CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 1 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru LIMITES Noção intuitiva: Considere a função f ( x ) = x2 −1 , cujo domínio é D( f ) = ℜ − {1} . x −1 Sabemos que f(x) não está definida para x=1. Suponhamos que, por algum motivo, desejássemos saber o que acontece com a função nas proximidades de x=1. Vamos estudar o comportamento da função f(x), quando a variável x se aproxima cada vez mais do valor 1, neste caso, dizemos que “x tende a 1”, denotado por x→1. Existem dois “caminhos” pelos quais x pode tender ao valor 1: - Por valores maiores que x: neste caso dizemos que “x tende a 1 pela direita”, e denotamos por: x→1+. - Por valores menores que x: neste caso dizemos que “x tende a 1 pela esquerda”, e denotamos por: x→1–. Se x→1+ a função tende para o valor 2 e se x→1– a função tende para o valor 2. x 1,5 1,3 1,01 1,001 f(x) 2,5 2,3 2,01 2,001 x 0,5 0,8 0,9 0,999 f(x) 1,5 1,8 1,9 1,999 Dizemos que o limite da função f(x) quando “x tende a 1 pela direita” é igual a 2. Este limite é chamado de Limite Lateral à Direita e representado por: Lim f ( x ) = 2 . x →1+ Dizemos que o limite da função f(x) quando “x tende a 1 pela esquerda” é igual a 2. Este limite é chamado de Limite Lateral à Esquerda e representado por: Lim f ( x ) = 2 . x →1− Quando os limites laterais são iguais, ou seja: Lim f ( x ) = Lim f ( x ) = 2 , dizemos que existe x →1+ x →1− o Limite da função f(x) para x tendo a 1 é igual 2 e escrevemos: Lim x→1f ( x ) = 2 . Portanto, x 2 − 1 = 2. Lim x →1 x − 1 2 ( 1 ) CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 2 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Exemplos: 1) Considere a função f ( x ) = x . Vamos analisar o que ocorre quando x tende a zero. Note que: Lim x = 0 , mas não existe Lim x x →0 + x →0 − Pois, f(x) está definida somente para x ≥ 0 Como Lim x ≠ Lim x x →0 + x →0 − ( – x→0 Não existe Lim x x→0 0 x→0+ ) x 2 + 3, se x ≤ 1 2) Considere a função f ( x ) = . Vamos analisar o que ocorre quando x − x + 3, se x > 1 tende a 1. 4 Note que: Lim f ( x ) = 2 e Lim f ( x ) = 4 x →1+ x →1− 2 Como Lim f ( x ) ≠ Lim f ( x ) x →1+ x →1− → 1 ← Não existe Lim f ( x ) x→1 3) Considere a função f ( x ) = Lim x →0 − 1 = −∞ x Como Lim x → 0− Lim x →0 + 1 . Determine o limite da f(x) para x tendendo a +∞, –∞ e 0. x 1 = +∞ x 1 =0 x → −∞ x 1 =0 x → +∞ x Lim Lim 1 1 1 ≠ Lim , então não existe o Lim . + x → 0 x x →0 x x −∞ ← +∞ 0− → 0+ ← → CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 3 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru 4) Considere a função f ( x ) = Lim x →0 − 1 x 2 = +∞ Como Lim x →0 − x2 Lim x →0 + 1 x 1 2 = Lim x →0 1 x 2 . Determine o limite da f(x) para x tendendo a +∞, –∞ e 0. 1 x 2 1 =0 x → −∞ x = +∞ Lim = +∞ , então existe o limite: Lim x →0 −∞ ← 0− = +∞ x2 +∞ 0+ → 1 1 =0 x → +∞ x Lim → ← Definição: Seja f(x) definida num intervalo Ι, contendo a, exceto possivelmente no próprio a. Dizemos que o limite de f(x) quando x aproxima-se de a é L e escrevemos Lim f ( x ) = L x →a L+ε f(x) f(a)=L ) L‒ε ) se, para todo ε > 0 , existe um δ > 0 , tal que f ( x ) − L < ε sempre que x − a < δ . ( a-δ a x ) a+δ f ( x) − L < ε ⇒ L − ε < f ( x) < L + ε Note que: x −a < δ ⇒ a−δ < x < a+δ Exemplos: Usando a definição de limite, mostre que: 1) Lim(3 x + 4) = 10 x →2 Temos que: f ( x ) = 3 x + 4 ; a = 2 e L = 10 . f ( x ) − L < ε ⇒ 3 x + 4 − 10 < ε ⇒ 3 x − 6 < ε Então: Lim f ( x ) = L ⇒ x →a x −a < δ ⇒ x −2 < δ CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 4 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru 3x − 6 < ε ⇒ 3 x − 2 < ε ⇒ x − 2 < ε ε = δ . Basta fazer δ = . 3 3 2) Lim( x 2 + 2x ) = 15 x →3 Temos que: f ( x ) = x 2 + 2x ; a = 3 e L = 15 . f ( x ) − L < ε ⇒ x 2 + 2x − 15 < ε ⇒ ( x − 3) ⋅ ( x + 5) < ε Então: Lim f ( x ) = L ⇒ x →a x − a < δ ⇒ x − 3 < δ Como ( x − 3) ⋅ ( x + 5) < ε ⇒ x − 3 ⋅ x + 5 < ε , neste caso, precisamos substituir x + 5 por um valor constante. Suponhamos que 0 < δ < 1. Como 0 < x − 3 < 1 ⇒ x − 3 < 1 ⇒ −1< x − 3 < 1 ⇒ − 1+ 8 < x − 3 + 8 < 1+ 8 ⇒ 7< x+5<9 ⇒ x + 5 < 9. Fazendo ε ε δ = min ,1 , se x − 3 < δ ⇒ x − 3 ⋅ x + 5 < δ ⋅ 9 ≤ ⋅ 9 = ε ⇒ x − 3 ⋅ x + 5 < ε . 9 9 3x − 2 3) Lim =2 x → 4 x + 1 Temos que: f ( x ) = 3x − 2 ;a = 4 e L = 2. x +1 3x − 2 x−4 −2 < ε ⇒ <ε f ( x) − L < ε ⇒ Então: Lim f ( x ) = L ⇒ x +1 x +1 x →a x −a < δ ⇒ x −4 < δ Como x−4 <ε ⇒ x +1 x−4 x +1 < ε , neste caso, precisamos substituir x + 1 por um valor constante. Suponhamos que 0 < δ < 1. Como 0 < x − 4 < 1 ⇒ x − 4 < 1 ⇒ − 1 < x − 4 < 1 ⇒ − 1 + 5 < x − 4 + 5 < 1 + 5 ⇒ 4 < x + 1 < 6 ⇒ x + 1 < 6 . Fazendo δ = min(6ε,1) , se x − 4 < δ ⇒ x−4 x +1 < x−3 δ 6ε ≤ =ε ⇒ < ε. 6 6 x +1 Proposição: Sejam a, b e c quaisquer números reais com b ≠ 0 e c ≠ 0 . Então Lim(bx + c ) = b ⋅ a + c . x →a CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 5 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Conseqüências: a) Se b = 0 e ∀c ∈ ℜ ⇒ Lim(c ) = c . x →a b) Se b = 1 e c = 0 ⇒ Lim( x ) = a . x →a Proposição: Sejam f : A → ℜ . Se existe o limite da f(x) quando x tende a um valor “a”, então este limite é único. PROPRIEDADES OPERATÓRIAS DOS LIMITES Se Lim f ( x ) e Lim g( x ) existem e k é um número real qualquer, então: x →a x →a 1) Lim(k ⋅ f ( x )) = k ⋅ Lim f ( x ) x →a x →a 2) Lim[f ( x ) ± g( x )] = Lim f ( x ) ± Lim g( x ) x →a x →a x →a Expressões Simbólicas: a) k + ∞ = +∞ b) k − ∞ = −∞ c) ( +∞ ) + ( +∞ ) = +∞ d) ( −∞ ) + ( −∞ ) = −∞ Formas Indeterminadas: a) ( +∞ ) − ( +∞ ) = ? b) ( −∞ ) + ( +∞ ) = ? c) ( +∞ ) + ( −∞ ) = ? 3) Lim[f ( x ) ⋅ g( x )] = Lim f ( x ) ⋅ Lim g( x ) x →a x →a x →a k ⋅ ( +∞ ) = +∞, se k > 0 Expressões Simbólicas: a) k ⋅ ( −∞ ) = −∞, se k > 0 ( +∞ ) ⋅ ( +∞ ) = +∞ ( +∞ ) ⋅ ( −∞ ) = −∞ c) ( −∞ ) ⋅ ( +∞ ) = −∞ ( −∞ ) ⋅ ( −∞ ) = +∞ f ( x) f ( x ) Lim x →a 4) Lim = g( x ) ≠ 0 Lim g( x ) se Lim x →a g( x ) x →a x →a Expressões Simbólicas: k ⋅ ( +∞ ) = −∞, se k < 0 b) k ⋅ ( −∞ ) = +∞, se k < 0 Formas Indeterminadas: ( ±∞ ) ⋅ 0 = ? CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 6 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru ( +∞ ) = +∞, se k > 0 b) k ( −∞ ) = −∞, se k > 0 k k a) = 0 , ∀k ∈ ℜ ±∞ K + = +∞, se k > 0 d) 0 k = −∞, se k > 0 0 − ( +∞ ) + = +∞ f) 0 ( +∞ ) = −∞ 0 − K + = −∞, se k < 0 e) 0 k = +∞, se k < 0 0 − Formas Indeterminadas: a) ±∞ =? ±∞ b) ( +∞ ) = −∞, se k < 0 c) k ( −∞ ) = +∞, se k < 0 k ( −∞ ) + = −∞ g) 0 ( −∞ ) = +∞ 0 − 0 =? 0 n n 5) Lim[f ( x )] = Lim f ( x ) , ∀n ∈ N x→a x →a ( −∞ )n = +∞, se n for par b) n ( −∞ ) = −∞, se n for ímpar Expressões Simbólicas: a) ( +∞ ) = +∞ n 6) Lim n f ( x ) = n Lim f ( x ) , ∀n ∈ N x →a x →a a) Se Lim f ( x ) > 0 e ∀n ∈ Z , com n ≠ 0 . x →a b) Se Lim f ( x ) < 0 e ∀n ∈ Z , com n positivo ímpar. x →a 7) Lim[logb f ( x )] = logb Lim f ( x ) , desde que Lim f ( x ) > 0 e b > 0 com b ≠ 1 . x→a x →a x →a 8) Lim[sen(f ( x ))] = senLim f ( x ) e Lim[cos(f ( x ))] = cos Lim f ( x ) x →a x →a x →a x →a [ ] 9) Lim k f ( x ) = k x →a Limf ( x ) x →a , com k > 0 e k ≠ 1 Expressões Simbólicas: ( +∞) +∞ = +∞ ( +∞ ) −∞ = 0 0 +∞ = 0 k +∞ = +∞, se k > 1 k +∞ = 0, se 0 < k < 1 k −∞ = 0, se k > 1 k −∞ = +∞, se 0 < k < 1 0 −∞ = +∞ Formas Indeterminadas: ( ±∞ )0 = ? , 0 0 = ? , 1±∞ = ? OBS: Se f(x) for uma função contínua podemos permutar os símbolos de "Lim" com "f". [este fato justificaremos quando definirmos funções contínuas]. CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 7 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru 10) Lim[sen( x )] = sen Lim x = sen(a) e Lim[cos( x )] = cos Lim x = cos(a) x→a x→a x →a x →a 11) Lim[logb ( x )] = logb Lim x = logb (a) x→a x →a [ ] 12) Lim k x = k x →a 13) Lim[f ( x )] Lim( x ) g( x ) x →a x →a = k a , desde que k > 0 e k ≠ 1 . = Lim f ( x ) x→a Limg( x ) x →a = f (a) g(a ) , com Lim f ( x ) = k , desde que k > 0 e k ≠ 1 . x →a Exercícios: Resolver os seguintes limites: 01) Lim (2x 3 − 2x − 1) x → −1 3 02) Lim (2x − 2x − 1) 5 x( x − ⋅ cos( x ) 08) Lim x → + ∞ 3 x 2 + sen( x ) x→ +∞ 3x 5 − x 2 03) Lim x→ +∞ x 3x 5 − x 2 04) Lim x→ 0 x 5x 05) Lim 2 x → − ∞ x +1 x 3 − 3x + 2 09) Lim x 4 − 4x + 3 x →1 x 2 − (a + 1)x + a 10) Lim x3 − a x →a x 2 − 5x + 1 x → +∞ 3x + 7 11) Lim 3 15) Lim 4 x →1 16) Lim x→4 1− 5 − x x → +∞ x5 − 1 06) Lim 2 x →1 2x − x − 1 13) Lim sen( x ) 07) Lim x → + ∞ x 14) Lim 3x + 2 x +1 x → +∞ x2 + 1 18) Lim x +1 x→ −∞ 19) Lim 2x 5 − 3 x 3 + 2 x → +∞ 2x 2 − 3 x − 4 x → +∞ x →7 x2 + 1 17) Lim 2x + 3 x − 4 2 x4 +1 2− x−3 2 x − 49 x −1 3− 5+x 2 12) Lim x −1 20) Lim x→ −∞ − x2 + 7 2x 5 − 3 x 3 + 2 − x2 + 7 3 x 2 − 23 x + 1 21) Lim 2 x →1 ( x − 1) LIMITES LATERAIS Limite Lateral à Direita: Seja f : A → B . O limite da função f(x) quando x tende ao valor “a” pela direita, ou seja, quando x tende ao valor “a” por valores maiores que “a”, é denotado por Lim f ( x ) = b . x →a + Limite Lateral à Esquerda: Seja f : A → B . O limite da função f(x) quando x tende ao valor “a” pela esquerda, ou seja, quando x tende ao valor “a” por valores menores que “a”, é denotado por Lim f ( x ) = b . x →a − CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 8 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Teorema: Seja f : A → B . Dizemos que existe o limite da função f(x) quando x tende ao valor “a” e é igual a um valor b se, e somente se Lim f ( x ) = Lim f ( x ) = b . Neste caso x →a + x →a − escrevemos: Lim f ( x ) = b . x →a Regra prática para cálculo dos limites laterais ) x = a + h Limite lateral à direita faça a mdv: Lim f ( x ) = b ⇒ x →a − h > 0 e h → 0 f(x) f(a)=b x ) a a+h h→0 x = a + h Limite lateral à direita faça a mdv: Lim f ( x ) = b ⇒ x →a − h > 0 e h → 0 f(a)=b f(x) ) ( a-h x a h→0 Exercícios: Verificar a existência dos seguintes limites: x+2 a) Lim 2 x →1 x − 1 x 2 + 1 d) Lim x → −1 x + 1 x−3 b) Lim x →3 x − 3 x + 4, se x < 4 c) Lim f ( x ) onde f ( x ) = 4, se x = 4 x→ 4 x − 4, se x > 4 x−2 e) Lim 2 x →3 x + x − 6 x−2 f) Lim 2 x →2 x + x − 6 CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 9 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru CONTINUIDADE DE FUNÇÕES Definição: Dizemos que uma função f : A → B é contínua num ponto a ∈ D( f ) se Lim f ( x ) = f (a) . x →a OBS: Se uma função não é contínua num ponto a, dizemos que ela é descontínua em a. Definição: Dizemos que uma função f : A → B é contínua no seu domínio D(f), se ela for contínua em todos os pontos do seu domínio. Exemplos de funções contínuas: Função Linear Função Quadrática Função Exponencial 1 Função Seno Função Cosseno OBS: Podemos observar que as funções acima são contínuas em todo o seu domínio que são o Conjunto dos Reais, ou seja, D(f) = ℜ. Exemplos de funções descontínuas: Função Tangente -π/2 0 π/2 3π/2 5π/2 CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 10 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru a a OBS: Como podemos observar as funções acima não são contínuas em todos os reais, existem pontos onde as funções são descontínuas. No entanto, retirando os pontos de descontinuidade ela passa a ser contínua num determinado domínio. Note que a função f ( x) = 1 é descontínua em ℜ, mas é contínua em D( f ) = ℜ − {0} e f ( x ) = tg( x ) é x π descontínua em ℜ, mas é contínua em D( f ) = ℜ − (2k + 1) ⋅ , ∀k ∈ Z . 2 Teorema: Se f : A → B é contínua num ponto a ∈ D( f ) , então os símbolos de limite (Lim) e da função (f) podem ser permutados, ou seja: Lim f ( x ) = f (a) ⇒ f Lim( x ) = f (a) x →a x →a Proposição: Se f e g são funções contínuas num ponto a, então também são contínuas neste ponto a: a) f ± g b) f ⋅ g c) f , com g(a) ≠ 0 g Proposição: Se f e g são funções tais que Lim f ( x ) = b e g é contínua em b, então x →a Lim(g o f )( x ) = g(b) , ou seja: Lim(g o f )( x ) = Lim g( f ( x )) = g Lim f ( x ) = g(b) . x →a x →a x →a x →a Proposição: Se f é contínua em a e g é contínua em f(a), então g o f é contínua em a, ou seja: Lim(g o f )( x ) = Lim g( f ( x )) = g Lim f ( x ) = g( f (a)) = (g o f )(a) . x →a x →a x →a CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 11 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Proposição: Seja f(x) definida e contínua num intervalo Ι. Seja J = Im( f ) . Se f admite f −1 : J → Ι, então f −1 é contínua em J. Teorema do valor intermediário: Se f é uma função contínua no intervalo [a,b] e L é um número tal que f(a) ≤ L ≤ f(b) ou f(b) ≤ L ≤ f(a), então existe pelo menos um x∈[a,b] tal que f(x)=L. OBS: De certo modo, este teorema diz que se no intervalo [a,b] a função apresenta “buraco”, então ela não é contínua neste intervalo. f(b) f(b) L L f(a) f(a) x a b a ∌x b Corolário (do teorema do valor intermediário): Se f é uma função contínua no intervalo [a,b] e se f(a) e f(b) tem sinais opostos, então existe pelo menos um número c∈[a,b] tal que f(c)=0. OBS: De certo modo, este corolário diz que se no intervalo [a,b] a função apresenta “salto”, então ela não é contínua neste intervalo. f(b) f(b) f(c)=0 a a b c f(a) b f(a) ∌ c∈[a,b] tal que f(c)=0 CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 12 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Exercícios: Verificar se as funções são contínuas nos pontos indicados: a) f ( x ) = 2x − 1 em x = 2 . c) f ( x ) = 1 ( x − 2) 2 em x = 1 e x = 2 . b) f ( x ) = x2 + x − 6 em x = 1 e x = 2 . x−2 x + 1, se x < 3 b) f ( x ) = 2, se x = 3 em x = 3 . x − 2, se x > 3 LIMITES FUNDAMENTAIS Existem alguns limites cujos valores, uma vez demonstrados, passam a ser conhecidos e podemos usá-los sempre que for necessário. São eles: sen( x ) a) Lim =1 x →0 x 1,5 1 sen( x ) x 0,5 0 -0,5 Área do triângulo OMN = A1 Área do setor circular OMN = A2 P Área do triângulo OPN = A3 M Temos que A 1 < A 2 < A 3 A1 = ON ⋅ MQ 1⋅ sen( x ) sen( x ) = = 2 2 2 A3 = ON ⋅ PN 1⋅ tg( x ) tg( x ) = = 2 2 2 2πr → πr 2 πr 2 ⋅ MN π ⋅ 12 ⋅ MN MN ⇒ A2 = = = 2πr 2 ⋅ π ⋅1 2 MN → A 2 1 x O N Q CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 13 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Como: MN = x ⋅ r = x ⋅ 1 = x ⇒ A 2 = Logo: x 2 sen( x ) x tg( x ) sen( x ) < < ⇒ sen( x ) < x < 2 2 2 cos( x ) Dividindo tudo por sen(x): cos( x ) < sen( x ) x sen( x ) x 1 < < ⇒ 1< < ⇒ sen( x ) sen( x ) cos( x ) ⋅ sen( x ) sen( x ) cos( x ) sen( x ) sen( x ) sen( x ) < 1 ⇒ Lim[cos( x )] < Lim < Lim(1) ⇒ 1 < Lim <1 ⇒ x →0 x →0 x →0 x x x →0 x sen( x ) Lim = 1. x →0 x x 1 b) Lim 1 + = e x → ±∞ x e 1 –1 Proposição: Mostre que também são válidos os seguintes limites: 1 x a) Lim(1 + x ) = e x →0 b) Lim(x ) x →1 1 x −1 =e a x − 1 = ln(a) c) Lim x →0 x Demonstração: 1 1 1 1 = t⇒ x = 1 t a) mdv: x ⇒ Lim(1 + x ) x ⇒ Lim1 + = e t x →0 t →∞ t se x → 0 ⇒ t → ∞ 1 1 x − 1 = t ⇒ x = 1 + t b) mdv: ⇒ Lim(x ) x −1 ⇒ Lim(1 + t ) t = e x →1 t →0 se x → 1⇒ t → 0 a x − 1 a x − 1 = t ⇒ x = loga (1 + t ) t 1 = ⇒ Lim c) mdv: ⇒ Lim = Lim t →0 log (1 + t ) t →0 log a (1 + t ) x →0 x se x → 0 ⇒ t → 0 a t Lim1 1 1 1 1 t →0 = Lim = = = = ln(a) = Lim 1 1 t →0 1 t →0 log e e loga e log (1 + t ) t log Lim(1 + t ) t ⋅ loga (1 + t ) a a t log e a t→0 CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I NOTAS DE AULAS 14 Prof. Dr. Luiz Francisco da Cruz – Departamento de Matemática – UNESP/Bauru Exercícios: Resolver os limites abaixo usando os limites fundamentais: sen( πx ) 02) Lim x →1 sen(3 πx ) sen(3 x ) 01) Lim x →0 x e ax − e bx 04) Lim x →0 x 1 05) Lim1 + x →∞ ax + b x +2 1− x 2 07) Lim x →1 sen( πx ) x −1 08) Lim x →∞ x + 3 1 − tgx 10) Lim π π x→ x − 4 4 1− e x 11) Lim x →0 sen( x ) a 03) Lim1 + x →∞ x x x arcsen( x ) 06) Lim x →0 x x −1 3 4 −3 09) Lim x →5 sen(3 x − 15 ) 1 12) Lim1 + x → ∞ x ax +b