Um fabricante de conserva em latas cilíndricas cujos volumes devem ser iguais a 500ml. Quais devem ser as dimensões (altura e raio das bases) mais econômicas das latas, isto é a áre de superfície mínima?
- Primeiramente pegaremos as informações iniciais do exercício:
V=500ml , 500ml = 500cm³
Sabemos ainda que:
V=(pi)r²h
At=2(pi)r² + 2(pi)rh
- Para facilitar os trabalhos isolaremos o h e em seguida o substituiremos na equação da área, de modo que obeteremos:
h=v/(pi)r²
Substituindo e simplificando a equação da area, então:
At= 2(pi)r² + 2(v/r)
- Paralelo a isso temos que ter em mente que quando:
* f(x) < f'(x) , obteremos o ponto de máxima
* f(x) > f'(x) , obteremos o ponto de mínima
O ponto de máxima e mínima ao qual nos referimos, ainda pode ser testado através da segunda derivada, ficando:
* para f''(x) < 0 , ponto de máxima
* para f''(x) > 0 , ponto de mínima
- Ainda precisamos saber como isolar o ponto x, ao qual nossa função se refere.
Para isso devemos igualar a função a 0, tanto a funçaõ original quanto a derivada.
**** Agora que sabemos isso, daremos continuidade, considerando o x, das considerações anteriores, como sendo r.
1) Derivamos, para encontrarmos o ponto de mínima da função da area:
At(r) = 2(pi)r² + 2v/r
e sua derivada será:
At'(r) = 4(pi)r - 2v/r²
Se At'(r) = 0, então:
r= (v/2(pi))^1/3
encontramos o ponto de mínima, pois sempre que r->0, At'(r)<0
2) Aplicamos o ponto de mínima de r na função da altura (h), econtramos o valor aproximado de h e em seguida de r.
h= v/(pi)r² , que vai tornar-se
h= v/(pi)(v/2(pi))^1/3
Substituindo os valores, de v e (pi) em h, teremos:
h= 500/3,14(500/6,28)2/3
h=500/58,1
h= 8,61 (aproximadamente)
Agora podemos utilizar o valor de r encontrado atraves da derivada, ou substituir h na formula do volume e isolar r, aqui vamos utilizar apenas a formula encontrada da derivada, com intuito de simplificar a resolução:
r= (v/2(pi))^1/3
r= (500/6,28)^1/3
r= 4,30 (aproximadamente)
- Encontramos então as medidas de r e h, para minimizar os gastos com a embalagem. Sendo r=2,30 e h=8,61, aproximadamente
- Como ultimo recurso, para provar se essews valores são reais, é só utilizar os dados encontrados para r e h na fórmula do volume.
**** Lembramos que os valores encontrados são aproximados.
Se quiser saber mais sobre acesse minha página, tenho algum material sobre calculo 1, livros e exercicios ja resolvidos. Indico ainda um material super bom: https://www.passeidireto.com/arquivo/25061358/aprendendo-calculo-1-com-maple---wbianchini-arsantos---capitulo-18
Para resolver esse exercício precisamos saber o Teste da Primeira Derivada, o qual diz:
Seja \(c \)um ponto crítico:
a) Se \(f’(x) > 0\) para todo \(x < c\) e \(f’(x) < 0\) para todo \( x > c\), então f(c) é o valor máximo absoluto (global) de \(f\).
b) Se \(f’(x) < 0 \)para todo \(x < c\) e \(f’(x) > 0\) para todo \(x > c\), então f(c) é o valor mínimo absoluto (global) de \(f\)
Além disso, devemos conhecer algumas fórmulas:
A área total de um cilindro é dada por :
\(A(r, h) = 2(πr^2) + (2πr)h\) \((I)\)
O volume de um cilindro é dado por:
\(V = πr^2h \) \( (II)\)
Vamos substituir o volume dado no enunciado na equação \( (II)\) e então isolar a variável \(h\) para substituí-la na equação \((I)\):
\(V = πr^2h \\ 500.10^{-6}= πr^2h \\ h=\frac{500.10^{-6}}{πr^2}\)
Substituindo em \((I)\):
\(A(r, h) = 2(πr^2) + (2πr).(\frac{500.10^{-6}}{πr^2})\\ A(r, h) = 2(πr^2) + (\frac{1000.10^{-6}}r)\)
Vamos então encontrar o ponto critico dessa equação, derivando em relação a \(r\) e igualando a zero:
\(2(πr^2) + (\frac{1000.10^{-6}}r)\\ 4πr-(\frac{1000.10^{-6}}{r^2})=0\\ 4πr = (\frac{1000.10^{-6}}{r^2})\\ 4πr^3=1000.10^{-6}\\ r=\pm 4,3.10^{-2}\\\)
como \(r> 0\) , vamos usar o valor positivo
Analisando a equação \(4πr-(\frac{1000.10^{-6}}{r^2})\) vemos que, se diminuirmos \(r\), ela tende a ficar negativa, uma vez que a parcela negativa \(-(\frac{1000.10^{-6}}{r^2})\) aumenta. Assim, uma vez que \(r=4,3.10^{-2} \)é um ponto de inflexão:
Se \(r<4,3. 10^{-2} \rightarrow A <0\)
Se \(r>4,3. 10^{-2} \rightarrow A >0\)
Portanto, pelo teste da primeira derivada, o ponto \(r=4,3.10^{-2} \) é um ponto de mínimo local.
Para achar \(h\), basta substituir o valor de r na relação \(h=\frac{500.10^{-6}}{πr^2}\):
\(h=\frac{500.10^{-6}}{πr^2}\\ h=\frac{500.10^{-6}}{π(4,3.10^{-2})^2}\\ h=2,7427.10^{-2}\)
Portanto:
\(\boxed{r= 4,3 cm}\\ \boxed{h=2,7 cm}\)
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