CÁLCULO I. Reconhecer, através do gráco, a função que ele representa; (f + g)(x) = f(x) + g(x). (fg)(x) = f(x) g(x). f g

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1 CÁLCULO I Prof. Edilson Neri Júnior Prof. André Almeida Aula n o 03: Operações com funções. Funções Polinominais, Racionais e Trigonométricas Objetivos da Aula Denir operações com funções; Apresentar algumas funções essenciais; Reconhecer, através do gráco, a função que ele representa; Reconhecer características de cada função. 1 Operações com Funções Duas funções f e g podem ser combinadas para formar novas operações, tais como f + g, f g, fg, f/g de forma semelhante àquelas operações com números reais, que denimos na Aula 01. Vejamos a seguir, como estas operações são denidas. Denição 1. Dada as funções: f : A R e g : B R, com A e B subconjuntos de R e A B o/, denimos as seguintes operações: 1.1 (Soma) A soma de f com g é a função: f + g : A B R, cuja regra é dada por (f + g)(x) = f(x) + g(x). 1.2 (Multiplicação por um escalar) O produto de f por um escalar (número real) c é a função: cf : A R, cuja regra é dada por (cf)(x) = c f(x). 1.3 (Produto) O produto de f com g é a função: fg : A B R, cuja regra é dada por (fg)(x) = f(x) g(x). 1.4 (Quociente) O quociente de f com g é a função: dada por f g ( ) f (x) = f(x) g g(x). Exemplo 1. Considere as funções f(x) = x 3 x 2 e g(x) = 4x 2 1, encontre: (a) f + g (b) 4f (c) fg : {x A B g(x) 0} R, cuja regra é 1

2 (d) f/g Solução: Note que f e g são funções cujo domínio é R, logo o domínio de f + g, 4f e fg será R. Entretanto, para f/g, o domínio será R { 1 2, 1 2}, tendo em vista que para a divisão de frações temos a restrição de que g(x) 0. Assim, temos que: (a) (f + g)(x) = f(x) + g(x) = (x 3 x 2 ) + (4x 2 1) = x 3 + 3x 2 1, x R. (b) 4f(x) = 4(x 3 x 2 ) = 4x 3 4x 2, x R. (c) (fg)(x) = f(x).g(x) = (x 3 x 2 ) (4x 2 1) = 4x 5 4x 4 x 3 + x 2, x R. ( ) f (d) (x) = f(x) g g(x) = x3 x 2 4x 2 1, x R { 1 2, 1 } 2. Existe outra maneira de combinar duas funções para obter uma nova função. Por exemplo, podemos escrever y em função de x quando, y = f(u) (y é uma função de u) e u = g(x) (u é uma função de x), a partir da substituição de uma função na outra. A este método, denominamos composição de funções. Segue a denição: Denição 2 (Composição de funções). Dada duas funções f e g, tal que a imagem de f é subconjunto do domínio de g, a função composta de f com g, denotada por g f(x) é denida por; g f : A R, cuja regra é dada por: Simbolicamente: (g f)(x) = g(f(x)). D(g f) = {x D(f) f(x) D(g)}. A gura 1 mostra como visualizar a composição de duas funções: f x f(x) g(f(x)) g f o g Figura 1: Composição de Funções Observação 1. É comum usar a notação f 2 para f f, f 3 para f f f. No geral, para um inteiro n 1, denimos f n = f n 1 f e f 0 = I, onde I é a função identidade de A. Exemplo 2. Sejam f(x) = x e g(x) = x 1. Encontre g f. Solução: Temos que: g f(x) = g(f(x)) = g( x) = x 1. Como D(f) = [0, + ) e Im(f) = [0, + ) D(g) = R, então D(g f) = D(f) = [0, + ). Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 2

3 Exemplo 3. Sejam f(x) = x + 1 x e g(x) = x + 1. Encontre (f g)(x) e seu respectivo domínio. x 4 Solução: Temos que: (f g)(x) = f(g(x)) = g(x) + 1 g(x) = x + 1 x 4 + x 4 x + 1 = (x + 1)2 + (x 4) 2 (x 4)(x + 1) = 2x2 6x + 17 (x 4)(x + 1). O domínio de (f g)(x) é R { 1, 4}. Exemplo 4. Sejam as funções: 0, se, x < 0 f(x) = x 2, se, 0 x 1 0, se, x > 1 1, se, x < 0 e g(x) = 2x, se, 0 x 1 1, se, x > 1 Determinar f g. Solução: Note que Se x < 0, (f g)(x) = f(g(x)) = f(1) = 1 2 = 1. Se 0 x 1, (f g)(x) = f(g(x)) = f(2x). Para 0 x 1 2, temos 0 2x 1. Logo, neste caso, (f g)(x) = f(2x) = 4x2. Para 1 2 x 1 temos 2x > 1. Assim, para este caso, (f g)(x) = 0. Se x > 1, (f g)(x) = f(g(x)) = f(1) = 1. Logo: O domínio de (f g)(x) é R. 1, se, x < 0 4x (f g)(x) = 2, se, 0 x 1/2 0, se, 1/2 < x 1 1, se, x > 1 2 Funções Elementares Existem vários tipos de funções que podem modelar problemas e situações do cotidiano. Apresentaremos, a seguir, algumas funções elementares e que serão muito utilizadas ao longo deste curso. 2.1 Funções Polinomiais Denição 3 (Função Polinomial). Uma função f cuja regra é dada por: f(x) = a n x n + a n 1 x n 1 + a n 2 x n a 2 x 2 + a 1 x + a 0 onde n é um número inteiro não negativo e a n, a n 1, a n 2,..., a 2, a 1, a 0 são números reais (ou constantes) chamados de coecientes do polinômio, é chamada polinomial. O número inteiro n é chamado grau do polinômio. Dependendo do grau do polinômio, temos algumas classes de funções polinomiais que são muito conhecidas e que já foram amplamente discutidas no ensino médio. A seguir, mostraremos algumas dessas funções e seus respectivos grácos. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 3

4 Exemplo 5 (Função Polinomial do 1 o Grau ou Função Am). A função polinomial do 1 o grau (ou simplesmente função do 1 o grau) é toda função que associa um número real x ao valor númerico do polinômio ax + b, com a 0. Os números reais a e b são chamados, respectivamente, de coeciente angular e coeciente linear. Simbolicamente: f : R R x ax + b O gráco da funçãof(x) = ax + b é uma reta não paralela aos eixos coordenados. A depender do valor de a, a função f(x) pode ser dita crescente (para a > 0) ou decrescente (para a < 0). Observe, a seguir, o gráco da função do 1 o grau. Figura 2: Grácos da Função Am. À esqueda, temos o gráco de uma função crescente e à direita, o gráco de uma função decrescente. Exemplo 6 (Função Polinomial do 2 o Grau ou Função Quadrática). A função polinomial do 2 o grau (ou simplesmente função do 2 o grau) é denida por: f : R R x ax 2 + bx + c, com a 0. O gráco desta função é uma parábola, com eixo de simetria paralelo ao eixo y. Se o coeciente de x 2 for positivo (a > 0), a parábola tem concavidade voltada para cima, enquanto que, se o coeciente de x 2 for negativo (a < 0), a parábola tem concavidade voltada para baixo. Observe, a seguir o gráco da função do 2 o grau: Figura 3: Grácos da Função Quadrática. À esqueda, temos o gráco de uma função quadrática com a > 0 e à direita, o gráco de uma função quadrática com a < 0. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 4

5 Na função quadrática, a interseção do gráco com o eixo de simetria é um ponto chamado vértice. Este ponto pode ser considerado máximo (quando a parábola tem concavidade voltada para baixo) ou mínimo (quando a parábola tem concavidade voltada para cima). Exemplo 7 (Função Polinomial do 3 o Grau ou Função Cúbica). A função polinomial do 3 o grau (ou simplesmente função do 3 o grau) é denida por: com a 0. f : R R x ax 3 + bx 2 + cx + d, O gráco da função cúbica será apresentado a seguir. Figura 4: Gráco da Função Cúbica 2.2 Funções Racionais Denição 4 (Função Racional). Uma função racional f é a razão de dois polinômios: f(x) = P (x) Q(x), em que P e Q são polinômios. O domínio consiste em todos os valores de x tais que Q(x) 0. Exemplo 8. A função f(x) = x 1 x + 1 é uma função racional, cujo domínio é R { 1}. Observe o gráco: Exemplo 9. A função f(x) = (x2 + 3x 4)(x 2 9) (x 2 é racional e seu domínio é R { 4, 3, 3}. Observe + x 12)(x + 3) o gráco: Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 5

6 Figura 5: Gráco da Função f(x) = x 1 x + 1 Figura 6: Gráco da Função f(x) = (x2 + 3x 4)(x 2 9) (x 2 + x 12)(x + 3) 2.3 Função Potência Denição 5 (Função Potência). Uma função da forma: f(x) = x α, onde α é uma constante, é chamada função potência. Se α = 1, 2, 3,..., dizemos que a função potência é uma função polinomial. Se α = 1/n, com n positivo, dizemos que a função é racional e se n é negativo, dizemos que o gráco é da função recíproca. Exemplo 10. A função f(x) = x é uma função raiz, onde α = 1/2. Observe o gráco: Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 6

7 Exemplo 11. A função f(x) = 1 x Figura 7: Gráco da Função f(x) = x é uma função potência. Entretanto, observe que para todo x > 0, o gráco da função encontra-se no 1 o quadrante do plano cartesiano e, podemos considerá-la como uma função raiz. Já para todo x < 0, o gráco da função encontra-se no 3 o quadrante do plano cartesiano e, podemos considerá-la uma função recíproca. Observe: Figura 8: Gráco da Função f(x) = 1 x Observação 2. Uma função f é dita algébrica se puder ser construída por meio de operações algébricas (soma, multiplicação, divisão e extração de raízes) envolvendo a função identidade e funções constantes. As funções não algébricas são chamadas de transcendentes. Como exemplo de funções transcendetes, podemos citar as funções trigonométricas, exponeciais e logarítmicas, que serão apresentadas a seguir. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 7

8 2.4 Funções Trigonométricas Dado um número real θ, considere o ângulo orientado, em posição padrão, cuja medida em radianos é θ e P (x, y) a interseção do lado terminal deste ângulo com o círculo unitário x 2 + y 2 = 1. Deniremos a seguir, as funções trigonométricas. Figura 9: Círculo unitário x 2 + y 2 = 1 Denição 6 (Função Seno). A função seno é uma função f de R em R que associa cada x R ao número real y = sen x, isto é, f : R R x y = sen x. O domínio de f(x) = sen x é R e o conjunto imagem é o intervalo [ 1, 1]. Como esta função está denida no círculo unitário, é possível notar que existe um padrão de repetição da imagem, para cada x R. Este padrão de repetição é denominado de período e ocorre a cada 2π. O gráco de f(x) = sen x, denominado de senóide, pode ser visualizado a seguir. Figura 10: Gráco de f(x) = sen x. Denição 7 (Função Cosseno). A função cosseno é uma função f de R em R que associa cada x R ao número real y = cos x, isto é, f : R R x y = cos x. De forma semelhante à função seno, o domínio da função cosseno é R e o conjunto imagem é o intervalo [ 1, 1]. Como esta função também está denida no círculo unitário, é possível notar que existe um padrão de repetição da imagem, para cada x R. Este padrão de repetição é denominado de período e ocorre a cada 2π. O gráco de f(x) = cos x, denominado de cossenóide, pode ser visualizado a seguir. Figura 11: Gráco de f(x) = cos x. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 8

9 As funções tangente, cotangente, secante e cosecante, apresentadas a seguir, serão denidas em termos de seno e cosseno. Denição 8 (Função Tangente). Para todo número real x, tal que cos x 0, denimos a função tangente (denotada por tg x) pela regra: f(x) = tg x = sen x cos x. O domínio da função tangente é o conjunto de todos os números reais x, para os quais cos x 0. Ou seja, para todo x na forma π 2 + kπ, com k Z, a função tangente não estará denida. Gracamente. Figura 12: Gráco de f(x) = tg x. Denição 9 (Função Secante). Para todo número real x, tal que cos x 0, denimos a função secante (denotada por sec x) pela regra: f(x) = sec x = 1 cos x. O domínio da função secante é o conjunto de todos os números reais x, para os quais cos x 0. Ou seja, para todo x na forma π 2 + kπ, com k Z, a função secante não estará denida. Gracamente: Figura 13: Gráco de f(x) = sec x. Denição 10 (Função Cotangente). Para todo número real x, tal que sen x 0, denimos a função secante (denotada por cotg x) pela regra: f(x) = cotg x = 1 tg x = cos x sen x. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 9

10 O domínio da função cotangente é o conjunto de todos os números reais x, para os quais sen x 0. Ou seja, para todo x na forma kπ, com k Z, a função cotangente não estará denida. Gracamente: Figura 14: Gráco de f(x) = cotg x. Denição 11 (Função Cossecante). Para todo número real x, tal que sen x 0, denimos a função secante (denotada por cossec x) pela regra: f(x) = cossec x = 1 sen x. O domínio da função cossecante é o conjunto de todos os números reais x, para os quais sen x 0. Ou seja, para todo x na forma kπ, com k Z, a função cossecante não estará denida. Gracamente: Figura 15: Gráco de f(x) = cossec x. 3 Função Exponencial e Função Logarítmica Apresentaremos nesta seção a função exponencial e a sua inversa, a função logarítmica. 3.1 Função Exponencial Denição 12 (Função Exponencial). Seja a um número positivo diferente de 1. A função f(x) = a x é a função exponencial com base a. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 10

11 Gracamente, temos: Figura 16: Grácos da Função Exponencial. À esqueda, temos o gráco de uma função exponencial com a > 1 e à direita, o gráco de uma função quadrática com 0 < a < 1. Note que o domínio de f(x) é R e a imagem é R +. Observação 3. As funções exponenciais seguem as regras dos expoentes: Regras de Exponenciação. Se a > 0 e b > 0, as armações a seguir são verdadeiras para quaisquer x, y R. 1. a x a y = a x+y 2. a x a y = ax y 3. (a x ) y = a xy 4. a x b x = (ab) x 5. a x ( a ) x b x = b Observação 4. A função exponencial mais importante para a modelagem de vários fenômenos naturais, físicos, químicos e econômicos, é a função exponencial natural, cuja base é o famoso número e, que é aproximadamente igual a 2, Deniremos melhor o número e nas próximas aulas. 3.2 Função Logarítmica Se a é um número real qualquer positivo diferente de 1, a função exponencial f(x) = a x de base a é injetora e, portanto, possui uma função inversa. Sua função inversa é denominada função logarítmica de base a. Denição 13 (Função Logarítmica). A função logarítmica de base a f(x) = log a x é a função inversa da função exponencial y = a x (com a > 0 e a 1) de base a. O gráco de f(x) = log a x pode ser obtido reetindo-se o gráco de y = a x na reta y = x. Observe: Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 11

12 Figura 17: Na imagem, a curva vermelha representa o gráco de uma função logarítmica. Note que, o domínio da função logarítmica é R +, o que corresponde à imagem da função exponencial. Da mesma forma, a imagem da função logarítmica é R, o domínio da função exponencial. Os logaritmos de base e e base 10 possuem notações e nomes especícos: log 10 x é escrito como log x log e x é escrito como ln x. A função y = ln x é denominada função logaritmo natural, e a função y = log x é normalmente denominada como função logarítmica comum Propriedades dos Logaritmos Como as funções a x e log a x são inversas uma da outra, compô-las em qualquer ordem resulta na função identidade. Observe: Propriedades das Inversas para a x e log a x 1. Base a: a log a x, log a a x = x, a > 0, a 1 e x > Base e: e ln x = x, ln e x = x, x > 0. As funções logarítmicas possuem as propriedades aritméticas a seguir: Propriedades dos Logaritos Para qualquer número real x > 0 e y > 0, temos: 1. (Regra do Produto) log a xy = log a x + log a y ( ) x 2. (Regra do Quociente) log a = log y a x log a y 3. (Regra da Potenciação) log a x y = y log a x 4. (Mudança de Base) log a x = ln x ln a. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 12

13 4 Funções Denidas por Partes As funções denidas por fórmulas distintas em diferentes partes de seus domínios são chamadas funções denidas por partes. Vejamos alguns exemplos. Exemplo 12. Seja a função denida por: { f(x) = x 2, se, x 1 1 x, se, x < 1 O domínio desta função é R e como imagem, o intervalo [0, + ). Gracamente: Figura 18: Gráco de f(x). O próximo exemplo de função denida por partes é a função modular. Lembre-se que, como mostramos na Aula 01, o módulo de um número real x é a distância de x até o 0, na reta real. Exemplo 13 (Função Modular). Seja: O gráco da função modular é: f(x) = x = { x, se, x 0 x, se, x < 0 Figura 19: Gráco de f(x) = x. Observe que o domínio da função modular é o conjunto R e a imagem desta função é o conjunto R +. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 13

14 Exemplo 14 (Função Heaviside). A Função Heaviside, muito utilizada na eletricidade para representar chaves que ligam e desligam, é denida por: H(t) = { 0, se, t < 0 1, se, t 0 Note que o domínio desta função é R e a imagem é o conjunto {0, 1}, formado apenas de dois elementos. Representamos gracamente esta função a seguir. Figura 20: Gráco de H(t). Exemplo 15 (Função Maior Inteiro ou Função Escada). A função maior inteiro denotada entre colchetes e denida por: f(x) = [x], x R representa o maior inteiro que é menor que x. Atribuindo alguns valores para x, ela tem como imagem números inteiros. Por exemplo: [0, 8] = 0, [1, 5] = 1, [ 1, 75] = 2, [ 0, 4] = 1, [π] = 3, etc. Gracamente, temos: Figura 21: Gráco da Função Maior Inteiro. Resumo Faça um resumo dos principais resultados vistos nesta aula. Dena duas funções e efetue com estas todas as operações denidas nesta aula. Aprofundando o conteúdo Leia mais sobre o conteúdo desta aula no Capítulo 1 - Seções 1.2 e 1.3 e Apêndice D do livro texto. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 14

15 Dica importante Caso você queira plotar computacionalmente alguns grácos, utilize o Widget Plotador de Funções, disponível em: Sugestão de exercícios Resolva os exercícios 1.2 e 1.3 e os do Apêndice D do livro texto. Prof. Edilson Neri Prof. André Almeida 15