Page 1

Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

49

CAPÍTULO III Sequência ou sucessão numérica 1. Definição Uma sequência pode ser pensada como uma lista de números escritos em uma ordem definida: a1, a2, a3, a4, ..., an, ... O número a1 é chamado primeiro termo, a2 é o segundo termo e, em geral, an é o n-ésimo termo. Podemos lidar exclusivamente com sequências infinitas e, assim, cada an terá um sucessor an + 1. Note que, para cada inteiro positivo n, existe um número correspondente an e, dessa forma, uma sequência pode ser definida como uma função cujo domínio é o conjunto dos inteiros positivos. Mas geralmente escrevemos an em vez da notação de função f(n) para o valor da função no número n. NOTAÇÃO: A sequência {a1, a2, a3, ...} é também denotada por: {an}

ou

{a n }n = 1

Vejamos alguns exemplos:

Exemplo 1: Algumas sequências podem ser definidas dando uma fórmula para o n-ésimo termo. Nos exemplos a seguir, damos três descrições da sequência: uma usando a notação anterior, outra

empregando a fórmula da definição e uma terceira escrevendo os termos da sequência. Note que n não precisa começar em 1. ∞

 n  a)    n + 1 n = 1

an = ∞

 ( − 1) n (n + 1)  b)   3n  n = 1 c)

{

n −3

}

n=3

n n+1

( − 1)n (n + 1) an = 3n

 2 3 4 5 ( − 1)n (n + 1)  , ..., , ... − , , − , 27 81 3n  3 9 

a n = n − 3, n ≥ 3

nπ   d) cos  6 n = 0 

n 1 2 3 4  , ...  , , , , ..., n+1  2 3 4 5

a n = cos

nπ ,n ≥ 0 6

{0, 1,

}

2, 3, ..., n − 3, ...

 3 1 nπ  , , 0, ..., cos , ... 1, 2 2 6  


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

50

4 5 6 7 3  Exemplo 2: Ache uma fórmula para o termo geral an da sequência  , − , , − , , ... 625 3 125   5 25 125 assumindo que o padrão dos primeiros termos continue.

Resolução: Nos é dado que: a1 =

3 5

a2 = −

4 25

a3 =

5 125

a4 = −

6 625

a5 =

7 3 125

Observe que os numeradores dessas frações começam com 3 e são incrementados por 1 à medida que avançamos para o próximo termo. O segundo termo tem numerador 4; o terceiro, numerador 5; generalizando, o n-ésimo termo terá numerador n + 2. Os denominadores são potências de 5, logo an tem denominador 5n. Os sinais dos termos alternam entre positivo e negativo, assim precisamos multiplicar por uma potência de –1. No exemplo 1(b) o fator (–1)n significa que começamos com um termo negativo. Neste exemplo, queremos começar com um termo positivo e assim usamos (–1)n – 1 ou (–1)n + 1. Portanto,

a n = ( − 1) n −1

n+2 5n

Exemplo 3: Vejamos algumas sequências que não tem uma equação de definição simples. a) A sequência {pn}, onde pn é a população do mundo no dia 1º de janeiro do ano n. b) Se fizermos an ser o dígito da n-ésima cada decimal do e, então {na} é uma sequência bem definida cujos primeiros termos são {7, 1, 8, 2, 8, 1, 8, 2, 8, 4, 5, ...} c) A sequência de Fibonacci {fn} é definida recursivamente pelas condições: f1 = 1, f2 = 1,

fn = fn – 1 + fn – 2, com n ≥ 3. Cada termo é a soma dos dois termos precedentes. Os primeiros termos são: {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ...} Essa sequência surgiu quando o matemático italiano conhecido como Fibonacci resolveu, no século XIII, um problema envolvendo a reprodução de coelhos.

Quando a sequência não possuir lei de formação, denota-se por sequência “randômica” (aleatório).


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

51

2. Limite de uma sequência O limite de uma sequência é um dos conceitos mais antigos de análise matemática. A mesma dá uma definição rigorosa à ideia de uma sequência que converge até um ponto chamado limite. De forma intuitiva, supondo que se tem uma sequência de pontos (por exemplo, um conjunto infinito de pontos numerados utilizando os números naturais) em algum tipo de objeto matemático (por exemplo, os números reais ou um espaço vetorial) que admite o conceito de vizinhança (no sentido de “todos os pontos dentro de uma certa distância de um dado ponto fixo”). Um ponto L é o limite da sequência se para toda a vizinhança que se defina, todos os pontos da sequência (com a possível exceção de um número finito de pontos) estão próximos a L. Isto pode ser interpretado como se houvesse um conjunto de esferas de tamanhos decrescentes até zero, todas centradas em L, e para qualquer destas esferas, só existiria um número finito de números fora dela. A sequência a n =

n pode ser desenhada plotando-se seus termos em uma reta, como na n+1

figura 1, ou plotando-se seu gráfico, como na figura 2. Note que, como uma sequência é uma função cujo domínio é o conjunto dos inteiros positivos, seu gráfico consiste em pontos isolados com coordenadas: (1, a1)

(2, a2)

(3, a3)

...

(n, an)

...

Figura 1 – Plotagem dos termos de uma sequência em uma reta

Figura 1 – Plotagem dos termos de uma sequência no plano cartesiano


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

Observando as figuras 1 e 2, é possível notar que os termos da sequência a n =

52

n estão ser n+1

aproximando de 1 quando n se torna grande. De fato, a diferença: n n+1 1 1 = − = 1− n+1 n+1 n+1 n+1 pode ser tão pequena quanto se desejar tomando-se n suficientemente grande. Indicamos isso escrevendo: n =1 n →∞ n + 1 lim

Em geral, a notação lim a n = L , significa que os termos da sequência {an} aproxima-se de L n →∞

quando n torna-se grande. Note que a seguinte definição precisa do limite de uma sequência é muito parecida com a definição de um limite de uma função no infinito.

Definição 1: Uma sequência {an} tem o limite L e escrevemos lim a n = L

n →∞

ou

a n → L quando n → ∞

se podemos fazer os termos an tão perto de L quanto se queira ao se fazer n suficientemente grande. Se lim a n existir, dizemos que a sequência converge (ou é convergente). Caso contrário, dizemos que a n →∞

sequência diverge (ou é divergente). A figura 3 ilustra a definição 1 mostrando os gráficos de duas sequências que têm limite L.

Figura 3. Gráfico de duas sequências com lim an = L n →∞


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

53

Uma versão mais precisa da definição 1 é a seguinte:

Definição 2: Uma sequência {an} tem o limite L e escrevemos lim a n = L ou a n → L quando n → ∞

n →∞

se para cada ε > 0 existir um correspondente inteiro N tal que

a n − L < ε sempre que n > N.

A definição 2 é ilustrada pela figura 4, na qual os termos a1, a2, a3, ... são plotados em uma reta. Não importa quão pequeno um intervalo (L – ε , L + ε ) seja escolhido, existe um N tal que todos os termos da sequência de aN + 1 em diante devem estar naquele intervalo.

Figura 4. Definição 2

Outra ilustração da definição 2 é dada na figura 5. Os pontos no gráfico de {an} devem estar entre as retas horizontais y = L + ε e y = L – ε se n > N. Esse desenho deve ser válido não importa quão pequeno ε seja escolhido, mas geralmente ε menor requer N maior.

Figura 5. Definição 2

Se an se tornar grande n se tornar grande, usaremos a notação lim a n = ∞ . Temos: n →∞

Definição: lim a n = ∞ significa que para cada número positivo M existe um inteiro N tal que an > N n →∞

sempre que n > M. Se lim a n = ∞ , então a sequência {an} é divergente. Dizemos que {an} diverge para ∞ . n →∞


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

54

3. Propriedades sobre limites de sequência Se {an} e {bn} forem sequências convergentes e c for uma constante, então:

lim ( a n ± b n ) = lim a n ± lim b n

lim ca n = cilim a n

lim c = c

lim ( a n b n ) = lim a n i lim b n

lim a n a lim n = n →∞ n →∞ b lim b n n

lim a pn = lim a n

n →∞

n →∞

n →∞

n →∞

n →∞

n →∞

n →∞

n →∞

n →∞

(

n →∞

n →∞

O Teorema do Confronto também pode ser adaptado para sequências. Se an ≤ bn ≤ cn para n ≥ n0 e lim a n = lim b n = L , então lim b n = L . n →∞

n →∞

n →∞

Figura 6. Teorema do Confronto

As sequências {bn} está entre as sequências {an} e {cn}. Outro fato útil sobre limites de sequências é dado pelo seguinte teorema.

lim a n = 0, então lim a n = 0

n →∞

n →∞

Vejamos alguns exemplos:

)

n →∞

p

se p > 0 e an > 0


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

Exemplo 1: Verifique se a sequência a n =

55

n é convergente ou divergente. Se ela convergir, n+1

encontre o limite.

Resolução: Dividimos o numerador e o denominador pela maior potência de n e usando as propriedades dos limites temos: lim1 n 1 1 n →∞ = lim = = =1 n →∞ n + 1 n →∞ 1 1 1 + 0 1+ lim1 + lim n →∞ n →∞ n n n Portanto, a sequência a n = é convergente e converge para 1. n+1

lim an = lim

Exemplo 2: Verifique se a sequência a n =

3n 2 − n − 2 é convergente ou divergente. Se ela 8n 2 + 4n + 1

convergir, encontre o limite.

Resolução: Dividimos o numerador e o denominador pela maior potência de n e usando as propriedades dos limites temos: 1 2   1 2 n2  3 − − 2  lim 3 − lim − lim 2 3n − n − 2 n n n →∞ n →∞ n →∞   = n n = lim an = lim 2 = lim n →∞ n →∞ 8n + 4n + 1 4 1 4 1   lim 8 + lim + lim 2 n2 8 + + 2 n →∞ n →∞ n n →∞ n n n   3−0 −0 3 = = 8+0+0 8 2

Portanto, a sequência a n =

3n 2 − n − 2 3 é convergente e converge para . 2 8n + 4n + 1 8

4n 3 + 2n − 2 Exemplo 3: Verifique se a sequência a n = é convergente ou divergente. Se ela 2n 2 + 5n + 1 convergir, encontre o limite.

Resolução: Dividimos o numerador e o denominador pela maior potência de n e usando as propriedades dos limites temos:

 n3  4 + 4n + 2n − 2  = lim lim an = lim 2 n →∞ 2n + 5n + 1 n →∞ 2  n3  + n 3

2 2  2 2 −  lim 4 + lim 2 − lim 3 n 2 n3  n →∞ n →∞ n n →∞ n = = 2 5 1 5 1  lim + lim 2 + lim 3 + 3 n →∞ n n →∞ n n →∞ n n2 n 


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

=

56

4 + 0−0 4 = =∞ 0+0+0 0

Portanto, a sequência a n =

4n 3 + 2n − 2 é divergente. 2n 2 + 5n + 1

Exemplo 4: Verifique se a sequência a n =

ln n é convergente ou divergente. n

Resolução: Note que numerador e denominador se aproximam do infinito quando n → ∞ . Não podemos empregar a Regra de L’Hôspital diretamente, porque ela não se aplica a sequências, mas sim a funções de uma variável real. Contudo, podemos usar a Regra de L’Hôspital para a função relacionada f(x) =

ln x . Assim, temos: x

1 ln x 0 lim = lim x = = 0 x →∞ x x →∞ 1 1 ln n = 0. n →∞ n

Portanto, lim

Exemplo 5: Determine quando a sequência an = (–1)n é convergente ou divergente. Resolução: Se escrevemos os termos da sequência, obteremos: {–1, 1, –1, 1, –1, 1, –1, ...} O gráfico dessa sequência é exibido na figura 7. Como os termos oscilam entre 1 e –1 n infinitamente, an não se aproxima de número algum. Então, lim ( −1) não existe; isto é, a sequência n →∞

n

{(–1) } é divergente.

Figura 7. Exemplo de sequência divergente

Exemplo 6: Avalie

( −1) lim n →∞

n

n

se ele existir.


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

Resolução: Temos que

( −1) lim

Assim, temos que

( −1) lim

n →∞

n →∞

n

= lim

n

n →∞

57

1 = 0. n

n

= 0.

n

Figura 8. Exemplo de sequência convergente

Exemplo 7: Para que valores de r a sequência {rn} é convergente? Resolução: Dada a função exponencial f(x) = ax, sabemos que os gráficos das funções exponenciais são crescentes quando a > 1 e decrescentes quando 0 < a < 1. Portanto, temos que:

lim a x = ∞ para a > 1

e

x →∞

lim a x = 0 para 0 < a < 1. x →∞

Fazendo a = r, temos:

∞ se r > 1 lim r n =  0 se 0 < r < 1

n →∞

É óbvio que lim1n = 1 e lim 0n = 0 . n →∞

n →∞

Se –1 < r < 0, então 0 < r < 1, assim: n

lim r n = lim r = 0 n →∞

n →∞

e portanto lim r n = 0. Se r ≤ –1, então {r-n} diverge como no Exemplo 5. A figura 9 mostra os gráficos n →∞

para vários valores de r. (O caso r = –1 é mostrado na figura 7.)


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

Figura 9. A sequência an = rn

Os resultados do Exemplo 7 estão resumidos a seguir: A sequência {rn} é convergente se –1 < r ≤ 1 e divergente para todos os outros valores de r.

0 se − 1 < r < 1 lim r n =  n →∞ 1 se r = 1

Exercícios 60. O que é uma sequência? 61. O que significa dizer que lim a n = 8 ? n →∞

62. O que significa dizer que lim a n = ∞ ? n →∞

63. O que é uma sequência convergente? Dê dois exemplos. 64. O que é uma sequência divergente? Dê dois exemplos. 65. Liste os cinco primeiros itens das sequências abaixo: a) a n = 1 − ( 0,2 ) n+1 b) a n = 3n − 1 c) a n =

3 ( −1)

e) a1 = 3, an + 1 = 2an – 1 f) a1 = 4, an + 1 =

n

n!

d) a n =sen

n

nπ 2

g) an = 3n – 1

an a n −1

58


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

59

66) Encontre uma fórmula para o termo geral an das sequências abaixo, assumindo que o padrão dos primeiros termos continua.

1 1 1 1  a)  , , , , ...  2 4 8 16  1 1 1 1  b)  , , , , ... 2 4 6 8 

c) {2, 7, 12, 17, ...} 3 4  1 2  d) − , , − , , ... 16 25   4 9

2 4 8   e) 1, − , , − , ... 3 9 27   f) {0, 2, 0, 2, 0, 2, ...} g) {6, 11, 16, 21, 26, ...}

67) Determine se as sequências abaixo convergem ou divergem. Se ela convergir, encontre o limite. a) a n = n(n − 1) n+1 b) a n = 3n − 1 2

3 + 5n c) a n = n + n2 d) a n =

n 1+ n

2n e) a n = n + 1 3 f) a n =

n 1+ n

n g) a n = cos   2

 ( 2n − 1) !  i) a n =    ( 2n + 1) !  2n − 3  j) a n =    3n + 7  2n 5 − 4n 2 k) a n = 3n 7 + n 3 − 10

2 h) a n = cos   n

68) Se R$ 1 000,00 forem investidos a uma taxa de juros de 6%, compostos anualmente, depois de n anos, o investimento valerá an = 1 000(1,06)n reais. a) Encontre os cinco primeiros termos da sequência {an}. b) A sequência é convergente ou divergente? Explique.

  69) Calcule o limite da sequência  2, 2 2 , 2 2 2 , ...  

4. Funções monótonas crescente e decrescente Uma sequência {an} é denominada crescente se an < an + 1 para todo n ≥ 1, isto é, a1 < a2 < a3 < ... Uma sequência {an} é denominada decrescente se an > an + 1 para todo n ≥ 1. É dita monotônica se for crescente ou decrescente. Vejamos alguns exemplos:


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

60

3 Exemplo 1: Verifique se a sequência a n = é decrescente. n+5 Resolução: Para a sequência ser decrescente, devemos ter an > an + 1. Então: 3 3 > n + 5 (n + 1) + 5 3 3 > n+5 n+6 Multiplicando cruzado vem: 3(n + 6) > 3(n + 5) 3n + 18 > 3n + 15 18 > 15 18 > 15 é verdadeiro para todo n ≥ 1. Portanto, an > an + 1, e assim {an} é decrescente. n Exemplo 2: Verifique se a sequência a n = 2 é decrescente. n +1

Resolução: Devemos mostrar que an > an + 1, isto é: n n+1 > n + 1 (n + 1)2 + 1 2

n n+1 > 2 n + 1 n + 2n + 2 2

Essa desigualdade é equivalente àquela que obtivemos pela multiplicação cruzada. n(n2 + 2n + 2) > (n2 + 1)(n + 1) n3 + 2n2 + 2n > n3 + n2 + n + 1 2n2 + 2n > n2 + n + 1 n2 + n > 1 É óbvio que para todo n ≥ 1, é verdadeiro para n2 + n > 1. Portanto, an > an + 1, e assim {an} é decrescente.

Definição: Se an é monótona crescente, então a sequência é limitada inferiormente pelo seu primeiro termo. Ou seja, se existir um número m de forma que m ≤ an para todo n ≥ 1. Analogamente, se a sequência for monótona decrescente, ela será limitada superiormente. Ou seja, se existir um número M de forma que an ≤ M para todo n ≥ 1. Se ela for limitada superiormente e inferiormente, então an é uma sequência limitada.


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

61

Teorema da Sequência Monotônica: Toda sequência limitada, monotônica, é convergente. Uma sequência que é crescente e limitada superiormente é convergente. Do mesmo modo, uma sequência decrescente que é limitada inferiormente é convergente. Esse fato é usado muitas vezes para lidar com séries infinitas, assunto que veremos no 2º semestre.

Exercícios 70) Determine se as sequências abaixo são crescente, decrescente ou não monotônica. a) a n =

1 5n

f) a n =

1 b) a n = 2n + 3

n 2 + 2n − 3 2n − 1

3n 2 − 2 g) a n = 5n 2 + 1

2n − 3 3n + 4 1 − en d) a n = 1 + en c) a n =

h) a n =

n n +1 2

1 i) a n = n + n

en − e− n e) a n = n e + e−n 71) Verifique se as sequências do exercício são limitadas. 72) Suponha que você saiba que an é uma sequência decrescente e que todos os termos estão entre os números 5 e 8. Explique por que a sequência tem um limite. O que você pode dizer sobre o valor do limite?

5. Funções contínuas O limite de uma função quando x tende a a pode muitas vezes ser encontrado simplesmente calculando-se o valor da função em a. As funções com essa propriedade são chamadas contínuas em a. A definição matemática de continuidade correspondente estreitamente ao significado da palavra

continuidade na linguagem do dia-a-dia. (O processo contínuo é aquele que ocorre gradualmente, sem interrupções ou mudanças abruptas.)

Definição 1: Uma função f é contínua em número a se lim f(x) = f(a). x →a

Observe que a Definição 1 implicitamente requer três coisas para a continuidade de f. (Ver

figura 10)


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

62

1) f(a) está definida (isto é, a está no domínio de f) 2) lim f (x) existe x →a

3) lim f (x) = f(a) x →a

Figura 10. Continuidade no ponto a

A definição diz que f é contínua em a se f(x) tender a f(a) quando x aproxima-se de a. Assim, uma função contínua f tem a propriedade que uma pequena variação em x produza apenas uma pequena modificação em f(x). De fato, a alteração em f(x) pode ser mantida tão pequena quanto desejarmos mantendo a variação em x suficientemente pequena. Se f está definida próximo de a (em outras palavras, f está definida em um intervalo aberto contendo a, exceto possivelmente em a), dizemos que f é descontínua em a, ou que f tem uma

descontinuidade em a, se f não é contínua em a. Os fenômenos físicos são geralmente contínuos. Por exemplo, o deslocamento ou a velocidade de um veículo varia continuamente com o tempo, como a altura das pessoas. Mas a descontinuidade ocorre em situação tal como a corrente elétrica. Geometricamente, podemos pensar em uma função contínua em todo número de um intervalo como sendo uma função cujo gráfico não se quebra. O gráfico pode ser desenhado sem remover sua caneta do papel. Vejamos alguns exemplos:


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

63

Exemplo 1: A figura abaixo mostra o gráfico de uma função f. Em quais números f é descontínua? Por quê?

Resolução: Parece haver uma descontinuidade quando a = 1, pois aí o gráfico tem um buraco. A razão reconhecida para f ser descontínua em 1 é que f(1) não está definida. O gráfico também tem uma quebra em a = 3, mas a razão para a descontinuidade é diferente. Aqui f(3) está definida, mas lim f (x) não existe (pois o limite esquerdo e o direito são diferentes). x →3

Logo f é descontínua em 3. E sobre a = 5? Aqui f(5) está definida, e lim f (x) existe (pois o limite esquerdo e o direito são x →5

iguais). Mas lim f (x) ≠ f(5). Logo f é descontínua em 5. x →5

Exemplo 2: Onde cada uma das seguintes funções é descontínua? x2 − x − 2 a) f(x) = x−2

Resolução: Note que f(2) não está definida; logo, f é descontínua em 2.

1 se x ≠ 0  b) f(x) =  x 2  1 se x = 0 1 não existe. Logo f é descontínua em 0. x →0 x 2

Resolução: Aqui f(0) = 1 está definida, mas lim f (x) ≠ lim x →0


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

64

 x2 − x − 2 se x ≠ 2  c) f(x) =  x − 2  1 se x = 2 

Resolução: Aqui f(2) está definida e x2 − x − 2 (x − 2)(x + 1) = lim = lim(x + 1) = 3 lim f (x) ≠ lim x →2 x →2 x → 2 x →2 x−2 x−2 existe. Porém, lim f (x) ≠ f(2). Logo, f não é contínua em 2. x →2

A figura 11 mostra os gráficos das funções no Exemplo 2. Em cada caso o gráfico não pode ser feito sem levantar a caneta do papel, pois um buraco, uma quebra ou pulo ocorrem no gráfico. As descontinuidades ilustradas nas partes (a) e (c) são chamadas removíveis, pois podemos removê-las redefinindo f somente no número 2.

Figura 11. Gráficos das funções do Exemplo 2

Definição 2: Uma função f é contínua à direita em um número a se lim+ f (x) = f(a) e f é contínua à x →a

esquerda em a se lim− f (x) = f(a). x →a

Definição 3: Uma função f é contínua em um intervalo se for contínua em todos os números do intervalo. (Se f for definida somente de um lado do extremo do intervalo, entendemos continuidade no extremo como continuidade à direita ou à esquerda.)


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

65

Vejamos um exemplo:

Exemplo 3: Mostre que a função f(x) = 1 − 1 − x 2 é contínua no intervalo [–1, 1]. Resolução: Se –1 < a < 1, então, usando as propriedades dos limites, temos:

(

lim f (x) = lim 1 − 1 − x 2 x →a

x →a

lim f (x) = 1 – x →a

) = lim1 − lim ( x →a

x →a

1− x2

)

lim (1 − x 2 ) = 1 – 1 − a 2 x →a

lim f (x) = f(a) x →a

Assim, pela Definição 1, f é contínua em a se –1 < a < 1. Cálculos análogos mostram que lim f (x) = 1 = f(–1)

x →−1+

e

lim f (x) = 1 = f(1)

x →−1−

logo, f é contínua à direita em –1 e contínua à esquerda em 1. Consequentemente, de acordo com a Definição 3, f é contínua em [–1, 1]. O gráfico de f está esboçado na figura 12. É a metade inferior do círculo.

Figura 12. Gráfico da função f(x) = 1 − 1 − x

2

Em lugar de sempre usar as Definições 1, 2 e 3 para verificar a continuidade de uma função como feito no Exemplo 3, muitas vezes é conveniente usar o próximo teorema, que mostra como construir as funções contínuas complicadas a partir das simples.


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

66

5.1. Teoremas sobre continuidade Teorema 1 Se f e g forem contínuas em a e se c for uma constante, então as seguintes funções são contínuas, também, em a: 1) f + g

3) cf

2) f – g

4) fg

5)

f se g(a) ≠ 0 g

Teorema 2 a) Qualquer polinômio é contínuo em toda a parte; ou seja, é contínuo em R = ( −∞, ∞ ) . b) Qualquer função racional é contínua sempre que estiver definida; ou seja, é contínua em seu domínio. O conhecimento de quais funções são contínuas nos capacita a calcular muito rapidamente alguns limites, como os dos exemplos a seguir. x 3 + 2x 2 − 1 . Exemplo 4: Encontre lim x →−2 5 − 3x x 3 + 2x 2 − 1 Resolução: A função f(x) = é racional; assim, pelo Teorema 1, é contínua em seu 5 − 3x 5  domínio, que é  x / x ≠  . Portanto: 3  x 3 + 2x 2 − 1 = lim f (x) = f(–2) x →−2 x →−2 5 − 3x lim

3

2

x 3 + 2x 2 − 1 ( −2 ) + 2 ( −2 ) − 1 1 lim = =− x →−2 5 − 3x 5 − 3 ( −2 ) 11

Teorema 3 Os seguintes tipos de funções são contínuas em todo o número de seus domínios:

polinômio

funções racionais

funções raízes

funções trigonométricas

funções trigonométricas inversas

funções exponenciais

funções logarítmicas


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

Exemplo 5: Onde a função f(x) =

67

ln x + arc tg x é contínua? x2 −1

Resolução: Sabemos do Teorema 3 que a função y = ln x é contínua para x > 0 e que y = arc tg x é contínua em R. Assim, pela parte 1 do Teorema 1, y = ln x + arc tg x é contínua em ( 0, ∞ ) . O denominador y = x2 – 1 é um polinômio, portanto é contínuo sempre. Assim, pela parte 5 do Teorema 1, f é contínua em todos os números positivos x, exceto onde x2 – 1 = 0. Logo, f é contínua nos intervalos abertos ( 0, 1) e (1, ∞ ) .

Exercícios 73) Prove que f(x) = x2 é contínua em x = 2. 74) A função f(x) =

2x 4 − 6x 3 + x 2 + 3 é contínua em x = 1? x −1

75) Prove que f(x) = 2x3 + x é contínua em todo ponto x = x0. 76) Para que valores de x no domínio de definição é contínua a função: a) f(x) =

x x −1 2

−1

d) f(x) = 10

(x − 3)2

b) f(x) =

1 + cos x 3 + sen x

 (x −−13)2  , se x ≠ 3 e) f(x) = 10  0 , se x = 3

x − x , se x < 0  g) f(x) =  x  2 , se x = 0 

c) f(x) =

f) f(x) =

h) f(x) = x cossec x =

4

1 10 + x

x− x x

x sen x

77) Escreva uma equação que expresse o fato de que uma função f é contínua no número 4. 78) Se f é contínua em ( −∞, ∞ ) , o que você pode dizer sobre seu gráfico? 79) Esboce o gráfico de uma função que é contínua em toda a parte, exceto em x = 3 e é contínua à esquerda em 3. 80) Um estacionamento cobra R$ 3,00 pela primeira hora, ou parte dela, e R$ 2,00 por hora sucessiva, ou parte, até o máximo de R$ 10,00. a) Esboce o gráfico do custo do estacionamento como uma função do tempo decorrido. b) Discuta as descontinuidades da função e sua significância para alguém que use o estacionamento. 81) Se f e g forem funções contínuas, com f(3) = 5 e lim [ 2f (x) − g(x)] = 4, determine g(3). x →3


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

68

82) Seja o gráfico abaixo:

a) Estabeleça os números nos quais f é descontínua e explique por quê. b) Para cada um dos números estabelecidos no item a, determine se f é contínua à direita ou à esquerda, ou nenhum deles. 83) Explique por que a função é descontínua no número dado. Faça o esboço do gráfico da função. a) f(x) = ln x − 2

a=2

e x , se x < 0 b) f(x) =  2  x , se x ≥ 0

a=0

 x 2 − x − 12 , se x ≠ −3  c) f(x) =  x + 3  −5 , se x = −3 

a = –3

cx 2 + 2x, se x < 2 84) Para quais valores da constante c a função f(x) =  3 é contínua em ( −∞, ∞ ) ?  x − cx, se x ≥ 2 85) Quais as seguintes funções f têm uma descontinuidade removível em a? Se a descontinuidade for removível, encontre uma função g que é igual a f para x ≠ a e é contínua em R. x 2 − 2x − 8 , a = –2 x+2 x −7 b) f(x) = , a=7 x −7

a) f(x) =

x 3 + 64 , a = –4 x+4 3− x d) f(x) = , a=9 9−x c) f(x) =


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

69

6. Teorema de Bolzano Seja uma função f(x) contínua em um intervalo [a, b], tal que, f(a) . f(b) < 0. Então a função f(x) possui pelo menos uma raiz no intervalo [a, b]. Podemos enunciar também: Se f for contínua no intervalo fechado [a, b] e se f(a) e f(b) tiverem sinais contrários, então existirá pelo menos um c em [a, b] tal que f(c) = 0. Podemos verificar este teorema graficamente:

Figura 13. Teorema do Anulamento

Pesquisar as raízes reais de uma equação polinomial P(x) = 0 é localizar (onde? quantos?) os pontos em que o gráfico cartesiano da função y = P(x) intercepta o eixo das abscissas (y = 0). Assim, o teorema de Bolzano comporta uma interpretação geométrica baseada, em resumo, no seguinte:

a) sinal de P(a) ≠ sinal de P(b) → número ímpar de raízes

Figura 14. Teorema do Anulamento


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

70

b) sinal de P(a) = sinal de P(b) → número par de raízes

Figura 15. Teorema do Anulamento

Exemplo 1: Seja a função f(x) = x i ln(x) – 3,2. Podemos calcular o valor de f(x) para valores arbitrários de x, como mostrado na tabela abaixo: x f(x)

1 –3,20

2 –1,81

3 0,10

4 2,36

Resolução: Pelo teorema de Bolzano, concluímos que existe pelo menos uma raiz real no intervalo [2, 3]. Exemplo 2: Verifique que o polinômio P(x) = x4 – 3x – 1 admite uma raiz real no intervalo [1, 2]. Resolução: Temos que f(1) = 14 – 3 i 1 – 1 = 1 – 3 – 1 = –3 e f(2) = 24 – 3 i 2 – 1 = 16 – 6 – 1 = 10. Pelo teorema de Bolzano, concluímos que existe pelo menos uma raiz no intervalo [1, 2], pois

f(1) i f(2) < 0.

Exercícios 86) Dada a função polinomial f(x) = x3 + 2x + 1, será possível f(x) = 0 em [–1, 4]? 87) Determine o valor de a de modo que a equação x3 + x2 + 5x + a = 0, tenha ao menos uma raiz no intervalo [–2, 0].

 π 88) Mostre que no intervalo 0,  existe, pelo menos, uma raiz da equação cos x − 5 sen x = 0.  2


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

71

1 , em R*, possui f(–1) = –1 < 0 e f(1) = 1 > 0, mas não possui raiz entre –1 x e 1. Por que “falhou” o teorema de Bolzano?

89) A função dada por y =

90) Determine o valor de a de modo que a equação x3 + x2 + 5x + a = 0, tenha ao menos uma raiz no intervalo [–3, –1]. 91) Justifique que a função f(x) = cos

π(x + 1) + 0,148x – 0,9062 possui uma raiz no intervalo [−1, 0] 8

e outra no intervalo [0, 1]. 92) Justifique que a equação 4x − ex = 0 possui uma raiz no intervalo [0, 1] e outra no intervalo [2, 3]. 93) Dada a função polinomial f(x) = x3 + 2x + 1, será possível f(x) = 0 em [–1, 4]? 94) Quais as seguintes funções f têm uma descontinuidade removível em a? Se a descontinuidade for removível, encontre uma função g que é igual a f para x ≠ a e é contínua em R. a) f(x) = b) f(x) =

x−2 x−2 x+4

,

a=2

, a = –4 x+4 2x 2 − 3x c) f(x) = , a=9 2x − 3

7. Teorema do Valor Intermediário Se f for contínua em [a, b] e se γ for um rela compreendido entre f(a) e f(b), então existirá pelos menos um c em [a, b] tal que f(c) tal que f(c) = γ.

Figura 16. Teorema do Valor Intermediário

Observe que o teorema do anulamento é um caso particular do teorema do valor intermediário.


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

72

8. Teorema de Weierstrass Se f for contínua em [a, b], então existirão x1 e x2 em [a, b] tais que f(x1) ≤ f(x) ≤ f(x2) para todo x em [a, b].

Figura 17. Teorema de Weierstrass

O teorema de Weierstrass nos conta que, se f for contínua em [a, b], então existirão x1 e x2 em [a, b] tais que f(x1) é o valor mínimo de f em [a, b] e f(x2) o valor máximo de f em [a, b]. Ou de outra forma: se f for contínua em [a, b], então f assumirá em [a, b] valor máximo e valor mínimo. Chamamos sua atenção para o fato de a hipótese de f ser contínua no intervalo fechado [a, b] ser indispensável; por exemplo, f(x) = máximo.

1 , x ∈]0, 1], é contínua em ]0, 1] mas não assume, neste, valor x


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

73

Respostas Capítulo III Sequência ou sucessão numérica 60. Uma sequência é uma lista ordenada de números. Pode também ser definida como uma função cujo domínio é o conjunto dos inteiros positivos. O contradomínio de uma sequência será considerado o conjunto dos números reais, ou seja, f : N* → R. A cada número inteiro positivo “n” corresponde um número real f(n). n → f(n) / a1 = f(1) ; a2 = f(2) ; a3 = f(3) ; ... ; an = f(n) Ou seja, um conjunto de números que obedecem a uma lei de formação, de modo que a passagem ao seu sucessor imediato se faça segundo a mesma lei.

61. Significa que os elementos da sequência se aproximam de modo regular para o valor 8, de modo fixo, sem contudo atingí-lo.

62. Significa que os elementos da sequência vão crescendo ilimitadamente, não se aproximando de um valor fixo.

63. Se, quando n cresce, an se torna cada vez mais próximo de um número real L, diz-se que a sequência {an} tem limite L (ou converge para L) e se escreve: lim a n = L. x →∞

 1 Exemplos: an = log 1 +   n

e

an =

n . 2n

64. O que é uma sequência divergente? Dê dois exemplos. Sequência divergente é quando os elementos crescem indefinidamente, sem se aproximar de um valor, não existindo um limite. Exemplos: an = (–1)n

e

an = (–1)n i 2n.

65a) a1 = 0,8, a2 = 0,96, a3 = 0,992, a4 = 0,9994, a5 = 0,99968 b) a1 = 1, a2 = c) a1 = –3, a2 =

3 1 5 6 , a3 = , a4 = , a5 = 5 2 11 17 3 1 1 1 , a3 = − , a4 = , a5 = − 2 2 8 60

d) a1 = 1, a2 = 0, a3 = –1, a4 = 0, a5 = 1 e) a1 = 3, a2 = 5, a3 = 9, a4 = 17, a5 = 33


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

74

4 3 , a3 = 4, a4 = , a5 = 3 3 2

f) a1 = 4, a2 =

g) a1 = 2, a2 = 5, a3 = 8, a4 = 11, a5 = 14 1 66a) a n = n 2 b) a n c) a n

n d) a n = ( − 1) n i (n + 1)2

1 = 2n = 5n − 3

e) a n f) a n

67a) Diverge

2 = ( − 1) i   3 n = ( − 1) + (+1) n

g) a n = 5n + 1

n −1

n −1

e) Converge para 0

b) Converge para

j) Converge para

f) Diverge

1 3

k) Converge para 0

g) Diverge, entre –1 e 1

c) Converge para 5

h) Converge para 1

d) Converge para 1

i) Converge para 0

2 3

68a) 1060; 1123,60; 1191,02; 1262,48; 1338,23 b) Diverge, pois temos uma função exponencial de razão r = 1,06 > 1.

69) 2 70a) Decrescente

d) Crescente

g) Decrescente

b) Decrescente

e) Decrescente

h) Decrescente

c) Crescente

f) Decrescente

i) Crescente

71a) Sim

c) Sim

e) Sim

g) Sim

b) Sim

d) Sim

f) Não

h) Sim

i) Não

72) Como {an} é uma sequência decrescente, temos que an > an + 1 para todo n ≥ 1. Como todos

os termos variam entre 5 e 8, {an}, é uma sequência limitada. Pelo teorema da Sequência Monotônica Limitada, {an} é convergente; isto é, {an} tem um limite L. L deve ser menor do que 8, então {an} é decrescente. Então, 5 ≤ L < 8. 73) Temos que lim f (x) = f(2) = 4, logo f(x) é contínua em x = 2. x →2

74) f(1) não existe, de modo que f(x) não é contínua. Definindo f(x) de modo que f(1) = lim f (x) = –8, x →1

se torna contínua em x = 1, isto é, x = 1 é uma descontinuidade removível.


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

75

75) Como f(x) = x é contínua para qualquer ponto x = x0, também o serão f(x) = x i x = x2, f(x) = x2 i x = x3, f(x) = 2x3 e, finalmente, f(x) = 2x3 + x é contínua para qualquer ponto x = x0, pois a

soma e produto de funções contínuas também são funções contínuas.

76a) Para todo x exceto x = ± 1 (em que o denominador é zero) b) Para todo x c) Para todo x > –10 d) Para todo x ≠ 3 e) Para todo x, pois lim f (x) = f(3) x →3

f) Para todo x, exceto x = 0 g) Para todo x ≤ 0 h) Para todo x, exceto x = ± π , ±2π , ±3π , ...

77) lim f (x) = f(4) x →4

78) O gráfico não tem buraco, pulo ou assíntota vertical. 79) O gráfico de y = f(x) deve ter uma descontinuidade em 3 e deve ter lim− f (x) = f(3). x →3


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

76

80a)

b) É descontínua em t = 1, 2, 3 e 4. A pessoa que deixar seu carro no estacionamento deverá saber que o valor cobrado mudará no começo de cada hora.

81) 6 82a) f(–4) não está definido e lim f (x) (para a = –2, 2 e 4) não existe. x →a

b) –4, nenhum dos dois; –2, à esquerda; 2, à direita.

83a) f(2) não está definido


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

b) lim f (x) não existe x →0

c) lim f (x) ≠ f(–3), pois lim f (x) = –7 e f(–3) = –5. x →−3

84)

x →−3

2 3

 x 2 − 2x − 8 , se x ≠ −2  85a) g(x) =  x + 2  −6 , se x = − 2  b) A descontinuidade não é removível, pois lim+ f (x) = 1 e lim− f (x) = –1. x →7

x →7

77


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

78

 x 6 + 64 , se x ≠ −4  c) g(x) =  x + 4  16 , se x = − 4  3 − x , se x ≠ 9  9 − x d) g(x) =   1 , se x = 9  6

86) f(–1) = –2 e f(4) = 73. Pelo teorema de Bolzano, temos que f(–1) i f(4) < 0. Logo existe, pelo menos, uma raiz entre [–1, 4].

87) 0 < a < 14 π π 88) f(0) = 1 e f   = –5. Como f(0) i f   < 0, há pelo menos 1 raiz em 2 2

 π 0, 2  .

89) Por que a função não é contínua em [–1, 1]. 90) 5 < a < 33 91) O teorema de Bolzano é satisfeito, pois f(–1) i f(0) < 0 e f(0) i f(1) < 0. 92) Pelo teorema de Bolzano, temos que f(0) i f(–1) < 0 e f(2) i f(3) < 0. Portanto, a equação possui raízes nos intervalos dados.

93) Sim, pois temos f(–1) i f(4) < 0, satisfazendo o teorema do anulamento. 94a) A descontinuidade não é removível, pois lim+ f (x) = 1 e lim− f (x) = –1. x →2

x →2

b) A descontinuidade não é removível, pois lim+ f (x) = 1 e lim− f (x) = –1. x →−4

c) A descontinuidade não é removível, pois lim + f (x) = x →3/ 2

x →4

3 3 1 e lim − f (x) = − . x →3/ 2 2 2


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

79

Bibliografia AVILA, G. Análise Matemática para licenciatura. 3 ed. São Paulo: Blucher, 2006. DANTE, L. R. Matemática: Conceitos & Aplicações. 3 ed. São Paulo: Ática, 2004. GUIDORIZZI, H. L. Curso de Cálculo. vol. 2. Rio de Janeiro: 2001 FERREIRA, J. A construção dos números. 1 ed. Rio de Janeiro: SBM, 2010. FIGUEREIDO, D. G. Números Irracionais e Transcendentes. 3 ed. Rio de Janeiro: SBM, 2010. HOFFMANN, L. D.; BRADLEY, G. L. Cálculo: um curso moderno e suas aplicações. Rio de Janeiro, LTC, 2002 LIMA, E. L. Curso de Análise. vol. I. São Paulo: IMPA, 2001 LOUREIRO, C.; PERES, E. e GARCIA, M. A Contribuição da Análise Matemática na Formação

de Professores. NAME, M. A. Tempo de Matemática. s.e. São Paulo: Editora do Brasil, 1996. SPIEGEL, M. R. Cálculo Avançado. 3 ed. São Paulo: McGraw Hill, 1974. STEWART, J. Cálculo. vol. I. 5 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. STEWART, J. Cálculo. vol. II. 5 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. THOMAS, G. B. Cálculo. vol. I São Paulo, Pearson, 2005.


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

80

Anexo 1 O valor de π A primeira referência ao valor de π (pi) aparece na Bíblia, no Primeiro Livro dos Reis, 7, versículo 23: “Fez mais o mar de fundição, de dez côvados, de uma borda até à outra borda, redondo

ao redor, e de cinco côvados ao alto; e um cordão de trinta côvados o cingia, em redor.” Aqui, o valor de π é 3, bastante inexacto, portanto. Desde sempre, este número mágico despertou a atenção dos estudiosos. Os historiadores calculam que, desde 2000 a.C., os homens têm consciência de que a razão entre a circunferência e o seu diâmetro é igual para todos os círculos. Deram conta que, se duplicarem a distância através de um círculo, então também a distância em volta dele é igual ao dobro. Em notação algébrica, diremos que

π=

circunferência diâmetro

em que o valor de π é constante. Note-se que o nome “pi”, usando a letra grega, só foi introduzido em 1706 por William Jones (1675-1749). O valor exato de π desde cedo despertou o interesse dos matemáticos. Arquimedes de Siracusa (287-212 a.C.) chegou ao valor de

22 ou seja 3,142857… 7

Só no século XVIII é que se provou que π é um número irracional, isto é que não pode ser expresso como uma fração, própria ou imprópria. Em termos práticos, isso significa que o número de casas decimais que π pode ter é infinito. No século XIX, demonstrou-se que π é um número transcendental, isto é, não pode ser expresso por uma equação algébrica com coeficientes racionais. Como corolário, deve dizer-se que é impossível fazer a “quadratura do círculo”, isto é, desenhar um quadrado com o mesmo perímetro de determinado círculo. Podem apreciar-se na tabela a seguir os progressos feitos no cálculo do valor de π. Só no século XX, nos anos 50, é que se começaram a utilizar computadores para o cálculo das casas decimais de π.

Os valores de π através dos séculos Pessoas/Povo

Ano

Babilônia

~2000 B.C.

Egípcios

~2000 B.C.

Chineses

~1200 B.C.

Valor 1 3 8 2

 16    = 3,1605 9 3


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

Antigo Testamento ~550 B.C.

3 10 1 <π<3 71 7 211 875 = 3,14163 usa 67 441 377 = 3,14166... 120

encontra 3 Arquimedes

~300 B.C.

Ptolomeu

~200 A.D.

Chung Huing

~300 A.D.

Wang Fau

263 A.D.

Tsu Chung-Chi Aryabhatta

~500 A.D. ~500

Brahmagupta

~600

Al-Khwarizmi Fibonacci

820 1220

1706 1766 1855 1882 1947

10 3,1416 3,141818 Calcula π até 35 casas decimais 100 casas decimais Prova que π é irracional 500 casas decimais Prova que π é transcendental 808 casas decimais

1957

7 840 casas decimais

1961 1967

100 000 casas decimais 500 000 casas decimais

Ludolph van Ceulen 1596 Machin Lambert Richter Lindeman Ferguson Computador Pegasus IBM 7090 CDC 6600

10 = 3,16... 157 = 3,14 50 3,1415926 < π < 3,1415929 3,1416

Eis algumas das fórmulas utilizadas para calcular o valor de π em computador: François Viète (1540-1603) determinou que:

2

π=

1 i 2

1 1 + i 2 2

1 1 1 1 1 + + i ... 2 2 2 2 2

John Wallis (1616-1703) mostrou que: π= 2

2i2i4i4i6i6... 1i3i3i5i5i7...

Euler (1707-1783) construiu esta fórmula:

π2 = 6

1

∑n 1

2

81


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

82

Observações: 1 - Abu Ja'far Muhammad ibn Musa Al-Khwarizmi, matemático árabe nascido em Bagdad, por volta de 780, faleceu em 850. Do seu nome derivam as palavras "algarismo" em português e "guarismo" em castelhano (guardamos sempre o artigo árabe nas palavras derivadas daquela língua). Para além disso, escreveu um livro chamado "al-Kitab al-mukhtasar fi hisab al-jabr wa'l-muqabala" (traduzido para inglês com o título "The Compendious Book on Calculation by Completion and Balancing”. De Al

jabr, vem o nome Álgebra. Mais: sabe-se que Al-Khwarizmi escreveu um livro que desapareceu, mas de que chegou até nós uma tradução latina com o título "Algoritmi de numero Indorum", ou seja, "AlKhwarizmi sobre o modo Hindu de contar" e do nome latino que ali lhe deram derivou o termo “algoritmo”. 2 – Um número irracional é aquele que não pode ser expresso como uma fração (própria ou imprópria). Fração própria é a que tem o numerador inferior ao denominador. Fração imprópria é aquela em que o numerador é maior ou igual ao denominador. O numerador e o denominador são, evidentemente, inteiros. Um número primo é um número maior do que 1, que não é divisível por nenhum número inteiro positivo, que não seja 1 ou o próprio número. Um número composto é um número inteiro positivo diferente de 1 e que não é número primo. 3 – Os números transcendentais não podem ser expressos como sendo a raiz de uma qualquer equação algébrica, com coeficientes racionais. Isto significa que π não pode satisfazer com exatidão equações do tipo 10,9π4 – 240π² + 1492 = 0. Este tipo de equações envolve sempre números inteiros para o valor de π. O número π pode ser expresso através de uma fracção que não tem fim ou como o limite de uma série infinita. A fração

355 exprime o valor de π com exatidão até seis casas decimais. 113

Em 1882, o matemático alemão F. Lindemann provou que π é transcendental, acabando com 2500 anos de especulação. Com efeito, provou que π transcende o poder de a álgebra o representar na sua totalidade. Não pode ser representado através de qualquer série finita de operações aritméticas ou algébricas. Não pode ser escrito num pedaço de papel tão grande como o universo.

Site consultado http://www.arlindo-correia.com/040901.html

acessado em julho de 2008


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

83

Anexo 2 O número e, por quê? A noção de logaritmo quase sempre nos é apresentada, pela primeira vez, do seguinte modo: “o logaritmo de um número y na base a é o expoente x tal que ax = y”. Segue-se a observação: “os números mais frequentemente usados como base de um sistema de logaritmos são 10, e o número e = 2,71828182...”; o que nos deixa intrigados. De saída, uma pergunta ingênua: esta regularidade na sequência dos algarismos decimais desse número e persiste? Não. Apenas uma coincidência no começo. Um valor mais preciso seria e = 2,718281828459... Não se trata de uma fração decimal periódica. O número e é irracional, isto é, não pode ser obtido como quociente e = p/q de dois inteiros. Mais ainda: é um irracional transcendente. Isto significa que não existe um polinômio P(x) com coeficiente inteiros, que se anule para x = e, ou seja, que tenha e como raiz. Por que então a escolha de um número tão estranho como base de logaritmos? O que faz esse número tão importante? Talvez a resposta mais concisa seja que o número e é importante porque é inevitável. Surge espontaneamente em várias questões básicas. Uma das razões pelas quais a Matemática é útil às Ciências em geral está no Cálculo (Diferencial e Integral), que estuda a variação das grandezas. Um tipo de variação dos mais simples e comumente encontrados é aquele em que o crescimento (ou decrescimento) da grandeza em cada instante é proporcional ao valor da grandeza naquele instante. Este tipo de variação ocorre, por exemplo, em questões de juros, crescimento populacional (de pessoas ou bactérias), desintegração radioativa, etc. Em todos os fenômenos dessa natureza, o número e aparece de modo natural e insubstituível. Vejamos um exemplo simples. Suponhamos que eu empreste a alguém a quantia de 1real a juros de 100% ao ano. No final do ano, essa pessoa viria pagar-me e traria 2 reais: 1 que tomara emprestado e 1 dos juros. Isto seria justo? Não. O justo seria que eu recebesse e reais. Vejamos por que. Há um entendimento tácito nessas transações, de que os juros são proporcionais ao capital emprestado e ao tempo decorrido entre o empréstimo e o pagamento. Assim, se meu cliente viesse me pagar seis meses depois do empréstimo, eu receberia apenas 1

1 2

reais. Mas isto quer dizer que, naquela ocasião, ele estava com 1 ½ real meu e ficou com esse dinheiro mais

seis

meses,

à

taxa

de

100%

ao

ano;

logo

deveria

pagar-me


Professores Cícero, Carlos, Conrad e Ubiratan – Uniban 2011

84

2

1

1 1 1 1 1  1 + 1  = 1 x 1 = 1 +  reais no fim do ano. Isto me daria 2,25 reais, mas, mesmo assim, 2 2 2 2 2  2

eu não acharia justo. Eu poderia dividir o ano num número arbitrário n, de partes iguais. Transcorrido o primeiro período de

1 ano 1 , meu capital emprestado estaria valendo 1 + reais. No fim do segundo período de n n 2

n

1 ano 1 1   , eu estaria 1 +  reais, e assim por diante. No fim do ano eu deveria receber 1 +  reais. n n n   Mas, como posso fazer esse raciocínio para todo n, segue-se que o justo e exato valor que eu deveria n

1  receber pelo meu real emprestado seria lim 1 +  , que aprendemos nos cursos de Cálculo ser igual n →∞ n  ao número e. Um outro exemplo no qual o número e aparece.

Fonte: Adaptado do artigo de Elon Lages Lima

Material de Apoio Analise Matematica - Parte 2  

Material de Apoio Analise Matematica - Parte 2

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you