Baixado 47 vezes
![Cálculo Diferencial e Integral
1
AULA 01
1 - FUNÇÕES
1.1 - Conceito matemático de função
Definição 1: Domínio da função é o conjunto de todos os valores dados para a variável
independente.
Definição 2: Imagem da função é o conjunto de todos os valores correspondentes da variável
dependente.
Como, em geral, trabalhamos com funções numéricas, o domínio e a imagem são conjuntos
numéricos, e podemos definir com mais rigor o que é uma função matemática utilizando a
linguagem da teoria dos conjuntos.
Para isso, temos que definir antes o que é um produto cartesiano e uma relação entre dois
conjuntos.
Definição 3: Produto cartesiano: Dados dois conjuntos não vazios A e B , denomina-se produto
cartesiano (indica-se: A × B ) de A por B o conjunto formado pelos pares ordenados nos quais o
primeiro elemento pertence a A e o segundo pertence a B .
(Eq.1) A × B ={( x , y )/ x ∈ A e y ∈ B }.
Definição 4: Relação: Dados dois conjuntos A e B , dá-se o nome de relação r de A em B a
qualquer subconjunto de A × B .
(Eq.2) r é relação de A em B ⇔ r ⊂ A × B .
Exemplo:
Sejam os conjuntos A ={0,1,2,3}, B ={0,2,4,6,8,10} e a relação r de A em B , tal que
y =2 x , x ∈ A e y ∈ B . Escrever os elementos dessa relação r .
Como x ∈ A :
x =0 ⇒ y =0 ⇒ (0,0)∈ A × B ;
x =1 ⇒ y =2 ⇒ (1,2)∈ A × B ;
x =2 ⇒ y =4 ⇒ (2,4)∈ A × B ;
x =3 ⇒ y =6 ⇒ (3,6)∈ A × B .
Então, r ={(0,0), (1,2), (2,4), (3,6)}.
3210
1
2
3
4
5
6
y
x
7
8
9
10
[Fig.1]: Representação da relação por diagrama. [Fig.2]: Representação da relação por sistema cartesiano.
0
0A B
1
2
3
2
4
6
8
10
r](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-2-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
5
1.5 – Função Composta
Tome as funções f : A → B , definida por f ( x )=2 x , e g : B →C , definida por g ( x )=
2
x .
Note que o contradomínio B da função f é o mesmo domínio da função g .
f : A → B : a cada x ∈ A associa-se um único y ∈ B , tal que y =2 x .
g : B →C : a cada y ∈ B associa-se um único z ∈C , tal que z =
2
y .
Neste caso, podemos considerar uma terceira função, h : A →C , que faz a composição
entre as funções f e g :
A B C
g
h
f
x
y z
[Fig. 1]: Função composta
h : A →C : a cada x ∈ A associa-se um único z ∈C , tal que z =
2
y =
2
2 )( x =4
2
x .
Essa função h de A em C , dada por h ( x )=4
2
x , é denominada função composta de g e
f .
De um modo geral, para indicar como o elemento z ∈C é determinado de modo único pelo
elemento x ∈ A , escrevemos:
z = g ( y )= g ( f ( x ))
Notação:
A função composta de g e f será indicada por g o f (lê-se: g círculo f )
(Eq.3) ( g o f )( x )= g ( f ( x ))
Exemplos:
1) Sejam as funções reais f e g definidas respectivamente por f ( x )= x +1 e g ( x )=2
2
x −3.
Determine:
a) f ( g ( x )).
f ( g ( x ))= f (2 2
x −3)=2 2
x −3+1=2 2
x −2
f ( g ( x ))=2 2
x −2.
b) g ( f ( x )).
g ( f ( x ))= g ( x +1)=2 2
1)( +x −3=2( 2
x +2 x +1)−3=2 2
x +4 x +2−3=2 2
x +4 x −1
g ( f ( x ))=2 2
x +4 x −1.
c) Os valores de x para que se tenha f ( g ( x ))= g ( f ( x )).
f ( g ( x ))= g ( f ( x ))
2 2
x −2=2 2
x +4 x −1
−2=4 x −1
4 x =1−2
x =−
4
1
.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-6-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
18
a >0: concavidade para CIMA a <0: concavidade para BAIXO
[Fig.4]: Concavidade de uma função quadrática.
2.3.3 - Zeros de uma função quadrática
Definição 19: Os zeros ou raízes da função quadrática f ( x )= a 2
x +b x + c são as raízes da
equação do 2o
grau a 2
x +b x + c =0, ou seja:
Raízes: x =
a
acbb
2
42
−±−
.
Considerando Δ=
2
b −4 a c , pode-se ocorrer três situações:
• i) Δ>0 ⇒ as duas raízes são reais e diferentes: 1x =
a
b
2
Δ+−
e 2x =
a
b
2
Δ−−
.
• ii) Δ=0 ⇒ as duas raízes são reais e iguais (raiz dupla): 1x = 2x =−
a
b
2
.
• iii) Δ<0 ⇒ não há raízes reais.
Obs.: Em uma equação do 2o
grau a 2
x +b x + c =0, a soma das raízes é S e o produto é P tal que:
S= 1x + 2x =−
a
b
e P= 1x ⋅ 2x =
a
c
.
Definição 20: Geometricamente, os zeros ou raízes de uma função polinomial do 2o
grau são as
abscissa dos pontos em que a parábola intercepta o eixo x .
2.3.4 - Vértice da parábola
Considere as parábolas abaixo e observe o vértice V ( Vx , Vy ) em cada uma:
x
y
x
y
x2x1
x1 x2
V( ),xV yV
V( ),xV yV
Eixo de simetria
[Fig.5]: Vértice de parábolas (Δ>0 para as duas).](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-19-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
35
Seja: balog = x ⇒ x
a =b .
Aplicando o logaritmo na base c em ambos os membros, obtemos:
x
c alog = bclog ⇒ x ⋅ aclog = bclog ⇒ x =
a
b
c
c
log
log
, mas x = balog .
Então:
(Eq.11) balog =
a
b
c
c
log
log
(1≠ a >0, 1≠ c >0 e b >0).
Exemplos:
1) Sendo log 2=0,3 e log 3=0,4, calcule 62log .
62log =
2
6
log
log
=
2
32
log
)log( ⋅
=
2
32
log
loglog +
=
30
4030
,
,, +
=
30
70
,
,
=
3
7
.
2) Resolva a equação x2log + x4log + x16log =7.
A condição de existência é x >0.
Transformando para a base 2:
x2log + x4log + x16log =7
x2log +
42
2
log
log x
+
162
2
log
log x
=7
x2log +
2
2 xlog
+
4
2 xlog
=7
4
24 222 xxx logloglog ++
=
4
28
7 x2log =28
x2log =4
4
2 = x
x =16 ⇒ 16 satisfaz a condição de existência.
Logo, o conjunto solução é:
S={16}.
3) Resolva a equação 2log ( x +2)+ 2log ( x −2)=5.
Condições de existência são: x +2>0 e x −2>0 ⇒ x >−2 e x >2. Então: x >2.
2log ( x +2)+ 2log ( x −2)=5
2log [( x +2)⋅( x −2)]=5
( x +2)⋅( x −2)=
5
2
2
x −4=32
2
x =36
2
x =±6 ⇒ −6 não satisfaz a condição de existência mas, 6 satisfaz.
Logo, o conjunto solução é: S={6}.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-36-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
39
AULA 06
5 - FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS
5.1 - Seno e cosseno de um arco:
Tome o arco α dado na figura abaixo:
A
P
O
α
N
M
[Fig.5] Arco α para o conceito de seno e cosseno.
Seno de um arco é a ordenada do ponto P.
(Eq.12) sen α=ON = MP .
Cosseno de um arco é a abscissa do ponto P.
(Eq.13) cosα=OM = NP .
5.1.1 – Conseqüências:
Para qualquer ponto da circunferência, a ordenada e a abscissa nunca são menores que −1
nem maiores que +1. Por isso dizemos que seno e cosseno são números compreendidos entre −1 e
+1, o que nos permite concluir:
(Eq.14) −1 ≤ sen α ≤ 1 e −1 ≤ cosα ≤ 1
5.1.2 - Função seno e função cosseno
Função seno é a função que associa a cada arco x ∈ R o número sen x ∈ R , ou y = sen x .
Função cosseno é a função que associa a cada arco x ∈ R o número cos x ∈ R , ou
y =cos x .
5.1.3 - Gráfico das funções seno e cosseno
Para estudar a função seno ( y =sen x ) e a função cosseno ( y =cos x ) vamos variar x no
intervalo [0,2π].
5.1.3.1 - Função seno:
y =sen x
AO O π
2
π
3
π
4
π
6
π
π
2
3
π2
1
1
y
x
[Fig.6]Gráfico da função seno.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-40-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
40
5.1.3.2 - Conclusões
• O domínio da função y =sen x é o conjunto dos números reais, isto é, D = R .
• A imagem da função y =sen x é o intervalo [−1,+1], isto é, −1≤sen x ≤+1.
• Toda vez que somamos 2π a um determinado valor de x , a função seno assume o mesmo
valor. Como 2π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função
y =sen x é p =2π.
Essa conclusão pode ser obtida, também, a partir do ciclo trigonométrico onde marcamos o arco
x .
Quando adicionamos 2 k π ao arco x , obtemos sempre o mesmo valor para o seno, pois a
função seno é periódica de período 2π.
(Eq.15) sen x =sen ( x +2 k π), k ∈ Z (Inteiros).
5.1.3.3 - Seno é função ímpar
No ciclo trigonométrico, os pontos correspondentes aos números x e − x têm imagens
simétricas em relação ao eixo das abscissas. Daí resulta que as ordenadas desses pontos têm o
mesmo valor absoluto, porém, sinais opostos. Então, sen (− x )=−sen x .
Quando uma função f é tal que f (− x )=− f ( x ), para todo x do seu domínio, dizemos
que f é uma função ímpar.
Como sen (− x )=−sen x , para todo x real, podemos afirmar que a função seno é ímpar.
5.1.3.4 - Função cosseno
y =cos x
AO O π
2
π
3
π
4
π
6
π
π
2
3
π2
1
1
y
x
[Fig. 2]: Gráfico da função cosseno.
5.1.3.5 - Conclusões
• O domínio da função y =cos x é o conjunto dos números reais, isto é, D = R .
• A imagem da função y =cos x é o intervalo [−1,+1], isto é, −1≤cos x ≤+1.
• O período da função y =cos x é p =2π.
Essa conclusão pode ser obtida, também, a partir do ciclo trigonométrico onde marcamos o arco
x .
Quando adicionamos 2 k π ao arco x , obtemos sempre o mesmo valor para o cosseno, pois a
função cosseno é periódica de período 2π.
(Eq.16) cos x =cos ( x +2 k π), k ∈ Z (Inteiros).
5.1.3.6 - Cosseno é função par
No ciclo trigonométrico, os pontos correspondentes aos números x e − x têm imagens
simétricas em relação ao eixo das abscissas. Daí resulta que esses pontos têm a mesma abscissa.
Então, cos (− x )=cos x .](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-41-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
41
Quando uma função f é tal que f (− x )= f ( x ), para todo x do seu domínio, dizemos que
f é uma função par.
Como cos (− x )=cos x , para todo x real, podemos afirmar que a função cosseno é par.
Exemplos:
1) Construa o gráfico da função y =2sen x , dando o domínio, a imagem e o período.
x sen x 2sen x y
0 0 2⋅0 0
2
π
1 2⋅1 2
π 0 2⋅0 0
2
3π
−1 2⋅(−1) −2
2π 0 2⋅0 0
O π
2
π
π
2
3
π2
1
1
y
x
2
2
Observando o gráfico, temos:
D = R , Im =[−2,2], e p =2π.
2) Construa o gráfico da função y =cos
2
x
, dando o domínio, a imagem e o período.
2
x
x cos
2
x y
0 0 1 1
2
π
π 0 0
π 2π −1 −1
2
3π
3π 0 0
2π 4π 1 1
Observando o gráfico, temos:
D = R , Im =[−1,1], e p =4π.
5.2 - Tangente de um arco
Tome o arco α dado na figura abaixo:
A
P
O
α
N
M
T
eixo das tangentes
[Fig. 3]: Arco α para o conceito de tangente.
O π π
π
2
3 π4
1
1
y
x](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-42-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
42
Tangente de um arco é a ordenada do ponto T (segmento AT).
(Eq.17) tanα= AT .
5.2.1 - Conseqüências
• O eixo vertical, suporte de AT , é chamado eixo das tangentes.
• Podemos dizer que tanα só é definida se α∈ R e α≠
2
π
+ k π ( k ∈ Z ).
5.2.2 - Função tangente
Função tangente é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠
2
π
+ k π ( k ∈ Z ), o
número tan x ∈ R , ou y = tan x .
5.2.3 - Gráfico da função tangente
Para estudar a função tangente ( y = tan x ) vamos variar x no intervalo [0,2π].
AO O π
2
π
3
π
4
π
6
π π
2
3
π2
1
1
y
x
0,58
1,73
1,73
0,58
[Fig. 4]: Gráfico da função tangente.
5.2.4 - Conclusões
• O domínio da função y = tan x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠
2
π
+ k π ( k ∈ Z ),
isto é, D ={ x ∈ R / x ≠
2
π
+ k π, k ∈ Z }.
• A imagem da função y = tan x é o conjunto dos números reais.
• Toda vez que somamos k π a um determinado valor de x , a função tangente assume o mesmo
valor. Como π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função
y = tan x é p =π.
(Eq.18) tan( x + k π)= tan x , k ∈ Z .
5.2.5 - Tangente é uma função ímpar
Como tan(− x )=− tan x , para todo x real, com x ≠
2
π
+ k π ( k ∈ Z ), podemos afirmar que a
função tangente é ímpar.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-43-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
43
5.3 - Cotangente de um arco
Tome o arco α dado na figura abaixo:
A
P
O
α
N
M
C
eixo das
cotangentes
B
[Fig. 5]: Arco α para o conceito de cotangente.
Cotangente de um arco é a abscissa do ponto C (segmento BC).
(Eq.19) cot α= BC .
5.3.1 - Conseqüências
• O eixo horizontal, suporte de BC , é chamado eixo das cotangentes.
• Podemos dizer que cot α só é definida se α∈ R e α≠ k π ( k ∈ Z ).
5.3.2 - Função cotangente
Função cotangente é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), o número
cot x ∈ R , ou y =cot x .
5.3.3 - Gráfico da função cotangente
Para estudar a função cotangente ( y =cot x ) vamos variar x no intervalo [0,2π].
AO O π
2
π
3
π
4
π
6
π π
2
3 π2
1
1
y
x
0,58
1,73
1,73
0,58
[Fig. 6]: Gráfico da função cotangente.
5.3.4 - Conclusões
• O domínio da função y =cot x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), isto
é, D ={ x ∈ R / x ≠ k π, k ∈ Z }.
• A imagem da função y =cot x é o conjunto dos números reais.
• Toda vez que somamos k π a um determinado valor de x , a função cotangente assume o
mesmo valor. Como π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da
função y =cot x é p =π.
cot ( x + k π)=cot x , k ∈ Z .](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-44-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
44
5.3.5 - Cotangente é uma função ímpar
Como cot (− x )=−cot x , para todo x real, com x ≠ k π ( k ∈ Z ), podemos afirmar que a função
cotangente é ímpar.
5.4 - Secante e cossecante de um arco
Tome o arco α dado na figura abaixo:
A
P
O
α
N
M S
D
[Fig. 7]: Arco α para o conceito de secante e cossecante.
Traçando uma reta tangente à circunferência pelo ponto P, interceptamos o eixo das
abscissas no ponto S e o eixo das ordenadas no ponto D.
(Eq.20) sec α=OS .
(Eq.21) seccos α=OD .
5.4.1 - Função secante e cossecante
Função secante é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠
2
π
+ k π ( k ∈ Z ), o
número sec x ∈ R , ou y =sec x
Função cossecante é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), o
número seccos x ∈ R , ou y = seccos x .
5.4.2 - Gráfico da função secante
Para estudar a função secante ( y =sec x ) vamos variar x no intervalo [0,2π].
AO O
π
2
π
3
π
4
π
6
π
π
2
3
π2
1
1
y
x
1,15
1,41
2
1,15
1,41
2
[Fig. 8]: Gráfico da função secante.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-45-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
45
5.4.3 - Conclusões
• O domínio da função y =sec x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠
2
π
+ k π ( k ∈ Z ),
isto é, D ={ x ∈ R / x ≠
2
π
+ k π, k ∈ Z }.
• A imagem da função y =sec x é o conjunto dos números reais maiores ou iguais a 1 ou
menores ou iguais a −1, isto é, Im ={ y ∈ R / y ≥1 ou y ≤−1}.
• Toda vez que somamos 2 k π a um determinado valor de x , a função secante assume o mesmo
valor. Como 2π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função
y =sec x é p =2π.
(Eq.22) sec ( x +2 k π)=sec x , k ∈ Z .
5.4.4 - Gráfico da função cossecante
Para estudar a função cossecante ( y = seccos x ) vamos variar x no intervalo [0,2π].
O π
2
π
3
π
4
π
6
π
π
2
3
π2
1
1
y
x
1,15
1,41
2
1,15
1,41
2
AO
[Fig. 9]: Gráfico da função cossecante.
5.4.5 - Conclusões
• O domínio da função y = seccos x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ),
isto é, D ={ x ∈ R / x ≠ k π, k ∈ Z }.
• A imagem da função y = seccos x é o conjunto dos números reais maiores ou iguais a 1 ou
menores ou iguais a −1, isto é, Im ={ y ∈ R / y ≥1 ou y ≤−1}.
• Toda vez que somamos 2 k π a um determinado valor de x , a função cossecante assume o
mesmo valor. Como π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da
função y = seccos x é p =2π.
(Eq.23) seccos ( x +2 k π)= seccos x , k ∈ Z .
5.5 - Relações trigonométricas
Será feito o estudo das relações que existem entre as funções trigonométricas, pois elas têm
muitas aplicações na trigonometria e fora dela. Para as deduções das relações, tomaremos como
base o ciclo trigonométrico e um ângulo α dado.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-46-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
46
A
P
O
α
N
M S
D
C
eixo das
cotangentesB
T
eixo das tangentes
[Fig. 10]: Funções trigonométricas no ciclo.
Podemos identificar as funções trigonométricas no ciclo, em relação ao ângulo α:
sen α=ON ; cosα=OM ; tanα= AT ; cot α= BC ; sec α=OS e seccos α=OD .
Analisando as funções no ciclo e fixando inicialmente o ângulo α, podemos fazer as seguintes
mudanças, para facilitar o entendimento das relações trigonométricas:
C
B
O
α
A E
F
D
cosα
cotα
tanαsenα
secα
cossecα
1
unidade
[Fig. 11]: Funções adaptadas no ciclo.
Com as novas adaptações, temos as seguintes funções:
sen α= AB ; cosα=OA; tanα=CD ; cot α=OE ; sec α=OD e seccos α=OF .
Daí tiram-se três triângulos semelhantes:
ΔOAB ≡ΔOCD ≡ΔOEF .
CO
α
D
tanαsecα
B
O
α
Acosα
senα1
1 O
α
E
F
cotα
cossecα
1
21 3
[Fig. 12]: Triângulos semelhantes.
5.5.1 - Usando o teorema de Pitágoras
• sen 2
α+cos2
α=1;
• tan2
α+1=sec 2
α;
• cot 2
α+1= seccos 2
α.
5.5.2 - Usando semelhança entre triângulos](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-47-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
51
AULA 07
6 - LIMITES
6.1 - Noção Intuitiva:
Seja a função f(x)= 2x + 1. Vamos dar valores a x que se aproximem de 1, pela sua direita
(valores maiores que 1) e pela sua esquerda (valores menores que 1) e calcular o valor
correspondente de y.
x y = 2x + 1 x y = 2x + 1
1,01 0,6
1,02 0,7
1,03 0,9
1,04 0,95
1,1 0,98
1,2 0,99
Notamos que a medida que x se aproxima de 1, y se aproxima de ______, ou seja, quando
x tende para 1 (x →1), y tende para _____ (y→_____), ou seja:
3)12(lim 1 =+→ xx
De forma geral, escrevemos:
bxfax =→ )(lim
6.1.1 - Propriedades:
1. )(lim)(lim)]()([lim xgxfxgxf axaxax →→→ ±=±
2. )(lim)(lim)]()([lim xgxfxgxf axaxax →→→ ⋅=⋅
3.
)(lim
)(lim
)(
)(
lim
xg
xf
xg
xf
ax
ax
ax
→
→
→ =
4. ( ) *
0 ,)(lim)(lim Nnxfxf
n
ax
n
ax ∈= →→
5.
*
,)(lim)(lim Nnxfxf n
ax
n
ax ∈= →→
6. ( ))(lim))((lim xfsenxfsen axax →→ =
Exemplos:
1) =+→ )3(lim 32
1 xxx
2) =→ )cos(lim 3
xxx π
3) =
+
→
10
cos
lim 20
x
x
x](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-52-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
86
9.8.2 – Máximos e Mínimos
9.8.2.1 – Introdução:
Suponha que o gráfico abaixo tenha sido feito por um instrumento registrador usado para
medir a variação de uma quantidade física em relação ao tempo. Em tal caso, o eixo dos x
representa o tempo e as ordenadas dos pontos do gráfico, os valores da quantidade f(x).
Por exemplo, os valores de y podem representar medidas de temperaturas, pressão,
corrente em um circuito elétrico, pressão sangüínea de indivíduo, quantidade de um produto
químico em uma solução, bactérias em uma cultura, etc.
Observemos que há intervalos em que a função é crescente e outros nos quais ela é
decrescente.
y
xa b c d e
M
N
P
A figura mostra que f é crescente no intervalo de ]a,b[, decrescente de ]b, c[, crescente ]c,
d[ e decrescente de ]d, e[.
Se restringirmos nossa atenção ao intervalo de [b, e], veremos que a quantidade atingiu
seu máximo (maior valor) em d e seu mínimo em c.
Observe que em outros intervalos existem diferentes máximos e mínimos.
O ponto M da curva, de abscissa x = b, situa-se exatamente no ponto onde a função passa
de crescente para decrescente. Dizemos então que a função apresenta um máximo local em x =
b, ou que f(b) é um máximo local da função. Isto é, o valor de f(b) é o maior valor que a função
assume para valores de x, próximos de b.
Convém observar que o ponto M não é o ponto mais alto do gráfico. M é o ponto mais alto
dos que lhe são próximos. Por isso o adjetivo “local”.
Vejamos agora que a função é decrescente no intervalo de ]b, c[ e crescente de ]c, d[. O
ponto N da curva situa-se exatamente no ponto em que a função passa de decrescente para
crescente e sua abscissa é x = c. Observamos que N é o mais baixo ponto entre os que lhe são
próximos. Dizemos que a função apresenta ai um mínimo local, ou que f(c) é um mínimo local de
f. O valor de f(c) é o menor valor que a função assume para valores próximos de x, próximos de b.
Notemos que a função pode apresentar outros máximos e mínimos locais.
Definição 1: Seja f uma função definida em um intervalo l e c um número em l, então:
i). f(x) é máximo de f em l se f(x) ≤ f(c) para todo x em l
ii). f(x) é mínimo em f em l se f(x) ≥ f(c) para todo x em l
Definição 2: Seja c um valor do domínio de uma função f
i). f(c) é máximo local de f se existe um intervalo (a,b), contendo c, tal que f(x) ≤ f(c)
para todo x em (a,b)
ii). f(c) é mínimo local de f se existe um intervalo (a,b), contendo c, tal que f(x) ≥ f(c)
para todo x em (a,b)
Teorema: Se uma função f tem extremo local para um valor c, então f’(c) = 0 ou f’(c) não existe.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-87-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
88
9.8.2.2 – Determinação dos Máximos e Mínimos locais:
1º) Calcular a derivada primeira da função f e resolver a equação f’(x)=0, cujas raízes
são as abscissas dos pontos críticos de f.
2º) Examinamos cada ponto crítico encontrado afim de verificar se trata-se de extremo
ou não. Para isso, utilizaremos o teste da derivada primeira ou o teste da
derivada segunda.
9.8.2.3 – Crescimento e Decrescimento de funções:
Teorema: Seja f uma função contínua em um intervalo fechado [a, b] e derivável no intervalo
aberto (a, b).
i). Se f’(x) > 0 para todo x em (a, b) então f é crescente em [a, b]
ii). Se f’(x) < 0 para todo x em (a, b) então f é decrescente em [a, b]
9.8.2.4 – Teste da Derivada Primeira:
Suponhamos que para x = x0 a função f tenha um ponto crítico e sejam a e b muito
próximos de x0 tais que a<x0<b, então:
i). Se tivermos que f’(a) > 0 e f’(b) < 0, então, nesse caso a função passa de crescente a
decrescente e podemos afiram que f(x0) é um máximo local da função.
ii). Se tivermos que f’(a) < 0 e f’(b) > 0, então, nesse caso a função passa de decrescente a
crescente e podemos afirmar que f(x0) é um mínimo local da função.
Exemplos:
1) Seja a função f(x) = x2
-4. Determine os pontos de máximo, de mínimo e de inflexão se
existirem.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-89-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
103
AULA 20
10.4 – INTEGRAÇÃO COM APLICAÇÃO DE IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS
As identidades seguintes são empregadas no cálculo das integrais trigonométricas do
presente capítulo:
i). 1cos22
=+ xxsen
ii). xxtg 22
sec1 =+
iii). xxg 22
seccoscot1 =+
iv). )2cos1(
2
12
xxsen −=
v). )2cos1(
2
1
cos2
xx +=
vi). xsenxsenx 2
2
1
cos =⋅
vii). [ ])()(
2
1
cos yxsenyxsenysenx ++−=⋅
viii). [ ])cos()cos(
2
1
yxyxsenysenx +−−=⋅
ix). [ ])cos()cos(
2
1
coscos yxyxyx ++−=⋅
x). xsenx
2
1
2cos1 2
=−
xi). xx
2
1
cos2cos1 2
=+
xii). ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−±=± xsenx π
2
1
cos11
Exemplos:
1) ∫ =xdxsen2
2) ∫ =xdx3cos2](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-104-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
109
CASO 2: O denominador de R(x) pode ser decomposto em fatores repetidos do 1o
grau. A cada
fator da forma (ax + b) que aparece n vezes no denominador, corresponde uma soma de n
frações da forma:
n
n
bax
A
bax
A
bax
A
)(
...
)( 2
21
+
++
+
+
+
Exemplos:
22222
])1)[(1)(1(
1
)12()1(
1
−++
+
=
+−+
+
xxx
x
xxx
x
4222
)1)(1(
1
)12()1(
1
−+
=
+−+
+
xxxxx
x
4
5
3
4
2
321
222
)1()1()1()1()1()12()1(
1
−
+
−
+
−
+
−
+
+
=
+−+
+
x
A
x
A
x
A
x
A
x
A
xxx
x
Calcule ∫ =
−+
−+−
dx
xx
xxx
3
23
)2)(1(
429183](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-110-320.jpg)
]([)( 2
2211 +
++
+
+
+
Calcule ∫ =
+
−+−
dx
x
xxx
22
23
)1(
3735](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-112-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
113
AULA 22
10.6 – INTEGRAL DEFINIDA:
Teorema fundamental do Cálculo: Seja f uma função contínua em [a, b] e g uma função tal
que g’(x) = f(x) para todo x ∈ [a, b]. Então ∫ −=
b
a
agbgdxxf )()()( .
A expressão ∫
b
a
dxxf )( é chamada de Integral Definida de f de a até b.
Em linguagem simples, este teorema nos diz que se g é uma anti-derivada de f, então a
integral definida de a até b de f é dada pela diferença g(b) – g(a).
Os valores de a e b são chamados de limites de integração.
Exemplos:
1) Calcule ∫ =
3
1
2
dxx
2) Calcule ∫ =
3
1
5dx
3) Calcule ∫ =
7
0
xdx](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-114-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
114
X=1 X=3
y
x
10.6.1 – INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA:
Vamos agora interpretar geometricamente os exemplos 2 e 3.
1) Seja f(x) = 5 (exemplo 2). Tomemos a região delimitada por (x), o eixo x e as retas x = 1 e x
= 3.
Temos um retângulo de base 2 e altura 5, cuja área é dada por:
A1 = b.h = 2x5 = 10u.a (como no exemplo 2)
2) Seja f(x) = x (exemplo 3). Tomaremos a região delimitada pelo eixo x, a função f(x) = x e as
retas x = 0 e x = 7.
Temos um triângulo de base 7 e altura 7, cuja área é dada por auA .
2
49
2
77
2 =
⋅
= .
Os fatos observados nestes exemplos não são mera coincidência. Na verdade, se f(x)>0
para x ∈ [a,b], então ∫
b
a
dxxf )( nos fornece a área limitada por f(x) pelas retas x =a e x = b e o
eixo x.
1 3 7
x
y
1
3
f(x)=x
7](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-115-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
115
3) Tomemos agora um exemplo em que f(x) < 0 em [a, b]
∫
−
−
=+
1
3
)1( dxx
( ) ( ) 2)3(
2
3
)1(
2
1
2
22
1
3
2
−=⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+
−
−⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+
−
=+
−
−
x
x
A região delimitada por y = (x+1), pelo eixo x e as retas x = - 3 e x = - 1 é apresentada
abaixo:
Note que A3 é um triângulo de base 2 e altura 2, assim, ..
2
22
3 auA
⋅
=
Assim, vemos que ∫
−
−
=
1
3
3 )( dxxfA .
Em geral se f(x)<0 em [a, b] a área delimitada por f(x), o eixo x e as retas x = a e x=b é
dada por ∫=
b
a
dxxfA )( .
10.6.2 – PROPRIEDADES DAS INTEGRAIS DEFINIDAS
1. Se uma função f é integrável no intervalo fechado [a, b], e se k é uma constante
qualquer, então:
∫ ∫=
b
a
b
a
dxxfkdxxfk )()(.
Exemplo:
Calcule o valor da integral ∫ =
3
0
5xdx
1
-1
-2
-3 -1
x
y](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-116-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
116
2. Se as funções f e g são integráveis no mesmo intervalo fechado [a,b] então f + g é
integrável em [a, b] e:
∫ ∫ ∫+=+
b
a
b
a
b
a
dxxgdxxfdxxgxf )()()]()([
Exemplo:
Calcule o valor da integral ∫ =⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
+
5
3
2 1
dx
x
x
3. Se a função f é integrável nos intervalos fechados [a, b], [a, c] e [c, b] então:
∫ ∫ ∫+=
b
a
c
a
b
c
dxxfdxxfdxxf )()()(
Exemplo:
Calcule o valor da integral ∫−
=
3
2
xdx
AULA 22 – EXERCÍCIOS
Encontre o valor das integrais definidas abaixo:
1) ∫ =
2
0
2
dxx
2) ∫ =
2
1
3
dxx
3) ∫ =++
4
1
2
)54( dxxx
4) ∫−
=+
2
2
3
)1( dxx
5) ∫−
=⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ +
1
1
3
1
3
4
4 dxxx
6) ∫−
=+
4
3
)2( dxx
7) ∫ =
−
5
1
13x
dx
8) ∫−
=−
3
3
6
)3( dttt
9) ∫ =
+
4
0 2
9x
xdx
10) ∫ =+
5
0
4dxx
11) ∫ =
1
0
3 7
8 dxx
Respostas:
1)
3
8
2)
4
15
3) 66
4) 4
5)
7
6
6)
2
35
7) [ ]17
3
22
−
8)
7
4374
9) 2
10)
3
38
11)
5
3](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-117-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
117
AULA 23
10.6.3 – APLICAÇÕES DE INTEGRAL DEFINIDA
10.6.3.1 – CÁLCULO DE ÁREAS DE UMA REGIÃO PLANA
Se f é uma função contínua em um intervalo fechado [a, b] e se f(x) ≥ 0 para todo x em [a,
b], então temos que o número que expressa a área da região limitada pela curva y = f(x), o eixo x
e as retas x = a e x = b é dada por, em unidades quadradas:
∫=
b
a
dxxfA )(
Por conveniência, referimo-nos à região R como a região sob o gráfico f de a até b.
y
x
a b
Exemplos:
1) Encontre a área limitada pela curva y = x2
, o eixo x e as retas x = -1 e x = 2.
xx=1 x=2
y
Área = R](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-118-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
120
xa b
y
g(x)
10.6.3.1.1 – ÁREA DA REGIÃO LIMITADA POR DUAS FUNÇÕES:
Nesta seção, consideraremos a região que esta entre os gráficos de duas funções.
Se f e g são contínuas em f(x) ≥ g(x) ≥ 0 para todo x em [a, b], então a área A da região
R, limitada pelos gráficos de f, g, x =a e x = b, pode ser calculada subtraindo-se a área da região
sob o gráfico de g (fronteira inferior de R) da área da região sob o gráfico de f (fronteira superior
de R):
∫ ∫−=
b
a
b
a
dxxgxdxxfA )()(
ou
∫ −
b
a
dxxgxf )]()([
Suponha que desejamos calcular a área A delimitada por duas curvas f(x) e g(x) e as retas
x = a e x = b, como ilustra a figura abaixo:
Note que a área pode ser obtida pela diferença das áreas A1 – A2
Sendo ∫=
b
a
dxxfA )(1 e ∫=
b
a
dxxgA )(2
A = A1 – A2
=A ∫
b
a
dxxf )( ∫−
b
a
dxxg )(
∫ −=
b
a
dxxgxfA )]()([
Assim verificamos que é válido o teorema a seguir:
xa b
y
f(x)
g(x)
y
f(x)
a b x](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-121-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
121
Teorema: se f e g são contínuas e f(x) ≥ g(x) ≥ 0 para todo x em [a, b], então a área A da
região delimitada pelos gráficos de f, g, x = a e x = b é:
∫ −=
b
a
dxxgxfA )]()([
Diretrizes pra encontrar a área de uma região R limitada por duas funções:
Esboçar a região, designando por y = f(x) a fronteira superior e por y = g(x) a fronteira
inferior.
Encontrar os pontos de intersecção (a e b) entre as duas funções (sistema de equações)
Calcular a integral ∫ −=
b
a
dxxgxfA )]()([
Exemplos:
1) Encontre a área A limitada pela curva f(x) = x2
+ 2 e g(x) = 1 no intervalo de [-2, 3]](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-122-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
123
AULA 24
10.6.3.2 – VOLUME DE UM SÓLIDO DE REVOLUÇÃO:
Definição 1: Um sólido de revolução é um sólido gerado pela rotação de uma região do plano em
torno de uma reta no plano, chamada de eixo de revolução.
Exemplo: Ao girarmos o triângulo abaixo em torno do eixo y, obtemos um cone de revolução.
Definição 2: Seja f uma função contínua no intervalo fechado [a, b]. Se S for o sólido obtido
pela rotação, em torno do eixo x da região limitada pela curva y = f(x), o eixo x e as retas x = a
e x = b e se V for o número de unidades cúbicas do volume de S, então:
∫=
b
a
dxxfV 2
)]([π
Exemplo:
Calcule o volume do sólido gerado pela rotação da região plana limitada pela curva y=x2
e
as retas x = 2 e x = 3 em torno do eixo x.
y
x
y
x](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-124-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
124
Definição 3: Seja uma região R do plano limitada pelos gráficos de x = a, x = b e pelos gráficos
de duas funções contínuas f e g, com f(x) ≥ g(x) ≥ 0 para todo x em [a, b]. Então o volume do
sólido gerado pela rotação da região R em torno do eixo x é dado por:
[ ]∫ −=
b
a
dxxgxfV 22
)()(π
Exemplo:
Encontre o volume do sólido gerado pela rotação em torno do eixo x, da região limitada
pela parábola y = x2
+ 1 e a reta y = x + 3
AULA 24 – EXERCÍCIOS
1) Seja f(x) = x2
+ 1, determine o volume
do sólido gerado pela rotação em torno do
eixo x, da região do plano limitada por f(x),
pelo eixo x e as retas x = -1 e x = 1.
2) Seja
x
xf
1
)( = , determine o volume do
sólido gerado pela rotação em torno do eixo
x, da região limitada por f(x), pelo eixo x e
as retas x = 1 e x = 3.
3) Seja f(x) = x2
– 4x, determine o volume
do sólido gerado pela rotação em torno do
eixo x, da região do plano limitada por f(x) e
pelo eixo x.
4) Em cada um dos exercícios abaixo esboce
a região R delimitada pelos gráficos das
equações dadas e determine o volume do
sólido gerado pela rotação de r em torno do
eixo x.
a) y = x2
, y = 4 – x2
b) y = 2x, y = 6, x = 0
c)
2
x
y = , y = 4, x = 1
Respostas:
1) ..
15
56
vu
π
2) ..
3
2
vu
π
3) ..
15
512
vu
π
4) a) ..
3
264
vu
π
b) π72 u.v.
c) ..
12
833
vu
π](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-125-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
147
AULA 28 – EXERCÍCIOS
1) 0
cot
=−+
x
gx
x
y
dx
dy
2) arctgxy
dx
dy
x =++ )1( 2
3) xytgx
dx
dy
cos. +=
4) x
x
y
dx
dy
=−
5)
32
x
x
y
dx
dy
=+
6) Achar a solução particular para y = 0 e x
= 0 em
x
ytgx
dx
dy
cos
1
=−
Respotas:
1) [ ]Csenx
x
y += )ln(
1
2)
arctgx
eCarctgxy −
+−= .1
3) xCxsenxy sec2
4
1
2
1
1 ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
++=
4)
2
xCxy +=
5) 2
4
6
1
x
C
xy +=
6)
x
x
y
cos
=](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-148-320.jpg)
![Cálculo Diferencial e Integral
148
AULA 29
11.6 - EQUAÇÃO DE BERNOULLI
Equação da forma:
n
QyPy
dx
dy
=+ (1) para 1≠n e 0≠n
Pois, se:
n = 0 ⇒ y’ + P(x)y = g(x) ⇒ caso anterior
n = 1 ⇒ y’ + [P(x) – g(x)] y = 0 ⇒ caso anterior e homogênea
Transformação de variável:
Substitui por ty n
=−1
Deriva-se em relação a x:
dx
dt
dx
dy
yn n
=− −
)1( (2)
Substituindo (1), que é:
n
QyPy
dx
dy
=+ ⇒ PyQy
dx
dy n
−=
em (2) temos:
( ) dx
dt
PyQyyn nn
=−− −
)1(
( )( ) dx
dt
PyQn n
=−− −1
1
como ty n
=−1
, temos:
dx
dt
PtQn =−− ))(1(
QntPn
dx
dt
)1(])1[( −=−+
Tornando-se assim uma equação linear a ser resolvida pelo método anterior.](https://image.slidesharecdn.com/apostilaclculo1-150314134541-conversion-gate01/85/Apostila-calculo-1-149-320.jpg)
Carregado porGabriel Mendes
Apostila cálculo 1
1) O documento discute conceitos básicos de funções matemáticas, incluindo domínio, imagem, composição e função inversa. 2) Apresenta exemplos para ilustrar esses conceitos, como determinar se uma relação é uma função, calcular imagem e composição de funções. 3) Explica como determinar a função inversa de uma função bijetora, trocando a variável independente pela dependente e isolando-a.
Apostila cálculo 1
- 1. Ministério da Educação UniversidadeTecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Gerência de Ensino e Pesquisa Departamento Acadêmico de Matemática CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL Prof
- 2. Cálculo Diferencial eIntegral 1 AULA 01 1 - FUNÇÕES 1.1 - Conceito matemático de função Definição 1: Domínio da função é o conjunto de todos os valores dados para a variável independente. Definição 2: Imagem da função é o conjunto de todos os valores correspondentes da variável dependente. Como, em geral, trabalhamos com funções numéricas, o domínio e a imagem são conjuntos numéricos, e podemos definir com mais rigor o que é uma função matemática utilizando a linguagem da teoria dos conjuntos. Para isso, temos que definir antes o que é um produto cartesiano e uma relação entre dois conjuntos. Definição 3: Produto cartesiano: Dados dois conjuntos não vazios A e B , denomina-se produto cartesiano (indica-se: A × B ) de A por B o conjunto formado pelos pares ordenados nos quais o primeiro elemento pertence a A e o segundo pertence a B . (Eq.1) A × B ={( x , y )/ x ∈ A e y ∈ B }. Definição 4: Relação: Dados dois conjuntos A e B , dá-se o nome de relação r de A em B a qualquer subconjunto de A × B . (Eq.2) r é relação de A em B ⇔ r ⊂ A × B . Exemplo: Sejam os conjuntos A ={0,1,2,3}, B ={0,2,4,6,8,10} e a relação r de A em B , tal que y =2 x , x ∈ A e y ∈ B . Escrever os elementos dessa relação r . Como x ∈ A : x =0 ⇒ y =0 ⇒ (0,0)∈ A × B ; x =1 ⇒ y =2 ⇒ (1,2)∈ A × B ; x =2 ⇒ y =4 ⇒ (2,4)∈ A × B ; x =3 ⇒ y =6 ⇒ (3,6)∈ A × B . Então, r ={(0,0), (1,2), (2,4), (3,6)}. 3210 1 2 3 4 5 6 y x 7 8 9 10 [Fig.1]: Representação da relação por diagrama. [Fig.2]: Representação da relação por sistema cartesiano. 0 0A B 1 2 3 2 4 6 8 10 r
- 3. Cálculo Diferencial eIntegral 2 Obs.: Podemos observar que, numa relação r de A em B , o conjunto r é formado pelos pares ( x , y ) em que o elemento x ∈ A é associado ao elemento y ∈ B mediante uma lei de associação (no caso, y =2 x ). 1.2 - Definição de função Definição 5: Sejam A e B dois conjuntos não vazios e f uma relação de A em B . Essa relação f é uma função de A em B quando a cada elemento x do conjunto A está associado um e apenas um elemento y do conjunto B . Nos exercícios a seguir, verifique se as relações representam função de A em B . Juntifique sua resposta e apresente o diagrama da relação. Exemplos: 1) Dados os conjuntos A ={0,5,15} e B ={0,5,10,15,20,25}, seja a relação de A em B expressa pela fórmula y = x +5, com x ∈ A e y ∈ B . 0 0A B 5 15 5 10 15 20 25 x =0 ⇒ y =5 ⇒ (0,5)∈ A × B ; x =5 ⇒ y =10 ⇒ (5,10)∈ A × B ; x =15 ⇒ y =20 ⇒ (15,20)∈ A × B . • Todos os elementos de A estão associados a elementos de B . • A cada elemento de A está associado um único elemento de B . Neste caso, a relação de A em B expressa pela fórmula y = x +5 é uma função de A em B . 2) Dados os conjuntos A ={−2,0,2,5} e B ={0,2,5,10,20}, seja a relação de A em B expressa pela fórmula y = x , com x ∈ A e y ∈ B . 0 A B 2 5 0 2 5 10 20 -2 x =0 ⇒ y =0 ⇒ (0,0)∈ A × B ; x =2 ⇒ y =2 ⇒ (2,2)∈ A × B ; x =5 ⇒ y =5 ⇒ (5,5)∈ A × B . • O elemento −2 de A não está associado a nenhum elemento de B . Neste caso, a relação de A em B não é uma função de A em B .
- 4. Cálculo Diferencial eIntegral 3 3) Dados os conjuntos A ={−3,−1,1,3} e B ={1,3,6,9}, seja a relação de A em B expressa pela fórmula y = 2 x , com x ∈ A e y ∈ B . A B 1 3 1 3 6 9 -3 -1 x =−3 ⇒ y =9 ⇒ (−3,9)∈ A × B ; x =−1 ⇒ y =1 ⇒ (−1,1)∈ A × B ; x =1 ⇒ y =1 ⇒ (1,1)∈ A × B ; x =3 ⇒ y =9 ⇒ (3,9)∈ A × B . • Todos os elementos de A estão associados a elementos de B . • A cada elemento de A está associado um único elemento de B . Neste caso, a relação de A em B expressa pela fórmula y = 2 x é uma função de A em B . 4) Dados os conjuntos A ={16,81} e B ={−2,2,3}, seja a relação de A em B expressa pela fórmula 4 y = x , com x ∈ A e y ∈ B . A B 81 -2 2 3 16 x =16 ⇒ y =−2 ou y =2 ⇒ (16,−2) e (16,2)∈ A × B ; x =81 ⇒ y =3 ⇒ (81,3)∈ A × B . • Todos os elementos de A estão associados a elementos de B . • O elemento 16 do conjunto A está associado a dois elementos do conjunto B . Neste caso, a relação de A em B não é uma função de A em B . 1.3 – Notação de Função Quando temos uma função de A em B , podemos representá-la da seguinte forma: f : A → B (lê-se: função de A em B ) x a y (lê-se: a cada valor de x ∈ A associa-se um só valor y ∈ B ) A letra f , em geral, dá o nome às funções, mas podemos ter também a função g , h , etc. Numa função g : R → R , dada pela fórmula y = 2 x −8, podemos também escrever g ( x )= 2 x −8. Neste caso, g ( 2 ) significa o valor de y quando x = 2 , ou g ( 2 )=−6.
- 5. Cálculo Diferencial eIntegral 4 1.4 - Domínio, contradomínio e imagem de uma função Uma função f com domínio A e imagens em B será denotada por: f : A → B (função que associa valores do conjunto A a valores do conjunto B ) x a y = f ( x ) (a cada elemento x ∈ A corresponde um único y ∈ B ) O conjunto A é denominado domínio da função, que indicaremos por D . O domínio da função também chamado campo de definição ou campo de existência da função, serve para definir em que conjunto estamos trabalhando, isto é, os valores possíveis para a variável x . O conjunto B é denominado contradomínio da função, que indicaremos por CD . É no contradomínio que estão os elementos que podem corresponder aos elementos do domínio. Cada elemento x do domínio tem um correspondente y no contradomínio. A esse valor de y damos o nome de imagem de x pela função f . O conjunto de todos os valores de y que são imagens de valores de x forma o conjunto imagem da função, que indicaremos por Im . Note que o conjunto imagem da função é um subconjunto do contradomínio da mesma. f : A → B x a y = f ( x ) D = A , CD = B , Im ={ y ∈CD / y é correspondente de algum valor de x }. Exemplos: 1) Dados os conjuntos A ={−3,−1,0,2} e B ={−1,0,1,2,3,4}, determinar o conjunto imagem da função f : A → B definida por f ( x )= x +2. f (−3)=(−3)+2=−1 f (−1)=(−1)+2=1 f (0)=(0)+2=2 f (2)=(2)+2=4 A B 0 2 0 1 2 3 4 -3 -1 -1 Im ={−1,1,2,4} 2) Dada a função f : R → R definida por f ( x )= a x +b , com a ,b ∈ R , calcular a e b , sabendo que f (1)=4 e f (−1)=−2. A lei de formação da função é f ( x )= a x +b ou y = a x +b . f (1)=4 ⇒ x =1 e y =4 ⇒ 4= a ⋅1+b (i) f (−1)=−2 ⇒ x =−1 e y =−2 ⇒ −2= a ⋅(−1)+b (ii) De (i) e (ii), temos: a + b = 4 − a + b = −2 2b = 2 ⇒ b =1 e a =3 a =3 e b =1 ⇒ f ( x )=3 x +1.
- 6. Cálculo Diferencial eIntegral 5 1.5 – Função Composta Tome as funções f : A → B , definida por f ( x )=2 x , e g : B →C , definida por g ( x )= 2 x . Note que o contradomínio B da função f é o mesmo domínio da função g . f : A → B : a cada x ∈ A associa-se um único y ∈ B , tal que y =2 x . g : B →C : a cada y ∈ B associa-se um único z ∈C , tal que z = 2 y . Neste caso, podemos considerar uma terceira função, h : A →C , que faz a composição entre as funções f e g : A B C g h f x y z [Fig. 1]: Função composta h : A →C : a cada x ∈ A associa-se um único z ∈C , tal que z = 2 y = 2 2 )( x =4 2 x . Essa função h de A em C , dada por h ( x )=4 2 x , é denominada função composta de g e f . De um modo geral, para indicar como o elemento z ∈C é determinado de modo único pelo elemento x ∈ A , escrevemos: z = g ( y )= g ( f ( x )) Notação: A função composta de g e f será indicada por g o f (lê-se: g círculo f ) (Eq.3) ( g o f )( x )= g ( f ( x )) Exemplos: 1) Sejam as funções reais f e g definidas respectivamente por f ( x )= x +1 e g ( x )=2 2 x −3. Determine: a) f ( g ( x )). f ( g ( x ))= f (2 2 x −3)=2 2 x −3+1=2 2 x −2 f ( g ( x ))=2 2 x −2. b) g ( f ( x )). g ( f ( x ))= g ( x +1)=2 2 1)( +x −3=2( 2 x +2 x +1)−3=2 2 x +4 x +2−3=2 2 x +4 x −1 g ( f ( x ))=2 2 x +4 x −1. c) Os valores de x para que se tenha f ( g ( x ))= g ( f ( x )). f ( g ( x ))= g ( f ( x )) 2 2 x −2=2 2 x +4 x −1 −2=4 x −1 4 x =1−2 x =− 4 1 .
- 7. Cálculo Diferencial eIntegral 6 3210 1 2 3 4 y x-1 -2 -1-2 4 f f -1 2) Sendo f ( x )=3 x −1 e f ( g ( x ))=6 x +8, determine g ( x ). Como f ( x )=3 x −1, então f ( g ( x ))=3⋅ g ( x )−1. Como f ( g ( x ))=6 x +8, então 3⋅ g ( x )−1=6 x +8. 3⋅ g ( x )−1=6 x +8 3⋅ g ( x )=6 x +8+1 g ( x )= 3 96 +x g ( x )=2 x +3. 1.6 – Função Inversa Definição 6: Função bijetora: A função f é denominada BIJETORA, se satisfaz as duas condições abaixo: • 1. O contradomínio de f coincide com sua imagem, ou seja, todo elemento do contradomínio é correspondente de algum elemento do domínio. • 2. Cada elemento do contradomínio de f é imagem de um único elemento do domínio. Definição 7: Diz-se que uma função f possui inversa 1− f se for bijetora. 1.6.1 – Determinação da Função Inversa Caso a função seja bijetora, possuindo portanto inversa, é possível determinar a sua inversa. Para isso “trocamos” a variável x por y na lei que define a função e em seguida “isolamos” o y , obtendo a lei que define a função inversa. É preciso apenas tomar certo cuidado com o domínio da nova função obtida. Exemplo: 1) Obter a lei da função inversa 1− f da função f dada por y = x +2. y = x +2 ⇒ função f . x = y +2 ⇒ trocando a variável x por y e y por x . y = x −2 ⇒ isolando y . Então, y = x −2 é a lei da função inversa da função dada por y = x +2. Logo: f ( x )= x +2 e 1− f ( x )= x −2 2) Construir os gráficos das funções f e 1− f do exercício anterior, num mesmo sistema de coordenadas. x f ( x ) x 1− f ( x ) −1 1 1 −1 0 2 2 0 1 3 3 1 2 4 4 2 Note que os gráficos das funções f e 1− f são simétricos em relação à reta que contém as bissetrizes do 1o e 3o quadrantes.
- 8. Cálculo Diferencial eIntegral 7 3) Determinar a função inversa 1− g da função g ( x )= 32 5 − + x x , cujo domínio é D = R − ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ 2 3 . y = 32 5 − + x x ⇒ função g . x = 32 5 − + y y ⇒ trocando a variável x por y e y por x . (2 y −3) x = y +5 ⇒ isolando y . 2 x y −3 x − y =5 y (2 x −1)=3 x +5 y = 12 53 − + x x ⇒ 2 x −1≠0 ⇒ x ≠ 2 1 . Logo, 1− g : R − ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ 2 1 → R − ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ 2 3 dada por y = 12 53 − + x x é a função inversa procurada. AULA 01 – EXERCÍCIOS 1) Seja a relação de A = {0, 1, 3} em B = {0, 1, 2, 3, 4, 5} definida por g(x) = x2 – 4x + 3. Faça o diagrama de g e verifique se g é uma função de A em B. Em caso afirmativo escreva o conjunto imagem. 2) Seja a função f de D = {1, 2, 3, 4, 5} em R definida por f(x) = (x – 2)(x – 4). Determine o seu conjunto imagem. 3) Sejam f e g funções reais definidas, para todo o número real não nulo, por: ( )2 5 83)( −⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +−= x x xxf e ( )23 3 1 3 5 )( 2 +−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= xx x xg Se a e b são números reais distintos tais que f(a) = g(a) e f(b) = g(b), calcule a + b 4) Considere a função f(x) real, definida por f(1) = 43 e f(x + 1) = 2f(x) – 15. Determine o valor de f(0) 5) Determine o domínio das seguintes funções: a) 54)( −= xxf b) 1 3 )( 2 − = x xf c) xy 21−= d) 2 7 4 1 3 1 )( − − − + + + = x x xx x xf 6) Sendo 1 1 )( − = x xf , x ≠ 1 e 42)( −= xxg , ache o valor de ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 ))2(( fggf . 7) Se 1 1 )( − = x xf , qual o valor de x para que f(f(x)) = 1? 8) Dada a função 5 62 )( − + = x x xf com x ≠ 5. calcule: a) f-1 (x) b) f-1 (4) Respostas: 1) sim, Im{0, 3} 2) Im = {-1, 0, 3} 3) 3 4) 29 5) a) D = R b) D = R – {-1, 1} c) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ≤∈= 2 1 | xRxD d) { }2,,43| ≠<<−∈= xexRxD 6) – 9 7) 2 3 =x 8) a) 2 65 − + x x b) 13
- 9. Cálculo Diferencial eIntegral 8 AULA 02 2- FUNÇÃO POLINOMIAL Definição 8: Função polinomial com uma variável ou simplesmente função polinomial é aquela cuja formulação matemática é expressa por um polinômio. 2.1 - Função polinomial do 1o grau A função polinomial do 1o grau é a que tem sua representação matemática por um polinômio de grau 1. Representação da função polinomial do 1o grau: f ( x )= a x +b , com a,b ∈ R ( a≠0). a e b são os coeficientes e x a variável independente. Exemplo: Em uma função polinomial do 1o grau, y = f ( x ), sabe-se que f (1)=4 e f (−2)=10. Escreva a função f e calcule f ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 . Se f é polinomial do 1o grau, então podemos escrever: y = a x +b . Usando os dados do problema: f (1)=4 ⇒ x =1 e y =4. Então, a ⋅1+b =4 ⇒ a+b =4 (i). f (−2)=10 ⇒ x =−2 e y =10. Então, a ⋅(−2)+b =10 ⇒ −2 a +b =10 (ii). Resolvendo o sistema formado por (i) e (ii): (i) a + b = 4 a + b = 4 (ii) −2a + b = 10 ⋅(−1) 2a − b = −10 3a = −6 ⇒a =−2 Se a =−2, então −2+b =4 ⇒ b =6. A função f é dada por f ( x )=−2 x +6. Cálculo de f ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 : f ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 =−2⋅ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 +6=1+6=7 A função é f ( x )=−2 x +6 e f ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 =7. 2.1.1 - Função linear Seja a função polinomial do 1o grau f ( x )= a x +b . No caso de b =0, temos f ( x )= a x , e ela recebe o nome especial de função linear. Obs.: Se, em uma função linear tivermos a=1, teremos f ( x )= x ou y = x , que se dá o nome de função identidade.
- 10. Cálculo Diferencial eIntegral 9 2.1.2 – Gráfico de uma função polinomial do 1o grau Para construir o gráfico de uma função polinomial do 1o grau, atribuímos valores do domínio à variável x e calculamos as respectivas imagens. Exemplo: Construir o gráfico da função real f dada por y =2 x −1. x y Par ordenado −2 −5 (−2,−5) −1 −3 (−1,−3) 0 −1 (0,−1) 1 1 (1,1) 2 3 (2,3) 3 5 (3,5) 3210 1 2 3 4 y x -1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 Definição 9: O gráfico da função linear y = a x ( a ≠0) é sempre uma reta que passa pela origem do sistema cartesiano. Definição 10: O gráfico da função polinomial do 1o grau y = a x +b ( a ≠0) intercepta o eixo das ordenadas no ponto (0,b ). 2.1.3 – Determinação de uma função a partir do gráfico Nos exercícios abaixo, determine a lei de formação da função f ( x )= a x +b . Exemplo: 1) Determine a lei de formação da função f , cujo gráfico cartesiano é: 3210 1 2 3 4 y x-1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5
- 11. Cálculo Diferencial eIntegral 10 Sabendo-se que y = a x +b , do gráfico, temos que: x =−1 e y =−1 ⇒ −1= a ⋅(−1)+b ⇒ − a +b =−1 (i). x =1 e y =3 ⇒ 3= a ⋅(1)+b ⇒ a +b =3 (ii). (i) − a + b = −1 (ii) a + b = 3 2b = 2 ⇒ b =1 Se b =1, então a +b =3 ⇒ a +1=3 ⇒ a =2 Logo: A função é f ( x )=2 x +1. 2) Determine a lei de formação da função f , cujo gráfico cartesiano é: 3210 1 2 3 4 y x -1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 Sabendo-se que y = a x +b , do gráfico, temos que: x =1 e y =1 ⇒ 1= a ⋅(1)+b ⇒ a +b =1 (i). x =2 e y =−2 ⇒ −2= a ⋅(2)+b ⇒ 2 a +b =−2 (ii). (i) a + b = 1 ⋅(−1) − a − b = −1 (ii) 2 a + b = −2 2 a + b = −2 a = −3 ⇒ a =−3 Se a =−3, então −3+b =1 ⇒ ⇒ b =4 Logo: A função é f ( x )=−3 x +4. 2.1.4 - Crescimento e decrescimento de uma função polinomial do 1o grau Seja f a função polinomial do 1o grau definida por f ( x )= a x +b . Podemos determinar que: • i) A função f é crescente se o coeficiente a>0; • ii) A função f é decrescente se o coeficiente a<0. Exemplo:
- 12. Cálculo Diferencial eIntegral 11 Construir os gráficos das funções f e g do 1o grau a seguir: i) f ( x )=2 x +1 ii) g ( x )=−2 x +1 3210 1 2 3 4 y x -1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 3210 1 2 3 4 y x -1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 i) Aumentando os valores atribuídos a x , aumentam também os valores correspondentes da imagem f ( x ). ii) Aumentando os valores atribuídos a x , diminuem os valores correspondentes da imagem g ( x ). 2.1.5 - Estudo do sinal da função polinomial do 1o grau Definição 11: Estudar o sinal de uma função f significa determinar para que valores de x temos f ( x )>0, f ( x )<0 ou f ( x )=0. 2.1.5.1 - Zero de uma função polinomial do 1o grau Definição 12: Denomina-se zero ou raiz da função f ( x )= a x +b o valor de x que anula a função, isto é, torna f ( x )=0. Definição 13: Geometricamente, o zero da função polinomial do 1o grau f ( x )= a x +b , a≠0, é a abscissa do ponto em que a reta corta o eixo x . Exemplo: Dada a lei de formação da função y =−2 x −4, construir o gráfico e determinar os valores reais de x para os quais: a) y =0; b) y >0 e c) y <0. Podemos notar que a função é decrescente, pois a <0. O zero da função é: −2 x −4=0 ⇒ −2 x =4 ⇒ 2 x =−4 ⇒ x =−2. Logo, a reta intercepta o eixo x no ponto de abscissa x =−2. A solução do problema é: • a) f ( x )=0 ⇒ { x ∈ R ; x =−2}; • b) f ( x )>0 ⇒ { x ∈ R ; x <−2}; • c) f ( x )<0 ⇒ { x ∈ R ; x >−2}. 3210 1 2 3 4 y x-1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 5-3-4-5
- 13. Cálculo Diferencial eIntegral 12 2.1.5.2 – Quadro de sinais da função polinomial do 1o grau f ( x )=a x +b , a≠0 Zero da função: a x +b =0 ⇒ x =− a b a>0 a<0 x xf( )>0xf( )<0 x a b a b a xb xf( )<0xf( )>0 x a b f ( x )= 0 ⇒ x = − a b f ( x )= 0 ⇒ x = − a b f ( x )> 0 ⇒ x > − a b f ( x )> 0 ⇒ x < − a b f ( x )< 0 ⇒ x < − a b f ( x )< 0 ⇒ x > − a b 2.2 – Inequações do 1o grau Definição 14: Denomina-se inequação do 1o grau na variável x toda desigualdade que pode ser reduzida a uma das formas: • a x +b ≥0; • a x +b >0; • a x +b ≤0; • a x +b <0. com a, b ∈ R e a ≠0. Exemplo: Verificar se 4( x −1)− 2 x ≥3 x − x ( x +1) é uma inequação do 1o grau. 4( x −1)− 2 x ≥3 x − x ( x +1) 4 x −4− 2 x ≥3 x − 2 x − x 4 x −3 x + x −4≥0 2 x −4≥0 Logo, 2 x −4 é um polinômio do 1o grau, então 4( x +1)− 2 x ≥3 x − x ( x +1) é uma inequação do 1o grau. 2.2.1 - Resolução de inequações do 1o grau Definição 15: Para se resolver uma inequação do 1o grau, são utilizadas as propriedades das desigualdades, apresentando-se o conjunto verdade da inequação (conjunto solução S).
- 14. Cálculo Diferencial eIntegral 13 Exemplos: 1) Resolver a inequação seguinte: 4( x −1)− 2 x ≥3 x − x ( x +1). Represente a solução na reta real. 4( x −1)− 2 x ≥3 x − x ( x +1) 4 x −4− 2 x ≥3 x − 2 x − x 4 x −3 x + x −4≥0 2 x ≥4 x ≥2 S={ x ∈ R ; x ≥2} x 2 2) Resolver a inequação seguinte: 3 1−x + 2 14 )( x− > 4 x + 6 2 x− . Represente a solução na reta real. 3 1−x + 2 14 )( x− > 4 x + 6 2 x− Reduzindo os dois membros ao menor denominador comum: 12 242444 xx −+− > 12 243 xx −+ Simplificando: −20 x +20> x +4 −20 x − x >−20+4 −21 x >−16 Multiplicando por (−1): 21 x <16 x < 21 16 S={ x ∈ R ; x < 21 16 } x 16 21 2.2.2 - Sistemas de inequações do 1o grau Definição 16: O conjunto solução S de um sistema de inequações é determinado pela intersecção dos conjuntos soluções de cada inequação do sistema. Exemplo: Resolver a inequação −1<2 x −3≤ x . Apresente o conjunto solução S e represente na reta real. Na verdade, resolver essa inequação simultânea é equivalente a resolver o sistema: (i) −1 < 2 x −3 (i) x > 1 (ii) 2 x −3 ≤ x (ii) x ≤ 3 x x x 1 3 (i) (ii)(i) ∩ (ii) S={ x ∈ R ; 1< x ≤3}
- 15. Cálculo Diferencial eIntegral 14 2.2.3 - Inequação-produto e inequação-quociente Uma inequação do 2o grau do tipo 2 x +2 x −8≥0 pode ser expressa por um produto de inequações do 1o grau, fatorando o 1o membro da desigualdade: 2 x +2 x −8≥0 ⇒ ( x −2)⋅( x +4)≥0. Definição 17: RESOLUÇÃO: Para resolver uma inequação-produto ou uma inequação-quociente, fazemos o estudo dos sinais das funções polinomiais do 1o grau envolvidas. A seguir, determinamos o sinal do produto ou quociente dessas funções, lembrando as regras de sinais do produto e do quociente de números reais. Exemplos: 1) Resolver a inequação ( 2 x + x −2)⋅(− x +2)≤0. ( 2 x + x −2)⋅(− x +2)≤0 ⇒ ( x +2)⋅( x −1)⋅(− x +2)≤0 f(x) = x +2 ⇒ f(x) = 0 ⇒ x = −2 a > 0 g(x) = x −1 ⇒ g(x) = 0 ⇒ x = 1 a > 0 h(x) = − x +2 ⇒ h(x) = 0 ⇒ x = 2 a < 0 x -2 2 ( )g x( )f x( )h x( )x( )x( )f g h 1 S={ x ∈ R ; −2≤ x ≤1 ou x ≥2} 2) Resolver a inequação 2 13 − +− x x ≥0. f(x) = −3 x +1 ⇒ f(x) = 0 ⇒ x = 1/3 a < 0 g(x) = x −2 ⇒ g(x) = 0 ⇒ x = 2 a < 0 x 2 ( )g x( )f x( ) x( )f g 1 3 S={ x ∈ R ; 3 1 ≤ x <2}
- 16. Cálculo Diferencial eIntegral 15 3) Resolver a inequação 2 92 − − x x ≤0. 2 92 − − x x ≤0 ⇒ 2 33 − −⋅+ x xx )()( ≤0 f(x) = x +3 ⇒ f(x) = 0 ⇒ x = −3 a > 0 g(x) = x −3 ⇒ g(x) = 0 ⇒ x = 3 a > 0 h(x) = x −2 ⇒ h(x) = 0 ⇒ x = 2 a > 0 x -3 3 ( )g x( )f x( )h x( ) x( )x( )f g h 2 S={ x ∈ R ; x ≤−3 ou 2< x ≤3} 4) Determine o domínio da função y = 5 322 − −+ x xx . 5 322 − −+ x xx ≥0 ⇒ 5 13 − −⋅+ x xx )()( ≥0 f(x) = x +3 ⇒ f(x) = 0 ⇒ x = −3 a > 0 g(x) = x −1 ⇒ g(x) = 0 ⇒ x = 1 a > 0 h(x) = x −5 ⇒ h(x) = 0 ⇒ x = 5 a > 0 x -3 5 ( )g x( )f x( )h x( ) x( )x( )f g h 1 D={ x ∈ R ; −3≤ x ≤1 ou x >5}
- 17. Cálculo Diferencial eIntegral 16 AULA 02 – EXERCÍCIOS 1) Dada a função f(x) = 5x – 2, determine: a) f(2) b) o valor de x para que f(x) = 0 2) Em uma função polinomial do 1o grau, y = f(x), sabe-se que f(1) = 4 e f(-2) = 10. Escreva a função f e calcule ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 f 3) Um vendedor recebe mensalmente um salário composto de duas partes: uma parte fixa, no valor de R$900,00 e uma variável, que corresponde a uma comissão de 8% do total de vendas que ele fez durante o mês. a) Expressar a lei da função que representa seu salário mensal b) Calcular o salário do vendedor que durante um mês ele vendeu R$ 50.000,00 em produtos 4) Num determinado país, o gasto governamental com educação, por aluno em escola pública, foi de 3.000 dólares no ano de 1985, e de 3.600 dólares em 1993. Admitindo que o gráfico do gasto por aluno em função do tempo seja constituído de pontos de uma reta: a) Obtenha a lei que descreve o gasto por aluno (y) em função do tempo (x), considerando x = 0 para o ano de 1985, x = 1 para o ano de 1986, x = 2 para o ano de 1987 e assim por diante. b) Em que ano o gasto por aluno será o dobro do que era em 1985? 5) Considere as funções f e g definidas em R por f(x) = 8 – x e g(x) = 3x a) Ache as raízes das funções f e g b) Sabendo que os gráficos de f e g são retas concorrentes, calcule as coordenadas do ponto de intersecção. 6) Resolver a inequação 4x – 1 + 2(1 – 3x) ≤ 0 7) Determinar o conjunto verdade da inequação: 6 2 42 )1(4 3 1 xxxx − +> − + − 8) Resolver o sistema ⎩ ⎨ ⎧ <−− ≥− 03 512 x x 9) João possui um terreno de 1000m2 , no qual pretende construir uma casa. Ao engenheiro responsável pela planta, ele impõe as seguintes condições: a área destinada ao lazer (piscina, churrasqueira, etc) deve ter 200m2 , e a área interna da casa mais a área de lazer devem ultrapassar 50% da área total do terreno; além disso, o custo para construir a casa deverá ser de, no máximo, R$ 200.000,00. Sabendo que o metro quadrado construído nessa região custa R$ 500,00, qual é a área interna da casa que o engenheiro poderá projetar? 10) Determinar o domínio da função 3 1 +− − = x x y Respostas: 1) a) 8 b) 2/5 2) f(x) = - 2x + 6 e f(-1/2) = 7 3) a) y = 900 + 0,08x b) R$ 4900,00 4) a) y = 75x + 3000 b) 2025 5) a) 8 e 0 b) (2, 6) 6) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ≥∈= 2 1 | xRxS 7) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ <∈= 21 16 | xRxS 8) { }3| ≥∈= xRxS 9) entre 300m2 e 400m2 10) { }31| <≤∈= xRxD
- 18. Cálculo Diferencial eIntegral 17 AULA 03 2.3 - Função polinomial do 2o grau Definição 18: A função f : R → R dada por f ( x )= a 2 x +b x + c , com a , b e c reais e a ≠0, denomina-se função polinomial do 2o grau ou função quadrática. Os números representados por a , b e c são os coeficientes da função. Note que se a =0 temos uma função do 1o grau ou uma função constante. Exemplo: Considere a função f do 2o grau, em que f (0)=5, f (1)=3 e f (−1)=1. Escreva a lei de formação dessa função e calcule f (5). Resolução Tome f ( x )= a 2 x +b x + c , com a ≠0. f (0) = 5 ⇒ a (0)2 +b (0)+ c = 5 ⇒ c = 5 c = 5 f (1) = 3 ⇒ a (1)2 +b (1)+ c = 3 ⇒ a +b = −2 i) f (−1) = 1 ⇒ a (−1)2 +b (−1)+ c = 1 ⇒ a −b = −4 ii) Resolvendo o sistema formado por (i) e (ii): (i) a + b = −2 (ii) a − b = −4 (i)+(ii) 2 a = −6 ⇒ a = −3 ⇒ b = 1 A lei de formação da função será f ( x )=−3 2 x + x +5 f (5)=−3(5)2 +(5)+5 f (5)=−65. 2.3.1 - Gráfico de uma função quadrática O gráfico de uma função polinomial do 2o grau ou quadrática é uma curva aberta chamada parábola. Para evitar a determinação de um número muito grande de pontos e obter uma boa representação gráfica, vamos destacar três importantes características do gráfico da função quadrática: (i) Concavidade (ii) Zeros ou raízes (iii) Vértice 2.3.2 - Concavidade A concavidade de uma parábola que representa uma função quadrática f ( x )= a 2 x +b x + c do 2o grau depende do sinal do coeficiente a :
- 19. Cálculo Diferencial eIntegral 18 a >0: concavidade para CIMA a <0: concavidade para BAIXO [Fig.4]: Concavidade de uma função quadrática. 2.3.3 - Zeros de uma função quadrática Definição 19: Os zeros ou raízes da função quadrática f ( x )= a 2 x +b x + c são as raízes da equação do 2o grau a 2 x +b x + c =0, ou seja: Raízes: x = a acbb 2 42 −±− . Considerando Δ= 2 b −4 a c , pode-se ocorrer três situações: • i) Δ>0 ⇒ as duas raízes são reais e diferentes: 1x = a b 2 Δ+− e 2x = a b 2 Δ−− . • ii) Δ=0 ⇒ as duas raízes são reais e iguais (raiz dupla): 1x = 2x =− a b 2 . • iii) Δ<0 ⇒ não há raízes reais. Obs.: Em uma equação do 2o grau a 2 x +b x + c =0, a soma das raízes é S e o produto é P tal que: S= 1x + 2x =− a b e P= 1x ⋅ 2x = a c . Definição 20: Geometricamente, os zeros ou raízes de uma função polinomial do 2o grau são as abscissa dos pontos em que a parábola intercepta o eixo x . 2.3.4 - Vértice da parábola Considere as parábolas abaixo e observe o vértice V ( Vx , Vy ) em cada uma: x y x y x2x1 x1 x2 V( ),xV yV V( ),xV yV Eixo de simetria [Fig.5]: Vértice de parábolas (Δ>0 para as duas).
- 20. Cálculo Diferencial eIntegral 19 Uma forma de se obter o vértice V ( Vx , Vy ) é: • Vx = 2 21 xx + , já que o vértice encontra-se no eixo de simetria da parábola; • Vy = a 2 Vx +b Vx + c , já que o Vx foi obtido acima. Outra forma de se obter o vértice V ( Vx , Vy ) é aplicando as fórmulas: • Vx =− a b 2 e Vy =− a4 Δ . 2.3.5 - Gráfico de uma parábola Com o conhecimento das principais características de uma parábola, podemos esboçar com mais facilidade o gráfico de uma função quadrática. Exemplos: 1) Construir o gráfico da função y = 2 x +2 x , determinando sua imagem. a =1>0 ⇒ concavidade voltada para cima. Zeros da função: 2 x +2 x =0 ⇒ x ( x +2)=0 ⇒ 1x =0 e 2x =−2. Ponto onde a parábola corta o eixo y : x =0 ⇒ y =0 ⇒ (0,0) Vértice da parábola: Vx =− a b 2 =− 2 2 =−1 Vy =− a4 Δ =− 4 4 =−1 ⇒ V (−1,−1) Imagem: y ≥−1 para todo x Real Im ={ y ∈ R ; y ≥−1} 3210 1 2 3 4 y x -1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 5-3-4-5 V 2) Construir o gráfico da função y =− 2 x +4 x −5, determinando sua imagem. a =−1<0 ⇒ concavidade voltada para baixo. Zeros da função: − 2 x +4 x −5=0 ⇒ Δ=−4. ∃/ zeros reais. Ponto onde a parábola corta o eixo y : x =0 ⇒ y =−5 ⇒ (0,−5) Vértice da parábola: Vx =− a b 2 =− 2 4 − =2 Vy =− a4 Δ =− 4 4 − − =−1 ⇒ V (2,−1) Imagem: y ≤−1 para todo x Real Im ={ y ∈ R ; y ≤−1} 3210 1 2 3 4 y x-1 -2 -1-2 4 5 -3 -4 -5 5-3-4-5 V
- 21. Cálculo Diferencial eIntegral 20 2.3.6 - Estudo do sinal da função quadrática Os valores reais de x que tornam a função quadrática positiva, negativa ou nula, podem ser dados considerando-se os casos, relacionados na tabela abaixo. f ( x )= a 2 x +b x + c com ( a , b e c ∈ R e a ≠0) a >0 a <0 xx2x1 x x1 x2 f ( x )>0 para x < 1x ou x > 2x f ( x )<0 para x < 1x ou x > 2x f ( x )<0 para 1x < x < 2x f ( x )>0 para 1x < x < 2x f ( x )=0 para x = 1x ou x = 2x f ( x )=0 para x = 1x ou x = 2x xx2x1 x x2x1 f ( x )>0 para x ≠ 1x f ( x )<0 para x ≠ 1x f ( x )<0 ∃/ x real f ( x )>0 ∃/ x real f ( x )=0 para x = 1x = 2x f ( x )=0 para x = 1x = 2x x x f ( x )>0 ∀ x real f ( x )<0 ∀ x real f ( x )<0 ∃/ x real f ( x )>0 ∃/ x real f ( x )=0 ∃/ x real f ( x )=0 ∃/ x real 2.4 - Inequações do 2o grau Definição 21: Denomina-se inequação do 2o grau na variável x toda desigualdade que pode ser reduzida a uma das formas: • a 2 x +b x + c ≥0; • a 2 x +b x + c >0; • a 2 x +b x + c ≤0; • a 2 x +b x + c <0. com a, b , c ∈ R e a≠0.
- 22. Cálculo Diferencial eIntegral 21 2.4.1 - Resolução de inequações do 2o grau Definição 22: Para se resolver uma inequação do 2o grau, são utilizadas as propriedades das desigualdades, apresentando-se o conjunto verdade da inequação (conjunto solução S). Exemplo: 1) Resolver a inequação 2 x −3 x +2>0. Resolução Estudar a variação do sinal da função f ( x )= 2 x −3 x +2. a =1>0 ⇒ Concavidade para cima. 2 x −3 x +2=0 Δ=1>0 ⇒ Duas raízes reais diferentes. 1x =1 x = 2 13± 2x =2 x21 S={ x ∈ R ; x <1 ou x >2}. Obs: somente valores positivos. 2) Resolver a inequação 2 x −10 x +25≥0. Resolução Estudar a variação do sinal da função f ( x )= 2 x −10 x +25. a =1>0 ⇒ Concavidade para cima. 2 x −10 x +25=0 Δ=0 ⇒ Raiz dupla (única). 1x = 2x = 2 10 x =5 x 5 S= R . Obs: Todos os valores são positivos ou iguais a zero. 3) Resolver a inequação −2 2 x +5 x −6≥0. Resolução Estudar a variação do sinal da função f ( x )=−2 2 x +5 x −6. a =−2<0 ⇒ Concavidade para baixo. −2 2 x +5 x −6=0 Δ=−23<0⇒ Não possui zeros reais. ∃/ x real x S=∅. Obs: Nunca se tem valores positivos ou iguais a zero. 2.4.2 - Sistemas de inequações do 2o grau Definição 23: O conjunto solução S de um sistema de inequações é determinado pela intersecção dos conjuntos soluções de cada inequação do sistema.
- 23. Cálculo Diferencial eIntegral 22 Exemplo: 1) Resolver o sistema de inequações ⎩ ⎨ ⎧ <+ −≥+ 05 682 22 x xxx . Resolução (i) ⇒ 2 2 x +8≥ 2 x −6 x ⇒ 2 2 x +8− 2 x +6 x ≥0 ⇒ 2 x +6 x +8≥0. (ii) ⇒ x +5<0. Resolução de (i): Estudar a variação do sinal da função f ( x )= 2 x +6 x +8. a =1>0 ⇒ Concavidade para cima. 2 x +6 x +8=0 Δ=4>0 ⇒ Duas raízes reais diferentes. 1x =−4 x = 2 26 ±− 2x =−2 x-2-4 S(i)={ x ∈ R ; x ≤−4 ou x ≥−2}. Reta real: x-2-4 Resolução de (ii): x +5<0 ⇒ x <−5. S(ii)={ x ∈ R ; x ≤−5}. Reta real: x-5 Intersecção entre (i) e (ii) ⇒ (i)∩(ii): x-5 x-5 x-2-4(i) (ii) (i) (ii)∩ S={ x ∈ R ; x ≤−5}. 2) Resolver a inequação x −4< 2 x −4≤ x +2. Resolução (i) ⇒ x −4< 2 x −4 ⇒ x −4− 2 x +4<0 ⋅(−1) ⇒ 2 x − x >0. (ii) ⇒ 2 x −4≤ x +2 ⇒ 2 x −4− x −2≤0 ⇒ 2 x − x −6≤0. Resolução de (i): Estudar a variação do sinal da função f ( x )= 2 x − x . a =1>0 ⇒ Concavidade para cima. 2 x − x =0 x ( x −1)=0 ⇒ Zeros={0,1}. Δ=1>0 ⇒ Duas raízes reais diferentes. 1x =0 x = 2 11± 2x =1 x10 S(i)={ x ∈ R ; x <0 ou x >1}. Reta real: x10
- 24. Cálculo Diferencial eIntegral 23 Resolução de (ii): Estudar a variação do sinal da função g ( x )= 2 x − x −6. a =1>0 ⇒ Concavidade para cima. 2 x − x −6=0 Δ=25>0 ⇒ Duas raízes reais diferentes. 1x =−2 x = 2 51± 2x =3 x3-2 S(ii)={ x ∈ R ; −2≤ x ≤3}. Reta real: x3-2 Intersecção entre (i) e (ii) ⇒ (i)∩(ii): x-2 x x10(i) (ii) (i) (ii)∩ 3 -2 0 1 3 S={ x ∈ R ; −2≤ x <0 ou 1< x ≤3}. 2.4.3 - Inequação-produto e inequação-quociente Definição 24: RESOLUÇÃO: Para resolver uma inequação-produto ou uma inequação-quociente, fazemos o estudo dos sinais das funções polinomiais envolvidas. A seguir, determinamos o sinal do produto ou quociente dessas funções, lembrando as regras de sinais do produto e do quociente de números reais. Exemplos: 1) Resolver a inequação ( 2 x −2 x −3)⋅(− 2 x −3 x +4)>0. Resolução f(x) = 2 x −2 x −3 ⇒ a > 0 ⇒ Δ=16 > 0 ⇒ 1x = -1 e 2x = 3 g(x) = − 2 x −3 x +4 ⇒ a < 0 ⇒ Δ=25 > 0 ⇒ 1x = −4 e 2x = 1 f(x) g(x) x3-1 x1-4 x3-1 x1-4
- 25. Cálculo Diferencial eIntegral 24 x -4 ( )g x( )f x( )x( )f g 1 3-1 S={ x ∈ R ; −4< x <−1 ou 1< x <3}. 2) Resolver a inequação 16 65 2 2 − +− x xx ≥0. Resolução f(x) = 2 x −5 x +6 ⇒ a > 0 ⇒ Δ=1 > 0 ⇒ 1x = 2 e 2x = 3 g(x) = 2 x −16 ⇒ a > 0 ⇒ Δ=64 > 0 ⇒ 1x = −4 e 2x = 4 f(x) g(x) x32 x4-4 x32 x4-4 x -4 ( )g x( )f x( ) x( )f g 3 42 S={ x ∈ R ; x <−4 ou 2≤ x ≤3 ou x >4}. 3) Determine o domínio da função f ( x )= 6 1032 − −− x xx . Resolução f só representa um número real se 6 1032 − −− x xx ≥0. f(x) = 2 x −3 x −10 ⇒ a > 0 ⇒ Δ=49 > 0 ⇒ 1x = −2 e 2x = 5 g(x) = x −6 ⇒ a > 0 ⇒ g(x) = 0 ⇒ x = 6 f(x) g(x) x5-2 x6 x5-2 x6
- 26. Cálculo Diferencial eIntegral 25 x -2 ( )g x( )f x( ) x( )f g 5 6 D ={ x ∈ R ; −2≤ x ≤5 ou x >6}. AULA 03 – EXERCÍCIOS 1) Considere a função f do 20 grau, onde f(0) = 5, f(1) = 3 e f(-1) = 1. Escreva a lei de formação dessa função e calcule f(5). 2) Determine o valor de m para que a parábola que representa graficamente a função y = 3x2 – x + m passe pelo ponto (1, 6) 3) Determinar os zeros da função y = x2 – 4x – 5 4) Seja a função f(x) = x2 – 2x + 3k. Sabendo que essa função possui dois zeros reais iguais, determine o valor real de k. 5) A função f(x) = x2 + kx + 36 possui duas raízes reais, m e n, de modo que 12 511 =+ nm . Determine o valor de f(-1) nessa função 6) Determinar as coordenadas do vértice V da parábola que representa a função f(x) = - 5x2 + 3x – 1. 7) Determinar a e b de modo que o gráfico da função definida por y = ax2 + bx – 9 tenha o vértice no ponto (4, - 25) 8) Determinar o conjunto imagem da função f(x) = x2 – 3x + 2 9) A função f(x) = x2 – x – 6 admite valor máximo ou valor mínimo? Qual é esse valor? 10) Considerar todos os possíveis retângulos que possuem perímetro igual a 80 cm. Dentre esses retângulos, determinar aquele que terá área máxima. Qual será essa área? 11) Determinar p de modo que a função f(x)= px2 + (2p – 1)x + p assuma valores positivos para todo x real. 12) Resolver a inequação –x2 + 1 ≤ 0 13) Determinar o conjunto solução da inequação x2 – 10x + 25 ≥ 0 14) Resolver a inequação x – 4 <x2 – 4 ≤ x + 2 15) Resolver a inequação 1 3 12 < + + x x Respostas 1) f(x) = - 3x2 + x + 5 f(5) = - 65 2) 4 3) 5 e -1 4) 1/3 5) 52 6) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 20 11 , 10 3 V 7) a = 1 e b = - 8 8) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ −≥∈= 4 1 /Im yRy 9) O valor mínimo da função é y = - 25/4 10) O retângulo que terá a maior área será o de lados 20 cm e 20cm, e a área máxima será de 400 cm2 . 11) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ >∈ 4 1 / pRp 12) { }1,,1| ≥−≤∈= xouxRxS 13) S = R 14) { 02| <≤−∈= xRxS ou }31 ≤< x 15) S = {x ∈ R| x < - 3 ou -1< x <2}
- 27. Cálculo Diferencial eIntegral 26 AULA 04 3 – FUNÇÃO EXPONENCIAL 3.1 – Revisão de Potenciação 3.1.1 - Potências com expoente natural Sendo a um número real e n um número natural, com n ≥2, definimos: (Eq.4) n a = 43421 K fatoresn aaaa ⋅⋅⋅⋅ . Para n =1 e n =0 são definidos: (Eq.5) 1 a = a . (Eq.6) 0 a =1 ( a ≠0). 3.1.2 - Potências com expoente inteiro Se a é um número real não-nulo ( a ≠0) e n um número inteiro e positivo, definimos: (Eq.7) n a− = n a 1 . 3.1.3 - Potências com expoente racional Se a é um número real positivo e n m um número racional, com n inteiro positivo, definimos: (Eq.8) n m a = n m a . 3.1.4 -Potências com expoente real Podemos considerar que as potências com expoente real têm significado no conjunto dos números reais. Temos, por exemplo: 2 10 =25,954553519470080977981828375983. 3.1.4.1 - Propriedades Para as potências com expoente real são válidas as seguintes propriedades operatórias: • m a ⋅ n a = nm a + . • m a : n a = nm a − ( a ≠0). • nm a )( = nm a ⋅ . • n ba )( ⋅ = n a ⋅ n b . • n b a ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = n n b a (b ≠0).
- 28. Cálculo Diferencial eIntegral 27 Exemplos 1) Dê o resultado mais simples de ( 3 5 ⋅ 6 5 ): 10 5 . Resolução Usando as propriedades, temos: ( 3 5 ⋅ 6 5 ): 10 5 =( 63 5 + ): 10 5 = 9 5 : 10 5 = 109 5 − = 1 5− = 5 1 . 2) Calcule o valor da expressão 2 3 2 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 3 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 0 6 . Resolução 2 3 2 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 3 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − 0 6 = 2 2 3 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 3 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −1= 4 9 + 8 1 −1= 8 8118 −+ = 8 11 . 3) Simplifique x xx 2 22 25 ++ − . Resolução x xx 2 22 25 ++ − = x xx 2 2222 25 ⋅−⋅ = x x 2 222 25 )( −⋅ = 5 2 − 2 2 =28. 4) Calcule 3 4 8 . Resolução • Primeira resolução: 3 4 8 = 3 4 8 = 3 4096 =16. • Segunda resolução: 3 4 8 = 3 4 3 2 )( = 3 4 3 2 ⋅ = 4 2 =16. 5) Determine o valor de 70 81 , : 20 81 , . Resolução 70 81 , : 20 81 , = 2070 81 ,, − = 50 81 , = 504 3 , )( = 2 3 =9. 10) Qual o valor de 22 10 )( : 5 10 ),( ? Resolução 22 10 )( : 5 10 ),( = 22 10 ⋅ : 51 10 )( − = 2 10 : 5 10− = )( 52 10 −− = 7 10 =10000000. 3.2 - Equações exponenciais Definição 25: Chama-se equação exponencial toda equação que contém incógnita no expoente. Exemplo: • x 2 =16. • 1 3 +x + 2 3 −x =9.
- 29. Cálculo Diferencial eIntegral 28 • 1 3 −x =27. • 10⋅ x2 2 −5⋅ x2 2 −1=0. 3.2.1 -Resolução de equações exponenciais Para resolver uma equação exponencial, devemos transformá-la de modo a obter potências de mesma base no primeiro e no segundo membros da equação utilizando as definições e propriedades da potenciação. Além disso, usaremos o seguinte fato: Definição 26: Se a >0, a ≠1 e x é a incógnita, a solução da equação x a = p a é x = p . Exemplos: 1) Resolver a equação x 4 =512. Resolução Usando as propriedades das potências, vamos transformar o 1o e 2o membros da equação em potências de mesma base: x 4 =512 ⇒ x )( 2 2 = 9 2 ⇒ x2 2 = 9 2 ⇒ 2 x =9 ⇒ x = 2 9 . S= ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ 2 9 . 2) Uma empresa produziu, num certo ano, 8000 unidades de determinado produto. Projetando um aumento anual de produção de 50%, pergunta-se: • a) Qual a produção P dessa empresa t anos depois? • b) Após quantos anos a produção anual da empresa será de 40500 unidades? Resolução • a) Obs: 50%= 100 50 =0,5 Um ano depois: 8000+0,5⋅8000=8000⋅(1+0,5)=8000⋅1,5 Dois anos depois: (8000⋅1,5)⋅1,5=8000⋅ 2 51 ),( Três anos depois: (8000⋅ 2 51 ),( )⋅1,5=8000⋅ 3 51 ),( Produção P, t anos depois: P=8000⋅ t ),( 51 • b) Fazendo P=40500, na fórmula anterior, obtemos a equação: 40500=8000⋅ t ),( 51 Resolvendo a equação: 40500=8000⋅ t ),( 51 ⇒ t ),( 51 = 8000 40500 . Obs: 1,5= 2 3 . ⇒ t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 3 = 16 81 ⇒ t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 3 = 4 4 2 3 ⇒ t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 3 = 4 2 3 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⇒ t =4. Desse modo, a produção anual da empresa será de 40500 unidades após 4 anos.
- 30. Cálculo Diferencial eIntegral 29 3) Determine o conjunto solução da equação 2 81 +x =1 no universo dos números reais. Resolução Sabendo que 0 81 =1, temos: 2 81 +x =1 ⇒ 2 81 +x = 0 81 ⇒ x +2=0 ⇒ x =−2. S={−2}. 3.2.2 - Resolução de equações exponenciais com o uso de artifícios Para se resolver determinadas equações exponenciais, são necessárias algumas transformações e artifícios. Exemplos: 1) Resolver a equação x 4 −5⋅ x 2 +4=0. Resolução Usando as propriedades da potenciação, vamos fazer uma transformação na equação dada: x 4 −5⋅ x 2 +4=0 ⇒ x )( 2 2 −5⋅ x 2 +4=0 ⇒ 2 2 )( x −5⋅ x 2 +4=0. Fazendo x 2 = y , temos a equação do 2o grau em y : 2 y −5 y +4=0 ⇒ y = 2 16255 −± ⇒ 1y =4 e 2y =1. Voltando à igualdade x 2 = y : 1y =4: x 2 = y ⇒ x 2 =4 ⇒ x 2 = 2 2 ⇒ x =2. 2y =1: x 2 = y ⇒ x 2 =1 ⇒ x 2 = 0 2 ⇒ x =0. S={0,2}. 2) Determine o conjunto solução da equação x 5 − x−2 5 =24. Resolução Preparando a equação, temos: x 5 − x−2 5 =24 ⇒ x 5 − 2 5 ⋅ x− 5 =24 ⇒ x 5 −25⋅ x 5 1 =24 ⇒ x 5 − x 5 25 =24. Fazendo x 5 = y , temos: y − y 25 =24 ⇒ 2 y −25=24 y ⇒ 2 y −24 y −25=0 ⇒ ⎩ ⎨ ⎧ −= = 1 25 2 1 y y Voltando à igualdade x 5 = y : 1y =25: x 5 = y ⇒ x 5 =25 ⇒ x 5 = 2 5 ⇒ x =2. 2y =−1: x 5 = y ⇒ x 5 =−1 ⇒ Esta equação não tem raiz em R , pois x 5 >0, para todo x real. S={2}. 3.3 - Função exponencial Definição 27: A função f : R → R dada por f ( x )= x a (com a >0 e a ≠1) é denominada função exponencial de base a .
- 31. Cálculo Diferencial eIntegral 30 3.3.1 - Gráfico da função exponencial no plano cartesiano Dada a função f : R → R , definida por f ( x )= x a (com a >0 e a ≠1), temos dois casos para traçar seu gráfico: (i) a >1 e (ii) 0< a <1. • (i) a >1. 1) Traçar o gráfico de f ( x )= x 2 . x f ( x )= x 2 −2 4 1 −1 2 1 0 1 1 2 2 4 3 8 3210 6 7 8 y x-1-2 4-3-4 1 2 3 4 5 OBS.1: Quanto maior o expoente x , maior é a potência x a , ou seja, se a >1 a função f ( x )= x a é crescente. • (ii) 0< a <1. 2) Traçar o gráfico de f ( x )= x ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 1 . x f ( x )= x ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 1 −3 8 −2 4 −1 2 0 1 1 2 1 2 4 1 3210 6 7 8 y x-1-2 4-3-4 1 2 3 4 5
- 32. Cálculo Diferencial eIntegral 31 Obs.2: Quanto maior o expoente x , menor é a potência x a , ou seja, se 0< a <1 a função f ( x )= x a é decrescente. Com base no gráfico, podem-se tirar algumas considerações: 3.3.2 - Características da função exponencial Seja f : R → R , definida por f ( x )= x a (com a >0 e a ≠1). • Domínio da função f são todos os números reais ⇒ D = R . • Imagem da função f são os números reais positivos ⇒ Im = ∗ +R . • A curva da função passa pelo ponto (0,1). • A função é crescente para a base a >1. • A função é decrescente para a base 0< a <1. 3.4 - Inequações exponenciais Definição 28: São inequações exponenciais aquelas que aparecem incógnitas no expoente. 3.4.1 - Resolução de inequações exponenciais Para resolver inequações exponenciais, devemos observar dois passos importantes: • 1) Redução dos dois membros da inequação a potências de mesma base; • 2) Verificar a base da exponencial, a >1 ou 0< a <1, aplicando as propriedades abaixo. Caso (i): a >1 Caso (ii): 0< a <1 m a > n a ⇒ m > n m a > n a ⇒ m < n As desigualdades têm mesmo sentido As desigualdades têm sentidos diferentes Exemplos: 1) Resolva a inequação x 2 >32. Resolução Como 5 2 =32, a inequação pode ser escrita: x 2 > 5 2 ⇒ Caso (i): a >1. ⇒ x >5. S={ x ∈ R ; x >5}. 2) Resolva a inequação xx 23 2 3 + )( ≥1. Resolução xx 23 2 3 + )( ≥1 ⇒ xx 23 2 3 + )( ≥ 0 3)( ⇒ Caso (i): a >1. ⇒ 3 2 x +2 x ≥0 Tome f ( x )=3 2 x +2 x f ( x )=0 ⇒ 3 2 x +2 x =0 ⇒ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = −= 0 3 2 2 1 x x x0 2 3 S={ x ∈ R ; x ≤−2/3 ou x ≥0}.
- 33. Cálculo Diferencial eIntegral 32 3) Resolva a inequação 3 2 1 + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ x < 72 2 1 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ x . Resolução 3 2 1 + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ x < 72 2 1 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ x ⇒ Caso (ii): 0< a <1. x +3>2 x −7 ⇒ − x >−10 ⋅(−1) ⇒ x <10. S={ x ∈ R ; x <10}. AULA 04 – EXERCÍCIOS 1) Uma cultura inicial de 100 bactérias, reproduz-se em condições ideais. Supondo que, por divisão celular, cada bactéria dessa cultura dê origem a duas outras bactérias idênticas por hora. a) Qual a população dessa cultura após 3 horas do instante inicial? b) Depois de quantas horas a população dessa cultura será de 51.200 bactérias? 2) Resolva as equações: a) 72821 =++x b) 0 81 3 4 4 =−− x x 3) Determine o conjunto solução das seguintes equações: a) 0273.2832 =+− xx b) xx 2.123222 =+ c) 1 4 5 6416 + = + x x 4) Se f(x) = x2 + x e g(x) = 3x , determine x para que f(g(x)) = 2. 5) Cada golpe de uma bomba extrai 10% de óleo de um tanque. A capacidade do tanque é de 1 m3 e, inicialmente, esta cheio. a) Após o 5o golpe, qual o valor mais próximo para o volume de óleo que permanece no tanque? b) Qual é a lei da função que representa o volume de óleo que permanece no tanque após n golpes? 6) Resolva as inequações: a) ( ) ( )43 55 2 ≥ − xx b) 513 3 1 3 1 +− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ <⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ xx C) 1275,02 222 <⋅− ++ xX 7) Determine o domínio da função 12 2 −= −x y Respostas: 1) a) 800 bactérias b) 9 horas 2) a) 3/2 b) 4 3) a) {0, 3} b) {2, 3} c) {1, 2} 4) x = 0 5) a) 0,59m3 b) f(n) = 1 . (0,9)n 6) a) }4,,1/{ ≥−≤∈ xouxRx b) }3/{ >∈ xRx c) }0/{ <∈ xRx 7) }2/{ ≥∈ xRx
- 34. Cálculo Diferencial eIntegral 33 AULA 05 4 – FUNÇÃO LOGARÍTMICA 4.1 – Definição de Logaritmo Definição 29: Dados dois números reais positivos, a e b , com a ≠1, existe um único número real x de modo que x a =b . Este número x é chamado de logaritmo de b na base a e indica-se balog . Podemos então, escrever: (Eq.9) x a =b ⇔ x = balog (1≠ a >0 e b >0). Na igualdade x = balog , temos: • a é a base do logaritmo; • b é o logaritmando ou antilogaritmo; • x é o logaritmo. Exemplos: Calcular o valor de x nos exercícios seguintes: 1) 322log = x . x 2 =32 ⇒ x 2 = 5 2 ⇒ x =5. 2) 164log = x . x 4 =16 ⇒ x 4 = 2 4 ⇒ x =2. 3) x8log =1. 1 8 = x ⇒ x =8. 4) 813log = x . x 3 =81 ⇒ x 3 = 4 3 ⇒ x =4. 5) 15log = x . x 5 =1 ⇒ x 5 = 0 5 ⇒ x =0. OBS. 1: blog ⇒ significa b10log . Quando não se indica a base, fica subentendido que a base é 10. 4.2 - Conseqüências da definição Tome 1≠ a >0, b >0 e m um número real qualquer. Da definição de logaritmos, pode-se verificar que:
- 35. Cálculo Diferencial eIntegral 34 • 1) O logaritmo de 1 em qualquer base é igual a zero. 1alog =0, pois 0 a =1. • 2) O logaritmo da própria base é igual a 1. aalog =1, pois 1 a = a . • 3) O logaritmo de uma potência da base é igual ao expoente. m a alog = m , pois m a = m a . • 4) O logaritmo de b na base a é o expoente ao qual devemos elevar a para obter b . ba alog =b , pois x a =b ⇔ x = balog . 4.3 - Propriedades dos logaritmos • 1) Logaritmo de produto )(log yxa ⋅ = xalog + yalog (1≠ a >0, x >0 e y >0). • 2) Logaritmo de quociente ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ y x alog = xalog − yalog (1≠ a >0, x >0 e y >0). • 3) Logaritmo de potência m a xlog = m ⋅ xalog (1≠ a >0, x >0 e m ∈ R ). 4.4 - Cologaritmo Cologaritmo de um número positivo b numa base a (1≠ a >0) é o logaritmo do inverso desse número b na base a . (Eq.10) bco alog = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ b a 1 log ⇒ bco alog =− balog (1≠ a >0 e b >0). Exemplo: Sabendo que log 3= a e log 5=b , calcule os logaritmos abaixo, em função de a e b . • a) log 15 log 15= log (3⋅5)= log 3+ log 5= a +b . • b) log 675 log 675= log ( 3 3 ⋅ 2 5 )= log 3 3 + log 2 5 =3 log 3+2log 5=3 a +2b . • c) log 2 log 2= log 5 10 = log 10− log 5=1−b . 4.5 - Mudança de base As propriedades logarítmicas são válidas para logaritmos numa mesma base, por isso, em muitos casos, é conveniente fazer a conversão de logaritmos de bases diferentes para uma única base. A seguir, será apresentada a fórmula de mudança de base.
- 36. Cálculo Diferencial eIntegral 35 Seja: balog = x ⇒ x a =b . Aplicando o logaritmo na base c em ambos os membros, obtemos: x c alog = bclog ⇒ x ⋅ aclog = bclog ⇒ x = a b c c log log , mas x = balog . Então: (Eq.11) balog = a b c c log log (1≠ a >0, 1≠ c >0 e b >0). Exemplos: 1) Sendo log 2=0,3 e log 3=0,4, calcule 62log . 62log = 2 6 log log = 2 32 log )log( ⋅ = 2 32 log loglog + = 30 4030 , ,, + = 30 70 , , = 3 7 . 2) Resolva a equação x2log + x4log + x16log =7. A condição de existência é x >0. Transformando para a base 2: x2log + x4log + x16log =7 x2log + 42 2 log log x + 162 2 log log x =7 x2log + 2 2 xlog + 4 2 xlog =7 4 24 222 xxx logloglog ++ = 4 28 7 x2log =28 x2log =4 4 2 = x x =16 ⇒ 16 satisfaz a condição de existência. Logo, o conjunto solução é: S={16}. 3) Resolva a equação 2log ( x +2)+ 2log ( x −2)=5. Condições de existência são: x +2>0 e x −2>0 ⇒ x >−2 e x >2. Então: x >2. 2log ( x +2)+ 2log ( x −2)=5 2log [( x +2)⋅( x −2)]=5 ( x +2)⋅( x −2)= 5 2 2 x −4=32 2 x =36 2 x =±6 ⇒ −6 não satisfaz a condição de existência mas, 6 satisfaz. Logo, o conjunto solução é: S={6}.
- 37. Cálculo Diferencial eIntegral 36 4.6 - Função logarítmica A função exponencial g : R → ∗ +R definida por g ( x )= x a (com 1≠ a >0) é bijetora. Nesse caso, podemos determinar a sua função inversa. É a função logarítmica definida abaixo. Definição 30: A função f : ∗ +R → R definida por f ( x )= xalog (com 1≠ a >0) é chamada função logarítmica de base a . 4.6.1 - Gráfico da função logarítmica no plano cartesiano Como os gráficos de funções inversas são simétricos em relação à bissetriz dos quadrantes ímpares, o gráfico da função logarítmica é de imediata construção, uma vez que já vimos o gráfico da função exponencial. Seja f : ∗ +R → R , tal que y = xalog e 1− f : R → ∗ +R , tal que y = x a . Os gráficos de f e 1− f serão plotados no mesmo plano cartesiano ortogonal. • (i) a >1. 3210 6 7 8 y x-1-2 4-3-4 1 2 3 4 5 =y x log xa=y =y xa Gráfico da função logarítmica e exponencial ( a >1). • (ii) 0< a <1. 3210 6 7 8 y x-1-2 4-3-4 1 2 3 4 5 =y xa =y x log xa=y Gráfico da função logarítmica e exponencial (0< a <1).
- 38. Cálculo Diferencial eIntegral 37 4.7 - Inequações logarítmicas Chamamos de inequação logarítmica toda inequação que envolve logaritmos com a incógnita aparecendo no logaritmando, na base ou em ambos. Exemplos: 1) Resolva a inequação 2 1log ( x −3)≥ 2 1log 4. Condição de existência: x −3>0 ⇒ x >3 (i). Base: (0< a <1). Como a base é um número entre 0 e 1, a função logarítmica é decrescente e o sentido da desigualdade se inverte para os logaritmandos. x −3≤4 ⇒ x ≤3 (ii). A solução da inequação deve satisfazer as duas condições: x x x 7 3(i) (ii) (i) (ii)∩ 73 S={ x ∈ R ; 3< x ≤7}. 2) Resolva a inequação 4log ( 2 x − x )≥ 4log (2 x +10). 1a Condição de existência: 2 x − x >0 ⇒ x <0 ou x >1 (i). 2a Condição de existência: 2 x +10>0 ⇒ x >−5 (ii). Base: ( a >1). 2 x − x ≥2 x +10 ⇒ 2 x − x −2 x −10≥0 ⇒ 2 x −3 x −10≥0 ⇒ x ≤−2 ou x ≥5 (iii). A solução da inequação deve satisfazer as três condições: x x x(i) (ii) (iii) x(i) (ii)∩ -2 (iii)∩ -5 0 1 5 -5 -2 0 1 S={ x ∈ R ; −5< x ≤−2 ou x ≥5}.
- 39. Cálculo Diferencial eIntegral 38 3) Suponha que o preço de um carro sofra uma desvalorização de 20% ao ano. Depois de quanto tempo, aproximadamente, seu preço cairá para cerca da metade do preço de um carro novo? (Use 10log 2=0,3) p = 0p (1−0,2) t ⇒ p = 0p (0,8) t ⇒ p = 0p t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 10 8 ⇒ Procura-se p = 2 0p , logo: 2 0p = 0p t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 10 8 ⇒ ( 0p ≠0) ⇒ 2 1 = t ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ 10 23 ⇒ 1 2− = t3 2 ⋅ t− 10 Aplicando 10log em ambos os membros, temos: 10log 1 2− = 10log ( t3 2 ⋅ t− 10 ) 10log 1 2− = 10log ( t3 2 ⋅ t− 10 ) 10log 1 2− = 10log t3 2 + 10log t− 10 − 10log 2=3t 10log 2−t 10log 10 −0,3=3t ⋅0,3−t −0,3=0,9t −t −0,3=−0,1t t =3 O preço do carro cairá para a metade do preço do carro novo depois de 3 anos AULA 05 – EXERCÍCIOS 1) Resolva as seguintes equações: a) log2 (x – 4) = 3 b) logx (3x2 – x) = 2 c) (log3x)2 – log3x – 6 = 0 d) log5(log3x) = 1 2) Sabendo que log 2 = 0,301 e log 3 = 0,477, calcule: a) log 6 b) log 5 c) log 2,5 d) log 3 3) Qual o conjunto solução da equação a) 2 1)1(log)13(log 42 =+−− xx b) 2loglog 10010 =+ xx 4) Determine o campo de existência da função )2510(log)12(log)( 2 3 2 3 +−−−−= xxxxxf 5) Resolva as inequações: a) log3(5x – 1) > log3 4 b) log2(x – 4) > 1 c) log12(x – 1) + log12(x – 2) ≤ 1 Respostas: 1) a) 12 b) ½ c) {1/9, 27} d) 243 2) a) 0,778 b) 0,699 c) 0,398 d) 0,2385 3) a) 1 b) 100 4) }5,,4,,3/{ ≠>−<∈ xexouxRx 5) a) }1/{ >∈= xRxS b) }6/{ >∈= xRxS c) }52/{ ≤<∈= xRxS
- 40. Cálculo Diferencial eIntegral 39 AULA 06 5 - FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS 5.1 - Seno e cosseno de um arco: Tome o arco α dado na figura abaixo: A P O α N M [Fig.5] Arco α para o conceito de seno e cosseno. Seno de um arco é a ordenada do ponto P. (Eq.12) sen α=ON = MP . Cosseno de um arco é a abscissa do ponto P. (Eq.13) cosα=OM = NP . 5.1.1 – Conseqüências: Para qualquer ponto da circunferência, a ordenada e a abscissa nunca são menores que −1 nem maiores que +1. Por isso dizemos que seno e cosseno são números compreendidos entre −1 e +1, o que nos permite concluir: (Eq.14) −1 ≤ sen α ≤ 1 e −1 ≤ cosα ≤ 1 5.1.2 - Função seno e função cosseno Função seno é a função que associa a cada arco x ∈ R o número sen x ∈ R , ou y = sen x . Função cosseno é a função que associa a cada arco x ∈ R o número cos x ∈ R , ou y =cos x . 5.1.3 - Gráfico das funções seno e cosseno Para estudar a função seno ( y =sen x ) e a função cosseno ( y =cos x ) vamos variar x no intervalo [0,2π]. 5.1.3.1 - Função seno: y =sen x AO O π 2 π 3 π 4 π 6 π π 2 3 π2 1 1 y x [Fig.6]Gráfico da função seno.
- 41. Cálculo Diferencial eIntegral 40 5.1.3.2 - Conclusões • O domínio da função y =sen x é o conjunto dos números reais, isto é, D = R . • A imagem da função y =sen x é o intervalo [−1,+1], isto é, −1≤sen x ≤+1. • Toda vez que somamos 2π a um determinado valor de x , a função seno assume o mesmo valor. Como 2π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função y =sen x é p =2π. Essa conclusão pode ser obtida, também, a partir do ciclo trigonométrico onde marcamos o arco x . Quando adicionamos 2 k π ao arco x , obtemos sempre o mesmo valor para o seno, pois a função seno é periódica de período 2π. (Eq.15) sen x =sen ( x +2 k π), k ∈ Z (Inteiros). 5.1.3.3 - Seno é função ímpar No ciclo trigonométrico, os pontos correspondentes aos números x e − x têm imagens simétricas em relação ao eixo das abscissas. Daí resulta que as ordenadas desses pontos têm o mesmo valor absoluto, porém, sinais opostos. Então, sen (− x )=−sen x . Quando uma função f é tal que f (− x )=− f ( x ), para todo x do seu domínio, dizemos que f é uma função ímpar. Como sen (− x )=−sen x , para todo x real, podemos afirmar que a função seno é ímpar. 5.1.3.4 - Função cosseno y =cos x AO O π 2 π 3 π 4 π 6 π π 2 3 π2 1 1 y x [Fig. 2]: Gráfico da função cosseno. 5.1.3.5 - Conclusões • O domínio da função y =cos x é o conjunto dos números reais, isto é, D = R . • A imagem da função y =cos x é o intervalo [−1,+1], isto é, −1≤cos x ≤+1. • O período da função y =cos x é p =2π. Essa conclusão pode ser obtida, também, a partir do ciclo trigonométrico onde marcamos o arco x . Quando adicionamos 2 k π ao arco x , obtemos sempre o mesmo valor para o cosseno, pois a função cosseno é periódica de período 2π. (Eq.16) cos x =cos ( x +2 k π), k ∈ Z (Inteiros). 5.1.3.6 - Cosseno é função par No ciclo trigonométrico, os pontos correspondentes aos números x e − x têm imagens simétricas em relação ao eixo das abscissas. Daí resulta que esses pontos têm a mesma abscissa. Então, cos (− x )=cos x .
- 42. Cálculo Diferencial eIntegral 41 Quando uma função f é tal que f (− x )= f ( x ), para todo x do seu domínio, dizemos que f é uma função par. Como cos (− x )=cos x , para todo x real, podemos afirmar que a função cosseno é par. Exemplos: 1) Construa o gráfico da função y =2sen x , dando o domínio, a imagem e o período. x sen x 2sen x y 0 0 2⋅0 0 2 π 1 2⋅1 2 π 0 2⋅0 0 2 3π −1 2⋅(−1) −2 2π 0 2⋅0 0 O π 2 π π 2 3 π2 1 1 y x 2 2 Observando o gráfico, temos: D = R , Im =[−2,2], e p =2π. 2) Construa o gráfico da função y =cos 2 x , dando o domínio, a imagem e o período. 2 x x cos 2 x y 0 0 1 1 2 π π 0 0 π 2π −1 −1 2 3π 3π 0 0 2π 4π 1 1 Observando o gráfico, temos: D = R , Im =[−1,1], e p =4π. 5.2 - Tangente de um arco Tome o arco α dado na figura abaixo: A P O α N M T eixo das tangentes [Fig. 3]: Arco α para o conceito de tangente. O π π π 2 3 π4 1 1 y x
- 43. Cálculo Diferencial eIntegral 42 Tangente de um arco é a ordenada do ponto T (segmento AT). (Eq.17) tanα= AT . 5.2.1 - Conseqüências • O eixo vertical, suporte de AT , é chamado eixo das tangentes. • Podemos dizer que tanα só é definida se α∈ R e α≠ 2 π + k π ( k ∈ Z ). 5.2.2 - Função tangente Função tangente é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠ 2 π + k π ( k ∈ Z ), o número tan x ∈ R , ou y = tan x . 5.2.3 - Gráfico da função tangente Para estudar a função tangente ( y = tan x ) vamos variar x no intervalo [0,2π]. AO O π 2 π 3 π 4 π 6 π π 2 3 π2 1 1 y x 0,58 1,73 1,73 0,58 [Fig. 4]: Gráfico da função tangente. 5.2.4 - Conclusões • O domínio da função y = tan x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠ 2 π + k π ( k ∈ Z ), isto é, D ={ x ∈ R / x ≠ 2 π + k π, k ∈ Z }. • A imagem da função y = tan x é o conjunto dos números reais. • Toda vez que somamos k π a um determinado valor de x , a função tangente assume o mesmo valor. Como π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função y = tan x é p =π. (Eq.18) tan( x + k π)= tan x , k ∈ Z . 5.2.5 - Tangente é uma função ímpar Como tan(− x )=− tan x , para todo x real, com x ≠ 2 π + k π ( k ∈ Z ), podemos afirmar que a função tangente é ímpar.
- 44. Cálculo Diferencial eIntegral 43 5.3 - Cotangente de um arco Tome o arco α dado na figura abaixo: A P O α N M C eixo das cotangentes B [Fig. 5]: Arco α para o conceito de cotangente. Cotangente de um arco é a abscissa do ponto C (segmento BC). (Eq.19) cot α= BC . 5.3.1 - Conseqüências • O eixo horizontal, suporte de BC , é chamado eixo das cotangentes. • Podemos dizer que cot α só é definida se α∈ R e α≠ k π ( k ∈ Z ). 5.3.2 - Função cotangente Função cotangente é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), o número cot x ∈ R , ou y =cot x . 5.3.3 - Gráfico da função cotangente Para estudar a função cotangente ( y =cot x ) vamos variar x no intervalo [0,2π]. AO O π 2 π 3 π 4 π 6 π π 2 3 π2 1 1 y x 0,58 1,73 1,73 0,58 [Fig. 6]: Gráfico da função cotangente. 5.3.4 - Conclusões • O domínio da função y =cot x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), isto é, D ={ x ∈ R / x ≠ k π, k ∈ Z }. • A imagem da função y =cot x é o conjunto dos números reais. • Toda vez que somamos k π a um determinado valor de x , a função cotangente assume o mesmo valor. Como π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função y =cot x é p =π. cot ( x + k π)=cot x , k ∈ Z .
- 45. Cálculo Diferencial eIntegral 44 5.3.5 - Cotangente é uma função ímpar Como cot (− x )=−cot x , para todo x real, com x ≠ k π ( k ∈ Z ), podemos afirmar que a função cotangente é ímpar. 5.4 - Secante e cossecante de um arco Tome o arco α dado na figura abaixo: A P O α N M S D [Fig. 7]: Arco α para o conceito de secante e cossecante. Traçando uma reta tangente à circunferência pelo ponto P, interceptamos o eixo das abscissas no ponto S e o eixo das ordenadas no ponto D. (Eq.20) sec α=OS . (Eq.21) seccos α=OD . 5.4.1 - Função secante e cossecante Função secante é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠ 2 π + k π ( k ∈ Z ), o número sec x ∈ R , ou y =sec x Função cossecante é a função que associa a cada arco x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), o número seccos x ∈ R , ou y = seccos x . 5.4.2 - Gráfico da função secante Para estudar a função secante ( y =sec x ) vamos variar x no intervalo [0,2π]. AO O π 2 π 3 π 4 π 6 π π 2 3 π2 1 1 y x 1,15 1,41 2 1,15 1,41 2 [Fig. 8]: Gráfico da função secante.
- 46. Cálculo Diferencial eIntegral 45 5.4.3 - Conclusões • O domínio da função y =sec x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠ 2 π + k π ( k ∈ Z ), isto é, D ={ x ∈ R / x ≠ 2 π + k π, k ∈ Z }. • A imagem da função y =sec x é o conjunto dos números reais maiores ou iguais a 1 ou menores ou iguais a −1, isto é, Im ={ y ∈ R / y ≥1 ou y ≤−1}. • Toda vez que somamos 2 k π a um determinado valor de x , a função secante assume o mesmo valor. Como 2π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função y =sec x é p =2π. (Eq.22) sec ( x +2 k π)=sec x , k ∈ Z . 5.4.4 - Gráfico da função cossecante Para estudar a função cossecante ( y = seccos x ) vamos variar x no intervalo [0,2π]. O π 2 π 3 π 4 π 6 π π 2 3 π2 1 1 y x 1,15 1,41 2 1,15 1,41 2 AO [Fig. 9]: Gráfico da função cossecante. 5.4.5 - Conclusões • O domínio da função y = seccos x é o conjunto dos números reais x ∈ R , com x ≠ k π ( k ∈ Z ), isto é, D ={ x ∈ R / x ≠ k π, k ∈ Z }. • A imagem da função y = seccos x é o conjunto dos números reais maiores ou iguais a 1 ou menores ou iguais a −1, isto é, Im ={ y ∈ R / y ≥1 ou y ≤−1}. • Toda vez que somamos 2 k π a um determinado valor de x , a função cossecante assume o mesmo valor. Como π é o menor número positivo para o qual isso acontece, o período da função y = seccos x é p =2π. (Eq.23) seccos ( x +2 k π)= seccos x , k ∈ Z . 5.5 - Relações trigonométricas Será feito o estudo das relações que existem entre as funções trigonométricas, pois elas têm muitas aplicações na trigonometria e fora dela. Para as deduções das relações, tomaremos como base o ciclo trigonométrico e um ângulo α dado.
- 47. Cálculo Diferencial eIntegral 46 A P O α N M S D C eixo das cotangentesB T eixo das tangentes [Fig. 10]: Funções trigonométricas no ciclo. Podemos identificar as funções trigonométricas no ciclo, em relação ao ângulo α: sen α=ON ; cosα=OM ; tanα= AT ; cot α= BC ; sec α=OS e seccos α=OD . Analisando as funções no ciclo e fixando inicialmente o ângulo α, podemos fazer as seguintes mudanças, para facilitar o entendimento das relações trigonométricas: C B O α A E F D cosα cotα tanαsenα secα cossecα 1 unidade [Fig. 11]: Funções adaptadas no ciclo. Com as novas adaptações, temos as seguintes funções: sen α= AB ; cosα=OA; tanα=CD ; cot α=OE ; sec α=OD e seccos α=OF . Daí tiram-se três triângulos semelhantes: ΔOAB ≡ΔOCD ≡ΔOEF . CO α D tanαsecα B O α Acosα senα1 1 O α E F cotα cossecα 1 21 3 [Fig. 12]: Triângulos semelhantes. 5.5.1 - Usando o teorema de Pitágoras • sen 2 α+cos2 α=1; • tan2 α+1=sec 2 α; • cot 2 α+1= seccos 2 α. 5.5.2 - Usando semelhança entre triângulos
- 48. Cálculo Diferencial eIntegral 47 Com base na figura acima, tome as seguintes proporções, dadas as razões entre os triângulos: Razões do triângulo 2 para 1 : 1 αsec = αcos 1 ⇒ sec α= αcos 1 ; 1 αtan = α α cos sen ⇒ tanα= α α cos sen . Razões do triângulo 3 para 1 : 1 αseccos = αsen 1 ⇒ seccos α= αsen 1 ; 1 αcot = α α sen cos ⇒ cot α= α α sen cos . Razões do triângulo 3 para 2 : 1 αseccos = α α tan sec ⇒ seccos α= α α tan sec ; 1 αcot = αtan 1 ⇒ cot α= αtan 1 . Exemplos: Com base nos três triângulos semelhantes da figura anterior, resolva os exercícios que seguem abaixo: 1) Determine as razões que se pede abaixo, do triângulo 1 para 2 . sen α= α α sec tan ; cosα= αsec 1 . 2) Determine as razões que se pede abaixo, do triângulo 1 para 3 . sen α= αseccos 1 ; cosα= α α seccos cot . 3) Determine as razões que se pede abaixo, do triângulo 2 para 3 . sec α= α α cot seccos ; tanα= αcot 1 . 5.5.3 - Identidades trigonométricas A igualdade sen 2 α+cos2 α=1 é verdadeira para qualquer α pertencente aos domínios das funções seno e cosseno. Logo, ela é uma identidade trigonométrica. Quando temos uma igualdade, só podemos aceitá-la como identidade após uma prova, ou seja, após uma demonstração. Para fazer uma demonstração desse tipo, podemos nos valer de qualquer das relações dadas acima, que são identidades.
- 49. Cálculo Diferencial eIntegral 48 5.5.3.1 - Processo para demonstrar identidades Considerando a igualdade, levaremos todas as funções envolvidas para uma razão equivalente em um dos três triângulos. Depois é só operar ambos os membros e chegar a uma mesma expressão. Exemplos: Nos exercícios seguintes, demonstre que as igualdades são identidades: 1) tan2 α⋅sen 2 α= tan2 α−sen 2 α CO α D tanαsecα B O α Acosα senα1 1 O α E F cotα cossecα 1 21 3 Levar do triângulo 2 para 1 : tan2 α⋅sen 2 α= tan2 α−sen 2 α α α 2 2 cos sen ⋅sen 2 α= α α 2 2 cos sen −sen 2 α α α 2 4 cos sen = α ααα 2 222 cos cossensen − α α 2 4 cos sen = α αα 2 22 cos )sen(sen α α 2 4 cos sen = α α 2 4 cos sen ⇒ C.Q.D. (como queríamos demonstrar). 2) (1+cot α)2 +(1−cot α)2 =2⋅ seccos 2 α CO α D tanαsecα B O α Acosα senα1 1 O α E F cotα cossecα 1 21 3 Todas as funções já se encontram no triângulo 3 , basta desenvolver: (1+cot α)2 +(1−cot α)2 =2⋅ seccos 2 α (1+cot α)2 +(1−cot α)2 =2⋅ seccos 2 α 1+2cot α+cot 2 α+1−2cot α+cot 2 α=2⋅ seccos 2 α 2+2cot 2 α=2⋅ seccos 2 α 2⋅(1+cot 2 α)=2⋅ seccos 2 α 2⋅ seccos 2 α=2⋅ seccos 2 α ⇒ C.Q.D. 3) sec 2 α+ seccos 2 α=sec 2 α⋅ seccos 2 α CO α D tanαsecα B O α Acosα senα1 1 O α E F cotα cossecα 1 21 3
- 50. Cálculo Diferencial eIntegral 49 Levar do triângulo 3 para 2 : sec 2 α+ seccos 2 α=sec 2 α⋅ seccos 2 α sec 2 α+ α α 2 2 tan sec =sec 2 α⋅ α α 2 2 tan sec α ααα 2 222 tan sectansec + = α α 2 4 tan sec α αα 2 22 1 tan )(tansec +⋅ = α α 2 4 tan sec α αα 2 22 tan )(secsec ⋅ = α α 2 4 tan sec α α 2 4 tan sec = α α 2 4 tan sec ⇒ C.Q.D. 4) α α seccos sen =1− α α sec cos CO α D tanαsecα B O α Acosα senα1 1 O α E F cotα cossecα 1 21 3 Levar dos triângulos 3 e 2 para 1 : α α seccos sen =1− α α sec cos α α sen sen 1 =1− α α cos cos 1 sen 2 α=1−cos2 α sen 2 α=sen 2 α ⇒ C.Q.D. 5) αα αα cossec senseccos − − =cot 3 α CO α D tanαsecα B O α Acosα senα1 1 O α E F cotα cossecα 1 21 3
- 51. Cálculo Diferencial eIntegral 50 Levar dos triângulos 1 e 2 para 3 : αα αα cossec senseccos − − =cot 3 α α α α α α α seccos cot cot seccos seccos seccos − − 1 =cot 3 α αα αα α α seccoscot cotseccos seccos seccos 22 2 1 − − =cot 3 α ⇒ Obs: seccos 2 α−1=cot 2 α α α seccos cot2 ⋅ αα αα 22 cotseccos seccoscot − =cot 3 α α αα seccos seccoscot3 ⋅ αα 22 1 1 cotcot −+ =cot 3 α cot 3 α⋅ 01 1 + =cot 3 α cot 3 α=cot 3 α ⇒ C.Q.D. AULA 06 - EXERCÍCIOS 1) Dado sen x = 3/4 , com 0<x< π /2, calcular cos x. 2) Para que valores de a temos, simultaneamente, senx=a + 1 e cos x = a? 3) Dado 3 3 cos −=x , com π π << x 2 , calcule tg x. 4) Simplifique a expressão αα αα g gtg cotsec cot ⋅ + . 5) Demonstre as seguintes identidades: a) (1 + cotg2 x)(1 – cos2 x) = 1 b) tg x + cotgx = tg x. Cossec2 x c) 2cos1 cos 2cos1 2 x tg x x x xsen = + ⋅ + Respostas: 1) 4 7 cos =x 2) a = 0 ou a = -1 3) 2−=tgx 4) sec α
- 52. Cálculo Diferencial eIntegral 51 AULA 07 6 - LIMITES 6.1 - Noção Intuitiva: Seja a função f(x)= 2x + 1. Vamos dar valores a x que se aproximem de 1, pela sua direita (valores maiores que 1) e pela sua esquerda (valores menores que 1) e calcular o valor correspondente de y. x y = 2x + 1 x y = 2x + 1 1,01 0,6 1,02 0,7 1,03 0,9 1,04 0,95 1,1 0,98 1,2 0,99 Notamos que a medida que x se aproxima de 1, y se aproxima de ______, ou seja, quando x tende para 1 (x →1), y tende para _____ (y→_____), ou seja: 3)12(lim 1 =+→ xx De forma geral, escrevemos: bxfax =→ )(lim 6.1.1 - Propriedades: 1. )(lim)(lim)]()([lim xgxfxgxf axaxax →→→ ±=± 2. )(lim)(lim)]()([lim xgxfxgxf axaxax →→→ ⋅=⋅ 3. )(lim )(lim )( )( lim xg xf xg xf ax ax ax → → → = 4. ( ) * 0 ,)(lim)(lim Nnxfxf n ax n ax ∈= →→ 5. * ,)(lim)(lim Nnxfxf n ax n ax ∈= →→ 6. ( ))(lim))((lim xfsenxfsen axax →→ = Exemplos: 1) =+→ )3(lim 32 1 xxx 2) =→ )cos(lim 3 xxx π 3) = + → 10 cos lim 20 x x x
- 53. Cálculo Diferencial eIntegral 52 4) =+→ 22 1 )3(lim xx 5) =−+→ 1lim 23 2 xxx 6) =+→ )3(lim 2 1 xxsenx 7) =−+→ )432(lim 2 2 xxx 8) = − − → 2 4 lim 2 2 x x x 9) = − +− → 9 34 lim 2 2 3 x xx x 10) = − +− → 1 45 lim 2 1 x xx x 11) = − +− → 1 23 lim 2 3 1 x xx x 12) = −+ → x x x 33 lim 0 13) =++−→ )43(lim 3 1 xxx 14) =+→ )(coslim 0 senxxx
- 54. Cálculo Diferencial eIntegral 53 15) = − − → 4 8 lim 2 3 2 x x x 16) = − − → 1 1 lim 1 h h h 17) = −+ → t t t 5325 lim 0 18) = −+ → t t t 16)4( lim 2 0 19) = − ++ −→ 1 23 lim 2 2 1 x xx x 20) = −−+ → x xx x 11 lim 0 21) = − − → 1 1 lim 5 4 1 x x x
- 55. Cálculo Diferencial eIntegral 54 AULA 07 - EXERCÍCIOS 1) =+++→ )15(lim 23 1 xxxx 2) =+−−−→ )342(lim 23 1 xxxx 3) =−−−−→ )1224(lim 23 2 xxxx 4) = − −+ → 5 45 lim 2 2 2 x xx x 5) = − +− → 2 107 lim 2 2 x xx x 6) = + −+ −→ 3 32 lim 2 3 x xx x 7) = +− +− → 12 34 lim 5 3 1 xx xx x 8) = − − → 6 36 lim 2 6 x x x 9) = + + −→ 2 32 lim 5 2 x x x 10) = +−+− −+− → 27543610 27188 lim 234 234 3 xxxx xxx x 11) = − − → 42 2 lim 2 x x x 12) = − − → 2 4 lim 4 x x x 13) = −− → x x x 42 lim 0 14) = − +− → 1 32 lim 1 x x x 15) = −+ → 11 lim 0 x x x 16) = − −+ → 2 321 lim 4 x x x 17) = −−− −+− → 1153 2232 lim 2 2 2 xx xx x Respostas 1) 8 2) 4 3) 526 −− 4) -10 5) -3 6) -4 7) 3 1− 8) 12 9) 80 10) 2 11) 0 12) 4 13) 4 14) 4 1− 15) 2 16) 3 4 17) 14 5
- 56. Cálculo Diferencial eIntegral 55 AULA 08 6.2 - LIMITES INFINITOS: Quando os valores assumidos pela variável x são tais que |x|> N, sendo N tão grande quanto se queria, então se diz que o limite da variável x é infinito. +∞=+∞→ xxlim ou −∞=−∞→ xxlim 6.2.1 - Igualdades Simbólicas: 6.2.1.1 – Tipo Soma: a. (3) + ( ∞± ) = ∞± b. (+ ∞ ) + (+ ∞ ) = + ∞ c. - ∞ + (- ∞ ) = - ∞ d. ∞ - ∞ = indeterminado 6.2.1.2 – Tipo Produto: a. 5 x ( ∞± ) = ∞± b. (-5) x ( ∞± ) = ∞m c. (+ ∞ )x(+ ∞ ) = + ∞ d. (+ ∞ )x(- ∞ ) = - ∞ e. ± ∞ x 0 = indeterminado 6.2.1.3 – Tipo Quociente: a. 0= ∞ c b. ∞= ∞ c c. 0 0 = ∞ d. 0 0 e = ∞ ∞ indeterminado 6.2.1.4 – Tipo Potência: a. +∞=+∞ c (c>1) b. 0=+∞ c (0<c<1) c. 00 =∞ d. 0=−∞ c e. +∞=+∞ +∞ )( f. −∞=−∞ c )( (se c for ímpar) g. +∞=−∞ c )( (se c for par) h. 0)( =+∞ −∞ i. 0)( =±∞ −c j. 00 = indeterminado k. =±∞ 0 )( indeterminado l. =±∞ 1 indetermindado
- 57. Cálculo Diferencial eIntegral 56 Obs.: O limite de uma função polinomial quando x tende ao infinito, é o limite do termo de maior grau. Exemplos: 1) =−++∞← )13(lim 2 xxx 2) = −+ −+− +∞→ 432 1245 lim 2 2 xx xxx x 3) = +− −+ −∞→ 3 543 lim 2 2 xx xx x 4) −∞→xlim = + 3 4 5 6 2 x x 5) = −+ + +∞→ 132 18 lim 4 4 xx xx x 6) =−−−+++∞→ )11(lim 22 xxxxx
- 58. Cálculo Diferencial eIntegral 57 AULA 08– EXERCÍCIOS 1) =−−−+∞→ )1235(lim 23 xxxx 2) =−+−−∞→ )122(lim 245 xxxx 3) =−+−−∞→ )123(lim 24 xxx 4) =+++∞→ )853(lim 24 xxx 5) =−+−−∞→ )235(lim 3 xxx 6) =−+−+∞→ )23(lim 2 xxx 7) = −+ −+− +∞→ 3 132 lim 2 23 xx xxx x 8) = − + −∞→ 1 12 lim 2 2 x x x 9) = − −∞→ 3 3 lim 2 x x x 10) = −+− ++− −∞→ 359 1253 lim 23 23 xxx xxx x 11) = +− −+ −∞→ 784 852 lim 5 23 xx xx x 12) = + +− −∞→ 7 125 lim 23 x xx x 13) = −+ ++ −∞→ 33 2 )1( 1 lim xx xx x 14) = + ++ +∞→ 1 1 lim 2 x xx x 15) = + ++ −∞→ 1 1 lim 2 x xx x 16) = + −− +∞→ 1 532 lim 4 2 x xx x 17) = + −− −∞→ 1 532 lim 4 2 x xx x 18) =−+++∞→ )43(lim 2 xxxx 19) =−++−∞→ )43(lim 2 xxxx Respostas: 1) + ∞ 2) - ∞ 3) - ∞ 4) + ∞ 5) + ∞ 6) - ∞ 7) + ∞ 8) 2 9) 0 10) 3 1 11) 0 12) + ∞ 13) 3 1 14) 1 15) -1 16) 2 17) 2 18) 2 3 19) + ∞
- 59. Cálculo Diferencial eIntegral 58 AULA 09 6.3 – LIMITES TRIGONOMÉTRICOS: 1lim 0 =→ x senx x Demonstrando o limite fundamental por tabela temos que: Usando valores de x → 0 em radianos, obtemos valores iguais ou muito próximos. Exemplos: 1) =→ x xsen x 3 lim 0 2) = − → 20 cos1 lim x x x 3) =→ xsen xsen x 2 5 lim 0 4) = + + → xsenxsen senxxsen x 42 5 lim 0 5) = + + → xsenx xsenx x 9 23 lim 0 x Senx 0,008 0,008 0,006 0,006 0,004 0,004 0,002 0,002 0,001 0,001
- 60. Cálculo Diferencial eIntegral 59 6) =→ x tgx x 0lim 7) = − → x x x cos1 lim 0 8) =→ sennx senmx x 0lim AULA 09 – EXERCÍCIOS 1) =→ x xsen x 2 3 lim 0 2) =→ x senx x 4 lim 0 3) =→ x xtg x 3 2 lim 0 4) =→ xsen xsen x 3 4 lim 0 5) =→ xtg xtg x 5 3 lim 0 6) = − → xsenx x x cos1 lim 0 7) = − → 20 sec1 lim x x x 8) = + → x senxtgx x 0lim 9) = − − → tgx xsenx x 1 cos lim 0 10) = − → xsen senxtgx x 20lim 11) = + − → senxx senxx x 0lim 12) = − → xsen xx x 4 3cos5cos lim 0 13) = − → senx xsenxsen x 23 lim 0 14) = −+ → x senaaxsen x )( lim 0 15) = − → 20 3 2cos1 lim x x x Respostas: 1) 3/2 2) ¼ 3) 2/3 4) 4/3 5) 3/5 6) ½ 7) – ½ 8) 2 9) -1 10) 0 11) 0 12) 0 13) 1 14) cos a 15) 2/3
- 61. Cálculo Diferencial eIntegral 60 AULA 10 6.4 – LIMITES DE FUNÇÃO EXPONENCIAL E LOGARÍTMICAS: e x x x =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +∞→ 1 1lim (1) Neste caso, e representa a base dos logaritmos naturais ou neperianos. Trata-se do número irracional e, cujo valor aproximado é 2,7182818 Nota-se que a medida que x ∞→ , x x ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 1 1 → e De forma análoga, efetuando a substituição y x = 1 e y x 1 = temos: ey y y =+→ 1 0 )1(lim (2) Ainda de forma mais geral, temos: (3) kly l y eky =+→ )1(lim 0 (4) kl lx x e x k =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +∞→ 1lim (5) a x ax x ln 1 lim 0 = − → (6) 1 1 lim 0 = − → x ex x Exemplos: 1) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +∞→ x x x 4 3 1lim 2) =+→ x x x 3 0 )21(lim X x x ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 1 1 1 2 2 2,25 3 2,3703 10 2,5937 100 2,7048 1000 2,7169 10000 2,7181 100000 2,7182
- 62. Cálculo Diferencial eIntegral 61 3) = − → x x x 2 13 lim 0 4) = − → xsen ex x 2 1 lim 0 5) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +∞→ x x x 2 5 1lim 6) ( ) =+→ x x x 2 0 21lim 7) = − → x x x 12 lim 0 8) = − → 1 3 lim 0 xx e xsen 9) = − → xsen e x x 4 1 lim 3 0 10) = − → xsen x x 2 13 lim 5 0 11) = −+ −− −→ 26 413 loglim 2 x x x
- 63. Cálculo Diferencial eIntegral 62 AULA 10 – EXERCÍCIOS 1) =− − → 2 4 2 2 3lim x x x 2) =− − → 1 1 1lim x x x e 3) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − +− → 2 45 4 2 1 lim x xx x e 4) = ++ ++ −→ 45 23 loglim 2 2 31 xx xx x 5) = −+ − → 21 3 lnlim 3 x x x 6) = + − → xx xx x 2 3 0 loglim 7) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++∞→ x x x 2 1 1lim 8) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +−∞→ 3 1 1lim x x x 9) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + +∞→ 2 1 1lim x x x 10) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − +∞→ 3 1 1lim x x x 11) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +−∞→ x x x 4 1lim 12) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++∞→ x x x 3 2 1lim 13) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −−∞→ x x x 3 2 1lim 14) =+→ x x x 1 0 )41(lim 15) =−→ x x x 2 0 )31(lim 16) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − + +∞→ 3 1 4 lim x x x x 17) =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + +∞→ 2 3 1 lim 2 2 x x x x 18) =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + +∞→ x x x x 12 32 lim 19) = + → x x x 2 )1ln( lim 0 20) = + → x x x 3 )21ln( lim 0 Respostas 1) 81 2) e2 3) e-12 4) -1 5) ln4 6) 0 7) e2 8) e1/3 9) e 10) e 11) e4 12) e6 13) e-6 14) e4 15) e-6 16) e-3 17) e4 18) e 19) ½ 20) 2/3
- 64. Cálculo Diferencial eIntegral 63 xa ? y AULA 11 6.5 – LIMITES LATERAIS: Consideramos uma função y = f(x), da qual queremos achar os limites laterais para x tendendo a a, ou seja, queremos calcular: Limite lateral à direita ?)(lim =−→ xfax Limite lateral à esquerda Vejamos como proceder em cada caso: Limite a direita (quando x → a+) Fazemos a seguinte troca de variável: x = a + h, com h > 0 x → a, devemos ter h → 0 Exemplo: =++→ )43(lim 2 xx Limite a esquerda (quando x → a-) Fazemos a seguinte troca de variável: x = a – h, com h > 0 x → a devemos ter h → 0 Exemplo: =+−→ )43(lim 2 xx O Limite de uma função existe quando )(lim)(lim xfxf axax +− →→ = x ? y a ?)(lim =+→ xfax
- 65. Cálculo Diferencial eIntegral 64 AULA 11 – EXERCÍCIOS 1) =−−+ → )13(lim 2 2 xxx 2) = + − + → 2 43 lim 3 x x x 3) = − +− − → 13 235 lim 2 1 x xx x 4) = +− +− − → 23 105 lim 2 2 3 xx xx x 5) =−++ → )31(lim 3 xx 6) = − + → 2 lim 2 x x x 7) =+− → )3(lim 2 2 xxx 8) =++ → )3(lim 2 2 xxx 9) = − − → 2 3 lim 2 x x x 10) = − + → 2 3 lim 2 x x x 11) =− → x x 1 0 2lim 12) =+ → x x 1 0 2lim 13) = + − → x x 10 21 4 lim 14) = + + → x x 10 21 4 lim 15) Calcule os limites laterais solicitados. a) ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ <+ = >− = 1xse14x 1xse2 xsex xf 123 )( )(lim 1 xf x + → , )(lim 1 xf x − → , )(lim 1 xf x → b) ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > = <− = 2xse1-x 2xse0 xsex xf 21 )( 2 )(lim 2 xf x + → e )(lim 2 xf x − → c) ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ >+ = < = 2xse7-6xx- 2xse1 xse1-3x-x xf 2 22 )( 2 )(lim 2 xf x + → e )(lim 2 xf x − → Respostas: 1) 9 2) 1 3) 2 4) 26 5) 1 6) ∞ 7) 10 8) 10 9) - ∞ 10)+ ∞ 11) 0 12)+ ∞ 13) 4 14) 0 15)a) 1 e 5 b) 1 e -3 c) 1 e 1
- 66. Cálculo Diferencial eIntegral 65 AULA 12 7 - ASSÍNTOTAS HORIZONTAIS E VERTICAIS 7.1 – INTRODUÇÃO: Traçaremos com facilidade um esboço gráfico de uma função se conhecermos as assíntotas horizontais e verticais do gráfico, caso elas existam. Assíntota são as linhas horizontais e verticais que no gráfico servem para traçarmos a função, onde a função vai tender para este valor, o que encontrarmos da assíntota, porém não "toca " esta reta, pois a assintota são os limites laterais vertical e horizontal da função 7.2 – ASSÍNTOTA VERTICAL Dizemos que a reta x = a é uma assíntota vertical do gráfico de f, se pelo menos uma das afirmações seguintes for verdadeira: i. ∞=+ → )(lim xfax ii. −∞=+ → )(lim xfax iii. ∞=− → )(lim xfax iv. −∞=− → )(lim xfax 7.3 – ASSÍNTOTA HORIZONTAL Dizemos que a reta y = b é uma assíntota horizontal do gráfico de f, se pelo menos uma das afirmações seguintes for verdadeira: i. bxfx =+∞→ )(lim ii. bxfx =−∞→ )(lim Exemplos: 1) Seja a função )1( 2 )( − = x xf . Encontre a equação assíntotas horizontais e verticais se ela existirem.
- 67. Cálculo Diferencial eIntegral 66 2) Considere a função 2 )2( 4 3)( − −= x xf . Encontre a equação das assíntotas horizontais e verticais, se ela existirem.
- 68. Cálculo Diferencial eIntegral 67 8 – FUNÇÕES CONTÍNUAS 8.1 – DEFINIÇÃO: Uma função f é contínua em um ponto a se são satisfeitas as seguintes condições: i. ∃ )(af ii. ∃ )(lim xfax→ iii. )()(lim afxfax =→ Exemplos: Verifique se as funções abaixo são contínuas no ponto indicado: 1) xxxf 352)( +−= em x = 4 2) 2 |2| )( − = x xf em x = 2
- 69. Cálculo Diferencial eIntegral 68 3) ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ >− = <− = 33 32 31 )( 2 xsex xse xsex xf em x = 3 AULA 12 – EXERCÍCIOS Escreva a equação das assíntotas das funções abaixo, faça um esboço do gráfico da função: 1) 3 5 − = x y 2) 1 13 − + = x x y 3) x y 2 = 4) 2 )1( 2 − = x y 5) 2 3 1 − +−= x y Verifique se as funções abaixo são contínuas nos pontos indicados 6) ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = ≠ − − = 31 3 3 |3| )( xse xse x x xf em x = 3 7) 3 9 )( 2 − − = x x xf em x = 3 8) 53)( −= xxf em x = 2 9) ⎩ ⎨ ⎧ <− ≥+− = 23 215 )( 2 xsex xsexx xf em x = 2 Respostas 1) x = 3 é a equação da assíntota vertical e y = 0 é a assintota horizontal 2) x = 1 é a equação da assíntota vertical e y = 3 é a assintota horizontal 3) x = 0 é a equação da assíntota vertical e y = 0 é a assíntota horizontal 4) x = 1 é a equação da assíntota vertical e y = 0 é a assíntota horizontal 5) x = 2 é a equação da assíntota vertical e y = - 1 é a assíntota horizontal 6) a função não é contínua 7) a função é continua 8) a função é contínua 9) a função não é contínua
- 70. Cálculo Diferencial eIntegral 69 AULA 13 9 – DERIVADAS 9.1 – INTRODUÇÃO: O Cálculo Diferencial e Integral criado por Leibniz e Newton no século XVII tornou-se logo de início um instrumento precioso e imprescindível para a solução de vários problemas relativos à Matemática e a Física. Na verdade, é indispensável para investigação não-elementar tanto nas ciências naturais como humanas. O formalismo matemático do Cálculo que à primeira vista nos parece abstrato e fora da realidade, está internamente relacionado com o raciocínio usado pelas pessoas em geral na resolução de problemas cotidianos. 9.2 – DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE ANGULAR DA RETA TANGENTE AO GRÁFICO DE UMA FUNÇÃO EM UM DETERMINADO PONTO DESTE GRÁFICO: Seja f uma função representada no gráfico abaixo: y xx f x( ) Gostaríamos de encontrar a inclinação da reta tangente a este gráfico em um determinado ponto, vamos supor P(x, f(x)). Sabemos que o coeficiente angular da reta nos dá a inclinação desta. Sendo assim, devemos encontrar o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico em P (x, f(x)). y xx f x( )
- 71. Cálculo Diferencial eIntegral 70 Seja P(x, f(x)) e Q (x + h, f(x +h)) dois pontos da função f onde h representa a diferença entre as abscissas de P e Q. É fácil determinar o coeficiente angular da reta PQ utilizando os conceitos de trigonometria no triângulo retângulo. Seja s a reta secante ao gráfico de f pelos pontos P e Q. y x Q P x x + h f x( ) f x+h( ) f x( ) s R Sabemos que o coeficiente angular mPQ da reta secante é dado pr PR QR tgmm sPQ === α h xfhxf ms )()( −+ = (i) inclinação da reta secante Podemos tomar no gráfico pontos Q1, Q2, Q3, Q5,....Qn cada vez mais próximos de P, a reta s(PQ) secante a curva, tende a posição de tangência em P e o acréscimo h, tende a zero. y x Q P x x + h f x( ) f x+h( ) f x( ) s RQ3 Q2 Q1 Logo: h xfhxf m mm xt sxt )()( lim lim 0 0 −+ = = → → onde m representa o coeficiente angular da reta tangente. Esse limite quando existe é chamado Derivada de t
- 72. Cálculo Diferencial eIntegral 71 9.3 – DEFINIÇÃO: Seja uma função f: D → R, e seja D’ o conjunto de todos os valores x tal que exista f’(x). Chama-se função derivada de f a função f’ : D’ → R tal que: x xfxxf xf x Δ −Δ+ = →Δ )()( lim)(' 0 Exemplo: 1) Se f(x) = x2 determine a equação da reta tangente ao gráfico f no ponto de abscissa x = 2
- 73. Cálculo Diferencial eIntegral 72 1) Seja a função f: R → R tal que f(x) = x2 . Obter a função derivada de f: 2) Utilizando a definição calcule a derivada da função f(x)=x3 9.3.1 – Outras notações para a função derivada: y’ (lê-se: derivada de y) y’x (lê-se: derivada de y em relação a x) dx dy (derivada de y em relação a x) Df (derivada de f)
- 74. Cálculo Diferencial eIntegral 73 9.4 – SIGNIFICADO FÍSICO DA DERIVADA; A questão fundamental da cinemática consiste em determinar a velocidade de um móvel em um instante qualquer quando é conhecida a equação de seu movimento ou seja, a expressão que nos dá o espaço (posição) em função do tempo, s=f(t). Quantitativamente a velocidade exprime em geral, a razão de variação do espaço em relação ao tempo. Quando esta razão é constante, temos o movimento uniforme. Ou seja, se o móvel percorre um espaço SΔ em um intervalo de tempo tΔ , a velocidade é dada pelo quociente t S v Δ Δ = , que é uma razão constante. Quando porém, temos um movimento variado, ou seja, o móvel percorre espaços diferentes em tempos iguais, é necessário e fundamental distinguir a velocidade média da velocidade instantânea. Se um automóvel percorre 120 km em 2 horas, não podemos concluir deste fato que sua velocidade tenha sido de 60 km/h. Se durante o percurso nós ativéssemos ao velocímetro constataríamos que a velocidade apresentou variação, ora para mais, ora para menos. Portanto a velocidade de 60 km/h que obtivemos dividindo 120km pelo tempo de 2 horas gastos em percorrê-los é o que chamamos de velocidade média. A velocidade que observamos a cada instante no velocímetro do veículo denominamos velocidade instantânean. Consideremos um móvel de equação horária s = f(t) que se desloca sobre uma trajetória retilínea de origem O e que em um instante t1 ocupe uma posição S1 e num instante t2 ocupe uma posição S2. Sabemos que o espaço percorrido pelo móvel entre uma posição e outra é 12 SSS −=Δ ou )()( 12 tftfS −=Δ e que o tempo gasto para percorrê-lo é 12 ttt −=Δ . Logo, sua velocidade média neste percurso é: 12 12 12 12 )()( tt tftf tt SS t S Vm − − = − − = Δ Δ = Com a definição de velocidade média e considerando a variação do tempo tendendo a zero podemos estabelecer a equação da velocidade instantânea no instante t1, dada por: 12 12 0 )()( limlim tt tftf t S V t − − = Δ Δ = →Δ Mas tttttt Δ+=⇒Δ=− 1212 e considerando t1 um instante genérico t, temos ttt Δ+=2 , logo: t tfttf V t Δ −Δ+ = →Δ )()( lim 0 que é a derivada da função f em relação a sua variável independente t, ou seja: Se S = f(t) então S’(t) = v Raciocínio semelhante pode ser desenvolvido a partir da função velocidade do móvel, v= f(t), o que nos levará a concluir que a sua derivada nos fornecerá a aceleração do móvel em um instante qualquer, isto é: Se v = f(t) então v’(t) = a Onde a é a aceleração instantânea do móvel. 0 S1 S2
- 75. Cálculo Diferencial eIntegral 74 9.5 – REGRAS DE DERIVAÇÃO: Esta seção contém algumas regras gerais que simplificam o trabalho de cálculo das derivadas. 1) f(x) = c f’(x) = 0 2) f(x) = xn f’(x) = n.xn-1 3) f(x) = u.v f’(x) = u’v + uv’ 4) f(x) = u.v.w f’(x) = u’vw + uv’w + uvw’ 5) v u xf =)( 2 '' )(' v uvvu xf − = 6) f(x) = un f’(x) = n.un-1 .u’ 7) f(x) = au f’(x) = au .ln a.u’ 8) f(x) = eu f’(x) = eu .u’ 9) f(x) = ln u u u xf ' )(' = 10) f(x) = log a u au u xf ln. ' )(' = 11) f(x) = cos u f’(x) = - u’.sen u 12) f(x) = sen u f’(x) = u’.cos u 13) f(x) = tg u f’(x) = u’.sec2 u 14) f(x) = cotg u f’(x) = - u’.cossec2 u 15) f(x) = sec u f’(x) = u’.sec u. tg u 16) f(x) = cossec u f’(x) = - u’.cossec u. cotg u 17) f(x) = uv f’(x) = v.uv-1 .u’ + uv .v’.ln u )'.ln'()(' u u v uvuxf v += 18) f(x) = arc sen u 2 1 ' )(' u u xf − = 19) f(x) = arc cos u 2 1 )(' u u xf − − = 20) f(x) = arc tg u 2 1 ' )(' u u xf + =
- 76. Cálculo Diferencial eIntegral 75 9.5.1 – Derivada de função Algébrica: Exemplos: 1) y = 4x2 – 2x 2) 7 3 5 7 2 −−= x y 3) 3 2 xy = 4) 1 2 + = x x y 5) )1)(32( 2 xxxy +−+= 6) 52 )3( += xy 7) 2 1 xy −= 8) 34 2 + = x y
- 77. Cálculo Diferencial eIntegral 76 AULA 13 – EXERCÍCIOS 1) y = 5X4 – 3X3 + 2X2 + 3X + 5 2) y = 7x4 -2x3 + 8x 3) x xx y 4 2 5 3 2 23 −+= 4) 3 7 x y = 5) 5 4 x y = 6) xxy += 2 7) 44 35 2 xxxy +−= 8) xxy 612 3 += 9) 53 1 − = x y 10) 72 53 − + = x x y 11) 55 32 2 +− + = xx x y 12) 2 23 2 2 +− +− = xx xx y 13) y = (1 + 4x3 )(1 + 2x2 ) 14) y = (x2 – 1)(1 – 2x)(1 – 3x2 ) 15) y = (2x2 – 4x + 8)8 16) y = (3a- 2bx)6 17) 3 3 bxay += 18) 3 22 )52( xy −= 19) xaxay −+= )( 20) 45 += xxy 21) 56 52 3 + − = x x y 22) 42 1 2 ++ + = xx x y 23) x x y − + = 1 1 24) xa xa y − + = Respostas: 1) y’ = 20x3 – 9x2 + 4x + 3 2) y’ = 28x3 – 6x2 + 8 3) y’ = 2x2 + 5x – 4 4) 4 21 ' x y −= 5) 6 20 ' x y −= 6) x xx y 2 4 ' 2 + = 7) 3 45 3 4 4 3 5 2 ' x xx y +−= 8) x xy 3 18' += 9) 25309 3 ' 2 +− − = xx y 10) 2 )72( 31 ' − − = x y 11) 22 2 )55( 2562 ' +− +−− = xx xx y 12) 22 2 )2( 42 ' +− − = xx x y 13) y’ = 40x4 + 12x2 + 4x 14) y’ = 30x4 – 12x3 – 24x2 + 8x + 2 15) y’ = (32x – 32)(2x2 – 4x + 1)7 16) y’ = -12b(3ª-2bx)5 17) 3 23 2 )( ' bxa bx y + = 18) 3 2 523 20 ' x x y − − = 19) xa xa y − − = 2 3 ' 20) 452 815 ' + + = x x y 21) 32 23 )56( 10456 ' + ++− = x xx y 22) 32 )42( 3 ' ++ = xx y 23) )1(1 1 ' 2 xx y −− = 24) 2 )( ' xax a y − =
- 78. Cálculo Diferencial eIntegral 77 AULA 14 9.5.2 – Derivada de Funções Exponenciais e Logarítmicas: Exemplos: 1) x y 3= 2) x ey = 3) xx ey 22 + = 4) ax exy ⋅= 2 5) 1 1 + − = x x e e y 6) xy 3log= 7) )1(log 2 += xy a 8) xx xx ee ee y − − + − =
- 79. Cálculo Diferencial eIntegral 78 AULA 14 – EXERCÍCIOS 1) y = 3x 2) y = e – x 3) 8 x ey = 4) 12 ++ = xx ey 5) xx y 22 7 + = 6) x e y x = 7) x xy )1( += 8) 13 )1( + += x xy 9) xy 3 ln= 10) 3 log4 xy = 11) 2 2 1 ln x x y + = 12) x x y − + = 1 1 ln 13) 2 29ln xy −= 14) xx y ln 1 = 15) xey x ln= 16) 22 ln xxy = 17) x x y ln = Respostas: 1) 3ln3' x y = 2) x ey − −=' 3) 8 .8' 7 x exy = 4) )12.(' 12 += ++ xey xx 5) )22.(7ln.7' 22 += + xy xx 6) 2 )1( ' x xe y x − = 7) )1ln()1()1(' 1 ++++= − xxxxy xx 8) )1ln(.3.)1()1)(1(' 213 33 +++++= + xxxxxy xx 9) x x y 2 ln 3'= 10) 10ln 12 ' x y = 11) )1( 2 ' 2 xx y + = 12) 2 )1( 2 ' x y − = 13) 2 29 2 ' x x y − − = 14) 2 )ln( 1ln ' xx x y −− = 15) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += x xey x 1 ln' 16) )1(ln2' 2 += xxy 17) 2 ln1 ' x x y − =
- 80. Cálculo Diferencial eIntegral 79 AULA 15 9.5.3 – Derivada de Funções Trigonométricas: Exemplos: 1) y = sen 5x 2) y = 3cos 2x 3) y = tg 3x 4) y = sec 4x 5) y = tg x3 6) y = tg2 x 7) y = cotg(1 – 2x2 ) 8) y = x2 cosx 9) y = sen2x.cosx 10) x x y cos = 11) x x y − = 2 arccos
- 81. Cálculo Diferencial eIntegral 80 AULA 15 – EXERCÍCIOS 1) y = cossec 7x 2) y = sen3x + cos2x 3) y = sen5 x 4) y = 5sen3 x 5) 3 3xtgy = 6) 12 += xseny 7) x xe x y cos = 8) x xy )(cos= 9) x senx y cos = 10) 3 4xsenxey x += 11) xy 3 sec= 12) x esenxxy .2 = 13) xarcseny 3= 14) x arctgy 1 = 15) )23( −= xarcseny 16) 2 2xarctgy = 17) )25( 3 xarcseny −= 18) )1(cot 2 xgarcy −= 19) 3 sec xarcy = 20) )1sec(arccos −= xy 21) arcsenxxy += 2 22) arctgxxy .= 23) xy arccosln= Respostas 1) y’ = -7cossec7x.cotg7x 2) y’ = 3cos3x-2sen2x 3) y’ = 5sen4 x.cosx 4) y’ = 15sen2 x.cosx 5) xsenx xtg y 3.3cos 3 ' 3 = 6) 12 12cos ' + + = x x y 7) x ex xxsenxx y 2 cos)cos( ' −+− = 8) )cos(ln)(cos' xtgxxxy x −= 9) xy 2 sec'= 10) 2 12)cos(' xxsenxey x ++= 11) xtgx x y .sec 2 3 ' 3 = 12) y’ = xex (2senx+xcosx+xsenx) 13) 2 91 3 ' x y − = 14) 1 1 ' 2 + − = x y 15) 3129 3 ' 2 −+− = xx y 16) 4 41 4 ' x x y + = 17) 24204 6 ' 36 2 −+− − = xx x y 18) 42 22 2 ' xx x y +− = 19) 1 3 ' 6 − = xx y 20) xxx y 2)1( 1 ' 2 −− − = 21) 2 1 1 2' x xy − += 22) 2 1 ' x x arctgxy + += 23) 2 1.arccos 1 ' xx y − − =
- 82. Cálculo Diferencial eIntegral 81 AULA 16 9.6 – DERIVADAS SUCESSIVAS Seja f uma função contínua em um intervalo I e derivável em um intervalo A ⊂ I. Vimos que a derivada de f em A denotamos por f’ . Se f’ é derivável em um intervalo B, B ⊂ A, a esta derivada de f’ denotamos por f” denominamos derivada segunda de f. Procedendo de maneira análoga, definimos as derivadas terceiras, quarta,...,enésimas. Exemplo: 1) Obtenha até a derivada de 5a ordem da função f(x) = 5x5 – 3x3 2) Dada a função f(x) = x4 – 2x3 + 4x2 – 1, pede-se calcular f”(-1) e f(6) (15) 9.7 – REGRAS DE L’HOSPITAL Agora apresentaremos um método geral para levantar indeterminações do tipo 0 0 ou ∞ ∞ . Esse método é dado pelas regras de L’Hospital. Regras de L’Hospital:Sejam f e g funções deriváveis num intervalo aberto I. Suponhamos que g’(x) ≠ 0 para todo x ≠ a em I. i). Se 0)(lim)(lim == →→ xgxf axax e L xg xf ax =→ )(' )(' lim então: L xg xf xg xf axax == →→ )(' )(' lim 0( )( lim
- 83. Cálculo Diferencial eIntegral 82 ii). Se ∞== →→ )(lim)(lim xgxf axax e L xg xf ax =→ )(' )(' lim então: L xg xf xg xf axax == →→ )(' )(' lim )( )( lim Obs.: A regra de L’Hospital continua válida se +∞=→ )(' )(' lim xg xf ax ou −∞=→ )(' )(' lim xg xf ax . Ela também é válida para os limites laterais e para os limites no infinito. Exemplos: Determinar 1) 1 2 lim 0 − → xx e x 2) x senx x 0lim → 3) x x x cos1 lim 0 − → 4) 4 2 lim 4 − − → x x x 5) 23 6 lim 2 2 2 +− −+ → xx xx x
- 84. Cálculo Diferencial eIntegral 83 AULA 16 – EXERCÍCIOS 1) 1 1 lim 2 1 − − → x x x 2) 1 23 lim 23 3 1 +−− +− → xxx xx x 3) xx e x3 lim ∞→ 4) 1 ln lim 1 − → x x x 5) 20 3 lim x senxx x − → 6) 3 2 1 lim x ex x x − +∞→ −− 7) 3 lim 3 3 − − → x eex x 8) senxx xtgx x − − →0lim 9) senxx xee xx x − −− − → 2 lim 2 0 10) xsen x x π 2 1 1 lim − → 11) x x sen x − − → π π 2 1 lim 12) 30lim x senxx x − → 13) x ba xx x − →0lim 14) 2 1 lim 3 2 ππ − − → x xsen x 15) 1cos 1 lim 2 0 − − → x ex x 16) Obter a derivada terceira das seguintes funções: a) f(x) = x3 + 2x2 + 1 b) f(x) = 5x2 – 3x +2 c) 1 2 1 )( − = x xf d) f(x) = 2x-3 e) f(x) = sen3x f) f(x) = e2x 17) Obter a derivada segunda das seguintes funções: a) xa x y + = 2 b) y = ex .cosx Respostas 1) 2 2) 2 3 3) 0 4) 1 5) 0 6) 0 7) e3 8) 2 9) 2 10) π 2 11) 0 12) 6 1 13) b a ln 14) 0 15) -2 16) a) 6 b) 0 c) 0 d) -120x-6 e) -27cos3x f) 8e2x 17) a) 3 2 )( 2 " xa a y + = b) y” = -2ex senx
- 85. Cálculo Diferencial eIntegral 84 AULA 17 9.8 – APLICAÇÃO DAS DERIVADAS 9.8.1 – Taxas de Variação Relacionadas Notemos que se duas grandezas variáveis estão relacionadas entre si através de uma terceira grandeza, então suas taxas de variação em relação a esta grandeza da qual dependem também estarão. Exemplo: Se y depende de x e x depende de t, temos: dt dx dx dy dt dy ⋅= Exemplos: 1) Um quadrado se expande de modo que seu lado varia a razão de 5 cm/s. Achar a taxa de variação de sua área em relação ao tempo no instante em que o lado mede 15cm. 2) Um cubo se expande de modo que sua aresta varia a razão de 12,5cm/s. Achar a taxa de variação de seu volume no instante em que sua aresta mede 10cm.
- 86. Cálculo Diferencial eIntegral Profa Paula Francis Benevides 85 3) Acumula-se areia em um monte com a forma de um cone onde a altura é igual ao raio da base. Se o volume de areia cresce a uma taxa de 10 m3 /h, a que razão aumenta a área da base quando a altura do monte é de 4m?
- 87. Cálculo Diferencial eIntegral 86 9.8.2 – Máximos e Mínimos 9.8.2.1 – Introdução: Suponha que o gráfico abaixo tenha sido feito por um instrumento registrador usado para medir a variação de uma quantidade física em relação ao tempo. Em tal caso, o eixo dos x representa o tempo e as ordenadas dos pontos do gráfico, os valores da quantidade f(x). Por exemplo, os valores de y podem representar medidas de temperaturas, pressão, corrente em um circuito elétrico, pressão sangüínea de indivíduo, quantidade de um produto químico em uma solução, bactérias em uma cultura, etc. Observemos que há intervalos em que a função é crescente e outros nos quais ela é decrescente. y xa b c d e M N P A figura mostra que f é crescente no intervalo de ]a,b[, decrescente de ]b, c[, crescente ]c, d[ e decrescente de ]d, e[. Se restringirmos nossa atenção ao intervalo de [b, e], veremos que a quantidade atingiu seu máximo (maior valor) em d e seu mínimo em c. Observe que em outros intervalos existem diferentes máximos e mínimos. O ponto M da curva, de abscissa x = b, situa-se exatamente no ponto onde a função passa de crescente para decrescente. Dizemos então que a função apresenta um máximo local em x = b, ou que f(b) é um máximo local da função. Isto é, o valor de f(b) é o maior valor que a função assume para valores de x, próximos de b. Convém observar que o ponto M não é o ponto mais alto do gráfico. M é o ponto mais alto dos que lhe são próximos. Por isso o adjetivo “local”. Vejamos agora que a função é decrescente no intervalo de ]b, c[ e crescente de ]c, d[. O ponto N da curva situa-se exatamente no ponto em que a função passa de decrescente para crescente e sua abscissa é x = c. Observamos que N é o mais baixo ponto entre os que lhe são próximos. Dizemos que a função apresenta ai um mínimo local, ou que f(c) é um mínimo local de f. O valor de f(c) é o menor valor que a função assume para valores próximos de x, próximos de b. Notemos que a função pode apresentar outros máximos e mínimos locais. Definição 1: Seja f uma função definida em um intervalo l e c um número em l, então: i). f(x) é máximo de f em l se f(x) ≤ f(c) para todo x em l ii). f(x) é mínimo em f em l se f(x) ≥ f(c) para todo x em l Definição 2: Seja c um valor do domínio de uma função f i). f(c) é máximo local de f se existe um intervalo (a,b), contendo c, tal que f(x) ≤ f(c) para todo x em (a,b) ii). f(c) é mínimo local de f se existe um intervalo (a,b), contendo c, tal que f(x) ≥ f(c) para todo x em (a,b) Teorema: Se uma função f tem extremo local para um valor c, então f’(c) = 0 ou f’(c) não existe.
- 88. Cálculo Diferencial eIntegral 87 Suponha que uma função f seja derivável, neste caso o seu gráfico admite tangente em cada ponto, conforme o gráfico abaixo. No ponto B, de máximo local, e A de mínimo local, a tangente ao gráfico é uma reta horizontal, paralela ao eixo x. Logo f’(a) = f’(b) = 0 pois o coeficiente angular da reta tangente é a derivada da função no ponto. Se f é uma função derivável e xo ponto tal que f’(xo) = 0 ou não exista, dizemos que x0 é um ponto crítico da função f. Portanto da afirmação anterior, concluímos que os máximos e mínimos locais de uma função ocorrem em pontos críticos da função. A condição f’(x) = 0 é necessária para que haja máximo ou mínimo local no ponto x, mas não é suficiente. Seja por exemplo a função f(x) = x3 . Derivando temos: f’(x) = 3x2 , logo f’(x) = 0 e o ponto de abscissa x = 0 não é nem máximo local nem mínimo local da função. Definição 3: Um ponto (número) c do domínio de uma função f é ponto crítico de f se, ou f’(c)=0 ou f’(c) não exista. Exemplo: Determine os pontos críticos da função f(x) = 4x2 – 3x + 2 A B
- 89. Cálculo Diferencial eIntegral 88 9.8.2.2 – Determinação dos Máximos e Mínimos locais: 1º) Calcular a derivada primeira da função f e resolver a equação f’(x)=0, cujas raízes são as abscissas dos pontos críticos de f. 2º) Examinamos cada ponto crítico encontrado afim de verificar se trata-se de extremo ou não. Para isso, utilizaremos o teste da derivada primeira ou o teste da derivada segunda. 9.8.2.3 – Crescimento e Decrescimento de funções: Teorema: Seja f uma função contínua em um intervalo fechado [a, b] e derivável no intervalo aberto (a, b). i). Se f’(x) > 0 para todo x em (a, b) então f é crescente em [a, b] ii). Se f’(x) < 0 para todo x em (a, b) então f é decrescente em [a, b] 9.8.2.4 – Teste da Derivada Primeira: Suponhamos que para x = x0 a função f tenha um ponto crítico e sejam a e b muito próximos de x0 tais que a<x0<b, então: i). Se tivermos que f’(a) > 0 e f’(b) < 0, então, nesse caso a função passa de crescente a decrescente e podemos afiram que f(x0) é um máximo local da função. ii). Se tivermos que f’(a) < 0 e f’(b) > 0, então, nesse caso a função passa de decrescente a crescente e podemos afirmar que f(x0) é um mínimo local da função. Exemplos: 1) Seja a função f(x) = x2 -4. Determine os pontos de máximo, de mínimo e de inflexão se existirem.
- 90. Cálculo Diferencial eIntegral 89 2) Seja a função f(x) = - x3 + 8x2 + 12x – 5. Determine os pontos de máximo, de mínimo e de inflexão se existirem. 9.8.2.5 – Concavidade e Teste da Derivada Segunda: Teste da Concavidade: Se uma função f é diferenciável em um intervalo aberto contendo c, então, no ponto P(c, f(c)), o gráfico é: i). Côncavo para cima se f”(c) > 0 ii). Côncavo para baixo se f”(c) <0 Teste da Derivada Segunda: Seja f diferenciável em um intervalo aberto contendo c e f’(c)=0. i). Se f”(c) < 0, então f tem máximo local em c ii). Se f”(c) > 0, então f tem mínimo local em c Se a função f admite derivada segunda nos pontos críticos, e supondo que esta seja contínua no domínio considerado, podemos empregá-la para examinar cada ponto crítico e classificá-lo. Seja x0 a abscissa de um ponto crítico, se f”(x0) > 0, o gráfico de f côncavo para cima para x próximo de x0, isto é, f tem ai concavidade voltada pra cima e então f(x0) é um mínimo local de f.
- 91. Cálculo Diferencial eIntegral 90 Se f”(x0) < 0, o gráfico de f é côncavo para baixo pra x próximo de x0, isto é, f tem concavidade voltada pra baixo, e nesse caso, f(x0) é um máximo local de f. Resumindo: Mínimo Local: ⎩ ⎨ ⎧ > = 0)(" 0)(' 0 0 xf xf Máximo Local: ⎩ ⎨ ⎧ < = 0)(" 0)(' 0 0 xf xf Exemplo: Determinar os pontos máximos ou mínimos da função f(x) = - x3 – 3x2 + 9x – 5, se existirem usando o teste da DERIVADA SEGUNDA.
- 92. Cálculo Diferencial eIntegral 91 AULA 17 – EXERCÍCIOS 1) Ao aquecer um disco circular de metal, seu diâmetro varia à razão de 0,01 cm/min. Quando o diâmetro esta com 5 metros, a que taxa esta variando a área de uma face? 2) Um tanque em forma de cone com vértice para baixo mede 12 m de altura e tem no topo um diâmetro de 12 m. Bombeia-se água à taxa de 4m3 /min. Ache a taxa com que o nível da água sobe: a) quando a água tem 2 m de profundidade. b) quando a água tem 8 m de profundidade. 3) Uma pedra lançada em uma lagoa provoca uma série de ondulações concêntricas. Se o raio r da onda exterior cresce uniformemente à taxa de 1,8 m/s, determine a taxa com que a área de água perturbada está crescendo: a) quando r = 3m b) quando r = 6m 4) Determine as abscissas dos pontos críticos das funções abaixo: a) s(t) = 2t3 + t2 – 20t +4 b) f(x) = 4x3 – 5x2 – 42x + 7 c) g(w) = w4 – 32w 5) Determine os pontos de máximo, de mínimo e de inflexão das seguintes funções se existires, UTILIZANDO O TESTE DA DERIVADA PRIMEIRA. a) y = 6x3 + 15x2 – 12x -5 b) 88 7 4 )( 2 −+−= xxxf c) f(x) = - 9x2 + 14x +15 6) Determine as abscissas dos pontos máximos ou mínimos das seguintes funções, UTILIZANDO O TESTE DA DERIVADA SEGUNDA. a) f(x) = x3 – 12x2 + 45x +30 b) y = 8x3 – 51x2 -90x +1 c) y = -x3 – 9x2 + 81x – 6 7) Imagine que a trajetória de uma pedra lançada ao ar seja um trecho da parábola dada por y = 5x 2 – 2 0x (x e y em metros), determine o ponto máximo da função. Respostas: 1) min/ 2 5 2 cm π 2) min/ 4 1 ) min/ 4 ) mb ma π π 3) smb sma /6,21) /8,10) 2 2 π π 4) 2) 3 7 2 3) 2 3 5) = −= −= wc exb eta 5) a) máx x = -2 e min x = 1/3 b) máx x = 7 c) máx x = 7/9 6) a) máx x = 3 e min x = 5 b) máx x = -3/4 e min x = 5 c) máx x = 3 e min x = - 9 7) P(2,- 20)
- 93. Cálculo Diferencial eIntegral 92 AULA 18 10 – INTEGRAIS 10.1 – INTRODUÇÃO: Até o momento, nosso problema era; dada a função obter a sua derivada. A partir de agora, trabalharemos com a pergunta inversa: dada a função de quem ela é derivada? A operação contrária a diferenciação (ou a derivação) é chamada de antidiferenciação ou anti-derivada. Definição: Uma função F é chamada de anti-derivada de uma função f em um intervalo l se F’(x) = f(x) para todo x em l Exemplo: Seja f(x) = 4x3 + 2x + 1. F(x) = x4 + x2 + x é a anti-derivada da função f, pois F’(x0 = f(x). Mas não existe uma única integral, note por exemplo que: G(x) = x4 + x2 + x + 5 também é uma anti-derivada de f pois G’(x) = f9x0 Na verdade,qualquer função definida por H(x) = x4 + x2 + x + c onde x é uma constante qualquer, será uma integral de f. 10.1.1 – NOTAÇÃO: A anti-diferenciação é um processo pelo qual se obtém a anti-derivada, mais geral de uma função encontrada. O símbolo ∫ denota a operação de integral, e escrevemos: ∫ += CxFdxxf )()( onde )()(' xfxF = A expressão acima é chamada de Integral Indefinida de f. Em lugar de usarmos a expressão antiderivação para o processo de determinação de F, utilizaremos agora, a expressão Integração Indefinida. Para facilitar o nosso processo de obtenção da anti-derivada de uma função, temos algumas regras, que veremos a seguir. 10.2 – INTEGRAIS IMEDIATAS ∫ + + = + c n x dxx n n 1 1 1) ∫ =dxx5 2) ∫ =2 x dx 3) ∫ = 3 2 x dx
- 94. Cálculo Diferencial eIntegral 93 4) ∫ =− dxxx)1( 5) ∫ =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + dx x x 2 3 2 1 6) ∫ = −+ dx x xx 2 23 )45( 7) ∫ =+ dxxx 223 3.)2( ∫ + + = + c n v dvv n n 1 1 8) ∫ =+ xdxxba .222 ∫ += cv v dv ln 9) ∫ = − )32( x dx
- 95. Cálculo Diferencial eIntegral 94 10) ∫ = − 3 2 21 x dxx ∫ += c a a dva v v ln ∫ += cedve vv 11) ∫ =dx x e x 2 1 12) ∫ =dxexx 3 13) ( ) ∫ = − dx ba ba xx xx 2 cvdvtgv +−=∫ cosln. ou cvdvtgv +=∫ secln. 14) ∫ =xdxtg2 ∫ +−= cgvvvdv )cotsecln(cosseccos 15) ∫ =xdxseccos
- 96. Cálculo Diferencial eIntegral 95 ∫ += ctgvvdv2 sec 16) ∫ =dxxx 322 sec ∫ ++= ctgvvvdv )ln(secsec 17) ∫ = x dx xsec ∫ += cxdxtgxx sec..sec 18) ∫ =dx x senx 2 cos ∫ +−= cgxxdx cotseccos 2 19) ∫ = + x dx cos1
- 97. Cálculo Diferencial eIntegral 96 c a v arcsen va dv += − ∫ 22 ou c a v va dv +−= − ∫ arccos 22 20) ∫ = − 2 916 x dx c a v arctg ava dv += +∫ 1 22 ou c a v arc ava dv +−= +∫ cot 1 22 21) ∫ = + 94 2 x dx c a v arc aavv dv += − ∫ sec 1 22 ou c a v aavv dv +−= − ∫ secarccos 1 22 22) ∫ = − 94 2 xx dx
- 98. Cálculo Diferencial eIntegral 97 c va va ava dv + − + = − ∫ ln 2 1 22 23) ∫ = −19 2 x dx ∫ + + − = − c av av aav dv ln 2 1 22 ∫ +±+= ± cavv av dv )ln( 22 22 24) ∫ = −+ 743 2 xx dx
- 99. Cálculo Diferencial eIntegral 98 Aula 18- Exercícios 1) ∫ + dx x x 33 2 )2( 8 2) ∫ + + dx xx x 3 1 2 )6( )3( 3) ∫ − dxxx 42 2 4) dx x x ∫ + )ln2( 5) ∫ + dx x x 2 )1( 6) ∫ + dxee xx .)1( 3 7) ∫ dxxxsen .2cos.2 2 8) ∫ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + dx tgx x 2 1 sec 9) ∫ − dx xcb ax 222 3 10) ∫ xx dx ln. 11) ∫ dxxtg .2 12) ∫ 22 )( x e dx 13) dx x xsenx ∫ + cos cos 14) ∫ dx xsen gx 2 cot 15) ∫ − dxx 2 )14(sec 16) ∫ + dx xba tgxx sec .sec 17) ∫ dx xsen x 4 3 cos 18) ∫ dxxtg .4 19) ∫ + dxxxtg 2 )2sec2( 20) ∫ + dxgxtgx 2 )cot( 21) ∫ + dx bx ax 44 22) ∫ − 2 94 t dt 23) ∫ − θ θθ 2 4 .cos sen d 24) ∫ −14 xx dx 25) ∫ − dx x x 2 2 1 arccos 26) ∫ − dx x x 6 2 5 27) ∫ + arctgxx dx )1( 2 28) ∫ − + xx ee dx 29) ∫ + dx x tgxx 2 sec49 .sec 30) ∫ ++ 522 xx dx 31) ∫ −− 23 2 xx dx 32) ∫ −++ 2)12( 3 2 xxx dx 33) ∫ − − dx x xx 2 1 arccos
- 100. Cálculo Diferencial eIntegral 99 34) dx xx x ∫ −+ − 743 32 2 35) ∫ −+ 2 627 xx xdx 36) ∫ ++ 2 1 xx dx 37) ∫ + − dx x x 94 13 2 38) ∫ +− + dx xx x 8129 32 2 39) ∫ + dx xsen xsen 2 1 2 40) ∫ + x x e dxe 2 2 2 41) ∫ − xx dx 2 ln1 42) ∫ + xxsen dx 22 cos32 43) dxxx∫ +3 23. Respostas: 1) c x + + − 23 )2(3 4 2) 4 )6(3 3 2 2 xx + + c 3) c x + − − 6 )21( 2 3 2 4) c x + + 2 )ln2( 2 5) c xx x +++ 5 2 3 4 2 2 5 2 3 2 1 6) c ex + + 4 )1( 4 7) c x +− 6 )2(cos 3 8) c tgx + + − 1 1 9) cxcb c a +− − )ln( 2 3 222 2 10) ln(lnx) + c 11) cx +)2ln(sec 2 1 12) c e x + − 4 4 1 13) cxx ++)ln(sec l 14) c gx +− 2 )(cot 2 15) cxxtgxxtg +++− )44ln(sec 2 1 4 4 1 16) cxba b ++ )secln( 1 17) c sensenx x +− 3 3 11 18) cxtgx xtg ++− 3 3 19) cxxxtg +−+ 2sec2 20) ctgxgx ++− cot 21) c b x arctg b a +2 2 2 2 22) c t t +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + 32 32 ln 12 1 23) c sen sen +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + θ θ 2 2 ln 4 1 24) cxarc +2 sec 2 1 25) c x + − 3 arccos3 26) c x x +⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + 3 3 5 5 ln 56 1 27) carctgx +)ln( 28) carctgex + 29) c x arctg +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 3 sec2 6 1 30) c x arctg +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 2 1 31) cxarcsen +− )32( 32) ( ) c x arc + + 3 12 sec 33) cx x +−+− 2 2 1 2 arccos 34) c x x xx +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − −−+ 73 33 ln 30 13 )743ln( 3 1 2 35) ( ) c x arcsenxx + − +−+− 6 3 3627 2 36) cxxx +++++ )1 2 1ln( 2 37) cxxx +++−+ )942ln( 2 1 94 4 3 22 38) c x arctgxx + − ++− 2 23 2 1 . 9 13 )8129ln( 9 1 2 39) cxsen ++ 2 12 40) c e arctg x + 22 1 41) c x arcsen + 1 ln 42) ctgxarctg +⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ 3 2 6 1 43) ( ) 3 4 3 7 23 6 1 )23( 21 1 +−+ xx
- 101. Cálculo Diferencial eIntegral 100 AULA 19 10.3 - INTEGRAIS POR PARTES ∫ ∫−= duvvudvu ... 1) ∫ =dxex x . 2) ∫ =dxxx .ln.2 3) ∫ =+ dxxx3 23
- 102. Cálculo Diferencial eIntegral 101 4) ∫ =++ dxxx )1ln( 2 5) ∫ =xdxsenesenx 2
- 103. Cálculo Diferencial eIntegral 102 AULA 19 – EXERCÍCIOS 1) ∫ =arcsenxdx 2) ∫ =xdxsen2 3) ∫ =xdx3 sec 4) ∫ =dxsenxx ..2 5) =∫ dxex x .. 2 3 6) =∫ dxex x .. 23 7) ∫ =dxarctgxx .. 8) ( ) ∫ = − 32 1 . x xdx arcsenx 9) ∫ =dxxxtg .sec. 32 10) ∫ =− dxxarctgx 1. 2 11) ∫ = + 2 )1( .ln x dxx 12) ∫ = + dx x x arcsen 1 Respostas: 1) cxarcsenxx +−+ 2 1. 2) c xsenx +− 4 2 2 3) ctgxxtgxx +++ )ln(sec 2 1 .sec 2 1 4) cxxsenxxx +++− cos22cos.2 5) cxex +− )1( 2 1 22 6) cxxxe x +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +−− 122 3 4 .. 8 3 232 7) cxxarctgx +−+ )1( 2 8) c x x x arcsenx +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + − − 1 1 ln 2 1 1 2 9) ctgxxxtgxxtgx ++−− )ln(sec 8 1 sec 8 1 sec 4 1 3 10) cxxarctgx +−−− 1 2 1 1 2 1 222 11) c x x x x +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + + − 1 ln )1( ln 12) cx arctgx x x xarcsen + +− +1
- 104. Cálculo Diferencial eIntegral 103 AULA 20 10.4 – INTEGRAÇÃO COM APLICAÇÃO DE IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS As identidades seguintes são empregadas no cálculo das integrais trigonométricas do presente capítulo: i). 1cos22 =+ xxsen ii). xxtg 22 sec1 =+ iii). xxg 22 seccoscot1 =+ iv). )2cos1( 2 12 xxsen −= v). )2cos1( 2 1 cos2 xx += vi). xsenxsenx 2 2 1 cos =⋅ vii). [ ])()( 2 1 cos yxsenyxsenysenx ++−=⋅ viii). [ ])cos()cos( 2 1 yxyxsenysenx +−−=⋅ ix). [ ])cos()cos( 2 1 coscos yxyxyx ++−=⋅ x). xsenx 2 1 2cos1 2 =− xi). xx 2 1 cos2cos1 2 =+ xii). ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −±=± xsenx π 2 1 cos11 Exemplos: 1) ∫ =xdxsen2 2) ∫ =xdx3cos2
- 105. Cálculo Diferencial eIntegral 104 3) ∫ =xdxsen3 4) ∫ =xdx6 cos 5) ∫ =xdxxsen 22 cos
- 106. Cálculo Diferencial eIntegral 105 6) ∫ =xdxsenxsen 2.3 7) ∫ =dxxxsen .5cos.3 8) ∫ =dxxx .2cos.4cos 9) ( )∫ =+ dxx .3cos1 2 3
- 107. Cálculo Diferencial eIntegral 106 10) ∫ =− dxxcos1 11) ∫ = − xsen dx 21 12) =∫ dxxtg .4 13) ∫ =xdxg 2cot 3
- 108. Cálculo Diferencial eIntegral 107 AULA 20 – EXERCÍCIOS 1) ∫ =xdx5 cos 2) ∫ =xdxsen4 3) ∫ =dxxsenx .2.2cos 34 4) ∫ =xdxxsen 3cos.3 53 5) ∫ =xdxxsen 44 cos. 6) ∫ =dx x xsen 3 4 3 cos 7) ∫ =xdxtg5 8) ∫ =xdx2sec4 9) ∫ =xdxtgx 34 .sec 10) ∫ =xdxxtg 2sec.2 33 11) ∫ =xdxxtg 44 sec. 12) ∫ =xdxg 3cot 4 Respostas: 1) Cxsenxsensenx ++− 53 5 1 3 2 2) Cxsenxsenx ++− 4 32 1 2 4 1 8 3 3) Cxx +− 2cos 10 1 2cos 14 1 57 4) Cxx +− 3cos 18 1 3cos 24 1 68 5) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++− C xsen xsenx 8 8 43 128 1 6) Cxx ++ − 3 5 3 1 cos 5 3 cos3 7) Cx xtgxtg ++− secln 24 24 8) Cxtgxtg ++ 2 2 1 2 6 1 3 9) C xtgxtg ++ 64 64 ou C xx +− 4 sec 6 sec 46 10) Cxx +− 2sec 6 1 2sec 10 1 35 11) C xtgxtg ++ 75 75 12) Cxxgxg +++− 3cot 3 1 3cot 9 1 3
- 109. Cálculo Diferencial eIntegral 108 AULA 21 10.5 – INTEGRAÇÃO POR FRAÇÕES PARCIAIS Esta técnica é usada para integrar funções racionais próprias, isto é, funções da forma )( )( )( xq xp xR = , onde p e q são polinomiais e o grau de p(x) é menor que o grau de q(x). A ídéia é desdobrar o integrando R(x) em uma soma de funções racionais mais simples, que podem ser integradas. É fácil verificar que: 1 1 1 1 1 2 2 + − + − = − xxx A expressão à direita é o que se chama uma decomposição em frações parciais de 1 2 2 −x . Pode-se usar esta decomposição para calcular a integral indefinida de 1 2 2 −x . Basta integrarmos cada uma das frações da decomposição, obtendo: ∫ ∫ ∫ + − + − = − dx x dx x dx x 1 1 1 1 1 2 2 O desdobramento do integrando pode ser feito de acordo com os casos seguintes: CASO 1: O denominador de R(x) pode ser decomposto em fatores distintos do 1o grau. Neste caso, a cada fator da forma (ax + b), * ℜ∈a e , ℜ∈b , que aparece no denominador, corresponde uma fração da forma )( bax A + . Exemplos: )1)(1( 2 )1( 2 2 +− = − xxxxx )1()1()1( 2 2 + + − += − x C x B x A xx Calcule ∫ = −+ −+ dx xxx xx 32 9134 23 2
- 110. Cálculo Diferencial eIntegral 109 CASO 2: O denominador de R(x) pode ser decomposto em fatores repetidos do 1o grau. A cada fator da forma (ax + b) que aparece n vezes no denominador, corresponde uma soma de n frações da forma: n n bax A bax A bax A )( ... )( 2 21 + ++ + + + Exemplos: 22222 ])1)[(1)(1( 1 )12()1( 1 −++ + = +−+ + xxx x xxx x 4222 )1)(1( 1 )12()1( 1 −+ = +−+ + xxxxx x 4 5 3 4 2 321 222 )1()1()1()1()1()12()1( 1 − + − + − + − + + = +−+ + x A x A x A x A x A xxx x Calcule ∫ = −+ −+− dx xx xxx 3 23 )2)(1( 429183
- 111. Cálculo Diferencial eIntegral 110 CASO 3: O denominador é constituído por fatores quadráticos distintos e irredutíveis da forma q(x) = ax2 +bx + c com a ≠ 0 e não pode portanto ser decomposto em fatores do 1o grau. A cada fator q(x) que aparece no denominador, corresponde uma fração da forma )(xq BAx + Exemplo: )1()1()1)(1( 1 2 22 2 11 22 + + + ++ + = +++ x BxA xx BxA xxx Calcule ∫ = −+− −− dx xxx xx 482 21 23 2
- 112. Cálculo Diferencial eIntegral 111 CASO 4: O denominador é constituído por fatores quadráticos repetidos e irredutíveis da forma q(x) = ax2 + bx + c com a ≠ 0 e não pode portanto ser decomposto em fatores do 1o grau. A cada fator de q(x) que aparece repetido no denominador, corresponde uma soma de frações da forma n nn xq BxA xq BxA xq BxA )]([ ... )]([)( 2 2211 + ++ + + + Calcule ∫ = + −+− dx x xxx 22 23 )1( 3735
- 113. Cálculo Diferencial eIntegral 112 AULA 21 – EXERCÍCIOS 1) = − − ∫ dx xx x )4( 125 2) ∫ = −−+ − dx xxx x )3)(2)(1( 1137 3) ∫ = − − dx x x 2 )1( 116 4) ∫ = −+ + dx xx x 82 16 2 5) ∫ = − −− dx xx xx 4 8105 3 2 6) ∫ = −+ −− dx xx xx )5()1( 33252 2 2 Respostas: 1) Cxx +−+ |4|ln2||ln3 2) Cxxx +−+−−+ |3|ln|2|ln5|1|ln4 3) C x x + − +− 1 5 |1|ln6 4) Cxx +−++− |2|ln3|4|ln2 5) Cxxx +++−− |2|ln4|2|ln||ln2 6) Cx x x +−− + −+ |5|ln3 1 1 |1|ln5
- 114. Cálculo Diferencial eIntegral 113 AULA 22 10.6 – INTEGRAL DEFINIDA: Teorema fundamental do Cálculo: Seja f uma função contínua em [a, b] e g uma função tal que g’(x) = f(x) para todo x ∈ [a, b]. Então ∫ −= b a agbgdxxf )()()( . A expressão ∫ b a dxxf )( é chamada de Integral Definida de f de a até b. Em linguagem simples, este teorema nos diz que se g é uma anti-derivada de f, então a integral definida de a até b de f é dada pela diferença g(b) – g(a). Os valores de a e b são chamados de limites de integração. Exemplos: 1) Calcule ∫ = 3 1 2 dxx 2) Calcule ∫ = 3 1 5dx 3) Calcule ∫ = 7 0 xdx
- 115. Cálculo Diferencial eIntegral 114 X=1 X=3 y x 10.6.1 – INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA: Vamos agora interpretar geometricamente os exemplos 2 e 3. 1) Seja f(x) = 5 (exemplo 2). Tomemos a região delimitada por (x), o eixo x e as retas x = 1 e x = 3. Temos um retângulo de base 2 e altura 5, cuja área é dada por: A1 = b.h = 2x5 = 10u.a (como no exemplo 2) 2) Seja f(x) = x (exemplo 3). Tomaremos a região delimitada pelo eixo x, a função f(x) = x e as retas x = 0 e x = 7. Temos um triângulo de base 7 e altura 7, cuja área é dada por auA . 2 49 2 77 2 = ⋅ = . Os fatos observados nestes exemplos não são mera coincidência. Na verdade, se f(x)>0 para x ∈ [a,b], então ∫ b a dxxf )( nos fornece a área limitada por f(x) pelas retas x =a e x = b e o eixo x. 1 3 7 x y 1 3 f(x)=x 7
- 116. Cálculo Diferencial eIntegral 115 3) Tomemos agora um exemplo em que f(x) < 0 em [a, b] ∫ − − =+ 1 3 )1( dxx ( ) ( ) 2)3( 2 3 )1( 2 1 2 22 1 3 2 −=⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −+ − −⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −+ − =+ − − x x A região delimitada por y = (x+1), pelo eixo x e as retas x = - 3 e x = - 1 é apresentada abaixo: Note que A3 é um triângulo de base 2 e altura 2, assim, .. 2 22 3 auA ⋅ = Assim, vemos que ∫ − − = 1 3 3 )( dxxfA . Em geral se f(x)<0 em [a, b] a área delimitada por f(x), o eixo x e as retas x = a e x=b é dada por ∫= b a dxxfA )( . 10.6.2 – PROPRIEDADES DAS INTEGRAIS DEFINIDAS 1. Se uma função f é integrável no intervalo fechado [a, b], e se k é uma constante qualquer, então: ∫ ∫= b a b a dxxfkdxxfk )()(. Exemplo: Calcule o valor da integral ∫ = 3 0 5xdx 1 -1 -2 -3 -1 x y
- 117. Cálculo Diferencial eIntegral 116 2. Se as funções f e g são integráveis no mesmo intervalo fechado [a,b] então f + g é integrável em [a, b] e: ∫ ∫ ∫+=+ b a b a b a dxxgdxxfdxxgxf )()()]()([ Exemplo: Calcule o valor da integral ∫ =⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + 5 3 2 1 dx x x 3. Se a função f é integrável nos intervalos fechados [a, b], [a, c] e [c, b] então: ∫ ∫ ∫+= b a c a b c dxxfdxxfdxxf )()()( Exemplo: Calcule o valor da integral ∫− = 3 2 xdx AULA 22 – EXERCÍCIOS Encontre o valor das integrais definidas abaixo: 1) ∫ = 2 0 2 dxx 2) ∫ = 2 1 3 dxx 3) ∫ =++ 4 1 2 )54( dxxx 4) ∫− =+ 2 2 3 )1( dxx 5) ∫− =⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛ + 1 1 3 1 3 4 4 dxxx 6) ∫− =+ 4 3 )2( dxx 7) ∫ = − 5 1 13x dx 8) ∫− =− 3 3 6 )3( dttt 9) ∫ = + 4 0 2 9x xdx 10) ∫ =+ 5 0 4dxx 11) ∫ = 1 0 3 7 8 dxx Respostas: 1) 3 8 2) 4 15 3) 66 4) 4 5) 7 6 6) 2 35 7) [ ]17 3 22 − 8) 7 4374 9) 2 10) 3 38 11) 5 3
- 118. Cálculo Diferencial eIntegral 117 AULA 23 10.6.3 – APLICAÇÕES DE INTEGRAL DEFINIDA 10.6.3.1 – CÁLCULO DE ÁREAS DE UMA REGIÃO PLANA Se f é uma função contínua em um intervalo fechado [a, b] e se f(x) ≥ 0 para todo x em [a, b], então temos que o número que expressa a área da região limitada pela curva y = f(x), o eixo x e as retas x = a e x = b é dada por, em unidades quadradas: ∫= b a dxxfA )( Por conveniência, referimo-nos à região R como a região sob o gráfico f de a até b. y x a b Exemplos: 1) Encontre a área limitada pela curva y = x2 , o eixo x e as retas x = -1 e x = 2. xx=1 x=2 y Área = R
- 119. Cálculo Diferencial eIntegral 118 -4 x y -2 2 2) Encontre a área limitada pela curva y = x2 – 4, o eixo x e as retas y = - 2 e x = 2 3) Calcule a área limitada pelas curvas y = x2 + 1, y = - x2 - 1 e as retas x = -1 e x = 3. y x -10 10 3-1 A1 A2
- 120. Cálculo Diferencial eIntegral 119 4) Calcule a área da região definida pela curva y = x2 – 4, o eixo x e as retas x = -4 e x = 2 y 2 -4 -2-4 12 x A2 A1
- 121. Cálculo Diferencial eIntegral 120 xa b y g(x) 10.6.3.1.1 – ÁREA DA REGIÃO LIMITADA POR DUAS FUNÇÕES: Nesta seção, consideraremos a região que esta entre os gráficos de duas funções. Se f e g são contínuas em f(x) ≥ g(x) ≥ 0 para todo x em [a, b], então a área A da região R, limitada pelos gráficos de f, g, x =a e x = b, pode ser calculada subtraindo-se a área da região sob o gráfico de g (fronteira inferior de R) da área da região sob o gráfico de f (fronteira superior de R): ∫ ∫−= b a b a dxxgxdxxfA )()( ou ∫ − b a dxxgxf )]()([ Suponha que desejamos calcular a área A delimitada por duas curvas f(x) e g(x) e as retas x = a e x = b, como ilustra a figura abaixo: Note que a área pode ser obtida pela diferença das áreas A1 – A2 Sendo ∫= b a dxxfA )(1 e ∫= b a dxxgA )(2 A = A1 – A2 =A ∫ b a dxxf )( ∫− b a dxxg )( ∫ −= b a dxxgxfA )]()([ Assim verificamos que é válido o teorema a seguir: xa b y f(x) g(x) y f(x) a b x
- 122. Cálculo Diferencial eIntegral 121 Teorema: se f e g são contínuas e f(x) ≥ g(x) ≥ 0 para todo x em [a, b], então a área A da região delimitada pelos gráficos de f, g, x = a e x = b é: ∫ −= b a dxxgxfA )]()([ Diretrizes pra encontrar a área de uma região R limitada por duas funções: Esboçar a região, designando por y = f(x) a fronteira superior e por y = g(x) a fronteira inferior. Encontrar os pontos de intersecção (a e b) entre as duas funções (sistema de equações) Calcular a integral ∫ −= b a dxxgxfA )]()([ Exemplos: 1) Encontre a área A limitada pela curva f(x) = x2 + 2 e g(x) = 1 no intervalo de [-2, 3]
- 123. Cálculo Diferencial eIntegral 122 2) Encontre a área A da região limitada pelas curvas y = x2 e y = -x2 + 4x. AULA 23 – EXERCÍCIOS Encontre a área delimitada pelas curvas e as retas dadas. 1) y = 4x – x2 , o eixo x, as retas x = 1 e x=3. 2) y = 8x-x2 , o eixo x, as retas x= 0 e x=4. 3) y = x2 + 1 e y =5 4) y = x2 e y = 4x 5) y = 1 – x2 e y = x – 1 6) y = senx, o eixo x, x = 0 e radx 2 π = 7) y = senx, o eixo x, x = 0 e x = 2π rad 8) y = cosx, o eixo x, x = 0 e x = 2π rad 9) y = x e y = x2 com 0 2≤≤ x 10) y = x2 e y = x Respostas: 1) au. 3 22 2) ... 3 128 au 3) au. 3 32 4) au. 3 32 5) au. 2 9 6) 1 u.a. 7) 4 u. a 8) 4 u. a 9) 1 u. a. 10) .. 3 1 au
- 124. Cálculo Diferencial eIntegral 123 AULA 24 10.6.3.2 – VOLUME DE UM SÓLIDO DE REVOLUÇÃO: Definição 1: Um sólido de revolução é um sólido gerado pela rotação de uma região do plano em torno de uma reta no plano, chamada de eixo de revolução. Exemplo: Ao girarmos o triângulo abaixo em torno do eixo y, obtemos um cone de revolução. Definição 2: Seja f uma função contínua no intervalo fechado [a, b]. Se S for o sólido obtido pela rotação, em torno do eixo x da região limitada pela curva y = f(x), o eixo x e as retas x = a e x = b e se V for o número de unidades cúbicas do volume de S, então: ∫= b a dxxfV 2 )]([π Exemplo: Calcule o volume do sólido gerado pela rotação da região plana limitada pela curva y=x2 e as retas x = 2 e x = 3 em torno do eixo x. y x y x
- 125. Cálculo Diferencial eIntegral 124 Definição 3: Seja uma região R do plano limitada pelos gráficos de x = a, x = b e pelos gráficos de duas funções contínuas f e g, com f(x) ≥ g(x) ≥ 0 para todo x em [a, b]. Então o volume do sólido gerado pela rotação da região R em torno do eixo x é dado por: [ ]∫ −= b a dxxgxfV 22 )()(π Exemplo: Encontre o volume do sólido gerado pela rotação em torno do eixo x, da região limitada pela parábola y = x2 + 1 e a reta y = x + 3 AULA 24 – EXERCÍCIOS 1) Seja f(x) = x2 + 1, determine o volume do sólido gerado pela rotação em torno do eixo x, da região do plano limitada por f(x), pelo eixo x e as retas x = -1 e x = 1. 2) Seja x xf 1 )( = , determine o volume do sólido gerado pela rotação em torno do eixo x, da região limitada por f(x), pelo eixo x e as retas x = 1 e x = 3. 3) Seja f(x) = x2 – 4x, determine o volume do sólido gerado pela rotação em torno do eixo x, da região do plano limitada por f(x) e pelo eixo x. 4) Em cada um dos exercícios abaixo esboce a região R delimitada pelos gráficos das equações dadas e determine o volume do sólido gerado pela rotação de r em torno do eixo x. a) y = x2 , y = 4 – x2 b) y = 2x, y = 6, x = 0 c) 2 x y = , y = 4, x = 1 Respostas: 1) .. 15 56 vu π 2) .. 3 2 vu π 3) .. 15 512 vu π 4) a) .. 3 264 vu π b) π72 u.v. c) .. 12 833 vu π
- 126. Cálculo Diferencial eIntegral 125 AULA 25 11 - EQUAÇÕES DIFERENCIAIS 11.1 – INTRODUÇÃO: Definição: Toda equação cujas incógnitas são funções e que contém pelo menos uma derivada ou diferencial destas funções, denomina-se equação diferencial. Exemplos: 1) 13 −= x dx dy 2) 0=− ydxxdy 3) 02 2 =+ y dx yd 4) 02 2 2 2 = ∂ ∂ + ∂ ∂ y Z x Z Classificação: A função y é denominada incógnita de uma variável independente de x. Quando existe apenas uma variável independente, a equação é denominada ordinária, quando há mais de uma variável livre, equação diferencial de derivadas parciais (4o exemplo). Ordem: A ordem de uma equação diferencial é determinada pela ordem da derivada de mais alta ordem contida na equação. Grau: Supondo-se a equação escrita sob forma racional inteira em relação às derivadas, o grau da equação é o maior dos expoentes a que esta elevada a derivada de mais alta ordem contida na equação. Exemplos: 1 3 33 3 =− dx yd y dx yd x ⇒ 3 32 3 3 dx yd y dx yd x =−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⇒ 3a ordem e 2o grau yxLg dx dy Lg =− 2 ⇒ y x dx dy Lg =2 ⇒ y e dx dy x =. 1 2 ⇒ y ex dx dy 2 = ⇒ 1a ordem e 1o grau Observe que nem sempre à primeira vista, pode-se classificar a equação de imediato quanto a ordem e grau.
- 127. Cálculo Diferencial eIntegral 126 Resolução: Resolver uma ED é determinar todas as funções que, sob a forma finita, verificam a equação, ou seja, é obter uma função de variáveis que, substituída na equação, transforme-a numa identidade. Exemplo: 13 −= x dx dy Solução geral: solução que contem tantas constantes arbitrárias quantas forem as unidades de ordem da equação. Solução particular: solução da equação deduzida da solução geral, atribuindo-se valores particulares as constantes arbitrárias. Solução singular: solução que não pode ser deduzida da equação geral. Curvas Integrais: A solução geral de uma ED representa uma família de curvas. Essa solução denomina-se primitiva ou integral da ED. Exemplo: 1) Seja a equação x dx dy 2=
- 128. Cálculo Diferencial eIntegral 127 2) Sendo dadas as curvas seguintes, determinar para cada uma delas a equação diferencial de menor ordem possível que não contenha nenhuma constante arbitrária. a) 6 2 3 2 +−= x x y b) y = C1 sen x + C2 cos x c) y = C1 x2 + C2 d) y = C1 e3x + C2 e- 2x
- 129. Cálculo Diferencial eIntegral 128 11.2 - EQUAÇÃO DE PRIMEIRA ORDEM E PRIMEIRO GRAU São equações de 1a ordem e 1o grau: ),( yxF dx dy = ou 0=+ NdyMdx em que M = M(x,y) e N = N(x,y). Estas funções tem que ser contínuas no intervalo considerado ( - ∞, ∞) 10 TIPO: EQUAÇÕES DE VARIÁVEIS SEPARÁVEIS. Uma equação do tipo Mdx + Ndy = 0 em que M e N pode ser: a) Funções de apenas uma variável: b) Produtos com fatores de uma só variável ou c) Constantes. é denominada equação de variáveis separáveis. Exemplos: Resolver as seguintes equações: 1) 13 −= x dx dy 2) y dx – x dy = 0
- 130. Cálculo Diferencial eIntegral 129 3) 0 4 = − − dy y x xdx 4) 0secsec. =− xdytgyydxtgx
- 131. Cálculo Diferencial eIntegral 130 5) 01)1( 222 =−−− dyxdxyx 6) (x – 1) dy – y dx = 0
- 132. Cálculo Diferencial eIntegral 131 7) xyx y dx dy )1( 1 2 2 + + = 8) (1 + x2 )dy – xydx = 0
- 133. Cálculo Diferencial eIntegral 132 9) 2 2 1 1 x y dx dy + + = 10) 0cos =+ xy dx dy
- 134. Cálculo Diferencial eIntegral 133 11) (x2 + a2 )(y2 + b2 )dx + (x2 – a2 )(y2 – b2 )dy = 0 12) sec2 x tg y dx + sec2 y tg x dy = 0
- 135. Cálculo Diferencial eIntegral 134 13) dx dy xyy dx dy xa =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 14) (1 + x2 ) y3 dx + (1 – y2 ) x3 dy = 0
- 136. Cálculo Diferencial eIntegral 135 AULA 25 – EXERCÍCIOS Sendo dadas as curvas seguintes, determinar para cada uma delas a equação diferencial de menor ordem possível que não contenha nenhuma constante arbitrária. 1) x2 + y2 = C2 2) y = C ex 3) x3 = C (x2 – y2 ) 4) y = C1 cos 2x + C2 sen 2x 5) y = (C1 + C2x) ex + C3 6) y = C1 e2x + C2 e- x Resolver as equações abaixo: 7) 0. 1 =− dx dy tgy x 8) 4xy2 dx + (x2 + 1) dy = 0 9) (2+ y) dx - (3 – x) dy = 0 10) xy dx – (1 + x2 ) dy = 0 11) 42 2 + = − x e dx dy y Respostas: 1) 0=+ ydyxdx 2) 0=− y dx dy 3) dx dy xyxy 23 22 =− 4) 042 2 =+ y dx yd 5) 02 2 2 3 3 =+− dx dy dx yd dx yd 6) 022 2 =−− y dx dy dx yd 7) x cos y = C 8) C y xLg =−+ 1 )1(2 2 9) (2 + y)(3 – x) = C 10) C y2 = 1 + x2 11) C x arctge y =− 2 2
- 137. Cálculo Diferencial eIntegral 136 AULA 26 11.3 - EQUAÇÕES HOMOGÊNEAS São as da forma Mdx + Ndy = 0, onde M e N são funções homogêneas em x e y e do mesmo grau. Exemplos: 1) (x2 – y2 ) dx – 2xy dy = 0
- 138. Cálculo Diferencial eIntegral 137 2) (2x – y) dx – (x + 4y) dy = 0
- 139. Cálculo Diferencial eIntegral 138 3) (x2 + y2 ) dx – xy dy = 0
- 140. Cálculo Diferencial eIntegral 139 AULA 26 – EXERCÍCIOS 1) (x – y) dx – (x + y) dy = 0 2) (x2 + y2 ) dx + (2x + y)y dy = 0 3) (x + y) dx + (y – x) dy = 0 Respostas: 1) y2 + 2xy – x2 = K 2) y3 + 3xy2 + x3 = k 3) x y arctgyxLgC =+ 22 1
- 141. Cálculo Diferencial eIntegral 140 AULA 27 11.4 - EQUAÇÕES DIFERENCIAIS EXATAS Uma equação do tipo M dx + N dy = 0 é denominada diferencial exata, se e somente se: x N y M ∂ ∂ = ∂ ∂ → condição necessária ∫ ∫ =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ −+= Cdy y P NMdxU onde, ∫= MdxP Exemplos: 1) (x2 – y2 )dx – 2xy dy = 0 2) (2x – y + 1) dx – (x + 3y – 2) dy = 0
- 142. Cálculo Diferencial eIntegral 141 3) ey dx + ( xey – 2y) dy = 0 11.4.1 - FATOR INTEGRANTE: Quando a expressão Mdx + Ndy não é diferencial exata, isto é, x N y M ∂ ∂ ≠ ∂ ∂ , mostra-se que há uma infinidade de funções ),( yxF , tais que )( NdyMdxF + é uma diferencial exata. A esta função ),( yxF , dá-se o nome de fator integrante. F(x): F(y): ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ = x N y M N xR 1 )( ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ −= x N y M M yR 1 )( ∫= dxxR ecxF )( .)( ∫= dyyR ecyF )( .)( Exemplos: Resolver as seguintes equações diferenciais transformando em exatas através do fator integrante. 1) y2 dx + (xy + 1) dy = 0
- 143. Cálculo Diferencial eIntegral 142 2) (x2 – y2 ) dx + 2xy dy = 0 AULA 27 – EXERCÍCIOS 1) (x3 + y2 ) dx + ( 2xy + cos y) dy = 0 2) 2222 yxy xdy y dy yx dx + =+ + 3) 2xy dx + x2 dy = 0 4) senh x.cosy dx = coshx.seny dy 5) 0)( 22 =−− θθ drrdre 6) (2cos y + 4x2 ) dx = x sen y dy 7) 2x tg y dx + sec2 y dy = 0 8) seny dx + cos y dy = 0 Encontre a solução particular em: 9) 2xy dy = (x2 + y2 ) dx para y(1) = 2 10) 3y2 dx + x dy = 0 para y(1) = 1/2 Respostas: 1) Ksenyxy x =++ 2 4 4 2) Kyxx =++ 22 3) x2 y = K 4) coshycosy = K 5) Kre =− 22θ 6) x2 cos y + x4 = C 7) Ctgyex = 2 8) Ceseny x =. 9) xxy 32 += 10) 2ln3 1 + = x y
- 144. Cálculo Diferencial eIntegral 143 AULA 28 11.5 - EQUAÇÕES LINEARES Equações lineares são aquelas da forma QPy dx dy =+ onde P e Q são funções de x ou constantes. Se Q = 0, a equação é denominada linear homogênea ou incompleta. 1o Método: Substituição ou de Lagrange ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ +∫∫= ∫ − CdxQeey PdxPdx .. 2o Método: Fator Integrante Dado QPy dx dy =+ (Py – Q) dx + dy = 0 multiplica-se tudo por ∫ Pdx e transformando a equação diferencial em exata. Exemplos: 1) Resolver a equação 2−=− x x y dx dy por: a. Lagrange
- 145. Cálculo Diferencial eIntegral 144 b. Fator integrante:
- 146. Cálculo Diferencial eIntegral 145 2) senxytgx dx dy =−
- 147. Cálculo Diferencial eIntegral 146 3) (x + seny – 1)dy – cosy.dx = 0
- 148. Cálculo Diferencial eIntegral 147 AULA 28 – EXERCÍCIOS 1) 0 cot =−+ x gx x y dx dy 2) arctgxy dx dy x =++ )1( 2 3) xytgx dx dy cos. += 4) x x y dx dy =− 5) 32 x x y dx dy =+ 6) Achar a solução particular para y = 0 e x = 0 em x ytgx dx dy cos 1 =− Respotas: 1) [ ]Csenx x y += )ln( 1 2) arctgx eCarctgxy − +−= .1 3) xCxsenxy sec2 4 1 2 1 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++= 4) 2 xCxy += 5) 2 4 6 1 x C xy += 6) x x y cos =
- 149. Cálculo Diferencial eIntegral 148 AULA 29 11.6 - EQUAÇÃO DE BERNOULLI Equação da forma: n QyPy dx dy =+ (1) para 1≠n e 0≠n Pois, se: n = 0 ⇒ y’ + P(x)y = g(x) ⇒ caso anterior n = 1 ⇒ y’ + [P(x) – g(x)] y = 0 ⇒ caso anterior e homogênea Transformação de variável: Substitui por ty n =−1 Deriva-se em relação a x: dx dt dx dy yn n =− − )1( (2) Substituindo (1), que é: n QyPy dx dy =+ ⇒ PyQy dx dy n −= em (2) temos: ( ) dx dt PyQyyn nn =−− − )1( ( )( ) dx dt PyQn n =−− −1 1 como ty n =−1 , temos: dx dt PtQn =−− ))(1( QntPn dx dt )1(])1[( −=−+ Tornando-se assim uma equação linear a ser resolvida pelo método anterior.
- 150. Cálculo Diferencial eIntegral 149 Exemplos: 1) 2 3 2 xy x y dx dy =−
- 151. Cálculo Diferencial eIntegral 150 2) 3 2 xyxy dx dy =−
- 152. Cálculo Diferencial eIntegral 151 AULA 29 – EXERCÍCIOS 1) 33 yxxy dx dy =+ 2) xyy dx dy x ln2 =+ 3) 33 yxy dx dy x =+ 4) yxy xdx dy += 4 5) 02 2 =+− xy dx dy xy Respostas: 1) 2 .1 1 2 x eCx y ++ = 2) Cxex y + = ).ln( 1 3) 1.2 2223 =+− yxCyx 4) 2 4 ln 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += Cxxy 5) x C xy ln.2 =