Matemática Volume 4.pdf
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Limites
A SSUNTO
6
Matemática I
1. Introdução
2.3 Limite lateral à esquerda
Em Matemática, um limite intuitivamente é um valor para o qual uma x ) se aproxima, quando x fica função f ( x fica perto per to de determinado valor. valor. Neste assunto, estudaremos funções cujos domínios são intervalos ou uniões de intervalos e cujos contradomínios são o conjunto dos números reais.
x ) = L significa que conforme x se Sendo f uma uma função, lim x → a – f ( x aproxima de a pela esquerda (de maneira que x é é sempre menor que a e, x ) fica cada vez mais próximo por isso, a aproximação é pela esquerda), f ( x x ) = L se, e somente se, para todo de L. Formalmente, temos que lim x → a – f ( x ε > 0, existir δ > 0 tal que a – δ < x < x ) – L| < ε (isto quer < a ⇒ | f ( x x ) fica dizer exatamente que conforme x se se aproxima de a pela esquerda, f ( x cada vez mais próximo de L).
2. Definições
2.1 Limite em um ponto x ) = L significa que conforme x se Sendo f uma função, lim x → a f ( x x ) fica cada vez mais próximo de L. Formalmente, temos aproxima de a, f ( x x ) = L se, e somente se, para todo ε > 0, existir δ > 0 tal que que lim x → a f ( x x ) – L| < ε (isto quer dizer exatamente que conforme 0 < | x – – a| < δ ⇒ | f ( x se aproxima de a, f ( x x se x ) fica cada vez mais próximo de L). Vejamos agora um exemplo: x 2 − 1 . x − 1
Ex.: Calcule lim x →1
2 x + 1 se Ex.: Seja f ( x ) = x − 1 se
Solução: Seja f (x)
=
x
1 definida em – {1}. 1
2.4 Limites no infinito Sendo f uma uma função, lim x →∞ ( x ) = L significa que à medida que x fica fica →∞ f x x ) fica cada vez mais próximo de L. um número real cada vez maior, f ( x f x x L se, e somente se, para todo ε > 0, Formalmente, temos que lim x →∞ ( ) = →∞ x ) – L| < ε. existir A tal que x > > A ⇒ | f ( x
−
−
Calcularemos, inicialmente, alguns valores: f (1,1), (1,1), f (1,01), (1,01), f (1,001). (1,001). Em seguida, calcularemos f (0,9), (0,9), f (0,99), (0,99), f (0,999). (0,999). Temos que f (1,1) (1,1) = 2,1, f (1,01) (1,01) = 2,01 e f (1,001) (1,001) = 2,001. Além disso, f (0,9) (0,9) = 1,9, f (0,99) (0,99) = 1,99 e f (0,999) (0,999) = 1,999. Veja então que quando x fica x ) fica muito próximo de 2. Isso quer dizer fica muito próximo de 1, f ( x intuitivamente, que o limite buscado é 2. + − x ) = (x 1)(x 1) = x + Para tornar tudo mais claro, podemos ver que f ( x + x − 1 ≠ 1. Agora, é bastante evidente que quando x → 1, x + 1, se x ≠ + 1 → 2 e, x ) = 2. portanto, lim x →1 f ( x
f ( x ) = 1 −
2
x − 1
x ) = 1. De fato, temos que . Temos que lim x →∞ →∞ f ( x
x + 1
. Quando x → ∞ , temos que
x + 1
2
x + 1
→ 0 e, desta forma,
f ( x x ) se aproxima de 1 – 0 = 1.
2.5 Limites infinitos 2.5.1 Limite infinito em um ponto
x ) = ∞ significa que à medida que x se Sendo f uma uma função, lim x → a f ( x se aproxima de a, f ( x x ) fica um número real cada vez maior. Formalmente, x ) = ∞ se, e somente se, para todo A > 0, existir δ tal temos que lim x → a f ( x x )| que 0 < | x – – a| < δ ⇒ | f ( x )| > A. 2.5.2 Limite infinito no infinito
Comentário: a rigor, deveríamos formalizar o argumento com épsilons
e deltas. Entretanto, neste material, optamos por uma abordagem com ênfase menor em demonstrações.
2.2 Limite lateral à direita Sendo f uma uma função, lim x → a+ f ( x se x ) = L significa que conforme x se aproxima de a pela direita (de maneira que x é é sempre maior que a e, x ) fica cada vez mais próximo por isso, a aproximação é pela direita), f( x x ) = L se, e somente se, para de L. Formalmente, temos que lim x → a+ f ( x x ) – L| < ε (isto todo ε > 0, existir δ > 0 tal que a 3, temos que f ( x + 1 e, desta forma, quando x se se aproxima de
3 pela direita, 2 x + + 1 se aproxima de 2 · 3 + 1 = 7.
f ( x x ) = ∞ significa que à medida que x fica Sendo f uma uma função, lim x →∞ fica →∞ x ) também fica um número real cada vez maior. um real cada vez maior, f ( x maior. ∞ f x x A, Formalmente, temos que lim x →∞ ( ) = se, e somente se, para todo →∞ x )| existir B > 0 tal que x > > A ⇒ | f ( x )| > B.
2.6 Função contínua Sendo f uma uma função e a um ponto do domínio de f , dizemos que f é é x ) = f ( a a). Se f é contínua em a se lim x → a f ( x é contínua em todos os pontos de seu domínio, dizemos que f é é contínua.
2.7 Condições de continuidade em um ponto a); I. a função deve existir no ponto ⇒ $ f ( a x );); II. a função deve ter limite imite no ponto ⇒ $ lim x → a f ( x x ) = f ( a a). III. esses valores devem ser iguais ⇒ lim x → a f ( x Obs.:
• se uma dessas três três condições condições não for satisfeita, satisfeita, dizemos dizemos que a função é descontínua no ponto;
AFA-EFOMM
111
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Matemática I – Assunto 6
[a, b], quando ela é contínua • uma função é contínua em um intervalo a x ) = f ( a a) e em cada ponto do interior desse intervalo e lim x → a+ f ( x lim x → b– f ( x x ) = f ( b b).
6. Descontinuidades
6.1 Descontinuidade evitável Caracteriza-se pela existência do limite no ponto, diferente do valor da função nesse ponto (ou se a função não for definida nesse ponto).
3. Propriedades x ) = L e lim x → a g( x x ) = M , então: I. Se lim x → a f ( x f ( x x ) + g( x x )] a. lim x → a[ f )] = L + M b. lim x → a[ f )] = L · M f ( x x ) · g( x x )]
Ex.: x 2 − 4 x ) = x − 2 • f ( x 5
f ( x ) ≠ 0) M ( ( M M ≠ = L / g( x )
c. lim x → a
x ≠ 2
x = 2 x ) = 4 e f (2) x ) ≠ f (2), lim x →2 f ( x (2) = 5 ⇒ lim x →2 f ( x (2), a descontinuidade seria evitada se fosse definido f( 2) 2) = 4.
x ) = L > 0 e lim x → a g( x x ) = M , então lim x → a f ( x x ) g( x x ) = L M . d.Se lim x → a f ( x x ) = L e lim y → L g ( y y ) = M , com M = g ( L L ), então II. Se lim x → a f ( x f ( x x )) lim x → a g( f )) = M (regra (regra da substituição)
se
x ) = • f( x
se
sen3 x
x x ) = 3 ⇒ f é não existe f (0) (0) e lim x →0 f ( x é descontínua evitável para x = = 0, a descontinuidade seria evitada se f (0) (0) = 3.
Obs.:
• As propriedades acima valem se os limites L, e M existem existem e são finitos.
6.2 Descontinuidade de 1a espécie
III. Teorema do sanduíche sanduíc he x ) = lim x → a g( x x ) = L e f ( x x ) c
x
Determine, em função de b, c (c ≠ 0) os possíveis valores de a para os quais a função f é é contínua em .
x 2
c.
lim x →0
d.
lim x →0
e.
lim x →0
sen 5 x
05 Se c é uma constante real não nula, encontre o valor de a para o qual
4 x
2
a
06 Seja f ( x x ) =
2
x
cos x cos 5 x
x
≤c
2
x
>c
ax + 10
sen 4 x 1 − cos 2 x sen
cos x, 2 cos
f é é contínua, onde: f( x ) =
tan 3 x
−
f ( x x ) é finito? lim x →∞ →∞
cos 2 x
− cos 7
x
−a +4 3
3
.
x
2
+1−
3
2 x
. Para que valores de a
x EXERCÍCIOS NÍVEL 2
01 Para cada número natural n, seja F n a figura plana composta de
1 quadradinhos de lados iguais a , dispostos da seguinte forma: n
02 Divide-se um segmento de medida a em n partes iguais, e em cada
uma delas constrói-se um triângulo isósceles — de ângulos iguais a 45° tendo cada uma das n partes do segmento AB como base. Demonstrar que o limite do perímetro — da linha quebrada formada, diferencia-se da medida do segmento AB , embora, no —limite, a linha quebrada “fusione-se geometricamente com o segmento AB. 3 x − 1 03 Achar as constantes a e b da equação: lim x →∞ ax + b − 2 = 0. x + 1
Dê uma interpretação geométrica para a igualdade. 04 Certo processo químico decorre de tal forma que o aumento da
1 n F n é formada por uma fila de n quadradinhos, mais uma fila de n – 1) quadradinhos, mais uma fila de ( n n – 2) quadradinhos e assim ( n sucessivamente, sendo a última fila composta de um só quadradinho (a figura ilustra o caso n = 7).
quantidade de substância, em cada intervalo de tempo τ, da sucessão i τ, ( i i + i = infinita de intervalos ( i + 1)τ), ( i = 0, 1, 2...) é proporcional à quantidade disponível de substância, que se tem no início desse intervalo e proporcional à grandeza do intervalo. Pressupondo-se que no momento inicial de tempo a quantidade de substância era igual a Q0, determinar a quantidade de substância Q i ( n n) no intervalo de tempo t , se o aumento da quantidade de t substância ocorre a cada n-parte do intervalo de tempo . Achar e τ =
n
Qt = lim n→∞Q i ( n n).
Calcule o limite da área de F n quando n tende a infinito. RASCUNHO
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Derivadas
A SSUNTO
7
Matemática I
1. Conceito
n nn ∆ x ( x n −1 + x n − 2∆x + + ∆x n −1 ) 1 2 e f ' ( x ) = lim ∆ x →0 = ∆ x n = x n −1 = n ⋅ x n −1 1 l f '( x ) = nn ⋅ x n −1
x ) ao limite da razão Chama-se derivada de um função y = f ( x incremental (∆ y / ∆ x ) quando o incremento ∆ x da da variável independente x );); tende a zero. Indica-se por f ’(’( x ou seja: f '( x ) = lim ∆ x →0
∆y ∆ x
=
lim ∆x →0
f ( x + ∆x ) − f( x ) ∆ x
III.
2. Interpretação geométrica Q
f ( x x + ∆ x )
y
y = f ( x x )
β
f ( x x )
x + ∆ x
→
x
−
x 0
3. Cálculo das derivadas y
=
k, k ∈ ℜ
ke y
⇒ ∆ y =
k
+ ∆y = −
k
=
k ⇒ ∆y
=
k
−
y ⇒
0 e f '('(x )= lim∆ x →0
0 =0 ∆ x
logo: f '( x ) = 0
Obs.: A expressão y + ∆ y corresponde ao f ( x x + ∆ x ),), de modo que
∆ y = x + x ).). = f ( x + ∆ x ) – f ( x
n
∑
n n − k k x ∆x
x + ∆x
y ⇒ ∆y −
=
⇒
1
1 ⇒ x + ∆x x x −
1 x =
−1
x( x + ∆x )
=−
1 x 2
−2
= − x
IV. f ( x ) = senx y
senx e y + ∆y = sen( x + ∆x )⇒ ⇒ ∆ y = se sen( x + ∆x ) − y ⇒ ∆ y = sen( x + ∆x ) − senx x + ∆x − x x + ∆x + x ⇒ ∆ y = 2 sen ⋅ cos ⇒ 2 2 x ∆ x ∆x ⇒ ∆ y = 2 sen cos( x + )⇒ 2 2 2 ⋅ sen ∆x / 2 cos( x + ∆x / 2) e f '( x ) = lim∆ x →0 = ∆ x sen ∆ x / 2 = lim∆ x →0 ⋅ lim∆ x →0 cos( x + ∆x / 2) = cos x / 2 ∆ x logo: f '( x ) = cos x =
V. f ( x ) y
=
=
cosx
cosx e y cos( x
+ ∆y =
+ ∆x ) −
cos( x
+ ∆x )⇒
cos(x + ∆x )− cosx ⇒ y ⇒ ∆ y = co
x + ∆x + x x + ∆x − x ⋅ sen → 2 2 ∆ x ∆x ⇒ ∆ y = − 2 ⋅ sen ⋅ sen( x + )→ 2 2 ⇒ ∆ y =
y = x n e y + ∆y = ( x + ∆x ) n ⇒
⇒ y + ∆y
x + ∆x
−
1
l ogo: f '( x ) = − x −2
∆ y =
II. f ( x ) = x n , n ∈ N
1
= lim ∆ x →0
Obs.: A derivada de uma função em um ponto nos dá a inclinação da reta tangente à curva neste ponto, ou seja: f '( x 0 ) = lim x x f ( x ) − f ( x 0 ) 0
=
+ ∆ y =
e f '( x ) = lim∆ x →0 x + ∆x ∆ x x − x − ∆x − ∆ x 1 x( x + ∆x ) = lim ∆ x →0 = lim∆x →0 ⋅ = x( x + ∆x ) ∆x ∆ x
R
RQ ∆ y Inclinaçãodaretasecante m PQ = tan β = = → razão incremental PR ∆ x Inclinação da reta tangente em P: m P = tanα = lim∆x →0 ∆ y = f '( x ) ∆ x
f ( x )
x −1 e y
⇒ ∆ y =
α
x
I.
=
x −1
=
1
P
β
f ( x )
2 sen
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Matemática I – Assunto 7
VI. f ( x ) y
a x , a ∈ R +
= x
a ey
=
∆ y =
x
a
−
{1} (x
+ ∆y =
⋅a
∆ x
a
y → ∆y
−
5. Regra da cadeia + ∆ x )
⇒ y + ∆y =
a
=
x
⋅a
∆x
⋅a
∆ x
x ) e as derivadas f ’(’(u) e g’( x x ) existem, então a função Se y = = f (u), u = g( x x ) tem derivada dada por y ’ = f ’(’(u) · g’( x x ) composta definida por y = = fog( x Demonstração: Com efeito, ∆ y = f (g (x + ∆ x ))− f ( g ( x ) ) ∆u = g( x + ∆x ) − g ( x ) ⇒ g( x + ∆ x) = g( x ) + ∆ u = u + ∆u
⇒
→
a x ( a ∆x − 1) = ∆ x
a x ( a ∆ x − 1) e f '( x ) = lim∆ x →0
⇒ ∆ y =
a
−
x
a
x
a∆ x − 1 x = a ⋅ ln a ∆ x
x
= lim∆ x →0 a ⋅ lim∆ x →0
l oggo: go: f '( x ) = a x ⋅ ln a
∆ y ∆ y ∆ y ∆u ∆u f '( x ) = lim = lim∆ x → 0 ⋅ = ∆ x →0 ∆u ∆ x ∆u ∆ x g ' ( x ) = lim∆ x →0 ∆ x ∆ y ∆u = lim∆ x →0 ⋅ lim∆x →0 ∆u ∆ x g( x + ∆x) → g ( x ) e ∆ u → 0 se ∆ x → 0 e tão nt
f ' ( u ) = lim∆u →0
4. Propriedades I. f = = u + v → f ’ = u’ + v ’ Com efeito, f ( x ) = u ( x ) + v ( x ) ⇒ f '( x ) = = lim∆ x →0 = lim∆ x →0
)) ( u (x + ∆x )+ v (x + ∆x ) )− ( u (x )+ v ( x ∆ x
u (x + ∆x )− u (x ) ∆ x
+ lim∆x →0
=
v (x + ∆x )− v (x ) ∆ x
logo: f '( x ) = lim ∆u →0 =
Ex.: y = ( x 2 + 1)3
2 2 y = u 3 → y '= 3u 2 f ' ( x ) = u ' ⋅ y ' = 3 ⋅ ( x 2 + 1) ⋅ 2 x = 6 x ⋅ ( x 2 + 1) u = x 2 + 1→ u '= 2 x
= u '( x ) + v '( x )
generalizando: f = f1 + f2 + + f n
→
= f1 ' + f2 ' + f n '
f'
Obs.: f = u – v ⇒ f’ = u’ – v ’
generalizando: f = f1of2o of n
II. f = u ⋅ v ⇒ f’= u’ ⋅ v + u · v’ Com efeito, f ( x ) = u ( x ) ⋅ v ( x ) ⇒ f
= lim ∆ x →0 = lim ∆ x → 0
u (x + ∆x )(v (x + ∆x )− v (x
))+ v (x )(u (x + ∆ x )− u (x )) )) + lim ∆x →0 v( x )
u (x + ∆x )− u (x ) ∆ x
u ⇒
f '
=
f'
⇒
u 'v
=f ' 1
· f 2· · f n
−
uv '
2
v
u( x + ∆x )
= lim∆ x →0
ef
' ( x ) =
1
−
( x) =
log a x ⇒ f ' ( x ) = a x ln a ⇒ f ' of
1
−
x
( x ) = aloga
⋅
In In a ⇒
1 x ln a
logo: y = = log a x ⇒
y ' =
1
x ln a
6. Derivadas sucessivas
Com efeito, f '( x ) = lim ∆ x →0
1
−
x
a
=
+f
· f 2 ' · f n
1
+
+ f 1· f 2 · · f n '
Obs.: f ( x x ) = k ⋅ u ( x x ) ⇒ f’( x x ) = 0 ⋅ v ( x x ) + k ⋅ v ’(’( x x ) → f ’(’( x x ) = k ⋅ v ’(’( x x ),), k ∈ R
v
Ex.: f ( x ) =
∆ x
v (x + ∆x )− v (x )
generalizando:
f =
=
⇒ f
x ) · v ( x x ) + u( x x ) ' · v ’(’( x x ) = u' ’( x
III.
fn ' . fn−1 ' ..f 1 '
−
=
∆ x
f = f1 · f2 · · f n
=
=
u (x + ∆x )⋅ v (x + ∆x )+ u (x + ∆x )⋅ v (x )− u (x + ∆ x )⋅ v (x )− u( x ) ⋅ v( x )
∆ x
f'
−
∆ x
= lim ∆ x →0 u( x + ∆x )
⇒
Obs.: Seja f uma função cuja derivada é f ’ e inversa é f – 1. Então, 1 1 f ' ( x ) 1 f ' o f ( x )
(' x ) =
( u (x + ∆x )⋅ v (x + ∆x ) )− ( u (x )⋅ v ( x ))
= lim ∆ x →0
∆y ∆u ⋅ lim ∆x →0 = f '( u) ⋅ g '( x ) ∆u ∆ x
v( x + ∆x )
−
6.1 Conceito Derivando a derivada primeira obtemos a derivada segunda da função; derivando a derivada segunda obtemos a derivada terceira da função e x ),), f ’’( x ),), f ’’’( x ),), f (4)( x x ),), ... , f ( n n)( x x ) assim sucessivamente. Indica-se por: f ’(’( x ’’( x ’’’( x x 2 Ex.: f ( x x ) = e y ’ = 2e2 x ; y ” = 4e2 x ; y ’’’ ’’’ = 8e2 x ; ...; y ( n n) = 2 n e2 x
u( x ) v( x )
6.2 Regra de Leibniz
=
∆ x
u( x + ∆x ) ⋅ v ( x ) − u( x ) ⋅ v( x + ∆x ) ∆ x ⋅ v ( x ) ⋅ v( x + ∆ x )
n
=
f
= u ⋅v →
( n )
f
=
n ( n − k ) ( k ) ⋅ v u
∑
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Derivadas
Ex.: f ( x x ) = e ax · x 2
u( x x ) = e ax ⇒ u’( x x ) = a ⋅ e ax ⇒ u”( x x ) = a2 ⋅ e ax ⇒ u’’’( x x ) = a3 ⋅ e ax ⇒ ... ⇒ u( n n) ( x x ) = a n ⋅ e ax
v ( x x ) = x 2 ⇒ v ’(’( x x ) = 2 x ⇒ v ”( x ) = 2 ⇒ v ’’’( x ) = 0 ⇒ ... ⇒ v (4)( x x ) = ”( x ’’’( x n n) (5) ( v ( x x ) = ... = v ( x x ) = 0 n n f ( n n)( x x ) = a n ⋅ e ax ⋅ x 2 + ⋅a n – 1 ⋅ e ax ⋅ 2 x + a n – 2 ⋅ e ax ⋅ 2 = 2 1 a n – 2 ⋅ e ax ⋅ ( a a2 ⋅ x 2 + 2 ⋅ n ⋅ a ⋅ x + n – 1)) + n ⋅ ( n
7. Derivação de funções implícitas Funções implícitas são aquelas que se apresentam sob a forma F ( x x , y ) = 0, onde y = x ) = f ( x Exs.:
I. x 3 + y 3 − 9 = 0 ⇒ 3x 2 + 3 y 2 y ' = 0 II. ( x + y )2 − ( x − y )2 = x 4 + y 4 ⇒
⇒
y '
=
2 −3 x 2
⇒
3 y
2( x + y )(1 + y ') − 2( x − y)( ) (1− y ') = 4 x 3 + 4 y 3 y ' →
⇒
2 x + 2 y
⇒ y
'( 4 y 3
−
2 xy ' + 2 yy ' − 2 x
4 x ) = 4 y − 4 x 3
⇒
+
2 − x
=
2
y
⇒
+
y '
2 y + 2 xy ' − 2 yy ' = 4 x 3 + 4 y 3 y '
y '
=
4( y − x 3 ) 4( y 3 − x )
⇒
y '
=
x x
3
−
−
y 3
y
8. Taxas relacionadas
10. Funções crescentes e decrescentes Se f ( x x ) é uma função contínua no intervalo a [a, b] e derivável no intervalo (a, b) tem-se: x ) > 0, ∀ x ∈ ( a a, b) → f é a, b] I. f ’(’( x é crescente em [ a x ) < 0, ∀ x ∈ ( a a, b) → f é a, b] II. f ’(’( x é decrescente em [ a
11. Máximos e mínimos
11.1 Conceito a, b) e seja x 0 um ponto desse Seja uma função f derivável derivável no intervalo ( a intervalo. Dizemos que f apresenta apresenta um máximo relativo ou local no ponto x 0, se ∀ x ∈ V ( x x 0), f ( x x ) ≤ f ( x x 0); analogamente, dizemos que f ( x x ) apresenta x 0), f ( x x ) ≥ f ( x x 0) um mínimo relativo ou local em um ponto x 0 se ∀ x ∈ V ( x Obs.: Para determinarmos os extremos de uma função, devemos pesquisar
os valores de x em em que a derivada primeira se anula e os pontos onde a derivada primeira não existe. Esses pontos críticos da função são os possíveis extremantes da função.
11.2 Teste da segunda derivada Seja x 0 um ponto crítico de uma função f ( x x ) no qual f ’(’( x x ) = 0 e f ’(’( x x ) x ) existe, então: existe em uma vizinhança de x 0. Se f ”( ”( x
x , y ) = 0 Sejam x = = f (t ) e y = = g(t ) duas funções diferenciáveis e F ( x x ) na forma implícita. As derivadas dx / dt dt e dt nesta uma função y = = f ( x e dy / dt nesta função implícita chamam-se taxas relacionadas da função.
x 0) < 0 → x 0 ponto de máximo I. f ”( ”( x x 0) > 0 → x 0 ponto de mínimo II. f ”( ”( x
Ex.: Uma escada de 5 m de comprimento está apoiada em uma parede
x ) a equação x ) é uma função Seja y = f ( x equação de uma curva, onde onde f( x contínua, com derivadas contínuas:
vertical. Se a base da escada é arrastada horizontalmente da parede a 3 m/s, a que velocidade desliza a parte superior da escada ao longo da parede, quando a base encontra-se a 3 m da parede ? x 2 + y 2
=
25
dx dy 2 x + 2 y = 0 dt dt
⇒
dy = dt
dx 2 x dt 2 y
−
= −
3 x dx = − ⋅ 3 = −2, 25 m m/s /s 4 y dt
12. Concavidade
x ) > 0 → a curva tem a concavidade voltada para cima (função I. f ”( ”( x convexa) x ) < 0 → a curva tem a concavidade voltada para baixo (função II. f ”( ”( x côncava) Obs.: O ponto onde a curva c urva muda de concavidade é chamado de ponto de
inflexão da curva. Nesse ponto, a derivada segunda se anula.
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Matemática I – Assunto 7
II. lim x III. lim x IV. lim x
→a
+
f ( x ) =
→a
−
f ( x ) = − ∞
→a
+
f ( x ) =
14. Análise de funções
+∞
x ),), devemos determinar, se Para analisarmos uma função y = f ( x possível:
−∞
Ex.:
I.
1 y =
x − 4 1
l im x → 4
y
x
4
−
1
e lim x →4
+
= +∞ →
x − 4
4 é assíntota vertica al al
→ x =
II.
= −∞
−
ln x
=
lim x →0
ln x
+
= −∞→
x = 0 é assíntota assíntota vertical
13.3 Assíntota horizontal x ),), A reta y = = b é assíntota horizontal de uma uma curva de equação y = = f ( x quando pelo menos uma das situações abaixo ocorrer: I. lim x f( x ) = b
I. II. III. IV. IV.
o domínio da função; as interseções do gráfico de f com com os eixos coordenados; a paridade paridade e periodicidade de f ; o comportamento compor tamento de f nos nos pontos de descontinuidade e nas fronteiras de seu domínio; V. o comportamento de f no no infinito (–∞ e +∞); VI. os intervalos em qque ue f é é crescente ou decrescente e os máximos e mínimos de f ; VII. os intervalos de concavidade da curva que representa representa f e e seus pontos de inflexão; VIII. as assíntotas das curvas que representam f ; IX. o esboço do gráfico de f . EXERCÍCIOS RESOLVIDOS
→+ ∞
01 Determine a derivada da função f ( x x ) = x ⋅ ln x , para x > 0.
II. lim x
f( x ) = b →− ∞
Solução: Neste caso, precisamos derivar um produto. Porta Portanto, nto, a partir de 1
Ex.:
I.
(uv )’= )’=u’v + uv ’ temos que f ' ( x ) = x ' · In x + x · (ln x ) ' = 1 · ln x + x · . x x )=ln Logo, segue que f ’(’( x )=ln x + + 1.
2 x
y =
2
x
+
4 2 x
lim x → + ∞
2
x
II.
y
= 2
y
=
e y =
+
−
=
4
2 e lim x → − ∞
2 x 2
x
+
= −2 →
4
2 são assntotas ín horizontais
x
e
x
lim x →− ∞ e
=
0 → y = 0 é assíntota horizontal
02 Determine a derivada da função y = ( x x 3 + 2 x + 7)15. Solução: Como temos uma função composta, podemos usar a chamada
‘regra da cadeia’ – veja que isso é muito mais simples do que desenvolver a expressão. Por essa regra, temos que (u15)’ = 15u14 ⋅ u’, portanto, a x 3 + 2 x + derivada pedida é igual a y ’ = 15( x + 7)14 (3 x 2 + 2).
13.4 Assíntota oblíqua
03 Dada a função real f ( x x )=tan )=tan2 x , determine f’ ’(0).
A reta y = = ax + + b (a ≠ 0) é assíntota oblíqua de uma curva de equação y = x ),), quando pelo menos uma das situações abaixo ocorrer: = f ( x
Solução: Veja que não podemos substituir x = = 0 antes da derivação,
f ( x )
I.
a
=
lim x
→+ ∞
II.
a
=
lim x
→− ∞
x f ( x )
Ex.: 1
x
e
b
e
b = lim x → − ∞ ( f ( x ) − ax )
=
lim x
→+ ∞
( f ( x ) − ax )
pois isso sempre anularia o resultado. Vamos então determinar as derivadas de f . Usando a regra da cadeia, temos que f ’(’( x x ) = 2tan x · · (tan x )’)’ = 2 tan x 2 3 ⋅ sec x → f ’(’( x x )=2sen )=2sen x · · sec x . Agora, usando as regras da cadeia e do produto, temos que: f ’’( x ) = 2cos x · sec3 x + 2sen x ⋅ 3 sec2 x · sec x · tan x → ’’( x f ’’( x )=2sec ’’( x )=2sec2 x + + 6sen2 x · · sec4 x . Substituindo x = = 0, segue que f ’’(0)=2. ’’(0)=2.
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Derivadas
03 Determine as derivadas das funções abaixo:
Veja que ainda temos uma indeterminação do mesmo tipo ° , ° então podemos utilizar a regra de L’Hôspital L’Hôspital mais uma vez:
( e )' x
L = lim
x → +∞
x
=
( 2 x ) '
e
lim
2
x → +∞
2 x
2
−
x + 1
x − 3
lim g ( x ) =
+∞
x →3 +
e lim g ( x ) =
.
, temos que a reta
−∞
x →3 −
( )
lim g x = ±∞.
x →±∞
Para buscar assíntotas oblíquas, primeiramente calculamos
x → +∞
x
=
lim x →+∞
2 x
2
x
2
− −
x + 1
2− =
3 x
1 +
lim
x
x → +∞
1−
2
x 3
=
2. Portanto,
ainda há chances de g ter uma assíntota da forma y = 2 x + b (o limite anteriormente encontrado é igual ao coeficiente angular da reta). Como b = lim ( g ( x ) − 2 x ) , temos que x → +∞
5+
5 x + 1 x − 3
=
lim x →+∞
1−
x →+∞
1 x 3
=
5.
x
Além disso, é fácil ver que todo raciocínio feito para x → +∞ nesse caso também vale para x → –∞. Então, a reta y = = 2 x + + 5 é assíntota de g para x → +∞ e para x → –∞. EXERCÍCIOS NÍVEL 1 01 Determine as derivadas das funções abaixo:
a. b. c. d. e.
y = = tan x y = = cot x y = = sec x = csc x y = y = = arcsen x
y =
2
x
ln x
f. g. h. i. j.
y = = arccos x y = = arctan x y = = arccot x = arcsec x y = y = = arccsc x
m
f. y = = n a − bx a + bx
n
04 Determine as derivadas das funções abaixo:
1 + x 1 − x b. y = = ln x · · log x – – ln a · log a x c. y = ln x + 1 + ln( x + 1) a.
y =
d.
y
2
=
arcsen
x
−
1
2
x
1
x
b = lim
sen x − cos x
c. y = = x · · cot x
x = = 3 é uma assíntota vertical de g. A função não possui assíntotas horizontais, pois
lim
d.
x – 2) · cos x e. y = a2/3 – x 2/3)3/2 b. y = = 2 x · · sen x – – ( x = ( a
.
= +∞
Solução: Inicialmente, veja que x = = 3 não pertence ao domínio da
g ( x )
y =
sen x + cos x
2
05 Determine as assíntotas da função g ( x ) =
função g. Como
a.
e.
y
=
ln arcsen x
1 +
2
2
ln x
+
arcsen lnx
f. y = (cos x )sen x x g. y = 1 + 1
x
sen x
h. y = x x i. y = = x x x j. y = x x k.
y = ln
1+
sen x
1−
sen x
+
2 arctan arctan sen sen x
05 Calcule f ’(4), x ) = arctan x ’(4), se f ( x
+
sen( sen(se sen( n(se sen( n( x − 4))) ))).
π 06 Calcule f ’ , se f ( x x ) = (tan x )ln x . 4 07 Seja y = x ) a função dada implicitamente pela equação y 3 + y = x . = f ( x
Suponha que f seja seja derivável. a. Mostre que f ' ( x ) =
1
(
3 f ( x )
)
2
+1
b. Determine a equação da reta tangente ao gráfico de f no no ponto (10, f (10)). (10)).
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Matemática I – Assunto 7
12 Determine as derivadas das funções abaixo:
a. y = = f ( x x ) g( x x ) k ∈ ℜ b. y = = x , k 13 Calcule os limites abaixo:
a.
lim x →−1
4 x
3
x 2 + 3
+
x 5 + 1 100 2 b. lim x −10x + x − 1 x 1 x − 1
f. y = = 2tan x – – tan2 x , x ∈ [0, π /2] g. y = = x x h. y = arctan x − ln 1+ x 2 3 i. y = x 3 + x
x x ∈ (0, π) j. y = = 2 ⋅ sen x + + cos 2 x x 16 Achar os pontos críticos das funções abaixo:
a.
y
( x
−
c.
lim x →0
x =
+
1
d.
e
lim
−
x →1
e.
2
−1
e.
x − 1 tan x
tan( x − π / 4) x − π / 4
/ 4
→π
( x − 1)2 1 1 + cos π x
b. c.
lim x
d.
lim x → 0
x
e. f.
x
e
0
18 Um cartaz retangular deve conter 50 cm2 de matéria impressa com
duas margens de 4 cm cada em cima e em baixo e duas margens laterais de 2 cm cada. Determine as dimensões externas do car taz de modo que sua área seja mínima. 19 Ache os intervalos de concavidade e os pontos de inflexão das funções abaixo:
→
→
x
e
dimensões de uma lata que gaste a menor quantidade possível de material para ser feita?
14 Calcule os limites abaixo:
lim x
y =
−
17 Uma lata de forma cilíndrica deve conter certo volume V . Quais são as
2
lim x x →0+
a. lim x
senx − 1 ln(1 + x ) +
1 − cos 6 x
a. b. c. d.
y = = x 3 – 6 x 2 + 12 x + + 4 y = x – sen x y = = x 2 ⋅ ln x y = (1 + x 2)e x
1 − cos 3 x
20 Analise as funções abaixo (esboçando seus gráficos):
1
lim x →1 x 1− x
(e3
x
lim
x →+∞
a. y = = x 4 – 5 x 2 +4 +
5 x )1 /
x
b.
y =
x x
g. lim x
→
x )
b. y 3 ( x 2 1)2 c. y = = 2sen2 x + + sen4 x d. y = x – ln(1 + x )
xe x
x
−
2
→
1
2)( 8
=
0+
(sen x )1 / ln x
2 2
−
x − 1
+
x + 1
21 Analise as funções y = x ) abaixo: = f ( x
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Derivadas
04 A tangente traçada pelo ponto A a um círculo de raio r tem tem marcado um segmento AN de de mesmo tamanho que o arco AM . A reta MN corta corta o prolongamento do diâmetro AO no ponto B. Determine OB, em função de r e e AÔM e e calcule lim AÔM → 0 OB. 05 Uma lâmpada pende sobre o centro de uma mesa redonda de raio r .
(A iluminação é diretamente proporcional ao cosseno do ângulo de incidência dos raios luminosos e inversamente proporcional ao quadrado da distância ao foco.) 06 Determine o ponto da curva
A que altura da mesa deve estar a lâmpada para que a iluminação de um objeto que se encontra à beira da mesa seja a melhor possível? RASCUNHO
y
=
x
mais próximo do ponto (c, 0).
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Integrais
A SSUNTO
8
Matemática I
1. Função primitiva
4. Métodos de integração
Dada uma função f(x), chama-se função primitiva de f(x) a função F(x) que derivada dê f(x), isto é, F’(x) = f(x)
4.1 Integração por substituição
Ex.: f(x) = 2x → F(x) = x 2 ou, mais geralmente, F(x) = x 2 + C, em que
C é um real qualquer.
Dada ∫ f(x) dx , não imediata, o método da substituição consiste em fazer uma mudança de variável x = g(t) e dx = g’(t) dt , de maneira que a nova integral ∫ f(g(t))g’(t )dt seja seja mais fácil de calcular que a original. Ex.: Fazendo t = = x + + 1, dt = = dx e: e:
2. Integral indefinida
∫
2.1 Conceito Chama-se integral indefinida de uma função f(x) a toda expressão do tipo F(x) + c, em que F(x) é uma primitiva de f(x). Indica-se por ∫ f(x)dx f(x)dx = F(x) + c.
x x + 1
Ex.: dF( x )
I.
∫
dx
II. ∫
2
+ bx + c mx + q
ax
ax 2 + bx + c
2.2 Propriedades f(x) + g(x)) dx = f(x) dx + ∫ g(x) dx I. ∫( f(x) = ∫ f(x)
= ∫ dt − ∫
dt t
= t − ln| t | + k = x − ln| x + 1| +c
→ F( x) = x 2 + c
IV. ∫
dx
dx
1
ax dx
t
dt
1
III. ∫ = 2 x → dF( x ) = 2 x ⋅ dx → ∫ dF( x ) = ∫ 2 x
t − 1
4.2 Integração envolvendo trinômio quadrado
Ex.: ∫ 2x dx = x 2 + c Obs.: A integração é a operação inversa da diferenciação.
dx = ∫
2
dx
+ bx + c
mx + q dx 2 ax + bx + c
1
1
1
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Integrais
y = = f(x)
II. Calcule s ∫
1 2
x
−1
dx .
Solução: Aqui, usaremos as ‘frações parciais’. Fazendo 1
S
b a
2
a
−1
x
≡
b
x + 1
+
x − 1
x – x + a , obtemos a( x – 1) + b( x + 1) ≡ 1, ou seja, ( a a + b = 0
a
(b – a) ≡ 0 x + + b) x + + b + 1, que nos nos dá . Logo, a b − a = 1 1 e b = .
b
= −
1 2
2
Obs.:
Portanto,
I. S a a =0 II. Se a < c
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