Médio
Logaritmos
Ensino Médio: Logaritmos
  • A hipérbole equilátera
  • Definição de Logaritmo
  • Propriedades gerais
  • Simplificações matemáticas
  • Base para um logaritmo
  • Logaritmo decimal
  • Definição estranha de logaritmo
  • Cálculo de logaritmos
  • Característica e mantissa
  • Tábua logaritmos on-line

 

A hipérbole equilátera

Seja a função real f(x)=1/x definida para todo x diferente de zero. O gráfico desta função é a curva plana denominada hipérbole equilátera, sendo que um ramo da hipérbole está no primeiro quadrante e o outro está localizado no terceiro quadrante.

Esta curva tem importantes aplicações em Ótica e construções de óculos, lentes, telescópios, estudos de química, estudos em economia, etc.

 

Definição de Logaritmo

O logaritmo natural (ou neperiano) de u, muitas vezes, denotado por Ln(u), pode ser definido do ponto de vista geométrico, como a área da região plana localizada sob o gráfico da curva y=1/x, acima do eixo y=0, entre as retas x=1 e x=u, que está no desenho colorido de vermelho.

A área em vermelho representa o logaritmo natural de u, denotado por Ln(u). Em função do gráfico, em anexo, usaremos a definição:

Ln(u)=área(1,u)

Se u>1, a região possuirá uma área bem definida, mas tomando u=1, a região se reduzirá a uma linha vertical (que não posssui área ou seja, possui área nula) e neste caso tomaremos Ln(1)=área(1,1). Assim:

Ln(1)=0

Quando aumentamos os valores de u, esta função também aumenta os seus valores, o que significa que esta função é crescente para valores de u>0.

O conceito de Integral de uma função real, normalmente estudado na disciplina Cálculo Diferencial e Integral, justifica a forma como apresentamos o Logaritmo natural de um número real.

 

Propriedades gerais dos logaritmos

Com o uso deste conceito fundamental da Matemática, é possível demonstrar várias propriedades dos Logaritmos naturais (o que não será feito aqui), para números reais positivos x e y e para qualquer número real k, desde que tenham sentido as expressões matemáticas:

Propriedades básicas dos logaritmos naturais

  1. Ln(1)=0
  2. Ln(x.y)=Ln(x)+Ln(y)
  3. Ln(xk)=k.Ln(x)
  4. Ln(x/y)=Ln(x)-Ln(y)

 

Algumas simplificações matemáticas

As propriedades dos Logaritmos podem ser usadas para simplificar expressões matemáticas.

Exemplos:

  1. Ln(5)+4.Ln(3)=Ln(5)+Ln(34=Ln(5.34)=Ln(405)

  2. (1/2)Ln(4t²)-Ln(t)=Ln[(4t²)½]-Ln(t)=Ln(2), se t>0

  3. Ln(a)+L(b)-Ln(c)+Ln(10)=Ln(10a.b/c)

Exercício: Qual dos números é o menor: 2.Ln(3) ou 3.Ln(2)? Observamos que:

2 Ln(3) = Ln(3²) = Ln(9)
3 Ln(2) = Ln(2³) = Ln(8)

e como a função Ln é crescente, então:

3 Ln(2) = Ln(8)<Ln(9) = 2 Ln(3)

 

Base para um logaritmo

Existe um importante número real e=2,71828… (atribuído a Euler) tal que

Ln(e) = 1

A partir da observação anterior, o número e representa a base para os logaritmos naturais e poderemos escrever:

Ln(u) = Loge(u)

que lemos como “logaritmo do número real u na base e”.

A partir do exposto acima, temos uma propriedade que possibilita a mudança logarítmica de uma base positiva para outra base positiva, sendo que ambas devem ser diferentes de 1.

Loga(b) = Ln(b) / Ln(a)

Exercício: Você saberia a razão pela qual não é possível definir logaritmo de um número na base 1?

 

Logaritmo decimal

No âmbito do Ensino Médio, usa-se bastante a base 10, uma vez que neste ambiente a base decimal recebe as preferências para o trabalho com o nosso sistema de numeração, mas devemos observar que em contextos mais avançados, a base decimal tem pouca utilidade. Quando escrevermos Log a partir daqui neste trabalho, entenderemos o Logaritmo na base decimal e escrevemos:

y = Log(x)

para entender que y é o Logaritmo de x na base 10 e nesta base 10, temos algumas características interessantes com os logaritmos das potências de 10

  1. Log(1)=0
  2. Log(0) não tem sentido
  3. Log(10)=Log(101)=1
  4. Log(1/10)=Log(10-1)=-1
  5. Log(100)=Log(10²)=2
  6. Log(1/100)=Log(10-2)=-2
  7. Log(1000)=Log(10³)=3
  8. Log(1/1000)=Log(10-3)=-3
  9. Log(10n)=n
  10. Log(10-n)=-n

A partir da propriedade

Log 10n=n

temos que o Logaritmo de 10n na base 10 é o expoente n, o que nos faz pensar que para todo x real positivo vale a relação:

Log(10x) = x

 

Definição estranha de logaritmo

A última expressão mostrada acima é correta e existe uma outra relação muito mais geral do que esta, pois o Logaritmo de um número real positivo x na base b é igual ao número e se, e somente se, x pode ser escrito como a potência b elevada ao expoente e, isto é:

Logb(x) = e se, e somente se, x = be

Em livros de Matemática elementar, esta é tomada como a definição de Logaritmo de um número em uma certa base, o que é estranho pois tal definição é cíclica:

  • Define-se o logarítmo em função da exponencial;

  • Define-se a exponencial em função do logaritmo.

 

Cálculos de logaritmos de alguns números

Com a definição estranha é possível obter o um valor aproximado para o Log(2). Consideremos que y=Log(2) e 10y=2. Inicialmente, temos que Log(2) é positivo e menor do que 1, pois 1<2<10 assim

0<Log(2)<1

É interessante obter dois números que sejam potências de 2 e que estejam muito próximos de potências de 10.

Por exemplo:

1000<1024=210
8192=213<10000,

logo 1000<1024<8192<10000, assim, aplicando o logaritmo de base 10, teremos:

3<10 Log(2)<13 Log(2)<4

então

0,300=3/10<Log(2)<4/13=0,308

e a média aritmética entre 0,300 e 0,308 é 0,304, que é uma boa estimativa para Log(2), isto é:

Log(2)=0,304

O ideal é encontrar outras potências de 10 que estejam próximas de potências de 2, o que não é fácil para alguém que não tenha uma calculadora que opere com muitos decimais, o que pode ser visualizado através da tabela mostrando algumas de tais potências:

Intervalo Valores Média
1<2 <10 0<Log(2)<1 0,500
1<2²<10 0<Log(2)<1/2 0,250
10<24<10² 1/4<Log(2)<2/4 0,375
10<25<10² 1/5<Log(2)<2/5 0,300
10<26<10² 1/6<Log(2)<2/6 0,250
10²<28<10³ 2/8<Log(2)<3/8 0,313
10³<210<104 3/10<Log(2)<4/10 0,350
10³<211<104 3/11<Log(2)<4/11 0,318
10³<212<104 3/12<Log(2)<4/12 0,292
10³<213<104 3/13<Log(2)<4/13 0,269
104<214<105 4/14<Log(2)<5/14 0,321
104<215<105 4/15<Log(2)<5/15 0,300
104<216<105 4/16<Log(2)<5/16 0,282
105<217<106 5/17<Log(2)<6/17 0,393
105<218<106 5/18<Log(2)<6/18 0,306
105<219<106 5/19<Log(2)<6/19 0,289
106<220<107 6/20<Log(2)<7/20 0,325

 

Em Cálculo Diferencial e Integral, podemos desenvolver a função Ln através de uma série de potências de x para calcular logaritmos de números reais positivos com -1<x<1.

Ln(1+x) = x – (1/2) x² + (1/3) x³ – (1/4) x4 + (1/5) x5 + …

Uma outra série mais eficiente, permite obter o valor de Ln(y) para qualquer y real desde que se saiba o valor de x para o qual y=(1+x)/(1-x).

Ln(y) = 2 [ x + (1/3) x³ + (1/5) x5 + (1/7) x7 + … ]

Por exemplo, para obter Ln(3), tomamos y=3 e deveremos ter x=1/2 para satisfazer à relação y=(1+x)/(1-x).

Voltando ao estudo básico, Log(2)=0,3010299956639812… e com este valor, podemos obter os logaritmos das potências de 2, como por exemplo:

  1. Log(4)=Log(2²)=2Log(2)=0,60206
  2. Log(8)=Log(2³)=3Log(2)=0,90309
  3. Log(16)=Log(24)=4Log(2)=1,20412
  4. Log(32)=Log(25)=5Log(2)=1,50515
  5. Log(2n)=n.Log(2)
  6. Log(1/2)=Log(2-1)=(-1)Log(2)=-0,30103
  7. Log(1/4)=Log(2-2)=(-2)Log(2)=-0,60206
  8. Log(1/8)=Log(2-3)=(-3)Log(2)=-0,90309
  9. Log(1/16)=Log(2-4)=(-4)Log(2)=-1,20412
  10. Log(1/32)=Log(2-5)=(-5)Log(2)=-1,50515
  11. Log(2-n)=(-n).Log(2)

Temos também que Log(3)=0,47712, o que nos permite realizar uma grande quantidade de cálculos com logaritmos.

Com Log(2) e Log3, não é possível calcular os logaritmos dos números primos maiores do que 5, mas é possível obter uma grande quantidade de logaritmos de números naturais.

Exemplo: Usaremos Log(2)=0,301 e Log(3)=0,477, para calcular alguns logaritmos.

  1. Log(5)=Log(10/2)=Log(10)-Log(2)=1-0,301=0,699

  2. Log(6)=Log(2.3)=Log(2)+Log(3)=0,301+0,477=0,778

  3. Log(8)=Log(2³)=3 Log(2)=0,903
  4. Log(9)=Log(3²)=2 Log(3)=0,954

Uma estimativa razoável para Log(7)=0,8451 pode ser obtida com a média aritmética entre Log(6) e Log(8), isto é:

Log(7)=0,840

 

Característica e mantissa de um logaritmo na base 10

Se um número está entre duas potências consecutivas de 10, o expoente da menor delas é a característica do logaritmo deste número e a diferença entre o logaritmo do número e a característica é a mantissa que é a parte decimal do logaritmo.

Observação: Na tabela abaixo aparece o sinal negativo para o logaritmo apenas para o número que está antes da vírgula.

Número Logaritmo Característica Mantissa
0,002 ¯3,30103 -3 0,30103
0,02 ¯2,30103 -2 0,30103
0,2 ¯1,30103 -1 0,30103
2 0,30103 0 0,30103
20 1,30103 1 0,30103
200 2,30103 2 0,30103
2000 3,30103 3 0,30103

Esta notação simplifica operações com logaritmos, visando mostrar que, se a divisão de dois números é um múltiplo de 10, basta mudar a característica e preservar a mantissa do logaritmo. Isto poderá ser observado na Tábua moderna de logaritmos que aparece no final desta Página.

¯3,30103 significa que apenas a característica é negativa, valendo -3 e ela deve ser somada à mantissa que é um número positivo 0,30103 e isto significa que o resultado deve ser um número com um sinal negativo, isto é, -2,69897.

Médio
Logaritmos: Exercícios
Ensino Médio: Logaritmos: Exercícios

 

Usaremos as notações: R[z] para a raiz quadrada de z>0 e x/y=x÷y.

  1. Cálculo do logaritmo (base 10) com o browser: Para obter o logaritmo de um número N na base 10, com o browser, basta escrever:
    javascript:Math.log(N)/Math.log(10)
    

    na caixa branca de seu browser que indica o endereço (location) desta página. Após obter o resultado, use o botão voltar (back) para retornar.

    Com base nesta informação, obter:

    1. log10(0,01234)
    2. log10(0,1234)
    3. log10(1,234)
    4. log10(12,34)
    5. log10(123,4)
    6. log10(1234)
  2. Cálculo do logaritmo natural com o browser: Para obter o logaritmo natural de um número N, basta usar escrever:
    javascript:Math.log(N)

    na caixa branca de seu browser que indica o endereço (location) desta página. Após obter o resultado, use o botão voltar (back) para retornar.

    Com base nesta informação, obter:

    1. Ln(0,01234)
    2. Ln(0,1234)
    3. Ln(1,234)
    4. Ln(12,34)
    5. Ln(123,4)
    6. Ln(1234)
  3. Determinar o valor de x para o qual:
    1. logx(128) = 7
    2. log2(8) = x
    3. log4(x) = 3
    4. log1/2(2) = x
    5. log2(1/2) = x
    6. log3/4(4/3) = x
  4. Calcular o logaritmo de:
    1. 27 na base R[3]
    2. R[3] na base 27
    3. 25 na base R[5]
    4. R[5] na base 25
  5. Qual é o valor de x se o logaritmo do número 16/25 na base x é 2?
  6. Seja x um número real positivo. Qual é o valor da base b para que o logaritmo de x na base b:
    1. seja igual a 0.
    2. seja igual a 1.
    3. seja igual a -1.
  7. Usando as propriedades dos logaritmos:

    logb(A.B)=logb(A)+logb(B)
    logb(A/B)=logb(A)-logb(B)
    logb(An)=n.logb(A)

    desenvolver o logaritmo de W em uma base b, para cada expressão:

    1. W=7x²y-3 R[z]
    2. W=7x2/3y3/4
    3. W=7x²/y³
    4. W=(abcd)/(efgh)
  8. Usando o fato que:

    logb(M)=loga(M)/loga(b)

    determinar log2(1024), log2(32) e log128(1024).

  9. Se log10(2)=0,30103 e log10(3)=0,47712, determinar:
    1. log10(18)
    2. log10(16)
    3. log10(50)
    4. log10(250)
  10. e=2,71828… é conhecido como número de Euler. O logaritmo natural (ou neperiano) é o logaritmo na base e, denotado por Ln(N)=loge(N). Se Ln(2)=0,69315 e Ln(10)=2,30259, obter:
    1. log10(2)
    2. Ln(5)
    3. Ln(4)
    4. Ln(20)
  11. Qual é a característica de cada logaritmo indicado:
    1. log10(0,001)
    2. log10(0,01)
    3. log10(0,1)
    4. log10(1)
    5. log10(10)
    6. log10(100)
    7. log10(1000)
  12. Obter as características dos logaritmos:
    1. log2(65/1024)
    2. log2(650/1024)
    3. log2(6500/1024)
    4. log2(65000/1024)
  13. Obter as mantissas dos logaritmos:
    1. log10(0,002)
    2. log10(0,02)
    3. log10(0,2)
    4. log10(2)
    5. log10(20)
    6. log10(200)
    7. log10(2000)
  14. Se a mantissa de log101234 é igual a 0,091315, obter:
    1. log10(1234)
    2. log10(123,4)
    3. log10(12,34)
    4. log10(1,234)
    5. log10(0,1234)
    6. log10(0,01234)
    7. log10(0,001234)
  15. Com o browser, podemos obter o valor de x para o qual log10(x)=1,234. Basta elevar o número 10 à potência 1,234, o que pode ser obtido pelo método seguinte. Escrever:
    javascript:Math.pow(10,1.234)

    na caixa branca de seu browser que indica o endereço (location) desta página. Após obter o resultado, use o botão voltar (back) para retornar.

    Com base nesta informação, obter:

    1. log10(0,1234)
    2. log3(1,234)
    3. log2(12,34)
    4. log9(123,4)
    5. log25(1234)
    6. log50(12340)
    7. log100(1234)
  16. Usando logaritmos, determinar x tal que
    1. 3x = 5
    2. (12,34)x = 56,78
    3. (12,34)(x+1) = 56,78
    4. (12,34)(3x-1) = 56,78
    5. (12,34)(x+1) = 56,78
    6. (12/34)x = 56/78
    7. 3(x+1)/x = 7x
    8. 3(x+1)/x 5x = 10x
  17. Resolver as equações logarítmicas:
    1. 2 log(x)-2=log(x-3)
    2. log(R[5x+1])+log(R[7x+4])-log(20)=0

    3. log2(x-1)=log4(x+1)

  18. Resolver os sistemas de equações logarítmicas:

    1. x+y=13
      log(x)+log(y)=log(36)
    2. x+y=5
      log(x)+log(y)=2
    3. x+y=29
      log(x)+log(y)=2
    4. xy=yx
      x²=y³
    5. 2x+y=64
      log(x)+log(y)=log(8)

Construída por Ulysses Sodré.
Médio
Funções Exponenciais
Ensino Médio: Funções Exponenciais
  • A função exponencial
  • A Constante e de Euler
  • Conexão entre exp e o número e
  • Significado geométrico de e
  • Propriedades básicas
  • Simplificações matemáticas
  • Outras funções exponenciais
  • Leis dos expoentes
  • Relação de Euler
  • Algumas Aplicações
  • Resfriamento dos corpos
  • Curvas de aprendizagem
  • Crescimento populacional
  • Desintegração radioativa

 

A função exponencial

A função exponencial natural é a função exp:RR+, definida como a inversa da função logarítmo natural, isto é:

Ln[exp(x)]=x, exp[Ln(x)]=x

O gráfico da função exponencial é obtido pela reflexão do gráfico da função Logaritmo natural em relação à identidade dada pela reta y=x.

Como o domínio da função Logaritmo natural é o conjunto dos números reais positivos, então a imagem da função exp é o conjunto dos números reais positivos e como a imagem de Ln é o conjunto R de todos os números reais, então o domínio de exp também é o conjunto R de todos os números reais.

 

Observação: Através do gráfico de f(x)=exp(x), observamos que:

1. exp(x)>0   se x é real)
2. 0<exp(x)<1 se x<0
3. exp(x)=1   se x=0
4. exp(x)>1   se x>0

No Ensino Médio, a função exponencial é definida a partir da função logarítmica e ciclicamente define-se a função logarítmica em função da exponencial como:

f(x)=exp(x), se e somente se, x=Ln(y)

Para uma definição mais cuidadosa, veja Logaritmos.

Exemplos:

  1. Ln[exp(5)]=5
  2. exp[ln(5)]=5
  3. Ln[exp(x+1)1/2]=(x+1)1/2
  4. exp[Ln((x+1)1/2]=(x+1)1/2
  5. exp[3.Ln(x)]=exp(Ln(x³)]=x³
  6. exp[k.Ln(x)]=exp[Ln(xk)]=xk
  7. exp[(7(Ln(3)-Ln(4)]=exp[7(Ln(3/4))]=exp[(Ln(3/4)]7)=(3/4)7

 

A Constante e de Euler

Existe uma importantíssima constante matemática definida por

e = exp(1)

O número e é um número irracional e positivo e em função da definição da função exponencial, temos que:

Ln(e)=1

Este número é denotado por e em homenagem ao matemático suíço Leonhard Euler (1707-1783), um dos primeiros a estudar as propriedades desse número.

O valor deste número expresso com 40 dígitos decimais, é:

e=2,718281828459045235360287471352662497757

 

Conexão entre o número e e a função exponencial

Se x é um número real, a função exponencial exp(.) pode ser escrita como a potência de base e com expoente x, isto é:

ex = exp(x)

 

Significado geométrico de e

Tomando um ponto v do eixo OX, com v>1 tal que a área da região do primeiro quadrante localizada sob a curva y=1/x e entre as retas x=1 e x=v seja unitária, então o valor de v será igual a e.

 

Propriedades básicas da função exponencial

Se x e y são números reais e k é um número racional, então:

  1. y=exp(x) se, e somente se, x=Ln(y).
  2. exp[Ln(y)]=y para todo y>0.
  3. Ln[exp(x)]=x para todo x real.
  4. exp(x+y)=exp(x) exp(y)
  5. exp(x-y)=exp(x)/exp(y)
  6. exp(x.k)=[exp(x)]k

 

Simplificações matemáticas

Podemos simplificar algumas expressões matemáticas com as propriedades das funções exponenciais e logaritmos:

  1. exp[Ln(3)]=3.
  2. Ln[exp(20x)]=20x.
  3. exp[5.Ln(2)]=exp[Ln(25)]=25=32.
  4. exp[2+5.ln(2)]=exp(2)exp(5.Ln(2))=32e².

 

Outras funções exponenciais

Podemos definir outras funções exponenciais como g(x)=ax, onde a é um número real positivo diferente de 1 e de x. Primeiro, consideremos o caso onde o expoente é um número racional r.

Tomando x=ar na equação x=exp[Ln(x)], obtemos:

ar=exp[Ln(ar)]

Como Ln[ar]=r.Ln(a), a relação acima fica na forma:

ar = exp[r.Ln(a)]

Esta última expressão, juntamente com a informação que todo número real pode ser escrito como limite de uma sequência de números racionais, justifica a definição para g(x)=ax, onde x é um número real:

ax=exp[x.Ln(a)]

 

Leis dos expoentes

Se x e y são números reais, a e b são números reais positivos, então:

  1. axay=ax+y
  2. ax/ay=ax-y
  3. (ax) y=ax.y
  4. (a b)x=axbx
  5. (a/b)x=ax/bx
  6. a-x=1/ax

 

Relação de Euler

Se i é a unidade imaginária e x é um número real, então vale a relação:

eix = exp(ix) = cos(x) + i sen(x)

 

Algumas Aplicações

Funções exponenciais desempenham papéis fundamentais na Matemática e nas ciências envolvidas com ela, como: Física, Química, Engenharia, Astronomia, Economia, Biologia, Psicologia e outras. Vamos apresentar alguns exemplos com aplicações destas funções.

Lei do resfriamento dos corpos: Um indivíduo foi encontrado morto em uma sala com temperatura ambiente constante. O legista tomou a temperatura do corpo às 21:00 h e constatou que a mesma era de 32 graus Celsius. Uma hora depois voltou ao local e tomou novamente a temperatura do corpo e constatou que a mesma estava a 30 graus Celsius. Aproximadamente a que horas morreu o indivíduo, sabendo-se que a temperatura média de um corpo humano normal é de 37 graus Celsius?

Partindo de estudos matemáticos pode-se construir uma função exponencial decrescente que passa pelos pontos (21,32) e (22,30) onde abscissas representam o tempo e as ordenadas a temperatura do corpo.

A curva que descreve este fenômeno é uma função exponencial da forma:

f(t) = C eA t

então obtemos que:

A = Ln(30)-Ln(32)
C = 32/ (30/32)21

A função exponencial que rege este fenômeno de resfriamento deste corpo é dada por:

f(t) = 124,09468 e-0,0645385t

e quando f(t) = 37 temos que:

t = 18,7504… = 18 horas + 45 minutos

que pode ser observado através do gráfico.

Observação: Neste exemplo, usamos a construção de um gráfico e as propriedades operatórias das funções exponenciais e logarítmicas.

Curvas de aprendizagem: Devido ao seu uso por psicólogos e educadores na descrição do processo de aprendizagem, as curvas exponenciais realizam um papel importante.

A curva básica para este tipo de estudo é da forma:

f(x) = c – a e-k.x

onde c, a e k são constantes positivas. Considerando o caso especial em que c=a temos uma das equações básicas para descrever a relação entre a consolidação da aprendizagem y=f(x) e o número de reforços x.

A função:

f(x) = c – a e-k.x

cresce rapidamente no começo, nivela-se e então aproxima-se de sua assíntota y=c.

Estas curvas também são estudadas em Economia, na representação de várias funções de custo e produção.

Crescimento populacional: Em 1798, Thomas Malthus, no trabalho “An Essay on the Principle of Population” formulou um modelo para descrever a população presente em um ambiente em função do tempo. Considerou N=N(t) o número de indivíduos em certa população no instante t. Tomou as hipóteses que os nascimentos e mortes naquele ambiente eram proporcionais à população presente e a variação do tempo conhecida entre os dois períodos. Chegou à seguinte equação para descrever a população presente em um instante t:

N(t)=No ert

onde No é a população presente no instante inicial t=0 e r é uma constante que varia com a espécie de população.

O gráfico correto desta função depende dos valores de No e de r. Mas sendo uma função exponencial, a forma do gráfico será semelhante ao da função y=Kex.

Este modelo supõe que o meio ambiente tenha pouca ou nenhuma influência sobre a população.

Desse modo, ele é mais um indicador do potencial de sobrevivência e de crescimento de cada espécie de população do que um modelo que mostre o que realmente ocorre.

Consideremos por exemplo uma população de bactérias em um certo ambiente. De acordo com esta equação se esta população duplicar a cada 20 minutos, dentro de dois dias, estaria formando uma camada em volta da terra de 30 cm de espessura. Assim, enquanto os efeitos do meio ambiente são nulos, a população obedece ao modelo N=Noert. Na realidade, se N=N(t) aumenta, o meio ambiente oferece resistência ao seu crescimento e tende a mantê-lo sobre controle. Exemplos destes fatores são, a quantidade disponível de alimentos, acidentes, guerras, epidemias,…

Como aplicação numérica, consideremos uma colônia de bactérias se reproduzindo normalmente. Se num certo instante havia 200 bactérias na colônia, passadas 12 horas havia 600 bactérias. Quantas bactérias haverá na colônia após 36 horas da última contagem?

No instante inicial havia 200 bactérias, então No=200, após 12 horas havia 600 bactérias, então

N(12)=600=200 er12

logo

e12r=600/200=3

assim

ln(e12r)=ln(3)

Como Ln e exp são funções inversas uma da outra, segue que 12r=ln(3), assim:

r=ln(3)/12=0,0915510

Finalmente:

N(48) = 200 e48.(0,0915510) = 16200 bactérias

Então, após 36 horas da útima contagem ou seja, 48 horas do início da contagem, haverá 16200 bactérias.

Desintegração radioativa: Os fundamentos do estudo da radioatividade ocorrerram no início do século por Rutherford e outros. Alguns átomos são naturalmente instáveis, de tal modo que após algum tempo, sem qualquer influência externa sofrem transições para um átomo de um novo elemento químico e durante esta transição eles emitem radiações. Rutherford formulou um modelo para descrever o modo no qual a radioatividade decai. Se N=N(t) representa o número de átomos da substância radioativa no instante t, No o número de átomos no instante t=0 e k é uma constante positiva chamada de constante de decaimento, então:

N(t) = No e-k.t

esta constante de decaimento k, tem valores diferentes para substâncias diferentes, constantes que são obtidas experimentalmente.

Na prática usamos uma outra constante T, denominada meia-vida do elemento químico, que é o tempo necessário para que a quantidade de átomos da substância decaia pela metade.

Se N=No/2 para t=T, temos

No/2 = No e-k.T

assim

T=Ln(2)/k

Na tabela, apresentamos indicadores de meia-vida de alguns elementos químicos:

Substância Meia-vida T
Xenônio 133 5 dias
Bário 140 13 dias
Chumbo 210 22 anos
Estrôncio 90 25 anos
Carbono 14 5.568 anos
Plutônio 23.103 anos
Urânio 238 4.500.000.000 anos

Para o Carbono 14, a constante de decaimento é:

k = Ln(2)/T = Ln(2)/5568 = 12,3386 por ano


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Médio
Análise Combinatória
Ensino Médio: Análise Combinatória
  • Introdução Análise Combinatória
  • Arranjos
  • Permutações
  • Combinações
  • Regras gerais Combinatória
  • Arranjos simples
  • Permutações simples
  • Combinações simples
  • Arranjos c/ repetição
  • Permutações c/ repetição
  • Combinações c/ repetição
  • Propr. das combinações
  • Número binomial
  • Teorema binomial

 

Temos uma página sobre Análise Combinatória com Exercícios com os conceitos utilizados, respostas ou comentários.

 

Introdução à Análise Combinatória

Análise Combinatória é um conjunto de procedimentos que possibilita a construção de grupos diferentes formados por um número finito de elementos de um conjunto sob certas circunstâncias.

Na maior parte das vezes, tomaremos conjuntos Z com m elementos e os grupos formados com elementos de Z terão p elementos, isto é, p será a taxa do agrupamento, com p<m.

Arranjos, Permutações ou Combinações, são os três tipos principais de agrupamentos, sendo que eles podem ser simples, com repetição ou circulares. Apresentaremos alguns detalhes de tais agrupamentos.

Observação: É comum encontrarmos na literatura termos como: arranjar, combinar ou permutar, mas todo o cuidado é pouco com os mesmos, que às vezes são utilizados em concursos em uma forma dúbia!

 

Arranjos

São agrupamentos formados com p elementos, (p<m) de forma que os p elementos sejam distintos entre sí pela ordem ou pela espécie. Os arranjos podem ser simples ou com repetição.

Arranjo simples: Não ocorre a repetição de qualquer elemento em cada grupo de p elementos.

Fórmula: As(m,p) = m!/(m-p)!

Cálculo para o exemplo: As(4,2) = 4!/2!=24/2=12.

Exemplo: Seja Z={A,B,C,D}, m=4 e p=2. Os arranjos simples desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 12 grupos que não podem ter a repetição de qualquer elemento mas que podem aparecer na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto:

As={AB,AC,AD,BA,BC,BD,CA,CB,CD,DA,DB,DC}

Arranjo com repetição: Todos os elementos podem aparecer repetidos em cada grupo de p elementos.

Fórmula: Ar(m,p) = mp.

Cálculo para o exemplo: Ar(4,2) = 42=16.

Exemplo: Seja C={A,B,C,D}, m=4 e p=2. Os arranjos com repetição desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 16 grupos que onde aparecem elementos repetidos em cada grupo. Todos os agrupamentos estão no conjunto:

Ar={AA,AB,AC,AD,BA,BB,BC,BD,CA,CB,CC,CD,DA,DB,DC,DD}

Arranjo condicional: Todos os elementos aparecem em cada grupo de p elementos, mas existe uma condição que deve ser satisfeita acerca de alguns elementos.

Fórmula: N=A(m1,p1).A(m-m1,p-p1)

Cálculo para o exemplo: N=A(3,2).A(7-3,4-2)=A(3,2).A(4,2)=6×12=72.

Exemplo: Quantos arranjos com 4 elementos do conjunto {A,B,C,D,E,F,G}, começam com duas letras escolhidas no subconjunto {A,B,C}?

Aqui temos um total de m=7 letras, a taxa é p=4, o subconjunto escolhido tem m1=3 elementos e a taxa que este subconjunto será formado é p1=2. Com as letras A,B e C, tomadas 2 a 2, temos 6 grupos que estão no conjunto:

PABC = {AB,BA,AC,CA,BC,CB}

Com as letras D,E,F e G tomadas 2 a 2, temos 12 grupos que estão no conjunto:

PDEFG = {DE,DF,DG,ED,EF,EG,FD,FE,FG,GD,GE,GF}

Usando a regra do produto, teremos 72 possibilidades obtidas pela junção de um elemento do conjunto PABC com um elemento do conjunto PDEFG. Um típico arranjo para esta situação é CAFG.

 

Permutações

Quando formamos agrupamentos com m elementos, de forma que os m elementos sejam distintos entre sí pela ordem. As permutações podem ser simples, com repetição ou circulares.

Permutação simples: São agrupamentos com todos os m elementos distintos.

Fórmula: Ps(m) = m!.

Cálculo para o exemplo: Ps(3) = 3!=6.

Exemplo: Seja C={A,B,C} e m=3. As permutações simples desses 3 elementos são 6 agrupamentos que não podem ter a repetição de qualquer elemento em cada grupo mas podem aparecer na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto:

Ps={ABC,ACB,BAC,BCA,CAB,CBA}

Permutação com repetição: Dentre os m elementos do conjunto C={x1,x2,x3,…,xn}, faremos a suposição que existem m1 iguais a x1, m2 iguais a x2, m3 iguais a x3, … , mn iguais a xn, de modo que m1+m2+m3+…+mn=m.

Fórmula: Se m=m1+m2+m3+…+mn, então

Pr(m)=C(m,m1).C(m-m1,m2).C(m-m1-m2,m3) … C(mn,mn)

Anagrama: Um anagrama é uma (outra) palavra construída com as mesmas letras da palavra original trocadas de posição.

Cálculo para o exemplo: m1=4, m2=2, m3=1, m4=1 e m=6, logo: Pr(6)=C(6,4).C(6-4,2).C(6-4-1,1)=C(6,4).C(2,2).C(1,1)=15.

Exemplo: Quantos anagramas podemos formar com as 6 letras da palavra ARARAT. A letra A ocorre 3 vezes, a letra R ocorre 2 vezes e a letra T ocorre 1 vez. As permutações com repetição desses 3 elementos do conjunto C={A,R,T} em agrupamentos de 6 elementos são 15 grupos que contêm a repetição de todos os elementos de C aparecendo também na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto:

Pr={AAARRT,AAATRR,AAARTR,AARRTA,AARTTA,
AATRRA,AARRTA,ARAART,ARARAT,ARARTA,
ARAATR,ARAART,ARAATR,ATAARA,ATARAR}

Permutação circular: Situação que ocorre quando temos grupos com m elementos distintos formando uma circunferência de círculo.

Fórmula: Pc(m)=(m-1)!

Cálculo para o exemplo: P(4)=3!=6

Exemplo: Seja um conjunto com 4 pessoas K={A,B,C,D}. De quantos modos distintos estas pessoas poderão sentar-se junto a uma mesa circular (pode ser retangular) para realizar o jantar sem que haja repetição das posições?

Se considerássemos todas as permutações simples possíveis com estas 4 pessoas, teriamos 24 grupos, apresentados no conjunto:

Pc={ABCD,ABDC,ACBD,ACDB,ADBC,ADCB,BACD,BADC,
BCAD,BCDA,BDAC,BDCA,CABD,CADB,CBAD,CBDA,
CDAB,CDBA, DABC,DACB,DBAC,DBCA,DCAB,DCBA}

Acontece que junto a uma mesa “circular” temos que:

ABCD=BCDA=CDAB=DABC
ABDC=BDCA=DCAB=CABD
ACBD=CBDA=BDAC=DACB
ACDB=CDBA=DBAC=BACD
ADBC=DBCA=BCAD=CADB
ADCB=DCBA=CBAD=BADC

Existem somente 6 grupos distintos, dados por:

Pc={ABCD,ABDC,ACBD,ACDB,ADBC,ADCB}

 

Combinações

Quando formamos agrupamentos com p elementos, (p<m) de forma que os p elementos sejam distintos entre sí apenas pela espécie.

Combinação simples: Não ocorre a repetição de qualquer elemento em cada grupo de p elementos.

Fórmula: C(m,p) = m!/[(m-p)! p!]

Cálculo para o exemplo: C(4,2)=4!/[2!2!]=24/4=6

Exemplo: Seja C={A,B,C,D}, m=4 e p=2. As combinações simples desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 6 grupos que não podem ter a repetição de qualquer elemento nem podem aparecer na ordem trocada. Todos os agrupamentos estão no conjunto:

Cs={AB,AC,AD,BC,BD,CD}

Combinação com repetição: Todos os elementos podem aparecer repetidos em cada grupo até p vezes.

Fórmula: Cr(m,p)=C(m+p-1,p)

Cálculo para o exemplo: Cr(4,2)=C(4+2-1,2)=C(5,2)=5!/[2!3!]=10

Exemplo: Seja C={A,B,C,D}, m=4 e p=2. As combinações com repetição desses 4 elementos tomados 2 a 2 são 10 grupos que têm todas as repetições possíveis de elementos em grupos de 2 elementos não podendo aparecer o mesmo grupo com a ordem trocada. De um modo geral neste caso, todos os agrupamentos com 2 elementos formam um conjunto com 16 elementos:

Cr={AA,AB,AC,AD,BA,BB,BC,BD,CA,CB,CC,CD,DA,DB,DC,DD}

mas para obter as combinações com repetição, deveremos excluir deste conjunto os 6 grupos que já apareceram antes, pois AB=BA, AC=CA, AD=DA, BC=CB, BD=DB e CD=DC, assim as combinações com repetição dos elementos de C tomados 2 a 2, são:

Cr={AA,AB,AC,AD,BB,BC,BD,CC,CD,DD}

 

Regras gerais sobre a Análise Combinatória

Problemas de Análise Combinatória normalmente são muito difíceis mas eles podem ser resolvidos através de duas regras básicas: a regra da soma e a regra do produto.

Regra da soma: A regra da soma nos diz que se um elemento pode ser escolhido de m formas e um outro elemento pode ser escolhido de n formas, então a escolha de um ou outro elemento se realizará de m+n formas, desde que tais escolhas sejam independentes, isto é, nenhuma das escolhas de um elemento pode coincidir com uma escolha do outro.

Regra do Produto: A regra do produto diz que se um elemento H pode ser escolhido de m formas diferentes e se depois de cada uma dessas escolhas, um outro elemento M pode ser escolhido de n formas diferentes, a escolha do par (H,M) nesta ordem poderá ser realizada de m.n formas.

Exemplo: Consideremos duas retas paralelas ou concorrentes sem que os pontos sob análise estejam em ambas, sendo que a primeira r contem m pontos distintos marcados por r1, r2, r3, …, rm e a segunda s contem n outros pontos distintos marcados por s1, s2, s3, …, sn. De quantas maneiras podemos traçar segmentos de retas com uma extremidade numa reta e a outra extremidade na outra reta?

É fácil ver isto ligando r1 a todos os pontos de s e assim teremos n segmentos, depois ligando r2 a todos os pontos de s e assim teremos n segmentos, e continuamos até o último ponto para obter também n segmentos. Como existem m pontos em r e n pontos em s, teremos m.n segmentos possíveis.

 

Número de Arranjos simples

Seja C um conjunto com m elementos. De quantas maneiras diferentes poderemos escolher p elementos (p<m) deste conjunto? Cada uma dessas escolhas será chamada um arranjo de m elementos tomados p a p. Construiremos uma sequência com os m elementos de C.

c1, c2, c3, c4, c5, …, cm-2, cm-1, cm

Cada vez que um elemento for retirado, indicaremos esta operação com a mudança da cor do elemento para a cor vermelha.

Para escolher o primeiro elemento do conjunto C que possui m elementos, temos m possibilidades. Vamos supor que a escolha tenha caído sobre o m-ésimo elemento de C.

c1, c2, c3, c4, c5, …, cm-2, cm-1, cm

Para escolher o segundo elemento, devemos observar o que sobrou no conjunto e constatamos que agora existem apenas m-1 elementos. Suponhamos que tenha sido retirado o último elemento dentre os que sobraram no conjunto C. O elemento retirado na segunda fase é o (m-1)-ésimo.

c1, c2, c3, c4, c5, …, cm-2, cm-1, cm

Após a segunda retirada, sobraram m-2 possibilidades para a próxima retirada. Do que sobrou, se retirarmos o terceiro elemento como sendo o de ordem (m-2), teremos algo que pode ser visualizado como:

c1, c2, c3, c4, c5, …, cm-2, cm-1, cm

Se continuarmos o processo de retirada, cada vez teremos 1 elemento a menos do que na fase anterior. Para retirar o p-ésimo elemento, restarão m-p+1 possibilidades de escolha.

Para saber o número total de arranjos possíveis de m elementos tomados p a p, basta multiplicar os números que aparecem na segunda coluna da tabela abaixo:

Retirada Número de possibilidades
1 m
2 m-1
3 m-2
p m-p+1
No.de arranjos m(m-1)(m-2)…(m-p+1)

Denotaremos o número de arranjos de m elementos tomados p a p, por A(m,p) e a expressão para seu cálculo será dada por:

A(m,p) = m(m-1)(m-2)…(m-p+1)

Exemplo: Consideremos as 5 vogais de nosso alfabeto. Quais e quantas são as possibilidades de dispor estas 5 vogais em grupos de 2 elementos diferentes? O conjunto solução é:

{AE,AI,AO,AU,EA,EI,EO,EU,IA,IE,
IO,IU,OA,OE,OI,OU,UA,UE,UI,UO}

A solução numérica é A(5,2)=5×4=20.

Exemplo: Consideremos as 5 vogais de nosso alfabeto. Quais e quantas são as possibilidades de dispor estas 5 vogais em grupos de 2 elementos (não necessariamente diferentes)?

Sugestão: Construir uma reta com as 5 vogais e outra reta paralela à anterior com as 5 vogais, usar a regra do produto para concluir que há 5×5=25 possibilidades.

O conjunto solução é:

{AA,AE,AI,AO,AU,EA,EE,EI,EO,EU,IA,IE,II,
IO,IU,OA,OE,OI,OO,OU,UA,UE,UI,UO,UU}

Exemplo: Quantas placas de carros podem existir no atual sistema brasileiro de trânsito que permite 3 letras iniciais e 4 algarismos no final?

XYZ-1234

Sugestão: Considere que existem 26 letras em nosso alfabeto que podem ser dispostas 3 a 3 e 10 algarismos que podem ser dispostos 4 a 4 e em seguida utilize a regra do produto.

 

Número de Permutações simples

Este é um caso particular de arranjo em que p=m. Para obter o número de permutações com m elementos distintos de um conjunto C, basta escolher os m elementos em uma determinada ordem. A tabela de arranjos com todas as linhas até a ordem p=m, permitirá obter o número de permutações de m elementos:

Retirada Número de possibilidades
1 m
2 m-1
p m-p+1
m-2 3
m-1 2
m 1
No.de permutações m(m-1)(m-2)…(m-p+1)…4.3.2.1

Denotaremos o número de permutações de m elementos, por P(m) e a expressão para seu cálculo será dada por:

P(m) = m(m-1)(m-2) … (m-p+1) … 3 . 2 . 1

Em função da forma como construímos o processo, podemos escrever:

A(m,m) = P(m)

Como o uso de permutações é muito intenso em Matemática e nas ciências em geral, costuma-se simplificar a permutação de m elementos e escrever simplesmente:

P(m) = m!

Este símbolo de exclamação posto junto ao número m é lido como: fatorial de m, onde m é um número natural.

Embora zero não seja um número natural no sentido que tenha tido origem nas coisas da natureza, procura-se dar sentido para a definição de fatorial de m de uma forma mais ampla, incluindo m=0 e para isto podemos escrever:

0!=1

Em contextos mais avançados, existe a função gama que generaliza o conceito de fatorial de um número real, excluindo os inteiros negativos e com estas informações pode-se demonstrar que 0!=1.

O fatorial de um número inteiro não negativo pode ser definido de uma forma recursiva através da função P=P(m) ou com o uso do sinal de exclamação:

(m+1)! = (m+1).m!, 0! = 1

Exemplo: De quantos modos podemos colocar juntos 3 livros A, B e C diferentes em uma estante? O número de arranjos é P(3)=6 e o conjunto solução é:

P={ABC,ACB,BAC,BCA,CAB,CBA}

Exemplo: Quantos anagramas são possíveis com as letras da palavra AMOR? O número de arranjos é P(4)=24 e o conjunto solução é:

P={AMOR,AMRO,AROM,ARMO,AORM,AOMR,MARO,MAOR,
MROA,MRAO,MORA,MOAR,OAMR,OARM,ORMA,ORAM,
OMAR,OMRA,RAMO,RAOM,RMOA,RMAO,ROAM,ROMA}

 

Número de Combinações simples

Seja C um conjunto com m elementos distintos. No estudo de arranjos, já vimos antes que é possível escolher p elementos de A, mas quando realizamos tais escolhas pode acontecer que duas coleções com p elementos tenham os mesmos elementos em ordens trocadas. Uma situação típica é a escolha de um casal (H,M). Quando se fala casal, não tem importância a ordem da posição (H,M) ou (M,H), assim não há a necessidade de escolher duas vezes as mesmas pessoas para formar o referido casal. Para evitar a repetição de elementos em grupos com a mesma quantidade p de elementos, introduziremos o conceito de combinação.

Diremos que uma coleção de p elementos de um conjunto C com m elementos é uma combinação de m elementos tomados p a p, se as coleções com p elementos não tem os mesmos elementos que já apareceram em outras coleções com o mesmo número p de elementos.

Aqui temos outra situação particular de arranjo, mas não pode acontecer a repetição do mesmo grupo de elementos em uma ordem diferente.

Isto significa que dentre todos os A(m,p) arranjos com p elementos, existem p! desses arranjos com os mesmos elementos, assim, para obter a combinação de m elementos tomados p a p, deveremos dividir o número A(m,p) por m! para obter apenas o número de arranjos que contem conjuntos distintos, ou seja:

C(m,p) = A(m,p) / p!

Como

A(m,p) = m.(m-1).(m-2)…(m-p+1)

então:

C(m,p) = [ m.(m-1).(m-2). … .(m-p+1)] / p!

que pode ser reescrito

C(m,p)=[m.(m-1).(m-2)…(m-p+1)]/[(1.2.3.4….(p-1)p]

Multiplicando o numerador e o denominador desta fração por

(m-p)(m-p-1)(m-p-2)…3.2.1

que é o mesmo que multiplicar por (m-p)!, o numerador da fração ficará:

m.(m-1).(m-2)…..(m-p+1)(m-p)(m-p-1)…3.2.1 = m!

e o denominador ficará:

p! (m-p)!

Assim, a expressão simplificada para a combinação de m elementos tomados p a p, será uma das seguintes:

 

Número de arranjos com repetição

Seja C um conjunto com m elementos distintos e considere p elementos escolhidos neste conjunto em uma ordem determinada. Cada uma de tais escolhas é denominada um arranjo com repetição de m elementos tomados p a p. Acontece que existem m possibilidades para a colocação de cada elemento, logo, o número total de arranjos com repetição de m elementos escolhidos p a p é dado por mp. Indicamos isto por:

Arep(m,p) = mp

 

Número de permutações com repetição

Consideremos 3 bolas vermelhas, 2 bolas azuis e 5 bolas amarelas. Coloque estas bolas em uma ordem determinada. Iremos obter o número de permutações com repetição dessas bolas. Tomemos 10 compartimentos numerados onde serão colocadas as bolas. Primeiro coloque as 3 bolas vermelhas em 3 compartimentos, o que dá C(10,3) possibilidades. Agora coloque as 2 bolas azuis nos compartimentos restantes para obter C(10-3,2) possibilidades e finalmente coloque as 5 bolas amarelas. As possibilidades são C(10-3-2,5).

O número total de possibilidades pode ser calculado como:

Tal metodologia pode ser generalizada.

 

Número de combinações com repetição

Considere m elementos distintos e ordenados. Escolha p elementos um após o outro e ordene estes elementos na mesma ordem que os elementos dados. O resultado é chamado uma combinação com repetição de m elementos tomados p a p. Denotamos o número destas combinações por Crep(m,p). Aqui a taxa p poderá ser maior do que o número m de elementos.

Seja o conjunto A=(a,b,c,d,e) e p=6. As coleções (a,a,b,d,d,d), (b,b,b,c,d,e) e (c,c,c,c,c,c) são exemplos de combinações com repetição de 5 elementos escolhidos 6 a 6.

Podemos representar tais combinações por meio de símbolos # e vazios Ø onde cada ponto # é repetido (e colocado junto) tantas vezes quantas vezes aparece uma escolha do mesmo tipo, enquanto o vazio Ø serve para separar os objetos em função das suas diferenças

(a,a,b,d,d,d) equivale a ##Ø#ØØ###Ø
(b,b,b,c,d,e) equivale a Ø###Ø#Ø#Ø#
(c,c,c,c,c,c) equivale a ØØ######ØØ

Cada símbolo possui 10 lugares com exatamente 6# e 4Ø. Para cada combinação existe uma correspondência biunívoca com um símbolo e reciprocamente. Podemos construir um símbolo pondo exatamente 6 pontos em 10 lugares. Após isto, os espaços vazios são prenchidos com barras. Isto pode ser feito de C(10,6) modos. Assim:

Crep(5,6) = C(5+6-1,6)

Generalizando isto, podemos mostrar que:

Crep(m,p) = C(m+p-1,p)

 

Propriedades das combinações

O segundo número, indicado logo acima por p é conhecido como a taxa que define a quantidade de elementos de cada escolha.

Taxas complementares

C(m,p)=C(m,m-p)

Exemplo: C(12,10) = C(12,2)=66.

 

Relação do triângulo de Pascal

C(m,p)=C(m-1,p)+C(m-1,p-1)

Exemplo: C(12,10)=C(11,10)+C(11,9)=605

 

Número Binomial

O número de combinações de m elementos tomados p a p, indicado antes por C(m,p) é chamado Coeficiente Binomial ou número binomial, denotado na literatura científica como:

Exemplo: C(8,2)=28.

Extensão: Existe uma importante extensão do conceito de número binomial ao conjunto dos números reais e podemos calcular o número binomial de qualquer número real r que seja diferente de um número inteiro negativo, tomado a uma taxa inteira p, somente que, neste caso, não podemos mais utilizar a notação de combinação C(m,p) pois esta somente tem sentido quando m e p são números inteiros não negativos. Como Pi=3,1415926535…, então:

A função envolvida com este contexto é a função gama. Tais cálculos são úteis em Probabilidade e Estatística.

 

Teorema Binomial

Se m é um número natural, para simplificar um pouco as notações, escreveremos mp no lugar de C(m,p). Então:

(a+b)m = am+m1am-1b+m2am-2b2+m3am-3b3+…+mmbm

Alguns casos particulares com m=2, 3, 4 e 5, são:

(a+b)2 = a2 + 2ab + b2

(a+b)3 = a3 + 3 a2b + 3 ab2 + b3

(a+b)4 = a4 + 4 a3b + 6 a2b2 + 4 ab3 + b4

(a+b)5 = a5 + 5 a4b + 10 a3b2 + 10 a2b3 + 5 ab4 + b5

A demonstração segue pelo Princípio da Indução Matemática.

Iremos considerar a Proposição P(m) de ordem m, dada por:

P(m): (a+b)m=am+m1am-1b+m2am-2b2+m3am-3b3+…+mmbm

P(1) é verdadeira pois (a+b)1 = a + b

Vamos considerar verdadeira a proposição P(k), com k>1:

P(k): (a+b)k=ak+k1ak-1b+k2ak-2b2+k3ak-3b3+…+kkbk

para provar a propriedade P(k+1).

Para que a proposição P(k+1) seja verdadeira, deveremos chegar à conclusão que:

(a+b)k+1=ak+1+(k+1)1akb+(k+1)2ak-1b2+…+(k+1)(k+1)bk+1

(a+b)k+1= (a+b).(a+b)k
= (a+b).[ak+k1ak-1b+k2ak-2b2+k3ak-3b3+…+kkbk]
= a.[ak+k1ak-1b+k2ak-2 b2+k3ak-3b3+…+kkbk]
+b.[ak+k1ak-1b+k2ak-2b2+k3ak-3b3+…+kk bk]
= ak+1+k1akb+k2ak-1b2+k3ak-2b3+…+kkabk
+akb+k1ak-1b2+k2ak-2 b3+k3ak-3b4+…+kkbk+1
= ak+1+[k1+1]akb+[k2+k1]ak-1b2+[k3+k2]ak-2b3
+[k4+k3] ak-3b4+…+[kk-1+kk-2]a2bk-1+[kk+kk-1]abk+kkbk+1
= ak+1+[k1+k0] akb+[k2+k1]ak-1b2+[k3+k2]ak-2b3
+[k4+k3]ak-3b4+…+[kk-1+kk-2]a2bk-1+[kk+kk-1]abk+kkbk+1

Pelas propriedades das combinações, temos:

k1+k0=C(k,1)+C(k,0)=C(k+1,1)=(k+1)1

k2+k1=C(k,2)+C(k,1)=C(k+1,2)=(k+1)2

k3+k2=C(k,3)+C(k,2)=C(k+1,3)=(k+1)3

k4+k3=C(k,4)+C(k,3)=C(k+1,4)=(k+1)4

… … … …

kk-1+kk-2=C(k,k-1)+C(k,k-2)=C(k+1,k-1)=(k+1)k-1

kk+kk-1=C(k,k)+C(k,k-1)=C(k+1,k)=(k+1)k

E assim podemos escrever:

(a+b)k+1= ak+1+(k+1)1akb + (k+1)2ak-1b2 + (k+1)3ak-2b3
+(k+1)4ak-3b4 +…+ (k+1)k-1a2bk-1 + (k+1)kabk + kkbk+1

que é o resultado desejado.


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Médio
Análise Combinatória: Exercícios
Ensino Médio: Análise Combinatória: Exercícios
  • Permutações simples
  • Permutações com repetição
  • Permutações circulares
  • Combinações simples
  • Combinações com repetição
  • Arranjos simples
  • Arranjos com repetição
  • Arranjos condicionais
  • Fatorial
  • Regra do produto

 

A teoria necessária para resolver os exercícios apresentados está em Análise Combinátoria. Alguns exercícios possuem resposta ou algum auxílio. Nem sempre os exercícios aparecem em ordem de dificuldade crescente.

 

Exercícios de permutações simples

  1. Com as vogais: A,E,I,O e U, quantas permutações podem ser formadas contendo as letras: A,E e I.
  2. De quantos modos distintos podemos colocar 3 livros juntos em uma estante de biblioteca?

    Auxílio: P(n)=n!, n=3

    Resposta: N=1×2×3=6

  3. De quantos modos distintos 5 pessoas podem sentar-se em um banco de jardim com 5 lugares?

    Auxílio: P(n)=n!, n=5

    Resposta: N=1×2×3×4×5=120

  4. Qual é o número possível de anagramas que se pode montar com as letras da palavra AMOR?

    Auxílio: P(n)=n!, n=4

    Resposta: N=1×2×3×4=24

  5. Quantos números com cinco algarismos podemos construir com os números ímpares 1,3,5,7,9.

    Auxílio:

    Resposta: P(5)=120.

  6. Quantos números com cinco algarismos podemos construir com os números ímpares 1,3,5,7,9, desde que estejam sempre juntos os algarismos 1 e 3.

    Auxílio: Cada conjunto com os algarismos 13 e 31 forma um grupo que junto com os outros, fornece 4 grupos.

    Resposta: N=2×P(4)=2×24=48

  7. Consideremos um conjunto com n letras. Quantas permutações começam por uma determinada letra?

    Resposta: N=P(n-1)=(n-1)!

  8. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI?

    Resposta: P(9)=9!

  9. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI, começando por A?

    Resposta: P(8)=8!

  10. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI, começando por AB?

    Resposta: P(7)=7!

  11. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI, começando por ABC?

    Resposta: P(6)=6!

  12. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI, começando por uma das letras A, B ou C?

    Auxílio: Começando por uma das letras A,B,C: P(8)=8!

    Resposta: N=3×P(8)=3×8!

  13. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI, começando pelas três letras do grupo ABC?

    Auxílio: Começando pelas letras do grupo ABC: P(3)=3!=6

    Resposta: N=P(3)×P(6)=6×120=720

  14. Quantos são os anagramas possíveis com as letras: ABCDEFGHI, começando por uma vogal e terminando por uma consoante?

    Auxílio: 3 são as vogais e 6 são as consoantes.

    Resposta: N=P(3)×P(6)=6×120=720 (???)

  15. Há 10 pessoas em um local, sendo 3 com camisas verdes, 3 com camisas amarelas, 2 com camisas azuis e 2 com camisas brancas. De quantos modos podemos perfilar todas essas 10 pessoas de modo que os grupos com as camisas de mesma cor fiquem juntos?

    Auxílio: Temos 4 grupos de camisas, logo P(4) posições para as equipes e os grupos podem permutar as suas posições, respectivamente, P(3), P(3), P(2) e P(2).

    Resposta: N=P(4)×P(3)×P(3)×P(2)×P(2)=3456

 

Exercícios de permutações com repetição

  1. Quantos são os anagramas possíveis com as letras da palavra: ARARA?

    Auxílio: A letra A aparece 3 vezes e a letra R aparece 2 vezes.

    Resposta: Pr(5;3+2)=5!/(3!2!)=10

  2. Quantos são os anagramas possíveis para a palavra: ULYSSES?
  3. Quantos são os anagramas possíveis para a palavra: ULYSSES começando por U?
  4. Quantos são os anagramas possíveis para a palavra: ULYSSES terminando por S?
  5. Quantos são os anagramas possíveis para a palavra: ULYSSES começando por U e terminando por S?
  6. Qual é o número possível de anagramas que se pode montar com as letras da palavra AMA?

    Auxílio: p1=n(A)=2, p2=n(M)=1, N=Pr(3;2+1)

    Pr(p;p1+p2)=(p1+p2)!/(p1!p2!)

    Resposta:N=3!/(2!1!)=3

  7. Qual é o número possível de anagramas que se pode montar com as letras da palavra AMAR?

    Auxílio: N=(p1+p2+p3)!/(p1!p2!p3!),A=2,M=1,R=1

    Resposta: N=4!/(2!1!1!)=12

  8. Qual é o número possível de anagramas que se pode montar com as letras da palavra ARARUNA?

    Auxílio: N=(p1+p2+p3+p4)!/(p1!p2!p3!p4!), A=3, R=2, N=1, U=1

    Resposta: N=7!/(3!2!1!1!)=420

  9. O número Pi com 10 algarismos (sem considerar a vírgula) é indicado por 3141592653. Quantas são as permutações diferentes que podemos construir com estes 10 algarismos

    Auxílio: n(1)=n(3)=n(5)=2, n(2)=n(4)=n(6)=n(9)=1

    Resposta: Pr(10,2+1+2+1+2+1+1)=10!/8=453600

  10. Quantos são os anagramas possíveis com as letras da palavra: MATEMATICA?

    Auxílio: A letra A aparece 3 vezes, a letra M aparece 2 vezes, a letra T aparece 2 vezes, a letras E aparece 1 vez , a letra I aparece 1 vez e a letra C aparece 1 vez.

    Resposta: Pr(10;3+2+2+1+1+1) = 10!/[3!2!2!1!1!1!] =151200

 

Exercícios de permutações circulares

  1. De quantos modos distintos 5 pessoas podem sentar-se em volta de uma mesa circular?

    Auxílio: N=P(n-1)=(n-1)!, n=5

    Resposta: N=1×2×3×4=24

  2. De quantos modos distintos 5 pessoas podem sentar-se em volta de uma mesa retangular?

    Auxílio: N=P(n-1)=(n-1)!, n=5

    Resposta: N=1×2×3×4=24

 

Exercícios de combinações simples

  1. Um indivíduo possui 25 livros diferentes. De quantas formas distintas ele poderá empacotar tais livros em grupos de 6 livros?
  2. Quantos grupos de 3 pessoas podem ser montados com 8 pessoas?

    Auxílio: C=C(m,p)=m!/[p!(m-p)!]; m=8,p=3

    Resposta: C=8!/(3!5!)=(8×7×6)/(1×2×3)=56

  3. Quantos grupos de 2 pessoas podem ser montados com 1000 pessoas?

    Auxílio: C=C(m,p)=m!/[p!(m-p)!], m=1000, p=2

    Resposta: C=1000!/(2!998!)=1000×999=999000

  4. Quantas combinações com 4 elementos podem ser montadas com as 10 primeiras letras do alfabeto?

    Conceito: Combinação

    Auxílio: C=C(m,p)=m!/[p!(m-p)!], m=10, p=4

    Resposta: C=10!/(4!6!)=(10×9×8×7)/(1×2×3×4)=210

  5. Quantas combinações com 4 elementos podem ser montadas com as 10 primeiras letras do alfabeto, de tal forma que sempre comecem pela letra A?

    Auxílio: C=C(m1,p1).C(m-m1,p-p1), m=10, p=4, m1=1, p1=1

    Resposta: C=C(1,1).C(9,3)=(1×9×8×7)/6=84

  6. Quantas combinações com 4 elementos podem ser montadas com as 10 primeiras letras do alfabeto, de tal forma que sempre estejam juntas as letras A e B?

    Auxílio: C=C(m1,p1).C(m-m1,p-p1), m=10, p=4, m1=2, p1=2

    Resposta: C=C(2,2).C(8,2)=(1×8×7)/2=28

  7. Quantas combinações com 4 elementos podem ser montadas com as 10 primeiras letras do alfabeto, de tal forma que não contenham nem as letras A e B?

    Auxílio: C=C(m1,p1).C(m-m1,p-p1), m=10, p=4, m1=2, p1=0

    Resposta: C=C(2,0).C(8,4)=(1×8×7×6×5)/24=70

  8. Quantas combinações com 4 elementos podem ser montadas com as 10 primeiras letras do alfabeto, de tal forma que somente uma das letras A ou B esteja presente, mas não as duas?

    Auxílio: C=C(m1,p1).C(m-m1,p-p1), m=10, p=4, m1=2, p1=1

    Resposta: C=C(2,1).C(8,3)=(2×8×7×6)/6=112

  9. Quantas combinações com 4 elementos podem ser montadas com as 10 primeiras letras do alfabeto, de tal forma que contêm 2 dentre as 3 letras A,B e C?

    Auxílio: C=C(m1,p1).C(m-m1,p-p1), m=10, p=4, m1=3, p1=2

    Resposta: C=C(3,2).C(7,2)=(3×7×6)/2=63

  10. Em uma sala existem 40 pessoas, 18 mulheres e 22 homens. Quantas comissões podem ser montadas nesta sala contendo 3 mulheres e 5 homens?
  11. Calcular o valor de m tal que 5 C(m+1,3)=2 C(m+2,2).
  12. Quantos triângulos podem ser traçados contendo pontos de duas retas paralelas, sabendo-se que em uma reta existem 6 pontos e na outra reta existem 5 pontos?
  13. Quantos quadriláteros convexos podem ser traçados contendo pontos de duas retas paralelas, sabendo-se que em uma reta existem 6 pontos e na outra reta existem 5 pontos?
  14. Em uma classe com 16 pessoas, há 10 homens e 6 mulheres. Consideremos H um certo homem e M uma certa mulher. Quantos grupos podemos formar:
    1. com 4 homens e 2 mulheres?

    2. contendo H mas não M?

    3. contendo M mas não H?

    4. contendo H e M?

    5. contendo somente H ou somente M?

  15. Quantos números diferentes maiores do que 100 e menores do que 1000 podem ser construídos com os algarismos 1,2,3,4,5 e 6, sendo:
    1. que cada algarismo aparece somente uma vez?

    2. que cada algarismo pode repetir até 3 vezes?

    3. os números pares sem repetição?

    4. os números ímpares sem repetição?

    5. os números pares com repetição?

    6. os números ímpares com repetição?

  16. Para resolver um assunto entre 6 professores e 4 alunos, devemos formar comissões com 3 professores e 2 alunos. Quantas são as possibilidades?

    Resposta: N=C(6,3)×C(4,2)=30×6=180

  17. Desejamos formar comissões de 6 pessoas entre cinco pais de alunos e quatro professores. Quantas comissões terão somente 1 professor?
  18. Desejamos formar comissões de 6 pessoas entre cinco pais de alunos e quatro professores. Quantas comissões terão somente 2 professores?
  19. Desejamos formar comissões de 6 pessoas entre cinco pais de alunos e quatro professores. Quantas comissões terão no mínimo 2 professores?
  20. Desejamos formar comissões de 6 pessoas entre cinco pais de alunos e quatro professores. Quantas comissões terão no mínimo 3 professores?
  21. Num plano existem 4 pontos, sendo que 3 deles são não colineares. Qual é o número possível de retas que passam por esses pontos?

    Resposta: C(4,2)=6

  22. Num plano colocamos n pontos, sendo que 3 deles são não colineares. Qual é o número possível de retas que passam por esses pontos?

    Resposta: C(n,2)=n(n-1)/2

  23. Quatro pontos são postos num plano, sendo que 3 deles são não colineares. Qual é o número possível de triângulos construídos com esses pontos?

    Auxílio: C(3,2)=3 triângulos para cada ponto.

  24. Qual é o número de diagonais de um polígono regular de n lados?

    Resposta: N=C(n,2)-n=n(n-1)/2-n=n(n-3)/2

  25. Qual é o número de diagonais de um cubo?
  26. Qual é o número de diagonais de um prisma regular cuja base tem 5 lados?
  27. Qual é o número de diagonais de um prisma regular cuja base tem 6 lados?
  28. Qual é o número de diagonais de um prisma regular cuja base tem n lados?
  29. Com as 5 vogais: A,E,I,O,U, construir o conjunto que contém todas as combinações tomadas 2 a 2.
  30. Com as letras: A,B,C,D,E,F,G e H, determinar o número das permutações possíveis que começam por ABC.

    Resposta: N=P(5)=120.

  31. Quantas digonais possui um dodecágono?

    Resposta: N=12×9/2=54

  32. Quantas digonais possui o tetraedro regular?

    Resposta: N=0

  33. Quantas digonais possui um prisma triangular regular?

    Resposta: N=0

 

Exercícios de combinações com repetição

  1. Determinar o número de combinações com 4 elementos tomados com repetição de 7 livros.

    Auxílio: Cr=Cr(m,p)=C(m+p-1,p), m=7, p=4

    Resposta: Cr=Cr(7,4)=C(7+4-1,4)=C(10,4)=210

  2. Determinar o número de combinações com repetição de 4 objetos tomados 2 a 2.

    Auxílio: Cr=Cr(m,p)=C(m+p-1,p), m=4, p=2

    Resposta: Cr=Cr(4,2)=C(4+2-1,2)=C(5,2)=10

 

Exercícios de arranjos simples

  1. Quantos números diferentes com 1 algarismo, podemos formar com os algarismos: 0,1,2,3,4,5,6,7,8 e 9.

    Resposta: N1=A(9,1)=9

  2. Quantos números distintos com 2 algarismos diferentes, podemos formar com os dígitos: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

    Auxílio: Os números iniciados por 0 não terão 2 dígitos e sua quantidade corresponde a A(9,1).

    Resposta: N2=A(10,2)-A(9,1)=10×9-9=90-9=81

  3. Quantos números distintos com 3 algarismos diferentes, podemos formar com os dígitos: 0,1,2,3,4,5,6,7,8 e 9.

    Auxílio: Os números iniciados por 0 não terão 3 dígitos e sua quantidade corresponde a A(9,2).

    Resposta: N3=A(10,3)-A(9,2)=720-720=648

  4. Quantos números distintos com 4 algarismos diferentes, podemos formar com: 0,1,2,3,4,5,6,7,8 e 9.

    Auxílio: Os números iniciados por 0 não terão 3 dígitos e sua quantidade corresponde a A(9,3).

    Resposta: N4=A(10,4)-A(9,3)=5040-504=4536

  5. Quantos números distintos menores que 10000 podem ser formados com algarismos diferentes da coleção: {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.

    Resposta: N=N1+N2+N3+N4=9+81+648+4536=5274

  6. No sistema decimal de numeração, quantos números existem com 4 algarismos com 2 algarismos repetidos?

    Auxílio: A quantidade de números distintos com 4 algarismos é 4536 e a quantidade total de números (com repetição ou não) com 4 algarismos é 9000.

    Resposta: N=9000-4536=4464

  7. Com as 5 vogais: A,E,I,O,U, obter o conjunto solução que contém todos os arranjos tomados 2 a 2.
  8. Usando-se apenas os algarismos 1,3,5,7,9 quantos números com 3 algarismos podem ser montados?

    Auxílio: A=A(m,p)=m!/(m-p)!, m=5, p=3

    Resposta: A=5!/2!=60

  9. Usando-se os algarismos 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 quantos números com 4 algarismos podem ser montados?

    Auxílio: A=A(m,p)=m!/(m-p)!, m=10, p=4

    Resposta: A=10!/6!=5040

  10. Usando-se as 26 letras do alfabeto: A,B,C,D,…,Z quantos arranjos distintos com 3 letras podem ser montados?

    Auxílio: A=A(m,p)=m!/(m-p)!, m=26, p=3

    Resposta: A=26!/23!=26.25.24=15600

  11. Com as 26 letras do alfabeto: A,B,C,D,…,Z e os algarismos 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, quantas placas de carros podem ser escritas contendo 3 letras seguidas de 4 algarismos?

    Auxílio: A=A(m,p)=m!/(m-p)!, m=26, p=3, n=10, q=4

    Resposta: A=(26!/23!).(10!/6!)=78624000

  12. Consideremos um baralho contendo 52 cartas distintas.
    1. Quantos pares distintos podem ser formados?

    2. Quantas trincas distintas podem ser formados?

    3. Quantas quadras distintas podem ser formados?

    4. Quantos pares distintos podem ser formados tendo pelo menos um “Ás”?

    5. Quantos pares distintas podem ser formados tendo pelo menos um “Ás” e um “Rei”?

    6. Quantas trincas distintas podem ser formados tendo pelo menos um “Ás”?

    7. Quantas trincas distintas podem ser formados tendo pelo menos um “Ás” e um “Rei”?

 

Exercícios de arranjos com repetição

  1. Quantos números com 4 algarismos podemos formar com os algarismos: 0,1,2,3,4,5,6,7,8 e 9.

    Resposta: Ar(10,4)=104=10000

  2. Quantas palavras com 3 letras podemos formar com as 26 letras de nosso alfabeto?

    Resposta: Ar(26,3)=263=17576

  3. Quantas placas são possíveis em nosso sistema de trânsito, se em todas devem aparecer 3 letras seguidas por 4 números?

    Resposta: N=Ar(26,3).Ar(10,4)=175760000

  4. No sistema decimal de numeração, quantos números existem com 1 algarismo?

    Resposta: N1=Ar(10,1)-Ar(10,0)=10-1=9

  5. No sistema decimal de numeração, quantos números existem com 2 algarismos (repetidos ou não)?

    Auxílio: São 10=Ar(10,1) os números com 2 dígitos iniciados por 0.

    Resposta: N2=Ar(10,2)-Ar(10,1)=102-101=100-10=90

  6. No sistema decimal de numeração, quantos números existem com 3 algarismos (repetidos ou não)?

    Auxílio: Existem 100=Ar(10,2) números com 3 dígitos iniciados por 0.

    Resposta: N3=Ar(10,3)- Ar(10,2)=103-102=900

  7. No sistema decimal de numeração, quantos números existem com 4 algarismos (repetidos ou não)?

    Auxílio: São 100=Ar(10,3) os números com 4 dígitos iniciados por 0.

    Resposta: N4=Ar(10,4)-Ar(10,3)=104-103=9000

  8. No sistema decimal de numeração, quantos números existem com n algarismos (repetidos ou não)?

    Auxílio: São Ar(10,n-1) os números com n-1 dígitos iniciados por 0.

    Resposta: N4=Ar(10,n)-Ar(10,n-1)=10n-10n-1=9×10n-1

  9. Num sistema de numeração com a base tendo b algarismos, quantos números existem com n algarismos (repetidos ou não)?

    Auxílio: São Ar(b,n-1) os números com n-1 dígitos iniciados por 0.

    Resposta: N4=Ar(b,n)-Ar(b,n-1)=bn-bn-1=(b-1)×bn-1

  10. No sistema decimal de numeração, existem quantos números pares com 4 algarismos (repetidos ou não)?
  11. No sistema decimal de numeração, existem quantos números ímpares com 4 algarismos (repetidos ou não)?
  12. No sistema decimal de numeração, existem quantos números pares diferentes com 4 algarismos?
  13. No sistema decimal de numeração, existem quantos números ímpares diferentes com 4 algarismos?

    Resposta: N=5.A(8,3)=1.680

  14. No sistema decimal de numeração, existem quantos números pares com 4 algarismos (repetidos ou não)?
  15. No sistema decimal de numeração, existem quantos números pares com 4 algarismos (repetidos ou não)?
  16. Quantos números menores do que 10.000, podem ser formados com os algarismos 1,2,3 e 4?

    Auxílio: N=Ar(4,1)+Ar(4,2)+Ar(4,3)+Ar(4,4)

    Resposta: N= 41+42+43+44= 4+16+64+256=340

  17. Quantos números de 3 dígitos podem ser formados com 5 algarismos?

    Auxílio:Fórmula Ar(m,p)=mp, m=5, p=3

    Resposta: Ar=53=125

 

Exercícios de arranjos condicionais

  1. Quantos arranjos dos elementos A,B,C,D,E,F,G tomados 4 a 4, começam com duas letras dentre A,B e C?

    Auxílio: N=A(m1,p1).A(m-m1,p-p1)

    m=7, p=4, m1=3, p1=2

    Resposta: N=A(3,2).A(4,2)=3!/1! . 4!/2!=72

  2. Com os algarismos 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, tomados 6 a 6, quantos números podem ser formados tendo nas duas posições iniciais algarismos que são números ímpares?

    Auxílio: N=A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=10, p=6, m1=5, p1=2

    Resposta: N=A(5,2).A(5,4)=5!/3! . 5!/1!=2400

  3. Dentre os arranjos de 5 letras: A,B,C,D,E, tomados 3 a 3, quantos contêm a letra E?

    Auxílio: N=(p-p1+1).A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=5, p=3, m1=1, p1=1

    Resposta: N=(3-1+1).A(1,1).A(4,2)=36

  4. Dentre os arranjos de 5 letras: A,B,C,D,E, tomados 3 a 3, quantos contêm juntas as duas letras A e B?

    Auxílio: N=(p-p1+1).A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=5, p=3, m1=2, p1=2

    Resposta: N=(4-2+1).A(2,2).A(3,1)=18

  5. Dentre os arranjos de 6 letras: A,B,C,D,E,F, tomados 4 a 4, quantos contêm a letra A?

    Auxílio: N=(p-p1+1).A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=6, p=4, m1=1, p1=1

    Resposta: N=(4-1+1).A(1,1).A(5,3)=240

  6. Dentre os arranjos de 6 letras: A,B,C,D,E,F, tomados 4 a 4, quantos contêm juntas 2 das 3 letras A,B e C?

    Auxílio: N=(p-p1+1).A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=6, p=4, m1=3, p1=2

    Resposta: N=(4-2+1).A(3,2).A(3,2)=108

  7. Dentre os arranjos de 4 letras: A,B,C,D, tomados 3 a 3, quantos contêm a letra A?

    Auxílio: N=(p-p1+1).A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=4, p=3, m1=1, p1=1

    Resposta: N=(3-1+1).A(1,1).A(3,2)=18

  8. Dentre os arranjos de 4 letras: A,B,C e D, tomados 3 a 3, quantos começam pelas letras A e B?

    Auxílio: N=A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=4, p=3, m1=2, p1=2

    Resposta: N=A(2,2).A(2,1)=4

  9. Dentre os arranjos de 4 letras: A,B,C e D, tomados 3 a 3, quantos contêm juntos as letras A e B?

    Auxílio: N=(p-p1+1).A(m1,p1).A(m-m1,p-p1), m=4, p=3, m1=2, p1=2

    Resposta: N=(3-2+1).A(2,2).A(2,1)=8

 

Exercícios com o fatorial

  1. Se C(n,2)=28, qual é o valor de n?

    Resposta: n=8.

  2. Existe um número n natural tal que C(n,3)=C(n,2)?
  3. Usando o desenvolvimento binomial de (1+1)n, demonstrar que:

    C(n,0)+C(n,1)+C(n,2)+…+C(n,n)=2n

  4. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    (p+1)·C(n,p+1)=(n-p)·C(n,p).

  5. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    n·C(n-1,p)=(n-p)·C(n,p).

  6. Se A(n,2)=42, qual é o valor de n?

    Resposta: n=7.

  7. Justificar a afirmação: “Se n é um número primo e p<n, então n é um divisor de C(n,p).”
  8. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    2·4·6·8·10·…2n=(2n)n!

  9. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    1·3·5·7·9· … (2n-1)=(2n)!/[2n·n!]

  10. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    2·6·10·14·18·22. … .(4n-2)=(2n)!/n!

  11. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    A(n,k)=A(n,p)/A(n-k,p-k) se k<p.

  12. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    Pr(n;k+(n-k))=C(n,k) se k<n.

  13. Usar o PIF (Princípio de Indução Matemática), para demonstrar que:

    1·(1!)+2·(2!)+3·(3!)+…+n·(n!)=(n+1)!-1.

  14. Demonstrar que para todo k natural

    1/k! – 1/(k+1)! =k/(k+1)!, .

  15. Demonstrar que

    1/2!+2/3!+3/4!+…+n/(n+1)!=1/(n+1)!

    Auxílio: Como esta é uma série telescópica, segue que cada termo pode ser escrito como a diferença de dois outros que se anulam em sequência, assim basta usar o fato que para todo k<n, vale a relação:

    k/(k+1)!=1/k! – 1/(k+1)!

  16. Demonstrar que

    A(n,p) = p [A(n-1,p-1)+A(n-2,p-1)+…+A(p-1,p-1)]

 

Exercícios com a regra do produto

  1. Numa festa, três meninos devem ser apresentados a 5 meninas. De quantas maneiras possíveis eles podem ser apresentados?

    Auxílio: N=p×q, p=3, q=5

    Resposta: N=3×5=15

  2. Existem quatro estradas ligando duas cidades A e B, e três estradas ligando as cidades B e C. De quantos modos diferentes uma pessoa pode se deslocar da cidade A até a cidade C?

    Auxílio: N=p×q, p=4, q=3

    Resposta: N=4×3=12

  3. Uma sala possui 3 portas. Quantas possibilidades existem para que uma pessoa possa entrar e sair desta sala?

    Auxílio: N=p×q, p=3, q=3

    Resposta: N=3×3=9


Construída por Ulysses Sodré.
Médio
Matrizes
Ensino Médio: Matrizes
  • Elementos básicos para matrizes
  • Definição de matriz
  • Observações sobre matrizes
  • Exemplos de matrizes
  • Matrizes iguais
  • Soma de matrizes e propriedades
  • Multiplicação por escalar e propr.
  • Multiplicação de matrizes
  • Propr.da multiplicação de matrizes
  • Matrizes com propr. especiais
  • Transposta de matriz e propried.
  • Matrizes simétricas e anti-simetricas

 

Elementos básicos para a construção de matrizes

Aqui tomaremos o conjunto N dos números naturais, como:

N={1,2,3,4,5,6,7,…}

O produto cartesiano N×N indicará o conjunto de todos os pares ordenados da forma (a,b), onde a e b são números naturais, isto é:

N×N={(a,b): a e b são números naturais }

Uma relação importante em N×N é:

Smn={(i,j): 1<i<m, 1<j<n}

 

Definição de matriz

Uma matriz real (ou complexa) é uma função que a cada par ordenado (i,j) no conjunto Smn associa um número real (ou complexo).

Uma forma comum e prática para representar uma matriz definida na forma acima é através de uma tabela contendo m×n números reais (ou complexos). Identificaremos a matriz abaixo com a letra A.

a(1,1) a(1,2) a(1,n)
a(2,1) a(2,2) a(2,n)
a(m,1) a(m,2) a(m,n)

 

Definições básicas sobre matrizes

  1. Ordem: Se a matriz A tem m linhas e n colunas, dizemos que a ordem da matriz é m×n.
  2. Posição de um elemento: Na tabela acima a posição de cada elemento aij=a(i,j) é indicada pelo par ordenado (i,j).
  3. Notação para a matriz: Indicamos uma matriz A pelos seus elementos, na forma: A=[a(i,j)].
  4. Diagonal principal: A diagonal principal da matriz é indicada pelos elementos da forma a(i,j) onde i=j.
  5. Matriz quadrada é a matriz que tem o número de linhas igual ao número de colunas, i.e., m=n.
  6. A diagonal secundária de uma matriz quadrada de ordem n é indicada pelos n elementos:

    a(1,n), a(2,n-1), a(3,n-2), a(4,n-3), a(5,n-4), …, a(n-1,2), a(n,1)

  7. Matriz diagonal é a que tem elementos nulos fora da diagonal principal.
  8. Matriz real é aquela que tem números reais como elementos.
  9. Matriz complexa é aquela que tem números complexos como elementos.
  10. Matriz nula é aquela que possui todos os elementos iguais a zero.
  11. Matriz identidade, denotada por Id, tem os elementos da diagonal principal iguais a 1 e zero fora da diagonal principal.
  12. Matriz diagonal é aquela que tem todos os elementos nulos fora da diagonal principal. Alguns elementos da diagonal principal podem ser nulos.

 

Exemplos de matrizes

Matriz 4×4 de números reais:

12 -6 7 18
-23 -24 0 0
0 0 5 0
0 0 0 9

Matriz 4×4 de números complexos:

12 -6+i 7 i
-i -24 0 0
0 0 5+i 5-i
0 0 0 9

Matriz nula com duas linhas e duas colunas:

0 0
0 0

Matriz nula com três linhas e duas colunas:

0 0
0 0
0 0

Matriz identidade com três linhas e três colunas:

1 0 0
0 1 0
0 0 1

Matriz diagonal com quatro linhas e quatro colunas:

23 0 0 0
0 -56 0 0
0 0 0 0
0 0 0 100

 

Matrizes iguais

Duas matrizes A=[a(i,j)] e B=[b(i,j)], de mesma ordem m×n, são iguais se todos os seus correspondentes elementos são iguais, isto é:

a(i,j) = b(i,j)

para todo par ordenado (i,j) em Smn.

 

Exercício: Determinar os valores de x e y para que sejam iguais as matrizes abaixo, isto é:

1 2
3 4
=
x-1 y-1
x+y x2

 

Soma de matrizes e suas propriedades

A soma (adição) de duas matrizes A=[a(i,j)] e B=[b(i,j)] de mesma ordem m×n, é uma outra matriz C=[c(i,j)], definida por:

c(i,j) = a(i,j) + b(i,j)

para todo par ordenado (i,j) em Smn.

Exemplo: A soma das matrizes A e B é a terceira matriz indicada abaixo.

-23 10
7 9
+
10 5
8 9
=
-13 15
15 18

 

Propriedades da soma de matrizes

A1: Associativa: Para quaisquer matrizes A, B e C, de mesma ordem m×n, vale a igualdade:

(A + B) + C = A + (B + C)

A2: Comutativa: Para quaisquer matrizes A e B, de mesma ordem m×n, vale a igualdade:

A + B = B + A

A3: Elemento neutro: Existe uma matriz nula 0 que somada com qualquer outra matriz A de mesma ordem, fornecerá a própria matriz A, isto é:

0 + A = A

A4: Elemento oposto: Para cada matriz A, existe uma matriz -A, denominada a oposta de A, cuja soma entre ambas fornecerá a matriz nula de mesma ordem, isto é:

A + (-A) = 0

 

Multiplicação de escalar por matriz e suas propriedades

Seja k um escalar e A=[a(i,j)] uma matriz. Definimos a multiplicação do escalar k pela matriz A, como uma outra matriz C=k.A, definida por:

c(i,j) = k. a(i,j)

para todo par ordenado (i,j) em Smn.

Exemplo: A multiplicação do escalar -4 pela matriz A, definida por:

-4
-2 10
7 9
=
-8 -40
28 36

 

Propriedades da multiplicação de escalar por matriz

E1: Multiplicação pelo escalar 1: A multiplicação do escalar 1 por qualquer matriz A, fornecerá a própria matriz A, isto é:

1.A = A

E2: Multiplicação pelo escalar zero: A multiplicação do escalar 0 por qualquer matriz A, fornecerá a matriz nula, isto é:

0.A = 0

E3: Distributividade das matrizes: Para quaisquer matrizes A e B de mesma ordem e para qualquer escalar k, tem-se:

k (A+B) = k A + k B

E4: Distributividade dos escalares: Para qualquer matriz A e para quaisquer escalares p e q, tem-se:

(p + q) A = p A + q A

 

Multiplicação de matrizes

Seja a matriz A=[a(i,j)] de ordem m×n e a matriz B=(b(k,l)) de ordem nxr. Definimos o produto das matrizes A e B como uma outra matriz C=A.B, definida por:

c(u,v) = a(u,1) b(1,v) + a(u,2) b(2,v) + … + a(u,m) b(m,v)

para todo par (u,v) em Smr.

Para obter o elemento da 2a. linha e 3a. coluna da matriz produto C=A.B, isto é, o elemento c(2,3), devemos:

  1. multiplicar os primeiros elementos da 2a. linha e 3a. coluna;
  2. multiplicar os segundos elementos da 2a. linha e 3a. coluna;
  3. multiplicar os terceiros elementos da 2a. linha e 3a. coluna;
  4. multiplicar os quartos elementos da 2a. linha e 3a. coluna;
  5. somar os quatro produtos obtidos anteriomente.

Assim:

c23 = a21 b13 + a22 b23 + a23 b33 + a24 b43

Podemos visualizar esta operação através das matrizes seguintes. Basta observar a linha em azul na primeira matriz, a coluna em azul na segunda matriz e o elemento em azul na terceira matriz.

a11 a12 a13 a14
a21 a22 a23 a24
a31 a32 a33 a34
a41 a42 a43 a44
×
b11 b12 b13 b14
b21 b22 b23 b24
b31 b32 b33 b34
b41 b42 b43 b44
=
c11 c12 c13 c14
c21 c22 c23 c24
c31 c32 c33 c34
c41 c42 c43 c44

Observação: Somente podemos multiplicar duas matrizes se o número de colunas da primeira for igual ao número de linhas da segunda.

 

Propriedades da multiplicação de matrizes

Para todas as matrizes A, B e C que podem ser multiplicadas, temos algumas propriedades:

M1: Nem sempre vale a comutatividade: Em geral, A×B é diferente de B×A, como é o caso do produto que segue, onde A está cor vermelha e B em cor preta:

1 2 3
2 4 6
3 6 9
×
1 2
3 5
7 9

M2: Distributividade da soma à direita

A (B+C) = A B + A C

M3: Distributividade da soma à esquerda

(A + B) C = A C + B C

M4: Associatividade

A (B C) = (A B) C

M5: Nulidade do produto: Pode acontecer que o produto de duas matrizes seja a matriz nula, isto é: AB=0, embora nem A nem B sejam matrizes nulas, como é o caso do produto:

0 1
0 0
×
0 2
0 0
=
0 0
0 0

M6: Nem sempre vale o cancelamento: Se ocorrer a igualdade AC=BC, então nem sempre será verdadeiro que A=B, pois existem exemplos de matrizes como as apresentadas abaixo, tal que:

0 1
0 0
×
0 5
0 0
=
0 2
0 0
×
0 5
0 0

mas as matrizes A e B são diferentes.

 

Matrizes com propriedades especiais

  1. Uma matriz A é nilpotente de índice k natural, se:

    Ak = 0

  2. Uma matriz A é periódica de índice k natural, se:

    Ak+1= A

  3. Uma matriz A é idempotente, se:

    A2 = A

  4. As matrizes A e B são comutativas, se:

    A B = B A

  5. As matrizes A e B são anti-comutativas, se:

    A B = – B A

  6. A matriz identidade Id multiplicada por toda matriz A, fornecerá a própria matriz A, quando o produto fizer sentido.

    Id A = A

  7. A matriz A será a inversa da matriz B, se:

    A B = Id e B A = Id

 

A transposta de uma matriz e suas propriedades

Dada uma matriz A=[a(i,j)] de ordem m×n, definimos a transposta da matriz A como a matriz

At = [a(j,i)]

e segue que as linhas de A se transformam nas colunas de At.

 

Propriedades das matrizes transpostas

T1: A transposta da transposta da matriz é a própria matriz.

(At)t = A

T2: A transposta da multiplicação de um escalar por uma matriz é igual ao próprio escalar multiplicado pela transposta da matriz.

(kA)t = k (At)

T3: A transposta da soma de duas matrizes é a soma das transpostas dessas matrizes.

(A + B)t = At + Bt

T4: A transposta do produto de duas matrizes é igual ao produto das transpostas das matrizes na ordem trocada.

(A B)t = Bt At

 

Matrizes simétricas e anti-simétricas e suas propriedades

Uma matriz A é simétrica se é uma matriz quadrada tal que:

At = A

Uma matriz A é anti-simétrica se é uma matriz quadrada tal que:

At = -A

 

Propriedades das matrizes simétricas e anti-simétricas

S1: Se A é uma matriz simétrica de ordem n, então para todo escalar k, a matriz k.A é simétrica.

S2: Se A é uma matriz quadrada de ordem n, então a matriz B=A+At é simétrica.

S3: Se A é uma matriz quadrada de ordem n, então a matriz B=A-At é anti-simétrica.

S4: Se A é uma matriz quadrada de ordem n, então A sempre pode ser decomposta como a soma de uma matriz simétrica S com uma matriz anti-simétrica T, isto é, A=S+T, e neste caso:

S =(1/2)(A + At) e T =(1/2)(A – At)

 


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Médio
Determinantes
Ensino Médio: Determinantes
  • Determinante de matriz quadrada
  • Regra prática de Sarrus
  • Propriedades dos determinantes

 

Determinante de uma matriz quadrada

Se A é uma matriz quadrada A de ordem 2, dada por:

A= a11 a12
a21 a22

definimos o determinante de A, denotado por det(A), como:

det(A) = a11 a22 – a21 a12

Se A é uma matriz quadrada A de ordem 3, dada por:

A= a11 a12 a13
a21 a22 a23
a31 a32 a33

definimos o determinante de A, como:

det(A) = a11a22a33 + a21a32a13 + a31a12a23
– a11a32a23 – a21a12a33 – a31a22a13

 

Regra prática de Sarrus

Dada a matriz A de ordem 3:

A= a11 a12 a13
a21 a22 a23
a31 a32 a33

Repetimos as duas primeiras colunas após a terceira coluna, de forma a montar uma matriz com 3 linhas mas com 5 colunas.

a11 a12 a13 a11 a12
a21 a22 a23 a21 a22
a31 a32 a33 a31 a32

Marcamos 3 diagonais que descem, de acordo com algumas cores. Os produtos obtidos nas diagonais que descem devem ter o sinal positivo.

a11 a12 a13 a11 a12
a21 a22 a23 a21 a22
a31 a32 a33 a31 a32
Produto cor amarela +a11a22a33
Produto cor verde +a12a23a31
Produto cor azul +a13a21a32

Marcamos agora 3 diagonais que sobem, de acordo com outras cores. Os produtos obtidos nas diagonais que sobem devem ter o sinal negativo.

a11 a12 a13 a11 a12
a21 a22 a23 a21 a22
a31 a32 a33 a31 a32
Produto cor rosa -a11a22a33
Produto cor bege -a12a23a31
Produto cor khaki -a13a21a32

O determinante da matriz A é a soma dos seis produtos, conservados os sinais:

det(A) = a11a22a33 + a21a32a13 + a31a12a23 – a11a32a23 – a21a12a33 – a31a22a13

Observamos que esta regra não funciona para matrizes de ordem diferente que 3.

Propriedades dos determinantes

Em todas as situações abaixo, consideraremos matrizes quadradas de ordem n>2.

  1. Se In é a matriz identidade, então:

    det(In) = 1

  2. Se N é uma matriz nula, então:

    det(N) = 0

  3. Se uma linha (ou coluna) da matriz A for nula, então:

    det(A) = 0

  4. A matriz A bem como a sua transposta At, possuem o mesmo determinante de A, isto é:

    det(At) = det(A)

  5. Se B é a matriz obtida pela multiplicação de uma linha (ou coluna) da matriz A por um escalar k, então:

    det(B) = k det(A)

  6. Se B=kA, onde k é um escalar, então:

    det(B) = kn det(A)

  7. Se B é a matriz obtida pela troca de duas linhas (ou colunas) de A, então:

    det(B) = – det(A)

  8. Se A tem duas linhas (ou colunas) iguais, então:

    det(A) = 0

  9. Se a diferença entre os elementos de duas linhas (ou colunas) de uma matriz A é uma mesma constante, então:

    det(A) = 0

  10. Se uma linha (ou coluna) de A for múltipla de uma outra linha (ou coluna) de A, então:

    det(A) = 0

  11. Ao fixar todas as linhas (ou colunas) de uma matriz exceto uma delas, o determinante de A será uma função linear da linha (ou coluna) não fixada da matriz.
  12. Ao multiplicar (ou dividir) uma linha (ou coluna) de uma matriz por um número real k, o determinante da matriz será multiplicado (ou dividido) por k.

 

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Médio
Sistemas Lineares
Ensino Médio: Sistemas Lineares
  • Introdução aos sistemas lineares
  • Equação linear
  • Solução de uma equação linear
  • Sistemas de equações lineares
  • Solução de sistema de eq. lineares
  • Consistência de sistemas lineares
  • Exemplos de sistemas
  • Sistemas equivalentes
  • Operações elementares (sistemas)
  • Solução por escalonamento
  • Sistemas lineares homogêneos
  • Regra de Cramer

 

Introdução aos sistemas lineares

Esta página trata sobre equações lineares e inicia mostrando uma aplicação de matrizes e sistemas lineares. As equações lineares assim como os sistemas de equações são muito utilizados no cotidiano das pessoas.

Exemplo: Uma companhia de navegação tem três tipos de recipientes A, B e C, que carrega cargas em containers de três tipos I, II e III. As capacidades dos recipientes são dadas pela matriz:

Tipo do Recipiente I II III
A 4 3 2
B 5 2 3
C 2 2 3

Quais são os números de recipientes x1, x2 e x3 de cada categoria A, B e C, se a companhia deve transportar 42 containers do tipo I, 27 do tipo II e 33 do tipo III?

Montagem do sistema linear

4 x1 + 5 x2 + 2 x3 = 42
3 x1 + 3 x2 + 2 x3 = 27
2 x1 + 2 x2 + 2 x3 = 33

Arthur Cayley (1821-1895): Matemático inglês nascido em Richmond, diplomou-se no Trinity College de Cambridge. Na sua vida, Cayley encontrou rivais em Euler e Cauchy sendo eles os três maiores produtores de materiais no campo da Matemática. Em 1858, Cayley apresentou representações por matrizes. Segundo ele, as matrizes são desenvolvidas a partir da noção de determinante, isto é, a partir do exame de sistemas de equações, que ele denominou: o sistema. Cayley desenvolveu uma Álgebra das matrizes quadradas em termos de transformações lineares homogêneas.

Equação linear

É uma equação da forma

a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + … + a1n xn = b1

onde

  • x1, x2, …, xn são as incógnitas;

  • a11, a12, …,a1n são os coeficientes (reais ou complexos);

  • b1 é o termo independente (número real ou complexo).

Exemplos de equações lineares

  1. 4 x + 3 y – 2 z = 0
  2. 2 x – 3 y + 0 z – w = -3
  3. x1 – 2 x2 + 5 x3 = 1
  4. 4i x + 3 y – 2 z = 2-5i

Notação: Usamos R[x] para a raiz quadrada de x>0.

Exemplos de equações não-lineares

  1. 3 x + 3y R[x] = -4
  2. x2 + y2 = 9
  3. x + 2 y – 3 z w = 0
  4. x2 + y2 = -9

 

Solução de uma equação linear

Uma sequência de números reais (r1,r2,r3,r4) é solução da equação linear

a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 + a14 x4 = b1

se trocarmos cada xi por ri na equação e este fato implicar que o membro da esquerda é identicamente igual ao membro da direita, isto é:

a11 r1 + a12 r2 + a13 r3 + a14 r4 = b1

Exemplo: A sequência (5,6,7) é uma solução da equação 2x+3y-2z=14 pois, tomando x=5, y=6 e z=7 na equação dada, teremos:

2×5 + 3×6 – 2×7 = 14

 

Sistemas de equações lineares

Um sistema de equações lineares ou sistema linear é um conjunto formado por duas ou mais equações lineares. Um sistema linear pode ser representado na forma:

a11 x1 + a12 x2 +…+ a1n xn = b1
a21 x1 + a22 x2 +…+ a2n xn = b2
… … … …
am1 x1 + am2 x2 +…+ amn xn = bn

onde

  • x1, x2, …, xn são as incógnitas;
  • a11, a12, …, amn são os coeficientes;
  • b1, b2, …, bm são os termos independentes.

 

Solução de um sistema de equações lineares

Uma sequência de números (r1,r2,…,rn) é solução do sistema linear:

a11 x1 + a12 x2 +…+ a1n xn = b1
a21 x1 + a22 x2 +…+ a2n xn = b2
… … … …
am1 x1 + am2 x2 +…+ amn xn = bn

se satisfaz identicamente a todas as equações desse sistema linear.

Exemplo: O par ordenado (2,0) é uma solução do sistema linear:

2x + y = 4
x + 3y = 2
x + 5y = 2

pois satisfaz identicamente a todas as equações do mesmo, isto é, se substituirmos x=2 e y=0, os dois membros de cada igualdade serão iguais em todas as equações.

Consistência de Sistemas Lineares

O número de soluções de um sistema linear determina a sua classificação de duas maneiras com relação à sua consistência:

Sistema possível ou consistente: Quando tem pelo menos uma solução.

  1. Se tem uma única solução, o sistema é determinado.
  2. Se tem mais que uma solução, o sistema é indeterminado.

Sistema impossível ou inconsistente: Se não admite qualquer solução.

Exemplos de sistemas com respeito às suas soluções

Sistema com uma única solução: As equações lineares abaixo representam duas retas no plano cartesiano que têm o ponto (3,-2) como interseção.

x + 2y = -1
2x – y = 8

Sistema com infinitas soluções: As equações lineares representam retas paralelas sobrepostas no plano cartesiano, logo existem infinitos pontos que satisfazem a ambas as equações (pertencem a ambas as retas).

4x + 2y = 100
8x + 4y = 200

Sistema que não tem solução: As equações lineares representam retas paralelas no plano cartesiano, logo, não existem pontos que pertençam às duas retas.

x + 3y = 4
x + 3y = 5

 

Sistemas equivalentes

Dois sistemas são equivalentes se admitem a mesma solução.

Exemplo: São equivalentes os sistemas S1 e S2 indicados abaixo:

S1 3x + 6y = 42
2x – 4y = 12
S2 1x + 2y = 14
1x – 2y = 6

pois eles admitem a mesma solução x=10 e y=2.

Notação: Quando dois sistemas S1 e S2 são equivalentes, usamos a notação S1~S2.

Operações elementares sobre sistemas lineares

Existem três tipos de operações elementares que podem ser realizadas sobre um sistema linear de equações de forma a transformá-lo em um outro sistema equivalente mais simples que o anterior. Na sequência trabalharemos com um exemplo para mostrar como funcionam essas operações elementares sobre linhas. O segundo sistema (o que aparece à direita) já mostra o resultado da ação da operação elementar. Nas linhas iniciais de cada tabela, você encontra a operação que foi realizada.

  1. Troca de posição de duas equações do sistema
    Troca a Linha 1 com a Linha 3
    x + 2y – z = 2
    2x-3y+2z=0
    4x + y – 5z = 9
    ~ 4x + y – 5z = 9
    2x-3y+2z=0
    x + 2y – z = 2
  2. Multiplicação de uma equação por um número não nulo
    Multiplica a Linha 1 pelo número 3
    x + 2y – z = 2
    2x-3y+2z=0
    4x+y-5z=9
    ~ 3x + 6y – 3z = 6
    2x-3y+2z=0
    4x+y-5z=9
    A equação resultante fica na linha 1
  3. Adição de duas equações do sistema
    Adição da Linha 2 com a Linha 3
    x+2y-z=2
    2x -3y + 2z = 0
    4x + y – 5z = 9
    ~ 3x+6y-3z=6
    2x-3y+2z=0
    6x – 2y – 3z = 9
    A equação resultante fica na linha 3

 

Resolução de sistemas lineares por escalonamento

Com o auxílio das três Operações Elementares sobre linhas, podemos resolver sistemas lineares. Vamos mostrar como funciona este processo através de um exemplo.

Exemplo: Consideremos o sistema com 3 equações e 3 incógnitas.

3x + y + z = 20
2x – y – z = -15
-4x + y -5z = -41

Observação: Usamos Li+Lj->Lj para indicar a soma da linha i com a linha j com o resultado na linha j. Usamos k Li->Li, para indicar que multiplicamos a linha i pela constante k e o resultado ficou na linha i.

Passo 1: L1-L2->L1
3x + 1y + 1z = 20
2x – 1y – 1z = -15
-4x+1y-5z=-41
~ 1x + 2y + 2z = 35
2x-1y-1z=-15
-4x+1y-5z=-41

 

Passo 2: L2-2.L1->L2
1x + 2y + 2z = 35
2x – 1y – 1z = -15
-4x+1y-5z=-41
~ 1x+2y+2z=35
0x – 5y – 5z = -85
-4x+1y-5z=-41

 

Passo 3: L3+4.L1->L3
1x + 2y + 2z = 35
0x-5y-5z=-85
-4x + 1y – 5z = -41
~ 1x+2y+2z=35
0x-5y-5z=-85
0x + 9y + 3z = 99

 

Passo 4:(-1/5)L2->L2,(1/3)L3->L3
1x+2y+2z=35
0x – 5y – 5z = -85
0x + 9y + 3z = 99
~ 1x+2y+2z=35
0x + 1y + 1z = 17
0x + 3y + 1z = 33

 

Passo 5: L3-3.L2->L3
1x+2y+2z=35
0x + 1y + 1z = 17
0x + 3y + 1z = 33
~ 1x+2y+2z=35
0x+1y+1z=17
0x + 0y – 2z = -18

 

Passo 6: (-1/2)L3->L3
1x+2y+2z=35
0x+1y+1z=17
0x + 0y – 2z = -18
~ 1x+2y+2z=35
0x+1y+1z=17
0x + 0y + 1z = 9

 

Passo 7: L2-L3->L2
1x+2y+2z=35
0x + 1y + 1z = 17
0x + 0y + 1z = 9
~ 1x+2y+2z=35
0x + 1y + 0z = 8
0x+0y+1z=9

 

Passo 8: L1-2.L2-2.L3->L1
1x + 2y + 2z = 35
0x + 1y + 0z = 8
0x + 0y + 1z = 9
~ 1x + 0y + 0z = 1
0x+1y+0z=8
0x+0y+1z=9

 

Passo 9: Simplificar coeficientes
1x + 0y + 0z = 1
0x + 1y + 0z = 8
0x + 0y + 1z = 9
~ x = 1
y = 8
z = 9

Após o escalonamento, observamos que a solução obtida é exatamente fornecida pelo último sistema.

Sistemas lineares homogêneos

Um sistema linear é homogêneo quando os termos independentes de todas as equações são nulos. Todo sistema linear homogêneo admite pelo menos a solução trivial, que é a solução identicamente nula. Assim, todo sistema linear homogêneo é possível. Este tipo de sistema poderá ser determinado se admitir somente a solução trivial ou indeterminado se admitir outras soluções além da trivial.

Exemplo: O sistema

2x – y + 3z = 0
4x + 2y – z = 0
x – y + 2z = 0

é determinado, pois possui a solução x=0, y=0 e z=0.

Regra de Cramer

Esta regra depende basicamente sobre o uso de determinantes. Para indicar o determinante de uma matriz X, escreveremos det(X).

Seja um sistema linear com n equações e n incógnitas:

a11 x1 + a12 x2 +…+ a1j xj +…+ a1n xn = b1
a21 x1 + a22 x2 +…+ a2j xj +…+ a2n xn = b2
… … … …
an1 xn + an2 xn +…+ anj xj +…+ ann xn = bn

A este sistema podemos associar algumas matrizes:

  • Matriz dos coeficientes: Formada pelos coeficientes das incógnitas do sistema, aqui indicada pela letra A.
    Matriz dos coeficientes
    a11 a12 … a1j … a1n
    a21 a22 … a2j … a2n
    … … … … … …
    an1 an2 … anj … ann
  • Matriz Aumentada do sistema: Formada todos os coeficientes das incógnitas do sistema e também pelos termos independentes.
    Matriz Aumentada
    a11 a12 … a1j … a1n b1
    a21 a22 … a2j … a2n b2
    … … … … … …
    an1 an2 … anj … ann bn
  • Matriz da incógnita xj: É a matriz Aj obtida ao substituirmos a coluna j (1<j<n) da matriz A, pelos termos independentes das equações do sistema.
    Matriz da incógnita xj
    a11 a12b1 … a1n
    a21 a22b2 … a2n
    … … … … …
    an1 an2bn … ann

Quando as posições j=1,2,3 estão relacionadas com x1, x2 e x3 e substituídas pelas incógnitas x, y e z, é comum escrever Ax, Ay e Az.

Se det(A) é diferente de zero, é possível obter cada solução xj (j=1,…,n), dividindo det(Aj) por det(A), isto é:

xj = det(Aj) / det(A)

Se det(A)=0, o sistema ainda poderá ser consistente, se todos os determinantes nxn da matriz aumentada do sistema forem iguais a zero.

Um sistema impossível: Seja o sistema

2x + 3y + 4z = 27
1x – 2y + 3z = 15
3x + 1y + 7z = 40

A matriz A e a matriz aumentada Au do sistema estão mostradas abaixo.

2 3 4
1 -2 3
3 1 7
2 3 4 27
1 -2 3 15
3 1 7 40

Como det(A)=0, devemos verificar se todos os determinantes das sub-matrizes 3×3 da matriz aumentada são nulos. Se existir pelo menos um deles não nulo, o sistema será impossível e este é o caso pois é não nulo o determinante da sub-matriz 3×3 formada pelas colunas 1, 2 e 4 da matriz aumentada:

2 3 27
1 -2 15
3 1 40

Um sistema indeterminado: Consideremos agora o sistema (Quase igual ao anterior: trocamos 40 por 42 na última linha!)

2x + 3y + 4z = 27
1x – 2y + 3z = 15
3x + 1y + 7z = 42

A matriz A e a matriz aumentada Au do sistema, estão abaixo:

2 3 4
1 -2 3
3 1 7
2 3 4 27
1 -2 3 15
3 1 7 42

Aqui, tanto det(A)=0 como todos os determinantes das sub-matrizes 3×3 da matriz aumentada são nulos, então o sistema é possível e indeterminado. Neste caso, observamos que a última linha é a soma das duas primeiras e como estas duas primeiras dependem de x, y e z, você poderá encontrar as soluções, por exemplo, de x e y em função de z.

Um sistema com solução única: Seja o sistema

2x + 3y + 4z = 27
1x – 2y + 3z = 15
3x + 1y + 6z = 40

A matriz A e a matriz dos termos independentes do sistema estão indicados abaixo.

2 3 4
1 -2 3
3 1 6
27
15
40

Como det(A)=7, o sistema admite uma única solução que depende dos determinantes das matrizes Ax, Ay e Az, e tais matrizes são obtidas pela substituição 1a., 2a. e 3a. colunas da matriz A pelos termos independentes das três equações, temos:

Ax= 27 3 4
15 -2 3
40 1 6
Ay= 2 27 4
1 15 3
3 40 6
Az= 2 3 27
1 -2 15
3 1 40

Como det(Ax)=65, det(Ay)=1 e det(Az)=14, a solução do sistema é dada por:

x = det(Ax)/det(A) = 65/7
y = det(Ay)/det(A) = 1/7
z = det(Az)/det(A) = 14/7


Construída por Emanuelle L.Vicente e Ulysses Sodré. Atualizada em
Médio
Números Complexos
Ensino Médio: Números Complexos
  • Introdução aos Nos. complexos
  • Definição de número complexo
  • Elementos especiais
  • Operações básicas
  • Potências e curiosidade sobre i
  • O inverso de um no. complexo
  • Diferença e divisão de complexos
  • Representação geométrica
  • Módulo e argumento de complexo
  • Forma polar e sua multiplicação
  • Potências na forma polar
  • Raiz quarta de um complexo
  • Raiz n-ésima de um complexo
  • Número complexo como matriz

 

Introdução aos números complexos

Na resolução de uma equação algébrica, um fator fundamental é o conjunto universo que representa o contexto onde poderemos encontrar as soluções. Por exemplo, se estivermos trabalhando no conjunto dos números racionais, a equação 2x+7=0, terá uma única solução dada por x=-7/2. assim, o conjunto solução será:

S = { 7/2 }

mas, se estivermos procurando por um número inteiro como resposta, o conjunto solução será o conjunto vazio, isto é:

S = Ø = { }

De forma análoga, ao tentar obter o conjunto solução para a equação x2+1=0 sobre o conjunto dos números reais, obteremos como resposta o conjunto vazio, isto é:

S = Ø = { }

o que significa que não existe um número real que elevado ao quadrado seja igual a -1, mas se seguirmos o desenvolvimento da equação pelos métodos comuns, obteremos:

x = R[-1] =

onde R[-1] é a raiz quadrada do número real -1. Isto parece não ter significado prático e foi por esta razão que este número foi chamado imaginário, mas o simples fato de substituir R[-1] pela letra i (unidade imaginária) e realizar operações como se estes números fossem polinômios, faz com que uma série de situações tanto na Matemática como na vida, tenham sentido prático de grande utilidade e isto nos leva à teoria dos números complexos.

 

Definição de número complexo

Número complexo é todo número que pode ser escrito na forma

z = a + b i

onde a e b são números reais e i é a unidade imaginária. O número real a é a parte real do número complexo z e o número real b é a parte imaginária do número complexo z, denotadas por:

a = Re(z) e b = Im(z)

Exemplos de tais números são apresentados na tabela.

Número complexo Parte real Parte imaginária
2 + 3 i 2 3
2 – 3 i 2 -3
2 2 0
3 i 0 3
-3 i 0 -3
0 0 0

Observação: O conjunto de todos os números complexos é denotado pela letra C e o conjunto dos números reais pela letra R. Como todo número real x pode ser escrito como um número complexo da forma z=x+yi, onde y=0 então assumiremos que o conjunto dos números reais está contido no conjunto dos números complexos.

 

Elementos complexos especiais

  1. Igualdade de números complexos: Dados os números complexos z=a+bi e w=c+di, definimos a igualdade entre z e w, escrevendo

    z = w se, e somente se, a = c e b = d

    Para que os números complexos z=2+yi e w=c+3i sejam iguais, deveremos ter que c=2 e y=3.

  2. Oposto de um número complexo: O oposto do número complexo z=a+bi é o número complexo denotado por -z=-(a+bi), isto é:

    -z = Oposto(a+bi) = (-a) + (-b)i

    O oposto de z=-2+3i é o número complexo -z=2-3i.

  3. Conjugado de um número complexo: O número complexo conjugado de z=a+bi é o número complexo denotado por z*=a-bi, isto é:

    z* = conjugado(a+bi) = a + (-b)i

    O conjugado de z=2-3i é o número complexo z*=2+3i.

 

Operações básicas com números complexos

Dados os números complexos z=a+bi e w=c+di, podemos definir duas operações fundamentais, adição e produto, agindo sobre eles da seguinte forma:

z+w = (a+bi) + (c+di) = (a+c) + (b+d)i
z.w = (a+bi).(c+di) = (ac-bd) + (ad+bc)i

Observação: Tais operações lembram as operações com expressões polinomiais, pois a adição é realizada de uma forma semelhante, isto é: (a+bx)+(c+dx)=(a+c)+(b+d)x e a multiplicação (a+bx).(c+dx), é realizada através de um algoritmo que aparece na forma:

a + b x
c + d x    X
_________________
ac + bcx
     adx + bdx²
______________________
ac + (bc+ad)x + bdx²

de forma que devemos substituir x2 por -1.

Exemplos:

  1. Se z=2+3i e w=4-6i, então z+w=(2+3i)+(4-6i)=6-3i.
  2. Se z=2+3i e w=4-6i, então z.w=(2+3i).(4-6i)=-4+0i.

 

Potências e curiosidade sobre a unidade imaginária

Potências de i: Ao tomar i=R[-1], temos uma sequência de valores muito simples para as potências de i:

Potência i2 i3 i4 i5 i6 i7 i8 i9
Valor -1 -i 1 i -1 -i 1 i

Pela tabela acima podemos observar que as potência de i cujos expoentes são múltiplos de 4, fornecem o resultado 1, logo toda potência de i pode ter o expoente decomposto em um múltiplo de 4 mais um resto que poderá ser 0, 1, 2 ou 3. Dessa forma podemos calcular rapidamente qualquer potência de i, apenas conhecendo o resto da divisão do expoente por 4.

Exercício: Calcular os valores dos números complexos: i402, i4033 e i1998. Como exemplo: i402=i400.i2 = 1.(-1) = -1

Curiosidade geométrica sobre i: Ao pensar um número complexo z=a+bi como um vetor z=(a,b) no plano cartesiano, a multiplicação de um número complexo z=a+bi pela unidade imaginária i, resulta em um outro número complexo w=-b+ai, que forma um ângulo reto (90 graus) com o número complexo z=a+bi dado.

Exercício: Tomar um número complexo z, multiplicar por i para obter z1=i.z, depois multiplicar o resultado z1 por i para obter z2=i.z1. Continue multiplicando os resultados obtidos por i até ficar cansado ou então use a inteligência para descobrir algum fato geométrico significativo neste contexto. Após constatar que você é inteligente, faça um desenho no plano cartesiano contendo os resultados das multiplicações.

 

O inverso de um número complexo

Dado o número complexo z=a+bi, não nulo (a ou b deve ser diferente de zero) definimos o inverso de z como o número z-1=u+iv, tal que

z . z-1 = 1

O produto de z pelo seu inverso z-1 deve ser igual a 1, isto é:

(a+bi).(u+iv) = (au-bv)+(av+bu)i = 1 = 1+0.i

o que nos leva a um sistema com duas equações e duas incógnitas:

a u – b v = 1
b u + a v = 0

Este sistema pode ser resolvido pela regra de Cramér e possui uma única solução (pois a ou b são diferentes de zero), fornecendo:

u = a/(a2+b2)
v = -b/(a2+b2)

assim, o inverso do número complexo z=a+bi é:

Obtenção do inverso de um número complexo: Para obter o inverso de um número complexo, por exemplo, o inverso de z=5+12i, deve-se:

  1. Escrever o inverso desejado na forma de uma fração

  2. Multiplicar o numerador e o denominador da fração pelo conjugado de z

  3. Lembrar que i2 = -1, simplificar os números complexos pela redução dos termos semelhantes, para obter

 

Diferença e divisão de números complexos

Diferença de números complexos: A diferença entre os números complexos z=a+bi e w=c+di é o número complexo obtido pela soma entre z e -w, isto é: z-w=z+(-w).

Exemplo: A diferença entre os complexos z=2+3i e w=5+12i é z-w=(2+3i)+(-5-12i)=(2-5)+(3-12)i=-3-9i.

Divisão de números complexos: A divisão entre os números complexos z=a+bi e w=c+di (w não nulo) é definida como o número complexo obtido pelo produto entre z e w-1, isto é: z/w=z.w-1.

Exemplo: Para dividir o número complexo z=2+3i por w=5+12i, basta multiplicar o numerador e o denominador da fração z/w pelo conjugado de w:

 

Representação geométrica de um número complexo

Um número complexo da forma z=a+bi, pode ser representado do ponto de vista geométrico no plano cartesiano, como um ponto (par ordenado) tomando-se a abscissa deste ponto como a parte real do número complexo a no eixo OX e a ordenada como a parte imaginária do número complexo z no eixo OY, sendo que o número complexo 0=0+0i é representado pela própria origem (0,0) do sistema.

 

Módulo e argumento de um número complexo

Módulo de um número complexo: No gráfico anterior observamos que existe um triângulo retângulo cuja medida da hipotenusa é a distância da origem 0 ao número complexo z, normalmente denotada pela letra grega ro nos livros, mas aqui denotada por r, o cateto horizontal tem comprimento igual à parte real a do número complexo e o cateto vertical corresponde à parte imaginária b do número complexo z.

Desse modo, se z=a+bi é um número complexo, então r2=a2+b2 e a medida da hipotenusa será por definição, o módulo do número complexo z, denotado por |z|, isto é:

Argumento de um número complexo: O ângulo ø formado entre o segmento OZ e o eixo OX, é denominado o argumento do número complexo z. Pelas definições da trigonometria circular temos as três relações:

cos(ø)=a/r, sen(ø)/r, tan(ø)=b/a

Por experiência, observamos que é melhor usar o cosseno ou o seno do ângulo para definir bem o argumento, uma vez que a tangente apresenta alguns problemas.

 

Forma polar e sua multiplicação

Forma polar de um número complexo: Das duas primeiras relações trigonométricas apresentadas anteriormente, podemos escrever:

z = a+bi = r cos(ø) + r i sen(ø) = r (cos ø + i sen ø)

e esta última é a forma polar do número complexo z.

Multiplicação de complexos na forma polar: Consideremos os números complexos:

z = r (cos m + i sen m)
w = s (cos n + i sen n)

onde, respectivamente, r e s são os módulos e m e n são os argumentos destes números complexos z e w.

Realizamos o produto entre estes números da forma usual e reescrevemos o produto na forma:

z . w = r s [cos (m+n) + i sen (m+n)]

Este fato é garantido pelas relações:

cos(m+n) = cos(m) cos(n) – sen(m) sen(n)
sen(m+n) = sen(m) cos(n) + sen(n) cos(m)

 

Potência de um número complexo na forma polar

Seguindo o produto acima, poderemos obter a potência de ordem k de um número complexo. Como

z = r [cos(m) + i sen(m)]

então

zk = rk [cos(km) + i sen(km)]

Exemplo: Consideremos o número complexo z=1+i, cujo módulo é a raiz quadrada de 2 e o argumento é /4 (45 graus). Para elevar este número à potência 16, basta escrever:

z16 = 28[cos(720o)+isen(720o)]=256

 

Raiz quarta de um número complexo

Um ponto fundamental que valoriza a existência dos números complexos é a possibilidade de extrair a raiz de ordem 4 de um número complexo, mesmo que ele seja um número real negativo, o que significa, resolver uma equação algébrica do 4o. grau. Por exemplo, para extrair a raiz quarta do número -16, devemos obter as quatro raízes da equação algébrica x4+16=0.

Antes de apresentar o nosso processo para a obtenção da raiz quarta de um número complexo w, necessitamos saber o seu módulo r e o seu argumento t, o que significa poder escrever o número complexo na forma polar:

w = r (cos t + i sen t)

O primeiro passo é realizar um desenho mostrando este número complexo w em um círculo de raio r e observar o argumento t, dado pelo angulo entre o eixo OX e o número complexo w.

O passo seguinte é obter um outro número complexo z(1) cujo módulo seja a raiz quarta de r e cujo argumento seja t/4. Este número complexo é a primeira das quatro raizes complexas procuradas.

z(1) = r1/4 [cos(t/4)+isen(t/4)]

As outras raízes serão:

z(2) = i z(1)
z(3) = i z(2)
z(4) = i z(3)

Todas aparecem no gráfico, mas observamos que este processo para obter as quatro raízes do número complexo w ficou mais fácil pois temos a propriedade geométrica que o número complexo i multiplicado por outro número complexo, roda este último de 90 graus e outro fato interessante é que todas as quatro raízes de w estão localizadas sobre a mesma circunferência e os ângulos formados entre duas raízes consecutivas é de 90 graus.

Se os quatro números complexos forem ligados, aparecerá um quadrado rodado de t/4 radianos em relação ao eixo OX.

 

Raiz n-ésima de um número complexo

Existe uma importantíssima relação atribuída a Euler:

ei.t = cos(t) + i sen(t)

que é verdadeira para todo argumento real e a constante e tem o valor aproximado 2,71828… Para facilitar a escrita usamos frequentemente:

exp(i t) = cos(t) + i sen(t)

Observação: A partir da relação de Euler, é possível construir uma relação notável envolvendo os mais importantes sinais e constantes da Matemática:

Voltemos agora à exp(it). Se multiplicarmos o número eit por um número complexo z, o resultado será um outro número complexo rodado de t radianos em relação ao número complexo z.

Por exemplo, se multiplicarmos o número complexo z por exp(i/8)=cos(/8)+i sen(/8), obteremos um número complexo z(1) que forma com z um ângulo /8=22,5graus, no sentido anti-horário.

Iremos agora resolver a equação xn=w, onde n é um número natural e w é um número complexo dado. Da mesma forma que antes, podemos escrever o número complexo w=r(cos t + i sen t) e usar a relação de Euler, para obter:

w = r eit

Para extrair a raiz n-ésima, deve-se construir a primeira raiz que é dada pelo número complexo

z(1) = r1/n eit/n

Todas as outras n-1 raízes serão obtidas pela multiplicação recursiva dada por:

z(k) = z(k-1) e2i/n

onde k varia de 2 até n.

Exemplo: Para obter a primeira raiz da equação x8=-64, observamos a posição do número complexo w=-64+0i, constatando que o seu módulo é igual a 64 e o argumento é igual a radianos (=180 graus).

Aqui, a raiz oitava de 64 é igual a 2 e o argumento da primeira raiz é /8, então z(1) pode ser escrita na forma polar:

z(1) = 2 ei/8 = 2(cos 22,5o+i sen 22,5o) = R[2](1+i)

onde R[2] é a raiz quadrada de 2. Obtemos as outras raízes pela multiplicação do número complexo abaixo, através de qualquer uma das formas:

e2i/8 = 2(cos 45o + i sen 45o) = R[2](1+i)/2=0,707(1+i)

Assim:

z(2) = z(1) R[2](1+i)/2
z(3) = z(2) R[2](1+i)/2
z(4) = z(3) R[2](1+i)/2
z(5) = z(4) R[2](1+i)/2
z(6) = z(5) R[2](1+i)/2
z(7) = z(6) R[2](1+i)/2
z(8) = z(7) R[2](1+i)/2

Exercício: Construa no sistema cartesiano os 8 números complexos e ligue todas as raízes consecutivas para obter um octógono regular rodado de 22,5 graus em relação ao eixo OX. Tente comparar este método com outros que você conhece e realize exercícios para observar como aconteceu o aprendizado.

 

Número complexo como matriz

Existe um estudo sobre números complexos, no qual um número complexo z=a+bi pode ser tratado como uma matriz quadrada 2×2 da forma:

Matriz

e todas as propriedades dos números complexos, podem ser obtidas através de matrizes, resultando em processos que transformam as características geométricas dos números complexos em algo simples.


 

Construída por Sonia F.L.Toffoli e Ulysses Sodré.

Médio
Polinômios e Equações algébricas
Ensino Médio: Polinômios e Equações algébricas
  • A função polinomial
  • Grau de um polinômio
  • Igualdade de polinômios
  • Soma de polinômios
  • Produto de polinômios
  • Espaço vetorial de polinômios
  • Sobre o grau de um polinômio
  • Algoritmo da divisão polinomial
  • Zeros de um polinômio
  • Eq. algébricas e Transcendentes
  • Métodos de resolução algébrica
  • Teorema Fundamental da Álgebra
  • Algumas identidades polinomiais
  • Algumas desigualdades polinomiais

 

A função polinomial

Um polinômio (função polinomial) com coeficientes reais na variável x é uma função matemática f:RR definida por:

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn

onde ao, a1, a2, …, an são números reais, denominados coeficientes do polinômio. O coeficiente ao é o termo constante.

Se os coeficientes são números inteiros, o polinômio é denominado polinômio inteiro em x.

Uma das funções polinomiais mais importantes é f:RR definida por:

f(x) = a x² + b x + c

O gráfico desta função é a curva plana denominada parábola, que tem algumas características utilizadas em estudos de Cinemática, radares, antenas parabólicas e faróis de carros. Ver o link A função quadrática nesta mesma página para entender a importância da função polinomial quadrática.

O valor numérico de um polinômio p=p(x) em x=a é obtido pela substituição de x pelo número a, para obter p(a).

Exemplo: O valor numérico de p(x)=2x²+7x-12 para x=3 é dado por:

p(3) = 2×(3)²+7×3-12 = 2×9+21-12 = 18+9 = 27

 

Grau de um polinômio

Em um polinômio, o termo de mais alto grau que possui um coeficiente não nulo é chamado termo dominante e o coeficiente deste termo é o coeficiente do termo dominante. O grau de um polinômio p=p(x) não nulo, é o expoente de seu termo dominante, que aqui será denotado por gr(p).

Acerca do grau de um polinômio, existem várias observações importantes:

  1. Um polinômio nulo não tem grau uma vez que não possui termo dominante. Em estudos mais avançados, define-se o grau de um polinômio nulo mas não o faremos aqui.
  2. Se o coeficiente do termo dominante de um polinômio for igual a 1, o polinômio será chamado mônico.
  3. Um polinômio pode ser ordenado segundo as suas potências em ordem crescente ou decrescente.
  4. Quando existir um ou mais coeficientes nulos, o polinômio será dito incompleto.
  5. Se o grau de um polinômio incompleto for n, o número de termos deste polinômio será menor do que n+1.
  6. Um polinômio será completo quando possuir todas as potências consecutivas desde o grau mais alto até o termo constante.
  7. Se o grau de um polinômio completo for n, o número de termos deste polinômio será exatamente n+1.

É comum usar apenas uma letra p para representar a função polinomial p=p(x) e P[x] o conjunto de todos os polinômios reais em x.

 

Igualdade de polinômios

Os polinomios p e q em P[x], definidos por:

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn
q(x) = bo + b1x + b2x² + b3x³ +…+ bnxn

são iguais se, e somente se, para todo k=0,1,2,3,…,n:

ak=bk

Teorema: Uma condição necessária e suficiente para que um polinômio inteiro seja identicamente nulo é que todos os seus coeficientes sejam nulos.

Assim, um polinômio:

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn

será nulo se, e somente se, para todo k=0,1,2,3,…,n:

ak= 0

O polinômio nulo é denotado por po=0 em P[x].

O polinômio unidade (identidade para o produto) p1=1 em P[x], é o polinômio:

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ + …+ anxn

tal que ao=1 e ak=0, para todo k=1,2,3,…,n.

 

Soma de polinômios

Consideremos p e q polinômios em P[x], definidos por:

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +… + anxn
q(x) = bo + b1x + b2x² + b3x³ +… + bnxn

Definimos a soma de p e q, por:

(p+q)(x) = (ao+bo)+(a1+b1)x+(a2+b2)x²+…+(an+bn)xn

A estrutura matemática (P[x],+) formada pelo conjunto de todos os polinômios com a soma definida acima, possui algumas propriedades:

Associativa: Quaisquer que sejam p, q, r em P[x], tem-se que:

(p + q) + r = p + (q + r)

Comutativa: Quaisquer que sejam p, q em P[x], tem-se que:

p + q = q + p

Elemento neutro: Existe um polinômio po(x)=0 tal que

po + p = p

qualquer que seja p em P[x].

Elemento oposto: Para cada p em P[x], existe outro polinômio q=-p em P[x] tal que

p + q = 0

Com estas propriedades, a estrutura (P[x],+) é denominada um grupo comutativo.

 

Produto de polinômios

Sejam p, q em P[x], dados por:

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn
q(x) = bo + b1x + b2x² + b3x³ +…+ bnxn

Definimos o produto de p e q, como um outro polinômio r em P[x]:

r(x) = p(x)·q(x) = co + c1x + c2x² + c3x³ +…+ cnxn

tal que:

ck = aobk + a1bk-1 + a2 bk-2 + a3bk-3 +…+ ak-1 b1 + akbo

para cada ck (k=1,2,3,…,m+n). Observamos que para cada termo da soma que gera ck, a soma do índice de a com o índice de b sempre fornece o mesmo resultado k.

A estrutura matemática (P[x],·) formada pelo conjunto de todos os polinômios com o produto definido acima, possui várias propriedades:

Associativa: Quaisquer que sejam p, q, r em P[x], tem-se que:

(p · q) · r = p · (q · r)

Comutativa: Quaisquer que sejam p, q em P[x], tem-se que:

p · q = q · p

Elemento nulo: Existe um polinômio po(x)=0 tal que

po · p = po

qualquer que seja p em P[x].

Elemento Identidade: Existe um polinômio p1(x)=1 tal que

p1 · p = p

qualquer que seja p em P[x]. A unidade polinomial é simplesmente denotada por p1=1.

Existe uma propriedade mista ligando a soma e o produto de polinômios

Distributiva: Quaisquer que sejam p, q, r em P[x], tem-se que:

p · (q + r) = p · q + p · r

Com as propriedades relacionadas com a soma e o produto, a estrutura matemática (P[x],+,·) é denominada anel comutativo com identidade.

 

Espaço vetorial dos polinômios reais

Embora uma sequência não seja um conjunto mas sim uma função cujo domínio é o conjunto dos números naturais, usaremos neste momento uma notação para sequência no formato de um conjunto.

O conjunto P[x] de todos os polinômios pode ser identificado com o conjunto S das sequências quase-nulas de números reais , isto é, as sequências da forma:

p = (ao,a1,a2,a3,a4,…,an,0,0,0,…)

Isto significa que após um certo número natural n, todos os termos da sequência são nulos.

A identificação ocorre quando tomamos os coeficientes do polinômio

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn

e colocamos os mesmos entre parênteses e após o n-ésimo coeficiente colocamos uma quantidade infinita de zeros, assim nós temos somente uma quantidade finita de números não nulos, razão pela qual tais sequências são denominadas sequências quase-nulas.

Esta forma de notação

p = (ao,a1,a2,a3,a4,…,an,0,0,0,…)

funciona bem quando trabalhamos com espaços vetoriais, que são estruturas matemáticas onde a soma dos elementos e a multiplicação dos elementos por escalar têm várias propriedades.

Vamos considerar S o conjunto das sequências quase-nulas de números reais com as operações de soma, multiplicação por escalar e de multiplicação, dadas abaixo.

Sejam p e q em S, tal que:

p = (ao,a1,a2,a3,a4,…,am,0,0,0,…)
q = (bo,b1,b2,b3,b4,…,bn,0,0,0,…)

e vamos supor que m < n.

Definimos a soma de p e q, como:

p+q = (ao+bo,a1+b1,a2+b2,…,an+bn,0,0,0,…)

a multiplicação de p em S por um escalar k, como:

k.p = (kao,ka1,ka2,ka3,ka4,…,kam,0,0,…)

e o produto de p e q em S como:

p·q = (co,c1,c2,c3,c4,…,cn,0,0,0,…)

sendo que

ck = aobk + a1bk-1 + a2bk-2 + a3bk-3 +…+ ak-1b1+akbo

para cada ck (k=1,2,3,…,m+n).

O conjunto S com as operações definidas é: associativo, comutativo, distributivo e possui elementos: neutro, identidade, unidade, oposto.

 

Características do grau de um polinômio

Se gr(p)=m e gr(q)=n então

gr(p.q) = gr(p) + gr(q)
gr(p+q)<max{gr(p),gr(q)}

 

Algoritmo da divisão de polinômios

Dados os polinômios p e q em P[x], dizemos que q divide p se existe um polinômio g em P[x] tal que

p(x) = g(x) q(x)

Se p em P[x] é um polinômio com gr(p)=n e g é um outro polinômio com gr(g)=m<n, então existe um polinômio q em P[x] e um polinômio r em P[x] com gr(r)<gr(g), tal que:

p(x) = q(x) g(x) + r(x)

Um caso particular importante é quando tomamos g(x)=x-c e

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn

Como para todo k=1,2,3,…,n vale a identidade:

xk-ck = (x-c)( xk-1 + cxk-2 + c²xk-3 +…+ ck-2x+ck-1 )

então para

p(x) = ao + a1x + a2x² + a3x³ +…+ anxn

temos que

p(c) = ao + a1c + a2c² + a3c³ +…+ ancn

e tomando a diferença entre p(x) e p(c), teremos:

p(x)-p(c) = a1(x-c) + a2(x²-c²) + a3(x³-c³) +…+ an(xn-cn)

o que garante que podemos evidenciar g(x)=x-c para obter

p(x)- p(c)=(x-c) q(x)

onde q=q(x) é um polinômio de grau n-1. Assim, podemos escrever:

p(x)=(x-c) q(x)+p(c)

e é claro que r(x)=p(c) é um polinômio de grau 0.

 

Zeros de um polinômio

Um zero de um polinômio real p em P[x] é um número c, que pode ser real ou complexo, tal que p(c)=0. O zero de um polinômio também é denominado raiz do polinômio.

Uma consequência do Algoritmo da Divisão de polinômios é que:

x-c é um fator de p se, e somente se, r(x)=f(c)=0

o que é equivalente a:

c é um zero de p, sse, x-c é um divisor de p=p(x)

 

Equações Algébricas e Transcendentes

Uma equação algébrica real na variável x é uma relação matemática que envolve apenas um número finito de operações de soma, subtração, produto, divisão e radiciação de termos envolvendo a variável x.

Exemplos

  1. 2x²+3x+7=0
  2. 3x²+7x½=2x+3

A função exponencial exp(x)=ex pode ser escrita como um somatório com infinitos termos contendo potências de x:

ex = 1 + x +x²/2! + x³/3! + x4/4! + x5/5! +…

assim, a equação

x²+7x=ex

não é uma equação algébrica, o que equivale a dizer que esta equação é transcendente.

Quando a equação é da forma:

p(x) = 0

onde p é um polinômio real em P[x], ela será chamada equação polinomial.

Quando uma equação possui a variável sob um sinal de radiciação ela é chamada equação irracional.

Exemplo: 2x²+3x+7 =0 e 3x²+7x½=2x+3 são equações algébricas. A primeira é polinomial, mas a segunda não é polinomial. Esta segunda é uma equação irracional.

Observação: Uma equação algébrica irracional sempre poderá ser colocada na forma de uma equação polinomial. Quando uma equação algébrica irracional é transformada em uma equação polinomial, as raízes da nova equação poderão não coincidir com as raízes da equação original e as raízes obtidas desta nova equação que não servem para a equação original são denominadas raízes estranhas.

Exercício: Apresentar uma equação irracional que tenha raízes estranhas.

 

Métodos de resolução algébrica

Alguns tipos especiais de equações podem ser resolvidos.

Equação do 1o. grau: A equação ax+b=0 com a diferente de zero, admite uma única raíz dada por:

x = -b/a

Equação do 2o. grau: A equação ax²+bx+c=0 com a diferente de zero, admite exatamente duas raízes no conjunto dos números complexos, dadas por:

x1=(-b+R[b²-4ac] / 2a
x2=(-b- R[b²-4ac]/ 2a

onde R[z] é a raiz quadrada de z.

Nesta página há dois links que tratam sobre o assunto: Equações do Segundo grau que dá um tratamento mais detalhado sobre o assunto e Cálculo de raízes de uma Equação do 2o.grau que é um formulário onde você entra com os coeficientes e obtém as raízes sem muito esforço.

Equação cúbica: A equação ax³+bx²+cx+d=0 com a não nulo, admite exatamente três raízes no conjunto dos números complexos que podem ser obtidas pela fórmula de Tartaglia (Cardano).

Veja o nosso link O método de Tartaglia (Eq. do 3o.grau) onde você poderá encontrar material mais aprofundado sobre o assunto.

Para obter apenas o cálculo das três raízes de uma equação do 3o. grau, vá ao nosso link Raízes de uma Equação do 3o. grau.

Equação quártica: A equação ax4+bx³+cx²+dx+e=0 com a não nulo, admite exatamente quatro raízes no conjunto dos números complexos que podem ser obtidas pela fórmula de Ferrari.

Equação quíntica: Para equações de grau maior ou igual a 5, não existem métodos algébricos para obter todas as raízes, mas existem muitos métodos numéricos que proporcionam as raízes de tais equações com grande precisão.

Existe uma versão da planilha Kyplot disponível gratuitamente na Internet, que dispõe de um mecanismo capaz de calcular com grande precisão raízes de equações polinomiais de grau n.

Em Português, há um excelente livro que trata sobre Equações Algébricas e a história da Matemática subjacente: “O Romance das Equações Algébricas, Gilberto G. Garbi, Makron Books, São Paulo, 1999.”

 

Teorema Fundamental da Álgebra

Teorema (Gauss): Toda equação algébrica polinomial com coeficientes reais ou complexos, admite no conjunto dos números complexos, pelo menos uma raiz.

Teorema equivalente: Toda equação algébrica polinomial de grau n, com coeficientes reais ou complexos, admite exatamente n raízes, no conjunto dos números complexos.

Consequência: Toda equação algébrica polinomial real de grau n, admite no máximo n raízes, no conjunto dos números reais.

 

Algumas identidades polinomiais

Ver o link Produtos Notáveis nesta mesma página onde existem 33 identidades polinomiais, sendo algumas não triviais.

 

Algumas desigualdades polinomiais

Algumas desigualdades bastante comuns que podem ser obtidas a partir das identidades polinomiais:

  1. a²+b² > 2ab
  2. (a+b)/2 > R[a.b]
  3. a²+b²+c² > ab+ac+bc

onde R[x] é a raiz quadrada de x e o símbolo > significa maior ou igual.

Há vários livros de Matemática dedicados somente a desigualdades pois uma grande parte da Matemática é construída através deste conceito. Áreas onde existem muitas aplicações para as desigualdades são a Análise Matemática e a Programação Linear.


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