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Lição 10 — Consolidação Trim 1: workshop integrador

Workshop de integração das 9 lições anteriores. Problemas que combinam funções, taxa de variação, exponencial, modelagem. Estilo ENEM/EJU/Abitur.

Used in: 1.º ano EM

ΔyΔx=f(b)f(a)ba\frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

A taxa de variação média é o fio condutor do Trim 1: liga função afim (TVM constante), quadrática (TVM linear), exponencial (TVM proporcional ao valor) e prepara o terreno para derivada.

Choose your door

Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Roteiro do trimestre

Esta lição não introduz conteúdo novo. É um workshop integrador com problemas que exigem combinar:

  • Lição 1: notação de conjuntos, intervalos, operações entre conjuntos
  • Lição 2: domínio, imagem, composição, injetividade
  • Lições 3–4: funções afim e quadrática
  • Lição 5: composição formal e inversa
  • Lições 6–8: exponencial, logaritmo, modelos de crescimento/decaimento
  • Lição 9: taxa de variação média

Arco conceitual do trimestre

O Trim 1 constrói uma única ideia de baixo para cima: como descrever mudança.

ConjuntosL1Func¸o˜esL2f(x)=ax+bL3: TVM constantef(x)=ax2+bx+cL4: TVM linearfg, f1L5ax, lnxL6-7: TVM proporcional ao valorN0ektL8Δy/ΔxL9: porta do caˊlculo\underbrace{\text{Conjuntos}}_{\text{L1}} \to \underbrace{\text{Funções}}_{\text{L2}} \to \underbrace{f(x) = ax+b}_{\text{L3: TVM constante}} \to \underbrace{f(x) = ax^2+bx+c}_{\text{L4: TVM linear}} \to \underbrace{f \circ g,\ f^{-1}}_{\text{L5}} \to \underbrace{a^x,\ \ln x}_{\text{L6-7: TVM proporcional ao valor}} \to \underbrace{N_0 e^{kt}}_{\text{L8}} \to \underbrace{\Delta y/\Delta x}_{\text{L9: porta do cálculo}}

Cada etapa responde à pergunta "o que acontece com yy quando xx muda um pouquinho?": afim (sempre igual), quadrática (cresce linearmente), exponencial (cresce proporcionalmente).

Mapa de pré-requisitos

ConceitoLiçãoPara o que serve aqui
Conjuntos e intervalos1Domínio de exponencial/log; interseção de condições
Função e composição2, 5(fg)(x)(f \circ g)(x), inversa
Afim e quadrática3, 4Modelagem linear/parabólica
Exponencial e log6, 7, 8Juros, decaimento, meia-vida
TVM9Velocidade média, custo marginal

Auto-avaliação sugerida

Reserve 4 h sem consulta para resolver. Confira no gabarito (25% têm resposta inline). Se acertar menos de 50%, releia as lições correspondentes; se acertar 70–90%, está pronto pro Trim 2; acima de 90%, leitura adicional indicada.

Exemplos resolvidos

Exercise list

55 exercises · 13 with worked solution (25%)

Application 17Understanding 3Modeling 18Challenge 11Proof 6
  1. Ex. 10.1Application

    Encontre o domínio máximo de f(x)=log2(x24)f(x) = \log_2(x^2 - 4). Expresse em notação de intervalo.

    Show solution
    Condição do log: x24>0(x2)(x+2)>0x^2 - 4 > 0 \Rightarrow (x-2)(x+2) > 0. Parábola de concavidade positiva — satisfeita fora das raízes. Dom(f)=(,2)(2,+)\text{Dom}(f) = (-\infty, -2) \cup (2, +\infty).
  2. Ex. 10.2Application

    Resolva 4x52x+4=04^x - 5 \cdot 2^x + 4 = 0.

    Show solution
    Substitua u=2xu = 2^x: u25u+4=0u=1u^2 - 5u + 4 = 0 \Rightarrow u = 1 ou u=4u = 4. Voltando: x=0x = 0 ou x=2x = 2.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Reconheça a estrutura. Como 4=224 = 2^2, então 4x=(2x)24^x = (2^x)^2 — equação quadrática em 2x2^x.
    2. Substitua u=2xu = 2^x (com u>0u > 0). Fica u25u+4=0u^2 - 5u + 4 = 0.
    3. Fatore. (u1)(u4)=0u=1(u-1)(u-4) = 0 \Rightarrow u = 1 ou u=4u = 4. Ambos positivos — válidos.
    4. Volte para xx. 2x=1x=02^x = 1 \Rightarrow x = 0; 2x=4x=22^x = 4 \Rightarrow x = 2.
    5. Verifique. x=0x=0: 15+4=01 - 5 + 4 = 0 ✓. x=2x=2: 1620+4=016 - 20 + 4 = 0 ✓.

    Macete: sempre que a2xa^{2x} aparece com axa^x, faça u=axu = a^x. A equação vira quadrática, mas não esqueça u>0u > 0 ao final.

  3. Ex. 10.3Application

    Determine a equação da reta que passa pelo vértice da parábola y=x24x+7y = x^2 - 4 x + 7 e tem inclinação 22.

    Show solution
    Vértice de y=x24x+7y = x^2 - 4x + 7: xv=4/2=2x_v = 4/2 = 2, yv=48+7=3y_v = 4 - 8 + 7 = 3. Reta de inclinação 2 por (2,3)(2,3): y3=2(x2)y=2x1y - 3 = 2(x - 2) \Rightarrow y = 2x - 1.
  4. Ex. 10.4Application

    Sejam f(x)=2xf(x) = 2^x e g(x)=log2xg(x) = \log_2 x. Calcule f(g(8))f(g(8)) e g(f(3))g(f(3)). O que os resultados revelam sobre a relação entre ff e gg?

    Show solution
    g(8)=log28=3g(8) = \log_2 8 = 3, então f(g(8))=23=8f(g(8)) = 2^3 = 8. f(3)=23=8f(3) = 2^3 = 8, então g(f(3))=log28=3g(f(3)) = \log_2 8 = 3. Os dois resultados iguais às entradas originais confirmam que ff e gg são inversas.
  5. Ex. 10.5Application

    Calcule a TVM de f(x)=2x+3f(x) = 2 x + 3 no intervalo [1,4][1, 4].

    Show solution
    Função afim: TVM = coeficiente angular =2= 2 (constante em qualquer intervalo). Verificação: (f(4)f(1))/(41)=(115)/3=6/3=2(f(4) - f(1))/(4-1) = (11-5)/3 = 6/3 = 2 ✓.
  6. Ex. 10.6Application

    Sejam f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 e g(x)=xg(x) = \sqrt{x}. Determine (fg)(x)(f \circ g)(x) e o domínio dessa composição.

    Show solution
    (fg)(x)=f(x)=(x)2+1=x+1(f \circ g)(x) = f(\sqrt{x}) = (\sqrt{x})^2 + 1 = x + 1. Domínio: gg exige x0x \geq 0; ff aceita qualquer real. Logo Dom(fg)=[0,+)\text{Dom}(f \circ g) = [0, +\infty). Atenção: algebricamente x+1x + 1 existe em R\mathbb{R}, mas o domínio herda a restrição de gg.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Aplique a definição. (fg)(x)=f(g(x))=f(x)=(x)2+1=x+1(f \circ g)(x) = f(g(x)) = f(\sqrt{x}) = (\sqrt{x})^2 + 1 = x + 1.
    2. Domínio de gg. g(x)=xg(x) = \sqrt{x} exige x0x \geq 0.
    3. Domínio da composição. {xDom(g):g(x)Dom(f)}=[0,+)\{x \in \text{Dom}(g) : g(x) \in \text{Dom}(f)\} = [0, +\infty) (pois ff aceita todos os reais).
    4. Sanity check. Em x=1x = -1: 1\sqrt{-1} não é real — a composição é indefinida ali, mesmo que 1+1=0-1 + 1 = 0 pareça válido.

    Macete: ao compor funções, verifique o domínio antes de simplificar a expressão. A simplificação pode esconder restrições — erro clássico em ENEM e vestibulares.

  7. Ex. 10.7Application

    Encontre a inversa de f(x)=3x+1f(x) = 3^{x + 1}.

    Show solution
    Inverter: y=3x+1x+1=log3yx=log3y1y = 3^{x+1} \Rightarrow x + 1 = \log_3 y \Rightarrow x = \log_3 y - 1. Trocando xyx \leftrightarrow y: f1(x)=log3x1f^{-1}(x) = \log_3 x - 1. Verifique: f(f1(9))=3(log391)+1=32=9f(f^{-1}(9)) = 3^{(\log_3 9 - 1) + 1} = 3^2 = 9 ✓.
  8. Ex. 10.8Understanding

    Para f(x)=3xf(x) = 3^x, calcule TVM em [0,2][0, 2] e compare com TVM em [2,4][2, 4]. Qual é a conclusão conceitual?

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    TVM[0,2] =(91)/2=4= (9-1)/2 = 4. TVM[2,4] =(819)/2=36= (81-9)/2 = 36. A TVM aumentou — isso é a marca da exponencial: ela acelera. A TVM constante é a marca da afim; a TVM crescente linearmente é a marca da quadrática.
  9. Ex. 10.9Application

    Determine o domínio de f(x)=x3x5f(x) = \dfrac{\sqrt{x - 3}}{x - 5}. Expresse em notação de intervalo.

    Show solution
    Condição: x30x - 3 \geq 0 (raiz) e x5x \neq 5 (denominador). Logo Dom(f)=[3,5)(5,+)\text{Dom}(f) = [3, 5) \cup (5, +\infty). Para a imagem: em x=3x = 3, f(3)=0f(3) = 0; quando x5x \to 5^-, ff \to -\infty; quando x5+x \to 5^+, f+f \to +\infty; quando x+x \to +\infty, f+f \to +\infty. Imagem =(,0](0,+)=R= (-\infty, 0] \cup (0, +\infty) = \mathbb{R} salvo análise mais cuidadosa — imagem completa = (,0](0,+){x3/(x5)=0,x>5}=R{0}(-\infty, 0] \cup (0, +\infty) \setminus \{\sqrt{x-3}/(x-5) = 0, x>5\} = \mathbb{R} \setminus \{0\} na faixa x>5x > 5... Simplificando: imagem = R\mathbb{R}.
  10. Ex. 10.10Application

    Determine aa para que f(x)=(a1)x2+3x2f(x) = (a - 1) x^2 + 3 x - 2 tenha vértice em x=1x = 1.

    Show solution
    Vértice em xv=b/(2aq)=3/(2(a1))=12(a1)=3a=1/2x_v = -b/(2a_q) = -3/(2(a-1)) = 1 \Rightarrow 2(a-1) = -3 \Rightarrow a = -1/2.
  11. Ex. 10.11Application

    A função f(x)=(1/2)x1f(x) = (1/2)^{x - 1} é crescente ou decrescente? Justifique e determine a imagem.

    Show solution
    Escreva f(x)=(1/2)x1=2(1/2)xf(x) = (1/2)^{x-1} = 2 \cdot (1/2)^x. Como base 1/2<11/2 < 1, a exponencial é decrescente. Confirme: f(0)=2f(0) = 2, f(1)=1f(1) = 1, f(2)=0,5f(2) = 0{,}5. Imagem: (0,+)(0, +\infty) (exponencial positiva).
  12. Ex. 10.12Application

    Resolva log2(x+3)+log2(x1)=5\log_2(x + 3) + \log_2(x - 1) = 5.

    Show solution
    Domínio: x>3x > -3 e x>1x > 1, logo x>1x > 1. Soma de logs: log2[(x+3)(x1)]=5(x+3)(x1)=32\log_2[(x+3)(x-1)] = 5 \Rightarrow (x+3)(x-1) = 32. Expandindo: x2+2x35=0x^2 + 2x - 35 = 0. Bhaskara: x=5x = 5 ou x=7x = -7. Filtrando pelo domínio (x>1x > 1): x=5x = 5.
  13. Ex. 10.13Understanding

    Qual é o domínio máximo de f(x)=x3/(x5)f(x) = \sqrt{x-3}/(x-5)?

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    Raiz exige x30x3x - 3 \geq 0 \Rightarrow x \geq 3. Denominador exige x5x \neq 5. Interseção: [3,+)R{5}=[3,5)(5,+)[3, +\infty) \cap \mathbb{R} \setminus \{5\} = [3, 5) \cup (5, +\infty). O distrator A esquece o denominador; C esquece a raiz.
  14. Ex. 10.14ApplicationAnswer key

    Determine a inversa de f(x)=2x5f(x) = 2x - 5 e verifique que f(f1(x))=xf(f^{-1}(x)) = x.

    Show solution
    A inversa existe se ff é bijetora. ff é afim com coeficiente angular a=20a = 2 \neq 0: injetora e sobrejetora. Inversão: y=2x5x=(y+5)/2y = 2x - 5 \Rightarrow x = (y + 5)/2. Logo f1(x)=(x+5)/2f^{-1}(x) = (x + 5)/2. Verificação: f(f1(x))=2(x+5)/25=xf(f^{-1}(x)) = 2 \cdot (x+5)/2 - 5 = x ✓.
  15. Ex. 10.15Application

    Para f(x)=3xf(x) = 3^x, calcule a TVM nos intervalos [0,2][0, 2] e [2,4][2, 4].

    Show solution
    TVM[0,2] = (3230)/2=8/2=4(3^2 - 3^0)/2 = 8/2 = 4. TVM[2,4] = (3432)/2=72/2=36(3^4 - 3^2)/2 = 72/2 = 36. A TVM aumentou 9 vezes — exponencial multiplica a TVM a cada intervalo equivalente.
  16. Ex. 10.16ApplicationAnswer key

    Sejam f(x)=2x1f(x) = 2x - 1 e g(x)=xg(x) = \sqrt{x}. Calcule (gf)(x)(g \circ f)(x) e determine seu domínio.

    Show solution
    g(f(x))=g(2x1)=2x1g(f(x)) = g(2x-1) = \sqrt{2x-1}. Domínio: gfg \circ f exige 2x10x1/22x - 1 \geq 0 \Rightarrow x \geq 1/2. Logo Dom(gf)=[1/2,+)\text{Dom}(g \circ f) = [1/2, +\infty). Compare com (fg)(x)=2x1(f \circ g)(x) = 2\sqrt{x} - 1 com Dom=[0,+)\text{Dom} = [0, +\infty) — composição não é comutativa.
  17. Ex. 10.17Application

    Resolva 2x+1=162^{x+1} = 16.

    Show solution
    2x+1=162x+1=24x+1=4x=32^{x+1} = 16 \Rightarrow 2^{x+1} = 2^4 \Rightarrow x + 1 = 4 \Rightarrow x = 3. Verificação: 24=162^4 = 16 ✓.
  18. Ex. 10.18Application

    Para f(x)=x25x+6f(x) = x^2 - 5x + 6: (a) encontre as raízes; (b) determine o vértice; (c) esboce o gráfico indicando concavidade e imagem.

    Show solution
    Raízes de f(x)=x25x+6f(x) = x^2 - 5x + 6: (x2)(x3)=0x=2,x=3(x-2)(x-3) = 0 \Rightarrow x = 2, x = 3. Vértice: xv=5/2=2,5x_v = 5/2 = 2{,}5; yv=6,2512,5+6=0,25y_v = 6{,}25 - 12{,}5 + 6 = -0{,}25. Concavidade para cima (coef. a=1>0a = 1 > 0). Imagem: [0,25,+)[-0{,}25, +\infty).
  19. Ex. 10.19ApplicationAnswer key

    Encontre todos os x>0x > 0 tais que xlog10x=100xx^{\log_{10} x} = 100 x.

    Show solution
    Aplique log10\log_{10} em ambos os lados: (logx)2=2+logx(\log x)^2 = 2 + \log x. Substitua u=logxu = \log x: u2u2=0u=2u^2 - u - 2 = 0 \Rightarrow u = 2 ou u=1u = -1. Logo x=100x = 100 ou x=0,1x = 0{,}1.
  20. Ex. 10.20Understanding

    Dados A=[1,4)A = [1, 4) e B=[2,5]B = [2, 5], determine ABA \cup B e ABA \cap B.

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    A=[1,4)A = [1, 4), B=[2,5]B = [2, 5]. União = menor extremo esquerdo até maior extremo direito: [1,5][1, 5]. Interseção = sobreposição: [2,4)[2, 4) (o 4 não está em AA). Os distradores B e D invertem os papéis da união e interseção.
  21. Ex. 10.21Modeling

    ENEM-style. Uma piscina é enchida em duas etapas: nas primeiras 2 h, vazão de 500 L/h; depois, 800 L/h. Modele V(t)V(t) como função por partes e determine o tempo total para encher 6.000 L.

    Show solution
    Em 2 h: V(2)=1000V(2) = 1\,000 L. Faltam 50005\,000 L à 800 L/h: 5000/800=6,255\,000/800 = 6{,}25 h. Total: 2+6,25=8,252 + 6{,}25 = 8{,}25 h. Modelo por partes: V(t)=500tV(t) = 500t em [0,2][0,2]; V(t)=1000+800(t2)V(t) = 1\,000 + 800(t-2) em t>2t > 2.
  22. Ex. 10.22Modeling

    Uma cidade tem P(t)=50000(1,025)tP(t) = 50\,000 \cdot (1{,}025)^t (anos, a partir de 2020). Em qual ano a população atinge 100.000?

    Show solution
    100000=50000(1,025)t(1,025)t=2t=ln2/ln1,02528,1100\,000 = 50\,000 \cdot (1{,}025)^t \Rightarrow (1{,}025)^t = 2 \Rightarrow t = \ln 2 / \ln 1{,}025 \approx 28{,}1 anos. A partir de 2020: ano 2048.
  23. Ex. 10.23Modeling

    Capacitor: V(t)=V0et/τV(t) = V_0 e^{-t/\tau}, com τ=0,5\tau = 0{,}5 s e V0=12V_0 = 12 V. (a) Tensão em t=1t = 1 s. (b) Tempo para cair a 1 V. (c) Meia-vida (tempo para cair pela metade).

    Show solution
    (a) V(1)=12e21,62V(1) = 12 e^{-2} \approx 1{,}62 V. (b) 12e2t=1t=ln12/21,2412 e^{-2t} = 1 \Rightarrow t = \ln 12/2 \approx 1{,}24 s. (c) Meia-vida: t=ln2/20,347t = \ln 2/2 \approx 0{,}347 s.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Identifique os parâmetros. V0=12V_0 = 12 V, τ=0,5\tau = 0{,}5 s. Modelo: V(t)=12et/0,5=12e2tV(t) = 12 e^{-t/0{,}5} = 12 e^{-2t}.
    2. (a) Substitua t=1t = 1. V(1)=12e21,62V(1) = 12 e^{-2} \approx 1{,}62 V.
    3. (b) Resolva V(t)=1V(t) = 1. e2t=1/122t=ln12t=ln12/21,24e^{-2t} = 1/12 \Rightarrow -2t = -\ln 12 \Rightarrow t = \ln 12/2 \approx 1{,}24 s.
    4. (c) Resolva V(t)=6V(t) = 6. e2t=1/2t=ln2/20,347e^{-2t} = 1/2 \Rightarrow t = \ln 2/2 \approx 0{,}347 s — meia-vida do circuito RC.
    5. Sanity check. Em 5τ=2,55\tau = 2{,}5 s: 12e50,0812 e^{-5} \approx 0{,}08 V — praticamente zero, conforme regra prática.

    Macete: τ\tau = tempo para cair a 37%; meia-vida = τln20,693τ\tau \ln 2 \approx 0{,}693\tau; descarga praticamente completa em 5τ5\tau.

  24. Ex. 10.24Modeling

    A renda familiar RR (em R$) aumenta linearmente com a escolaridade ee (anos de estudo): R=800+200eR = 800 + 200 e. (a) Quanto a renda aumenta por ano de estudo? (b) Para qual ee a renda atinge R$ 5.000?

    Show solution
    (a) Coeficiente angular de R=800+200eR = 800 + 200e é 200 — renda aumenta R\$ 200 por ano de estudo. (b) 5000=800+200ee=215\,000 = 800 + 200 e \Rightarrow e = 21 anos.
  25. Ex. 10.25ModelingAnswer key

    Uma empresa tem custo C(q)=50+20q+0,5q2C(q) = 50 + 20 q + 0{,}5 q^2 e receita R(q)=60qR(q) = 60 q. (a) Quando o lucro é zero? (b) Qual a quantidade que maximiza o lucro?

    Show solution
    L(q)=0,5q2+40q50L(q) = -0{,}5 q^2 + 40q - 50. (a) Bhaskara: q1,27q \approx 1{,}27 ou q78,73q \approx 78{,}73. (b) Vértice: q=40q^* = 40, L_\max = 750.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Calcule L(q)=R(q)C(q)L(q) = R(q) - C(q). L=60q5020q0,5q2=0,5q2+40q50L = 60q - 50 - 20q - 0{,}5q^2 = -0{,}5q^2 + 40q - 50. Quadrática com a=0,5<0a = -0{,}5 < 0 — parábola voltada para baixo.
    2. (a) Raízes (break-even). 0,5q2+40q50=0-0{,}5q^2 + 40q - 50 = 0. Multiplique por 2-2: q280q+100=0q^2 - 80q + 100 = 0. Δ=6400400=6000\Delta = 6\,400 - 400 = 6\,000. q1,27q \approx 1{,}27 ou q78,73q \approx 78{,}73.
    3. (b) Vértice (lucro máximo). q=40/(2(0,5))=40q^* = -40/(2 \cdot (-0{,}5)) = 40. L(40)=800+160050=750L(40) = -800 + 1\,600 - 50 = 750 R\$.
    4. Sanity check. Média das raízes: (1,27+78,73)/2=40=q(1{,}27 + 78{,}73)/2 = 40 = q^* ✓.

    Macete econômico: para L=aq2+bq+cL = -aq^2 + bq + c com a>0a > 0, o ótimo é q=b/(2a)q^* = b/(2a). É a regra de "maximização sem cálculo" de toda microeconomia introdutória.

  26. Ex. 10.26Modeling

    Cultura AA cresce com taxa rA=0,05r_A = 0{,}05/h; cultura BB com rB=0,10r_B = 0{,}10/h. Em t=0t = 0: A=1.000A = 1.000 células, B=200B = 200. Quando AA e BB têm o mesmo tamanho?

    Show solution
    Igualar: 1000e0,05t=200e0,10t5=e0,05tt=ln5/0,0532,21\,000 e^{0{,}05t} = 200 e^{0{,}10t} \Rightarrow 5 = e^{0{,}05t} \Rightarrow t = \ln 5/0{,}05 \approx 32{,}2 h.
  27. Ex. 10.27Modeling

    Nível sonoro: L=10log10(I/I0)L = 10 \log_{10}(I/I_0) dB. Dados I=106I = 10^{-6} W/m² e I0=1012I_0 = 10^{-12} W/m², calcule LL. Qual é a interpretação física da escala logarítmica aqui?

    Show solution
    Acústica: L=10log10(106/1012)=10log10(106)=106=60L = 10 \log_{10}(10^{-6}/10^{-12}) = 10 \log_{10}(10^6) = 10 \cdot 6 = 60 dB. Cada fator de 10 em intensidade adiciona 10 dB — escala logarítmica comprime a faixa de percepção humana (de 10 a 140 dB).
  28. Ex. 10.28ModelingAnswer key

    Um carro percorre 60 km em 1 h e depois 90 km em 1,5 h. Calcule a velocidade média total.

    Show solution
    Distância total: 150 km. Tempo total: 2,5 h. vm=150/2,5=60v_m = 150/2{,}5 = 60 km/h. Atenção: NÃO é a média aritmética de 60 e 90 (= 75 km/h) — é distância total sobre tempo total.
  29. Ex. 10.29Modeling

    Um remédio tem meia-vida de 3 h. Você toma 100 mg agora e outra dose de 100 mg em 6 h. Modele a concentração total C(t)C(t) para t0t \geq 0. Calcule C(6)C(6) e C(12)C(12).

    Show solution
    Superposição: 1.ª dose decai como 100(1/2)t/3100 \cdot (1/2)^{t/3}. 2.ª dose a partir de t=6t = 6: 100(1/2)(t6)/3100 \cdot (1/2)^{(t-6)/3}. Em t=6t = 6: C=100(1/2)2+100=25+100=125C = 100 \cdot (1/2)^2 + 100 = 25 + 100 = 125 mg. Em t=12t = 12: C=100(1/2)4+100(1/2)2=6,25+25=31,25C = 100 \cdot (1/2)^4 + 100 \cdot (1/2)^2 = 6{,}25 + 25 = 31{,}25 mg.
  30. Ex. 10.30Modeling

    P(t)=200/(1+9e0,5t)P(t) = 200/(1 + 9 e^{-0{,}5 t}) (modelo logístico). (a) Capacidade de suporte (tt \to \infty). (b) Em que tempo tt a população atinge 100 (metade da capacidade)?

    Show solution
    Capacidade de suporte: quando tt \to \infty, e0,5t0e^{-0{,}5t} \to 0, logo P200P \to 200. Tempo para metade (100): 200/(1+9e0,5t)=100t=2ln94,4200/(1+9e^{-0{,}5t}) = 100 \Rightarrow t = 2\ln 9 \approx 4{,}4. Este é o ponto de inflexão da logística.
  31. Ex. 10.31Modeling

    Operário A: salário fixo R$ 3.000/mês. Operário B: salário 0,1V0{,}1 \cdot V (V = vendas mensais). Para qual volume VV o salário de B excede o de A?

    Show solution
    Condição: 0,1V>3000V>300000{,}1 V > 3\,000 \Rightarrow V > 30\,000 R\$/mês. Interpretação: com vendas acima de R\$ 30.000, o salário variável supera o fixo — o vendedor B tem incentivo de desempenho.
  32. Ex. 10.32Modeling

    Custo médio: C(q)=(1000+5q)/qC(q) = (1\,000 + 5 q)/q. Reescreva como soma e determine o comportamento quando qq \to \infty.

    Show solution
    Reescreva: C(q)=1000/q+5C(q) = 1\,000/q + 5. Para qq grande, 1000/q01\,000/q \to 0, então C(q)5C(q) \to 5. Interpretação: custo fixo (R\$ 1.000) se dilui com o volume; custo médio converge ao custo variável unitário (R\$ 5).
  33. Ex. 10.33Modeling

    Um investimento de R$ 1.000 rende juros contínuos a 5% ao ano: M(t)=1000e0,05tM(t) = 1000 e^{0{,}05 t}. Calcule a TVM no primeiro ano [0,1][0, 1] e no décimo ano [10,11][10, 11]. Por que a TVM é maior no décimo ano?

    Show solution
    TVM em [0,1][0, 1]: (e0,0511000)/(1)=1000e0,05100051,27(e^{0{,}05 \cdot 1} - 1\,000)/(1) = 1\,000 e^{0{,}05} - 1\,000 \approx 51{,}27 R\$/ano. TVM em [10,11][10, 11]: 1000(e0,0511e0,0510)=1000e0,5(e0,051)84,541\,000(e^{0{,}05 \cdot 11} - e^{0{,}05 \cdot 10}) = 1\,000 e^{0{,}5}(e^{0{,}05} - 1) \approx 84{,}54 R\$/ano. No décimo ano a conta cresce mais rapidamente — TVM da exponencial é proporcional ao valor acumulado.
  34. Ex. 10.34ModelingAnswer key

    Em quanto tempo o capital dobra a juros compostos de 5% ao ano? Use logaritmo. Confirme com a "regra do 72" (n72/rn \approx 72/r).

    Show solution
    2000=1000(1,05)n(1,05)n=2n=ln2/ln1,0514,22\,000 = 1\,000 \cdot (1{,}05)^n \Rightarrow (1{,}05)^n = 2 \Rightarrow n = \ln 2/\ln 1{,}05 \approx 14{,}2 anos. Regra do 72: 72/5=14,472/5 = 14{,}4 anos — excelente aproximação mental.
  35. Ex. 10.35ModelingAnswer key

    Carbono-14 tem meia-vida de 5.730 anos. Uma amostra retém 75% do carbono original. Qual a idade estimada da amostra?

    Show solution
    Decaimento: N(t)=N0(1/2)t/T1/2N(t) = N_0 \cdot (1/2)^{t/T_{1/2}}. Aqui T1/2=5730T_{1/2} = 5\,730 anos. Com N/N0=0,75N/N_0 = 0{,}75: 0,75=(1/2)t/5730t=5730log1/2(0,75)=5730ln(0,75)/ln(0,5)23800{,}75 = (1/2)^{t/5730} \Rightarrow t = 5\,730 \cdot \log_{1/2}(0{,}75) = 5\,730 \cdot \ln(0{,}75)/\ln(0{,}5) \approx 2\,380 anos.
  36. Ex. 10.36Modeling

    Para f(x)=x2f(x) = x^2, calcule a TVM no intervalo [1,4][1, 4]. Interprete geometricamente como inclinação de uma reta secante.

    Show solution
    TVM no intervalo [1,4][1, 4]: (f(4)f(1))/(41)=(161)/3=5(f(4) - f(1))/(4-1) = (16 - 1)/3 = 5. Interpretação: de x=1x = 1 a x=4x = 4, a função cresce em média 5 unidades por unidade de xx. Compare com a afim f(x)=xf(x) = x (TVM = 1) — a quadrática cresce mais rápido neste intervalo.
  37. Ex. 10.37ModelingAnswer key

    Química: pH=log10[H+]p_H = -\log_{10}[\text{H}^+]. Uma solução de suco de laranja tem [H+]=2×104[\text{H}^+] = 2 \times 10^{-4} mol/L. Calcule o pH.

    Show solution
    pH=log10(2×104)=(log102+log10104)=(0,3014)=3,6993,7p_H = -\log_{10}(2 \times 10^{-4}) = -(\log_{10} 2 + \log_{10} 10^{-4}) = -(0{,}301 - 4) = 3{,}699 \approx 3{,}7. Suco de laranja é ácido (pH menor que 7).
  38. Ex. 10.38Modeling

    Mostre que a TVM de f(x)=x2f(x) = x^2 no intervalo [a,b][a, b] é a+ba + b. Use esse resultado para calcular a TVM nos intervalos [1,3][1, 3] e [0,4][0, 4].

    Show solution
    TVM quadrática em [a,b][a, b]: (f(b)f(a))/(ba)=(b2a2)/(ba)=a+b(f(b) - f(a))/(b - a) = (b^2 - a^2)/(b-a) = a + b. Para f(x)=x2f(x) = x^2 no intervalo [1,3][1, 3]: TVM =1+3=4= 1 + 3 = 4. Para [0,4][0, 4]: TVM =0+4=4= 0 + 4 = 4. Conclusão: intervalos de mesmo ponto médio têm a mesma TVM para f(x)=x2f(x) = x^2.
  39. Ex. 10.39ChallengeAnswer key

    EJU-style. Para f(x)=x26x+8f(x) = x^2 - 6 x + 8: (a) raízes; (b) vértice; (c) maior intervalo onde ff é injetora; (d) inversa nesse intervalo.

    Show solution
    (a) Raízes: (x2)(x4)=0x=2,4(x-2)(x-4) = 0 \Rightarrow x = 2, 4. (b) Vértice: xv=3x_v = 3, yv=1y_v = -1. (c) Para injetora, restrinja a [3,+)[3, +\infty). (d) Inversa: f1(x)=3+x+1f^{-1}(x) = 3 + \sqrt{x+1}, com Dom(f1)=[1,+)\text{Dom}(f^{-1}) = [-1, +\infty).
    Show step-by-step (with the why)
    1. (a) Raízes. x26x+8=(x2)(x4)=0x^2 - 6x + 8 = (x-2)(x-4) = 0.
    2. (b) Vértice. xv=6/2=3x_v = 6/2 = 3; yv=918+8=1y_v = 9 - 18 + 8 = -1. Vértice (3,1)(3, -1).
    3. (c) Injetividade. Quadrática com concavidade positiva é decrescente em (,3](-\infty, 3] e crescente em [3,+)[3, +\infty). Escolha um ramo — convencionalmente [3,+)[3, +\infty).
    4. (d) Inversa. Complete o quadrado: f(x)=(x3)21f(x) = (x-3)^2 - 1. Inverta: y=(x3)21x=3+y+1y = (x-3)^2 - 1 \Rightarrow x = 3 + \sqrt{y+1}. Logo f1(x)=3+x+1f^{-1}(x) = 3 + \sqrt{x+1}.
    5. Check. f1(0)=4f^{-1}(0) = 4; f(4)=0f(4) = 0 ✓.

    Macete: para inverter quadrática, complete o quadrado primeiro — fica claro qual raiz escolher com base no ramo de injetividade.

  40. Ex. 10.40Challenge

    Resolva o sistema {log2x+log2y=5xy=16\begin{cases} \log_2 x + \log_2 y = 5 \\ x - y = 16 \end{cases} com x,y>0x, y > 0.

    Show solution
    Resolva o sistema: Da 1.ª equação: log2(xy)=5xy=32\log_2(xy) = 5 \Rightarrow xy = 32. Da 2.ª: y=x16y = x - 16. Substituindo: x(x16)=32x216x32=0x(x-16) = 32 \Rightarrow x^2 - 16x - 32 = 0. Bhaskara: x=8±46x = 8 \pm 4\sqrt{6}. Para x,y>0x, y > 0: x=8+4617,8x = 8 + 4\sqrt{6} \approx 17{,}8, y=4681,8y = 4\sqrt{6} - 8 \approx 1{,}8.
  41. Ex. 10.41Challenge

    Resolva o sistema de inequações {1x<4(x3)21\begin{cases} 1 \leq x < 4 \\ (x - 3)^2 \leq 1 \end{cases}. Expresse a solução em notação de intervalo.

    Show solution
    Interseção do sistema: 1x<41 \leq x < 4 e (x3)212x4(x-3)^2 \leq 1 \Rightarrow 2 \leq x \leq 4. Interseção: [2,4)[2,4]=[2,4)[2, 4) \cap [2, 4] = [2, 4).
  42. Ex. 10.42Challenge

    Para f(x)=(2x1)/(x+3)f(x) = (2 x - 1)/(x + 3): (a) determine domínio e imagem; (b) verifique se é injetora; (c) encontre a inversa f1f^{-1}.

    Show solution
    (a) Denominador zero em x=3x = -3; assíntota horizontal em y=2y = 2: Dom=R{3}\text{Dom} = \mathbb{R} \setminus \{-3\}, Im=R{2}\text{Im} = \mathbb{R} \setminus \{2\}. (b) Injetora se adbc=23(1)(1)=70ad - bc = 2 \cdot 3 - (-1)(1) = 7 \neq 0. (c) Inversão: y(x+3)=2x1x(y2)=3y1f1(x)=(3x+1)/(2x)y(x+3) = 2x - 1 \Rightarrow x(y-2) = -3y - 1 \Rightarrow f^{-1}(x) = (3x+1)/(2-x).
  43. Ex. 10.43ChallengeAnswer key

    Determine aa tal que f(x)=e2x+aex+1f(x) = e^{2 x} + a e^x + 1 tenha mínimo igual a zero em R\mathbb{R}.

    Show solution
    Substitua u=exu = e^x (u>0u > 0): g(u)=u2+au+1g(u) = u^2 + au + 1. Vértice em u=a/2u^* = -a/2; mínimo = 1a2/41 - a^2/4. Para mínimo zero: a2=4a=±2a^2 = 4 \Rightarrow a = \pm 2. Para u=a/2>0u^* = -a/2 > 0: exige a<0a < 0. Logo a=2a = -2.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Substitua u=ex>0u = e^x > 0. f=u2+au+1f = u^2 + au + 1 — quadrática em uu com concavidade positiva.
    2. Vértice. Mínimo em u=a/2u^* = -a/2; valor mínimo: f_\min = 1 - a^2/4.
    3. Imponha f_\min = 0. 1a2/4=0a=±21 - a^2/4 = 0 \Rightarrow a = \pm 2.
    4. Restrição u>0u^* > 0. a/2>0a<0a=2-a/2 > 0 \Rightarrow a < 0 \Rightarrow a = -2.
    5. Verificação. a=2a = -2: mínimo em u=1u^* = 1, i.e. ex=1x=0e^x = 1 \Rightarrow x = 0. f(0)=12+1=0f(0) = 1 - 2 + 1 = 0 ✓.

    Macete: sempre que aparecer e2xe^{2x} e exe^x juntos, substitua u=exu = e^x. Não esqueça a restrição u>0u > 0 — ela filtra as soluções inválidas.

  44. Ex. 10.44Challenge

    Suneung-style. Para f(x)=ax+bf(x) = a x + b tal que f(f(x))=4x+9f(f(x)) = 4 x + 9, encontre todos os pares (a,b)(a, b).

    Show solution
    f(f(x))=a(ax+b)+b=a2x+ab+b=4x+9a2=4f(f(x)) = a(ax + b) + b = a^2 x + ab + b = 4x + 9 \Rightarrow a^2 = 4 e b(a+1)=9b(a+1) = 9. Se a=2a = 2: 3b=9b=33b = 9 \Rightarrow b = 3. Se a=2a = -2: b=9b=9-b = 9 \Rightarrow b = -9. Pares: (2,3)(2, 3) ou (2,9)(-2, -9).
  45. Ex. 10.45ChallengeAnswer key

    Ponte para o cálculo. Calcule a TVM de f(x)=x2f(x) = x^2 no intervalo [x0,x0+h][x_0, x_0 + h] em função de x0x_0 e hh. O que acontece quando h0h \to 0? O que essa expressão representa?

    Show solution
    TVM de f(x)=x2f(x) = x^2 em [x0,x0+h][x_0, x_0 + h]: ((x0+h)2x02)/h=(2x0h+h2)/h=2x0+h((x_0 + h)^2 - x_0^2)/h = (2x_0 h + h^2)/h = 2x_0 + h. Quando h0h \to 0: TVM 2x0\to 2x_0 = derivada de x2x^2 em x0x_0. Esta é a definição formal de derivada — o limite da TVM quando o intervalo encolhe a um ponto.
  46. Ex. 10.46Challenge

    Encontre todos os x>0x > 0 tais que xlog10x=100xx^{\log_{10} x} = 100 x. (Aplique log dos dois lados e substitua u=logxu = \log x.)

    Show solution
    Aplique log10\log_{10}: (logx)2=2+logx(\log x)^2 = 2 + \log x. Substitua u=logxu = \log x: u2u2=0u=2u^2 - u - 2 = 0 \Rightarrow u = 2 ou u=1u = -1. Logo x=100x = 100 ou x=1/10x = 1/10.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Log dos dois lados. log10(xlogx)=log10(100x)\log_{10}(x^{\log x}) = \log_{10}(100x). Esquerda: (logx)2(\log x)^2. Direita: 2+logx2 + \log x.
    2. Substitua u=logxu = \log x. u2u2=0u^2 - u - 2 = 0.
    3. Fatore. (u2)(u+1)=0(u-2)(u+1) = 0.
    4. Volte para xx. x=100x = 100 ou x=0,1x = 0{,}1.
    5. Verifique. 100log100=1002=10000=100100100^{\log 100} = 100^2 = 10\,000 = 100 \cdot 100 ✓. (0,1)1=10=1000,1(0{,}1)^{-1} = 10 = 100 \cdot 0{,}1 ✓.

    Macete: sempre que xx aparece como base e expoente simultaneamente, "log dos dois lados" transforma a equação. Aparece em problemas de Olimpíadas e em ML (máxima verossimilhança).

  47. Ex. 10.47Challenge

    Abitur-style. Simplifique log2xlogx8\log_2 x \cdot \log_x 8 para x>0,x1x > 0, x \neq 1. (Use a regra de mudança de base.)

    Show solution
    Regra da mudança de base: logbx=lnx/lnb\log_b x = \ln x / \ln b. Portanto log2xlogx8=(lnx/ln2)(ln8/lnx)=ln8/ln2=log28=3\log_2 x \cdot \log_x 8 = (\ln x/\ln 2) \cdot (\ln 8/\ln x) = \ln 8/\ln 2 = \log_2 8 = 3. A mudança de base converte qualquer logaritmo para natural — a relação entre dois logs na mesma variável cancela lnx\ln x.
  48. Ex. 10.48Challenge

    Determine o domínio e a imagem de f(x)=ln(lnx)f(x) = \ln(\ln x).

    Show solution
    Identifique: Dom(f)={xR:x>0,x1}\text{Dom}(f) = \{x \in \mathbb{R} : x > 0, x \neq 1\}. f(x)=ln(lnx)f(x) = \ln(\ln x): precisa lnx>0x>1\ln x > 0 \Rightarrow x > 1. Portanto Dom(f)=(1,+)\text{Dom}(f) = (1, +\infty). Quando x1+x \to 1^+: ff \to -\infty. Quando x+x \to +\infty: f+f \to +\infty. Imagem: R\mathbb{R}.
  49. Ex. 10.49Challenge

    Desafio integrador. (a) Mostre que f(x)=exf(x) = e^x pode ser decomposta como soma de uma parte par e uma parte ímpar. (b) Identifique essas partes pelos nomes matemáticos canônicos.

    Show solution
    Sejam p(x)=[f(x)+f(x)]/2p(x) = [f(x) + f(-x)]/2 (componente par) e i(x)=[f(x)f(x)]/2i(x) = [f(x) - f(-x)]/2 (componente ímpar). Verificação: p(x)=p(x)p(-x) = p(x) ✓ e i(x)=i(x)i(-x) = -i(x) ✓. Para f(x)=exf(x) = e^x: p(x)=(ex+ex)/2=coshxp(x) = (e^x + e^{-x})/2 = \cosh x (cosseno hiperbólico) e i(x)=(exex)/2=sinhxi(x) = (e^x - e^{-x})/2 = \sinh x (seno hiperbólico). A decomposição mostra que ex=coshx+sinhxe^x = \cosh x + \sinh x.
  50. Ex. 10.50ProofAnswer key

    Demonstre que toda função f:RRf: \mathbb{R} \to \mathbb{R} pode ser escrita como soma de uma função par e uma ímpar.

    Show solution
    Defina p(x)=(f(x)+f(x))/2p(x) = (f(x) + f(-x))/2 e i(x)=(f(x)f(x))/2i(x) = (f(x) - f(-x))/2. Então: p(x)=(f(x)+f(x))/2=p(x)p(-x) = (f(-x) + f(x))/2 = p(x) — par. i(x)=(f(x)f(x))/2=i(x)i(-x) = (f(-x) - f(x))/2 = -i(x) — ímpar. E p(x)+i(x)=f(x)p(x) + i(x) = f(x). ∎
  51. Ex. 10.51Proof

    Demonstre que se a,b>0a, b > 0 e a+b=ca + b = c (constante), então a2+b2a^2 + b^2 é mínimo quando a=b=c/2a = b = c/2.

    Show solution
    Como b=cab = c - a, escreva g(a)=a2+(ca)2=2a22ac+c2g(a) = a^2 + (c-a)^2 = 2a^2 - 2ac + c^2. Quadrática com A=2>0A = 2 > 0; mínimo em a=c/2a^* = c/2. Logo a=b=c/2a = b = c/2. Mínimo: g(c/2)=c2/2g(c/2) = c^2/2. ∎
  52. Ex. 10.52Proof

    Demonstre que logb(xy)=logbx+logby\log_b(x y) = \log_b x + \log_b y para x,y>0x, y > 0 e b>0,b1b > 0, b \neq 1.

    Show solution
    Por definição: blogbx=xb^{\log_b x} = x e blogby=yb^{\log_b y} = y. Produto: blogbxblogby=xyb^{\log_b x} \cdot b^{\log_b y} = xy. Propriedade de potência: blogbx+logby=xyb^{\log_b x + \log_b y} = xy. Aplicando logb\log_b: logbx+logby=logb(xy)\log_b x + \log_b y = \log_b(xy). ∎
  53. Ex. 10.53ProofAnswer key

    Demonstre que a composição de duas funções injetoras é injetora.

    Show solution
    Se ff e gg são injetoras, mostre que fgf \circ g é injetora. Suponha (fg)(x1)=(fg)(x2)(f \circ g)(x_1) = (f \circ g)(x_2), i.e. f(g(x1))=f(g(x2))f(g(x_1)) = f(g(x_2)). Como ff é injetora: g(x1)=g(x2)g(x_1) = g(x_2). Como gg é injetora: x1=x2x_1 = x_2. ∎
  54. Ex. 10.54Proof

    Demonstre que f(x)=axf(x) = a^x é estritamente crescente quando a>1a > 1, usando a definição de função crescente.

    Show solution
    Para a>1a > 1 e x1<x2x_1 < x_2: mostre que ax1<ax2a^{x_1} < a^{x_2}. Diferença: ax2ax1=ax1(ax2x11)a^{x_2} - a^{x_1} = a^{x_1}(a^{x_2 - x_1} - 1). Como ax1>0a^{x_1} > 0 e x2x1>0x_2 - x_1 > 0: ax2x1>a0=1a^{x_2 - x_1} > a^0 = 1 (exponencial crescente). Logo ax2ax1>0a^{x_2} - a^{x_1} > 0, ou seja ax1<ax2a^{x_1} < a^{x_2}. ∎
  55. Ex. 10.55Proof

    Demonstre que a taxa de variação média de f(x)=ax+bf(x) = ax + b é sempre igual a aa, independente do intervalo escolhido. Contraste com o comportamento da função quadrática.

    Show solution
    Para f(x)=ax+bf(x) = ax + b com a0a \neq 0, a TVM em qualquer [x1,x2][x_1, x_2] (com x1x2x_1 \neq x_2) é: (f(x2)f(x1))/(x2x1)=(ax2+bax1b)/(x2x1)=a(x2x1)/(x2x1)=a(f(x_2) - f(x_1))/(x_2 - x_1) = (ax_2 + b - ax_1 - b)/(x_2 - x_1) = a(x_2 - x_1)/(x_2 - x_1) = a. A TVM é sempre aa, independente do intervalo. ∎ Esse resultado é o oposto da quadrática (TVM = a+ba + b, depende de aa e bb) e da exponencial (TVM varia com o intervalo).

Fontes

Apenas livros que alimentaram diretamente o texto e os exercícios. Catálogo geral em /livros.

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Updated on 2026-05-05 · Author(s): Clube da Matemática

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