeros-naturais/ https://www.infoescola.com/matematica/numeros-naturais/ 22 reais, então nem todos os números possíveis estão no intervalo quaisquer números naturais, ou inteiros ou racionais. Mas, se A fosse um subconjunto dos reais, poderíamos dizer que: O que geometricamente representamos: Notações 1. Dizemos que um intervalo é aberto quando seus extremos não estão incluídos. Exemplo: Geometricamente representamos por uma bolinha branca indicando o elemento não incluído: O intervalo também é aberto quando indicamos apenas um dos extremos e o outro pode ser uma infinidade de elementos à direita (+∞) ou à esquerda (−∞). Ou seja: https://www.infoescola.com/matematica/numeros-inteiros/ https://www.infoescola.com/matematica/numeros-racionais/ 23 Toda ocasião em que um extremo for uma infinidade de elementos, este sempre será um extremo aberto. 2. Um intervalo fechado é aquele em que seus extremos são incluídos: Na reta, o elemento incluído será uma bolinha preta: 2. Dizemos que um intervalo é semiaberto ou semifechado quando um de seus extremos são incluídos, ou seja: 24 E também com extremos ao infinito: Podemos também assumir que, se um intervalo é um subconjunto dos números reais, é possível realizar algumas operações entre intervalos, tais como união e interseção de intervalos. Supondo que tenhamos dois intervalos: [a, b] e [c, d] e que d > c > b > a. A união dos intervalos será dada por: 25 E geometricamente representamos: E a sua interseção é vazia, pois não existem elementos comuns em ambos os intervalos: Vamos tomar um exemplo com valores. Supondo os intervalos [1,5] e [2,7]. A sua união será: Se representarmos na reta, vemos que seus elementos estão ligados linearmente: Então a sua união será a “soma” de todos os elementos de seus intervalos, resultando em um intervalo único de 1 a 7. Porém, a sua interseção será dada por:26 Geometricamente vemos que existe um intervalo entre eles que é composto pelos elementos que são comuns em ambos, no caso, o intervalo [2,5], veja: Intervalos serão sempre subconjuntos dos números reais, o que nos garante a validade de todas as propriedades e operações da teoria dos conjuntos. A representação geométrica de um intervalo é muito importante pois podemos observar o comportamento dos intervalos, facilitando a sua classificação e as suas possíveis operações.4 4 MÓDULO OU VALOR ABSOLUTO DE UM NÚMERO REAL O módulo ou o valor absoluto de um número x está associado ao conceito de distância desse número até a origem do sistema e é representado por |x|. Fonte: www.mundoeducacao.bol.uol.com.br 4 Texto extraído de: MOREIRA. L.P. Propriedades e características da desigualdade. BRASIL ESCOLA. Disponível em https://brasilescola.uol.com.br/matematica/propriedades-caracteristicas- desigualdade.htm - Acesso em 24/08/2018. https://www.infoescola.com/matematica/teoria-dos-conjuntos/ 27 Sabendo que a distância é uma medida não negativa, o módulo de um número é sempre maior ou igual a zero, sendo que é igual a zero somente no caso desse número ser o próprio zero. Observe a representação abaixo: O módulo ou valor absoluto de -2 é 2, assim temos |-2|=2 e o módulo de 4 é 4, então temos |4|=4. Alternativamente podemos dizer que a distância do ponto A ao ponto O é dada por d1 = 2 e a distância do ponto B ao ponto O é dada por d2 = 4. Formalmente, escrevemos |x|=-x, se x<0 e |x|=x, se x>0. Essa expressão significa que o módulo de qualquer número negativo será o seu oposto e para qualquer número positivo, ou para o zero, o valor absoluto é igual ao próprio número. Veja a seguir mais alguns exemplos: 1. Através da expressão dada acima vamos encontrar o valor absoluto de -5. Nesse caso, x=-5<0, então ficamos com a primeira parte da definição. Assim |-5|=-(- 5)=5. Alternativamente, basta notar que a distância de -5 até a origem, localizada no ponto 0, corresponde a 5. 2. Agora vamos encontrar o valor absoluto de 5. Nesse caso, x=5>0, então ficamos com a segunda parte da definição. Assim |5|=5. Alternativamente, a distância de 5 até a origem também corresponde a 5. 3. |-3|=3 4. |10|=10 5. |0|=0 6. |-3,5|=3,5 7. |0,2|=0,2 8. |-½| = ½ 9. |¼|= ¼ Os exemplos apresentados enfatizam o fato de que o módulo ou o valor absoluto de qualquer número real x diferente de zero é sempre um número positivo. 28 Lembrando que isso ocorre porque estamos considerando a distância entre esse número x e o ponto zero.5 5 EQUAÇÕES 5.1 História das Equações A história das equações é bastante longa, ela passou a ser usada aproximadamente no ano 1650 a.C. O primeiro indício do uso de equações está relacionado, aproximadamente, ao ano de 1650 a.C., no documento denominado Papiro de Rhind, adquirido por Alexander Henry Rhind, na cidade de Luxor - Egito, em 1858. O papiro de Rhind também recebe o nome de Ahmes, um escriba que relata no papiro a solução de problemas relacionados à Matemática. Os gregos deram grande importância ao desenvolvimento da Geometria, realizando e relatando inúmeras descobertas importantes para a Matemática, mas na parte que abrangia a álgebra, foi Diofanto de Alexandria que contribuiu de forma satisfatória na elaboração de conceitos teóricos e práticos para a solução de equações. Diofanto foi considerado o principal algebrista grego, há de se comentar que ele nasceu na cidade de Alexandria localizada no Egito, mais foi educado na cidade grega de Atenas. As equações eram resolvidas com o auxílio de símbolos que expressavam o valor desconhecido. Observe o seguinte problema: “Aha, seu total, e sua sétima parte, resulta 19”. Note que a expressão Aha indica o valor desconhecido, atualmente esse problema seria escrito com o auxílio de letras, as mais comuns x, y e z. Veja a representação do problema utilizando letras: x + x/7 = 19. “Qual o valor de Aha, sabendo aha mais um oitavo de aha resulta 9?” x + x/8 5 Texto extraído de: MUNDO EDUCAÇÃO. Módulo ou valor absoluto de um número real. Disponível em https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/matematica/modulo-ou-valor-absoluto-um-numero-real.htm - Acesso em 24/08/2018. 29 = 9 Na lápide do túmulo de Diofanto foi escrito uma equação que relata sua vida, e o seu resultado revela a idade que tinha quando faleceu. "Aqui jaz o matemático que passou um sexto da sua vida como menino. Um dozeavo da sua vida passou como rapaz. Depois viveu um sétimo da sua vida antes de se casar. Cinco anos após nasceu seu filho, com quem conviveu metade da sua vida. Depois da morte de seu filho, sofreu mais 4 anos antes de morrer". De acordo com esse enigma, Diofanto teria 84 anos. Os estudos relacionados às equações estabeleceram métodos resolutivos para as equações do 1º grau, 2º grau, 3º grau, 4º grau e nas maiores ou iguais ao grau 5. A álgebra é considerada peça fundamental na Matemática moderna, contribuindo na elaboração e resolução de cálculos complexos. As inúmeras aplicações estão presentes em praticamente todos os estudos relacionados ao desenvolvimento humano, como Engenharia, Física, Química, Biologia, Arquitetura, Urbanismo, Transportes, Contabilidade, Economia, Administração, Informática entre outros. 5.2 Equações do 1º grau Trabalharemos com uma situação real e dela tiraremos algumas informações importantes. Observe a balança: A balança está equilibrada. No prato esquerdo há um peso de 2Kg e duas melancias com pesos iguais. No prato direito há um peso de 14Kg. Quanto pesa cada melancia? 2 melancias + 2Kg = 14Kg 30 Usaremos uma letra, como x, para simbolizar o peso de cada melancia, e a equação será escrita matematicamente, como: 2x +2 = 14 Este é um exemplo simples de uma equação com uma variável, que é extremamente útil e aparece em muitas situações reais. Valorize este exemplo simples. Observamos que toda equação tem: 1. Uma ou mais letras indicando valores desconhecidos, que são denominadas variáveis ou incógnitas. 2. Um sinal de igualdade, denotado por = 3. Uma expressão à esquerda da igualdade, denominada primeiro membro ou membro da esquerda. 4. Uma expressão à direita da igualdade, denominada segundo membro ou membro da direita. A letra x é a incógnita da equação. A palavra incógnita significa desconhecida e equação tem o prefixo equa que provém do Latim e significa igual. 2x +2 = 14 As expressões do primeiro e segundo membro da equação são os termos da equação. Para resolver essa equação, utilizamos o seguinte processo para obter o valor de x. 31 Exemplos: 1. A soma das idades de A e C é 22 anos. Descubra as idades de cada um deles, sabendo-se que A é 4 anos mais novo do que C. Solução: Passando o problema para a linguagem matemática, tomamos a letra c como a idade de C e a letra a para a idade de A, logo a = c −4. Assim: Resposta: C tem 13 anos e A tem 13-4=9 anos. 2. A população de uma cidade A é o triplo da população da cidade B. Se as duas cidades juntas têm uma população de 100.000 habitantes, quantos habitantes tema cidade B? Solução: Identificamos a população da cidade A com a letra a e a da cidade B com a letra b e assumimos que a = 3b. Logo, escrevemos: a +b =100.000 3b +b =100.000 4b =100.000 b =25.000 Resposta: Como a=3b, então a população da cidade A corresponde a: a=3(25.000)=75.000 habitantes 32 5.3 Desigualdades do Primeiro Grau em 1 Variável Relacionadas com as equações de primeiro grau, existem as desigualdades de primeiro grau, (também denominadas inequações) que são expressões matemáticas em que os termos estão ligados por um dosquatro sinais: 1. menor que: < 2. maior que: > 3. menor ou igual: ≤ 4. maior ou igual: ≥ Nas desigualdades, o objetivo é obter um conjunto de todos os possíveis valores que pode(m) assumir uma ou mais incógnitas na equação proposta. Exemplo: Obter todos os números inteiros positivos para os quais vale: 2x +2 < 14 Para resolver esta desigualdade, seguiremos os seguintes passos: 2x +2 < 14 Passo 1: Escrever a equação original 2x +2−2 < 14−2 Passo 2: Subtrair o número 2 dos dois membros 2x < 12 Passo 3: Dividir pelo número 2 ambos os membros x < 6 Passo 4: Solução O conjunto solução é formado pelos números inteiros positivos menores que 6: S = {1,2,3,4,5} Exemplo: O conjunto de todos os números pares positivos que satisfazem à desigualdade 2x +2 < 14 é o conjunto solução: S = {2,4} Observação: Se existe mais do que um sinal de desigualdade na expressão, temos várias desigualdades disfarçadas em uma. 33 Exemplo: Para determinar todos os números inteiros positivos para os quais valem as (duas) desigualdades: 12 < 2x +2 · 20 Usamos o seguinte processo: 12 < 2x+2 · 20 Equação original 12-2 < 2x+2-2 · 20-2 Subtraímos 2 dos dois membros 10 < 2x · 18 Dividimos por 2 os dois membros 5 < x · 9 Solução O conjunto solução é: S = {6,7,8,9} Exemplo: O conjunto de todos os números inteiros negativos que satisfazem às (duas) desigualdades 12 < 2x +2 < 20 Não possui elementos, logo o conjunto solução é o conjunto vazio, isto é: S =Ø= { } 5.4 Desigualdades do primeiro grau em 2 Variáveis Agora apresentamos uma aplicação com uma desigualdade envolvendo uma equação com2 ou mais variáveis. Estudamos aqui um caso com 2 incógnitas x e y. Uma forma geral típica, com as constantes a, b e c conhecidas, pode ser: ax +by < c Exemplo: Para obter todos os pares ordenados de números reais tal que: 2x +3y > 0 temos o conjunto solução com os pares: (0, 0), (1, 0), (0, 1), (−1, 1), (1,−1), ... 34 Existem infinitos pares ordenados de números reais satisfazendo a esta desigualdade, e se torna impossível exibir todas as soluções. Para remediar isto, utilizamos um processo geométrico que permite obter uma solução geométrica satisfatória. Traçamos a reta 2x +3y = 0 2. Escolhemos um par ordenado, como (1,1), fora da reta; 3. Se (1,1) satisfaz à desigualdade 2x + 3y ¸ 0, colorimos a região que contém este ponto, caso contrário, colorimos a região que está do outro lado da reta. 4. A região colorida é o conjunto solução para esta desigualdade. 5.5 Método de substituição para resolver este sistema Entre muitos outros, o método da substituição, consiste na ideia básica de isolar o valor algébrico de uma variável, por exemplo x, e aplicar o resultado na outra equação. Para entender o método, consideremos o sistema: 2x +3y =38 3x −2y =18 Para extrair o valor de x na primeira equação, usamos o seguinte processo: 35 5.6 Sistema linear de equações do primeiro grau Equação do primeiro grau, é aquela em que todas as variáveis somadas ou subtraídas estão elevadas à potência 1. Este tipo de equação poderá ter mais do que uma incógnita. Um sistema de duas equações do primeiro grau nas variáveis x e y, é um conjunto formado por duas equações do primeiro grau nessas duas incógnitas. Exemplo: Seja o sistema de duas equações do primeiro grau Resolver este sistema de equações é o mesmo que obter os valores de x e de y que satisfazem simultaneamente a ambas as equações. x = 10 e y = 6 são as soluções deste sistema e denotamos esta resposta como 36 um par ordenado de números reais: S = {(10, 6)} Aplicação: Uma pessoa deseja reunir uma quantidade x de Álcool com 60% de pureza com outra quantidade y de Álcool com 80% de pureza para obter 1000g de Álcool com 65% de pureza. Quais devem ser os valores de x e y? Para resolver o problema, devemos montar duas equações do primeiro grau: 0,60x +0,80y = 0,65×1000 x + y = 1000 Multiplicando os termos da primeira equação por 10 e multiplicando os termos da segunda equação por 6, obtemos: 6x +8y = 6500 6x +6y = 6000 Subtraindo membro a membro as equações, obtemos y = 250g e x = 750g. 5.7 Sistema Impossível É aquele que não admite solução simultânea para suas equações. Exercício: Resolver o sistema: 37 5.8 Equações de 2º grau Equações algébricas são equações nas quais a incógnita x está sujeita a operações algébricas como: adição, subtração, multiplicação, divisão e radiciação. Para classificar o grau de uma equação, devemos observar qual é o maior expoente dessa incógnita na equação dada. No primeiro exemplo acima, a equação é de primeiro grau já que o maior expoente de x na equação dada é 1. No segundo exemplo, a equação é de segundo grau, pois o maior expoente de x é 2. Já no último exemplo, trata-se de uma equação de quarto grau. Uma equação do segundo grau na incógnita x é da forma: a x² + b x + c = 0, onde os números reais a, b e c são os coeficientes da equação, sendo que a deve ser diferente de zero. Essa equação é também chamada de equação quadrática, pois o termo de maior grau está elevado ao quadrado. 38 5.9 Fórmula de Bhaskara A fórmula de Bhaskara é um método resolutivo para encontrar raízes de uma equação do segundo grau. A fórmula de Bhaskara é um método resolutivo para equações do segundo grau que permite determinar as soluções desse tipo de equação a partir de seus coeficientes. De posse desses coeficientes, basta substituí-los na fórmula de Bhaskara e realizar as operações matemáticas indicadas por ela para encontrar os valores de x da equação. O que é uma equação do segundo grau? Equações do segundo grau são equações definidas por polinômios de grau 2. Isso significa que, entre todas as incógnitas desse polinômio, pelo menos uma será elevada ao quadrado. Toda equação do segundo grau, em sua forma normal, estará escrita da seguinte maneira: As letras “a”, “b” e “c” representam números conhecidos na equação. Esses números são seus coeficientes. Na equação do segundo grau 2x2 – 5x + 7 = 0, por exemplo, a = 2, b = – 5 e c = 7 O método resolutivo de Bhaskara A fórmula de Bhaskara foi criada a partir do método de completar quadrados. Seguindo esse método para os coeficientes genéricos “a”, “b” e “c”, obtém-se a seguinte expressão: 39 Contudo, por questões didáticas, essa fórmula é ensinada em duas etapas: fórmula do discriminante e fórmula de Bhaskara. Discriminante A fórmula do discriminante é definida pela expressão no interior da raiz quadrada na fórmula de Bhaskara em sua forma original. O discriminante é representado pela letra grega Δ (delta) e é definido da seguinte maneira: O valor de Δ é chamado de discriminante porque é possível extrair algumas informações a respeito de uma equação do segundo grau a partir dele. Portanto, pode- se dizer que Δ discrimina ou classifica equações do segundo grau da seguinte maneira: Se Δ < 0, a equação do segundo grau não possui raízes reais; Se Δ = 0, a equação do segundo grau possui uma raiz real; Se Δ > 0, a equação do segundo grau possui duas raízes reais. Em todo caso, toda equação do segundo grau possui duas raízes, contudo, nem sempre essas raízes são números reais (algumas vezes, elas podem ser números complexos). Para calcular o valor numérico de Δ, basta substituir os coeficientes da equação do segundo grau na fórmula do discriminante e realizar as operações matemáticas indicadas. Por exemplo: qual é o valor de Δ na equação x2 + 8x – 9 = 0? A fórmula de Bhaskara De posse do valor numérico de Δ, basta utilizar a fórmula de Bhaskara para encontrar os resultados(ou raízes) da equação do segundo grau. 40 Para utilizá-la, basta substituir coeficientes e valor de Δ na fórmula acima e realizar as operações indicadas. Contudo, observe a existência do símbolo “±”. Esse símbolo indica que essa fórmula deve ser calculada uma vez para +√Δ e uma segunda vez para –√Δ. Por exemplo: Quais são as raízes da equação do segundo grau x2 + 8x – 9 = 0? Nessa equação, a = 1, b = 8, c = – 9 e Δ = 100. Substituindo esses valores na fórmula de Bhaskara, obtemos: Portanto, as duas raízes da equação do segundo grau x2 + 8x – 9 = 0 são x' = 1 e x'' = – 9 41 5.10 Equação Biquadrada Toda equação tem uma forma geral que a representa, as equações biquadradas possuem a seguinte forma: ax4 + bx2 + c = 0 Sendo que a, b e c podem assumir qualquer valor real desde que a seja diferente de zero. Veja alguns exemplos de equações biquadradas. 2x4 + 5x2 – 2 = 0; a = 2, b = 5, c = -2 -x4 – x = 0; a = -1, b = -1, c = 0 x4 = 0; a = 1, b = 0, c = 0 Observando as equações biquadradas percebemos uma de suas características: são equações onde os expoentes das suas incógnitas são sempre pares. Para resolver esse tipo de equação é preciso substituir as incógnitas, tornando- a uma equação do segundo grau, veja os exemplos abaixo e compreenda como resolver passo a passo uma equação biquadrada. Exemplo 1: Resolva a equação biquadrada (x2 – 1) (x2 – 12) + 24 = 0. Devemos organizá- la primeiro, ou seja, tirar os parênteses e unir os termos semelhantes. (x2 – 1) (x2 – 12) + 24 = 0 x4 – 12x2 – x2 + 12 + 24 = 0 x4 – 13x2 + 36 = 0 Agora devemos substituir a incógnita x2 por y. x2 = y x4 – 13x2 + 36 = 0 x2 . x2 – 13x2 + 36 = 0 y2 – 13y + 36 = 0 Resolvendo essa equação do segundo grau encontraremos como resultados 42 de y’ e y’’ respectivamente os valores 9 e 4, como a incógnita da equação biquadrada é x, substituímos os valores de y na igualdade x2 = y e obteremos os respectivos valores de x. 43 5.11 Equações Irracionais O estudo de equações consiste em encontrarmos um valor para a incógnita da equação de modo que está satisfaça aquela condição de igualdade. A equação irracional é aquela na qual a incógnita está em um radicando. Como podemos notar, a incógnita x aparece no radicando, logo, se utilizarmos a equação escrita deste modo, nada poderemos fazer. Entretanto, existem alguns passos que nos auxiliam para a resolução desta equação. 44 Neste caso, as duas raízes da equação do segundo grau satisfizeram a nossa equação irracional, mas tome muito cuidado, podemos ter casos nos quais encontraremos raízes que não satisfazem a equação. 5.12 Equações Incompletas do 2° Grau As equações incompletas do segundo grau são aquelas que podem ser escritas na forma ax2 + bx + c = 0, em que b = 0 ou c = 0, ou ambos os coeficientes sejam iguais a zero. Toda equação que pode ser escrita na forma: ax2 + bx + c = 0 é conhecida como equação do segundo grau. As regras para essa definição são apenas que o a seja sempre diferente de zero e que os números representados pelas letras a, b e c – chamados coeficientes – pertençam ao conjunto dos números reais. Assim, o único coeficiente que necessariamente não pode ser zero é o coeficiente a. Quando um dos outros dois coeficientes é igual a zero (ou ambos), dizemos que a equação do segundo grau é incompleta. Exemplo: x2 = 0 é incompleta, pois b = 0 e c = 0. x2 – 16 é incompleta, pois b = 0. x2 + 10x é incompleta, pois c = 0. A seguir, conheça as técnicas mais conhecidas para resolver equações incompletas do segundo grau. Fórmula de Bháskara A fórmula de Bháskara é a técnica mais usada para resolver equações do segundo grau, pois, por meio dela, é possível resolver qualquer tipo de equação: completa ou incompleta. Desde que a equação seja do segundo grau e esteja escrita exatamente na forma ax2 + bx + c = 0, será possível resolvê-la usando a fórmula de Bháskara. 45 Essa fórmula geralmente é dividida em duas etapas: calcular o valor do discriminante e, depois, calcular as soluções da equação. Para tanto, basta substituir os valores dos coeficientes na seguinte fórmula: Em seguida, basta substituir os valores dos coeficientes e de ∆ na fórmula a seguir: Observe que existe um sinal ± na segunda fórmula. Isso significa que o cálculo deve ser feito duas vezes: a primeira considerando um + (sinal positivo) e a segunda considerando um – (sinal negativo) nessa posição. Quando C = 0 Quando apenas o coeficiente c é igual a zero, é possível calcular os resultados da equação do segundo grau usando a fórmula de Bháskara, conforme foi dada acima, ou apenas colocando a incógnita em evidência. Na equação x2 + 16x = 0, teremos: X (x + 16) = 0 O resultado de colocar a incógnita em evidência é um produto no qual um dos fatores é x e o outro é x + 16. Para que esse produto realmente seja igual a zero, como a igualdade garante, deveremos ter apenas: x = 0 ou x + 16 = 0 No primeiro caso, o resultado já seria zero, o que faz com que x = 0 seja um resultado para essa equação. No segundo, podemos fazer: x + 16 = 0 x = – 16 46 Então, as soluções para essa equação são: x = 0 e x = – 16. Se o coeficiente a for diferente de 1, o uso desse método ficará viável quando toda a equação for dividida pelo valor numérico do coeficiente A. Quando B = 0 Se apenas o coeficiente b for igual a zero, a equação do segundo grau poderá ser solucionada por meio da fórmula de Bháskara, ou usando conhecimentos básicos de equações. Observe o exemplo: x2 – 25 = 0. x2 – 25 = 0 x2 = 25 Agora, faça raiz quadrada em ambos os membros da equação, lembrando que isso resulta em dois valores distintos da raiz de 25: um positivo e outro negativo: √x2 = ±√25 x = ± 5 Observações: Quando o coeficiente c for positivo, não será possível encontrar soluções reais para a equação em que b = 0, pois o resultado será uma raiz de um número negativo. Se o coeficiente a for diferente de 1, basta dividir ambos os membros da equação pelo valor numérico de a e simplificar o resultado para prosseguir com os mesmos cálculos feitos aqui. Quando B = 0 e C = 0 na mesma equação Quando uma equação possui coeficientes b e c iguais a zero, ela poderá ser resolvida por meio da fórmula de Bháskara, ou é possível assumir que seus dois resultados reais serão iguais a zero. Observe: ax2 = 0 Dessa forma, procuramos um número que, elevado ao quadrado e multiplicado 47 pelo coeficiente a, terá zero como resultado. Se esse resultado for qualquer número diferente de zero, o coeficiente a deverá ser zero, e essa não será mais uma equação do segundo grau. Se x for igual a zero, então o problema estará resolvido. Portanto, as soluções de uma equação na qual b = 0 e c = 0 são zero e zero. 5.13 Equação Exponencial As equações exponenciais são aquelas que apresentam a incógnita no expoente. Observe os exemplos: 2x = 256 3x+1 = 9 4x = 1024 2x+2 = 512 As equações exponenciais possuem um método de resolução diferenciado, precisamos igualar as bases para aplicarmos a propriedade de igualdade entre os expoentes. Observe a resolução da seguinte equação: 5.14 Equações Logarítmicas Os estudos sobre logarítmos são atribuídos aos matemáticos John Napier e Henry Briggs. Toda equação deve possuir uma igualdade e uma variável qualquer. Aquelas em que a variável se encontra no logaritmando ou na base serão chamadas 48 de equações logarítmicas. 49 5.15 Propriedades Operatórias dos Logaritmos As propriedades operatórias doslogarítmos ajudam a simplificar e tornar o cálculo de expressões que envolvem essa operação matemática mais fácil. Os logarítmos foram criados no intuito de facilitar os cálculos envolvendo números muito grandes ou muito pequenos. Essa operação matemática reduz esses números a algumas bases, e a mais utilizada é a base decimal. As propriedades operatórias dos logarítmos possuem o objetivo de transformar multiplicações em somas, divisões em subtrações, potenciações em multiplicações e radiciações em divisões. Essas transformações facilitam os cálculos mais extensos. Logarítmo de um produto Considerando a, b e c como números reais positivos e a ≠ 1, temos a seguinte propriedade: loga(b·c) = logab + logac 50 Logarítmo de um quociente Considerando a, b e c números como reais positivos e a ≠ 1, temos a seguinte propriedade: Loga(b/c) = logab – logac Logarítmo de uma potência Considerando a e b como números reais positivos, com a ≠ 1, e m um número real, temos a seguinte propriedade: Logabm = m·logab Exemplo 5 Sabendo que log 2 = 0,3010, calcule o valor de log 64. log 64 = log 26 = 6·log 2 = 6·0,3010 = 1,806 Exemplo 6 Dado log 2x = 2,4 e log 2 = 0,3, calcule x. log 2x = 2,4 → x·log 2 = 2,4 → x·0,3 = 2,4 → x = 2,4/0,3 → x = 8 51 Mudança de base Para passar logab, com a e b positivos e a ≠ 1, para a base c, com c > 0 e c ≠ 1, utilizamos a seguinte expressão: Log ab = logcb/logca, com logca ≠ 0 Exemplo 7 Passando log4 9 para a base 2. Log4 9 = log2 9 / log2 4 = log2 9 / log2 22 = log2 9 / 2.log2 2 = log2 9 / 2 Exemplo 8 Sabendo que log 4 = 0,60 e log 5 = 0,70, calcule log54. Log5 4 = log 4 / log 5 = 0,60 / 0,70 → log5 4 = 0,86 5.16 Propriedades dos Logaritmos As propriedades dos logaritmos podem simplificar e tornar mais fáceis os cálculos que envolvem essa operação matemática. Os logaritmos, criados por John Napier e Jobst Burgi, e posteriormente adaptados por Henry Briggs, possuem a seguinte lei de formação: Log ab = x, em que: a = base do logaritmo b = logaritmando x = logaritmo O logaritmo de um número b, em uma base a, é o expoente x que se deve aplicar à base a para obter o número b. Dessa forma: Log ab = x ↔ ax = b 52 Propriedades dos logaritmos A partir dessa definição, podemos apresentar algumas definições que auxiliarão no desenvolvimento de algumas situações envolvendo logaritmo. Veja: O logaritmo do número 1, em qualquer base sempre, será igual a 0. Log a1 = 0, pois a0 = 1 O logaritmo de qualquer número a, na própria base a, será igual a 1. Log aa = 1, pois a1 = a O logarítmo de uma potência da base é o expoente, em qualquer base. Loga am = m, pois m·log aa = m·1 = m A potência de base a e expoente logab é igual a b. a.log ab = b, pois log ab = x → ax = b Dois logarítmos são iguais quando seus logaritmandos forem iguais. Log ab = log ac ↔ b = c 53 6 INEQUAÇÃO Inequação é uma expressão matemática que possui a propriedade de expressar desigualdades, diferente da equação que expressa igualdade. O sinal usado na equação é o símbolo de igual (=), já na inequação usaremos os seguintes símbolos matemáticos: Os passos para resolver uma inequação são semelhantes aos de uma equação. Podemos generalizar a apresentação de uma inequação da seguinte forma: 54 6.1 Propriedades da desigualdade nas inequações As inequações são expressões algébricas que possuem uma desigualdade e possuem propriedades e uma análise de resultados diferentes das equações. As inequações são expressões algébricas que possuem uma desigualdade. Essa é a diferença básica entre equações e inequações, pois as equações possuem uma igualdade. As implicações disso são: um mesmo modo de resolver equações e inequações, uma análise de resultados diferente para ambas e algumas propriedades a mais para as inequações. Essas propriedades são o objeto de discussão deste artigo. Antes de partir para as propriedades, vale destacar algumas diferenças entre equações e inequações. Diferenças entre equações e inequações As equações possuem resultado único se forem de primeiro grau (a quantidade de resultados de uma equação é igual ao seu grau). Já as inequações podem ter desde zero a infinitos resultados, dependendo do conjunto numérico e das condições em que foi definida. Sendo assim, a análise dos resultados deve seguir padrões também diferentes. As equações respondem a perguntas que possuem resposta exata. Uma corrida de táxi, por exemplo, geralmente custa R$ 6,00 iniciais e mais R$ 4,20 por quilômetro rodado. Supondo que uma pessoa dispõe de R$ 32,00 para essa viagem, quantos quilômetros poderá andar? A equação que representa essa situação e sua resolução são as seguintes: 55 Observe que a solução de uma equação possui resultado exato. Quantos quilômetros podem ser rodados nessas condições? Exatamente 6,19. Já as inequações possuem resultados descritos como conjuntos. O preço de uma corrida de táxi é determinado por um valor fixo de taxa de deslocamento, que é R$ 6,00, e um valor variável que depende da quantidade de quilômetros rodados: R$ 4,20 por quilômetro. Sabendo que uma corrida foi menor que 5 km, que valor foi gasto? Se x = quilômetros percorridos e y = preço da corrida, a inequação e sua solução são as seguintes: y = 4,2x + 6 Se x < 5, então: y < 4,2·5 + 6 y < 21 + 6 y < 27 Assim, o valor gasto na corrida foi inferior a R$ 27,00, mas foi superior a R$ 6,00, que é o valor mínimo cobrado. Então, o resultado é algum número com duas casas decimais entre 6 e 27. Propriedades da desigualdade Tendo em vista as diferenças entre equações e inequações, podemos discutir as propriedades da desigualdade. “Somar qualquer número ou incógnita nos dois membros de uma inequação não altera o sentido da desigualdade.” Por exemplo, na inequação a seguir, devemos somar alguns números a fim de reescrevê-la com os termos que possuem incógnita no primeiro membro e os outros que não possuem no segundo. 4x – 20 > 2x + 8 4x – 20 – 2x > 2x + 8 – 2x 2x – 20 > 8 2x – 20 + 20 > 8 + 20 2x > 28 56 Note que o processo acima é equivalente ao descrito nos métodos práticos, em que basta trocar números de lado, desde que o seu sinal seja trocado. Fazer isso não altera o sentido da desigualdade em uma inequação. “Subtrair qualquer número ou incógnita nos dois membros de uma inequação não altera o sentido da desigualdade.” Essa propriedade é equivalente à última e seu exemplo já foi dado ao subtrair 2x nos dois membros da última inequação. “Multiplicar um número positivo em ambos os membros de uma inequação não altera o sentido da desigualdade.” Para exemplificar, tomemos o exemplo anterior, que foi resolvido até encontrar: 2x > 28 Para concluir a resolução, devemos multiplicar ambos os membros por 1/2, que é um número positivo e não altera a desigualdade. Observe: (1/2).2x > 28· (1/2) x > 14 “Multiplicar um número negativo em ambos os membros de uma inequação inverte o sentido da desigualdade.” Essa propriedade funciona em dois casos práticos. Quando existe um número negativo que será passado para o outro lado multiplicando ou dividindo, inverte-se o sinal da desigualdade. Quando multiplicamos uma inequação por – 1, inverte-se o sinal da desigualdade. 57 6.2 Inequações do 1º Grau Deparamo-nos no início de nossa caminhada no Ensino Médio com o estudo de funções do 1º grau. Hoje veremos as inequações do 1º grau por meio do estudo dos sinais da função e propriedades das desigualdades. Primeiramente vamos relembrar a forma geral de uma função do 1º grau. Como se trata de inequações, veremos as possibilidades de desigualdades para asfunções. Para tanto, quando nos depararmos com inequações, escreveremos a expressão de modo que fique expressa como a forma geral de uma função do 1º grau, para então encontrarmos a raiz da função e estudarmos os seus sinais. Vejamos um exemplo. Encontre o conjunto de soluções para a seguinte inequação: 58 Note que a inequação não está na forma ax+b<0, logo, primeiramente escrevaa desta maneira. Agora, depois de termos identificado a nossa f(x), iremos encontrar a raiz desta equação para estudarmos o sinal desta função. Você se lembra das propriedades de um gráfico do primeiro grau? Com isso então, na reta dos reais, poderemos encontrar o nosso conjunto solução para esta desigualdade. Como estamos em busca do intervalo dos valores de x em que a função é menor que zero, podemos analisar no gráfico anterior que este intervalo é o que compreende os valores de x<4, ou seja: 6.3 Inequação - Quociente O estudo das inequações é baseado em determinar um intervalo cuja incógnita satisfaça aquela desigualdade, como bem diz a palavra “inequação”, que dá a ideia de “não igual”. Na inequação-quociente, tem-se uma desigualdade de funções fracionárias, ou ainda, de duas funções na qual uma está dividindo a outra. Diante disso, deveremos nos atentar ao domínio da função que se encontra no denominador, pois não existe divisão por zero. Com isso, a função que estiver no denominador da inequação deverá ser diferente de zero. O método de resolução se assemelha muito à resolução de uma inequação produto, de modo que devemos analisar o sinal das funções e realizar a intersecção do sinal dessas funções. Vejamos alguns exemplos: 1. Resolva a inequação a seguir. 59 Como o denominador deve ser diferente de zero, podemos afirmar que o valor de x não poderá ser igual a 2. Vamos estudar os sinais das funções. Função f(x)=x+5 • Zero da função: x=-5 • Sinal do coeficiente a: a=1, valor maior que zero, portanto é uma função crescente. Sendo assim, analisando os sinais dessa função, temos: Função: g(x)=x-2 • Zero da função: x=2 Sendo assim, analisando os sinais dessa função, temos: Função: g(x)=x-2 • Zero da função: x=2 • Sinal do coeficiente a: a=1, valor maior que zero, portanto é uma função crescente. Agora devemos realizar a intersecção dos intervalos das duas funções, lembrando que o ponto 2 é um valor aberto, pois não pertence ao domínio da desigualdade. 60 Veja que ao fazer a intersecção das funções deve ser feito também o jogo de sinal, assim como na equação produto. Sendo assim, podemos esboçar o conjunto solução: 6.4 Inequação - Produto Diferentemente das equações, nas inequações não temos apenas o sinal de igualdade, mas sim uma desigualdade de valores. Essas desigualdades podem ser determinadas da seguinte maneira: Nas inequações-produto iremos nos deparar com essas desigualdades, mas note que, com exceção da primeira, todas são desigualdades que se referem a uma diferença entre valores, podendo ser realizadas com a análise do sinal das expressões algébricas envolvidas na inequação. Por se tratar de uma inequação-produto, teremos o produto entre duas ou mais funções relacionadas a uma determinada desigualdade. Algo que estudamos nos processos aritméticos é a mudança de sinal através da multiplicação. No estudo das inequações-produto não será diferente, pois temos produto de funções. Portanto, deveremos analisar os sinais de cada função separadamente e depois os sinais do produto dessas funções. Com isso, obteremos os valores que satisfazem a desigualdade proposta na inequação. Exemplo: Determine os valores de x que satisfazem a desigualdade a seguir: (x-5).(-2x+4).x≥0 Note que temos três funções nessa inequação, estando essas multiplicadas, portanto devemos estudar os sinais de todas essas funções e posteriormente o sinal do produto entre elas. Para melhor análise, iremos nomear essas funções da seguinte maneira: 61 62 Você se lembra da inequação? A desigualdade do produto deve ser maior ou igual a zero. Veja-a novamente: (x-5).(-2x+4).x≥0 Assim sendo, no quadro de sinais devemos encontrar o intervalo de valores no qual o produto das funções satisfaz à condição de ser maior ou igual a zero, ou seja, ele deve ser positivo. Com isso, pela análise do quadro de sinais, obtemos o seguinte conjunto solução da inequação-produto: Por fim, veja que temos dois passos muito importantes para a resolução de inequações-produto: primeiramente, determinar os sinais de cada função de acordo com a sua raiz; depois, feito isso com todas as funções, construir o quadro de sinais para realizar o produto dos sinais e obter os reais sinais da função produto, afinal é ela que determina a desigualdade final. 6.5 Condições de uma Inequação do 2º Grau Inequação do 2º grau na variável x é uma expressão matemática de desigualdade escrita nas seguintes formas redutíveis: onde a, b e c pertencem ao conjunto dos números reais e a ≠ 0. A obtenção do conjunto solução das inequações deve ser determinado de acordo com o sinal de cada função. A seguir determinaremos o estudo do sinal de algumas funções. 63 64 65 6.6 Inequações Exponenciais As inequações são usadas para determinar um intervalo de modo que a desigualdade de certas expressões seja válida. Quando falamos de inequações exponenciais devemos saber que as desigualdades entre os números dependerão do expoente de cada número, por exemplo: 2x<23, pois são números de mesma base numérica, mas cujo expoente de um destes números é menor do que o outro. Entretanto, esse foi um exemplo de uma desigualdade predeterminada, que não gera uma inequação exponencial. Para obtermos uma inequação, devemos ter um valor desconhecido que deve ser encontrado. Veja: 2x<23 Perceba que nesta desigualdade não conhecemos o valor de x, mas através do sinal de desigualdade somos capazes de analisar os dois números e descobrir quais são os valores para x, que faz com que 2x seja menor do que 23. Neste caso, são dois números de mesma base, portanto, podemos passar a desigualdade que está relacionada aos números da base para os expoentes e, assim, obteremos a seguinte desigualdade: x<3. Ou seja, 2x será sempre menor do que 23 quando o valor de x for menor do que 3. Sendo assim, o estudo de inequações exponenciais está diretamente relacionado à base do número que está na desigualdade. Com isso, teremos duas formas diferentes para analisar a desigualdade dos expoentes, de forma que cada uma dependerá da base do número. Analisemos a seguinte desigualdade: Note que a análise da inequação exponencial baseia-se em números de bases iguais. Sendo assim, quando nos depararmos com incógnitas nos expoentes, no meio de desigualdades, devemos encontrar números de bases iguais para podermos comparar seus expoentes 66 Se fizermos 5x=h, não estaremos alterando em nada a desigualdade, apenas facilitando a desigualdade para uma expressão cuja resposta poderemos encontrar. Mas esta substituição não pode ser deixada de lado ao final dos cálculos, pois queremos encontrar o valor de x e não de h. Ao resolvermos essa inequação obteremos as seguintes soluções: 67 6.7 Gráfico de Inequações do 1º Grau Diferente das equações, as inequações são expressões matemáticas que apresentam em sua configuração sinais de desigualdade. Veja: As inequações são utilizadas em cálculos envolvendo restrições ao valor da incógnita.Por exemplo, ao resolvermos a equação 2x + 5 > 11, descobrimos que seu valor é correspondente a x > 3, de modo a respeitar a condição da inequação. Os sinais de desigualdade podem ser utilizados em qualquer expressão matemática envolvendo incógnitas, como funções do 1º grau, do 2º grau, exponenciais, logarítmicas, trigonométricas, modulares. As inequações também possuem gráficos representados no plano cartesiano. Na construção deles devemos levar em consideração o sinal da desigualdade. 68 6.8 Inequações Modulares Uma inequação será identificada como modular se dentro do módulo tiver uma expressão com uma ou mais incógnitas, veja alguns exemplos de inequações modulares: 69 Ao resolvermos uma inequação modular buscamos encontrar os possíveis valores que a incógnita deverá assumir, obedecendo às regras resolutivas de uma inequação e as condições de existência de um módulo. Condição de existência de um módulo, considerando k um número real positivo: Para compreender melhor a resolução de inequações modulares veja os exemplos abaixo: 70 6.9 Inequações Polinominais do 1º Grau A equação é caracterizada pelo sinal da igualdade (=). A inequação é caracterizada pelos sinais de maior (>), menor (<), maior ou igual (≥) e menor ou igual (≤). 71 7 FUNÇÃO A função determina uma relação entre os elementos de dois conjuntos. Podemos defini-la utilizando uma lei de formação, em que, para cada valor de x, temos um valor de f(x). Chamamos x de domínio e f(x) ou y de imagem da função. A formalização matemática para a definição de função é dada por: Seja X um conjunto com elementos de x e Y um conjunto dos elementos de y, temos que: f: x → y Assim sendo, cada elemento do conjunto x é levado a um único elemento do conjunto y. Essa ocorrência é determinada por uma lei de formação. A partir dessa definição, é possível constatar que x é a variável independente e que y é a variável dependente. Isso porque, em toda função, para encontrar o valor de y, devemos ter inicialmente o valor de x. Tipos de funções As funções podem ser classificadas em três tipos, a saber: Função injetora ou injetiva Nessa função, cada elemento do domínio (x) associa-se a um único elemento da imagem f(x). Todavia, podem existir elementos do contradomínio que não são imagem. Quando isso acontece, dizemos que o contradomínio e imagem são diferentes. Veja um exemplo: Conjunto dos elementos do domínio da função: D(f) = {-1,5, +2, +8} Conjunto dos elementos da imagem da função: Im (f) = {A, C, D} Conjunto dos elementos do contradomínio da função: CD(f) = {A, B, C, D} 72 73 As funções podem ser representadas graficamente. Para que isso seja feito, utilizamos duas coordenadas, que são x e y. O plano desenhado é bidimensional. A coordenada x é chamada de abscissa e a y, de ordenada. Juntas em funções, elas formam leis de formação. Veja a imagem do gráfico do eixo x e y: Do último ano do Fundamental e ao longo do Ensino Médio, geralmente estudamos doze funções, que são: 1 – Função constante; 2 – Função par; 3 – Função ímpar; 4 – Função afim ou polinomial do primeiro grau; 5 – Função Linear; 6 – Função crescente; 7 – Função decrescente; 8 – Função quadrática ou polinomial do segundo grau; 9 – Função modular; 10 – Função exponencial; 11 – Função logarítmica; 74 12 – Funções trigonométricas; 13 – Função raiz. 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 6 6 Texto extraído: MUNDO EDUCAÇÃO. Função. Disponível em:https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/matematica/funcao.htm - Acesso em 29/08/2018. 87 Limite de uma função Na matemática, o limite tem o objetivo de determinar o comportamento de uma função à medida que ela se aproxima de alguns valores, sempre relacionando os pontos x e y. Utilizando a função y = x + 1, vamos determinar os valores de y à medida que x assume alguns valores. Veja: Note que à medida que x se aproxima de –2, o valor de y se aproxima de –1, isto é, quando x tende a –2 (x → –2), y tende a –1 (y → –1). Portanto: x → –1, y → 0 x → 1, y → 2 x → 2, y → 3 A utilização de limites ajuda na compreensão de diversas situações envolvendo funções, através de pontos notáveis como mínimo e máximo ou até mesmo os pontos de intersecção entre funções, a continuidade de funções também utiliza as noções de limites, bem como os problemas envolvendo séries numéricas convergentes ou divergentes. Vamos trabalhar a função f(x) = x², mostrando que à medida que os valores de x aproximam de 3, pela esquerda ou pela direita, a função se aproxima do valor 9. 88 Observe que à medida que os valores se aproximam de 3, tanto pela direita quanto pela esquerda, a imagem da função f(x) = x², fica mais próxima do valor 8. 89 8 BIBLIOGRAFIA BÁSICA ANTON, Howard. Cálculo, Um Novo Horizonte V.1. Bookman, 2000. GUIDORIZZI, Hamilton. Um Curso de Cálculo, V. 1. LTC, 1985. SIMMONS, George F. Cálculo com Geometria Analítica, V. 1. Editora Mc GrawHill. São Paulo, 1987. IEZZI, G. et. All. Fundamentos de Matemática Elementar, v. 1, 2 e 3. Atual, 2007. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR CARMO, Manfredo Perdigão do; MORGADO, Augusto César; WAGNER, Eduardo. Trigonometria e Números Complexos. SOLGRAF Publicações Ltda. Rio de Janeiro, 2001. LIMA, Elon Lages. Logaritmos. Coleção do Professor de Matemática. SBM. Rio de Janeiro, 1996. VANCE, Elbridge P. Introducción a la Matemática Moderna. Fondo Educativo Interamericano. São Paulo, 1968.
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