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Matemática. Aula - 5 Prof. Henrique Brentan . 1 Função quadrática (função do 2◦ grau). Curvas parabólicas e suas aplicações. Funções quadráticas são vastamente aplicadas nas mais diversas áreas: no design, nas engenharias, nas ci- ências, na economia, etc. O que torna essa fun- ção tão importante é o seu gráfico: uma curva pa- rabólica. Curvas parabólicas possuem propriedades de reflexão e simetrias que possibilitam sua explora- ção para construção de equipamentos, obras de arte e designs dos mais variados tipos. Na foto ao lado, destacamos algumas aplicações da parábola: fabrica- ção de antenas, construção de uma fonte de água, pontes, prédios, no design de interiores. O ob- jetivo desta aula é estudar algumas das proprieda- des da função quadrática e relaciona-las com a pará- bola. DIGRESSÃO sobre Polinômios - Coeficientes. Na teoria de polinômios, definimos como coeficiente a parte numeral dos monômios. Exemplo: Seja o polinômio f(x) = 3x5 − 2xy + 4. • O coeficiente do primeiro monômio (3x5) é 3; • O coeficiente do segundo monômio (−2xy) é −2; • O coeficiente do terceiro monômio (+4) é +4; Via de regra, quando não especificados, os coeficientes são representados por letras do alfabeto a, b, c, d, ... . Exemplo: Observe a forma geral da função do 2◦ grau f(x) = ax2 + bx+ c. Seus coeficientes são a, b e c. 1.1 Função quadrática : f(x) = ax2 + bx+ c Definição: Uma função dos Reais nos Reais (f : R → R) é dita função quadrática ou função do 2◦ grau quando qualquer x ∈ R (Domínio) é associado ao elemento ax2 + bx + c (Imagem) ∈ R (Contradomínio) com a, b e c números reais e a 6= 0. Forma geral: f(x) = ax2 + bx+ c Coeficientes: a 6= 0, b e c Exemplos de funções quadráticas: • Relação: y = x2 − 3x+ 2 • Coeficientes: a = +1, b = −3, c = +2 • Relação: y = 2x2 + 4x− 3 • Coeficientes: a = +2, b = +4, c = −3 • Relação: y = −3x2 + 5x− 1 • Coeficientes: a = −3, b = +5, c = −1 • Relação: y = −x2 • Coeficientes: a = −1, b = 0, c = 0 1 1.1.1 Forma Canônica A forma canônica da função quadrática é dada por f(x) = [ a ( x+ b 2a )2 − ∆ 4a ] , onde ∆ = b2 − 4ac. Como veremos adiante, esta forma mostra-se muito útil, pois aparecem explicitamente os valores xV = −b2a e yV = −∆ 4a , que formam o par ordenado (xV , yV ) do vértice da parábola (ponto máximo da parábola se a < 0, ou ponto mínimo da parábola se a > 0.). ################ # Exercícios de fixação. # ################ Exercício 1. Faça o que se pede: a) Determine os coeficientes a, b e c das seguintes funções quadráticas definidas de R em R. 1) f(x) = x2 − 5x+ 6 2) f(x) = x2 − 4x 3) y = −x2 + 4x− 4 4) y = 3x2 − 27 b) Expresse as funções anteriores na forma canônica. 1.2 Gráfico da função quadrática. Sendo f(x) a função quadrática, a curva formada pelo conjunto de pares ordenados (x, y) ∈ f é uma parábola. x y y = ax2 + bx+ c Gráfico da função quadrática: Parábola. 1.2.1 Método de construção de gráficos pela obtenção de pontos no plano x-y. Para obter a parábola, dada uma lei específica (com os coeficientes a, b e c definidos), devemos obter os pares ordenados (x, y) ∈ f . Para tanto, basta seguir os seguintes passos: 1) Preste atenção na lei f(x). 2 2) Obtenha o xv e yv formando o par ordenado (xv, yv). 3) Propor valores para a coordenada x para obter os valores da coordenada f(x) = y. 4) Os valores de x e de f(x) = y formam os pares ordenados (x1, y1), (x2, y2), ... que são pontos no plano cartesiano. DICA-1: Para não se confundir, tente organizar os valores de x e f(x) = y em uma tabela como abaixo: x y = f(x) (x, y) xv yv (xv, yv) x1 y1 (x1, y1) x2 y2 (x2, y2) x3 y3 (x3, y3) DICA-2: Para o primeiro ponto, proponha o valor x = 0. Este valor define o ponto sobre o eixo y (coeficiente c da função quadrática). DICA-3: Para o segundo ponto, proponha o valor y = 0. Este valor define os pontos sobre o eixo x (raízes x1,x2 da função quadrática). DICA-4: Além dos dois pontos acima, encontre mais alguns pares ordenados (x, y) 5)Marque os pontos no plano cartesiano x− y. 6) Trace a curva que passa pelos pontos marcados como abaixo, obtendo a parábola gerada por f(x). (x2, y2) (x6, y6) (x3, y3) (x5, y5) (x4, y4) (x1, y1) x y y = ax2 + bx+ c Construção da Parábola. Exemplo: Exercício 2. Construa o gráfico da função y = x2 − 4x+ 3, definida de R em R. Resolução: Seguindo o método, primeiro encontramos o par formado (xv, yv) por xv = −b/2a e yv = −δ/4a, onde xv = 2 e yv = −1. Depois fazemos x = 0 na lei y = x2 − 4x + 3 e obtemos y = 3, formando o par ordenado (0, 3). Em seguida, fazemos y = 0 na lei y = x2 − 4x + 3 e obtemos x1 = 1 e x2 = 3 (raízes de f(x)), formando os pares ordenados (1, 0) e (3, 0). Organizando as informações, montamos a tabela: x y = f(x) 0 3 1 0 2 -1 3 0 Então marcamos os pontos no plano cartesiano e obtemos a parábola: 3 −2 2 4 6 −2 2 4 6 (0, 3) (4, 3) (1, 0) (3, 0) (2,−1) x y y = x2 − 4x+ 3 Construção da Parábola. ################ # Exercícios de fixação. # ################ Exercício 3. Construa o gráfico das respectivas funções definidas de R em R no plano cartesiano. −10 −5 5 10 −10 −5 5 10 x y a) y = −x2 + 4x− 3 −10 −5 5 10 −10 −5 5 10 x y b) y = 2x2 − 16 −10 −5 5 10 −10 −5 5 10 x y c) y = x2 − 3x+ 2 1.3 Estudo do gráfico da função quadrática. Observe os seguintes gráficos: (0, 0) (0, c) (x1, 0) (x2, 0) Raízes a > 0 x y y = ax2 + bx+ c (0, 0) (0, c) (x1, 0) (x2, 0) Raízes a < 0 x y y = ax2 + bx+ c Estudo da Parábola. 4 Do estudo analítico das parábolas, resulta os seguintes fatos: 1.3.1 Interseção eixo y e parábola. No plano cartesiano, o coeficiente c da função quadrática é o ponto onde a parábola faz uma interseção com o eixo y. É o valor de y no par ordenado (0, c). 1.3.2 Concavidade da parábola Se o valor do coeficiente a é positivo (a > 0), a parábola tem concavidade voltada para cima. Se o valor do coeficiente a é negativo (a < 0), a parábola tem concavidade voltada para baixo. 1.3.3 Raízes (ou zeros) da função quadrática. Os valores x1 e x2, representados nos gráficos acima, são os zeros ou as raízes da função, ou seja são os valores para os quais y = 0 (f(x) = 0). Tais valores podem ser encontrados a partir dos coeficientes a, b, c da função quadrática pela fórmula de Bhaskara x1,2 = −b± √ ∆ 2a , ∆ = b2 − 4ac. O discriminante ∆ = b2 − 4ac condiciona o número de raízes da função quadrática. Temos 3 casos: 1) ∆ > 0→ 2 raízes reais e distintas. 2) ∆ = 0→ 2 raízes reais idênticas. 3) ∆ < 0→ nenhuma raíz real x1 x2 DUAS raízes ∆ > 0 x y y = ax2 + bx+ c x1 = x2 duas raízes IDÊNTICAS ∆ = 0 x y y = ax2 + bx+ c Nenhuma raíz ∆ < 0 x y y = ax2 + bx+ c Estudo da Parábola. Outra maneira de encontrarmos as raízes reais da função quadrática é pelo método de SOMA e PRODUTO. Sendo a, b e c os coeficientes da função quadrática f(x) = ax2 + bx + c, então x1 e x2 são encontrados resolvendo o sistema de equações: { x1 + x2 = −b a x1 · x2 = ca ################ # Exercícios de fixação. # ################ Exercício 4. Considerando a função y = −x2 + 4x + 2, utilize o aplicativo GeoGebra online (procure no google) para estudar o coeficiente c (basta abrir o aplicativo, clicar em starting graphing. Digite a função e varie o coenficiente c para os valores c = −3, c = −2, c = −1, e c = 0, c = 1, c = 2, c = 3. Então, responda ao que se pede: a) Em cada caso, onde a parábola corta o eixo y? b) O que acontece com a parábola quando aumentamos o valor de c? c) O que acontece com a parábola quando diminuímos o valor de c? 5 Exercício 5. Considerando a função y = −x2 + 4x + 2, utilize o aplicativo GeoGebra online (procure no google) para estudar o coeficiente a (basta abrir o aplicativo, clicar em starting graphing. Digite a função e varie o coenficiente a para os valores a = −1 e a = 1. Então, responda ao que se pede: a) Se a é negativo, qual a concavidade da parábola? b) Se a é positivo, qual a concavidade da parábola? Exercício 6. Considerando a função y = −x2 + 4x + 2, utilize o aplicativo GeoGebra online (procureno google) para estudar o coeficiente b (basta abrir o aplicativo, clicar em starting graphing. Digite a função e escolha o coenficiente b = 2 e depois b = 0. Então, responda ao que se pede: a) Se b = 0, o vértice da parábola passa em algum ponto especial? Qual esse ponto? Exercício 7. Determine as raízes reais das funções: a) f(x) = x2 − 3x+ 2 b) f(x) = −x2 + 7x− 12 c) f(x) = x2 + 4x+ 4 d) f(x) = −x2 + 3x− 4 e) f(x) = x2 − √ 2x+ 1/2 f) f(x) = x2 + (1− √ 3)x− √ 3 g) f(x) = −5x2 Exercício 8. Dermine as raízes reais da função f(x) = x4 − 3x2 − 4 DICA: Use a substituição z = x2. Exercício 9. Dermine as raízes reais da função f(x) = x4 − 5x2 − 36 DICA: Use a substituição z = x2. Exercício 10. Dermine os valores de m para que a função quadrática f(x) = mx2 + (2m − 1)x + (m − 2) tenha dois zeros reais e distintos. Exercício 11. Dermine os valores de m para que a função quadrática f(x) = (m − 1)x2 + (2m + 3)x + (m) tenha dois zeros reais e distintos. Exercício 12. Dermine os valores de m para que a equação do 2◦ grau (m+ 2)x2 + (3− 2m)x+ (m− 1) = 0 tenha raízes reais. Exercício 13. Na equação do 2◦ grau 2x2 − 5x− 1 = 0, de raízes x1 e x2, calcule: a) x1 + x2 b) x1 · x2 c) 1x1 + 1 x2 d) (x1)2 + (x2)2. Exercício 14. Dermine os valores de m para que a equação do 2◦ grau (m+ 2)x2 + (3− 2m)x+ (m− 1) = 0 tenha raízes reais. Exercício 15. Obtenha uma equação do 2◦ grau de raízes: a) 2 e −3 b) 1/2 e −3/2 c) 1 e − √ 2 Exercício 16. Dermine o valor de m para que a equação do 2◦ grau x2 +mx+m2 −m− 12 = 0 de modo que uma raíz seja positiva e a outra nula. Exercício 17. Sejam m e n dois números inteiros positivos tais que m e n são ímpares consecutivos e m · n = 1599. Indique o valor de m+ n. 6 1.3.4 Máximo, mínimo e vértice da parábola Observe novamente os gráficos: (0, 0) (xV , yV ) x y Situação 1 y = ax2 + bx+ c Im(f) (0, 0) (xV , yV ) Vértice da parábola x y Situação 2 y = ax2 + bx+ c Im(f) Estudo da parábola. Já mencionamos que os valores xV = − b2a e yV = − ∆ 4a formam o par ordenado (xV , yV ) chamado de vértice da parábola (observe a figura). Na situação 1 o menor valor de y ∈ Im(f) é yV . Neste caso, dizemos que o número yV ∈ Im(f) é o valor mínimo da função y = f(x). O número xV que forma o par (xV , yV ) é chamdo de ponto de mínimo. Na situação 2 o maior valor de y ∈ Im(f) é yV . Neste caso, dizemos que o número yV ∈ Im(f) é o valor máximo da função y = f(x). O valor xV que forma o par (xV , yV ) é chamdo de ponto de máximo. Teoremas 1. Se a < 0, então a função quedrática y = ax2 + bx+ c admite o valor máximo yV = − ∆4a para xV = −b 2a 2. Se a > 0, então a função quedrática y = ax2 + bx+ c admite o valor mínimo yV = − ∆4a para xV = −b 2a 1.3.5 Imagem da função quadrática. 1. Se a > 0→ Im(f) = {y ∈ R|y ≥ − ∆4a} 2. Se a < 0→ Im(f) = {y ∈ R|y ≤ − ∆4a} ################ # Exercícios de fixação. # ################ Exercício 18. Determine os vértices das parábolas: a) y = −x2 + 16 b) y = x2 − 81 c) y = 2x2 − 5x+ 2 d) y = −x2 + 4x− 3 Exercício 19. Determine o valor de máximo ou o valor de mínimo e o ponto de máximo ou de mínimo das funções abaixo, definidas em R: a) y = 2x2 + 5x b) y = x2 − 4x+ 3 c) y = −x2 + 8x d) y = −x2 + 4 7 Exercício 20. Dermine o valor de m na função real f(x) = 3x2 − 2(m− 1)x+ (m+ 1) para que o valor mínimo seja 2. Exercício 21. Dermine o valor de m na função real f(x) = mx2 + (m− 1)x+ (m+ 2) para que o valor máximo seja 2. Exercício 22. Deremine área do retângulo localizado no IV quadrante formado com dois lados nos eixos cartesianos e pelo vértice da função y = x2 − 4x+ 3. Exercício 23. Determine a imagem das funções definidas em R: a) y = 2x2 + 5x b) y = x2 − 4x+ 3 c) y = −x2 + 8x d) y = −x2 + 4 Exercício 24. Na função f(x) = 3x2 − 4x+m definida em R, determine o valor de m para que a imagem seja Im(f) = {y ∈ R|y ≥ 2} ################ # Exercícios de prática. # ################ Exercício 1. (ENEM-2016) Para uma feira de ciências, dois projéteis de foguetes, A e B, estão sendo construídos para serem lançados. O planejamento é que eles sejam lançados juntos, com o objetivo de o projétil B interceptar o A quando esse alcançar sua altura máxima. Para que isso aconteça, um dos projéteis descreverá uma trajetória parabólica, enquanto o outro irá descrever uma trajetória supostamente retilínea. O gráfico mostra as alturas alcançadas por esses projéteis em função do tempo, nas simulações realizadas. Com base nessas simulações, observou-se que a trajetória do projétil B deveria ser alterada para que o objetivo fosse alcançado. Para alcançar o objetivo, o coeficiente angular da reta que representa a trajetória de B deverá A) diminuir em 2 unidades. B) diminuir em 4 unidades. C) aumentar em 2 unidades. D) aumentar em 4 unidades. E) aumentar em 8 unidades. Exercício 2. (ENEM-2013) A parte inferior de uma taça foi gerada pela rotação de uma parábola em torno de um eixo z, conforme mostra a figura. A função real que expressa a parábola, no plano cartesiano da figura, é dada pela lei f(x) = 32x 2 − 6x + C onde C é a medida da altura do líquido contido na taça, em centímetros. Sabe-se que o ponto V , na figura, representa o vértice da parábola, localizado sobre o eixo x. Nessas condições, a altura do líquido contido na taça, em centímetros, é. a) 1 b) 2 c) 4 d) 5 e) 6 8 Exercício 3. (ENEM-2015) Um estudante está pesquisando o desenvolvimento de certo tipo de bactéria. Para essa pesquisa, ele utiliza uma estufa para armazenar as bactérias. A temperatura no interior dessa estufa, em graus Celsius, é dada pela expressão T (h) = −h2 + 22h− 85, em que h representa as horas do dia. Sabe-se que o número de bactérias é o maior possível quando a estufa atinge sua temperatura máxima e, nesse momento, ele deve retirá-las da estufa. A tabela associa intervalos de temperatura, em graus Celsius, com as classificações: muito baixa, baixa, média, alta e muito alta. Intervalos de temperatura em ◦C classificação T < 0 Muito Baixa 0 ≤ T ≤ 17 Baixa 17 < T < 30 Média 30 ≤ T ≤ 43 Alta T > 43 Muito Alta Quando o estudante obtém o maior número possível de bactérias, a temperatura no interior da estufa está classificada como: a) Muito baixa. b) Baixa. c) Média. d) Alta. e) Muito alta. Exercício 4. (ENEM-2016)Um túnel deve ser lacrado com uma tampa de concreto. A seção transversal do túnel e a tampa de concreto têm contornos de um arco de parábola e mesmas dimensões. Para determinar o custo da obra, um engenheiro deve calcular a área sob o arco parabólico em questão. Usando o eixo horizontal no nível do chão e o eixo de simetria da parábola como eixo vertical, obteve a seguinte equação para a parábola: y = 9− x2, sendo x e y medidos em metros (1) Sabe-se que a área sob uma parábola como esta é igual a 23 da área do retângulo cujas dimensões são, respectivamente, iguais à base e à altura da entrada do túnel. Qual é a área da parte frontal da tampa de concreto, em metro quadrado? a) 18 b) 20 c) 36 d) 45 e) 54 Exercício 5. (ENEM-2014) Um professor, depois de corrigir as provas de sua turma, percebeu que várias questões estavam muito difíceis. Para compensar, decidiu utilizar uma função polinomial f , de grau menor que 3, para alterar as notas da prova para notas y = f(x), da seguinte maneira: • A nota zero permanece zero. A nota 10 permanece 10. • A nota 5 passa a ser 6. A expressão da função y = f(x) a ser utilizada pelo professor é 9 a) y = −125 x 2 + 75x b) y = −110 x 2 + 2x c) y = 124x 2 + 712x d) y = 45x 2 + 2 e) y = x Exercício 6. (ENEM-2017) Viveiros de lagostas são construídos, por cooperativas locais de pescadores, em formato de prismas reto-retangulares, fixados ao solo e com telas flexíveis de mesma altura, capazes de suportar a corrosão marinha. Para cada viveiro a ser construído, a cooperativa utiliza integralmente 100 metros lineares dessa tela, que é usada apenas nas laterais. Quais devem ser os valores de X e de Y, em metro, para que a área da base do viveiro seja máxima? (A) 1 e 49 (B) 1 e 99 (C) 10 e 10 (D) 25 e 25 (E) 50 e50 Exercício 8. (ENEM-2013) A temperatura T de um forno (em graus centígrados) é reduzida por um sistema a partir do instante de seu desligamento (t = 0) e varia de acordo com a expressão T (t) = − t 2 4 + 400, com t em minutos. Por motivos de segurança, a trava do forno só é liberada para abertura quando o forno atinge a temperatura de 39 ◦C. Qual o tempo mínimo de espera, em minutos, após se desligar o forno, para que a porta possa ser aberta? a) 19,0 b) 19,8 c) 20,0 d) 38,0 e) 39,0 Exercício 9. (ENEM-2017) A Igreja de São Francisco de Assis, obra arquitetônica modernista de Oscar Niemeyer, lo- calizada na Lagoa da Pampulha, em Belo Horizonte, possui abóbadas parabólicas. A seta na Figura 1 ilustra uma das abóbadas na entrada principal da capela. A Figura 2 fornece uma vista frontal desta abóbada, com medidas hipotéticas para simplificar os cálculos. Qual a medida da altura H, em metro, indicada na Figura 2? (A) 163 (B) 315 (C) 254 (D) 253 (E) 752 Exercício 10. (Fuvest-2015) A trajetória de um projétil, lançado da beira de um penhasco sobre um terreno plano e horizontal, é parte de uma parábola com eixo de simetria vertical,como ilustrado na figura. O ponto P sobre o terreno, 10 pé da perpendicular traçada a partir do ponto ocupado pelo projétil, percorre 30 m desde o instante do lançamento até o instante em que o projétil atinge o solo. A altura máxima do projétil, de 200 m acima do terreno, é atingida no instante em que a distância percorrida por P , a partir do instante do lançamento, é de 10 m. Quantos metros acima do terreno estava o projétil quando foi lançado? a) 60 b) 90 c) 120 d) 150 e) 180 Exercício 11. (Fuvest-2017) O retângulo ABCD, representado na figura, tem lados de comprimento AB = 3 e BC = 4. O ponto P pertence ao lado BC e BP = 1. Os pontos R, S, e T pertencem aos lados AB, CD e AD, respectivamente. O segmento RS é paralelo à AD e intercepta DP no ponto Q. O segmento TQ é paralelo a AB. Sendo x o comprimento de AR, o maior valor da soma das áreas do retângulo ARQT , do triângulo CQP e do triângulo DQS, para x variando no intervalo aberto ]0, 3[, é a) 61/8 b) 33/4 c) 17/2 d) 35/4 e) 73/8 11 Exercício 12. (UNESP-2afase/2) A figura representa, em vista superior, a casinha de um cachorro (retângulo BIDU) e a área externa de lazer do cachorro, cercada com 35 metros de tela vermelha totalmente esticada. a) Calcule a área externa de lazer do cachorro quando x = 6 m. b) Determine, algebricamente, as medidas de x e y que maximizam essa área, mantidos os ângulos retos indicados na figura e as dimensões da casinha. Exercício 13. (UNESP-2019/1)Em relação a um sistema cartesiano de eixos ortogonais com origem em O(0, 0), um avião se desloca, em linha reta, de O até o ponto P , mantendo sempre um ângulo de inclinação de 45◦ com a horizontal. A partir de P , o avião inicia trajetória parabólica, dada pela função f(x) = −x2 + 14x− 40, com x e f(x) em quilômetros. Ao atingir o ponto mais alto da trajetória parabólica, no ponto V , o avião passa a se deslocar com altitude constante em relação ao solo, representado na figura pelo eixo x. Em relação ao solo, do ponto P para o ponto V , a altitude do avião aumentou (A) 2,5 km. (B) 3 km. (C) 3,5 km. (D) 4 km. (E) 4,5 km. Exercício 14. (Unesp-2017/2)Uma função quadrática f é dada por f(x) = x2 + bx+ c, com b e c reais. Se f(1) = −1 e f(2)− f(3) = 1, o menor valor que f(x) pode assumir, quando x varia no conjunto dos números reais, é igual a a) –12. b) –6. c) –10. d) –5. e) –9. 12 Exercício 15. (Unicamp-2017- Segunda fase) Sejam c um número real e f(x) = x2 − 4x + c uma função quadrática definida para todo número real x. No plano cartesiano, considere a parábola dada pelo gráfico de y = f(x). a) Determine c no caso em que a abscissa e a ordenada do vértice da parábola têm soma nula e esboce o respectivo gráfico para 0 ≤ x ≤ 4. b) Considere os pontos de coordenadas A = (a, f(a)) e B = (b, f(b)), onde a e b são números reais com a < b. Sabendo que o ponto médio do segmento AB é M = (1, c), determine a e b. Exercício 16. (Unicamp-2015- Primeira fase) Seja a um número real. Considere as parábolas de equações cartesianas y = x2 + 2x+ 2 e y = 2x2 + ax+ 3. Essas parábolas não se interceptam se e somente se: a)|a|=2. b)|a|<2. c)|a−2|<2. d) |a−2|≥2. 13 Função quadrática (função do 2 grau). Função quadrática : f(x)=ax2 +bx+c Forma Canônica Gráfico da função quadrática. Método de construção de gráficos pela obtenção de pontos no plano x-y. Estudo do gráfico da função quadrática. Interseção eixo y e parábola. Concavidade da parábola Raízes (ou zeros) da função quadrática. Máximo, mínimo e vértice da parábola Imagem da função quadrática.
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