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Funções Polinomiais e Racionais

AP Precalculus · Tópico 1

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17:14

Funções Polinomiais e Racionais

Observe esta curva. Ela sobe, depois desce, depois sobe novamente — estes são seus pontos de virada. Ela cruza o eixo horizontal — estas são as raízes, onde a…

Narração em inglês · legendas em inglês e 中文 que você pode alternar

1.1

Mudança em Tandem

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.1.A: Descrever como os valores de entrada e saída de uma função variam juntos comparando valores da função.

  • 1.1.A.1 Uma função é uma relação matemática que mapeia um conjunto de valores de entrada para um conjunto de valores de saída de modo que cada valor de entrada seja mapeado para exatamente um valor de saída. O conjunto de valores de entrada é chamado de domínio da função, e o conjunto de valores de saída é chamado de contradomínio (ou imagem) da função. A variável que representa os valores de entrada é chamada de variável independente, e a variável que representa os valores de saída é chamada de variável dependente.
  • 1.1.A.2 Os valores de entrada e saída de uma função variam conjuntamente de acordo com a regra da função, que pode ser expressa graficamente, numericamente, analiticamente ou verbalmente.
  • 1.1.A.3 Uma função é crescente em um intervalo de seu domínio se, à medida que os valores de entrada aumentam, os valores de saída sempre aumentam. Ou seja, para todos $a$ e $b$ no intervalo, se $a < b$, então $f(a) < f(b)$.
  • 1.1.A.4 Uma função é decrescente em um intervalo de seu domínio se, à medida que os valores de entrada aumentam, os valores de saída sempre diminuem. Ou seja, para todos $a$ e $b$ no intervalo, se $a < b$, então $f(a) > f(b)$.

Objetivo de Aprendizagem 1.1.B: Construir um gráfico representando duas quantidades que variam em relação uma à outra em um cenário contextual.

  • 1.1.B.1 O gráfico de uma função exibe um conjunto de pares de entrada-saída e mostra como os valores de entrada e saída da função variam.
  • 1.1.B.2 Uma descrição verbal da maneira como aspectos de fenômenos mudam juntos pode servir de base para a construção de um gráfico.
  • 1.1.B.3 O gráfico de uma função é côncavo para cima em intervalos nos quais a taxa de variação está aumentando.
  • 1.1.B.4 O gráfico de uma função é côncavo para baixo em intervalos nos quais a taxa de variação está diminuindo.
  • 1.1.B.5 O gráfico intersecta o eixo $x$ quando o valor de saída é zero. Os valores de entrada correspondentes são ditos ser zeros da função.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Por que isso importa. Quando uma música nova é lançada, seu número total de reproduções cresce rapidamente nas primeiras semanas e depois mais devagar. Uma gravadora que deseja prever o total do próximo mês ou decidir quando a música atingiu seu pico precisa de uma função que corresponda à forma como os números mudam. Esta unidade trata de interpretar essa mudança por meio de taxas de variação e escolher funções polinomiais e racionais que a modelem.

Gráfico esquemático do total de reproduções em função das semanas desde o lançamento, aumentando rapidamente no início e depois mais devagar
Cresce durante todo o período, mas a taxa de crescimento diminui.

Uma função é uma regra que associa cada entrada a exatamente uma saída. O conjunto de entradas permitidas é o domínio; o conjunto de saídas é o contradomínio. A variável de entrada é a variável independente e a variável de saída é a variável dependente. Uma regra de função pode ser mostrada graficamente, numericamente, analiticamente (uma fórmula) ou verbalmente.

À medida que a entrada muda, a saída muda "em tandem" – juntas. Sobre um intervalo, uma função é:

  • crescente se, sempre que $a<b$, então $f(a)<f(b)$ (entrada maior, saída maior);
  • decrescente se, sempre que $a<b$, então $f(a)>f(b)$ (entrada maior, saída menor).

Um gráfico de uma função mostra todos os seus pares de entrada-saída, então você pode ler esse comportamento diretamente da imagem.

Explorar

Observe duas quantidades mudando juntas

y = ax² + bx + c

O cálculo prévio estuda como uma saída muda em conjunto com sua entrada. Leia a curva da esquerda para a direita: onde é íngreme, $y$ muda muito para uma pequena mudança em $x$; onde é plana, $y$ quase não se move.

Vocabulário Treinar
English Português
model/ˈmɒdl/ Modelo
assumptions/əˈsʌmpʃnz/ pressupostos
piecewise-defined function/ˈpiːswaɪz dɪˈfaɪnd ˈfʌŋkʃn/ Função definida por partes
1.2

Taxas de Variação

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.2.A: Comparar as taxas de variação em dois pontos usando taxas de variação médias próximas aos pontos.

  • 1.2.A.1 A taxa de variação média de uma função sobre um intervalo do domínio da função é a taxa de variação constante que produz a mesma mudança nos valores de saída que a função produziu naquele intervalo do seu domínio. É a razão entre a mudança nos valores de saída e a mudança nos valores de entrada sobre esse intervalo.
  • 1.2.A.2 A taxa de variação de uma função em um ponto quantifica a taxa na qual os valores de saída mudariam se os valores de entrada changessem naquele ponto. A taxa de variação em um ponto pode ser aproximada pelas taxas de variação médias da função sobre pequenos intervalos contendo o ponto, se tais valores existirem.
  • 1.2.A.3 As taxas de variação em dois pontos podem ser comparadas usando aproximações de taxa de variação média sobre intervalos suficientemente pequenos contendo cada ponto, se tais valores existirem.

Objetivo de Aprendizagem 1.2.B: Descrever como duas quantidades variam juntas em diferentes pontos e sobre diferentes intervalos de uma função.

  • 1.2.B.1 Taxas de variação quantificam como duas quantidades variam juntas.
  • 1.2.B.2 Uma taxa de variação positiva indica que, à medida que uma quantidade aumenta ou diminui, a outra quantidade faz o mesmo.
  • 1.2.B.3 Uma taxa de variação negativa indica que, à medida que uma quantidade aumenta, a outra diminui.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

A taxa média de variação de uma função sobre um intervalo é a mudança na saída dividida pela mudança na entrada — a taxa constante única que resultaria na mesma variação total. Sobre $[a,b]$:

$$\text{avg rate} = \frac{f(b)-f(a)}{b-a}.$$

Gráfico de f(x) = x ao quadrado com secantes: inclinação 3 no intervalo de 1 a 2 e inclinação 5 no intervalo de 1 a 4
A taxa média de variação muda conforme o intervalo, então f não é linear.

A taxa de variação em um ponto mede quão rápido a saída muda exatamente naquela entrada. Você a aproxima com taxas médias sobre intervalos pequenos ao redor do ponto. Comparando dois pontos, aquele com a taxa média maior (sobre intervalos suficientemente pequenos) está mudando mais rápido. Uma taxa positiva significa que ambas as quantidades se movem na mesma direção; uma taxa negativa significa que se movem em direções opostas.

Exemplo resolvido. Para $f(x)=x^2$, a taxa média de variação sobre $[1,4]$ é $\dfrac{f(4)-f(1)}{4-1}=\dfrac{16-1}{3}=5$. Sobre $[1,2]$ é $\dfrac{4-1}{1}=3$ – a própria taxa muda, o que é exatamente por que $f$ não é linear.

Taxas de variação e concavidade. Se a taxa de variação de $f$ aumenta em um intervalo, o gráfico tem concavidade para cima nesse intervalo; se a taxa diminui, o gráfico tem concavidade para baixo. Em uma tabela com intervalos iguais entre os valores de entrada, compare as variações dos valores de saída.

Exemplo resolvido. O volume $f(t)$ de um tanque, em litros, é registrado a cada 2 minutos:

$t$ (min) $0$ $2$ $4$ $6$ $8$
$f(t)$ (L) $10$ $14$ $20$ $28$ $38$

Em cada intervalo de 2 minutos, o volume aumenta em 4, 6, 8 e depois 10 litros. O valor de saída aumenta em quantidades crescentes ao longo de intervalos de entrada de mesmo tamanho, então as taxas médias de variação (2, 3, 4, 5 L/min) estão aumentando. $f$ é crescente e seu gráfico tem concavidade para cima em $[0,8]$. As questões de resposta livre pedem exatamente esse tipo de justificativa: faça referência aos valores da tabela.

Explorar

Reduza o intervalo até que a secante se torne uma tangente

f(x) = 0.5x²

Arraste o ponto para ler a inclinação em um único ponto — este é o limite da taxa média de variação à medida que o intervalo encolhe para zero.

Vocabulário Treinar
English Português
function/ˈfʌŋkʃn/ função
domain/dəˈmeɪn/ domínio
range/reɪndʒ/ contradomínio
independent variable/ˌɪndɪˈpendənt ˈveərɪəbl/ variável independente
dependent variable/dɪˈpendənt ˈveərɪəbl/ variável dependente
increasing/ɪnˈkriːsɪŋ/ crescente
decreasing/ˈdiːkriːsɪŋ/ decrescente
average rate of change/ˈævrɪdʒ reɪt ɒv tʃeɪndʒ/ taxa média de variação
concave up/kɒnˈkeɪv ʌp/ côncava para cima
concave down/kɒnˈkeɪv daʊn/ côncava para baixo
secant line/ˈsiːkənt laɪn/ reta secante
linear/ˈlɪnɪə/ linear
quadratic/kwɒˈdrætɪk/ quadrática
polynomial/ˌpɒlɪˈnəʊmɪəl/ polinomial
degree/dɪˈɡriː/ grau
leading term/ˈliːdɪŋ tɜːm/ termo líder
leading coefficient/ˈliːdɪŋ ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ coeficiente líder
local (relative) extremum/ˈləʊkl ekˈstreməm/ extremo local (relativo)
global (absolute) maximum/ˈɡləʊbl ˈmæksɪməm/ máximo global (absoluto)
point of inflection/pɔɪnt ɒv ɪnˈflekʃn/ ponto de inflexão
even function/ˈiːvən ˈfʌŋkʃən/ função par
odd function/ɒd ˈfʌŋkʃən/ função ímpar
1.3

Taxas de Variação em Funções Lineares e Quadráticas

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.3.A: Determinar as taxas de variação médias para sequências e funções, incluindo funções lineares, quadráticas e outros tipos de função.

  • 1.3.A.1 Para uma função linear, a taxa de variação média sobre qualquer intervalo de comprimento de valor de entrada é constante.
  • 1.3.A.2 Para uma função quadrática, as taxas de variação média sobre intervalos consecutivos de comprimento igual de valores de entrada podem ser dadas por uma função linear.
  • 1.3.A.3 A taxa de variação média sobre o intervalo fechado $[a, b]$ é a inclinação da reta secante do ponto $(a, f(a))$ até $(b, f(b))$.

Objetivo de Aprendizagem 1.3.B: Determinar a mudança nas taxas de variação médias para funções lineares, quadráticas e outros tipos de função.

  • 1.3.B.1 Para uma função linear, já que as taxas de variação média sobre intervalos consecutivos de comprimento igual de valores de entrada podem ser dadas por uma função constante, essas taxas de variação média para uma função linear estão mudando a uma taxa de zero.
  • 1.3.B.2 Para uma função quadrática, já que as taxas de variação média sobre intervalos consecutivos de comprimento igual de valores de entrada podem ser dadas por uma função linear, essas taxas de variação média para uma função quadrática estão mudando a uma taxa constante.
  • 1.3.B.3 Quando a taxa média de variação sobre intervalos de valor de entrada de comprimento igual aumenta para todos os pequenos intervalos, o gráfico da função é côncavo para cima. Quando a taxa média de variação sobre intervalos de valor de entrada de comprimento igual diminui para todos os pequenos intervalos, o gráfico da função é côncavo para baixo.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

A taxa média de variação sobre $[a,b]$ é a inclinação da reta secante de $(a,f(a))$ a $(b,f(b))$.

Completar o quadrado dá o vértice de uma parábola
Completar o quadrado dá o vértice de uma parábola
  • Para uma função linear, a taxa média de variação em qualquer intervalo é constante – logo, a taxa na qual a taxa muda é zero.
  • Para uma função quadrática, as taxas médias de variação em intervalos de comprimento igual formam um padrão linear – logo, essas taxas mudam a uma taxa constante.

Essa ideia de "taxa da taxa" distingue tipos de função: uma segunda diferença constante sinaliza uma quadrática.

Exemplo resolvido. Que tipo de função se ajusta a esta tabela (entradas igualmente espaçadas)?

$x$ $0$ $1$ $2$ $3$ $4$
$f(x)$ $1$ $3$ $9$ $19$ $33$
1diferenças primeiras $2$ $6$ $10$ $14$
2diferenças segundas $4$ $4$ $4$

As primeiras diferenças (as taxas médias em cada passo) não são constantes, então $f$ não é linear. Elas aumentam na mesma quantidade, $4$, a cada vez, logo as segundas diferenças são constantes: um modelo quadrático se ajusta. (Na verdade $f(x)=2x^2+1$.)

A Ponte Golden Gate com seu cabo principal curvo
Um cabo de ponte suspenso assume a forma de uma curva parabólica – uma quadrática que você pode ver no aço
Explorar

Explore a taxa de variação de uma função quadrática

y = ax² + bx + c

Mova os controles deslizantes e observe a parábola 抛物线 inclinar. Sua taxa média de mudança não é constante — a inclinação é positiva em um lado do vértice 顶点 e negativa no outro. Note como $a$ a abre para cima ou para baixo.

Vocabulário Treinar
English Português
zero/ˈzɪərəʊ/ zero
root/ruːt/ raiz
multiplicity/ˌmʌltɪˈplɪsɪti/ multiplicidade
1.4

Funções Polinomiais e Taxas de Variação

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.4.A: Identificar características-chave de funções polinomiais relacionadas às taxas de variação.

  • 1.4.A.1 Uma função polinomial não constante de $x$ é qualquer representação funcional que seja equivalente à forma analítica $p(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + a_{n-2} x^{n-2} + \ldots + a_2 x^2 + a_1 x + a_0$, onde $n$ é um inteiro positivo, $a_i$ é um número real para cada $i$ de $1$ a $n$, e $a_n$ é diferente de zero. O polinômio tem grau $n$, o termo líder é $a_n x^n$, e o coeficiente líder é $a_n$. Uma constante também é uma função polinomial de grau zero.
  • 1.4.A.2 Onde uma função polinomial alterna entre crescimento e decrescimento, ou na extremidade incluída de um polinômio com domínio restrito, a função polinomial terá um valor de saída local ou relativo máximo ou mínimo. De todos os máximos locais, o maior é chamado de global ou absoluto máximo. Da mesma forma, o menor de todos os mínimos locais é chamado de global ou absoluto mínimo.
  • 1.4.A.3 Entre cada dois zeros reais distintos de uma função polinomial não constante, deve haver pelo menos um valor de entrada correspondente a um máximo local ou mínimo local.
  • 1.4.A.4 Funções polinomiais de grau par terão um máximo global ou um mínimo global.
  • 1.4.A.5 Pontos de inflexão de uma função polinomial ocorrem em valores de entrada onde a taxa de variação da função muda de aumento para diminuição ou de diminuição para aumento. Isso ocorre onde o gráfico de uma função polinomial muda de côncavo para cima para côncavo para baixo ou de côncavo para baixo para côncavo para cima.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um polinômio não constante tem a forma

$$p(x)=a_n x^n + a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1 x + a_0,\quad a_n\neq 0.$$
Seu grau é $n$, seu termo de maior grau é $a_n x^n$ e seu coeficiente líder é $a_n$. Uma constante diferente de zero é um polinômio de grau $0$; o polinômio nulo não tem grau definido.

Uma curva de ponte suave: gráficos polinomiais e racionais modelam formas reais com assíntotas e curvas
Uma curva de ponte suave: gráficos polinomiais e racionais modelam formas reais com assíntotas e curvas

Características-chave:

  • Onde um polinômio passa de crescente para decrescente ou vice-versa, ele tem um extremo local (relativo). O maior máximo local é o máximo global (absoluto) somente quando o polinômio tem um — todo polinômio de grau ímpar é ilimitado tanto superior quanto inferiormente, portanto não tem máximo global nem mínimo global.
  • Entre quaisquer dois zeros reais distintos há pelo menos um máximo ou mínimo local.
  • Um polinômio de grau par tem ou um máximo global ou um mínimo global.
  • Um ponto de inflexão é onde o gráfico muda de concavidade — de concavidade para cima para concavidade para baixo ou vice-versa —, ou seja, onde a taxa de variação passa de crescente para decrescente ou vice-versa.
  • Uma função possui simetria quando é par – $f(-x)=f(x)$, gráfico simétrico em relação ao eixo $y$ (como $x^2$, $x^4$) – ou ímpar – $f(-x)=-f(x)$, gráfico simétrico por rotação em torno da origem (como $x^3$, $x^5$). Teste substituindo $-x$ e simplificando; mais tarde, $\cos\theta$ é par e $\sin\theta$ é ímpar.
Uma antena parabólica montada em uma parede, seu refletor curvo apontado para o céu com o receptor segurado no foco
Uma antena parabólica é uma parabolóide de revolução: todo raio paralelo reflete para o mesmo foco
Explorar

Reconfigure um cúbico e conte seus pontos de virada

y = ax³ + bx² + cx + d

Ajuste os deslizadores. Uma curva de grau 3 pode ondular no máximo duas vezes — tente fazê-la dar três voltas (você não consegue).

1.5

Funções Polinomiais e Zeros Complexos

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.5.A: Identificar características-chave de uma função polinomial relacionadas aos seus zeros quando fatorações adequadas estão disponíveis ou com tecnologia.

  • 1.5.A.1 Se $a$ é um número complexo e $p(a) = 0$, então $a$ é chamado de zero da função polinomial $p$, ou raiz de $p(x) = 0$. Se $a$ é um número real, então $(x - a)$ é um fator linear de $p$ se, e somente se, $a$ for um zero de $p$.
  • 1.5.A.2 Se um fator linear $(x - a)$ for repetido $n$ vezes, o zero correspondente da função polinomial terá uma multiplicidade $n$. Uma função polinomial de grau $n$ tem exatamente $n$ zeros complexos quando contados multiplicidades.
  • 1.5.A.3 Se $a$ é um zero real de uma função polinomial $p$, então o gráfico de $y = p(x)$ tem uma interceptação $x$ no ponto $(a, 0)$. Consequentemente, zeros reais de um polinômio podem ser extremos para intervalos satisfazendo desigualdades polinomiais.
  • 1.5.A.4 Se $a + bi$ é um zero não-real de uma função polinomial $p$, então seu conjugado $a - bi$ também é um zero de $p$.
  • 1.5.A.5 Se o zero real, $a$, de uma função polinomial tem multiplicidade par, então os sinais dos valores de saída são os mesmos para valores de entrada próximos a $x = a$. Para essas funções polinomiais, o gráfico será tangente ao eixo-$x$ em $x = a$.
  • 1.5.A.6 O grau de uma função polinomial pode ser encontrado examinando as diferenças sucessivas dos valores de saída sobre valores de entrada de intervalo igual. O grau da função polinomial é igual ao menor valor $n$ para o qual as diferenças $n$-ésimas sucessivas são constantes.

Objetivo de Aprendizagem 1.5.B: Determinar se uma função polinomial é par ou ímpar.

  • 1.5.B.1 Uma função par é graficamente simétrica em relação à linha $x = 0$ e analiticamente tem a propriedade $f(-x) = f(x)$. Se $n$ é par, então um polinômio da forma $p(x) = a_n x^n$, onde $n \geq 1$ e $a_n \neq 0$, é uma função par.
  • 1.5.B.2 Uma função ímpar é graficamente simétrica em relação ao ponto $(0, 0)$ e analiticamente possui a propriedade $f(-x) = -f(x)$. Se $n$ é ímpar, então um polinômio da forma $p(x) = a_n x^n$, onde $n \geq 1$ e $a_n \neq 0$, é uma função ímpar.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um zero (ou raiz) de $p$ é um número $a$ tal que $p(a)=0$. Para um real $a$, $(x-a)$ é um fator de $p$ exatamente quando $a$ é um zero. Se o fator $(x-a)$ for repetido $n$ vezes, esse zero tem multiplicidade $n$. Contando multiplicidades, um polinômio de grau-$n$ possui exatamente $n$ zeros complexos.

Um número complexo em um diagrama de Argand: módulo é a distância, argumento é o ângulo
Um número complexo em um diagrama de Argand: módulo é a distância, argumento é o ângulo
  • Um zero real $a$ dá uma interceptação no eixo $x$ em $(a,0)$; zeros reais são os pontos finais dos intervalos onde $p(x)\ge 0$ ou $\le 0$.
  • Zeros não reais vêm em pares conjugados: se $a+bi$ é um zero, então $a-bi$ também é.
  • Em um zero real de multiplicidade par, o gráfico é tangente ao eixo $x$ (ele toca, mas não cruza); em multiplicidade ímpar, ele cruza.

Exemplo resolvido. Um cúbico $p$ tem um zero de multiplicidade $2$ em $x=-1$, um zero em $x=3$ e $p(0)=6$. Encontre $p(x)$ e descreva seu gráfico.

Cada zero fornece um fator, logo $p(x)=a(x+1)^2(x-3)$. Use o ponto: $p(0)=a(1)^2(-3)=-3a=6$, logo $a=-2$ e

$$p(x)=-2(x+1)^2(x-3).$$

O gráfico toca o eixo $x$ em $x=-1$ (multiplicidade par) e o cruza em $x=3$. O termo líder é $-2x^3$ (negativo, grau ímpar), logo $\lim_{x\to\infty}p(x)=-\infty$ e $\lim_{x\to-\infty}p(x)=\infty$.

  • O grau equivale à menor $n$ para a qual as $n$ diferenças sucessivas de saídas igualmente espaçadas tornam-se constantes.
Explorar

Uma raiz complexa e seu parceiro espelhado

Plotar uma raiz a + bi. Para um polinômio real, seu conjugado a − bi (a imagem espelhada através do eixo real) também deve ser uma raiz.

Vocabulário Treinar
English Português
complex/ˈkɒmpleks/ complexo
conjugate/ˈkɒndʒuːɡeɪt/ conjugado
1.6

Funções Polinomiais e Comportamento Extremo

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.6.A: Descrever comportamentos extremos de funções polinomiais.

  • 1.6.A.1 À medida que os valores de entrada de uma função polinomial não constante aumentam sem limite, os valores de saída aumentarão ou diminuirão sem limite. A notação matemática correspondente é $\lim_{x \to \infty} p(x) = \infty$ ou $\lim_{x \to \infty} p(x) = -\infty$.
  • 1.6.A.2 À medida que os valores de entrada de uma função polinomial não constante diminuem sem limite, os valores de saída aumentarão ou diminuirão sem limite. A notação matemática correspondente é $\lim_{x \to -\infty} p(x) = \infty$ ou $\lim_{x \to -\infty} p(x) = -\infty$.
  • 1.6.A.3 O grau e o sinal do termo líder de um polinômio determinam o comportamento extremo da função polinomial, pois, à medida que os valores de entrada aumentam ou diminuem sem limite, os valores do termo líder dominam os valores de todos os termos de graus inferiores.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Comportamento final descreve para onde uma função vai à medida que a entrada cresce sem limite. Para um polinômio não constante, quando $x\to\pm\infty$ a saída vai para $+\infty$ ou $-\infty$, escrito p.ex. $\lim_{x\to\infty}p(x)=\infty$. A direção depende inteiramente do termo líder $a_n x^n$, pois para grandes $|x|$ ele domina todos os termos de grau menor: o sinal de $a_n$ e se $n$ é par ou ímpar fixam ambas as extremidades.

Os extremos de todo polinômio são definidos pela paridade do seu grau e pelo sinal do coeficiente líder
Os extremos de todo polinômio são definidos pela paridade do seu grau e pelo sinal do coeficiente líder
Explorar

Veja como o termo líder define o comportamento final

y = ax³ + bx² + cx + d

O termo de maior grau determina os extremos. Para um cúbico com $a>0$, o gráfico decresce à esquerda e cresce à direita; faça $a<0$ e as duas extremidades trocam de lugar. À medida que $x\to\pm\infty$, o termo de maior potência domina todos os outros termos.

Vocabulário Treinar
English Português
End behavior/end bɪˈheɪvjə/ Comportamento final
rational function/ˈræʃənl ˈfʌŋkʃn/ função racional
1.7

Funções Racionais e Comportamento Extremo

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.7.A: Descrever comportamentos extremos de funções racionais.

  • 1.7.A.1 Uma função racional é representada analiticamente como um quociente de duas funções polinomiais e fornece uma medida do tamanho relativo da função polinomial no numerador comparado à função polinomial no denominador para cada valor no domínio da função racional.
  • 1.7.A.2 O comportamento extremo de uma função racional será mais afetado pelo polinômio com maior grau, pois seus valores dominarão os valores da função racional para valores de entrada de grande magnitude. Para valores de entrada de grande magnitude, um polinômio é dominado por seu termo líder. Portanto, o comportamento extremo de uma função racional pode ser compreendido examinando o quociente correspondente dos termos líderes.
  • 1.7.A.3 Se o polinômio no numerador domina o polinômio no denominador para valores de entrada de grande magnitude, então o quociente dos termos líderes é um polinômio não constante, e a função racional original tem o comportamento extremo desse polinômio. Se esse polinômio for linear, então o gráfico da função racional terá uma assíntota oblíqua paralela ao gráfico da reta.
  • 1.7.A.4 Se nenhum polinômio em uma função racional domina o outro para valores de entrada de grande magnitude, então o quociente dos termos líderes é uma constante, e essa constante indica a localização de uma assíntota horizontal do gráfico da função racional original.
  • 1.7.A.5 Se o polinômio no denominador domina o polinômio no numerador para valores de entrada de grande magnitude, então o quociente dos termos líderes é uma função racional com uma constante no numerador e um polinômio não constante no denominador, e o gráfico da função racional original tem uma assíntota horizontal em $y = 0$.
  • 1.7.A.6 Quando o gráfico de uma função racional $r$ tem uma assíntota horizontal em $y = b$, onde $b$ é uma constante, os valores de saída da função racional aproximam-se arbitrariamente de $b$ e permanecem arbitrariamente próximos de $b$ à medida que os valores de entrada aumentam ou diminuem sem limite. A notação matemática correspondente é $\lim_{x \to \infty} r(x) = b$ ou $\lim_{x \to -\infty} r(x) = b$.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Uma função racional é um quociente de dois polinômios, $r(x)=\dfrac{\text{numerator}}{\text{denominator}}$. Seu comportamento final é regido pelo quociente dos termos líderes:

Quando o grau do numerador é uma unidade maior que o grau do denominador, a curva se aproxima de uma assíntota oblíqua
Quando o grau do numerador é uma unidade maior que o grau do denominador, a curva se aproxima de uma assíntota oblíqua
  • Grau do numerador > grau do denominador: o quociente é um polinômio não constante, e $r$ segue o comportamento final desse polinômio. Se esse quociente for linear, o gráfico possui uma assíntota oblíqua.
  • Graus iguais: o quociente é constante, resultando em uma assíntota horizontal $y=$ igual à razão dos coeficientes dominantes.
  • Grau do numerador < grau do denominador: o quociente tende a $0$, logo a assíntota horizontal é $y=0$.

Em uma assíntota horizontal $y=b$, as saídas ficam e permanecem arbitrariamente próximas de $b$: $\lim_{x\to\pm\infty}r(x)=b$.

Exemplo resolvido: limites e uma equação. Seja $r(x)=\dfrac{3x^2-5}{x^2+2}$.

  • Comportamento nas extremidades: graus iguais, coeficientes líderes 3 e 1, portanto $\displaystyle\lim_{x\to\infty}r(x)=3$ e $\displaystyle\lim_{x\to-\infty}r(x)=3$.
  • Resolva $r(x)=1$. O denominador $x^2+2$ nunca é zero, então multiplique ambos os lados por ele:
$$3x^2-5=x^2+2\quad\Rightarrow\quad2x^2=7\quad\Rightarrow\quad x=\pm\sqrt{3.5}\approx\pm1.871$$

Para $g(x)=\dfrac{x^3}{x^2+1}$, o grau do numerador é maior, então $g$ é ilimitada: $\displaystyle\lim_{x\to\infty}g(x)=\infty$ e $\displaystyle\lim_{x\to-\infty}g(x)=-\infty$. Escreva "o limite é infinito", e não "o limite é um número".

Explorar

Deslize a assintótica horizontal para cima e para baixo

y = a/(x − b) + c

Altere c e toda a curva nivelará em uma nova altura y = c longe — aquela linha horizontal é o comportamento final.

1.8

Funções Racionais e Zeros

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.8.A: Determinar os zeros de funções racionais.

  • 1.8.A.1 Os zeros reais de uma função racional correspondem aos zeros reais do numerador para tais valores em seu domínio.
  • 1.8.A.2 Os zeros reais de ambas as funções polinomiais de uma função racional $r$ são extremos ou assíntotas para intervalos que satisfazem as desigualdades da função racional $r(x) \geq 0$ ou $r(x) \leq 0$.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Os zeros reais de uma função racional são os zeros reais de seu numerador que ainda estão no domínio. Esses zeros, juntos com os zeros do denominador, dividem a reta numérica nos intervalos que você testa ao resolver desigualdades $r(x)\ge 0$ ou $r(x)\le 0$.

Exemplo resolvido. Resolva $\dfrac{x-2}{x+1}\ge 0$. O numerador é zero em $x=2$ e o denominador em $x=-1$. Teste um valor em cada intervalo:

Intervalo $x<-1$ $-1<x<2$ $x>2$
Valor de teste $x=-2$: $\tfrac{-4}{-1}=4$ $x=0$: $\tfrac{-2}{1}=-2$ $x=3$: $\tfrac{1}{4}$
Sinal $+$ $-$ $+$

Logo, a solução é $x<-1$ ou $x\ge 2$. Inclua $x=2$ (o valor $0$ é permitido), mas nunca $x=-1$, onde $r$ não está definido.

Explorar

Onde ela cruza e onde ela quebra?

y = a/(x − b) + c

A curva cruza o eixo x em sua raiz, mas quebra em x = b onde o denominador é zero. São dois lugares diferentes.

1.9

Funções Racionais e Assíntotas Verticais

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.9.A: Determinar as assíntotas verticais de gráficos de funções racionais.

  • 1.9.A.1 Se o valor $a$ é um zero real da função polinomial no denominador de uma função racional e não é também um zero real da função polinomial no numerador, então o gráfico da função racional tem uma assíntota vertical em $x = a$. Além disso, uma assíntota vertical também ocorre em $x = a$ se a multiplicidade de $a$ como um zero real no denominador for maior do que sua multiplicidade como um zero real no numerador.
  • 1.9.A.2 Perto de uma assíntota vertical, $x = a$, de uma função racional, os valores da função polinomial no denominador são arbitrariamente próximos de zero, portanto os valores da função racional $r$ aumentam ou diminuem sem limite. A notação matemática correspondente é $\lim_{x \to a^+} r(x) = \infty$ ou $\lim_{x \to a^+} r(x) = -\infty$ para valores de entrada próximos a $a$ e maiores que $a$, e $\lim_{x \to a^-} r(x) = \infty$ ou $\lim_{x \to a^-} r(x) = -\infty$ para valores de entrada próximos a $a$ e menores que $a$.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Uma assíntota vertical ocorre em $x=a$ quando $a$ é raiz do denominador, mas não se cancela com o numerador – especificamente, quando sua multiplicidade no denominador excede a multiplicidade no numerador. Próximo a ela, o denominador é quase zero, então $r$ dispara para $\pm\infty$: $\lim_{x\to a^{\pm}}r(x)=\pm\infty$. Verifique ambos os lados, pois eles podem ir em direções opostas.

Exemplo resolvido. Descreva $r(x)=\dfrac{2x^2+3}{x^2-1}$. O numerador e o denominador têm graus iguais, logo a assíntota horizontal é $y=\dfrac{2}{1}=2$. O denominador $x^2-1$ é zero em $x=\pm1$ e nada se cancela, assim há assíntotas verticais em $x=1$ e $x=-1$.

Uma função racional aproximando-se de uma assíntota vertical e uma assíntota horizontal
Uma função racional aproximando-se de uma assíntota vertical e uma assíntota horizontal
Explorar

Explore uma assíntota vertical

y = a/(x − b) + c

Este é $y = \dfrac{a}{x-b} + c$. O gráfico dispara em direção a $\pm\infty$ na assíntota vertical 竖直渐近线 $x = b$ (onde o denominador é zero) e nivela em direção à assíntota horizontal 水平渐近线 $y = c$. Deslize $b$ e $c$ para mover cada linha.

1.10

Funções Racionais e Buracos

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.10.A: Determinar buracos em gráficos de funções racionais.

  • 1.10.A.1 Se a multiplicidade de um zero real no numerador for maior ou igual à sua multiplicidade no denominador, então o gráfico da função racional possui um buraco no valor de entrada correspondente.
  • 1.10.A.2 Se o gráfico de uma função racional $r$ tem um buraco em $x = c$, então a localização do buraco pode ser determinada examinando os valores de saída correspondentes a valores de entrada suficientemente próximos de $c$. Se valores de entrada suficientemente próximos de $c$ correspondem a valores de saída arbitrariamente próximos de $L$, então o buraco está localizado no ponto com coordenadas $(c, L)$. A notação matemática correspondente é $\lim_{x \to c} r(x) = L$. Deve-se notar que $\lim_{x \to c^-} r(x) = \lim_{x \to c^+} r(x) = \lim_{x \to c} r(x) = L$.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um buraco (ponto removível) ocorre em $x=c$ quando um fator se cancela – a multiplicidade da raiz $c$ no numerador é pelo menos igual à multiplicidade no denominador. O gráfico carece de um único ponto. Sua altura é o limite da função simplificada: se entradas próximas a $c$ geram saídas próximas a $L$, o buraco está em $(c,L)$, e $\lim_{x\to c}r(x)=L$.

Exemplo resolvido. Encontre todos os recursos principais de $r(x)=\dfrac{x^2-4}{x^2-x-2}$. Fatore primeiro:

$$r(x)=\frac{(x-2)(x+2)}{(x-2)(x+1)}=\frac{x+2}{x+1}\quad (x\neq 2).$$
  • Buraco em $x=2$: o fator $(x-2)$ se cancela. Sua altura vem da forma simplificada, $\tfrac{2+2}{2+1}=\tfrac43$, logo o buraco está em $\left(2,\tfrac43\right)$.
  • Assíntota vertical $x=-1$: uma raiz do denominador que não se cancela.
  • Raiz em $x=-2$, logo a interseção no eixo $x$ é $(-2,0)$.
  • Assíntota horizontal $y=1$: graus iguais, coeficientes dominantes $\tfrac11$.

Um erro comum é chamar $x=2$ de assíntota vertical porque anula o denominador original; verifique primeiro se o fator se cancela.

Explorar

A função simplificada é apenas uma reta — com um ponto removido

y = ax + b

Esta é a forma simplificada de (x²−1)/(x−1). O gráfico é a reta y = x + 1, mas a função real tem um buraco em x = 1 onde a original era indefinida.

1.11

Representações Equivalentes de Expressões Polinomiais e Racionais

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.11.A: Reescrever expressões polinomiais e racionais em formas equivalentes.

  • 1.11.A.1 Como a forma fatorada de um polinômio ou função racional fornece prontamente informações sobre zeros reais, ela pode revelar informações sobre interceptações $x$, assíntotas, buracos, domínio e intervalo.
  • 1.11.A.2 A forma padrão de um polinômio ou função racional pode revelar informações sobre os comportamentos nos extremos da função.
  • 1.11.A.3 As informações extraídas de diferentes representações analíticas do mesmo polinômio ou função racional podem ser usadas para responder a questões em contexto.

Objetivo de Aprendizagem 1.11.B: Determinar o quociente de duas funções polinomiais usando divisão longa.

  • 1.11.B.1 A divisão longa de polinômios é um processo algébrico semelhante à divisão longa numérica, envolvendo um quociente e um resto. Se o polinômio $f$ é dividido pelo polinômio $g$, então $f$ pode ser reescrito como $f(x) = g(x)q(x) + r(x)$, onde $q$ é o quociente, $r$ é o resto, e o grau de $r$ é menor que o grau de $g$.
  • 1.11.B.2 O resultado da divisão longa de polinômios é útil para encontrar equações de assíntotas oblíquas para gráficos de funções racionais.

Objetivo de Aprendizagem 1.11.C: Reescrever o produto repetido de binômios usando o teorema do binômio.

  • 1.11.C.1 O teorema do binômio utiliza as entradas de uma única linha do Triângulo de Pascal para expandir mais facilmente expressões da forma $(a + b)^n$, incluindo funções polinomiais da forma $p(x) = (x + c)^n$, onde $c$ é uma constante.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

A mesma expressão, escrita de forma diferente, revela diferentes características:

Gráfico de y = x + 2 + 3/(x + 1) aproximando-se da assíntota oblíqua y = x + 2, com uma assíntota vertical em x = -1
A divisão polinomial revela a assíntota oblíqua.
  • A forma fatorada mostra zeros reais, e consequentemente interceptações $x$, buracos, assíntotas verticais e domínio.
  • Forma padrão (expandida) mostra o grau e o termo líder, e consequentemente o comportamento extremo.

Divisão longa de polinômios reescreve $f(x)=g(x)\,q(x)+r(x)$, onde $q$ é o quociente e $r$ é o restante (de grau menor que $g$). O quociente fornece a equação de uma assíntota oblíqua quando o grau do numerador é uma unidade maior que o do denominador.

Exemplo resolvido. Divida: $x^2+3x+5=(x+1)(x+2)+3$, resultando em

$$\frac{x^2+3x+5}{x+1}=x+2+\frac{3}{x+1}.$$

Quando $x\to\pm\infty$, o termo restante $\tfrac{3}{x+1}$ tende a $0$, logo o gráfico aproxima-se da assíntota oblíqua $y=x+2$.

O teorema binomial. Desenvolver $(a+b)^n$ termo a termo é demorado. O teorema binomial usa a linha $n$ do triângulo de Pascal para obter os coeficientes. Cada elemento é a soma dos dois elementos acima dele:

$n$ coeficientes
2 1, 2, 1
3 1, 3, 3, 1
4 1, 4, 6, 4, 1
5 1, 5, 10, 10, 5, 1

As potências de $a$ diminuem de $n$ para 0 enquanto as potências de $b$ aumentam de 0 para $n$.

Exemplo resolvido. Desenvolva $(x+2)^4$. Use a linha 4:

$$(x+2)^4=x^4+4x^3(2)+6x^2(2)^2+4x(2)^3+2^4=x^4+8x^3+24x^2+32x+16$$

Para $(2x-1)^3$, mantenha os parênteses em cada termo: $(2x)^3+3(2x)^2(-1)+3(2x)(-1)^2+(-1)^3=8x^3-12x^2+6x-1$.

Vocabulário Treinar
English Português
slant asymptote/slænt ˈæsɪmptəʊt/ assíntota oblíqua
horizontal asymptote/ˌhɒrɪˈzɒntl ˈæsɪmptəʊt/ assíntota horizontal
vertical asymptote/ˈvɜːtɪkl ˈæsɪmptəʊt/ Assíntota vertical
hole/həʊl/ Buraco
Polynomial long division/ˌpɒlɪˈnəʊmɪəl lɒŋ dɪˈvɪʒn/ Divisão longa de polinômios
quotient/ˈkwəʊʃənt/ Quociente
remainder/rɪˈmeɪndə/ Resto
binomial theorem/baɪˈnəʊmɪəl ˈθɪərəm/ teorema do binômio
Pascal's triangle triângulo de Pascal
1.12

Transformações de Funções

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.12.A: Construir uma função que seja uma transformação aditiva e/ou multiplicativa de outra função.

  • 1.12.A.1 A função $g(x) = f(x) + k$ é uma transformação aditiva da função $f$ que resulta em uma translação vertical do gráfico de $f$ por $k$ unidades.
  • 1.12.A.2 A função $g(x) = f(x + h)$ é uma transformação aditiva da função $f$ que resulta em uma translação horizontal do gráfico de $f$ por $-h$ unidades.
  • 1.12.A.3 A função $g(x) = a f(x)$, onde $a \neq 0$, é uma transformação multiplicativa da função $f$ que resulta em uma dilatação vertical do gráfico de $f$ por um fator de $|a|$. Se $a < 0$, a transformação envolve uma reflexão sobre o eixo $x$.
  • 1.12.A.4 A função $g(x) = f(bx)$, onde $b \neq 0$, é uma transformação multiplicativa da função $f$ que resulta em uma dilatação horizontal do gráfico de $f$ por um fator de $\left| \dfrac{1}{b} \right|$. Se $b < 0$, a transformação envolve uma reflexão sobre o eixo $y$.
  • 1.12.A.5 Transformações aditivas e multiplicativas podem ser combinadas, resultando em combinações de translações horizontais e verticais e dilatações.
  • 1.12.A.6 O domínio e a imagem de uma função que é uma transformação de uma função pai podem ser diferentes daqueles da função pai.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Transformações de gráficos

Uma transformação constrói uma nova função a partir de uma antiga $f$:

  • Translações (deslocamentos): $f(x)+k$ move para cima/baixo; $f(x-h)$ move para direita/esquerda.
  • Dilatações (alongamentos): $a\,f(x)$ alonga verticalmente por um fator de $|a|$; $f(bx)$ alonga horizontalmente por um fator de $\tfrac{1}{|b|}$ (logo $f(2x)$ comprime o gráfico a metade de sua largura).
  • Reflexões: $-f(x)$ inverte sobre o eixo $x$; $f(-x)$ inverte sobre o eixo $y$.
Adicionar à saída ou à entrada desloca a curva; um multiplicador a alonga
Adicionar à saída ou à entrada desloca a curva; um multiplicador a alonga

Combine deslocamentos aditivos e alongamentos multiplicativos para modelar versões deslocadas e escaladas de uma forma conhecida.

Transformando a parábola pai: deslocamento, alongamento e reflexão
Transformando a parábola pai: deslocamento, alongamento e reflexão
Explorar

Explore translações, dilatações e reflexões

Escolha transladar, refletir, rotacionar ou ampliar e altere a quantidade. Observe quais características permanecem iguais — uma transformação 变换 move todo o gráfico sem alterar sua regra subjacente.

Vocabulário Treinar
English Português
transformation/trænsfɔːˈmeɪʃn/ Transformação
Translations/trænˈsleɪʃnz/ Translações
Dilations/daɪˈleɪʃnz/ Dilações
Reflections/rɪˈflekʃnz/ Reflexões
1.13

Seleção de Modelo de Função e Articulação de Suposições

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.13.A: Identificar um tipo de função adequado para construir um modelo de função para um cenário dado.

  • 1.13.A.1 Funções lineares modelam conjuntos de dados ou aspectos de cenários contextuais que demonstram taxas de variação aproximadamente constantes.
  • 1.13.A.2 Funções quadráticas modelam conjuntos de dados ou aspectos de cenários contextuais que demonstram taxas de variação aproximadamente lineares, ou conjuntos de dados que são aproximadamente simétricos com um valor máximo ou mínimo único.
  • 1.13.A.3 Contextos geométricos envolvendo área ou duas dimensões podem frequentemente ser modelados por funções quadráticas. Contextos geométricos envolvendo volume ou três dimensões podem frequentemente ser modelados por funções cúbicas.
  • 1.13.A.4 Funções polinomiais modelam conjuntos de dados ou cenários contextuais com múltiplos zeros reais ou múltiplos máximos ou mínimos.
  • 1.13.A.5 Uma função polinomial de grau $n$ modela conjuntos de dados ou cenários contextuais que demonstram diferenças de ordem $n$ aproximadamente constantes e não nulas.
  • 1.13.A.6 Uma função polinomial de grau $n$ ou menos pode ser usada para modelar um gráfico de $n + 1$ pontos com valores de entrada distintos.
  • 1.13.A.7 Uma função definida por partes consiste em um conjunto de funções definidas sobre intervalos de domínio não sobrepostos e é útil para modelar um conjunto de dados ou cenário contextual que demonstra características diferentes em diferentes intervalos.

Objetivo de Aprendizagem 1.13.B: Descrever suposições e restrições relacionadas à construção de um modelo de função.

  • 1.13.B.1 Um modelo pode ter suposições subjacentes sobre o que é consistente no modelo.
  • 1.13.B.2 Um modelo pode ter suposições subjacentes sobre como as quantidades mudam juntas.
  • 1.13.B.3 Um modelo pode exigir restrições de domínio baseadas em pistas matemáticas, pistas contextuais ou valores extremos no conjunto de dados.
  • 1.13.B.4 Um modelo pode exigir restrições de imagem, como arredondamento de valores, baseadas em pistas matemáticas, pistas contextuais ou valores extremos no conjunto de dados.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Escolher um modelo significa associar um tipo de função à variação de uma quantidade. Um modelo linear ajusta-se a uma taxa de mudança constante; um quadrático, a uma segunda diferença constante; um polinomial, a dados com várias curvas. Em contextos geométricos, o número de dimensões é uma forte pista: quantidades relacionadas à área (duas dimensões) são tipicamente quadráticas, e quantidades relacionadas ao volume (três dimensões) são tipicamente cúbicas — por exemplo, o volume de uma caixa em função do comprimento de um corte. Enuncie as suposições nas quais seu modelo se baseia (por exemplo, que o padrão continua), pois um modelo só é válido onde essas suposições se mantêm.

1.14

Construção e Aplicação de Modelos de Função

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.14.A: Construir um modelo linear, quadrático, cúbico, quártico, polinomial de grau $n$, ou função definida por partes relacionada.

  • 1.14.A.1 Um modelo pode ser construído com base em restrições identificadas em um cenário matemático ou contextual.
  • 1.14.A.2 Um modelo de um conjunto de dados ou cenário contextual pode ser construído usando transformações da função pai.
  • 1.14.A.3 Um modelo de um conjunto de dados pode ser construído usando tecnologia e regressões, incluindo regressões lineares, quadráticas, cúbicas e quárticas.
  • 1.14.A.4 Um modelo de função definida por partes pode ser construído através de uma combinação de técnicas de modelagem.

Objetivo de Aprendizagem 1.14.B: Construir um modelo de função racional baseado em um contexto.

  • 1.14.B.1 Conjuntos de dados e aspectos de cenários contextuais envolvendo quantidades que são inversamente proporcionais podem frequentemente ser modelados por funções racionais. Por exemplo, as magnitudes tanto da força gravitacional quanto da força eletromagnética entre objetos são inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre os objetos.

Objetivo de Aprendizagem 1.14.C: Aplicar um modelo de função para responder a perguntas sobre um conjunto de dados ou cenário contextual.

  • 1.14.C.1 Um modelo pode ser usado para tirar conclusões sobre o conjunto de dados ou cenário contextual modelado, incluindo responder a perguntas principais e prever valores, taxas de variação, taxas de variação médias e taxas de variação changeantes. Unidades de medida apropriadas devem ser extraídas ou inferidas do contexto fornecido.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Para construir um modelo, use características dadas – pontos, interseções, zeros com multiplicidades, comportamento extremo – para escrever a função, depois use-a para responder perguntas no contexto. Sempre verifique a resposta contra o domínio que faz sentido para a situação, e interprete as saídas com suas unidades reais.

Uma função definida por partes usa regras diferentes sobre intervalos não sobrepostos do domínio. Para avaliá-la, selecione o ramo cujo intervalo contém a entrada. Por exemplo,

$$f(x)=\begin{cases} x^2, & x<0\\ 2x, & x\ge 0\end{cases}$$
fornece $f(-3)=9$ do primeiro ramo, mas $f(3)=6$ do segundo – útil quando o comportamento muda em um limiar (um preço escalonado, um limite de velocidade que muda).

Um polinômio de grau $n$ ou menor pode passar por quaisquer $n+1$ pontos com valores de entrada distintos, então três pontos de dados determinam uma função quadrática.

Exemplo resolvido: um modelo quadrático a partir de três pontos de dados

Isto segue o padrão de resposta livre do AP. O total de reproduções de uma música, em milhares, é 0 no lançamento ($t=0$), 36 após 2 meses e 56 após 4 meses. O modelo é $D(t)=at^2+bt+c$.

(a) Três equações. Substitua cada ponto de dados:

$$D(0)=c=0$$
$$D(2)=4a+2b+c=36$$
$$D(4)=16a+4b+c=56$$

(b) Resolva. Com $c=0$: $4a+2b=36$ e $16a+4b=56$. Dobrando a primeira, obtemos $8a+4b=72$. Subtraindo, $8a=-16$, portanto $a=-2$ e depois $b=22$. O modelo é $D(t)=-2t^2+22t$.

(c) Taxa média de variação e uma estimativa pela secante. De $t=0$ a $t=4$:

$$\frac{D(4)-D(0)}{4-0}=\frac{56-0}{4}=14\text{ thousand plays per month}$$

A reta secante é $A(t)=0+14t$, então a estimativa para $t=1.5$ é de $A(1.5)=21$ mil reproduções. O modelo fornece $D(1.5)=-2(2.25)+33=28.5$.

Uma parábola com concavidade para baixo fica acima de sua reta secante, então a secante subestima; o máximo marca o fim do domínio
Em $0<t<4$, o gráfico de D com concavidade para baixo fica acima de sua reta secante, então toda estimativa pela secante é baixa demais. O máximo do modelo marca onde ele deixa de fazer sentido.

(d) Por que a estimativa é baixa demais. $D$ tem concavidade para baixo ($a<0$), então em $0<t<4$ seu gráfico fica acima da reta secante que passa por $(0,0)$ e $(4,56)$. Toda estimativa pela secante nesse intervalo fica abaixo do modelo: $A(t)<D(t)$. Para um modelo com concavidade para cima, a secante fica acima do gráfico e as estimativas são altas demais.

(e) Uma restrição de domínio. O vértice está em $t=-\dfrac{b}{2a}=\dfrac{22}{4}=5.5$, onde o valor é $D(5.5)=60.5$ mil. O total de reproduções nunca pode diminuir, mas o modelo diminui após $t=5.5$. Portanto, o modelo só pode ser aplicado para $0\le t\le5.5$: seu máximo determina o limite de um domínio coerente.

1.14

Dicas de prova

  • Leia uma função através de sua taxa de variação: taxa média = inclinação da secante; uma taxa constante significa linear, uma taxa variando linearmente significa quadrática.
  • Fatore um polinômio para encontrar zeros (interseções no eixo-x) e sua multiplicidade; multiplicidade par toca, ímpar cruza o eixo.
  • O comportamento extremo é definido pelo termo líder; as assíntotas de uma função racional vêm dos graus do topo e da base.
  • Construa modelos a partir de características-chave (pontos, zeros, comportamento extremo) e declare suas suposições.
  • Descreva transformações com precisão: desloque $f(x-h)+k$, alongue $af(bx)$, reflita $-f(x)$ / $f(-x)$.

Erros comuns.

  • Dizer que uma função tem concavidade para cima porque é crescente. A concavidade diz respeito a se a taxa de variação aumenta.
  • Explicar a concavidade a partir de uma tabela sem mencionar as variações dos valores de saída em intervalos iguais de entrada.
  • Chamar todo zero do denominador original de assíntota vertical. Primeiro, fatore e cancele os fatores comuns: só há um furo se nenhum fator correspondente àquele zero permanecer no denominador.
  • Escrever $\lim_{x\to\infty}r(x)$ como um número para uma função racional cujo numerador tem grau maior. O resultado é $\infty$ ou $-\infty$.
  • Omitir o sinal ou o coeficiente dentro de um binômio: em $(2x-1)^3$, todos os termos usam $(2x)$ e $(-1)$.
  • Usar um modelo fora de seu domínio coerente, por exemplo, após um máximo quando a quantidade não pode diminuir.

Pratique.

  1. Os valores de $f$ são $5, 8, 13, 20, 29$ em $x=0,1,2,3,4$. (a) Um modelo linear ou quadrático é mais adequado? Justifique usando a tabela. (b) O gráfico tem concavidade para cima ou para baixo? (c) Encontre a função quadrática que passa por esses pontos.
  2. O valor de um carro, em milhares de dólares, é 24 quando novo ($t=0$), 16 após 2 anos e 10 após 4 anos. Ele é modelado por $V(t)=at^2+bt+c$. (a) Escreva três equações para $a$, $b$ e $c$. (b) Resolva-as. (c) Encontre a taxa média de variação de $t=0$ a $t=4$. (d) Use-a para estimar o valor em $t=1$ e compare-o com $V(1)$. Explique por que a estimativa pela secante é alta ou baixa demais para $0<t<4$. (e) Explique como o mínimo do modelo limita seu domínio.
  3. Para $r(x)=\dfrac{x^2-9}{x^2-2x-3}$, encontre os furos, as assíntotas verticais, os zeros e a assíntota horizontal, se existirem. Depois, resolva $r(x)=2$.
  4. Desenvolva $(x-3)^4$.
  5. Escreva o comportamento nos extremos usando a notação de limites: (a) $p(x)=-2x^5+x^2$; (b) $q(x)=\dfrac{4x-1}{2x+5}$.
  6. Uma função cúbica $p$ tem um zero de multiplicidade 2 em $x=1$, um zero em $x=-2$ e $p(0)=4$. Encontre $p(x)$.
  7. Resolva $\dfrac{x+3}{x-1}<0$.

Respostas.

  1. (a) Quadrático: as primeiras diferenças 3, 5, 7, 9 não são constantes, mas as segundas diferenças são todas iguais a 2. (b) Concavidade para cima: os valores de saída aumentam em quantidades crescentes para incrementos iguais. (c) $c=5$; $a+b=3$ e $4a+2b=8$ resultam em $a=1$, $b=2$: $f(x)=x^2+2x+5$.
  2. (a) $c=24$; $4a+2b+c=16$; $16a+4b+c=10$. (b) $4a+2b=-8$ e $16a+4b=-14$ resultam em $8a=2$: $a=0.25$, $b=-4.5$, $c=24$. (c) $\dfrac{10-24}{4}=-3.5$ mil dólares por ano. (d) $A(1)=24-3.5=20.5$; $V(1)=0.25-4.5+24=19.75$. $V$ tem concavidade para cima ($a>0$), portanto seu gráfico fica abaixo da secante em $0<t<4$ e a estimativa pela secante é alta demais. (e) O vértice está em $t=\dfrac{4.5}{0.5}=9$. Depois disso, o valor do modelo aumenta, o que não corresponde a um carro que envelhece; portanto, o modelo se aplica apenas para $0\le t\le9$.
  3. $r(x)=\dfrac{(x-3)(x+3)}{(x-3)(x+1)}=\dfrac{x+3}{x+1}$ para $x\ne3$. Furo em $\left(3,\tfrac{6}{4}\right)=(3,1.5)$; assíntota vertical $x=-1$; zero $x=-3$; assíntota horizontal $y=1$. $\dfrac{x+3}{x+1}=2$ resulta em $x+3=2x+2$, portanto $x=1$ (permitido, pois $x\ne3,-1$).
  4. A linha 4 é 1, 4, 6, 4, 1: $x^4-12x^3+54x^2-108x+81$.
  5. (a) $\displaystyle\lim_{x\to\infty}p(x)=-\infty$ e $\displaystyle\lim_{x\to-\infty}p(x)=\infty$. (b) $\displaystyle\lim_{x\to\pm\infty}q(x)=\tfrac42=2$.
  6. $p(x)=a(x-1)^2(x+2)$ e $p(0)=2a=4$, portanto $a=2$: $p(x)=2(x-1)^2(x+2)$.
  7. O sinal muda em $x=-3$ e $x=1$; ao testar $x=0$, obtemos $\tfrac{3}{-1}<0$. Solução: $-3<x<1$.

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