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CÁLCULO 1 Jeronimo Flors 2CÁLCULO I SUMÁRIO CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIFTEC Rua Gustavo Ramos Sehbe n.º 107. Caxias do Sul/ RS REITOR Claudino José Meneguzzi Júnior PRÓ-REITORA ACADÊMICA Débora Frizzo PRÓ-REITOR ADMINISTRATIVO Altair Ruzzarin DIRETORA DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA (NEAD) Lígia Futterleib Desenvolvido pelo Núcleo de Educação a Distância (NEAD) Designer Instrucional Sabrina Maciel Diagramação, Ilustração e Alteração de Imagem Igor Zattera, Gabriel Olmiro de Castilhos Revisora Ana Clara Garcia Limites e Continuidade 3 Limites 4 Formas Indeterminadas 6 Limites envolvendo infinitos 9 Cálculo Diferencial 16 Derivadas 17 Derivada de uma Função Constante: 17 Aplicações das derivadas 20 Derivadas de ordem superior 22 Introdução ao cálculo diferencial avançado 29 Hora da Revisão 30 Estudo da variação das funcões 32 Tópicos em Economia 36 Cálculo Integral 41 Integração: uma visão geral 42 Área entre curvas 47 Referências 52 3CÁLCULO I LIMITES E CONTINUIDADE Neste capítulo estudaremos dois assuntos essenciais para o seu sucesso na disciplina de Cálculo A compreensão dos conteúdos, limites e continuidade está diretamente relacionada ao entendimento de funções. Faça uma revisão desse conteúdo! Neste capítulo iremos estudar os fundamentos básicos de limites e continuidade de uma função. No decorrer de sua trajetória, enquanto estudante de engenharia, você precisará se familiarizar com tais assuntos para que possa modelar, matematicamente, o seu contexto, seja na empresa ou no seu cotidiano. A sistematização lógica do Cálculo Diferencial e Integral ocorreu tendo estes assuntos como alguns dos pilares estruturantes. Anton (2007, p. 101) argumenta que o conceito de limite é a “pedra fundamental sobre a qual se apoia a ideia de taxa de variação”, algo aplicável e relevante para distintas áreas do conhecimento. O Cálculo está ancorado em diversos recursos matemáticos, indispensáveis para o estudante de engenharia. Álgebra, geometria e interpretação textual são algumas das competências que você precisará desenvolver no decorrer deste curso. 4CÁLCULO I Limites Podemos entender os limites como a descrição do modo como uma função se comporta em momentos de aproximação a determinados valores (THOMÁS, 2012). De um modo geral, considerando uma função composta por pares ordenados (x, y), devemos observar a função no eixo x, analisando ou prevendo o seu comporta- mento no eixo y. Limites a partir da abordagem geométrica Quando temos o gráfico da função basta a observação. Percebemos quando a função se aproxima de um determinado ponto em x, e qual é a sua “resposta” no eixo y. Exemplos: 1) Observe o gráfico que segue. Qual é o limite da função quando x tende a 2? Para responder a pergunta anterior devemos pensar: “quando a função se apro- xima do número 2 no eixo x, de qual ponto ela se aproxima em y”? Matematicamente, a pergunta pode ser resumida da seguinte forma: 2) Observe o gráfico. Qual é o limite da função quando x tende a 2? Perceba que quando nos aproxima- mos de 2 pelo lado esquerdo, em y a função se aproxima do número três. 3 2 4 3 2 5CÁLCULO I Observação: a nomenclatura 2 – significa dois pelo lado esquerdo. Assim, lemos a expressão mostrada como: “limite da função quando x tende a dois pelo lado esquerdo é 3”. Já, quando nos aproximamos de 2 pelo lado direito, em y a função se apro- xima do número quatro. Observação: a nomenclatura 2 + significa dois pelo lado direito. Assim, lemos a expressão anterior como: “limi- te da função quando x tende a dois pelo lado direito é 4”. Caso não tenha sinal no lado direito do número significa que é por ambos os lados. Logo, podemos afirmar que a função plotada no gráfico não tem um limite bilateral (por ambos os lados) apenas unilateral. 3) Observe o gráfico a seguir da f u n ç ã o . Qual é o limite da função quando x tende ao menos infinito? Lembre-se que o menos infinito está à esquerda do eixo x, enquanto o mais infinito está a direita. Para responder a pergunta realizada, observe o gráfico e pense: “quanto mais o gráfico no eixo x se aproxima do menos infinito (vai para a esquerda no gráfico), então, de que ponto está aproximando em y”? Note que quanto mais o gráfico ten- de para o menos infinito em x, mais se aproxima de zero em y. Limites a partir da abordagem algébrica Há muitas situações em que não te- mos o gráfico da função ou a sua plota- gem trabalhosa ou complexa. Além de não termos um software adequado, podemos encontrar o limite da função a partir de uma abordagem algébrica. 3 4 2 22 1 y x 1 1 (x from -2 to 2) A expressão “tende” significa aproxima- se. No gráfico apresentado os valores de y se aproximarão de zero, mas nunca irão chegar a tal ponto. 6CÁLCULO I Exemplos: 1) Calcule: Lembre-se que lemos: “limite da função f(x)=2x+1 quando x tende (se apro- xima) a 1 por ambos os lados”. Na abordagem geométrica basta substituir x pelo valor que x tende, no caso 1, ou seja, 2.1+1= 3 Ou seja, limite da fun- ção quando x tende a 1 por ambos os lados é 3. 2) Calcule: Basta substituir x pelo valor que x tende, no caso 2, ou seja: Logo, Formas Indeterminadas Em muitos momentos, quando es- tamos aplicando a substituição exempli- ficada anteriormente, deparamo-nos com situações que não conseguimos avançar algebricamente. São as sete formas clás- sicas de indeterminação: Exemplos: 1) Calcule: Quando substituímos x por zero encontramos uma indeterminação: Assim, devemos fatorar as expres- sões algébricas e simplificar se for possí- vel. Neste caso, fatoramos o numerador utilizando o método do termo comum e evidência. O denominador já está no formato irredutível. Assim: Podemos cancelar o x do numerador com o do denominador. Dessa forma, a função pode ser escrita como x+2. . Logo, Agora podemos substituir x por 0. Toda vez que encontrarmos uma destas situações no cálculo de limites, devemos usar uma “manobra” equivalente a inicial, fazendo a substituição e evitando as formas indeterminadas. As “manobras” normalmente utilizadas são realizadas com o uso de dois conteúdos da disciplina de Cálculo Zero: fatoração e racionalização de denominadores. Caso você não se lembre retome o seu material! 7CÁLCULO I 2) Calcule: Quando substituímos x por quatro encontramos uma indeterminação: Desse modo, devemos fatorar as expressões algébricas e simplificar, caso seja possível. Nesse caso, o numerador está no formato irredutível e não pode ser fatorado. O denominador será fato- rado transformando a expressão em uma equação e utilizando a regra do (x-r).(x-r). Observe: x²-x-12=0 Resolvemos a equação com a fór- mula de Bhaskara e encontramos x1= 4 e x2= -3. Assim, a forma fatorada do deno- minador é (x -4) ( x+3). Logo, Perceba que é possível o cancela- mento dos termos (x-4) do numerador com o denominador, resultando em 1/(x+3). Podemos reescrever a questão do exemplo como: Substituindo x por 4 temos: 3) Calcule: Quando substitu- ímos x por três encontramos uma inde- terminação: Dessa maneira, devemos fatorar as ex- pressões algébricas e simplificar, se for possível. Neste caso, o numerador estará no formato irredutível e não pode ser fa- torado. O denominador será fatorado com a regra da diferença de dois quadrados. Perceba que é possível o cancelamento dos termos (x-3) do numerador com o de- nominador, resultando em . Então, podemos reescrever a questão do exemplo como: Substituindo x por 3 temos: 4) Calcule: Novamente, encontramos uma in- determinação. Nesse caso, não conseguimos fatorar os termos. O recurso que pode ser utili- zado é a racionalização. Obs. Caso você não lembre da ra- cionalização volte para a sua apostila de Cálculo Zero ou consulte o seu professor. Aqui, a racionalização consiste em multiplicar o numerador e o denominador 8CÁLCULO I pelo termo √x+1, com o objetivo de excluir o radicaldo denominador. Aplicando a propriedade distributiva temos: Podemos cancelar os termos (x-1) do numerador e do denominador chegando a √x+1. Logo, Substituindo o x por 1, temos 5) Calcule: Novamente encontramos uma in- determinação. Diante disso, não conseguimos fa- torar os termos. O recurso que pode ser utilizado é a racionalização. Aplicando a propriedade distributiva temos: Cancelando o índice pelo radicado encontramos: Podemos cancelar o x do numerador com o do denominador, o que resulta em 6 ) Calcule: Mais uma vez encontramos uma indeterminação: Perceba que na função em questão podemos fatorar o numerador pela dife- rença de dois quadrados, enquanto o de- nominador pode ser racionalizado. Então, iremos racionalizar primeiro, mas a ordem não faz diferença. Obs. Algumas pessoas pensam que é possível racionalizar somente o denominador, o que não é verdade. Também conseguimos racionalizar o numerador, o que ocorre neste exemplo: 2 2 2 2 2 2 Obs. Alguns professores exigem a racionalização do denominador também na resposta final . 9CÁLCULO I Perceba, ainda não foi possível fu- gir da indeterminação. Portanto, iremos fatorar a expressão (x²- 16). Agora podemos cancelar os termos (x-4) do numerador e do denominador. Logo, Limites envolvendo infinitos É muito comum para o estudante de engenharia encontrar dificuldades em cálculos envolvendo limites. Isso se deve às dificuldades relacionadas à abstração e imaginação de quantidades indefini- damente grandes ou pequenas e a falta de contato com este tipo de situação no cotidiano. Galileu Galilei já encontrava entraves em cálculos dessa ordem. Desse modo, para que você não se complique, é importante lembrar que o infinito não é um número, mas uma projeção de algo que cresce ou diminui muito. Limites envolvendo infinitos a partir da abordagem geométrica Exemplos: 1) Calcule: Percebemos que quanto mais a fun- ção f(x) cresce no eixo x, mais ela se apro- xima de zero no eixo y. Logo, Observe o gráfico da função f(x)=x³ e encontre os limites quando x tende ao mais e ao menos infinito: y x 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 -4 -2 2 4 (x from -4 to 4) 1 y x 2 -1 -2 0,5 1,0-0,5-1,0 (x from -1 to 1) 10CÁLCULO I Analisando o gráfico da função g(x) percebemos que à medida que os valores de x decrescem de forma ilimitada, a função g decresce; à medida que os valores de x crescem de forma ilimitada, a função g cresce. Concluímos, então, que: Limites no infinito a partir da abordagem algébrica Exemplos: 1) Calcule: Perceba que, infinito elevado ao cubo, permanece infinito. O infinito mul- tiplicado por cinco também permanece infinito. Subtrair 8, neste contexto, não produz diferença. Logo: 2) Calcule: Logo, observe a tabela: Note que quanto mais o x tende ao infinito, mais os valores de y se aproximam de zero. Logo: 3) Calcule Perceba que se simplesmente subs- tituirmos a variável por + ∞ encontramos uma forma indeterminada E n t ã o , temos dois métodos para a resolução desse tipo de situação: Método Acadêmico: Consiste em dividir todos os termos por uma variável com o menor grau das expressões. 1 y x 2 -1 -2 0,5 1,0-0,5-1,0 (x from -1 to 1) x f(x)=1/x y 1 1/1 1 2 ½ 0,5 10 1/10 0,1 100 1/100 0,01 1000 1/1000 0,001v 11CÁLCULO I Veja que as expressões 5/x e 8/x ten- dem a zero. Logo, ou seja, Método Prático: Consiste em ana- lisar o comportamento da função. Pensando no numerador: subtrair 5 do infinito não altera o infinito. Pensar no denominador: somar 8 no infinito não altera o infinito. Logo, a função pode ser resumida como: Simplificando a expressão encontra- mos 2. Assim, 4) Calcule: Método acadêmico: como três é o menor grau de denominador quando comparamos o numerador, então dividi- mos toda a expressão por x³. Os termos 3/x²,5/x³, e 2/x³ tendem a zero. Logo: , ou seja, Dessa maneira, Método prático: Inicialmente, desconsideramos os termos 5 e -2 por não oferecerem diferença em relação ao infinito. Por isso, podemos resu- mir como . Na sequência, pensamos que os termos de menor expo- ente não oferecem diferença em relação ao infinito. Observe a tabela: Assim, em cálculos de limites no in- finito podemos considerar apenas o maior expoente, ou seja: simplificando x x² x³ 1 1 1 2 4 8 5 25 125 20 400 8.000 100 10.000 1.000.000 12CÁLCULO I Problemas de aplicações envolvendo limites Cálculos de limites são utilizados em problemas de aplicação, toda vez que em uma situação nos aproximamos inde- finidamente de um determinado valor. Exemplo: Uma empresa do ramo metalúr- gico concluiu que o procedimento para montagem de um determinado motor era extremamente complexo e exigia capaci- tação. Logo, observou-se que após t dias de capacitação um mecânico monta M motores por dia, modelado pela função .Quantos motores um mecâ- nico sem capacitação consegue montar? Perceba que um mecânico sem ca- pacitação significa que a sua capacitação se aproxima de zero dias. Isso indica que é um cálculo de limites em que t tende a zero. Substituindo t por zero, temos, ou seja, Consequentemente, um mecânico sem qualificação é capaz de montar 1/5 de motor. Continuidade Intuitivamente o gráfico de uma função pode ser descrito como uma curva contínua se não apresentar “quebras” ou “buracos”. Uma função é contínua em um intervalo e somente se for contínua em cada ponto do intervalo. Nesse contexto, existem três condições que devem ser sa- tisfeitas para assegurar que o gráfico de uma função não tenha descontinuidade em x = c: 1. A função deve estar definida no ponto, isto é, f(c) existe; 2. O limite bilateral no ponto deve existir, isto é, existe; 3. O valor da função no ponto e o limite bilateral devem ser o mesmo, isto é, Exemplos: 1) Verifique se a função f(x)= x²+3 é contínua no ponto x=2: Propriedade 1 f(2)= 2²+3 f(2)= 7 Sim, a função está definida em x=2 Propriedade 2 Sim, existe um limite bilateral. Propriedade 3 7=7 Sim, O valor da função no ponto e o limite bilateral são os mesmos. Assim, podemos concluir que a função é contínua no ponto x=2. 13CÁLCULO I 2) Verifique se a função é contínua no ponto x=0: Propriedade 1 A função não está definida no ponto, pois não podemos dividir por zero. Desse modo, como falhou a primeira condição, dizemos que a função não é contínua no ponto x=0. 3) Verifique se a função a seguir é contínua no ponto x= 5: Propriedade 1 A função está definida em x=5? Sim, f(5) =5+5=10 Propriedade 2 Existe limite quando x tende a 5? Perceba que tende significa se aproxima, ou seja, não é =5. Logo, utilizamos a ex- pressão: Sim, existe limite. Propriedade 3 F(5)=lim 10=10 Sim, a função a continua no ponto x=5 4) Verifique se a seguinte função é contínua no ponto x= 4: Propriedade 1 Verificar o ponto f(4). Note que de- vemos usar a função 2x+3. Propriedade 2 Verificar o limite. Perceba que de- vemos utilizar ambas as expressões, pois x≤4 significa se aproxima pela esquerda e x>4 se aproxima pela direita. Propriedade 3 f(4)=lim 11=11 Sim, a função é contínua no ponto x=4 14EXERCÍCIOS - CALCULO I Exercícios 1) Calcule os limites das funções a seguir: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) 2) Resolva os problemas de aplicação envolvendo limites: a) Uma empresa do ramo eletrônico estima que um empregado após x dias de treinamento, monta m computadores por dia, onde . Logo, qual é o comportamento de um funcionário com treinamentos longos? b)Uma empresa de consultoria ambiental determina que o custo para despoluir x% de metais pesados que contaminam uma reserva de água doce é dado por: . Qual é o custo da despoluição quando o governo tentar despoluir o total da água? c) A função de produção de um certo bem em relação à quantidade de matéria-prima, em quilogramas, é dada por: . Determine e interprete a produção quando se tem2 quilogramas de matéria-prima. d) Modelou-se a evolução da população de uma certa cidade, após t anos, a partir de 2009 por: . Qual é o comportamento a longo prazo? 3) ) Determine se as seguintes funções são contínuas no ponto x = 2. Justifique sua resposta: a) b) 15EXERCÍCIOS - CALCULO I c) 16CÁLCULO I CÁLCULO DIFERENCIAL O Cálculo Diferencial refere-se ao estudo de derivadas, uma poderosa ferramenta aplicável nas mais diversas situações O estudo de derivadas é um dos grandes eixos estruturais do Cálculo, sendo aplicável em distintas áreas como Admi- nistração, Biologia, Economia e Engenharia, por exemplo. A partir delas podemos encontrar a taxa de variação de uma grandeza, fornecendo uma base eficiente para a modelagem do mundo que nos circunda. O seu cálculo nos permite por exemplo, encontrar retas tangentes, estimar pontos de máxi- mos e mínimos e a velocidade e aceleração de móveis. Stewart (2013) afirma que listar a aplicabilidade do Cálculo Diferen- cial seria o mesmo que listar tudo no planeta que depende de uma chave de fenda. A palavra Cálculo vem do latim calculus, fazendo referência às pequenas pedras que eram utilizadas para contar. 17CÁLCULO I Derivadas O conceito de derivada pode ser entendido a partir de duas perspectivas: a física e a geométrica. A física está inti- mamente relacionada à taxa de variação instantânea de uma função e está presente em nossas vidas como, por exemplo, no crescimento de bactérias, na mudança no nível de oxigênio de um manancial, no crescimento de um osso, na variação de temperaturas, dentre várias outras situ- ações que representam uma função va- riando. Já, a interpretação geométrica pode ser entendida com a inclinação da reta tangente a uma curva em determinado ponto e também têm diversas aplicações na matemática, dentre as quais o esta- belecimento dos pontos de máximo e de mínimo de uma função. Notações: Se y = f(x), então a sua derivada é denotada por y’. Outras notações comuns são: ou Assim, quando encontrarmos a ex- pressão y’, lemos “derivada da função y”. Dessa maneira, quando encontrarmos a expressão lemos derivada de y em re- lação a x. Derivada de uma Função Constante: A derivada de uma função constante é zero. Sendo c, um número real qualquer, então, Se y= c então y’ = 0 A derivada de uma função constante sempre será zero, pois não existem varia- ções, independentes do ponto. Observe o gráfico da função f(x) = 4: Assim: f (x)=4 f ’(x)=0 f (x)=7 f ’(x)=0 f (x)=√3 f ’(x)=0 Regras de Derivação As regras de derivação são as técnicas utilizadas para fazer a derivada. Cada “tipo” de função tem uma regra específica. Revise o conteúdo funções. Ele é indispensável para o estudo de derivadas. 18CÁLCULO I Regra da Potência: Se n for um número inteiro positivo, então, Essa regra será utilizada quando ti- vermos uma variável elevada a uma dada potência. É uma técnica muito importante e serve de base para outras regras que ve- remos na sequência. Exemplos: Exemplos: 1) Variável no denominador: deve- mos “trazer” a variável para o numerador. Isso é possível a partir da troca do sinal do expoente da variável. primeiramente, ajusta- mos a função Assim, 2) Radicais: devemos transformar o radical em um expoente fracionário. primeiramente, ajustamos a função. Se em nossa pergunta havia um ra- dical, a nossa resposta final deve ser dada na forma de um radical. Assim: Fique atento! Existem duas situações em que você precisa ajustar a função antes de aplicar a técnica. São as funções que apresentem radicais e também as que tenham a variável no denominador. Recomenda-se que a resposta deva “combinar” com a pergunta, ou seja, se na pergunta a variável estava no denominador, na resposta final este deve ser o mesmo formato. Este resultado pode ser racionalizado. A técnica de racionalização foi vista na disciplina de Cálculo Zero. A técnica de transformação de radicais em expoentes fracionários foi trabalhada na disciplina de Cálculo Zero. É muito importante termos clareza disso! 19CÁLCULO I Regra do Múltiplo Constante: É similar à regra da potência, porém existe uma constante antes da variável, que per- manece do modo como está. Exemplos: Regra da Soma: Quando duas fun- ções ou mais estão sendo somadas, aplica- mos uma regra em cada função, de acordo com as suas características. Se f e g forem ambas diferenciáveis, então: Regra da Diferença: É similar à regra da soma, porém com a subtração. Assim, se f e g forem ambas diferenciá- veis, então: Exemplos: Taxa de variação em um ponto específico Como sabemos, a derivada nos for- nece a taxa de variação instantânea de uma função. Para sabermos a taxa de variação em um ponto específico, basta calcular- mos a deriva de substituirmos os valores da variável pelo ponto. Exemplo: Seja h(t)= -4,9t²+29t+34, calcule a taxa de variação no ponto t=7: h’(t)= -4,9.2t+29 h’(t)=-9,8t+29 h’(7)=-9,8.7+29 h’(7)=-39,6 É muito comum as regras da soma e da diferença aparecerem no mesmo exercício. 20CÁLCULO I Aplicações das derivadas Aplicações na Física Suponha que um corpo em movi- mento retilíneo tenha a função horária definida por s(t)= 12t -2t², e no instante t(0) ele inicia o movimento. Consideran- do-se o espaço em metros e o tempo em segundos, encontre a velocidade média do corpo no intervalo no instante t=1: Passo 1: Derivar a função: s(t)= 12t -2t² s’(t)= 12- 4t Passo 2: substituir pelo instante con- siderado, no caso t=1. V(1)= 12-4.1 V(1)= 8 m/s Aplicações na Economia Seja o custo de produção de um determinado bem modelado por C(x)= 0,01x³ - 0,5x² +300x +100. Qual é o custo marginal para a produção de 10 unidades? Passo 1: Fazer a derivada da função com a regra apropriada, C(x)= 0,01x³ - 0,5x² +300x +100. C' (x)=0,03x^2-1x+300 Passo 2: substituir pelo valor de x desejado, no caso x=10 C' (10)=0,03.10²-1.10+300=293 Aplicações na Biologia Um estudo ambiental realizado em um certo bairro revela que daqui a t anos a concentração de monóxido de carbono no ar será Q (t)= 0,05t²+0,1t+3,4 partes por milhão. Calcule taxa de variação de concentração de monóxido de carbono com o tempo de dois anos: Q(t)= 0,05t²+0,1t+3,4 Q'(t)=0,1t+0,1 Q'(2)=0,1.2+0,1=0,3 A aplicação de derivadas refere-se à taxa de variação de um fenômeno e estende-se às diversas áreas do conhecimento. A resolução de problemas envolvendo derivadas depende da interpretação, troca para linguagem simbólica matemática e resolução do cálculo. Observe que temos uma função que nos fornece o deslocamento (s). A derivada do deslocamento fornece a velocidade. A expressão “marginal” é um termo específico da área de economia e refere-se à taxa de variação. Ou seja, queremos a taxa de variação do custo, que é dada pela derivada da função. 21CÁLCULO I Regra do Produto: É utilizada quando temos uma função multiplicada por outra. Assim, se f e g forem diferen- ciáveis, então: Exemplo: Derive a função a seguir: h(x)=(x-1)(3x-2) f(x)= x-1 f '(x)=1 g(x)= 3x+2 g'(x)=3 h’(x)=f ’(x).g(x)+f(x)g’(x) h’(x)= 1.( 3x-2) + (x-1).3 h’(x)=3x-2+3x-3 h’(x)=6x-5 Regra do Quociente: É utilizada quando temos uma divisão de uma função por outra. Assim, se f e g forem diferen- ciáveis, então: Exemplos: 1) Derive a função a seguir: f(x)= x²- 3 f ’(x)=2x g(x)= x²+4 g’(x)=2x 2) Derive a função a seguir: f(x)= 2x³+4 f ’(x)=6x² g(x)=x²-4x+1 g’(x)= 2x-4 Atenção! Muito cuidado com o sinal de menos no meio da fórmula! Quando duas funções são multiplicadas, a primeira será chamada de f(x) e a segunda de g(x). Quando duas funções são divididas, a primeira será chamada de f(x) e a segunda de g(x). 22CÁLCULO I Derivada da função expoente na- tural: É utilizada quando a base é a cons- tante e. Exemplos: Derive as funções a seguir: Derivadas de ordem superior Você deve ter percebido que a de- rivada f ’ de uma função f é também umafunção, sendo assim, pode ter a sua própria derivada. Se f ’ for derivável, então, sua derivada é denotada por f ” e é chamada derivada segunda de f. Dessa forma, en- quanto tivermos possibilidades de deriva- ção, podemos continuar os processos com as derivadas sucessivas. Se y = f(x), então as derivadas su- cessivas são denotadas por y’, y”, y’”, y(4) , y(5), etc. Outras notações comuns são: Derivada ou derivada primeira Derivada segunda Derivada terceira Chamamos essas derivadas de deri- vada primeira, derivada segunda, derivada terceira e assim por diante. O número de vezes que f for diferenciável é chamado ordem da derivada. Exemplo 1: Se f(x)= 3x4 – 2x³ + x² - 4x + 2, então: f '(x)= 12x³- 6x² + 2x - 4 f ’’(x)= 36x² - 12x + 2 f ’’’(x)= 72x -12 f(4)(x)= 72 f(5) (x)= 0 Exemplo 2: Se a posição de um corpo que está se movendo em linha reta é dada por s(t)=t³- -3t²+4t no instante t, encontre as funções que determinam a velocidade e a acelera- ção do corpo: 23CÁLCULO I s(t)=t³-3t²+4t é a função que deter- mina a posição s'(t)= 3t²- 6t+4 é a função que de- termina a velocidade s’’(t)=6t – 6 é a função que determina a aceleração Exemplo 3: Calcule a derivada quinta da função f(x)= 4x³ + 5x² + 6x -1 f '(x) = 12x² + 10x + 6 f ’’(x)= 24x+10 f ’’’(x) = 24 f(4) (x) = 0 f(5) (x) = 0 Derivada logarítmica: É utilizada quando temos uma função com logaritmo natural. Exemplo 1: Encontre a derivada de f(x)=lnx Neste caso, u = x e u’=1. Aplicando a fórmula temos: Exemplo 2: Encontre a derivada de f(x)=xln(x) Como temos um produto de x por ln(x) devemos utilizar a regra do produto. f ' (x)=f ' (x).g(x)+f(x).g'(x) f(x)=x f ' (x)=1 g(x)=ln (x) g' (x)=1/x f ' (x)=1.ln (x)+x.1/x f '̂ (x)=ln(x)+1 Derivada de funções trigonomé- tricas: É utilizada quando temos uma fun- ção trigonométrica. No final da apostila você encontra uma tabela completa com as regras de derivação. Algumas regras de derivação para funções trigonométricas Importante! Lembre-se que a velocidade e a derivada da função deslocamento (s). A aceleração é a derivada da velocidade. Assim, a aceleração é a derivada segunda do deslocamento. Importante! Na disciplina de Cálculo Zero estudamos funções trigonométricas. Caso você não esteja lembrado é muito importante retomar este conteúdo! Função Derivada f(x) = cos (x) f’ (x)= -sem (x) f(x)=sem (x) f’(x)=cos(x) f(x)=tg(x) f’(x)=sec²(x) f(x)=cos sec (x) f ’ ( x ) = - c o s s e c ( x )cotg(x) f(x)=sec(x) f’(x)=sec(x)tg(x) f(x)=cot(x) f'(x)=-cossec²(x) 24CÁLCULO I Exemplos: 1) Dada a função y=3cos(x), calcule y’: y'=3(-senx) y'=-3senx Perceba que nesse exemplo basta manter a constante e aplicar a regra ade- quada conforme a tabela mostrada. 2) Dada a função w=2tgx+3senx, calcule w’: w'=2sec² x+3cosx Perceba que, nesse caso, basta cui- dar separadamente de cada uma das duas partes da função, mantendo a constante e aplicando as regras. 2) Dada a função f(x) = x²senx , calcule f ’(x). Note que temos um produto de x² por senx, o que nos leva a aplicar a regra do produto. Logo: f(x)=x² f ' (x)=2x g(x)=senx g' (x)=cosx Assim: f ' (x)=f ' (x).g(x)+f(x).g'(x) f ' (x)=2x.senx+x^2.cosx f ' (x)=x(2senx+xcosx) Interpretação geométrica da de- rivada: A derivada como inclinação da reta tangente A interpretação geométrica da deri- vada de uma função é a inclinação de uma reta tangente à curva em um determinado ponto. Exemplo: Encontre as inclinações das retas tangentes à curva y=√x nos pontos x0=1, x0=4 e x0=9. Obs. A última etapa dessa questão foi quando colocamos o x em evidência, onde utilizamos o método de fatoração termo comum e evidência. Caso não tenha clareza desse processo, retome a apostila de Cálculo Zero. x y Tangente P y=f(x) 25CÁLCULO I Solução Sabemos que a derivada da função produz a inclinação da reta tangente em um ponto arbitrário x0. Logo, calculamos a derivada da função e substituímos pelos pontos desejados: Logo, Encontrando a equação da reta tangente Sendo: x0 a coordenada x do ponto y0 a coordenada y do ponto x uma variável y uma variável f ’(x0) o coeficiente angular, que será dado pela derivada da função no ponto Exemplo 1: Qual é a equação da reta t, que tan- gencia a parábola y = x², no ponto P = (-1; 1)? y’=2x y’(-1)=2.(-1) y”(-1)= - 2 este é o coeficiente an- gular da reta Sendo a fórmula, y-y0=f ’(x0)(x-x0) temos: y-1=-2(x-(-1)) y-1=-2(x+1) y-1=-2x-2 y=-2x-2+1 y=-2x-1 Obs. Sempre iremos escrever a equação da reta tangente com o formato y=ax +bDefinição: Se f for contínua em x0, então, a equação da reta tangente ao gráfico de f no ponto xo é dada por y-y0=f’(x0) (x-x0) P -1-1 1 1 y r t 26CÁLCULO I Exemplo 2: Determine a equação da reta tan- gente ao gráfico de f(x) = 4 − x2, no ponto (1, 3). Seja, y-y0=f ’(x0)(x-x0) f ’(x0)= -2x f ’(1)=-2.1=-2 este é o coeficiente angular da reta. y-y0=f ’(x0)(x-x0) y-3=-2.(x-1) y-3=-2x+2 y=-2x+2+3 y=-2x+5 Exemplo 3: Determine a equação da reta tan- gente à curva f(x)=x², se xo=3/2: Perceba que não temos o valor de yo, e este é indispensável para encontrarmos a reta tangente. Dessa maneira, devemos substituir o valor de x0 na função para encontrar o y0. Se f(x)=x² e xo=3/2, então, y=f(x)=(3/2)² y= 9/4 O ponto será (3/2,9/4). f ’(x)= 2x f ’(3/2)= 6/2 f ’(3/2)=3 y-y0=f ’(x0)(x-x0) y - 9/4= 3 (x - 3/2) y=3x - (9)/2 +9/4 y= 3x - 9/4 Pontos em que a reta tangente é horizontal Em determinados pontos de um gráfico a reta tangente à curva pode ser horizontal. Identificar esses pontos é es- sencial para o cálculo de máximo e mínimo da função, bem como, para problemas de otimização. Veja o esboço de gráfico a seguir: 27CÁLCULO I Retas tangentes horizontais tem in- clinação zero em relação ao eixo x. Assim, para encontramos os pontos em que a reta tangente é horizontal (caso existam), de- vemos encontrar aqueles valores de x para os quais y’(x)=0. Resumidamente, deve- mos fazer a derivada da função, igualar a função encontrada na derivada zero, e resolver a equação para encontrar o valor da variável. Exemplo 1: Em quais pontos, se em algum, o gráfico de y=x³-3x+4 tem uma reta tan- gente horizontal? y’(x)=3x²-3 , logo, 3x² - 3=0 3x² =3 x² = 3/3 x² =1 x = ±√1 = ±1 Identificamos que a função tem dois pontos em que a reta tangente é horizon- tal, em x1= -1 e x2= +1. Encontramos os valores de x, agora precisamos encontrar os de y para termos os pontos descritos no formato (x,y). y=x³-3x+4 y=(-1)³-3.(-1)+4 y=-1+3+4=6 A(-1,6) y=x³-3x+4 y=1³-3.1+4 y=2 B(1,2) Exemplo 2: Em quais pontos, se em algum, o gráfico de y=2x+1 tem uma reta tangente horizontal? y’=2 logo, 2=0 perceba que não exis- te solução para a sentença formada. Desse modo, não existem pontos em que a reta tangente seja horizontal, consequentemen- te, podemos confirmar esta informação plotando o gráfico: y x -1 -0,5 0,5 1-1 1 2 3 (x from -1 to 1) 28EXERCÍCIOS - CALCULO I Vamos aos exercícios propostos! 1) Resolva os problemas de aplicação: a) Os registros mostram que x anos, após o ano 2000, o imposto predial médio que incidia sobre um apartamento de 3 quartos em um certo município era dado por T(x)=20x²+40x +600 reais. Sendo assim, qual era a taxa de aumento do imposto predial no início do ano 2000? b) Uma pesquisa mostra que t dias após uma epidemia começar, temos N(t)= 10t³+5t+√t pessoas infectadas. Desse modo, com que taxa o número de pessoas infectadas aumentou no nono dia? c) A receita anual bruta de uma certa empresa foi A(t)= 0,1t²+10t+20 milhares de reais, em t anos, após a empresa ser fundada no ano de 2000. A que taxa a receita anual bruta da empresa estava aumentando com o tempo em 2004? d) O modelo n= mede a per- centagem do nível de oxigênio em uma lagoa; t é o tempo em semanas, após o lançamento de detritos orgânicosna lagoa. Conforme os dados, encontre a taxa de variação de N em relação a t quando t= 0,5. e) Uma peça de carne foi colocada num freezer no instante0 t =. Após t horas, sua temperatura, em graus centígrados, é dada por: t=30-5t+4/t+1 . Qual será a taxa de variação da temperatura após 2h? 2) Encontre a equação da reta tangente: a) f(x)=x² considerando x0=1 b) f(x)=7-2x considerando x0=5 c) f(x)= -2/x considerando x0= -1 d) f(x)=2√x considerando x0=4 e) f(x)= -x³-5x²+3x-1 no ponto P (-1,-8) 3) Derive as funções a seguir: c) f(x)=x9-5x8+x+12 d) f(x)= -0,02x³+0,3x 4) Encontre os pontos em que a reta tangente é horizontal, caso existam: a) f(x)=(x+1)(x²-x-2) c) f (x)= -8x+7 29CÁLCULO I INTRODUÇÃO AO CÁLCULO DIFERENCIAL AVANÇADO O Cálculo diferencial é uma poderosa ferramenta com vasta aplicabilidade utilizada em distintas áreas do conhecimento O Cálculo diferencial nos remete à velha rivalidade histórica entre Newton e Leibniz, em que ambos os cientis- tas trabalharam de forma similar, porém quando separado desenvolveram uma base conceitual utilizada até os dias de hoje. Neste Capítulo, iremos trabalhar aplicações do Cálculo Diferencial, assim como técnicas mais avançadas, as quais serão muito importantes para o seu sucesso na disciplina. A Matemática é gradual: mesmo que o capítulo trate de aspectos avançados, a sua base conceitual proveniente do Ensino Fundamental e Médio será indispensável. 30CÁLCULO I Hora da Revisão Composição de funções Existem muitas situações em que uma grandeza é dada como uma função de variável, que por sua vez, pode ser escrita como uma função de outra variável. Com- binando as funções de maneira apropriada pode ser possível expressar a grandeza original em função da segunda variável. Exemplos: Seja f(x)=x³ e g(x)=x+1, então a com- posição de funções será f(g(x))=(x+1)³. A partir disso, observe que o pro- cesso consistiu em substituir a variável x da função f(x) por toda a função g(x), formando a função f(g(x)). Logo, outra notação utilizada é fog. 2) Seja f(x)=√x e g(x)=2x+1 , a com- posição de f(x) em g(x) será: fog=√(2x+1) 3) Seja f(x)=cosx e g(x)=8x a com- posição de f(x) em g(x) será: fog=cos8x Derivada de funções compostas - Regra da cadeia A regra de cadeia é uma fórmula para calcular a derivada de funções com- postas (THOMAS, 2012). Assim, se f e g forem diferenciáveis e F = f .g for a função composta definida por F(x) = f (g(x)) , então F é diferenciável e F’é dada pelo produto F' (x)=f' (g(x))g'(x) Agora, pense na regra da cadeia como um repolho. Achou estranho? Como a gente desfolha um repolho? Da folha mais externa para o centro, correto? Se esta ordem mudar o repolho ficará estragado. Na regra da cadeia devemos também tirar as “folhas” da função partindo de fora para dentro. “Tirar a folha” na função é fazer a derivada. Exemplos: 1) Dada a função f(x)=(x³-1)100, cal- cule f ’(x). Podemos entender a composição de funções como “uma função dentro da outra”. 31CÁLCULO I f ' (x)=100(x³-1)99.(3x²) f ' (x)=300x²(x³-1)99 Observe que a “primeira folha” é a potência 100. Ela foi tirada sem se mexer no resto. A “segunda folha” é o centro (x³-1) ela foi tirada como segundo passo. 2) Dada a função f(x)=sen(3x), cal- cule f ’(x). f ' (x)=cos(3x).3 Observe que a “primeira folha” é sen (3x). Ela foi retirada sem com o uso da tabela. A “segunda folha” é o 3x, que foi retirada na sequência. 3) Dada a função f(t)=√(2t²+5t), cal- cule f ’(t): f(t)=(2t²+5t)1/² f '(t)=1/2(2t²+5t)-1/².(4t+5) Outro detalhe: se em nossa pergunta temos um radical, a nossa resposta deve voltar para o radical. Caso não lembre dessa manipulação, retome a sua apostila de Cálculo Zero. 4) y=cos(lnx+1)³ A “primeira folha” é o cosseno. O resto é copiado igual. y'=-sen(lnx+1)³ A “segunda folha” é a potência três. y'=-sen(lnx+1)³.3(lnx+1)² A “terceira folha” é o lnx +1 y'=-sen(lnx+1)³.3(lnx+1)².1/x+0 Por último, basta ajustar a função. Quando temos um quociente de funções e o numerador é uma constante, a regra da cadeia é uma alternativa para a regra do quociente. Primeiro passo: passar o denominador para cima, trocando o expoente. y=1.(x²-8)-³ ou seja y=(x²-8)-³ Segundo passo: aplicar a regra da cadeia. y'=-3(x²-8)-4(2x) y'=-6x(x²-8)-4 Terceiro passo: ajustar a função devolven- do a resposta em acordo com a pergunta. Lembre-se que comentamos anteriormente que os radicais devem ser transformados em expoentes fracionários antes de aplicar-se qualquer técnica de derivação. 32CÁLCULO I Estudo da variação das funções O estudo de pontos de máximo e de mínimos de funções tem uma ampla aplicabilidade na Matemática. Para obter pontos de máximo ou de mínimo de uma função, basta construir o gráfico da função e identificar tais pontos. O problema é a dificuldade em construir os gráficos de muitas funções, razão pela qual, utilizamos as derivadas das funções. Ponto crítico de uma função O ponto crítico de uma função pode ser entendido como o ponto em que a fun- ção muda o seu comportamento. Basta fazer a derivada e igualar a função a zero. Exemplo: Seja f(x)=x², encontre o seu ponto crítico. f '(x)=2x 2x=0 x=0/2 x=0 Logo, o ponto crítico está no ponto de coordenada x=0. Para sabermos se este ponto é de máximo ou de mínimo preci- samos plotar o gráfico ou fazer o estudo do sinal da função por intermédio dos intervalos de crescimento e decrescimento. O gráfico nos indica que é um ponto de mínimo, pois ela não irá “baixar” ja- mais deste ponto. Agora, vamos supor que não seja possível fazer o gráfico. Ainda é possível encontrar os pontos críticos com uma abordagem mais analítica. Máximo e mínimos de funções e relaciona aos pontos em que a reta tangente é horizontal. Caso não lembre deste conteúdo, faça uma retomada! 1 1 -1 -1 -2-3 2 2 3 3 4 4 5 5 6 33CÁLCULO I Intervalos de crescimento e decrescimento Exemplos: Determine os intervalos de cresci- mento e decrescimento da função f(x)=x^- 2-4x+3: Passo 1: determinar o ponto crítico da função. f(x)=x²-4x+3 f '(x)=2x-4 2x-4=0 x=4/2 x=2 Passo 2: considere um valor aleató- rio antes do ponto crítico e outro depois. Considere valores que facilitem seus cálcu- los. Neste exemplo, utilizamos os valores 1 e 3. Substituir tais valores em f ’(x). f ' (1)=2.1-4 f ' (1)=2-4 f ' (1)=-2 Como f '(1) é < 0, pelo teorema, podemos considerar que antes do ponto crítico a função é decrescente. f '(3)=2.3-4 f '(3)=6-4 f '(3)=2 Como f ' (3) > 0, pelo teorema, po- demos considerar que após o ponto crítico a função é crescente. Passo 3: Esboçar as considerações anteriores em uma reta. Pelo esboço podemos perceber que: No primeiro intervalo a função é decrescente. No segundo intervalo a função é crescente. O ponto x=2 é um ponto de mínimo. Teorema: Seja f uma função contínua em um intervalo I. a) Se f'(x)>0 para todo x pertencente a I, então f será estritamente crescente em I. b) Se f'(x)<0 para todo x pertencente a I, então f será estritamente decrescente em I. 2 31 Lembre-se que o que temos não é o gráfico da função. Trata-se de um esboço para compreender o comportamento da função. 34CÁLCULO I Exemplo 2: Determine os intervalos de crescimento e decrescimento da função f(x)=x^3. Verifique sua resposta através do seguinte gráfico: Passo 1: encontrar os pontos crí- ticos. f ' (x)=3x² 3x²=0 x=0 ponto crítico Passo 2: testar um ponto antes e outro após o ponto crítico. Utilizaremos -1 e 1. Seja x1= -1 e x2= 1 f ' (-1)=3(-1)² f ' (-1)=3 Intervalo crescente. f ' (1)=3(1)² f ' (1)=3 Intervalo crescente. Passo 3: traçar o esboço. Perceba que em ambos intervalos a função é crescente, o que nos leva a con- cluir que a função não tem ponto nem de mínimo nem de máximo. Em decorrência disso, chamamos de ponto ordinário. Exemplo 3: Determine os intervalos de cres- cimento e decrescimento da funçãof(x)=x³-3x²-9x+7. Passo 1: encontrar os pontos críticos. f '(x)=3x²-6x-9 3x²-6x-9=0 x1=3; x2=-1 Perceba que temos dois pontos crí- ticos. -2 -1 1 2 1,00,5-0,5-1,0 x y (x from -1 to 1) 3 35CÁLCULO I Passo 2: testar um ponto antes e ou- tro após cada ponto crítico. Neste exemplo utilizaremos -2, 0 e 4. f '(-2)=3(-2)²-6(-2)-9 f '(-2)=12+12-9=15 Intervalo crescente. f '(0)=3(0)²-6.0-9= -9 Intervalo decrescente. f '(4)=3(4)²-6.4-9=15 Intervalo crescente. Passo 3: traçar o esboço. Perceba que o ponto x=-1 é um pon- to de máximo, enquanto x=3 é um ponto de mínimo. Aplicações de Máximos e Mínimos de funções Os problemas de aplicações que fa- zem referência a maximização ou mini- mização, independente do contexto, po- dem ser resolvidos com os recursos vistos anteriormente. Exemplos: 1) Com a finalidade de estudar a quantia de ônibus que deve operar em uma cidade, a empresa pública de trans- portes modelou a função S(x)=-1/3 x^3+5x^2+75x-125, sendo x a quantia de linhas de ônibus e S o índice de satisfação das pessoas. Logo, quantas linhas produ- zem a maior satisfação? Passo 1: encontrar os pontos crí- ticos. -x²+10x+75=0 Resolvendo a equação encontramos x1= -5 e x2= 15. Nesse exemplo não foi preciso ana- lisar qual ponto seria de máximo e qual seria de mínimo, pois tratando-se de linhas de ônibus somente são admitidas somente respostas positivas. Assim, 15 linhas ma- ximizam a satisfação das pessoas. -1 0 3 4-2 Obs. Como o problema fala em maior satisfação, entendemos que é um problema de máximo e mínimo da função. Obs. Caso você não lembre como resolver a equação, retome o seu material de Cálculo Zero. 36CÁLCULO I Tópicos em Economia O Cálculo é amplamente utilizado na área de Economia, por isso é impor- tante termos clareza de alguns conceitos pertencentes a essa ciência. Alguns conceitos de economia Função Custo Podemos entender o custo como a saída de caixa de uma empresa, ou seja, os gastos envolvidos em determinada ope- ração. Ele pode ser composto por duas partes: o fixo e a variável. Descrevemos a função custo da seguinte maneira: C(x) = Cf + Cv, onde Cf: custo fixo e Cv: custo variável. Função Receita Podemos entender a receita como a entrada de caixa de uma empresa, ou seja, o faturamento envolvido em determinada operação, ligado diretamente ao número das vendas. Logo, descrevemos a função receita da seguinte maneira: R(x) = px , onde p é o preço de mercado do produto e x é o número de unidades vendidas. Função Lucro Podemos entender o lucro como a “sobra” de caixa de uma empresa, ou seja, a subtração entre a receita e o custo. Também, descrevemos a função lucro da seguinte forma: L(x) = R(x) – C(x). Os valores de x para os quais o lucro é nulo são chamados de pontos de nivelamento. Exemplo: Uma metalúrgica gaúcha fabrica pe- ças metálicas para montadoras de motores automotivos. O custo envolve R$ 1.200,00 fixos e mais R$ 50,00 por unidade, depen- dendo da produção. A peça é vendida por R$ 120,00. Encontre: as funções custo, receita e lucro. Função Custo C(x) = Cf + Cv C(x)= 1.200 + 50x Função Receita R(x)= px R(x)= 120x Função Lucro L(x)= R(x) – C(x) L(x) = 120x – (1200 +50x) L(x)= 120x -1200 -50x L(x)= 50x -1200 37CÁLCULO I Exemplo 2: A empresa Vende Bem produz um determinado produto, com um cus- to mensal dado pela função c(x)=1/3 x^- 3-2x^2+10x+20 , sendo x a quantidade produzida. Cada unidade desse produto é vendida por R$31,00. Qual é o lucro marginal para a venda de 10 unidades? Passo 1: montar a função lucro R(x)= 31 x função receita c(x)=1/3 x³-2x²+10x+20 função custo L(x)= R(x) – C(x) L(x)=31x-(1/3x³-2x²+10x+20) L(x)= 31x-1/3 x³+2x²-10x-20 L(x) = -1/3 x³+2x²+21x-20 Passo 2: fazer a derivada da função L' (x)=-x³+4x+21 Passo 3: substituir o x por 10 L’(10) = -10² + 4.10 +21 L’(10)= -100 +61= -39 Problemas de otimização Podemos entender um problema de otimização como uma situação em que procuramos determinar os valores de uma função para os quais queremos obter os melhores valores. Exemplos: 1) Uma caixa vai ser manufaturada a partir de um pedaço de papelão quadrado de 30 polegadas de lado, cortado e dobrado conforme mostra a figura seguinte: Quais são as dimensões que produ- zem o maior volume? Passo 1: encontrar a expressão da- quilo que queremos maximizar. Queremos maximizar o volume de um paralelepípedo. Para isso, sabemos que pela geometria plana o volume de um paralelepípedo é dado pela área da base vezes a altura. v=ab.h A base é um quadrado de lado 30 – 2h. Conseguintemente, a sua área será: Ab=(30-2h).(30-2h) Ab=(30-2h)² Lembre-se que as expressões lucro marginal, custo marginal e receita marginal referem-se à taxa de variação de tais funções, ou seja, dependem da derivada delas. Figura 1: problema de otimização. Fonte: Ryan, 2009. 38CÁLCULO I Desse modo, o volume será dado por: v=(30-2h)².h Desenvolvendo o produto notável temos: v=(900-120h+4h² ).h Aplicando a propriedade distributiva temos: v=4h³-120h²+900h . Esta é a ex- pressão algébrica do volume. Passo 2: Encontrar os pontos crí- ticos da função: v=4h³-120h²+900h v '̂=12h²-240h+900 12h²-240h+900=0 Resolvendo a equação encontramos os pontos críticos que serão 15 e 5. Passo 3: interpretar os pontos crí- ticos. Para esta interpretação basta pe- garmos qualquer uma das expressões que modelam o volume e substituir os valores. v=(30-2h)².h Substituindo por 15: v = (30-30)².30= 0 Substituindo por 5: V= (30-10)².5 = 2.000 polegadas cúbicas Logo, a dimensão para h que produz o maior volume é de 5 polegadas. Exemplo 2: Um fazendeiro tem recursos para acomodar 300 metros de cerca para fazer um curral dividido em dois retângulos, conforme a figura a seguir (RYAN, 2009): Quais dimensões produzem a maior área possível? Passo 1: encontrar a expressão da- quilo que queremos maximizar. Queremos maximizar a área. Pela geometria plana sabemos que a área de um retângulo é dada pela base vezes a altura. a=(2x).y Figura 2: problema de otimização. Fonte: Ryan, 2009. 39CÁLCULO I Passo 2: considerar o limitador Neste problema específico temos um limitador, ou seja, o fazendeiro tem ao seu dispor apenas 300 metros de cer- ca. Consideramos que o perímetro será o limitador. Logo: 300=x+x+y+x+x+y+y 300=4x+3y Passo 3: ajustar a função A função que encontramos no passo 2 deve ter o y isolado. -3y=4x-300 3y= -4x+300 Passo 4: fazer a composição das funções Devemos fazer uma composição de funções entre aquilo que queremos otimi- zar (área) e o limitador (perímetro). a=(2x).y a=2x(-4x /3+100) Passo 5: encontrar os pontos críticos O ponto crítico é x= 37,5 Podemos concluir que x=37,5m ma- ximiza a área do curral. Passo 6: descobrir o valor de y. Para descobrir o valor de y substi- tuímos na função: 300=4x+3y Se x= 37,5 300=4.37,5+3y 300-150=3y y=50 Assim, x= 37,5 e y=50 são os valores que otimizam as dimensões do curral. 40CÁLCULO I Vamos aos exercícios propostos! 1) A posição de uma partícula que se desloca ao longo de uma coordenada é dada por s=√1+4t, com s em metros e t em segun- dos. Determine a velocidade da partícula em t=6 segundos: 2) Um corpo se move em linha reta de acordo com a equação S=√4+3t², onde S é dado em metros e t em segundos. Determine a velocidade do corpo no instante t = 2s 3) Derive as funções a seguir usando a regra da cadeia: a) f(x)=(x³+4x)7 b) f(x)=(x²-x+1)³ c) f(x)=sec(5x) d) y=cos(2x²-9) e) y=√(3x-1) 4) Certa empresa estima que o custo de produção de uma peça é dado por C(x)=3x²+5x +10. Se o preço de venda é R$ 45,00, qual é o lucro marginal para a produção de 10 peças? 5) Seja o custo de produção de um de- terminado bem modelado por C(x)= 0,01x³- 0,5x²+300x+100. Qual é o custo marginal para a produção de 10 unidades? 6) A função receita de uma determinada empresa é dada por R(x)=2x²+1000x. Qual é a receita marginal para a produção de 50 unidades? 7) Um hospital estimou que a sua recei- ta mensal seja dada por R(x)= -30x²+6.000x, sendo o custo dado por C(x)= 1.200x +8.000, sendo x a quantidade de pacientes atendidos. Qual é o lucro marginal no atendimento de 20 pacientes? 8) Uma indústria estima que, para certo produto a receita é modelada por R(x)= -50x² +2.000x e que o custo é C(x)= 300x + 6.000, sendo x a quantia vendida. Qual é o lucro mar- ginal na venda de 8 unidades? 9) Temos uma chapa quadrada com 6m de lado e queremos montar uma caixa, dobrando as bordas. Qual é o valor de x que promove o maior volume? 10) Quero fazer um jardim retangular usando minha casa como um dos lados. En- contre as dimensões do maior jardim possível que pode ser feito com 40m de cerca: 11) Uma loja quer construir um cercado retangular com 600m². Três lados serão de madeira com um custo de R$ 14,00 o metro. No quarto lado será usado concreto com R$ 28,00 de custo o metro. Quais são as dimensões que minimizam o custo? 41CÁLCULO I CÁLCULO INTEGRAL Calcular áreas, volumes e regressar à função primitiva são algumas das aplicações das integrais. Calcular áreas de curvas que não formam uma figura geométrica conhecida pela geometria plana intrigou os ma- temáticos durante muito tempo. Os gregos antigos já buscam soluções para este problema, trabalhando a partir de quadratu- ras, ou seja, efetuando comparações com quadrados. Distintos pensadores como Kepler, Fermat e Cavalieri, por exemplo, foram gradativamente agregando ideias e chegando ao que conhecemos hoje em dia por Cálculo Integral. O Cálculo integral é um dos eixos estruturantes do Cálculo, tendo uma vasta aplicabilidade em situações práticas. 42CÁLCULO I Integração: uma visão geral Podemos entender a integral como o processo inverso da derivada, ou seja, quando uma função for derivada e efetuar- mos a integral dela, estaremos retornando à função primitiva. A integral pode ser indefinida quando não conhecemos os limites de integração, ou definida quando conhecemos os limites. A seguir temos um resumo de algumas regras de integração. Desse modo, ao final dessa apostila, você encontrará uma tabela completa, que será utilizada, também na disciplina de Cál- culo II. Exemplos: 1) Integre a função ∫x³ dx= Perceba que a função se enquadra na segunda regra. Assim: Não se esqueça da constante! 2) Integre a função ∫3x4 dx= Novamente, a função se enquadra na segunda regra. A diferença para o exem- plo anterior é que temos uma constante multiplicando. Neste caso, primeiramente “tiramos” a constante da integral e apli- camos a regra. Assim: 3) Integre a função ∫(4x5+7)dx= Diante disto, podemos considerar que temos duas funções somadas. Neste caso, podemos fazer a integral, separada- mente, em cada uma das partes. Perceba que a primeira parte se en- quadrou na regra 2, enquanto a segunda parte na regra 1. Assim: Observando a tabela podemos identificar o símbolo ∫ , que significa integral indefinida. A integral definida será escrita como os limites ∫ de integração a e b definidos. Como a tabela anterior é uma tabela de integrais indefinidas, temos uma constante C, pois como veremos a seguir, ela gera uma família de funções. a b 43CÁLCULO I Integre a função ∫(5+3x²-7x³ )dx= Aqui, podemos considerar que te- mos duas funções somadas. Neste caso podemos fazer a integral separadamente em cada uma das partes. Assim: Perceba que a primeira parte se en- quadrou na regra 1, enquanto o restante na regra 2. Integre a função ∫√x dx= A primeira etapa consiste em trocar o radical para um expoente fracionário. Caso você não esteja lembrado, retome seu material de Cálculo Zero. A segunda etapa consiste em aplicar a regra indicada para o caso. Perceba que a função se enquadra na regra 2. É prática entregar a resposta no mesmo formato que ganhamos a pergunta. Logo, se na pergunta havia um radical, en- tão no final devemos retornar a expressão para um radical. 6) Integre a função Perceba que temos um x no deno- minador. Se você faz a inversão trazendo esta variável para o numerador, terá uma potência -1. Repare que na regra dois te- mos uma restrição: ela pode ser usada se p≠ -1. Assim, neste exemplo, aplicamos a regra 3. Obs. Não é possível o uso da regra 2, pois ela produziria uma divisão por zero. 7) Integre a função ∫4cos(x)dx= Primeiramente, devemos destacar a constante da integral. 4∫cos(x)dx= Agora, basta aplicar a regra segundo a tabela. Note que utilizaremos a regra 4. 4sen(x)+c 8) Integre a função Perceba que não existe regra que en- quadre a função apresentada. Dessa forma, precisamos “ajustá-la” de modo que seja possível, de alguma forma, a aplicação dos parâmetros da tabela. Seus conhecimentos de trigonometria serão indispensáveis para o sucesso nesta matéria! 44CÁLCULO I Passo 1: “Abrir” a função. A expres- são sen²(x) pode ser escrita como sen(x). sen(x). Já a expressão cos(x) pode ser es- crita como 1.cos(x). Assim: Passo 2: Fazer as trocar necessárias. Considere que Também considere que Substituindo na função temos: Passo 3: Utilizar a tabela. Perceba que a função agora se enquadra na regra 9. ∫cossec(x).cotg(x)dx=-cossec(x)+c Aplicações das integrais: A integral como anti-derivada Uma das aplicações do cálculo in- tegral é o fato de retornar para a função original (primitiva). Por exemplo, conhe- cemos a função que dá o custo marginal e queremos a função custo ou conhecemos a função que dá a variação do crescimen- to, além disso, queremos a função cres- cimento. Um dos detalhes importantes é encontrar a constante para que, desse modo, tenhamos a função exata. Para que isso seja possível, precisamos conhecer um par ordenado (x, y) da função original. Exemplos: 1) A função lucro marginal da pro- dução de um certo bem é dada por L’(x)= 18. Sabemos que o lucro da produção de 10 unidades é de R$ 130,00. Assim, encontre a função lucro: Perceba que como a função é f(x)=18x+c e não conhecemos, a princí- pio, a constante, como ela poderia assu- mir infinitos valores se ela é considerada uma família de funções? Para uma solução particular, precisamos considerar o par ordenado (10, 130) da função original para encontrar o valor de c. Assim, L(x) = 18x + c. 130 = 18. 10 + c C= 130 -180 C = - 50 L(x) = 18x – 50 Esta é a função lucro. 2) Um fabricante constatou que o custo marginal é Cm = 3q² - 60q +400 reais por unidade, sendo q a quantia de unidades produzidas. Sabemos que o custo de 2 unidades é R$ 900,00. Assim, o custo de 5 unidades será: Aplicando as regras de integração temos: Simplificando: Precisamos encontrar o valor da constante a partir do par ordenado (2, 900) da função original. 45CÁLCULO I 900=2³-30.2²+400.2+c c = 212 C=q³-30q²+400q+212 Esta é a fun- ção custo. Como o exercício quer saber o cus- to de 5 unidades, basta substituir o x da função custo por 5. C(5)=5³- 30.5²+400.5+212=R$ 1.587,00 Integrais definidas O símbolo é lido como “a integral definida de f de a até b”. Os números a e b são denominados limites de integração. Nos cálculos que envolvem as integrais definidas, é frequente e con- veniente usar o símbolo: para a diferença F(b) – F(a). Interpretação geométrica Vamos supor que desejamos conhe- cer a área da seguinte curva: Como a curva não forma uma figura geométrica definida pela geometria plana, durante muito tempo os matemáticos não tinham clareza de como fazer isso. Então, um dos primeiros processos que cumpriam este objetivo foi o método da soma de Riemann. Esse consiste em completar a figura como retângulos, calculando a área deles e, finalmente, somá-las. Observe o gráfico anterior e note que a utilização desse método não é simples e também não é preciso. Teorema fundamental do Cálculo Teorema Fundamental do Cálcu- lo: Se y=f(x) é uma função contínua no intervalo [a,b] e F’(x)= f(x) [isto é,F(x) é uma primitiva ou antiderivada f(x)], então Exemplos: 1) Integre a função a seguir: Passo 1: fazer a integral da função. f(x) a xj b Aj= f(xj) x 46CÁLCULO I Passo 2: substituir o valor de x pe- los limites de integração. Fazer o limite superior menos o limite inferior. 2) Integre a função a seguir: Passo 1: integrar as funções com as regras já vistas. Passo 2: substituir o valor de x pe- los limites de integração. Fazer o limite superior menos o limite o inferior. [2³-2²]-[1³-1²]= 8-4-(0)=4 Aplicações das integrais definidas: O cálculo de áreas Uma das aplicações mais utilizadas das integrais é o cálculo de áreas. Basta utilizar o teorema fundamental do Cálcu- lo considerando os limites de integração, como os extremos da função que se quer calcular. Exemplos: 1) Encontre a área da região taxada: Iremos iniciar com figuras conhe- cidas para que possamos verificar a vera- cidade do teorema. Pela geometria plana, poderíamos calcular multiplicando a base pela altura e encontraríamos 3x2=6 u.a. Muita atenção aos sinais negativos. Eles costumam causar alguns problemas! A 3 2 1 0 -1 0 1 2 3 4 5 6 D cb 47CÁLCULO I Agora, faremos por integrais defi- nidas. Vamos considerar que o polígono é limitado, de forma superior, pela função f(x)=2, tendo x=1 e x=4 como os limites de integração. Logo: Perceba que o resultado encontra- do foi o mesmo. 2) Seja f(x)=x+2 a função que limita superiormente, encontre a área taxada: Novamente, poderíamos utilizar o processo geométrico, calculando a área do triângulo ((3x3)/2)= 4,5 e a do retângulo (3x1)=3 e encontrando um total de 7,5 u.a. Ou pelo processo da integração: Área entre curvas Quando temos uma determinada área limitada por duas curvas utilizamos o seguinte teorema: considerando f(x) a função que limi- ta a curva superiormente e g(x) a função que limita inferiormente. Exemplos: 1) Calcule a área da região limita- da pelas curvas y=x² e y=4, destacada no gráfico seguinte. a 1 2 3 5 1-1-2 2 3 4 5 b c d 2-2 x x=4 y=x² 48CÁLCULO I Observado o gráfico, percebemos que ele é limitado superiormente pela reta f(x)= 4 e inferiormente pela parábola g(x)= x². Assim: 2) Determinar a área limitada pelas curvas y=5x−x² e y=2x. Analisar o gráfico é indispensável para identificarmos f(x) e g(x). Nesse caso, temos a parábola f(x) = 5x – x² limitando superiormente e g(x) = 2x inferiormente. Assim: 3) Encontre a área taxada no gráfico que segue, sendo a função f(x)=sen(x): Sempre que tivermos uma região localizada acima do eixo x e outra abaixo, precisamos encontrar uma área de cada vez e somar o módulo dos resultados. Isso ocorre, porque a área abaixo do eixo x será negativa. No caso desse exemplo, você en- contraria zero se calculasse em uma única vez, o que seria um erro grave. Área 1: Área 2: Observe que o sinal de menos indica apenas que a área está abaixo do eixo x. Assim, precisamos considerar o seu mó- dulo, ou seja, 2 unidades de área. Assim, a área total será = 2+2 =4 u.a. 3 5 x y y=5x-x² y=2x 3 22 x 1 -1 y 2 49CÁLCULO I Quando não conhecemos os limites de integração Em muitas situações não temos informações em relação aos limites de integração das áreas entre curvas. Nesse caso, consideramos que os limites da área serão os pontos em que as curvas se tocam. Assim, basta igualar uma função a outra e encontrar os valores de x, os quais for- necerão os limites de integração. Exemplo: Calcule a área limitada superior- mente por y=x+2 e inferiormente por y=x²: Como não conhecemos os limites de integração, vamos igualar uma função a outra. A ordem não interfere no resultado. Neste exemplo optamos por colocar na frente aquela de maior grau para facilitar a manipulação algébrica. x²=x+2 x²-x-2=0 x1=2 x2=-1 50EXERCÍCIOS - CALCULO I Vamos aos exercícios propostos 1) Resolva os problemas envolvendo integrais: a) A taxa de crescimento de uma certa população é dada por ha- bitantes. Sabemos que a população inicial era de 10.000 habitantes. Logo, a população em 8 meses será de: b) Um fabricante estima que o custo marginal na produção de um certo bem é dado por Cm= 3q² -24q +48 reais por unidade. O custo de produção de 10 unidades é de R$ 5.000,00. Logo, o custo para a produção de 30 unidades será: c) O lucro marginal para a venda de um produto é dado por L'= 100 - 2q reais por unidades, quando q unidades são produzidas. A produção de 10 unidades produz um lucro de R$ 700,00. Assim a função lucro será: 2) Integre as funções a seguir: 3) Encontre a área entre as curvas no intervalo entre 0 e 1: 4) Encontre a área limitada de cima por y=x+6, abaixo por y=x², tendo x=0 e x=2 como os limites: 5) Encontre a área englobada por y=x² e y=x+6. 6) Determine a área limitada por y=5x –x² e pelo eixo x, conforme ilustra a figura a seguir: p x y y=x³ y= x 0 5 y = 5x - x² 51CÁLCULO I Gabarito - Páginas 14 e 15 1 a) 0 b) -1 c) 7/6 d) -3/4 e) -2 f) 1/2 g) 0 h) 0 i) 4 j) 4 2) a) 20 b) infinito c) Tende a 4 d) 20.000 3) a) Não, pois f(x) não está indefinida em x=2. B )Não, pois a função está definida em x=2, mas o valor do limite difere de f(2). c) O valor da função em x = 2 é x(2) = 4, que é o mesmo que o limite naquele ponto. Portanto, f é contínua em x = 2. Página 28 1) a) R$ 40,00 b) Aprox. 2435,16 c) 10,8 d) -0,48 e) Aprox. -5,44 2) a) y= 2x – 1 b) y= -2x +7 c) y= 2x+4 d) y=x/2+2 e) y= 10x +2 3) a) y'= 13/((x+5)²) b) w'=(3t²+8t-8)/((3t+4)²) c) f ’(x)=9x8-40x7+1 d) f ’(x)=-0,06x²+0,3 e) g’(t)=-(1 )/t² - 2/t³ - 1/(2√(t³)) 4) a) (-1, 0 ) b) A (0,1), B(-2,-1/3) c) Não existem pontos. Página 50 1) 0,4 2) 1,5 a) f ' (x)=(x³+4x)² (21x²+28) b) f ' (x)=(x^2-x+1)² (6x-3) c) f ' (x)=5 tan(5x)sec(5x) d) y'= -4xsen(2x²+9) e) y'=3/(2√(3x-1)) 4) -20 5) 293 6) 1200 7) 3.600 8) 900 9) 1 10) r. 20 por 10 11) r. 20 por 30 52CÁLCULO I ANTON, Howard. Cálculo. Tradução de Claus Ivo Doering. 8.a ed. Porto Alegre: Bookman, 2007. RYAN, M. Cálculos para Leigos. 2.a ed. Rio de Janeiro, Alta Books, 2009. STEWART, Ian. Dezessete equações que mudaram o mundo. Tradução de George Schlesinger. Rio de Janeiro: Zahar, 2013. THOMAS, G.B. Cálculo Volume 1. Tradução de Kléber Pedroso e Regina Simille de Macedo. 12.a ed. São Paulo, Pearson Education do Brasil: 2012. REFERÊNCIAS Limites e Continuidade Limites Formas Indeterminadas Limites envolvendo infinitos Cálculo Diferencial Derivadas Derivada de uma Função Constante: Aplicações das derivadas Derivadas de ordem superior INTRODUÇÃO AO CÁLCULO DIFERENCIAL AVANÇADO Hora da Revisão Estudo da variação das funcões Tópicos em Economia Cálculo Integral Integração: uma visão geral Área entre curvas Referências
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