UFPR - Universidade Federal do Paraná Departamento de Matemática Prof. José Carlos Eidam CM04 - Cálculo I - Turma C - 0/ a. Lista de Eercícios Teoremas do valor intermediário e do valor médio. Seja h() = + cos. (a) Mostre que h é bijetora. (b) Calcule h (). (c) Admitindo h derivável, determine (h ) ().. Seja f () = e, > 0. (a) Mostre que a equação e = y admite uma única solução para qualquer y R. Conclua que f admite inversa. (b) Seja g a inversa de f. Mostre que g () g (y) y, para quaisquer, y R. 3. Seja f () = tg + 3, π/ < < π/. (a) Mostre que a equação tg + 3 = y admite uma única solução para qualquer y R. Conclua que f admite inversa. (b) Seja g a inversa de f. Mostre que g () g (y) y, para quaisquer, y R. 4. Seja f () = 3 5 + 5 3 + 7sen, R. (a) Mostre que f é inversível e sobrejetora. (b) Calcule f em termos de f. (c) Se g : R R é a inversa de f, mostre que g () g (y) y para quaisquer, y R. 7 5. Seja f () = 5 + 3 + +, g a sua inversa e a,b R com a < b. Mostre que g (b) g (a) (b a). 6. Seja f () = 7 + 8 3 5 8. Prove que f () tem duas raízes distintas no intervalo ],[. 7. Use o teorema do valor médio para provar as seguintes desigualdades: (a) sen b sen a b a, para todos a,b R. (b) a b a b, para todos a,b R, com a e b. (c) ln a a b, para todos a,b R, com a e b. b
(d) b b a a > a a (b a), para todos a,b R com a < b. (e) e e y y, para todos, y com y 0. 8. Seja f uma função derivável no intervalo ],+ [. Mostre que se f (0) = 0 e 0 < f (), para todo > 0, então 0 < f (), para todos > 0. 9. Mostre que f () = ( + ) / é estritamente decrescente para > 0. Conclua que ( + π) e < ( + e) π. 0. Prove as seguintes desigualdades: (a) > 3, para todo > (b) e π > π e (c) tg b tg a > b a para 0 < a < b < π (d) 3 3! < sen < 3 3! + 5 5!, para > 0 (e) + < +, para > 0 (f) arctg > ln( + ), para > 0 (g) e > + para > 0 (h) e > + + para > 0 (i) n n( ) para. Mostre que a equação 3 3 + 6 = 0 admite uma única raiz real e tente localizá-la.. Mostre que a equação 3 + 5 + = 0 admite três raízes reais e tente localizá-las. 3. Determine os possíveis valores de a para os quais a equação admite uma única raiz real. 3 + 3 9 + a = 0 4. Mostre que a equação 3 + cos( π ) = 0 tem eatamente uma raiz real. 5. Seja f derivável em R e seja g dada por g () = f (), 0. Suponha que 0 é ponto de máimo local de g. Prove que 0 f ( 0 ) f ( 0 ) = 0. Prove que a reta tangente ao gráfico de f no ponto de abscissa 0 passa pela origem. 6. Seja f () um polinômio de grau 3, com três raízes reais distintas. Mostre que f tem um ponto de infleão, que é a média aritmética das três raízes. 7. Sejam f : R R derivável e a,b R tais que f (a) = f (b) = 0. Mostre que se f (a)f (b) > 0, então eiste c entre a e b tal que f (c) = 0.
8. Para que valores de k a equação 3 9 + = k tem três raízes reais distintas? 9. Prove que se p é um polinômio, a equação e p() = 0 não pode ter infinitas soluções reais. (Sugestão: Divida por n para um certo n suficientemente grande.) 0. Seja f : R R derivável e com um único ponto crítico 0. Prove que se 0 for ponto de mínimo (máimo) local de f, então 0 será o único ponto de mínimo (máimo) global de f.. Mostre que ( ) (a) arcsen = arctg( ) π para qualquer R. + (b) arcsen = arcsen( ), < < ( ) a. Seja a R tal que lim = 4. Determine a. 4. a = + a + ln Funções eponencial e logarítmica 3. Suponha que você receba as duas propostas abaio para trabalhar por um mês: A. Você recebe milhão de reais no final do período. B. Você recebe centavo no primeiro dia, centavos no segundo dia, 4 centavos no terceiro dia, e, em geral, n centavos no n-ésimo dia. Qual delas é mais lucrativa? 4. Calcule a derivada de cada uma das funções abaio: (a) cosh = (e + e ) (b) sinh = (e e ) (c) f () = e e (d) f () = e + e (e) f () = e / + (f) f () = ln(e + ) e (g) f () = (ln ) + ( + 3 ) (h) f () = ln ( + + ) (i) f () = π + π (j) f () = + 3 (k) f () = ln(arctg ) (l) f () = ( + cos ) sen (m) f () = (e + 3) arcsen( ) (n) f () = (3 + cos ) tg( ) (o) f () = ln(3 + 3 ) + e cos (p) f () = ( + ) sen(5 ) (q) f () = ( + arctg ) /4 (r) f () = e arctg + (s) f () = ln (t) f () = ln( +) (u) f () = ( sen ) 3 5. Calcule, caso eista ln( ) ln 00 ln (a) lim (b) lim tg(π) + 5 (c) lim 0 + cotg (d) lim (ln ln e )( ) (e) lim + + e (f) lim + ( e α ) ( (g) lim α ln, α > 0 (h) lim sen (i) lim 0 + + 0 cos ) [ (j) lim 0 ln( + ) ] e (k) lim ( sen )tg (l) lim (e + 3) / 0 + [ ] 0 ) (m) lim 0 + tg( (n) lim 0 + + ln arctg( ) (o) lim 0 ln( + 3 ) 3
ln( + ) (p) lim 0 arctg (s) lim (tg sec sec ) (t) lim π + (v) lim 0 + (sen )/ln (w) lim + (q) lim 0 ( + sen) /sen sen + (r) lim 0 e + e ( + 3)/ln + ln/(+ln ) (u) lim + [ ln( + 3) +4 ln( + ) +4] () lim ( cos )/ 0 6. No seu livro de Cálculo de 696, l Hospital ilustrou sua regra com o limite da função f () = quando a, a > 0. Calcule este limite. a 3 4 a 3 a a 4 a 3 Funções hiperbólicas 7. Mostre que a função sinh = e e é inversível e sua inversa é dada por arcsinh = ln( + + ), R. Encontre as inversas das demais funções hiperbólicas e também suas derivadas. 8. Mostre que cosh sinh =, sech = tanh e coth = + csch, para todo R. 9. Mostre que cosh(+y) = sinh sinh y +cosh cosh y e sinh(+y) = cosh sinh y +cosh y sinh,, y R. 30. Esboce os gráficos de todas as funções hiperbólicas e de suas inversas. Máimos e mínimos 3. Encontre a R para que f () = + a tenha: (a) um mínimo local em =. (b) um mínimo local em = 3. (c) Mostre que f não terá máimo local para nenhum valor de a. 3. (a) Esboce o gráfico de f () = e. (b) Determine, em função de k, o número de soluções reais da equação ke =. 33. (a) Ache o ponto de mínimo de f () = e (b) Prove que ea+b ab e, para todos a > 0 e b > 0. no intervalo ]0,+ [. 34. Seja f uma função. Se eistir uma reta y = m + n tal que lim + [f () (m + n)] = 0, dizemos que y = m + n é uma assíntota para f. Prove que a reta y = m + n é uma assíntota para f se, e somente f () se, lim = m e lim (f () m) = n. (Tudo o que dissemos para + vale também para + +.) 4
35. Esboce o gráfico das funções abaio e dê as equações das assíntotas, quando eistirem. (a) f () = 4 + 3 + (b) f () = 3 (c) f () = + (d) f () = 3 3 (e) f () = + (f) f () = (3 6 4 )e (g) f () = 3 3 (h) f () = e e 3 (i) f () = 3ln (j) f () = ln (k) f () = 3 ( ) (l) f () = (m) f () = ln() ln(3 + 3) (n) f () = (p) f () = 3 + (s) f () = ln ( )3 (o) f () = (q) f () = arctg(ln ) (r) f () = 3 + (t) f () = e (v) f () = 3 + + (w) f () = + + + 36. Achar os valores mínimo e máimo de: (a) f () = sen cos, [0,π] (b) f () = 3 + 3, (c) f () = + ln, 4 (d) f () = 3 3, (e) f () = 4 3, 0 3 (f) f () = 4 4 3 + 3, 3 (g) f () = 3 3 + 3, (h) f () = 5 5 4 3 + 4 4 +, 3 3 37. Para que números positivos a a curva y = a corta a reta y =? (u) f () = ln () f () = 3 38. Seja f : R R uma função derivável e seja a R fiado. Verifique se as afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sua resposta: (a) Se f () > 0, para todo > a, então lim f () = +. + (b) Se f é derivável até segunda ordem com f () > 0 e f () > 0, para todo > a, então (c) Se lim f () = 0 então lim f () = L R. + + lim f () = +. + (d) Se eiste uma assíntota para f (quando + ) com coeficiente angular m e se eiste então L = m. lim f () = L, + 5
(e) Se lim f () = m R, m 0 então f tem uma assíntota com coeficiente angular igual a m. + Aplicações 39. Para que pontos da circunferência + y = 5 a soma das distâncias a (,0) e (-,0) é mínima? 40. Achar os pontos da hipérbole y = mais próimos de (0,). 4. Um triângulo isóceles está circunscrito a um círculo de raio R. Se é a altura do triângulo, mostre que sua área é mínima quando = 3R. 4. Qual é o menor valor da constante a para o qual a desigualdade a+ é válida para todo número positivo? 43. Seja f () = 5 + a, > 0, onde a > 0. Ache o menor valor de a de modo que f () 8, > 0. 5 44. Um cilindro é obtido girando-se um retângulo ao redor do eio, onde a base do retângulo está apoiada. Seus vértices superiores estão sobre a curva y =. Qual é o maior volume que tal cilindro + pode ter? 45. (a) Latas cilíndricas fechadas devem ser feitas com um volume V especificado. Qual é a razão entre a altura e o diâmetro da base que minimiza a quantidade de metal gasto para fazer a lata? (b) Por que as latas encontradas no supermercado não são em geral como em (a)? Em geral o metal vem em uma chapa retangular. Não há desperdício envolvido em cortar a chapa que formará a superfície lateral, mas as tampas devem ser cortadas de uma peça quadrada, e as sobras, são desprezadas (ou então recicladas). Ache a razão entre a altura e o diâmetro de uma lata de volume V que minimiza o custo do material utilizado. 46. Um arame de comprimento L deve ser cortado em pedaços, um para formar um quadrado e outro um triângulo equilátero. Como se deve cortar o arame para que a soma das áreas cercadas pelos pedaços seja (a) máima? (b) mínima? Mostre que no caso (b) o lado do quadrado é /3 da altura do triângulo. 47. Um canhão situado no solo é posto sob um ângulo de inclinação θ. Seja r o alcance do canhão, isto é, a distância entre o canhão e o ponto de impacto da bala. Então r é dado por r = v senθ cosθ, onde v e g g são constantes. Para que ângulo o alcance é máimo? 48. Determine o cone circular reto de maior volume que pode ser inscrito numa esfera de raio 3. 49. Deseja-se construir uma esfera e um cubo de modo que a soma das áreas de suas superfícies seja igual a. Determine o raio da esfera que maimiza e o que minimiza a soma de seus volumes. 50. Um muro de metros de altura está a metro de distância da parede lateral de um prédio. Qual o comprimento da menor escada cujas etremidades se apóiam uma na parede, e outra no chão do lado de fora do muro? 5. Um papel de filtro circular de raio a deve ser transformado em um filtro cônico cortando um setor circular e juntando as arestas CA e CB. Ache a razão entre o raio e a profundidade do filtro de capacidade máima. 6
5. (LEI DE REFRAÇÃO DE SNELLIUS) O objetivo desta questão é demonstrar como a lei da refração de Snellius, da Óptica Geométrica, pode ser obtida como conseqüência do princípio de Fermat, segundo o qual a trajetória dos raios de luz é aquela que minimiza o tempo de percurso. Sejam P R um ponto no semi-plano superior e Q R um ponto no semi-plano inferior, ambos fiados. Uma partícula vai de P a um ponto M = (,0) sobre o eio O com velocidade constante u e movimento retilíneo; em seguida, vai de M até Q com velocidade constante v, também em movimento retilíneo. Seja T : R R tal que, para todo R, T () é o tempo de percurso de P a Q. Mostre que T possui um único ponto de mínimo 0 R. Verifique que 0 (0,b) e que, se = 0, então senα u = senβ. v 53. Deve-se construir uma estrada ligando uma fábrica A a uma ferrovia que passa por uma cidade B. Assumindo-se que a estrada e a ferrovia sejam ambas retilíneas, e que os custos de frete por unidade de distância sejam m vezes maiores na estrada do que na ferrovia, encontre o ângulo α a que a estrada deve ser conectada à ferrovia de modo a minimizar o custo total do frete da fábrica até a cidade. Assuma m >. 54. Um corredor de largura a forma um ângulo reto com um segundo corredor de largura b. Uma barra longa, fina e pesada deve ser empurrada do piso do primeiro corredor para o segundo. Qual o comprimento da maior barra que pode passar pela esquina? Respostas () (b) 0; (c) ; (3) a > 5 ou a < 7; (8) 4 < k < 5; (3) B; (5) (a) 0; (b) 0; (c) 0; (d) ; (e) 0; (f) 0; (g) 0; (h) α; (i) 6 ; (j) ; (k) ; (l) e4 ; (m) ; (n) + ; (o) ; (p) ; (q) 3 e ; (r) 3; (s) 6a ; (t) ; (u) e; (v) e; (w) ; () + ; (6) ; (3) (a) a = 6; (b) a = 54; 9 (3) Não há soluções se k < 0; tem solução se k = 0 ou k > 4 e ; tem soluções se k = 4 ; tem 3 soluções e se 0 < k < 4 e. (33) (a) 0 = ; (36) (a), ; (b) (h) f ( 3), f ( ); (37) a e e ; 7 3 8, 3 + 7 ; (c) 4, ; (d) 3 3, 0; (e) 0, 7; (f) 87/4, 7; (g) 7, 0; (38) (b) e (d) são verdadeiras e (a), (c), (e) são falsas; (39) (5,0) e ( 5,0); (40) ( ± 5, ) ; (4) a = ; (43) a = 8 ; (44) π/4; (45) (a) ; (b) 4/π; (46) (a) Deve-se formar apenas um quadrado; (b) o lado do quadrado é 3L 9+4 3 ; (47) π/4; (48) h = 4, r = ; (49) (54) (a /3 + b /3 ) 3/. π ; ( ; (50) + 3 ) 3/; 4 (5) ; (53) π ma{β,arcsen( π+ m )}; 7