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C.12 · Taxas relacionadas e limites quocientes removíveis

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Tópico 30

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Escopo e pré-requisitos

Preparação de graduação para o GRE. Objetivos locais dentro do escopo revisado do ETS; este é ensino original, não um teste oficial ou preditor de nota.

Pré-requisitos: Regra da cadeia, secções transversais circulares e limites.

  • Traduzir uma taxa geométrica em uma derivada da quantidade relevante
  • Derivar e diferenciar uma fórmula de volume de calota esférica
  • Separar a extensão contínua de quociente da extensão diferenciável

taxa relacionada: Uma taxa obtida pela diferenciação da relação entre quantidades variáveis.

limite removível: Um limite finito próximo usado para preencher um valor funcional ausente de forma contínua.

Vocabulário Treinar
English Português
related rate/rɪˈleɪtɪd reɪt/ taxa relacionada
removable limit/rɪˈmuːvəbl ˈlɪmɪt/ limite removível
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Escolher e justificar um método

Para uma quantidade V dependendo de uma profundidade variável h(t), a regra da cadeia fornece dV/dt=V′(h) dh/dt. Um tanque esvaziando tem dh/dt<0, logo a taxa de volume com sinal é negativa; a magnitude do fluxo de saída é o seu negativo. Desenhe a geometria e nomeie a profundidade instantânea antes de substituir os números. Não trate a taxa como um volume estático dividido pelo tempo decorrido, a menos que a situação especifique explicitamente uma taxa média constante.

Um tanque esférico de raio R tem seção transversal de raio quadrado R²−(R−h)²=2Rh−h² na profundidade h a partir do fundo. Integrando essas áreas circulares, obtém-se o volume do cap V(h)=π(Rh²−h³/3), para 0≤h≤2R. Sua derivada π(2Rh−h²) é a área da seção transversal atual. Em R=3, h=1, dh/dt=−1/4, a taxa de volume assinada é −5π/4 e a magnitude do fluxo de saída é 5π/4. A fórmula funciona tanto para caps rasos quanto profundos dentro da faixa especificada.

Se f e g são diferenciáveis continuamente perto de zero, f(0)=g(0)=0 e g′(0)≠0, então f(x)/g(x) tende a f′(0)/g′(0). Isso decorre de f(x)=f′(0)x+o(x) e g(x)=g′(0)x+o(x); a continuidade de g′ mantém o quociente definido próximo, exceto em zero. Preencher esse limite proporciona uma extensão contínua. O argumento não exige que f′(0) seja não nulo, nem prova que o quociente estendido é diferenciável.

Para f(x)=x|x| e g(x)=x, ambos são diferenciáveis continuamente, f(0)=g(0)=0 e g′(0)=1. Seu quociente para x≠0 é |x|, que se estende continuamente em zero, mas possui derivadas laterais desiguais ali. Para (f²−f)/(2g−g³), fatoramos como (f/g)(f−1)/(2−g²); seu limite removível é −f′(0)/(2g′(0)). Fatores adicionais tendem a −1 e 2. Distinga o limite do quociente da derivada de sua extensão.

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Raciocínio resolvido

Para uma esfera com R=3 e profundidade h=1, a área da seção transversal é π(6−1)=5π. Uma diminuição de profundidade de 1/4 por unidade de tempo remove volume na magnitude de 5π/4 por unidade de tempo. Para f(x)=sin(2x), g(x)=3x, o quociente se estende em zero com valor 2/3. Esse limite não diz nada sobre o tamanho de um tanque e não deve ser substituído como taxa de derivada sem identificar as quantidades dependentes.

Esquerda: uma esfera de raio 3 cortada 1 unidade acima de seu ponto mais baixo. Direita: x|x|/x, com a lacuna em 0 preenchida
A seção transversal em h = 1 tem raio² = 9 − 2² = 5, logo área 5π
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Condições e contraexemplos

Use a área da seção transversal instantânea, não a área total da superfície do tanque. Relate uma variação de volume com sinal ou um fluxo de saída positivo conforme solicitado. Um limite de quociente removível finito estabelece continuidade, não diferenciabilidade do quociente preenchido.

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Aplicação guiada

Um tanque esférico tem raio 2 m e profundidade de água h medida a partir de sua base. Derive V(h). Em h=1 m e $dh/dt=-0.1\ \mathrm{m/min}$, encontre a variação de volume com sinal e a magnitude do fluxo de saída.

Solução resolvida

Na profundidade s, o raio da seção transversal obedece $r(s)^2=2Rs-s^2$. Integrando discos, obtém-se $V(h)=\pi(Rh^2-h^3/3)$ para $0\le h\le2R$.

$$\frac{dV}{dt}=\pi(2Rh-h^2)\frac{dh}{dt}.$$
$$\frac{dV}{dt}=\pi[2(2\ \mathrm m)(1\ \mathrm m)-(1\ \mathrm m)^2](-0.1\ \mathrm{m/min})=-0.3\pi\ \mathrm{m^3/min}.$$
A magnitude do fluxo de saída é $0.3\pi\ \mathrm{m^3/min}$. O sinal descreve a perda de água armazenada, não um fluxo de saída fisicamente negativo.

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Transferência independente

Suponha que f,g sejam diferenciáveis continuamente perto de zero, $f(0)=g(0)=0$, $f'(0)=4$, $g'(0)=2$. Encontre o limite removível de $(f^2-f)/(2g-g^3)$. Essas suposições implicam a diferenciabilidade do quociente estendido? Forneça um contraexemplo para essa implicação geral.

Verificar após tentar

Como g'(0) é não nulo, o denominador é não nulo perto de zero, exceto em zero. Fatore a expressão como $(f/g)(f-1)/(2-g^2)$. Seu limite é $(4/2)(-1)/2=-1$. A diferenciabilidade de primeira ordem fornece $f/g\to f'(0)/g'(0)$; ela não oferece controle de segunda ordem. Para um contraexemplo que preserva essas derivadas, tome $f(x)=4x+x|x|$ e $g(x)=2x$. São diferenciáveis continuamente. Para x não nulo, o quociente torna-se $(2+|x|/2)(-1+4x+x|x|)/(2-4x^2)$. Sua expansão é $-1+4x-|x|/4+O(x^2)$, resultando em derivadas laterais diferentes. Assim, a extensão é contínua, mas não diferenciável.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

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