Instituto Superior Técnico Departamento de Matemática CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I LMAC, MEBIOM, MEFT 1 o SEM. 2014/15 2 a FICHA DE EXERCÍCIOS I. Continuidade de Funções. 1) Considere a função f : R \ {0} R definida por k + e 1 x, x > 0 x(2 x), x < 0. 2) Considere a função f : R \ {0} R definida por x sen 1, x > 0 x (k x)(2 + x), x < 0. 3) Considere a função f : R \ {0} R definida por x cos 1, x > 0 x (x + k)(2 + x), x < 0. 1
2 CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 4) Considere a função f : R \ {1} R definida por log ( 2 + x) k, x > 1 1 x 2, x < 1. por continuidade ao ponto 1. 5) Considere a função f : R \ {0} R definida por sen 2 (x) x 2, x > 0 k(x + 1) 2, x < 0. 6) Considere a função f : R \ {0} R definida por ( tan πx 2(1 + x) ), x > 0 (x + 1) 2 k, x < 0. 7) Considere a função f : R \ {0} R definida por k sen(3x) x, x > 0 1 x 2, x < 0.
CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 3 8) Considere a função f : R \ {0} R definida por ( ) 4 sen π 2 + x 2, x > 0 (k x)(2 + x), x < 0. onde k R + é uma constante. (b) Determine o valor da constante k R + para o qual a função f é prolongável 9) Considere a função f : R \ {1} R definida por e 1 x 1, x > 1 (k x)(1 + x), x < 1. onde k R + é uma constante. (b) Determine o valor da constante k R + para o qual a função f é prolongável por continuidade ao ponto um. 10) Considere a função f : R \ {0} R definida por ( ) 2 cos π 2 + x 2, x > 0 (k x)(2 + x), x < 0. 11) Considere a função f : R \ {0} R definida por ( ) 3 cos π 1 + x 2, x > 0 (k x)(x + 1), x < 0.
4 CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 12) Considere a função f : R \ {0} R definida por log ( k 2 + x 2 ), x > 0 x(2 + x), x < 0. onde k R + é uma constante. (b) Determine o valor da constante k R + para o qual a função f é prolongável 13) Considere a função f : R \ {0} R definida por e 1 x 2, x > 0 (k x)(x + 1), x < 0. 14) Considere a função f : R \ {0} R definida por log ( 2 2 + x 2 ), x > 0 (k x)(2 + x), x < 0. onde k R + é uma constante. (b) Determine o valor da constante k R + para o qual a função f é prolongável
CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 5 15) Considere a função f : R \ {0} R definida por ( ) k sen π 2 + x, x > 0 (x 1) 2, x < 0. 16) Considere as funções f e g definidas em R \ {0} por e 1 x 2 g(x) = x sen 1 x cos 1 x. (a) Estude as funções no que respeita à continuidade. (b) Indique, justificando, se são prolongáveis por continuidade ao ponto 0. (c) Mostre que são funções itadas. 17) Considere as funções f e g definidas em ]0, + [ por log log(1 + x) g(x) = x sen 1 x 2. (a) Estude as funções no que respeita à continuidade. (b) Calcule x + f(x) e x + g(x). (c) Indique, justificando, se são prolongáveis por continuidade ao ponto 0. (d) Indique, justificando, o contradomínio de f. II. Axioma de Supremo 1) Seja A um subconjunto de R majorado e não-vazio, com supremo s = sup A. Mostre que para qualquer ɛ > 0 existe a A tal que a > s ɛ. 2) Seja A um subconjunto de R majorado e não-vazio, com supremo s = sup A. Seja ainda m R um majorante de A distinto de s. Mostre que existe ɛ > 0 tal que a < m ɛ para todo o a A. 3) Sejam A e B dois subconjuntos de R. (a) Prove que se sup A < inf B então A e B são disjuntos. (b) Mostre por meio de exemplos que se sup A inf B então A e B podem ser ou não disjuntos. 4) Sejam A e B dois subconjuntos não-vazios de R. Considere o subconjunto C R definido por C = A + B def = {x R : x = a + b com a A, b B}.
6 CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 Mostre que: (a) Se A e B têm supremo, então C também tem supremo e sup C = sup A+sup B. (b) Se A e B têm ínfimo, então C também tem ínfimo e inf C = inf A + inf B. 5) Sejam A e B dois subconjuntos não-vazios de R, tais que a b, para quaisquer a A e b B. Mostre que existem o supremo de A e o ínfimo de B, e que sup A inf B. 6) Sejam A e B dois subconjuntos de R, itados e não-vazios, tais que inf A < sup B. Mostre que existem a A e b B com a < b. 7) Sejam A e B dois subconjuntos de R, não-vazios e itados, tais que sup A = inf B. Mostre que existem a A e b B tais que a b < 1. 8) Sejam A e B dois subconjuntos de R, não-vazios e itados, tais que sup A = inf B. Mostre que para qualquer ε > 0, existem a A e b B tais que a b < ε. 9) Sejam A, B R dois subconjuntos não-vazios e itados, tais que inf B sup A = 1. Mostre que existem a A e b B tais que 1 b a < 2. 10) Sejam A, B R dois subconjuntos não-vazios e itados, tais que sup A inf B = 1. Mostre que existem a A e b B tais que 0 < a b 1. 11) Seja A um subconjunto de R, itado e não-vazio, tal que sup A inf A = 2. Mostre que existem a 1, a 2 A tais que 1 < a 2 a 1 2. 12) Seja A um subconjunto não-vazio de R, tal que a 1 a 2 < 1 para quaisquer a 1, a 2 A. Mostre que A tem supremo. 13) Sejam A e B dois subconjuntos de R, não-vazios e majorados, tais que sup A sup B. Mostre que o conjunto C = A B tem supremo e que sup C = sup B. 14) Sejam A e B dois subconjuntos não-vazios de R, tais que B é majorado e A B. Mostre que A e B têm supremo e que sup A sup B. 15) Seja A um subconjunto de R, não-vazio e majorado, tal que sup A = 1. Mostre que A [0, 1]. III. Propriedades Globais das Funções Contínuas 1) Seja f uma função contínua no intervalo itado e fechado [0, 1], tal que 0 f(x) 1 para todo o x [0, 1]. Prove que f tem um ponto fixo, i.e. que existe um ponto c [0, 1] com f(c) = c. [Sugestão: aplique o teorema de Bolzano a g(x) = f(x) x.] 2) Seja f uma função contínua no intervalo itado e fechado [a, b] (com a, b R e a < b), tal que f(a) a e f(b) b. Prove que f tem um ponto fixo em [a, b]. 3) Seja f : [ 1, 1] R uma função contínua tal que f( 1) = 0 = f(1). Prove que f tem um ponto fixo, i.e. que existe um ponto c [ 1, 1] com f(c) = c.
CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 7 4) Seja f : ] 1, 1[ R uma função contínua tal que x 1 x 1 e +. + Prove que f tem um ponto fixo, i.e. que existe um ponto c ] 1, 1[ com f(c) = c. 5) Seja f : [0, + [ R uma função contínua e suponha que existe b > 0 tal que f(b) < f(x) para todo o x > b. Mostre que f tem mínimo em [0, + [. 6) Seja f : [0, + [ R uma função contínua e suponha que existe b > 0 tal que f(0) > f(x) para todo o x > b. Prove que f tem máximo em [0, + [. 7) Dada uma função g : [0, + [ R, considere a função f que é definida em [ 1, 1] por g(1 x 2 ). (a) Supondo que g é contínua em todo o seu domínio, mostre que f tem máximo e mínimo. (b) Supondo apenas que g é contínua em ]0, + [, poderemos garantir a existência de máximo e mínimo de f? Justifique. 8) Considere uma função f, contínua em R, e suponha que existem e são finitos os ites de f quando x + e x. (a) Prove que f é itada. (b) Prove que f tem um ponto fixo, i.e. que existe um ponto c R com f(c) = c. (c) Supondo que o produto dos dois ites indicados é negativo, indique, justificando, o máximo da função 1 g(x) = 1 + [f(x)]. 2 9) Seja f uma função contínua em R, com ites positivos quando x + e x, e tal que f(0) < 0. Mostre que: (a) A equação 0 tem pelo menos duas soluções reais. (b) f tem mínimo em R. 10) Seja f uma função contínua em R, tal que α e β, x x + com α, β R e α < β. Prove que o contradomínio de f contém o intervalo ]α, β[. 11) Seja f : ] 1, 1[ R uma função contínua tal que = f(x). x 1 + x 1 Prove que f tem máximo no intervalo ] 1, 1[. 12) Seja f : ] 1, 1[ R uma função contínua tal que + = f(x). x 1 + x 1 Prove que f tem mínimo no intervalo ] 1, 1[. 13) Sejam f e g duas funções contínuas em R, e considere os conjuntos A = {x R : f(x) < g(x)}, B = {x R : f(x) > g(x)} e C = {x R : g(x)}. Prove que se A e B são não-vazios, então C também é não-vazio.
8 CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 14) Seja f : R R uma função contínua e positiva (i.e. f(x) > 0, x R), tal que 0 = f(x). x x + Prove que f tem máximo. 15) Seja f : [0, + [ R uma função contínua tal que f(0) > 0 e x + 0. Prove que f tem máximo no intervalo [0, + [. IV. Cálculo de Derivadas de Funções. 1) Calcule f (x), sempre que exista, nos casos em que a função f é definida pela expressão: (a) x 2 + 3x + 2 (b) x 4 + sen(x) (c) x 4 sen(x) (d) 1 x + 1 (g) x + cos(x) 1 sen(x) (e) x x 1 (f) 1 2 + cos(x) (h) x sen(x) 1 + x 2 (i) senh(x) cosh(x) 2) (a) A área de uma círculo de raio r é πr 2 e o seu perímetro é 2πr. Mostre que a taxa de variação da área em relação ao raio é igual ao perímetro. (b) O volume de uma esfera de raio r é 4πr 3 /3 e a área da sua superfície é 4πr 2. Mostre que a taxa de variação do volume em relação ao raio é igual à área da superfície. 3) Calcule f (x), sempre que exista, nos casos em que a função f é definida pela expressão: (a) x (b) 1 1 + x (c) x 3/2 (d) x 3/2 (e) x 1/3 + x 1/4 (f) x 1 + x 4) Calcule f (x), sempre que exista, nos casos em que a função f é definida pela expressão: (a) tan(x) x (b) x tan(x) (c) cot(x) + x (d) cot(x) (e) tan(x) x cot(x) 5) Considere as funções f e g definidas em R por x x e g(x) = e x. (f) tan 2 (x) Para cada uma destas funções, (a) mostre que é diferenciável em R \ {0} e calcule a derivada; (b) estude a diferenciabilidade no ponto 0.
CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 9 6) Calcule, se existirem, as derivadas laterais no ponto 0 da função f : R R definida por x 1 + e 1/x, x 0 0, x = 0. 7) Calcule f (x), sempre que exista, nos casos em que a função f é definida pela expressão: (a) cos(2x) 2 sen(x) (b) sen(e x ) (c) tan(x/2) cot(x/2) (d) sen(cos 2 (x)) cos(sen 2 (x)) (e) sen2 (x) (f) 1 + x sen(x 2 ) 2 ( (g) (2 x 2 ) cos(x 2 )+2x sen(x 3 x 1 + x 3 ) (h) (i) 4 x 2 1 x 3 (j) cos 2 ( x) + sen 2 (1/x) (k) x(sen( x) + cos(1/x)) 8) Determine a derivada g em termos de f se: (a) g(x) = f(x 2 ) (b) g(x) = f(sen 2 (x)) + f(cos 2 (x)) (c) g(x) = f[f(x)] (d) g(x) = (f f f)(x) 9) Sendo f : R R a função definida por x 4 e x, e sendo g : R R uma função diferenciável, calcule (g f) (x) em termos da função g. 10) Sendo g : R R uma função duas vezes diferenciável, considere a função φ : ]0, + [ R definida por φ(x) = e g(log x). Supondo conhecidos os valores de g, g e g em pontos convenientes, determine φ (1) e φ (e). 11) Calcule f (x), sempre que exista, nos casos em que a função f é definida pela expressão: (a) log(1 + x 2 ) (b) x 2 (1 + log x) (c) log(log x) (d) log(1 + x) (e) log(1 + sen 2 x) (f) log(1 + cos 2 x) (g) e log x (k) e sen2 x (o) 2 log x (h) e x (l) e cos2 x (p) 2 x (i) e 1/x (m) x 2 e x (q) 2 1/x (j) e 1/ x (n) xe x2 (r) 2 1/ x (s) 2 sen2 x (t) 2 cos2 x (u) x 2 2 x (v) x2 x2 (w) x x (x) x log x (y) (log x) x (z) x 1/x ) 1/3
10 CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 (e) V. Teoremas de Rolle, Lagrange e Cauchy. Extremos. 1) Determine, se existirem em R, os seguintes ites. (j) (m) (p) (a) senh x sen x x 3 (g) (d) (b) log(cos(ax)) log(cos(bx)) 2 x 2 x (e) x + x 2 x x 2 x 2 sen(1/x) + sen x (h) sen(x) log(x) (k) x log + + x 1 x + log(x) log(1 x) (n) ( ) 1 x x + x1/4 sen (q) e 1/x + x ( ) x x + 1 (c) x cot x 1 x 2 (f) 10 x 5 x x e 1/x2 (i) x 1000 (l) x log x + ( x ) x + 1 sen(1/x) log(x) (o) x + sen(1/x)ex x + x2 (cos(1/x) 1) 2) Determine, se existirem em R, os seguintes ites. (a) x 1 +(log x)x 1 (b) + x(ex 1) x + (2+x3 ) 1/ log x (f) x + (3+x2 1/ log x ) (g) (i) (1 cos x) x (w) (p) (s) (c) (r) sen(x) sen(1/x) (1 ex ) x (d) +(ex 1) x x)x +(sen (h) x)1/x +(cos (j) +(1/x)sen x (k) x + (sen(1/x))1/x (l) x + (cos(1/x))x (m) (cos x) 1/x2 (n) x + (cos(1/x))x2 (o) x + (sen(1/x))1/x2 +(sen x)1/ log x (q) x + (sen(1/x))1/ log x log x (r) +(1 cos x)1/ xlog(log x) (t) x 1 x 1 1) (u) x 1 + x + + x(xx (v) x(xx) 1 + (1 2x ) sen x (x) +(tan x)sen x (y) x1/ log x (z) + +[log(1/x)]x 3) Seja f uma função definida numa vizinhança de zero, V ε (0) = ] ε, +ε[ com ε > 0, diferenciável em V ε (0) \ {0} e tal que xf (x) > 0 para todo o x V ε (0) \ {0}. (a) Supondo que f é contínua no ponto 0, prove que f(0) é um extremo de f e indique se é mínimo ou máximo. No caso de f ser diferenciável no ponto 0, qual será o valor de f (0)? (b) Mostre, por meio de um exemplo, que sem a hipótese de continuidade de f no ponto 0 não se pode garantir que f(0) seja um extremo de f. 4) Seja 1 x 2/3. Mostre que f(1) = f( 1) = 0, mas que f (x) nunca é zero no intervalo [ 1, 1]. Explique porque é que este facto não contraria o Teorema de Rolle.
CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 11 5) Seja f :]0, 1[ R uma função diferenciável tal que ( ) 1 f = 0 para todo o n N. n + 1 Diga se cada uma das seguintes proposições é verdadeira ou falsa. Justifique as suas respostas. 1 (a) Para qualquer n 2, a função f tem máximo no intervalo [, 1 ]. n+1 n (b) A função f é itada. (c) A função f tem infinitos zeros. 6) Use o Teorema de Lagrange para deduzir as seguintes desigualdades: (a) sen(x) sen(y) x y, x, y R. (b) ny n 1 (x y) x n y n nx n 1 (x y) se 0 < y x e n N. 7) Seja φ uma função diferenciável em R, tal que φ(n) = ( 1) n n para todo o n N. Prove que não existe x + φ (x). 8) Seja f uma função diferenciável em R, com derivada crescente e tal que f(0) = 0. Mostre que a função definida por g(x) = f(x)/x é crescente em R +. 9) Considere a função f : ] 1, + [ R definida por: log 1 x 2, x ] 1, 0] x 2 e 1 x2, x ]0, + [. (a) Estude a função f quanto à continuidade. (b) Determine x 1 + f(x) e x + f(x). (c) Defina a função f. (d) Determine os intervalos de monotonia de f e os pontos em que f tem um extremo local. 10) Considere a função f : R R definida por log(1 + x 2 ) x, x 0 0, x = 0. (a) Mostre que f é contínua no ponto zero e calcule x + f(x) e x f(x). (b) Mostre que f é diferenciável no ponto zero com f (0) = 1. (c) Diga, justificando, se a seguinte proposição é verdadeira ou falsa: a equação f (x) = 0 tem pelo menos duas soluções distintas em R. 11) Supondo que f é uma função de classe C 1 em [a, b], com a, b R e a < b, mostre que existe c R tal que f(x) f(y) c x y para quaisquer x, y [a, b]. 12) Seja f : R R uma função de classe C 1 (R) que satisfaz a desigualdade f(x) x 2 para todo o x R. Mostre que para qualquer α R existe c R tal que f (c) = α. 13) Seja f : R R uma função duas vezes diferenciável, com f (0) = 0 e f (x) > 0 para todo o x R. Considere a função ϕ : R R definida por ϕ(x) = f(sen x).
12 CDI I - LMAC, MEBIOM, MEFT 1 SEM. 2014/15 FICHA 2 (a) Determine e classifique os extremos locais da função ϕ. (b) O que pode dizer sobre o número de soluções da equação ϕ (x) = 0? 14) Seja f : R R uma função duas vezes diferenciável, com derivada f : R R estritamente crescente e tal que f (x) = e f (x) = +. x x + (a) Mostre que existe um único ponto a R tal que f (a) = 0, e que m def = f(a) é o mínimo absoluto de f. (b) Dado qualquer valor b ]m, + [, mostre que o conjunto f 1 (b) def = {x R : b} tem exactamente dois elementos. 15) Seja φ : R R uma função diferenciável, tal que φ(n) = ( 1) n /n para todo o n N. Suponha que existe x + φ (x). O que pode dizer sobre o seu valor? 16) Seja g : R R uma função diferenciável, com derivada g : R R contínua e itada, e tal que g(0) = 0. Considere a função h : R \ {0} R definida por h(x) = g(x), x R \ {0}. x Mostre que h é uma função itada em R \ {0} e prolongável por continuidade ao ponto zero. 17) Seja f : R R uma função diferenciável, tal que x + f (x) = 0. (a) Mostre que x + [f(x + 2) f(x)] = 0. (b) Será que se pode garantir que x + [f(2x) f(x)] = 0? Justifique. 18) Considere a função f : R R definida por sen(x) x x 2, se x < 0; ( ) tan x 6 + x 2, se x 0. (a) Mostre que f é diferenciável no ponto zero com f (0) = 1/6. (b) Determine a equação da recta tangente ao gráfico de f no ponto (0, f(0)). (c) Prove que a equação f (x) = 0 tem pelo menos duas soluções distintas em R. 19) Seja φ : ]0, + [ R uma função diferenciável, tal que φ(2n) = 2n e φ(2n 1) = 2n 1, n N. (a) Mostre que a equação φ(x) = 0 tem infinitas soluções em R +. (b) Mostre que a equação φ (x) = 0 tem infinitas soluções em R +. 20) (a) Seja g : R + R uma função diferenciável tal que x + g(x) = p R. Mostre que se x + g (x) existe, então é igual a zero. Sugestão: aplique o Teorema de Lagrange a intervalos da forma [x, x + 1]. (b) Seja f : R + R uma função diferenciável com assímptota à direita de equação y = mx + p, m, p R. Mostre que se x + f (x) existe, então é igual a m.