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1 MATEMÁTICA Unidade de Aprendizagem 5 Aritmética e Álgebra (Parte 1) Reconhecer os números no universo dos Reais, suas diferentes representações e as propriedades das operações aritméticas enquanto elementos fundamentais nas atividades pessoais e profissionais. Conhecimento das formas de representações de números reais, operações aritméticas e propriedades, bem como de sua utilização em situações abstratas ou contextualizadas. Utilizar adequadamente números decimais, frações, potências e raízes no tratamento numérico requerido nas atividades cotidianas, inclusive com o uso de calculadora. 2 Aritmética e Álgebra (Parte 1) Apresentação Aritmética é um ramo da Matemática que trata dos números e suas operações. É a base para o desenvolvimento de diversas áreas da Matemática. Na Álgebra, parte dos números é representada por outros símbolos, geralmente letras, e utiliza a aritmética no seu desenvolvimento. Nesta Unidade de Aprendizagem você vai estudar com detalhamento os números reais e as propriedades das operações que são realizadas com eles. O domínio desse conteúdo é extremamente importante uma vez que lhe permite desenvolver habilidades para lidar com valores numéricos em situações abstratas ou contextualizadas, avaliar criticamente resultados numéricos e usar adequadamente a tecnologia (calculadora e planilhas de cálculo, por exemplo). Todos os conceitos que discutiremos devem estar sempre em mente, pois serão utilizados também nos cálculos algébricos. Para começar Pense num número. Vou tentar adivinhar o número que você pensou exatamente. 3 Vamos lá! Hum... você pensou em um dos números abaixo! Figura 1: Pensando em um número Não? Errei? Pois é... Sem qualquer dica sobre o número que você pensou fica muito difícil adivinhar. Afinal, existem muitas possibilidades de escolha. E certamente, você não se restringiu aos números naturais de 1 a 9 (será?), já que você tem os infinitos números do universo dos Reais para pensar, não é mesmo? Figura 2: Pensando em números de um conjunto bem amplo 3π -23,7 5 19 √7 3 4,1212… ℝ 0,0000159 4 Fizemos essa brincadeira para chamar a sua atenção para o seguinte fato: em geral, quando falamos em números (no cotidiano), a referência é o universo dos reais, embora seja bem provável que as pessoas pensem primeiramente em números inteiros e positivos. Quando falamos em números reais incluímos os racionais e os irracionais, ou seja, fazem parte os naturais, os negativos, as frações, as raízes, as dízimas periódicas e também as não periódicas. Na UA 4 você pôde perceber que os números que você usa no seu dia a dia para contagem, cálculos, medidas e medições, são números reais. Os números naturais são frequentemente utilizados para contagem e ordenação. Os racionais, em geral, aparecem em medidas de tempo, capacidade, valores monetários, distâncias, alturas, áreas, volumes, pesos, temperatura, velocidade etc. E os irracionais? Na seção “Vamos Praticar” da UA 4 você viu que os irracionais também têm significativas aplicações. Com isso, torna-se necessário conhecer bem esse Universo. Vamos explorá-lo nesta Unidade de Aprendizagem, abordando vários aspectos, para que você saiba lidar adequadamente com os números nas suas atividades. Vamos nos aprofundar um pouco mais nas formas de representações dos reais e rever as propriedades das operações aritméticas (adição, subtração, multiplicação, divisão, potenciação, radiciação). Você tomará conhecimento de muitas ideias interessantes e importantes, que lhe serão úteis não somente nos próximos assuntos da disciplina de Matemática, mas também em várias outras desse curso. Fique atento! Ao longo desta aula citaremos o uso da calculadora para realizar operações aritméticas. Você poderá acessar a calculadora do seu computador ou alguma portátil que você já tenha. Existem vários tipos de calculadoras que são direcionadas para finalidades específicas. Distinguimos dois tipos úteis na nossa disciplina: a básica (em geral, realiza apenas operações fundamentais: soma, subtração, multiplicação, divisão, raiz quadrada e porcentagem) e a científica 5 (realiza as operações básicas e diversas outras funções matemáticas). As Figuras 3 e 4 ilustram esses dois tipos: Figura 3: calculadora básica do Windows Figura 4: calculadora científica do Windows Você tem as duas opções no seu computador. Para as operações de adição, subtração, multiplicação e divisão, as duas são adequadas. No entanto, para as demais operações, precisaremos da científica. Recomendamos que use a científica desde já. Vamos adiante! 6 Fundamentos 1. Representações dos números reais Na UA 4 você teve oportunidade de reconhecer formas de representação de números reais. Os números racionais podem ser escritos na forma fracionária ordinária (conhecida como fração) e também na forma fracionária decimal (conhecida como decimal). No cotidiano e nas atividades acadêmicas e profissionais, ora usamos uma forma, ora outra. A escolha depende da necessidade ou preferência. Ao realizar operações com uso da calculadora ou de planilhas de cálculo, normalmente, recorremos à forma decimal. Na forma de frações, cada número racional é escrito na forma 𝑎 𝑏 , com 𝑎 e 𝑏 inteiros, sendo 𝑏 ≠ 0. Na forma decimal, cada número racional apresenta uma parte inteira e uma parte não inteira, que são separadas por uma “ , ” (vírgula). A representação decimal de um racional é exata (parte não inteira finita) ou uma dízima periódica (parte não inteira infinita periódica). Por exemplo: 1,25 é um decimal exato, enquanto 1,3333... é uma dízima periódica. 7 ATENÇÃO O separador decimal pode ser um “ . ” (ponto) ou uma “ , ” (vírgula). O “ponto” é usado, por exemplo, nos Estados Unidos. No Brasil, formalmente, adotamos a “vírgula” (você usa essa representação para valores monetários, por exemplo) mas, na prática, usamos qualquer um dos dois recursos. No entanto, é preciso ter muito cuidado ao usar o “ponto” como separador, pois também o utilizamos com outras finalidades, como: para separar classes nos números (veremos mais adiante) e para a operação de multiplicação. Sugerimos a você que desenvolva o hábito de usar a “vírgula” como separador a fim de evitar confusões. Caso você utilize uma calculadora científica e ela esteja configurada para usar “ponto”, recomendamos que consulte o manual e faça a mudança da notação para “vírgula”. Para expressar um número racional é possível transitar pelas duas formas (fração e decimal), ou seja, converter uma fração para a forma decimal ou converter da forma decimal para forma de fração. ATENÇÃO Você pode consultar a referência (SILVA&SILVA&SILVA, 2010) para relembrar o processo de conversão de representações de números reais, mas saiba também que algumas calculadoras científicas possuem funções para realizar operações nas duas formas. Os irracionais não podem ser representados em forma de fração (de um inteiro dividido por outro inteiro). São expressos na forma decimal e são dízimas não periódicas. 8 Nessa Unidade, você vai recordar propriedades das operações básicas com os reais nas suas diferentes representações, além de receber orientações importantes para seu uso no cotidiano, inclusive com auxílio da calculadora. 2. Operações aritméticas e suas propriedades Iniciamos lhe dando a ideia de como são formados os números decimais. 2.1 Sistema de Numeração Decimal Os números que usamos habitualmente são escritos no Sistema de Numeração Decimal. Isso quer dizer que são representados por um agrupamento de símbolos, denominados algarismos ou dígitos, a partir de dez símbolos diferentes, quesão: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Por exemplo, o número 1534 é composto pelos dígitos 1, 5, 3 e 4. O valor de cada dígito depende da sua posição relativa no número. Vamos conversar mais sobre isso? Com relação à parte inteira do número (à esquerda da vírgula): verificamos que um número com apenas um dígito representa quantidades de zero a nove unidades. Ao passar de 9 unidades, a representação simbólica é feita por meio de um agrupamento de mais dígitos. Num número com dois dígitos, o primeiro símbolo (da esquerda para a direita) equivale à quantidade de “dez unidades” e o segundo à de uma unidade. “Dez unidades” equivalem a uma dezena. Assim, o número 10 tem dois dígitos e representa 1 dezena e 0 unidade. Da mesma forma, o número 27 tem dois dígitos e representa 2 dezenas e 7 unidades, ou ainda, 27 unidades. Nos números 9 de três dígitos, o primeiro (da esquerda para a direita) representa a quantidade de “10 dezenas” ou de centenas. Dessa forma, o número 100 corresponde a 1 centena, 0 dezena e 0 unidade. O número 358 corresponde a 3 centenas, 5 dezenas e 8 unidades, ou ainda, 358 unidades. O espaço ocupado por cada dígito é comumente chamado de casa. As unidades, as dezenas e as centenas são chamadas de ordens. Da direita para a esquerda, a cada três ordens, formamos uma classe, que são: das unidades, dos milhares, dos milhões, dos trilhões e assim por diante. ATENÇÃO Para facilitar a visualização das classes, podemos separá-las por "." (ponto) ou por “ ” (espaço). Dessa forma, o número: cinco milhões, duzentos e quatro mil, quinhentos e vinte e dois pode ser escrito como 5.204.522, ou ainda, 5 204 522. Atenção nesse momento! Ao registrar esse ou outro número numa calculadora, o “ponto” não deve ser digitado! O “ponto” da calculadora, se existir, não tem a função de separar classes. Outra informação: os países que usam o “ponto” como separador decimal adotam a “vírgula” para separar classes. Por exemplo: o número que, para nós, se escreve 1.000.123,45 fica escrito de modo “levemente” diferente para esses países, onde se escreve 1,000,123.45. Com relação à parte não inteira (à direita da vírgula): À direita da vírgula temos as casas conhecidas como decimais. Da esquerda para a direita, o dígito 1 na primeira casa indica a décima parte de uma unidade. Nessa casa indicamos a quantidade de décimos de unidade. O dígito 1 na segunda casa indica a centésima parte da unidade. Nessa casa indicamos a quantidade de centésimos de unidade. Sequencialmente, indicamos os milésimos, décimos de milésimos, os centésimos de milésimos, os milionésimos e assim por diante. Logo, no número 0,4 o dígito 4 indica o valor 10 de 4 décimos de unidade. No número 0,37 temos 37 centésimos de unidade, ou podemos dizer ainda, 3 décimos e 7 centésimos. DICA Números inteiros também podem ser escritos na forma decimal indicando a parte não inteira. Basta acrescentar zeros depois da “vírgula”. Por exemplo: 2 = 2,0 = 2,00 = 2,000 De uma maneira geral, a representação decimal e das respectivas casas que os dígitos ocupam, pode ser visualizada como se segue na Figura 5: Figura 5: Número real na forma decimal Parte Inteira Parte não inteira Trilhões Bilhões Milhões Milhares Unidades Unidades Milésimos Milionésimos C D U C D U C D U C D U C D U , d c m d c em que U = Unidade, D = Dezena, C = Centena, d = décimo, c = centésimo e m = milésimo. O número 4 375 935,357 pode ser lido como 4 milhões, trezentos e setenta e cinco mil, novecentos e trinta e cinco inteiros e trezentos e cinquenta e sete milésimos de unidade; ou ainda: 4 milhões, trezentos e setenta e cinco mil, novecentos e trinta e cinco inteiros, 3 décimos, 5 centésimos e 7 milésimos de unidade. DICA A fim de reduzir o número de palavras na leitura dos números, na prática, é comum citarmos a parte inteira, a vírgula, e depois a parte não inteira. Por exemplo: 13,4587 lemos: treze vírgula quatro cinco oito sete. 11 Existem outros sistemas de numeração. Os computadores e as máquinas digitais, por exemplo, trabalham internamente com o Sistema de Numeração Binário para representar os números, usando apenas dois dígitos: 0 e 1. No entanto, restringiremos nosso estudo ao sistema decimal. Agora podemos iniciar o estudo das operações aritméticas com os números reais. Nosso intuito é recordar e compreender a lógica das propriedades embutida em cada operação. 2.2 Operações aritméticas Certamente, nas situações que você precisar realizar operações aritméticas, você vai recorrer a uma calculadora ou a uma planilha de cálculo. E você pode estar questionando, nesse momento, o fato de estudá-las. Pois bem, apesar da tecnologia ajudar nos cálculos, e muito, ela isoladamente não vai lhe favorecer caso você não “informe” a ela, de forma correta, o que você deseja calcular, ou ainda, não faça uma leitura adequada dos resultados. Nesse sentido, é essencial que você conheça bem as propriedades das operações. Mesmo que você considere ter bom domínio de tudo isso, recomendamos que faça uma leitura desta Unidade e realize os exercícios disponíveis no Momento da Verdade. Começamos com uma dica: DICA Sobre a representação decimal de um número: • Na parte inteira: acrescentar zero à esquerda não altera o número. Exemplo: 2,35 = 02,35 = 002,35 • Na parte não inteira: acrescentar zero à direita não altera o número. Exemplo: 2,35 = 2,350 = 2,3500 12 2.2.1 Adição (o símbolo é +) e Subtração (o símbolo é –) Não vamos discutir o algoritmo das operações de adição e de subtração. Vamos destacar as suas propriedades e também os “sinais dos resultados”. Acompanhe as operações de adição e de subtração de números reais que seguem: 25,34 + 2,3 + 127,183= 25,340 ⇐ parcela + 2,300 ⇐ parcela 127,183 ⇐ parcela 154,823 ⇐ soma ou total 25,34 − 2,3 = _ 25,34 ⇐ minuendo 2,30 ⇐ subtraendo 23,04 ⇐ resto ou diferença 1 8 + 3 8 = 1 + 3 8 = 4 8 = 1 2 1 4 − 5 4 = 1 − 5 4 = −4 4 = −1 2 3 + 5 2 = 4 + 15 6 = 19 6 2 3 − 5 2 = 4 − 15 6 = −11 6 = − 11 6 Da lógica da adição podemos extrair algumas particularidades, as quais nós chamamos de propriedades. Para efeito de generalização, representaremos os números por letras, ou seja, as letras indicarão números reais quaisquer. ATENÇÃO Ao trabalhar com letras, você está lidando com os números que elas representam, mesmo que esses números não sejam conhecidos. 13 A Lei do Fechamento é válida para adição e subtração de reais: se somarmos ou subtrairmos dois números reais quaisquer teremos outro número real, ou seja: 𝑎 ∈ ℝ, 𝑏 ∈ ℝ ⇒ 𝑎 + 𝑏 ∈ ℝ e 𝑎 ∈ ℝ, 𝑏 ∈ ℝ ⇒ 𝑎 − 𝑏 ∈ ℝ. Exemplos: a) 4 + 5 = 9. Perceba que 4 é real, 5 é real e sua soma gera 9 que também é real. b) 4 − 5 = −1. Perceba que 4 é real, 5 é real e a subtração gera −1 que também é real. Para três números reais quaisquer, indicados por 𝑎, 𝑏 𝑒 𝑐, valem as seguintes propriedades da adição: 1) Comutativa: Na adição, a ordem das parcelas não altera o resultado, ou seja: 𝑎 + 𝑏 = 𝑏 + 𝑎 Exemplos: a) 3,1 + 5,3 = 5,3 + 3,1 = 8,4 b) 4,2 + (−3,2) = (−3,2) + 4,2 = 1,0 2) Associativa: Não existe prioridade na sequência em que três ou mais números aparecem na adição, estes podem ser somados aleatoriamente. 𝑎 + (𝑏 + 𝑐) = (𝑎 + 𝑏) + 𝑐 Exemplos: a) 3 + (5 + 2) = 3 + 7 = 10 e (3 + 5) + 2 = 8 + 2 = 10 b) 2,1 + (0,5 + 2,0) = 2,1 + 2,5 = 4,6 e (2,1 + 0,5) + 2,0 = 2,6 + 2,0 = 4,6 14 3) Elemento Neutro: Existe um único elemento que é neutro (o número zero), que somado a qualquer outro número 𝑎 resulta em 𝑎. 𝑎 + 0 = 0 + 𝑎 = 𝑎 Exemplo: 7 3 + 0 = 0 + 7 3 = 7 3 4) Elemento Oposto:Dado um real 𝑎, existe um único número real 𝑥 que somado a 𝑎 resulta em 0 (zero). 𝑥 + 𝑎 = 𝑎 + 𝑥 = 0 𝑥 é o elemento oposto de 𝑎 e é indicado por – 𝑎. Exemplo: (−6) + 6 = 6 + (−6) = 0. O oposto de 6 é −6. O oposto de −6 é 6. A operação de subtração 𝑎 − 𝑏 equivale à soma de 𝑎 com o oposto de 𝑏, ou seja, 𝑎 − 𝑏 = 𝑎 + (−𝑏). Queremos dizer que a subtração pode ser vista como adição! Desta forma, todas as propriedades descritas para a adição, também são válidas para a subtração. DICA Na representação de uma operação, o encontro de dois sinais deve ser separado por “( )” (parênteses). Veja o exemplo: É correto escrever 3 + (−5) = −2 e não é correto 3 + −5 = −2. As calculadoras científicas possuem as funções dos parênteses. Aproveite e observe estes símbolos na calculadora do seu computador, e ainda, teste a operação dessa dica. Cabe uma discussão sobre o sinal do resultado de operações de adição e subtração de números reais. Exemplos com valores monetários são bons para entender. Vamos lá! Suponha que você tinha uma economia de R$ 1 000,00. Você pagou uma prestação no valor de R$ 600,00 que foi abatido da sua economia, assim, você ficou com: 15 R$ 1 000,00 + (– R$ 600,00) = R$ 400,00 ( + com – resulta em “sinal do maior valor”). Surgiu uma despesa extra de R$ 500,00, então lhe faltam R$ 100,00: R$ 400,00 + (– R$ 500,00) = – R$ 100,00 (+ com – resulta em “sinal do maior valor”). Ao mesmo tempo, você precisa depositar numa conta corrente a quantia de R$ 200,00 para cobrir um valor que estava em débito automático. Então lhe faltam R$ 300,00: – R$ 100,00 + (– R$ 200,00) = – R$ 300,00 (– com – resulta em –). Um amigo paga R$ 650,00 que lhe devia, você paga sua contas e volta a ficar com o saldo positivo: – R$ 300,00 + R$ 650,00 = R$ 350,00. (– com + resulta em “sinal do maior valor”). Você desenvolve um trabalho extra, recebe e acrescenta ao valor economizado a quantia de R$ 400,00. Logo, você fica com: R$ 350,00 + R$ 400,00 = R$ 750,00 ( + com + resulta em +). Podemos resumir as regras de sinais da adição e da subtração conforme exposto na Figura 6: Figura 6: Regras de sinais – Adição e Subtração Regras de sinais: Adição (e Subtração) Exemplos 3 + 5 = 8 (-2) + (-4) = -6 8,2 + (-3,1) = 5,1 (-5) + 7 = 2 4,5 + (-7,2) = - 2,7 + + + - - - + - sinal do maior valor +- sinal do maior valor 16 2.2.2 Multiplicação (o símbolo é . ) e Divisão (o símbolo é ÷) PAPO TÉCNICO Adotaremos, para as operações de multiplicação e de divisão de números reais, os símbolos indicados no título dessa seção. Contudo, alertamos que existem outros símbolos com a mesma finalidade. Você pode encontrar em calculadoras ou outros textos: Para a multiplicação: * ou × Para a divisão: / ou : Acompanhe as operações de multiplicação e divisão nos exemplos a seguir. Observe que a “vírgula” é o separador decimal e o “ponto” é o símbolo da multiplicação. Exemplos: 12,4 . 5,7 = 12,4 ⇐ fator x 5,7 ⇐ fator 70,68 ⇐produto 12,4 ÷ 3,2 = dividendo ⇒ 12,4 3,2 ⇐ divisor resto ⇒ 0 3,875 ⇐ quociente 3 . 4 = 12 12 ÷ 4 = 3 4,5 . 7,0 = 31,5 24,8 ÷ 4 = 6,2 3,2 . (−4,75) = −15,2 3,2 ÷ (−4,75) = −0,674 (−21,02). 12 = −252,24 (−21,02) ÷ 0,5 = −42,04 17 (−3,25) . (−14,1) = 45,825 (−13) ÷ (−4,1) = 3,17 3 5 ∙ 4 7 = 3.4 5.7 = 12 35 3 7 ÷ 4 5 = 3 7 ∙ 5 4 = 3.5 7.4 = 15 28 2 3 ∙ ( −7 5 ) = 2. (−7) 3.5 = −14 15 = − 14 15 1 2 ÷ ( −2 3 ) = 1 2 . ( 3 −2 ) = 1.3 2. (−2) = 3 −4 = − 3 4 ( −3 2 ) ∙ ( 7 8 ) = (−3). 7 2.8 = −21 16 = − 21 16 (− 4 5 ) ÷ 3 = (− 4 5 ) ∙ ( 1 3 ) = − 4.1 5.3 = − 4 15 ( −6 3 ) ∙ ( −4 5 ) = (−6). (−4) 3.5 = 24 15 (− 2 9 ) ÷ (− 1 6 ) = (− 2 9 ) ∙ (− 6 1 ) = 2.6 9.1 = 12 9 = 4 3 A Lei do Fechamento é válida para a multiplicação e para a divisão de reais: se multiplicarmos dois números reais teremos outro número real, se dividirmos um real por um real diferente de zero, teremos um real. Ou seja: 𝑎 ∈ ℝ, 𝑏 ∈ ℝ ⇒ 𝑎. 𝑏 ∈ ℝ e 𝑎 ∈ ℝ, 𝑏 ∈ ℝ∗ ⇒ 𝑎 ÷ 𝑏 ∈ ℝ. Exemplos: a) 3.5 = 15 . Perceba que 3 é real, 5 é real e o produto deles que resulta em 15 também é real. b) 12,6 ÷ 3 = 4,2 . Perceba que 12,6 é real, 3 é real e o quociente deles que resulta em 4,2 também é real. Nosso intuito, agora, é destacar as propriedades da multiplicação. Para três números reais quaisquer, indicados por 𝑎, 𝑏 𝑒 𝑐, valem as seguintes propriedades: 1) Comutativa: Na multiplicação, a ordem dos fatores não altera o produto, ou seja, 𝑎. 𝑏 = 𝑏. 𝑎. 18 Exemplos: a) 3.5 = 5.3 = 15 b) 2,4. (−5,1) = (−5,1). 2,4 = −12,24 2) Associativa: Na multiplicação, não existe prioridade no produto de três ou mais números, estes podem ser multiplicados em ordem aleatória. 𝑎. (𝑏. 𝑐) = (𝑎. 𝑏). 𝑐 Exemplos: a) 3. (5.2) = 3.10 = 30 e (3.5). 2 = 15.2 = 30 b) 3 2 . ( 5 7 . 1 4 ) = 3 2 . 5 28 = 15 56 e ( 3 2 . 5 7 ) . 1 4 = 15 14 . 1 4 = 15 56 3) Elemento Neutro: existe um único elemento que é neutro (o número 1), que multiplicado por qualquer outro número 𝑎 resulta em 𝑎 . 𝑎. 1 = 1. 𝑎 = 𝑎 Exemplos: a) 7.1 = 1.7 = 7 b) (−2,3). 1 = 1. (−2,3) = −2,3 4) Elemento Inverso: para todo número real 𝑎 ≠ 0 , existe um único número 𝑥 que multiplicado por 𝑎 resulta no elemento neutro 1. 𝑥. 𝑎 = 𝑎. 𝑥 = 1 O número 𝑥 é dito o inverso de 𝑎 e é indicado por 1 𝑎 . Exemplos: a) 8. 1 8 = 1 8 . 8 = 1. Logo, 1 8 é o inverso de 8 e 8 é o inverso de 1 8 . b) 3 4 . 1 3 4 = 3 4 . 4 3 = 1. Logo, 3 4 é o inverso de 4 3 e 4 3 é o inverso de 3 4 . 19 5) Distributiva: um número multiplicado por uma soma pode ser visto como a soma dos produtos individualizados. Observe a igualdade: Exemplos: a) 3. (2 + 5) = 3.2 + 3.5 = 6 + 15 = 21 b) 2,4. (1 + 4) = 2,4 .1 + 2,4 . 4 = 2,4 + 9,6 = 12 Como 𝑏 − 𝑐 = 𝑏 + (−𝑐), a propriedade distributiva também é válida para a multiplicação pela diferença: PAPO TÉCNICO Ao lidar com “as letras” numa expressão, o “ponto” que indica a operação de multiplicação pode ser omitido. Assim: 𝑎. 𝑏 pode ser escrito como 𝑎𝑏 3. 𝑥 pode ser escrito como 3𝑥 −2. 𝑦 pode ser escrito como −2𝑦 (−3). 𝑘 pode ser escrito como −3𝑘 As igualdades da propriedade distributiva podem ser escritas como: a(b + c) = ab + ac e a(b − c) = ab − ac Vamos, agora, verificar algumas propriedades importantes que envolvem os números negativos na multiplicação. Para 𝑎 e 𝑏 números reais: 20 1) (−1). 𝑎 = −𝑎 Essa propriedade nos diz que multiplicar -1 por um número significa trocar o sinal do número (encontrar o oposto do número). Exemplos: a) (-1).5 = -5 b) (-1).(-7)=7 2) −(−𝑎) = 𝑎 Agora, trocar o sinal do número duas vezes equivale a deixar o número como está (o oposto do oposto é o próprio número). Exemplo: −(−4) = 4 Das propriedades anteriores decorrem as seguintes: 3) (−𝑎). 𝑏 = 𝑎. (−𝑏) = −(𝑎. 𝑏) A ideia dessa propriedade é: multiplicar por (− 𝑎) equivale multiplicar por (−1). 𝑎, ou seja, multiplicar por 𝑎 e trocar o sinal. Exemplos: a) (-2).3=-(2).(3)=-(2.3)=-6 b) 2.(-3)=2.(-1).3=(-1).2.3=(-1).6=-6 4) (−𝑎). (−𝑏) = 𝑎𝑏 Veja que: (−𝑎). (−𝑏) = (−1). 𝑎. (−𝑏) = (−1). (−(𝑎. 𝑏)) = 𝑎. 𝑏. Exemplo: (-3).(-4)=12 5) −(𝑎 + 𝑏) = −𝑎 − 𝑏 Exemplo: -(3+4)=-3-4=-7 6) −(𝑎 − 𝑏) = −𝑎 + 𝑏 Exemplo: - (2 - 4) = - 2 + 4 = 2 21 A divisão de dois números reais 𝑎 e 𝑏 pode ser representada na forma de fração: 𝑎 𝑏 com 𝑏 ≠ 0. A fração 𝑎 𝑏 equivale à multiplicação 𝑎. 1 𝑏 . A divisãode um número 𝑎 por outro 𝑏 ≠ 0 equivale à multiplicação de 𝑎 pelo inverso de 𝑏. Queremos dizer que, divisão de reais pode ser vista como multiplicação de reais. E por isso, as propriedades descritas para a multiplicação, também são válidas para a divisão (sempre que o divisor for diferente de zero). Dessas propriedades decorrem as regras de sinais da multiplicação e da divisão: multiplicação ou divisão de números com sinais iguais resulta em número positivo; multiplicação ou divisão de números com sinais diferentes resulta em número negativo. Confira tudo isso na Figura 7: Figura 7: regras de sinais – multiplicação e divisão Regras de sinais: Multiplicação e Divisão e e e e Vejamos agora duas propriedades válidas para a divisão de números reais (lembrando que divisão pode ser escrita sob a forma de fração), que decorrem das regras de sinais. Para 𝑎 e 𝑏 números reais e 𝑏 ≠ 0: 1) 𝑎 −𝑏 = −𝑎 𝑏 = − 𝑎 𝑏 2) −𝑎 −𝑏 = 𝑎 𝑏 + + + + + + - - + - - + + - - + - - - + - - + - 22 Exemplos: a) 1 −2 = −1 2 = − 1 2 b) −1 −2 = 1 2 Antes de prosseguir com novas operações, vá ao Momento da Verdade e resolva os exercícios pertinentes ao conteúdo visto até aqui. Em seguida, retome com a Potenciação. 2.2.3 Potenciação Em muitas situações, temos a necessidade de calcular o produto de termos repetidos. Por exemplo, para calcular o volume de uma caixa cúbica de aresta de medida 5 m (5 metros). Figura 8: Cubo Neste caso, o volume V é dado pelo produto das medidas da largura, da profundidade e da altura, ou seja: 𝑉 = 5.5.5 = 125. Logo, o volume é de 125 m3 (125 metros cúbicos). No cálculo 5.5.5 = 125, multiplicamos o 5 três vezes. Agora, se numa determinada situação tivermos uma operação envolvendo 20 ou 30 vezes o mesmo número, imagine a extensão dessa representação! Este fato é comum, por exemplo, quando lidamos com operações financeiras, e queremos calcular os juros (compostos) acumulados num determinado período de tempo. A fim de simplificar a representação destas multiplicações, usamos a forma 23 exponencial. No exemplo dado, representamos: 5.5.5 = 53 Assim, o (3) acima do 5 indica a quantidade de vezes que o número 5 aparece no produto. Generalizando, para qualquer 𝑎 ∈ ℝ e 𝑛 ∈ ℕ∗, o produto de 𝑛 números iguais pode ser representado na forma de potência 𝑎𝑛, onde 𝑎 é a base e 𝑛 é o expoente . 𝑎𝑛 Em que 𝑎𝑛 = 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎 …𝑎⏟ 𝑛 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 Podemos ler assim: 𝑎 elevado a 𝑛. PAPO TÉCNICO A potência a2 tem a seguinte leitura: a ao quadrado. A potência a3 tem a seguinte leitura: a ao cubo. Exemplos: a) 5.5.5.5.5.5.5.5 = 58 b) ( 1 4 ) 3 = 1 4 . 1 4 . 1 4 = 1.1.1 4.4.4 = 1 64 Base Expoente Potência 24 PAPO TÉCNICO Perceba que (−7)2 = 49, mas −72 = −49. O primeiro cálculo equivale a (−7)2 = (−7). (−7) = 49 enquanto o segundo cálculo pode ser entendido com a seguinte sequência: −72 = −(7.7) = −49 , ou ainda, você pode pensar −72 = −1. 72 = −1.49 = −49. O uso adequado dos parênteses aqui é fundamental para diferenciar as duas situações. Você pode calcular potências na calculadora. Dependendo da calculadora, você tem representações diferentes que indicam potenciação: 1. 2. No caso da calculadora do seu computador, você utilizará a primeira. Por exemplo: para calcular 23 você deve registrar a sequência: 2 𝑥𝑦 3 = Em geral, para a segunda função você deve registrar a seguinte sequência na calculadora: 2 ^ 3 = Se a base é negativa, você deverá utilizar os parênteses. Consulte o manual da sua calculadora para usar adequadamente essas funções. Vamos agora aprender algumas propriedades das potências. 1) Produto de potências de mesma base: Observe o exemplo. 𝒙𝒚 ^ ^ 25 Para todo 𝑎 real: 𝑎2. 𝑎3 = (𝑎. 𝑎). (𝑎. 𝑎. 𝑎) = 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎 = 𝑎5 Perceba que o expoente 5 é igual à soma dos expoentes 2 e 3, ou seja, 5 = 2 + 3. Generalizando, no produto de duas potências de mesma base, basta conservar a base e somar os expoentes, veja: 𝑎𝑚. 𝑎𝑛 = 𝑎𝑚+𝑛 2) Divisão de potências de mesma base: Observe o exemplo. Para todo 𝑎 ∈ ℝ∗: 3 4 7 47 1 .. . 1 . 1 . 1 .... ... ...... a aaaaaa a a a a a a a a aaaa aaaaaaa a a aa ===== Neste caso, perceba que o expoente 3 é igual à subtração dos expoentes 7 e 4 (7 − 4 = 3). Generalizando, na divisão potências de mesma base (base diferente de zero) com expoentes inteiros positivos, basta conservar a base e subtrair os expoentes, veja: 𝑎𝑚 ÷ 𝑎𝑛 = 𝑎𝑚−𝑛 Vamos dar um pouco de atenção a esta propriedade e extrair alguns conceitos importantes dela. Observe que, se na expressão acima tivermos 𝑚 < 𝑛, a potência terá expoente negativo (𝑚 − 𝑛 < 0). Exemplo: Para todo 𝑎 ∈ ℝ∗: 253 5 3 53 −− === aa a a aa Por outro lado, temos: 25 3 53 1 . 11 . 1 ... .... .. aaaaaa a a a a a aaaaa aaa a a aa ===== Assim, para que a propriedade seja válida quando 𝑚 < 𝑛, adotamos a convenção: 2 2 1 −= a a . Vamos generalizar a igualdade do exemplo anterior como: n n a a −= 1 , para 26 𝑎 ∈ ℝ∗ e 𝑛 ∈ ℤ∗. Isso quer dizer que, em posse de um expoente negativo, consideramos essa potência como divisor com mesma base e expoente positivo. Isso nos remete à ideia de inverso de um número, ou seja, o inverso do número 𝑎𝑛 é na 1 , que também pode ser escrito na mesma base com expoente negativo na− . Por exemplo: o inverso de 32 é 3−2 e podemos escrever: 3−2 = 1 32 = 1 9 . Ainda sobre essa propriedade, podemos ter m = n, assim, a potência terá expoente zero (m− n = 0). Exemplo: Para todo 𝑎 ∈ ℝ∗: 033 3 3 33 aa a a aa === − Por outro lado, temos: 1 .. .. 3 3 33 = == aaa aaa a a aa Assim, para que a propriedade seja válida quando m = n, adotamos a convenção: 1 0 =a , para todo a ∈ ℝ∗. PAPO TÉCNICO O termo 00 é uma expressão sem significado matemático ou prático. É considerado uma forma indeterminada. 3) Potência de potência: Observe o exemplo. Para todo 𝑎 ∈ ℝ: (𝑎2)4 = 𝑎2. 𝑎2. 𝑎2. 𝑎2 = (𝑎. 𝑎). (𝑎. 𝑎). (𝑎. 𝑎). (𝑎. 𝑎) = 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎. 𝑎 = 𝑎8 Note que (𝑎2)4 é a multiplicação de 𝑎2 quatro vezes, logo, aplicando a propriedade da multiplicação, teremos: (𝑎2)4 = 𝑎2. 𝑎2. 𝑎2. 𝑎2 = 𝑎2+2+2+2 = 𝑎4.2 = 𝑎8 27 Perceba que estamos somando o expoente 2 quatro vezes, ou seja, é produto. Generalizando, para calcular uma potência de outra potência, basta manter a base e multiplicar os expoentes, ou seja: (𝑎𝑚)𝑛 = 𝑎𝑚.𝑛 Por exemplo: (23)4 = 23.4 = 212 = 4096 4) Potência em que a base é produto de fatores diferentes: Observe o exemplo. Para 𝑎 𝑒 𝑏 ∈ ℝ: (𝑎. 𝑏)3 = (𝑎. 𝑏). (𝑎. 𝑏). (𝑎. 𝑏) = 𝑎. 𝑏. 𝑎. 𝑏. 𝑎. 𝑏 = 𝑎3. 𝑏3 Generalizando, se tivermos um produto de dois (ou mais) números diferentes que esteja elevado a um expoente, podemos considerar cada número sendo elevado à potência dada: (𝑎. 𝑏)𝑛 = 𝑎𝑛. 𝑏𝑛 Exemplo: (2.3)2 = 22. 32 = 4.9 = 36 O resultado seria o mesmo se efetuássemos o produto primeiro, veja: (2.3)2 = 62 = 36 ATENÇÃO Não é verdade que (a + b)n = an + bn e (a − b)n = an − bn. Basta prestar atenção nos exemplos: (4 + 3)2 ≠ 42 + 32 e (4 − 3)2 ≠ 42 − 32 . Portanto, de modo geral: (a + b)n ≠ an + bn e (a − b)n ≠ an − bn. 2.2.4 Radiciação (o símbolo é √ ) A radiciação pode ser vista como a operação pela qual extraímos raízes de números. Vamos entender melhor essa ideia recorrendo ao cotidiano do prof. 28 Chico. Você já sabe que o prof. Chico tem como hobbie cuidar de seu pomar. Agora, ele pretende cercar umaárea de 9 m2 (9 metros quadrados) de seu quintal para construir uma horta. A região a ser cercada deve ter a forma de um quadrado. A pergunta é: quantos metros de cerca serão utilizados na horta? Figura 9: quadrado Vejamos: para obter a resposta basta multiplicar a medida do comprimento do lado por 4, certo? Agora, resta descobrir a medida do lado. Pois bem, a área 𝐴 de um quadrado de lado 𝑙 é calculada pela fórmula: 𝐴 = 𝑙2. Para determinar o valor do comprimento do lado, é preciso encontrar um número positivo 𝑙 de forma que 𝑙2 = 9. Assim: 𝑙2 = 9 ⇒ 𝑙 . 𝑙 = 9 ⇒ 𝑙 = 3 (3 é o número positivo que, multiplicado por ele mesmo, resulta em 9). Portanto, sabendo que a medida do lado é 3m, o prof. Chico sabe também que utilizará 12m de cerca em sua horta. Agora vamos formalizar essas ideias: Dizemos que 3 é a raiz quadrada (quadrada por causa do expoente 2) de 9 e pode ser representada por √9. Logo: √9 = 3. PAPO TÉCNICO O símbolo √ da operação de radiciação é chamado radical. 29 Generalizando: a raiz quadrada de um número não negativo 𝑎 é o número não negativo 𝑏 tal que 𝑏2 = 𝑎. Escrevemos 𝑏 = √𝑎. Logo: a) √25 = 5 pois 52 = 25 (5 é positivo). b) √100 = 10 pois 102 = 100 (10 é positivo). ATENÇÃO Você sabe que (−5)2 = 25, contudo, não se deve escrever √25 = ±5. A raiz quadrada de um número é definida como um número maior ou igual a zero. Nunca resulta num número negativo. Perceba, ainda, que √0 = 0. Podemos usar esse raciocínio para outros expoentes da potência. Perceba que a radiciação é a operação inversa da potenciação. Se a potência é o resultado do produto de números iguais, indicado por uma base elevada a um expoente, na radiciação buscamos a base (considerando o expoente da potência) que foi multiplicada para se obter uma determinada potência, ou seja, buscamos a raiz da potência. Identificamos os seguintes elementos da raiz: √𝑎 𝑛 Assim, para 𝑛 ∈ ℕ∗, podemos generalizar e definir a raiz de ordem 𝒏 (ou raiz 𝑛-ésima, que se lê raiz enésima) de um número 𝑎 como o número 𝑏 de forma que 𝑏𝑛 = 𝑎. Escrevemos 𝑏 = √𝑎 𝑛 . Índice Radicando Radical 30 Se o índice 𝑛 for um número par, então 𝑎 e 𝑏 são números não negativos. PAPO TÉCNICO Quando o índice é 2, não existe a necessidade da sua indicação no radical. Assim, radical sem índice explícito significa raiz quadrada. As denominações dadas às raízes são: √a → raiz quadrada de a √a 3 →raiz cúbica de a √a 4 → raiz quarta de a E na sequência serão a raiz quinta, raiz sexta, raiz sétima etc. Logo: a) √27 3 = 3 pois 33 = 27. b) √1024 10 = 2 pois 210 = 1024. c) √−8 3 = −2 pois (−2)3 = −8. d) √0,0625 4 = 0,5 pois (0,5)4 = 0,0625. e) √− 8 27 3 = − 2 3 pois (− 2 3 ) 3 = − 8 27 . ATENÇÃO √−16 4 não está definida pois o índice é par e −16 < 0. Perceba que não existe número real positivo b tal que b4 = −16. E essa ideia vale para qualquer raiz de índice par de número negativo. Não realizaremos o algoritmo para o cálculo de raízes. A calculadora faz isso por nós. Dependendo da calculadora, você tem disponível uma das funções: 1. √𝒙 𝒚 31 2. No caso da calculadora do seu computador, você utilizará a primeira. Por exemplo: para calcular √8 3 você deve registrar a sequência: 8 √𝑥 𝑦 3 = Para a segunda função você deve registrar a sequência: 3 shift √ 𝑥 8 = De qualquer forma, consulte o manual da sua calculadora para utilizá-la adequadamente. Agora, vamos verificar as propriedades das raízes. Como a radiciação é a operação inversa da potenciação, as propriedades das raízes são similares às das potências. Não nos prenderemos às suas demonstrações, apenas enfatizaremos as igualdades válidas. Todas poderão ser facilmente verificadas mais adiante, quando trataremos da equivalência entre raízes e potências com expoentes fracionários. Para 𝑎 e 𝑏 números reais e 𝑚 e 𝑛 inteiros positivos, valem: 1) Raiz do produto ou produto de raízes de mesmo índice: a raiz do produto é igual ao produto das raízes: √𝑎. 𝑏 𝑛 = √𝑎 𝑛 . √𝑏 𝑛 Por exemplo: √4𝑥 3 = √4 3 . √𝑥 3 , para 𝑥 ≥ 0. 2) Raiz do quociente ou quociente de raízes de mesmo índice: a raiz do quociente é o quociente da raízes (para denominador diferente de zero): √ 𝑎 𝑏 𝑛 = √𝑎 𝑛 √𝑏 𝑛 √ 𝑥 32 Por exemplo: √ 9 16 = √9 √16 = 3 4 3) Raiz de raiz: neste caso, multiplicamos os índices das raízes, como segue: √ √𝑎 𝑚𝑛 = √𝑎 𝑛.𝑚 . Por exemplo: √√2 43 = √2 3.4 = √2 12 4) Raiz de potência (com índice e expoentes iguais): Se 𝑛 é ímpar: √𝑎𝑛 𝑛 = 𝑎. Por exemplo: √97 7 = 9 Se 𝑛 é par: √𝑎𝑛 𝑛 = 𝑎 se 𝑎 ≥ 0 e √𝑎𝑛 𝑛 = −𝑎 se 𝑎 < 0 Por exemplo: √74 4 = 7 e √(−7)4 4 = −(−7) = 7 ATENÇÃO Cuidado com expressões do tipo: √a + b n e √a − b n . Observe que: √a + b n ≠ √a n + √b n e √a − b n ≠ √a n − √b n Veja, por exemplo, que: √9 + √16 = 3 + 4 = 7. Por outro lado, √9 + 16 = √25 = 5 e, portanto, as respostas são diferentes, ou seja, √9 + 16 ≠ √9 + √16. Viu bem a diferença? 2.2.5 Raízes como potências com expoentes racionais Muito bem! Além do uso do radical para expressar uma raiz, podemos expressá-la na forma de potência com expoente fracionário. Pois é, já vimos como definir potências com expoentes inteiros, agora vamos definir potências com expoentes racionais, e essa representação está diretamente ligada às raízes. Além do que, a representação de raízes por meio de potências simplifica de 33 maneira significativa as operações que fazemos com as raízes. Para entender essa equivalência entre raízes e potências com expoente fracionário, considere um número real 𝑎 e um expoente 1 2 . Para fazer sentido (ser válida) a potência 𝑎 1 2 é necessário que ela atenda às propriedades das potências. Em particular, com relação à propriedade de potência de potência, temos o seguinte: (𝑎𝑛) 1 2 = 𝑎𝑛. 1 2 = 𝑎 𝑛 2. Se 𝑛 = 2, temos (𝑎2) 1 2 = 𝑎2. 1 2 = 𝑎1 = 𝑎. Ou seja, ao elevarmos 𝑎2 a 1 2 , obtivemos o próprio valor 𝑎. Este fato coincide com a propriedade de raiz de potência de um número real 𝑎 ≥ 0, para 𝑛 = 2: √𝑎2 = 𝑎. Portanto, é razoável estabelecer, para 𝑎 ≥ 0, a igualdade: 𝑎 1 2 = √𝑎. Generalizando todo esse raciocínio para a raiz enésima, definimos que: 𝑎 1 𝑛 = √𝑎 𝑛 , tendo 𝑎 ≥ 0 quando 𝑛 é par. Veja os exemplos: a) 5 1 2⁄ = √5 b) 5 1 7⁄ = √5 7 Vamos voltar agora às propriedades das raízes, evidenciando a equivalência delas com as propriedades de potências com expoente fracionário. Para isso, consideraremos 𝑎 e 𝑏 números reais, 𝑚 e 𝑛 inteiros maiores que 1, radicandos não negativos sempre que 𝑛 for par, e denominadores diferentes de zero. Raízes Potências √𝑎. 𝑏 𝑛 = √𝑎 𝑛 . √𝑏 𝑛 (𝑎. 𝑏) 1 𝑛 = 𝑎 1 𝑛. 𝑏 1 𝑛 34 √ 𝑎 𝑏 𝑛 = √𝑎 𝑛 √𝑏 𝑛 ( 𝑎 𝑏 ) 1 𝑛 = 𝑎 1 𝑛 𝑏 1 𝑛 √ √𝑎 𝑚𝑛 = √𝑎 𝑛.𝑚 (𝑎 1 𝑚) 1 𝑛 = 𝑎 1 𝑚 . 1 𝑛 = 𝑎 1 𝑚.𝑛 Agora, generalizando um pouco mais, podemos definir a potência com expoente racional: 𝑎 𝑚 𝑛 = (𝑎𝑚) 1 𝑛 = √𝑎𝑚 𝑛 = (√𝑎 𝑛 ) 𝑚 , supondo que 𝑎 ≥ 0 quando 𝑛 é par. Observe os valores: 𝑎 𝑚 𝑛⁄ = √𝑎𝑚 𝑛 Acompanhe melhor essa ideia pelos exemplos de transformações de raízes em potências fracionárias a seguir: a) √35 4 = 3 5 4⁄ b) √62 4 = 6 2 4⁄ = 6 1 2⁄ = √6 c) √729 3 = √36 3 = 3 6 3⁄ = 32 = 9 Esta definição permite realizar cálculos com raízes de índices diferentes. Veja os exemplos: a) √5. √5 3 Como os índices são diferentes, a melhor saída é transformar a expressãoem potência fracionária e aplicar a regra do produto de potências, veja: √5 = √51 2 = 5 1 2⁄ denominador do expoente da potência numerador do expoente da potência 35 √5 3 = √51 3 = 5 1 3⁄ Reescrevendo as raízes na forma de potência fracionária, teremos: 5 1 2⁄ . 5 1 3⁄ = 5 1 2 + 1 3 = 5 3+2 6 = 5 5 6⁄ Perceba que, aplicada a regra do produto de potência, conservando-se a base e somando-se os expoentes, devemos em seguida efetuar a soma das frações no expoente. Obtida a potência com expoente fracionário, basta agora escrevê-la usando o radical, lembrando que o numerador é o expoente do radicando e o denominador é o índice do radical: 5 5 6⁄ = √55 6 b) Na divisão seguimos a mesma lógica, só que utilizamos a regra da divisão de potência, veja o exemplo: √5 ÷ √5 3 = √5 √5 3 = 5 1 2⁄ 5 1 3⁄ = 5 1 2⁄ . 5− 1 3⁄ = 5 1 2 − 1 3 = 5 3−2 6 = 5 1 6⁄ = √51 6 = √5 6 c) Um exemplo de raiz de raiz: √√5 43 = (5 1 4⁄ ) 1 3⁄ = 5 1 3 . 1 4 = 5 1.1 3.4 = 5 1 12⁄ = √5 12 Ao realizar operações numa calculadora, você pode precisar incluir parênteses para envolver frações, números negativos, raízes, potências. A inclusão adequada de parênteses para evidenciar operações não altera o resultado. Resumindo a discussão sobre potências e raízes, temos as seguintes definições: CONCEITO 36 Dado um número real a e um número inteiro n, a potência de base a e expoente n é definida por: an = a. a. a. a . . . a⏟ n fatores se n inteiro, n > 1. a0 = 1 a1 = a a−n = 1 an com a ≠ 0. Dado um número inteiro positivo n, a raiz n-ésima de um número real b (indicada por √b n ) é o número real a tal que an = b. Se o índice n for um número par, então a e b são números não negativos. Dados um número real a e inteiros m qualquer e n > 0, a potência de base a e expoente racional m n é definida por: a m n = √am n = (√a n ) m , supondo que a ≥ 0 quando n é par. Podemos estender a definição de potência de base 𝑎 e expoente 𝑛 , para valores reais de 𝑛, como você vai perceber quando estudar as funções exponenciais. Por enquanto, nos limitaremos ao exposto. Agora resolva alguns exercícios do Momento da Verdade envolvendo Potenciação e Radiciação. A Unidade ainda não terminou, temos alguns assuntos importantíssimos para discutir sobre os números reais. Retome a seção seguinte ao concluir os exercícios, combinado? 2.2.6 Operações com o zero 37 O zero é um número intrigante e as operações que o envolvem voltam a incomodar vários estudantes, continuamente. Reunimos na Figura 10 as operações aritméticas com zero para que você tenha uma visão global de todas elas: Figura 10: Operações aritméticas com o zero Operações aritméticas com o zero 𝟎 + 𝒂 = 𝒂 + 𝟎 = 𝒂, 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹 𝟎 + 𝟎 = 𝟎 𝟎 − 𝒂 = −𝒂 + 𝟎 = −𝒂, 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹 𝟎 − 𝟎 = 𝟎 𝒂. 𝟎 = 𝟎. 𝒂 = 𝟎, 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹 𝟎. 𝟎 = 𝟎 𝟎 𝒂 = 𝟎 , 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹∗ 𝒂 𝟎 𝒏ã𝒐 𝒆𝒙𝒊𝒔𝒕𝒆 , 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹∗ 𝟎 𝟎 é 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂 𝒊𝒏𝒅𝒆𝒕𝒆𝒓𝒎𝒊𝒏𝒂𝒅𝒂 𝟎𝒂 = 𝟎, 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹∗ 𝒂𝟎 = 𝟏, 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝑹∗ 𝟎𝟎 é 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂 𝒊𝒏𝒅𝒆𝒕𝒆𝒓𝒎𝒊𝒏𝒂𝒅𝒂 √𝟎 𝒂 = 𝟎, 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒕𝒐𝒅𝒐 𝒂 ∈ 𝒁, 𝒂 > 𝟏 38 3. Expressões numéricas Começamos com uma pergunta. Qual o resultado de: 5 + 2 . 3 ? Realize essa “conta” nas calculadoras básica e científica do seu computador, inserindo números e operações na ordem em que aparecem, e observe os resultados: Calculadora básica: 5 + 2 . 3 = 21 Calculadora científica: 5 + 2 . 3 = 11 E agora, qual resultado está correto? Vamos conferir? 5 + 2 . 3 = 5 + (3 + 3) = 5 + 3 + 3 = 11. Portanto, o resultado correto é o apresentado pela calculadora científica. Sim, as duas calculadoras estão funcionando bem. A questão está relacionada com o algoritmo de cada calculadora e a forma da entrada dos dados: Calculadora básica: o algoritmo realiza as operações conforme a sequência de entrada. No exemplo, calculou primeiro a adição e depois a multiplicação. Calculadora científica: o algoritmo “espera” os dados entrarem para executar as operações. No exemplo, calculou primeiro a multiplicação e depois a adição. Desse exemplo é possível perceber que a tecnologia em si não é suficiente para resolver questões matemáticas, é preciso conhecer a teoria para poder fazer uso adequado dela. Com base nas operações e propriedades das operações aritméticas, estabelecemos alguns símbolos e prioridades para escrever e resolver 39 expressões numéricas. Entenda expressão numérica como uma sequência de operações matemáticas envolvendo números reais. Quanto aos símbolos (também conhecidos como sinais de associação) e às operações, devemos resolvê-las de acordo com a ordem em que aparecem na Figura 11: Figura 11: Hierarquia de resolução em expressões algébricas – sinais e operações aritméticas Veja o exemplo: 3 + {42 + 2. [11 − (12 ÷ 3 + 5)]} = 3 + {16 + 2. [11 − (4 + 5)]} = 3 + {16 + 2. [11 − 9]} = 3 + {16 + 2.2} = 3 + {16 + 4} = 3 + 20 = 23 DICA Na calculadora, você pode usar pares de parênteses para representar também os 40 colchetes e as chaves. 4. Números aproximados e Erros Vamos calcular a área de um círculo de raio 100 m (100 metros). Figura 12: Círculo A área 𝐴 de um círculo de raio 𝑟 é calculada pela fórmula: 𝐴 = 𝜋𝑟2. Como 𝑟 = 100, vejamos como fica o cálculo da área: Para 𝜋 = 3,14 temos 𝐴 = 3,14 . 1002 = 31400 (𝑚2) Para 𝜋 = 3,1416 temos 𝐴 = 3,1416 . 1002 = 31416 (𝑚2) Para 𝜋 = 3,14159 temos 𝐴 = 3,14 . 1002 = 31415,9 (𝑚2) Para 𝜋 = 3,141592654 temos 𝐴 = 3,14 . 1002 = 31415,92654 (𝑚2) Apresentamos 4 respostas diferentes. E agora, qual é a correta? Perceba que a variedade de respostas decorre do fato de o número irracional 𝜋 não poder ser representado com suas infinitas casas decimais. Precisamos reduzir o número de casas decimais para utilizá-lo em alguma operação. Assim, fizemos aproximações de 𝜋 para um número finito de casas decimais. Desta forma, a área também será aproximada, nunca será exata. Quanto maior o número de dígitos na aproximação de 𝜋, melhor será a precisão obtida para a área do círculo. E, portanto, a última resposta é a mais precisa, está mais próxima do seu valor “certo”. De uma forma geral, na prática, usamos apenas números racionais. Nos 41 problemas, muitas vezes, usamos números aproximados, até porque nem sempre é possível determinar o valor exato do número. E essas aproximações geram erros. “Erro”, aqui, não significa o mesmo que “incorreto”, mas tem sentido de diferença entre o valor exato e valor aproximado de um número. Podemos ter erro de arredondamento ou de truncamento. Bem, mencionamos vários conceitos, agora vamos defini-los melhor: Número exato ou valor exato: é um número sobre o qual não existe incerteza. Número aproximado: é um número que é a aproximação de um valor exato, sendo que a sua diferença para este valor é considerada bem pequena. Arredondamento: consiste em utilizar um número aproximado do número dado, construindo esta aproximação de acordo com um critério. Critério de Arredondamento: existe mais de um critério/regra para arredondar números decimais. O que apresentamos e utilizaremos é o mais frequente nas atividades acadêmicas: 1º caso – Na parte não inteira do número: Tendo determinado o número de casas decimais que se deseja para o número aproximado: • Se o valor do dígito seguinte ao último dígito for maior ou igual a 5, soma- se uma unidade ao último e despreza-se os dígitos seguintes. Exemplos: Número exato: 23,5692 Número aproximado (arredondamento na segunda casa decimal):23,57 Número exato: 54,231502 42 Número aproximado (arredondamento na terceira casa decimal): 54,232 • Se o valor do dígito seguinte ao último for menor que 5, os dígitos até esse último permanecem e os demais são desprezados. Exemplo: Número exato: 76,34211 Número aproximado (arredondamento na segunda casa decimal): 76,34 2º caso – Para a parte inteira do número: Tendo determinado a casa que se deseja arredondar para obter o número aproximado: • Se o valor do dígito seguinte ao último dígito desejado for maior ou igual a 5, somar uma unidade ao último e completar as demais casas da parte inteira com zero. Exemplos: Número exato: 23 456 784 Número aproximado (arredondamento na centena mais próxima): 23 456 800 Número exato: 65 238 512 Número aproximado (arredondamento na unidade de milhar mais próxima): 65 239 000 • Se o valor do dígito seguinte ao último dígito desejado for menor que 5, manter os dígitos até o último e completar as demais casas da parte inteira com zero. 43 Exemplo: Número exato: 987 654 321 Número aproximado (arredondamento na centena mais próxima): 987 654 300 Truncamento: consiste em utilizar um número aproximado do número dado, truncando-o num determinado dígito, aplicado principalmente em suas casas decimais (a ideia é simplesmente desprezar dígitos). Exemplos: Número exato: 23,5692 Número aproximado (truncado na segunda casa decimal): 23,56 Número exato: 54,231502 Número aproximado (truncado na terceira casa decimal): 54,231 Número exato: 76,34211 Número aproximado (truncado na segunda casa decimal): 76,34 Número exato: 1276,8532 Número aproximado (truncado na unidade): 1276 Erro ou erro absoluto: É a diferença entre um valor exato e um valor aproximado do número. É entendido como a distância entre os dois valores, portanto, assumimos o erro como um valor não negativo. Erro de arredondamento: erro gerado no processo de arredondamento. Erro de truncamento: erro gerado no processo de truncamento. 44 Exemplos: Número exato: 23,5692 Número aproximado: 23,57 Erro absoluto (de arredondamento): 23,57 – 23,5692 = 0,0008 Número exato: 54,231502 Número aproximado: 54,232 Erro absoluto (de arredondamento): 54,232 - 54,231502 = 0,000498 Número exato: 76,34211 Número aproximado: 76,34 Erro absoluto (de arredondamento ou truncamento): 76,34211 – 76,34 = 0,00211 DICA Você pode adequar o número de casas decimais na calculadora científica e o resultado que será fornecido estará arredondado. Verifique o manual de sua calculadora para configurá-la. Uma dica valiosa: ao utilizar os números, procure trabalhar com uma quantidade de casas decimais maior que a quantidade desejada, e deixe para arredondar apenas no resultado final. Este procedimento fará com que você minimize o erro do resultado, pois durante as operações os erros tendem a crescer. Ao tratar de valores monetários, por exemplo, os erros podem causar grandes prejuízos. 5. Notação científica Ao lidar com os números reais, também nos deparamos com números 45 muito “grandes” ou muito “pequenos”. Veja alguns exemplos: A distância média da Terra ao Sol é de 149 631 000 Km (essa distância varia devido ao movimento elíptico da Terra em volta do Sol). Os brasileiros já pagaram de tributo o valor de R$ 883 327 517 600,33 em 2014 até julho (segundo impostômetro). A população mundial hoje é estimada em 7 200 000 000 habitantes. O diâmetro de um fio de cabelo é 0,00005 metros. A representação de números muito “grandes” ou, por outro lado, muito próximos do zero, na forma decimal, não é agradável: é extensa, é trabalhosa para escrever e para ler, para realizar operações com eles, e também é complicada para fazer comparações. Todas essas desvantagens são superadas quando usamos a notação científica para representar esses números. Queremos dizer que expressaremos os números usando potências de base 10. Observe as equivalências de valores apresentadas na Figura 13: Figura 13: Representações de números reais 46 Forma Decimal Forma Fracionária Forma de Potência Relação decimal/potência 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟏 1 10 . 1 10 . 1 10 . 1 10 . 1 10 10−5 5 zeros à esquerda e expoente (-5) 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟏 1 10 . 1 10 . 1 10 . 1 10 10−4 4 zeros à esquerda e expoente (-4) 𝟎, 𝟎𝟎𝟏 1 10 . 1 10 . 1 10 10−3 3 zeros à esquerda e expoente (-3) 𝟎, 𝟎𝟏 1 10 . 1 10 10−2 2 zeros à esquerda e expoente (-2) 𝟎, 𝟏 1 10 10−1 1 zero à esquerda e expoente (-1) 𝟏 1 100 Nenhum zero e expoente (0) 𝟏𝟎 10 101 1 zero à direita e expoente (1) 𝟏𝟎𝟎 10.10 102 2 zeros à direita e expoente (2) 𝟏𝟎𝟎𝟎 10.10.10 103 3 zeros à direita e expoente (3) 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎 10.10.10.10 104 4 zeros à direita e expoente (4) 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 10.10.10.10.10 105 5 zeros à direita e expoente (5) Comparando a primeira coluna com a terceira coluna, observe que, ao movimentar a vírgula um dígito à direita, aumentou o expoente de 10 em uma unidade; e ao movimentar a vírgula um dígito à esquerda, diminuiu o expoente de 10 em uma unidade. CONCEITO Um número real escrito em notação científica tem a forma ±𝑚. 10𝑛 , em que 𝑚 é um valor maior ou igual a 1 e menor que 10, e o expoente 𝑛 é inteiro. 47 Com base no conceito acima, vamos ver como realizar conversões: DICA Para converter um número escrito na forma decimal para a notação científica, precisamos apenas deslocar a vírgula. Deslocando a vírgula n posições para a direita, devemos subtrair n unidades do expoente da potência de base 10. Deslocando a vírgula n posições para a esquerda, devemos somar n unidades ao expoente da potência de base 10. Que tal? Pode parecer difícil, mas não é! Veja os exemplos: a) 3159 = 3,159. 103 (3 casas para a esquerda, expoente 3) b) 0,00058 = 5,8. 10−4 (4 casas para a direita, expoente – 4) c) −234,678 = −2,34678. 102 (2 casas para a esquerda, expoente 2) d) 4,65 = 4,65. 100 (a parte inteira é 4, não é necessário mover a vírgula, então “fica no zero”, ou melhor, no expoente zero!) ATENÇÃO Observe os números: 25,7 . 10−1 e 5,9 . 101,5 . Perceba que eles não estão escritos corretamente em notação científica. Por quê? Também podemos fazer o processo inverso, ou seja, converter números escritos em notação científica para a forma decimal. DICA Para converter um número escrito em notação científica para a forma decimal, precisamos apenas deslocar a vírgula. Se o expoente de 10 for um valor positivo 𝑛, deslocamos a vírgula 𝑛 casas para a direita. Se o expoente de 10 for um valor negativo 𝑛, deslocamos a vírgula 𝑛 casas para a esquerda. 48 Veja exemplos: a) 3,4205. 103 = 3420,5 b) 3,78. 10−7 = 0,000000378 As calculadoras científicas, em geral, disponibilizam a representação científica. Você pode fazer a opção entre a representação em forma decimal ou de notação científica. Na calculadora do seu computador, essa opção é feita pela função: Na calculadora científica, por exemplo: O número 2,54. 104 pode aparecer como: 2,54 𝐸 + 4 ou 2,54 𝑒 + 4 ou 2,54 x10 04 . O número 2,54. 10−4 pode aparecer como: 2,54 𝐸 − 4 ou 2,54 𝑒 − 4 ou 2,54 x10 −04 . O uso de notação científica é importante, mesmo para realizar operações com auxílio da calculadora. Perceba que o número de dígitos que você pode registrar na calculadora é limitado. Com o uso de notação científica para representar principalmente números muito grandes ou muito próximos do zero, você poderá representar e operar com muito mais números. Potências de base 10 também recebem denominações específicas (segundo Sistema Internacional), e são muito utilizadas nas unidades de medidas (Calma! Nãose assuste... são apenas exemplos, ok?): F-E 49 Figura 14: Prefixos das potências de base 10 Prefixo Potência Símbolo iocto 10−24 y zepto 10−21 z atto 10−18 a femto 10−15 f pico 10−12 p nano 10−9 n micro 10−6 µ mili 10−3 m centi 10−2 c deci 10−1 d deca 101 da hecto 102 h quilo 103 k mega 106 M giga 109 G tera 1012 T peta 1015 P exa 1018 E zeta 1021 Z iota 1024 Y Pois bem, e agora? É hora do que mesmo? Do Momento da Verdade! Conclua, agora, os demais exercícios. Bom estudo! 50 ANTENA PARABÓLICA Quantos números existem no intervalo ]0;1[ ? Isso mesmo, existem infinitos números reais neste intervalo. E, quanto mais próximo do zero, menor o número. Você acha que esses números “tão pequenos” são importantes? O número 𝟏𝟎−𝟗, por exemplo, está nesse intervalo. Como medida de distância, temos que: 𝟏𝟎−𝟗 metros = 1 nanômetro = 0,000000001 metros. Pois bem, talvez você tenha ouvido falar sobre Nanotecnologia, a “ciência do minúsculo ou do invisível”. Nossa Antena Parabólica propõe a você assistir ao interessante vídeo http://www.youtube.com/watch?v=myr_nMOFOiw, que lhe dará uma ideia desse recente campo da ciência, aplicações e implicações na sua vida. http://www.youtube.com/watch?v=myr_nMOFOiw 51 GLOSSÁRIO Álgebra: ramo da Matemática que trata dos números e suas operações de forma literal, de equações, inequações, polinômios e estruturas algébricas. Aritmética: ramo da Matemática que trata dos números e suas operações. Arredondamento: consiste em utilizar um número aproximado do número dado, construindo esta aproximação de acordo com um critério estabelecido. Erro ou erro absoluto: É a diferença entre um valor exato e um valor aproximado do número. É entendido como a distância entre os dois valores, portanto, assumimos o erro como um valor não negativo. Erro de arredondamento: erro gerado no processo de arredondamento. Erro de truncamento: erro gerado no processo de truncamento. Notação científica: forma de representação dos números decimais utilizando potências de base 10. Número aproximado: é um número que é a aproximação de um valor exato, sendo que a sua diferença para este valor é considerada bem pequena. Número exato ou valor exato: é um número sobre o qual não existe incerteza. Separador decimal: símbolo que, na representação decimal do número real, separa a parte inteira da parte não inteira. Pode ser “ponto” ou “vírgula”. Truncamento: consiste em utilizar um número aproximado do número dado, truncando-o num determinado dígito, aplicado principalmente em suas casas decimais (a ideia é simplesmente desprezar dígitos). 52 E AGORA JOSÉ? Agora que você domina a Aritmética, o próximo passo é explorar um pouco mais a Álgebra. Todas as propriedades das operações estudadas aqui serão utilizadas na próxima Unidade de Aprendizagem. Até lá! REFERÊNCIAS GUIDORIZZI, H. L. Matemática para Administração. Rio de Janeiro: LTC, 2002. HAZZAN; MORETTIN; BUSSAB. Introdução ao Cálculo para Administração, Economia. São Paulo: Saraiva, 2009. MUROLO, A.; BONETTO, G. Matemática aplicada à Administração, Economia e Contabilidade. São Paulo: Thomson Pioneira, 2004. SILVA, F. C. M.; ABRÃO, M. Matemática básica para decisões administrativas. São Paulo: Atlas, 2008. SILVA, S. M.; SILVA, E. M.; SILVA, E. M. Matemática básica para cursos superiores. São Paulo: Atlas, 2006. SILVA, S. M.; SILVA, E. M.; SILVA, E. M. Matemática para os cursos de Economia, Administração e Ciências Contábeis. V. 1. 6 ed. São Paulo: Atlas, 2010. GOMES, F. M.; Matemática Básica. Disponível em http://www.ime.unicamp.br/~chico/ma091. Acesso em 09 de Julho de 2014. RUGGIERO, M. A. G.; LOPES, V. L. R. Cálculo Numérico - aspectos teóricos e computacionais. 2 ed. São Paulo: Makron Books, 1996. LIMA, E. L. Revista do Professor de Matemática n° 1. Conceitos e Controvérsias. Sociedade Brasileira de Matemática. http://www.ime.unicamp.br/~chico/ma091
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