Caderno de Apoio 11.º ANO - PDF
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Sérgio Mascarenhas Miranda
1 METAS CURRICULARES PARA O ENSINO SECUNDÁRIO MATEMÁTICA A Caderno de Apoio 11.º ANO António Bivar, Carlos Grosso, Filipe Oliveira, Luísa Loura, Maria Clementina Timóteo
2 INTRODUÇÃO Este Caderno de Apoio constitui um complemento ao documento Metas Curriculares de Matemática do Ensino Secundário Matemática A. Na elaboração das Metas Curriculares utilizou-se um formato preciso e sucinto, não tendo sido incluídos exemplos ilustrativos dos descritores. Neste documento apresentam-se várias sugestões de exercícios e de problemas, comentários relativos a algumas opções tomadas no documento principal e informações complementares para os professores. Procurou-se realçar os descritores que se relacionam com conteúdos e capacidades atualmente menos trabalhados no Ensino Secundário embora se tenham incluído também outros de modo a dar uma coerência global às abordagens propostas. Estas escolhas não significam, porém, que se considerem menos relevantes os descritores não contemplados. Longe de se tratar de uma lista de tarefas a cumprir, as atividades propostas têm um caráter indicativo, podendo os professores optar por alternativas que conduzam igualmente ao cumprimento dos objetivos específicos estabelecidos nas metas. Aos exemplos apresentados estão associados três níveis de desempenho. Os que não se encontram assinalados com asteriscos correspondem a um nível de desempenho regular, identificando-se com um ou dois asteriscos os exemplos que correspondem a níveis de desempenho progressivamente mais avançados. Para além das sugestões de exercícios e problemas a propor aos alunos entendeu-se incluir também textos de apoio para os professores. Destinam-se a esclarecer questões de índole científica que fundamentam os conteúdos do Programa e que poderão ajudar à seleção das metodologias mais adequadas à lecionação. Caderno de Apoio Introdução Página 1
3 11.º ANO Níveis de Desempenho Trigonometria TRI11 Descritor Texto de Apoio 1.3 Comentário Optou-se, nas Metas Curriculares, por solicitar aos alunos o reconhecimento de que as definições habituais das razões trigonométricas dos ângulos retos e obtusos são as únicas possíveis se se pretender estender a triângulos retângulos e obtusângulos a Analogia dos Senos e a ângulos internos retos e obtusos o Teorema de Carnot, mantendo-se também a identidade entre a tangente e o quociente entre o seno e o cosseno. No presente descritor apresenta-se, com esta motivação, a definição do seno de um ângulo reto. Dado um triângulo [ ] retângulo em, e designando respetivamente por e as medidas de comprimento e e os ângulos de vértice em e exatamente por essas letras, as igualdades são equivalentes a, uma vez que e. É pois esse o valor que se deve tomar para o seno dos ângulos retos por forma que a lei dos Senos se mantenha válida em triângulos retângulos Considere um triângulo [ ] tal que o ângulo de vértice em é obtuso. Designe e respetivamente por e e os ângulos de vértice em e exatamente por essas letras, seja a projeção ortogonal do ponto sobre a reta e Justifique que o ponto fica estritamente situado entre os pontos e e, supondo que se encontra definido de tal modo que, concluindo que, justifique que ( ) 1.2. Mostre que, definindo desta forma o seno do ângulo, a Lei dos Senos vale no triângulo obtusângulo [ ], justificando que se tem também. Caderno de Apoio TRI11 Página 2
4 Considere um triângulo [ ] tal que os ângulos internos de vértice em e são agudos e de lados de medida de comprimento, e. Seja a amplitude do ângulo interno de vértice em, considere a projeção ortogonal do ponto sobre e seja Justifique que o ponto fica estritamente situado entre os pontos e e mostre, aplicando o Teorema de Pitágoras aos triângulos [ ] e [ ], que ( ) ( ) Deduza da alínea anterior que.] Considere um triângulo [ ] em que o ângulo interno em é obtuso. Seja,, o ângulo interno associado ao vértice, a projecção ortogonal do ponto na reta e o ângulo externo, suplementar de. 1.1 Justifique que o ponto fica estritamente situado entre os pontos e e, utilizando o teorema de Pitágoras relativamente aos triângulos retângulos [ ] e [ ], justifique que ( ) ( ). 1.2 Conclua da segunda igualdade da alínea anterior que. 1.3 Pelo teorema de Carnot, sabe-se que, num triângulo [ ] e com as notações habituais, se os ângulos internos de vértice em e forem agudos,. Deduza da alínea anterior que para este resultado se poder estender a ângulos internos obtusos se deve definir, para um ângulo obtuso,, onde é um ângulo agudo suplementar de. 2.**Considere um triângulo [ ] em que o ângulo interno em é obtuso. Seja,, e, o ângulo interno de vértice em e um ângulo externo suplementar de. 2.1 Utilizando uma construção análoga à utilizada na demonstração do Teorema de Carnot para ângulos internos agudos, mostre que. 2.2 Proponha um valor para o cosseno do ângulo obtuso de tal modo que o Teorema de Carnot se estenda a ângulos internos obtusos Tendo em conta unicamente os dados da figura em que a medida do comprimento dos lados está expressa numa dada unidade, resolva cada um dos seguintes triângulos [ ], apresentando, quando necessário, valores aproximados à décima de grau, para a amplitude dos ângulos e aproximados à décima da unidade para os comprimentos dos lados Caderno de Apoio TRI11 Página 3
5 Comentário Estas relações são uma consequência imediata da definição do seno e do cosseno de um ângulo obtuso bem como da relação entre o cosseno e o seno de ângulos agudos, estudada no Ensino Básico. De facto, designando por um ângulo reto e dado um ângulo agudo, e ( ) ( ( )) ( ) ( ) ( ) ( ( )) ( ) ( ) Substituindo por obtêm-se as restantes duas relações. É óbvio também que, se pretendermos estender a noção de seno e cosseno a ângulos nulos de modo que estas relações se mantenham para tais ângulos, e tomando os ângulos nulos como elementos neutros da soma de ângulos, terá de ser, para um ângulo nulo : e ( ) ( ), ( ) ( ) Comentário Antes de se abordarem as demonstrações das fórmulas trigonométricas para o seno e o cosseno da soma de ângulos é conveniente ter bem presente como se obtêm imediatamente as medidas de comprimento dos catetos de um triângulo retângulo através da medida do comprimento da hipotenusa e do seno e cosseno de um dos ângulos agudos do triângulo. É óbvio, da própria definição destas razões trigonométricas, que se for dado um triângulo [ ], retângulo em, e sendo o ângulo interno de vértice em e a medida do comprimento da hipotenusa, então a medida de comprimento do cateto adjacente a é dada por e a medida do comprimento do cateto oposto a é dada por. Ou seja, em certo sentido podemos dizer que para obter o comprimento da projeção ortogonal de um segmento em determinada direção basta multiplicar a medida do comprimento do segmento pelo cosseno do (menor) ângulo entre a reta suporte do segmento e essa direção e para obter o comprimento da projeção do mesmo segmento numa direção perpendicular à inicial basta multiplicar a medida do respetivo comprimento pelo seno do referido ângulo. Assim, em construções envolvendo direções mutuamente perpendiculares torna-se fácil exprimir rapidamente o comprimento de projeções de segmentos em pares de tais direções usando apenas razões trigonométricas de um ângulo. Caderno de Apoio TRI11 Página 4
6 1. Considere dois ângulos adjacentes e de vértice cuja união é um ângulo agudo. Pretendemos deduzir as fórmulas que permitem calcular o seno e o cosseno de em função do seno e do cosseno de e. Para o efeito, no lado do ângulo que não é comum ao ângulo, considere um ponto tal que, sejam e as projeções ortogonais do ponto nas retas suporte respetivamente do lado comum aos dois ângulos e do outro lado do ângulo e resolva as seguintes questões: 1.1. Justifique que os pontos e estão, respetivamente, nos referidos lados dos ângulos e e que ( ), ( ), e Justifique que o ângulo é igual ao ângulo Considere o ponto, projecção do ponto na reta, justifique que fica situado entre os pontos e e, utilizando o triângulo retângulo [ ], prove que Considere o ponto projecção do ponto na reta, justifique que o ponto fica situado entre os pontos e, utilizando o triângulo retângulo [ ], prove que e conclua que Conclua das alíneas anteriores que ( ) Utilizando novamente os triângulos retângulos [ ] e [ ] prove que, que e conclua que ( ). 2. **Considere dois ângulos agudos adjacentes e, de vértice, cuja união é um ângulo obtuso. Utilizando uma construção idêntica à do exercício 1, ilustrada na figura ao lado, e as extensões a ângulos obtusos das definições do seno e do cosseno, demonstre que ( ) e ( ), começando por justificar que o ângulo é igual ao ângulo e comparando os respetivos seno e cosseno com o seno e o cosseno do ângulo. 3. *Com base nos resultados do exercício 1, mostre que dados dois ângulos adjacentes e, de vértice, obtuso, cuja união é um ângulo convexo, podem obter-se, também para estes ângulos, as fórmulas ( ) e ( ), começando por exprimir como, agudo e reto, comparando o seno e o cosseno de com o seno e o cosseno de e o seno e o cosseno de com o seno e o cosseno de. 4. **Considere dois ângulos adjacentes e, de vértice, obtuso, cuja união é um ângulo convexo. Utilizando uma construção idêntica à dos exercícios 1 e 2, ilustrada na figura ao lado, e as extensões a ângulos obtusos das definições do seno e do cosseno, 4.1. Justifique que o ângulo é igual ao ângulo e compare os respetivos seno e cosseno com o seno e o cosseno do ângulo Demonstre que: a) ( ) b) ( ) Caderno de Apoio TRI11 Página 5
7 Comentário Uma vez demonstrada, para quaisquer ângulos e tais que é um ângulo convexo, a relação ( ), também seria possível provar rapidamente a identidade análoga para o cosseno da soma utilizando as igualdades referidas no descritor Se é um ângulo agudo (em particular e são agudos): ( ) ( ) ( ) ( ) Como é obtuso, ( ) ( ) e ( ) ( ). Se é obtuso (em particular ( ) é agudo): ( ) ( ) ( ). Um dos ângulos ou é agudo. Suponhamos que é o ângulo. Então, ( ) (( ) ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ). Em ambos os casos, ( ) Comentário Dados ângulos convexos e tais que é convexo, as fórmulas enunciadas neste descritor são equivalentes às igualdades ( ) ( ) e ( ) ( ), que podem ser facilmente verificadas utilizando as identidades referidas nos descritores 1.9 e Dado um ângulo convexo Pretendemos obter fórmulas para o seno e o cosseno de em função do seno e/ou do cosseno de. Para o efeito considere uma circunferência de raio centrada no vértice do ângulo e o ângulo de vértice, inscrito na circunferência, com um dos lados contendo um dos lados do ângulo e compreendendo entre os seus lados o mesmo arco de circunferência que o ângulo, tal como representado na figura (representa-se o caso em que é agudo, mas o argumento vale para qualquer ângulo convexo). Sendo o ponto interseção com a circunferência dos lados não colineares dos ângulos e resolva as seguintes alíneas: 1.1. Justifique que Considere a projeção ortogonal do ponto na reta suporte dos lados colineares dos ângulos e e a projeção ortogonal do centro da circunferência no outro lado do ângulo. Invocando o teorema de Pitágoras relativo ao triângulo [ ] prove que ( ) ( ). Caderno de Apoio TRI11 Página 6
8 1.3. *Deduza da alínea anterior que e conclua que. 2. *Utilizando a fórmula ( ) com e exprimindo ambas as razões trigonométricas de envolvidas na fórmula apenas no seno ou no cosseno do mesmo ângulo, deduza que e que para qualquer ângulo convexo Informação Complementar para o professor No 6.º ano (cf. Metas Curriculares de Matemática para o Ensino Básico, GM a 9.20 e Caderno de Apoio do 2º ciclo, 9.18 e Texto Complementar de Geometria, 6º ano, 9.13 a 9.19) introduziu-se a noção de rotação num plano com dado centro e de um dado ângulo, verificando-se que, se o ângulo não for nulo, nem raso, nem giro, existem exatamente duas imagens de um dado ponto por rotações de determinado centro e ângulo; distinguiram-se então essas duas imagens, intuitivamente, recorrendo ao movimento dos ponteiros de um relógio, de modo a poderem associar-se as imagens de diferentes pontos de acordo com o sentido ou orientação da rotação, por comparação com o referido movimento. Será conveniente rever estes conceitos ao abordar-se este objetivo geral do 11.º ano, pois começa-se aqui por abordar de um modo intuitivo análogo o conceito de igualdade de orientação de ângulos, como fica expresso no descritor 2.2. Como foi observado no referido Texto Complementar de Geometria, os dois ângulos que se utilizam para obter as imagens distintas de um ponto por rotações de um mesmo centro e ângulo partilham um lado (o que tem origem no centro de rotação e passa pelo ponto do qual se pretende determinar as imagens) e são adjacentes. Assim, essa propriedade pode servir de base a uma definição rigorosa de igualdade de orientação de dois ângulos nos quais se distingue um lado origem e um lado extremidade, ou seja, de dois ângulos orientados (de acordo com a definição do descritor 2.1). Fica claro que a dois ângulos orientados adjacentes que partilhem o lado origem deve atribuir-se orientações opostas e, consequentemente, se o lado origem de um coincidir com lado extremidade do outro, deve considerar-se que têm a mesma orientação, já que também se pretende que tenham orientações opostas dois ângulos orientados que se definem escolhendo num mesmo ângulo diferentes lados origem, como é óbvio da ideia intuitiva que se pretende formalizar. Está implícito na conclusão que acabámos de extrair que se pretende agrupar os ângulos orientados em exatamente duas classes disjuntas, cada uma delas correspondente a uma das duas possíveis orientações «opostas uma da outra» que pretendemos atribuir a esses ângulos; Caderno de Apoio TRI11 Página 7
9 por outras palavras, pretendemos que seja de equivalência a relação estabelecida entre ângulos orientados e através de «tem a mesma orientação que» e que, para essa relação de equivalência, existam exatamente duas classes. Em particular, se dois dados ângulos não tiverem a mesma orientação que um terceiro, pretendemos que tenham ambos a mesma orientação. Estas propriedades traduzem de forma rigorosa o que fica expresso, fazendo apelo à intuição, no descritor 2.2, onde, para dados ângulos orientados e, se estabelece a alternativa de terem a mesma orientação ou orientações opostas, por comparação com o movimento dos ponteiros de relógios. Esse procedimento intuitivo implica, como facilmente se compreende, que a relação assim estabelecida entre ângulos orientados deva, de facto, ser de equivalência com exatamente duas classes, pois, por um lado, o próprio processo experimental descrito torna obviamente uma tal relação reflexiva, simétrica e transitiva, por outro lado é fácil fixar dois ângulos orientados que, por esse critério, tenham orientações opostas (por exemplo um qualquer ângulo orientado e o que se obtém deste permutando os lados origem e extremidade) e qualquer ângulo orientado terá de estar na classe de equivalência de um destes dois, já que temos a perceção intuitiva de que os movimentos dos ponteiros de um relógio, se não puderem descrever um ângulo começando no lado origem e terminado no lado extremidade, então poderão certamente descrevê-lo começando no lado extremidade e terminando no lado origem. Deste modo ficamos já com critérios rigorosos para estabelecer a identidade de orientação no caso de ângulos orientados adjacentes ou de ângulos orientados que apenas se distinguem pela escolha do lado origem e podemos depois utilizar estes critérios e a pretendida transitividade desta relação entre ângulos orientados para guiar as definições em outros casos. Assim, se dois ângulos orientados partilharem um lado mas não forem adjacentes, ou seja, se um deles estiver contido no outro, se o lado comum for o lado origem em ambos os casos, não é difícil concluir que se lhes deve atribuir a mesma orientação, já que ambos terão orientações opostas a um ângulo que com eles partilhe o lado origem mas seja adjacente a ambos. Naturalmente, agora é imediato concluir que se o lado comum for lado origem de um e extremidade do outro então deverão ter orientações opostas e que se o lado comum for lado extremidade de ambos deverão ter a mesma orientação. Consideremos agora o caso em que os dois ângulos orientados e apenas têm o vértice comum mas não partilham um dos lados. Para estabelecermos se as respetivas orientações devem ser definidas como coincidentes ou opostas podemos sempre utilizar um ângulo orientado auxiliar, por exemplo, o que tenha lado origem coincidente com o lado origem de e o lado extremidade coincidente com o lado origem de e que seja adjacente a, tendo portanto, por construção, orientação oposta à de, e podendo verificar-se depois se tem orientação coincidente ou oposta à de, já que com ele partilha um dos lados. Pela transitividade pretendida e o facto de um ângulo orientado ter sempre uma das duas possíveis orientações podemos assim concluir se e devem ter a mesma orientação ou orientações opostas. Caderno de Apoio TRI11 Página 8
10 Finalmente, para comparar as orientações de ângulos com vértices não coincidentes, podemos sempre utilizar um par de ângulos orientados, ambos convexos ou ambos côncavos, cujos lados origem e extremidade sejam dois a dois diretamente paralelos, considerando que tais ângulos têm a mesma orientação. Assim podemos sempre reduzir-nos ao caso de ângulos com vértice comum invocando a transitividade e este novo princípio. Como é óbvio, para legitimar esta descrição da relação assim estabelecida entre ângulos orientados seria necessário provar, examinando exaustivamente as diferentes situações possíveis, que esta construção é coerente e conduz de facto a uma relação de equivalência com exatamente duas classes. Não é difícil estabelecer a ligação entre estes critérios rigorosos e a ideia intuitiva de orientação, que invoca o conceito de movimentos de rotação de semirretas, materializados nos movimentos imaginados dos ponteiros de relógios; com efeito, por exemplo, uma sequência de ângulos orientados com a mesma amplitude, tais que ângulos seguidos na sequência são adjacentes e partilham um lado que é extremidade do primeiro e origem do segundo, traduz de certa maneira um movimento de rotação em determinado sentido efetuado num número finito de passos discretos. Se, na formulação intuitiva da orientação de ângulos, quisermos prescindir da referência a relógios, podemos, para comparar a orientação de dois ângulos orientados e, em alternativa, verificar se é possível descrever os ângulos e fazendo rodar no mesmo sentido os lados origem dos dois ângulos até que coincidam com os lados extremidade ou seja, se é possível imaginar observadores situados nos vértices dos ângulos e e no mesmo semiespaço determinado pelo plano, que acompanham com o olhar os movimentos de semirretas que começam por coincidir com os lados origem e descrevem os ângulos até que coincidam com os correspondentes lados extremidade e verificar se esse movimento se realiza, para ambos os ângulos, da esquerda para a direita ( sentido dos ponteiros do relógio ou sentido retrógrado ) ou, em ambos os casos, da direita para a esquerda ( sentido contrário ao dos ponteiros do relógio ou sentido direto ). É curioso notar que as designações sentido direto e sentido retrógrado se relacionam com o modo como um observador pode acompanhar o movimento diurno aparente do Sol, de sentido inverso ao do movimento de rotação da Terra; com efeito a designação sentido direto pretende descrever o sentido do movimento de rotação da Terra, pelo que o movimento diurno do Sol, seguido por um observador na Terra como tendo sentido inverso a esse movimento de rotação executado pela Terra em torno do respetivo eixo, ou seja, o movimento observado do Sol ao longo de um dia, seria no sentido retrógrado. Como consequência, o movimento diurno da sombra de uma vara com a direção do eixo da Terra, projetada num plano horizontal em que a vara está implantada e em que se situe o observador (excluindo o caso de pontos no Equador, em que a direção do eixo da Terra é sempre paralela ao plano horizontal), seria também efetuado no sentido retrógrado, tendo sido esse movimento que inspirou o movimento dos ponteiros dos relógios mecânicos que assim tentaram reproduzir os movimentos das sombras dos gnómons dos relógios de Sol horizontais. Caderno de Apoio TRI11 Página 9
11 Há que levar em conta, no entanto, que o movimento das referidas sombras fica determinado pelo movimento no plano horizontal do ponto interseção com esse plano da reta com a direção do raios solares que passa pela extremidade da vara (gnómon) a qual reta efetua um movimento de rotação em torno de um eixo no espaço, que se pode considerar como coincidente com a reta que a vara determina (para efeitos práticos coincidente com o próprio eixo da Terra, dadas as exíguas dimensões do planeta relativamente à respetiva distância ao Sol). Assim, o movimento de rotação observado dessas sombras (centrado no ponto de implantação do gnómon) tem, nesse plano horizontal, um sentido que, se for aferido pelo movimento dos ponteiros de um relógio ou pelo processo alternativo acima descrito, depende da posição do observador no espaço tridimensional, relativamente a esse plano; portanto, em determinado dia do ano, o movimento da sombra de uma vara nas condições acima descritas em determinado ponto da Terra terá sentido inverso ao que pode ser observado no mesmo dia num ponto situado nos antípodas, já que, num caso, o observador estará forçosamente no semiespaço determinado pelo plano horizontal e pelo polo Norte celeste e no outro no semiespaço determinado pelo plano horizontal e pelo polo Sul celeste; note-se que os planos horizontais podem confundir-se por serem perpendiculares a um mesmo diâmetro da Terra e porque, mais uma vez, as dimensões da Terra são desprezáveis relativamente à distância da Terra ao Sol. Um relógio cujos ponteiros rodam no mesmo sentido que a referida sombra observada em determinado local, se transportado para os antípodas no mesmo dia (ou, mais geralmente para um ponto situado no hemisfério oposto), teria ponteiros rodando em sentido contrário à sombra correspondente observada nesse novo local. Os relógios universalmente adotados atualmente baseiam-se em modelos que foram construídos de modo que os respetivos ponteiros rodassem no mesmo sentido que as acima referidas sombras ( imitando assim os antigos relógios de Sol horizontais), mas resultando de observações efetuadas a latitudes do hemisfério Norte, que são, portanto, os locais da Terra em que, ao longo de todo o ano a sombras acima descritas rodam sempre no sentido dos ponteiros do relógio. Em qualquer local do hemisfério Sul o sentido de rotação das referidas sombras é sempre contrário ao dos ponteiros do relógio e é assim com algum abuso de linguagem que se identifica, nessas regiões, o movimento contrário ao dos ponteiros do relógio com o sentido direto, já que esses movimentos aí observados são evidentemente efetuados em sentido contrário ao movimento de rotação da Terra (que coincide com o sentido do movimento de translação, se o movimento de rotação for projetado no plano da eclítica) Comentário Neste objetivo geral é feita uma introdução aos ângulos generalizados. Considerando, por momentos e para fixar as ideias, o grau como unidade da medida da amplitude angular (o ângulo giro terá então medida ), os ângulos geométricos (não giros) estudados no Ensino Básico têm amplitudes com medida no intervalo [ [. Fixado um plano orientado, os ângulos orientados, introduzidos no presente domínio do 11.º ano admitem como medidas de amplitude, juntamente com o ângulo nulo, exatamente todos os valores do intervalo ] [. Constroem-se agora ângulos, ditos «generalizados», que podem ter qualquer medida de amplitude real. O que poderá ser, por exemplo, um ângulo de amplitude? Observe-se que. Esta igualdade, em que aparece como a soma de uma medida de amplitude admissível de um ângulo orientado ( ) com duas vezes a medida do ângulo giro ( ) leva a associar um ângulo de 785 graus a uma rotação de 65 graus de uma semirreta em torno do respetivo vértice, seguida de um movimento de rotação de duas voltas completas, em torno desse mesmo vértice e igualmente no sentido positivo, obtendo- -se assim uma ideia de continuidade em todo o movimento. Caderno de Apoio TRI11 Página 10
12 Tendo em conta que qualquer número se escreve de maneira única na forma, onde [ [ e ( é a parte inteira de e ), estas considerações intuitivas permanecem válidas independentemente do valor de, podendo sempre associar-se deste modo a um dado número positivo ou nulo uma medida de amplitude não negativa ( ) de ângulo orientado (ou nulo) bem determinada, e a um número de voltas também bem determinado ( ) efetuadas no sentido positivo. Ou seja, fica associado exatamente aos ângulos orientados com amplitude de medida e ao número natural ou nulo. Fig:1 De forma análoga, se, existe um único ] ] e um único tais que, podendo-se desta feita associar-se a um qualquer número negativo uma medida de amplitude negativa ou nula ( ) de ângulo orientado (ou nulo) bem determinada e a um número de voltas ( ) efetuadas no sentido negativo. Por exemplo, a ( ) poderá associar-se um ângulo orientado de medida de amplitude e uma volta no sentido negativo. Fig: 2 No primeiro descritor apresentam-se estas ideias de um modo um pouco mais formalizado: um «ângulo generalizado» fica definido como sendo um ângulo orientado (ou nulo) a que se associa um certo número de voltas, representado por um número inteiro cujo sinal coincide com o da amplitude de : o ângulo generalizado fica identificado com o par ordenado ( ). Por exemplo, nas figuras 1 e 2 estão representados respetivamente os ângulos generalizados ( ) e ( ). Uma representação puramente geométrica destes ângulos é possível recorrendo à superfície dita de Riemann. Trata-se de uma superfície folheada, representada na figura ao lado, com folhas que podem ser indexadas por, tornando-se fácil associar o número de voltas de um ângulo generalizado à -ésima folha, representando-se nessa mesma folha o ângulo orientado. No descritor estabelece-se simplesmente que a medida de amplitude do ângulo generalizado ( ) é igual, onde é a medida de amplitude do ângulo orientado ou nulo, o que corresponde evidentemente à construção intuitiva efetuada neste comentário. Caderno de Apoio TRI11 Página 11
13 É ainda importante referir que esta definição dos ângulos generalizados não impede de forma alguma que se possa descrever da forma habitual um conjunto de medidas de ângulos generalizados. Por exemplo, é totalmente correto escreverem-se as equivalências De facto, a expressão «sendo certo que» significa, neste contexto, que } { } { } { } Ao escrever-se uma família de medidas de amplitude na forma,, não tem de ser a medida de um ângulo orientado ou nulo, e, mesmo que o seja, apenas pode ser interpretado como o número de voltas associado a um ângulo generalizado ( ) se tiver o sinal da amplitude de ou se for nulo Informação Complementar para o professor De acordo com a interpretação intuitiva dos ângulos generalizados, é natural identificar uma rotação de centro e ângulo generalizado ( ), no caso de ser um ângulo nulo, como a aplicação identidade no plano e nos restantes casos como a aplicação do plano sobre si próprio que a cada ponto distinto de associa a imagem desse ponto pela rotação de centro e ângulo orientado (e, naturalmente, que ao ponto associa o próprio ponto ), como é referido no descritor 4.5. No descritor 4.6 identificam-se os ângulos orientados que, fixado o centro, determinam uma mesma rotação. A interpretação intuitiva do ângulo generalizado como o resultado da rotação de uma semirreta em torno da respetiva origem, com determinada amplitude não deve induzir o erro que consistiria em supor que dois ângulos generalizados com diferentes medidas de amplitude não podem determinar a mesma rotação. Com efeito, para começar, é imediato, pela definição, que todos os ângulos generalizados de medidas de amplitude iguais a um múltiplo inteiro da amplitude de um ângulo giro determinam a aplicação identidade no plano; mais geralmente, se for um ângulo orientado qualquer, todos os ângulos generalizados ( ) determinam, por definição, a mesma rotação de um dado centro. Finalmente, é também possível, fixado o centro, que dois ângulos orientados distintos e determinem a mesma rotação; com efeito, se tiverem sentidos contrários e os valores absolutos das respetivas amplitudes tiverem soma igual à medida de um ângulo giro, as imagens de um dado ponto por rotações de centro de cada um destes dois ângulos são obtidas através de ângulos adjacentes (já que os ângulos orientados que as determinam têm sentidos opostos) cuja soma é igual a um ângulo giro, pelo que partilham os lados origem e extremidade, o que tem como consequência imediata que as imagens do ponto através da cada uma das rotações pertencem à mesma semirreta de origem e como também têm de estar à mesma distância de, necessariamente coincidem. Caderno de Apoio TRI11 Página 12
14 Não é difícil concluir que rotações com um dado centro e de ângulos generalizados ( ) e ( ) apenas podem coincidir se e tiverem a mesma amplitude ou estiverem na situação que acabámos de examinar. Com efeito, sendo e as medidas de amplitude respetivamente de e, se supusermos que, da análise geométrica acima feita, utilizando a definição de rotação, é fácil concluir que se as imagens de uma dado ponto pelas rotações de centro e ângulos e coincidirem então os valores absolutos das respectivas medidas de amplitude têm de somar a medida de um ângulo giro e têm de ter sinal contrário. Além disso, e são os únicos valores distintos no intervalo ] [, onde é a medida do ângulo giro, que permitem escrever uma mesma medida de ângulo generalizado determinando a mesma rotação, como soma de uma medida de amplitude de ângulo orientado e um múltiplo inteiro de. Com efeito, de: ( e não nulos e no intervalo ] [, ) vem: ( ) Mas como é inteiro e ] [, com, só pode ser ou, pelo que. Agora, de ] [ facilmente se conclui que e têm sinais contrários e. Da equação acima também se conclui que, neste caso, apenas um dos valores tem o mesmo sinal respetivamente que, pelo que apenas um dos pares ( ) e ( ) representa um ângulo generalizado. 5.6 Comentário Atendendo ao descritor 4.4, se dois ângulos generalizados ( ) e ( ) tiverem a mesma amplitude, então e são ângulos orientados com a mesma amplitude (ou são ambos nulos). Uma vez que as razões trigonométricas dos ângulos ( ) e ( ) são dadas respetivamente pelas razões trigonométricas de e de, a justificação pedida resume-se a argumentar que ângulos orientados com a mesma amplitude e partilhando o lado origem coincidem (cf. 5.3). 6.1 Informação Complementar para o professor A definição de comprimento de um arco de circunferência não foi até agora dada com rigor. No ensino básico (GM6-5.1) introduziu-se a noção de que o perímetro de um círculo pode ser aproximado pelos perímetros de polígonos regulares inscritos e circunscritos, ficando implícita a ideia de que essa aproximação pode ser tão precisa quanto se desejar aumentando indefinidamente o número de lados dos polígonos considerados. De facto, a definição rigorosa de comprimento de um arco de circunferência pode basear-se nestes conceitos, partindo-se da noção de «linha poligonal inscrita no arco»; se um arco de circunferência for determinado por um ângulo ao centro de uma dada circunferência, qualquer conjunto finito de pontos desse arco e as respetivas extremidades determinam uma tal poligonal, bastando ordenar os pontos, partindo de uma das extremidades, através da amplitude dos ângulos ao centro com um dos lados fixo, determinado por essa extremidade do arco, e os segundos lados determinados pelos pontos que se fixaram no arco. Obtemos assim uma sequência de pontos ( ), Caderno de Apoio TRI11 Página 13
15 onde e são as extremidades do arco e é crescente a sequência das amplitudes dos ângulos (sendo o centro da circunferência); a referida linha poligonal é a sequência dos segmentos de reta [ ], com. Fixada uma unidade de comprimento, a soma das medidas dos comprimentos destes segmentos (medida do «comprimento da linha poligonal») pode ser tomada como aproximação da medida do comprimento do arco de circunferência; mais precisamente, essa medida pode ser definida rigorosamente como o supremo (menor dos majorantes) das medidas das poligonais inscritas no arco. Da desigualdade triangular resulta facilmente que, se se acrescentarem pontos em número finito a um dado conjunto finito de pontos do arco, a poligonal inscrita que corresponde ao maior número de pontos tem medida de comprimento superior à medida de comprimento da poligonal inicial, pelo que se obtêm progressivamente melhores aproximações do supremo refinando os conjuntos de pontos fixados no arco. Se em duas circunferências (ou numa mesma circunferência) fixarmos arcos correspondentes a dois ângulos ao centro iguais, podemos estabelecer uma correspondência biunívoca entre as poligonais inscritas num e noutro arco através das amplitudes dos ângulos ao centro de medidas de amplitude progressivamente maiores que determinam os vértices sucessivos das duas poligonais que assim se põem em correspondência. Invocando a semelhança dos triângulos que os lados correspondentes das duas poligonais formam com os raios das circunferências que passam pelos respetivos vértices (critério LAL) facilmente se conclui que as medidas dos comprimentos das poligonais inscritas correspondentes são proporcionais aos raios das circunferências. Sendo assim, os supremos desses valores, que são as medidas dos comprimentos dos arcos, também são proporcionais aos raios, ou seja, ângulos ao centro iguais determinam arcos com medidas de comprimento proporcionais aos raios das circunferências. A recíproca é fácil de estabelecer, pois se o quociente das medidas de comprimento de dois arcos de circunferência for igual ao quociente dos raios das respetivas circunferências, é fácil concluir que o ângulo ao centro que determina um dos arcos não pode ter maior nem menor amplitude do que o ângulo ao centro que determina o outro, examinando essas duas hipóteses, aumentando ou diminuindo a amplitude do ângulo que determina um dos arcos de modo a ficar igual ao outro e aplicando o resultado anterior ao novo arco assim obtido; este teria de ficar com o mesmo comprimento que o inicial, embora correspondesse a uma sua extensão ou contração, o que contradiz as propriedades do comprimento de um arco (análogas à do comprimento de um segmento, nomeadamente a aditividade, e que implica a monotonia, ou seja, um arco estritamente contido noutro tem comprimento estritamente inferior). Ficando estabelecido que dois ângulos ao centro em duas ou numa mesma circunferência são iguais se e somente se as medidas dos comprimentos dos arcos que determinam nas respetivas circunferências forem proporcionais aos raios, em particular, se os comprimentos de dois arcos de circunferência forem iguais aos raios das respetivas circunferências, os ângulos ao centro que os determinam serão iguais, pelo que ambos determinam (através da respetiva amplitude) a mesma unidade de medida de amplitude de ângulos, a qual se designa por «radiano». O reconhecimento desta propriedade pode ser feito de modo mais ou menos intuitivo apresentando a construção acima esboçada do comprimento de arco com apelo apenas à intuição geométrica, ou procurando um maior suporte em propriedades já conhecidas, nomeadamente a semelhança de triângulos, que permite comparar os comprimentos de poligonais inscritas correspondentes a arcos com a mesma amplitude. Caderno de Apoio TRI11 Página 14
16 6.2 1.Considere uma circunferência de raio e um arco de medida de comprimento igual a Indique a medida de amplitude do arco, em radianos Justifique que a amplitude do ângulo giro é igual a radianos Se e um arco é tal que o seu comprimento é igual a cm, qual a amplitude do arco? 1.4. Sabe-se que e que pertence à circunferência Exprima em radianos a amplitude do ângulo Determine a área do setor circular definido pelo ângulo. 2. Nas seguintes figuras estão representados quadriláteros e assinalados alguns dos seus ângulos internos. Exprima a amplitude, em radianos, de todos os ângulos assinalados Trapézio retângulo 2.2. Paralelogramo 2.3. Losango 3. Converta em graus, minutos e segundos, arrendondados às unidades, as seguintes medidas de amplitude expressas em radianos: Comentário Tendo em conta as fórmulas conhecidas para ângulos obtusos, estas igualdades generalizadas são consequências simples da definição do seno e do cosseno de um número real. Por exemplo, tomando [ ], por definição, ( ) ( ) (( ) ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) Esboce o gráfico das seguintes funções nos intervalos indicados, indicando, para cada uma delas, o período positivo mínimo, o contradomínio e os zeros ( ) ( ) em [ ] ; 1.2. ( ) ( ) em [ [ ; 1.3. ( ) ( ) em [ [ ; 1.4. ( ) ( ) em [ [ ; 1.5. ( ) ( ) em [ ] ; 1.6. ( ) ( ) em [ ] ; 1.7. ( ) ( ) em [ [\{ } ; 1.8. ( ) ( ) em [ [ { }. Caderno de Apoio TRI11 Página 15
17 Considere as funções trigonométricas e definidas por: [ ] [ ] [ ] [ ] ] [ 1.1. Justifique que, e são funções bijetivas Determine o domínio e o contradomínio das funções inversas, designando-as por «arcsin» (ou «arcsen»), «arccos» e «arctan», e esboce o respetivo gráfico Determine ( ), ( ) e ( ) **Determine o valor da expressão ( ( )) ( ( )) Determine, caso existam, os valores de ] ] tais que: ( ) 1.3. ( ) ( ) 1.8. ( ) 1.9. ( ) ( ) ; ( ) ( ) 2. Resolva, em, cada uma das seguintes equações 2.1. ; 2.2. ( ) ; 2.3. ( ) ; 2.4. ( ) ; 2.5. ( ) ( ) ; 2.6. ( ) ; 2.7. ( )( ) ; 2.8. * ( ) ( ) ; 2.9. ( ) ; ; ; ; ; ( ) ; Caderno de Apoio TRI11 Página 16
18 2.15. ( ) ; ( ) ; ( ) ; ( ) ; ( ) ( ) ; * ; *. 3. Determine o valor de, com aproximação à centésima de radiano, que verifica cada uma das seguintes condições: 3.1. [ ]; 3.2. ( ) [ ]; 3.3. [ ]. 4. Resolva, em, cada uma das seguintes equações: 4.1. ; 4.2. ; 4.3. ; 4.4. * ; 4.5. ; 4.6. * ( ) ( ) ; 4.7. ( ) ; 4.8. * ( ) ; 4.9. ** ( ) ( ). 5. Considere dois ângulos agudos adjacentes e de vértice cuja soma é um ângulo agudo. Na figura junta, Os pontos, e pertencem aos lados dos ângulos e, é perpendicular a em e é perpendicular à reta em. Seja finalmente,,,, e Exprima os valores de,, e em função de, ou * Justifique que ( ) 5.3. *Justifique que *Justifique que 5.5. Conclua que: ( ) ( ). Caderno de Apoio TRI11 Página 17
19 6. Considere dois ângulos agudos adjacentes e, de vértice três pontos colineares, e, tais que pertence ao lado comum dos ângulos e, e pertencem respetivamente, aos restantes lados de e e Considere ainda, e Aplicando a lei dos senos ao triângulo [ ], mostre que ( ) 6.2. *Deduza da alínea anterior que: ( ) 7. Utilize as fórmulas do seno e do cosseno da metade do ângulo e do seno e do cosseno da soma de ângulos para cumprir as seguintes tarefas: 7.1. Construa uma tabela trigonométrica com os valores exatos dos senos, cossenos e tangentes dos ângulos agudos de amplitude múltipla de, e, utilizando uma máquina de calcular, compare os valores obtidos com os fornecidos pela máquina *Utilizando a alínea anterior e o ângulo de determine o valor exato das razões trigonométricas do ângulo de Tendo em conta as condições da figura, em que pertence ao lado [ ] e, numa dada unidade,,, e resolva o triângulo [ ]. 2. *Na figura seguinte o triângulo [ ] é retângulo em e pertence ao lado [ ]. Sabe-se ainda que, e. Determine as medidas de e, com aproximação às décimas. 3. Considere um triângulo [ ], retângulo em e tal que e Utilize as expressões de ( ) e ( ) para determinar exatamente as razões trigonométricas do ângulo de, considerando e Resolva o triângulo [ ], aproximando os comprimentos dos lados arredondados ao milímetro Nas seguintes figuras estão representados polígonos regulares de lado, numa dada unidade. Determine, em cada um deles, a medida assinalada * 1.3** Caderno de Apoio TRI11 Página 18
20 2. ** Na figura está representado um triângulo isósceles obtusângulo [ ] ( ) e o ponto, projeção ortogonal de sobre a reta. Tem-se ainda que. Sendo e e sabendo que, prove que e determine o perímetro do triângulo [ ]. 3. Nas seguintes figuras estão representados um triângulo equilátero [ ] de lado e um triângulo isósceles [ ] de base. Em cada um deles foi inscrito um círculo, respetivamente, de centro e. Tem-se ainda Determine a medida de, raio do círculo inscrito em [ ] *Determine um valor aproximado às centésimas da medida de, raio do círculo inscrito em [ ]. 4. **Suponha que, num local da Terra situado no equador à longitude de, um observador avista um eclipse da Lua, estando esta no zénite (ou seja, na vertical do próprio ponto ). O mesmo eclipse é observado também no equador mas a partir de um ponto à longitude de, sendo a Lua avistada no horizonte. Sabendo que o raio da Terra mede cerca de determine aproximadamente a distância da Terra à Lua (distância entre os respetivos centros), interpretando adequadamente a figura junta, em que as distâncias e os ângulos não são representados realisticamente à escala, para maior clareza do desenho (utilize uma calculadora científica para efetuar os cálculos aproximados que forem necessários) Na figura está representado um losango [ ] de lado unidades. Seja a medida em radianos da amplitude do ângulo, que se supõe agudo Determine a área do losango quando e Prove que a área do losango é dada, para cada valor real de, por ( ) ( ) Considere. Averigue se existe algum valor de para o qual ( ). Caderno de Apoio TRI11 Página 19
21 2. Na figura está representado um referencial ortonormado, uma circunferência de raio unitário, centrada na origem, que passa pelos pontos e, simétricos em relação ao eixo, situado no primeiro quadrante, e a projeção ortogonal do ponto sobre o eixo. Seja a medida da amplitude do ângulo, onde é o ponto de coordenadas ( ) Exprima as coordenadas dos pontos e em função de Prove que a área do trapézio [ ] é dada por ( ) ( ) *Determine, com aproximação à décima de radiano, o valor de para o qual o trapézio [ ] tem área igual a *Calcule ( ) sabendo que. 3. Considere a função definida por ( ) ( ). Determine o domínio de e prove que coincide com a restrição a da função definida por ( ) 4. Prove que as funções definidas pelas seguintes expressões são pares: a. ( ) ( ); b. ( ) ( ) c. ( ) ( ),. 5. *Uma função definida em é ímpar e periódica, de período positivo mínimo. Sabe-se que ( ) ] [. Indique o conjunto dos zeros da função no intervalo [ ]. 6. Prove que a função definida por ( ) ( ) ( ) é periódica, de período positivo mínimo. 7. Determine o contradomínio das funções definidas, em, por ( ) ( ), ( ) ( ), ( ) e ( ). 8. No seguinte referencial estão representados os gráficos das funções e definidas por ( ) e ( ) ( ) no intervalo [ ]. P Q Caderno de Apoio TRI11 Página 20
22 8.1. Determine as coordenadas dos pontos de interseção dos dois gráficos Calcule os zeros da função *Os pontos e pertencentes, respetivamente, aos gráficos de e de, têm a mesma abcissa e distam de uma unidade. Determine todos os pares de pontos ( ) destes gráficos que gozam da mesma propriedade Resolva a inequação ( ), representando o conjunto-solução na forma de intervalo ou união de intervalos *Prove que ( ) ( ) ( ) ( ). 9. Prove que as funções definidas por ( ) e ( ) coincidem no domínio. 10. Na figura está representado um referencial ortonormado e uma circunferência de centro e de raio, que interseta o eixo nos pontos (de ordenada positiva) e e o semieixo positivo no ponto. O ponto pertence ao arco e representa a medida da amplitude do ângulo, em radianos *Prove que a medida da distância é dada, para cada valor de, por Determine um valor exato e um valor arredondado às centésimas de quando e Determine para que valor de se tem e, para esse valor, obtenha uma expressão, em função de, para a área do triângulo [ ] Sabendo que e que, determine o valor de e o comprimento do arco menor *Seja o ponto de interseção da reta com o eixo. a) Prove que a área do triângulo [ ] é dada por. b) Resolva a equação ( ) e interprete geometricamente o resultado obtido. c) Considere e determine, utilizando uma calculadora gráfica, os valores de para os quais a área do triângulo [ ] é igual a 0,5, sabendo que não há mais do que dois para. Apresente os resultados com aproximação às décimas Um ponto desloca-se numa reta numérica no intervalo de tempo [ [ (medido em segundos), de tal forma que a respetiva abcissa, como função de [ [, é dada pela expressão ( ) ( ) Indique a abcissa do ponto nos instantes e Determine a amplitude do movimento do ponto Determina o período e a frequência deste oscilador harmónico Determine os valores de para os quais a abcissa do ponto dista da origem unidades. Caderno de Apoio TRI11 Página 21
23 2. A representação gráfica do movimento de um oscilador harmónico no intervalo [ ] é a seguinte: 2.1. Determine a amplitude, a pulsação, o período T e a fase Escreva uma expressão analítica ( ) da função representada Utilizando a expressão obtida em 3.2. determine os valores de tais que ( ) 3. Uma mola está suspensa por uma extremidade, tendo na outra extremidade um corpo. Após ter sido alongada na vertical, a mola inicia um movimento oscilatório no instante. A distância ao solo do corpo ( ) é dada em cada instante (em segundos) pela expressão: ( ) ( ) para [ [ Determine a distância máxima e mínima do corpo ao solo Indique o valor da amplitude do movimento de Determine o período e a frequência deste oscilador Esboce o gráfico da função e determine a respetiva fase Determine os instantes em que o corpo está à distância de 4 metros do solo. 4. Um ponto move-se no eixo das abcissas de forma que a sua abcissa no instante (em segundos) é dada por ( ) ( ) ( ) 4.1. *Prove que é se trata de um oscilador harmónico Indique a amplitude, o período, a frequência do movimento, bem como o respetivo ângulo de fase. Caderno de Apoio TRI11 Página 22
24 Geometria Analítica GA11 Descritor Texto de Apoio 2.9 Comentário Esta propriedade pode ser demonstrada de forma geométrica: Sejam e dois vetores que formam um ângulo agudo e. Fixemos um ponto e seja,, e ; por definição de, uma vez que, os vetores e têm o mesmo sentido, ou seja, está na semirreta (em particular coincide com a sua própria projeção na reta ), e. Seja agora a projeção ortogonal de na reta ; como o ângulo é agudo, também está na semirreta (caso contrário o ponto estaria situado entre o ponto e o ponto, pelo que o ângulo não seria coincidente com o ângulo, mas antes suplementar, o que é impossível já que nesse caso seria obtuso e não poderia ser ângulo interno do triângulo retângulo [ ]); portanto e também têm o mesmo sentido. Então tem-se, por definição do produto escalar, que: ( ) ( ) Por uma construção análoga, esta igualdade estende-se facilmente aos casos em que e, para qualquer, também aos casos em que é reto ou obtuso Comentário Comecemos por estudar o caso de vetores colineares, e não nulos. Sejam pontos e tais que. Tomando por origem, podemos, na reta numérica, escolher uma unidade e um sentido tal que tenha abcissa. Sejam finalmente e, de abcissas, respetivamente, e ; por definição de soma de vetores, ( ), ou seja,. É imediato verificar, por definição de produto interno, que, ( ) e, pelo que a identidade ( ) resulta simplesmente da igualdade ( ). Sejam agora, e vetores do plano não nulos. Fixado um ponto do plano, sejam, e. Sejam ainda e as projeções ortogonais respetivamente dos pontos e na reta. Por definição de soma de vetores e de produto escalar, é imediato verificar que ( ) Caderno de Apoio GA11 Página 23
25 Tem-se ainda podendo-se verificar esta última igualdade considerando o representante de com origem em. O quadrilátero [ ] é um paralelogramo, pelo que a reta é perpendicular a (é paralela a ) e é a projeção ortogonal de em :. Finalmente, a igualdade ( ) é equivalente a, que é verdadeira por todos os vetores envolvidos serem colineares. No caso de vetores não nulos do espaço, e, é também possível reduzirmos o problema a vetores complanares Fixado um ponto do espaço, sejam, e. Considerando a projeção de no plano, ( ) uma vez que a projeção ortogonal de na reta coincide com a projeção de nessa mesma reta (ver, a este propósito, o descritor GA e o respetivo texto de apoio). Também podemos concluir que ; com efeito, sendo, ou seja,, por definição de produto interno,, onde é a projeção ortogonal do ponto no plano, por um argumento idêntico ao que acabámos de utilizar a propósito do produto interno. Basta-nos então justificar que, ou seja, que [ ] é um paralelogramo. Ora, por construção, [ ] é um paralelogramo e os planos e são paralelos, já que é paralela a e é paralela a (são perpendiculares ao mesmo plano ); portanto as retas e também são paralelas, já que resultam de intersetar planos paralelos pelo plano. Quanto a e são também paralelas entre si por serem ambas paralelas a, já que [ ] é um paralelogramo e [ ] é um retângulo. Esta última afirmação resulta da igualdade dos triângulos retângulos [ ] e [ ] (são iguais pelo critério ALA, pois têm iguais as hipotenusas [ ] e [ ] e os ângulos internos agudos e, que têm lados dois a dois paralelos); com efeito, dessa igualdade de triângulos deduzimos que e e os pontos e estão no mesmo semiplano de fronteira pois, caso contrário, o segmento [ ] intersetaria a reta e portanto o plano, o que não é possível, já que a reta é paralela a esse plano por ser paralela a. Do paralelismo dos pares de retas e, por um lado, e e, por outro, resulta que [ ] é, de facto, um paralelogramo. Assim, ( ) é equivalente a, igualdade esta que apenas envolve vetores do plano, sendo, pelo que resulta do que já se provou anteriormente para vetores do plano. Caderno de Apoio GA11 Página 24
26 2.11 Comentário Tendo-se já verificado as propriedades do produto interno enunciadas em 2.8, 2.9 e 2.10, esta propriedade (tal como a enunciada no descritor 2.13) é de demonstração imediata. Tomando os vetores da base ( ) e ( ) e vetores ( ) e ( ), e começando por verificar, por aplicação direta da definição de produto interno, que e, então, aplicando as referidas propriedades algébricas do produto interno e a definição de coordenadas de um vetor: ( ) ( ) Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere um ponto ( ) e um vetor não nulo ( ) Justifique que existe um único plano perpendicular a e que passe no ponto Sendo ( ) um ponto genérico do espaço, justifique que é perpendicular a quando e apenas quando Justifique que ( ) ( ) ( ). Comentário As justificações pedidas nas alíneas 1.1 e 1.2 são consequências imediatas do descritor das Metas Curriculares do Ensino Básico GM Uma demonstração rigorosa destes factos pode ser encontrada no respetivo Caderno de Apoio, nomeadamente no Texto Complementar de Geometria, 9.º ano, Considere vetores e tais que, e ( ). Calcule os seguintes produtos escalares: 1.1. ( ) ( ). ( ) 1.3. ( ) ( ). ( ) 2. Considere dois vetores não nulos e Prove que = quando e apenas quando os vetores + e são perpendiculares Considere um quadrilátero [ ] em que e. Se =, de que tipo de quadrilátero se trata? 3. Considere vetores não nulos e Prove que Caso e sejam perpendiculares, a que teorema se reduz a propriedade referida em 3.1.? 3.3. Considere vetores e tais que =. Determine o ângulo formado pelos vetores e. Caderno de Apoio GA11 Página 25
27 4. Considere, num plano munido de um referencial ortonormado, os pontos ( ) e ( ). Identifique o lugar geométrico dos pontos ( ) do plano tais que. 5. *Na figura está representado um quadrado [ ]. Os pontos e são os pontos médios respetivamente dos lados [ ] e [ ]. Prove que e são vetores perpendiculares. 6. Considere, num plano munido de um referencial ortonormado, os pontos ( ) e ( ) e o vetor ( ) Determine ( ) Determine um valor aproximado à décima de grau da amplitude do ângulo formado pelos vetores e. 7. * Num plano munido de um referencial ortonormado tem-se que ( ) é o centro de um quadrado e ( ) é um dos seus vértices. Determine as coordenadas dos outros três vértices. 8. Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere os vetores ( ) e ( ) Indique as coordenadas de três vetores perpendiculares ao vetor e que não sejam colineares Determine as coordenadas de um vetor não nulo que seja perpendicular aos vetores e. 9. Considere, fixado um referencial ortonormado no espaço, os pontos ( ) e ( ). Identifique o lugar geométrico dos pontos ( ) do espaço tais que: , onde é o ponto médio de [ ] Num plano munido de um referencial ortonormado, considere a reta de equação Determine a equação reduzida da reta perpendicular a e que passa no ponto ( ) 1.2. Considere a reta de equação vetorial ( ) ( ) ( ). Determine um valor aproximado à décima de radiano da amplitude do ângulo formado pelas retas e. 2. Num plano munido de um referencial ortonormado, considere os pontos ( ) e ( ) Determine uma equação da mediatriz de [ ] Considere a circunferência de centro ( ) que passa por. Determine a equação reduzida da reta tangente a essa circunferência no ponto. Caderno de Apoio GA11 Página 26
28 3. Na figura estão representadas duas retas e num plano munido de um referencial ortonormado. A reta tem inclinação de, interseta no ponto e é perpendicular à reta num ponto. Sabe-se ainda que a reta interseta o eixo no ponto ( ) 3.1. Determine a equação reduzida da reta Sabendo que tem abcissa, determine a abcissa do ponto. 4.*Na figura estão representadas, num plano munido de um referencial ortonormado, duas retas e tangentes a uma circunferência de centro nos pontos ( ) e ( ). Sabendo que as retas têm por equação, determine as coordenadas do ponto Determine uma equação cartesiana do plano que passa na origem do referencial e é perpendicular à reta de equações. 2. Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere os pontos ( ) ( ) e ( ) Determine uma equação cartesiana do plano mediador de [ ] Prove que os pontos e não são colineares e determine uma equação do plano por eles definido. 3. Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere a superfície esférica de equação ( ) ( ) *A interseção do plano com a superfície esférica é uma circunferência de raio. Indique três possíveis equações para esse plano **Determine uma equação cartesiana de um plano tangente à superfície esférica e paralelo ao plano Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere os pontos ( ) ( ) Escreva equações paramétricas da reta Escreva uma equação vetorial da reta paralela ao eixo e que passa por. 2. Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere a reta de equação vetorial ( ) ( ) ( ) Averigue se os pontos ( ) e ( ) pertencem à reta Determine o ponto de interseção da reta com o plano Indique uma equação vetorial da reta, paralela a e que passa pela origem do referencial Indique uma equação vetorial da reta perpendicular a e que passa pelo ponto. Caderno de Apoio GA11 Página 27
29 3. Fixado um referencial ortonormado no espaço, considere uma pirâmide quadrangular regular de vértice e base [ ]. Sabe-se que ( ) ( ) e que a reta é paralela ao eixo Determine as coordenadas dos pontos Escreva equações paramétricas da reta *Designando o centro da base da pirâmide por, determine uma equação vetorial da reta *Determine as coordenadas de sabendo que a altura da pirâmide mede. Caderno de Apoio GA11 Página 28
30 Programação Linear PL11 Descritor Texto de Apoio No referencial está representada uma região limitada pelas retas e o eixo. Sabe-se que: y 1.1. Determine as coordenadas dos pontos Determine, no conjunto representado, o máximo e o mínimo, caso existam, de cada uma das seguintes funções objetivo: x *Para uma determinada função objetivo,, a solução máxima corresponde ao ponto. Que valores pode tomar? 2. Num bar de praia vendem-se sumos naturais de fruta de dois tipos, e, pelos preços respetivamente de e de, cada copo com capacidade de. O sumo é composto por sumos de manga, papaia e laranja na proporção de litros de sumo de laranja, litro de sumo de manga e litros de sumo de papaia. O sumo é composto por sumos de cenoura, laranja e papaia na proporção de litro de sumo de cenoura, litros de sumo de laranja e litro de sumo de papaia. Por dia, o bar recebe litros de sumo de papaia, litros de sumo de manga, litros de sumo de laranja e litros de sumo de cenoura, tendo o sumo que ser consumido nesse mesmo dia Que quantidade de sumo de cada tipo (em litros) deve ser produzido por dia de modo que a receita obtida possa ser máxima? 2.2. Para a solução encontrada em 2.1. é garantido que todo o sumo recebido é utilizado nos sumos produzidos? Caderno de Apoio PL11 Página 29
31 Sucessões SUC11 Descritor Texto de Apoio Prove, por indução matemática, que as seguintes propriedades são verdadeiras: 1.1. ( ) Dado, a soma dos primeiros termos da sucessão dos números ímpares é igual a *, ( ). (onde ). 2. Seja ( ) a sucessão definida por e para todo o Mostre, por indução, que, Deduza da alínea anterior que ( ) é decrescente. 3. **Mostre que é, para todo o número natural, um múltiplo de. 4. **Use o método de indução em para mostrar que, sendo e números naturais, é múltiplo de Considere a sucessão ( ) definida por e para todo o. Prove, utilizando o princípio de indução, que ( ). 2. Considere, dados números reais e, a sucessão ( ) definida por e para todo o. 2.1 Mostre que, e. 2.2 Determine, justificando, uma expressão para o termo geral Considere a sucessão ( ) definida por. Prove, utilizando o princípio de indução, que ( ). 2. Considere, dados números reais e, a sucessão ( ) definida por e para todo o. 2.1 Mostre que, e. 2.2 Determine, justificando, uma expressão para o termo geral Considere a soma dos primeiros termos da progressão aritmética de primeiro termo e de razão, ou seja, Forme pares com os termos desta soma, de tal modo que a soma dos elementos de cada par seja igual a. Quantos pares deste tipo se podem formar? Deduza o valor de Utilize o método sugerido na alínea anterior para determinar a soma dos cem primeiros números naturais. 2. *Dados números reais e, considere a sucessão aritmética ( ) de primeiro termo e de razão. Para, proponha, tendo em conta o método proposto no exercício anterior, uma expressão para o valor de Caderno de Apoio SUC11 Página 30
32 3. *Dados números reais e, considere a sucessão aritmética ( ) de primeiro termo e de razão. Prove por indução que para todo o, Considere a soma. Calcule, começando por utilizar a propriedade distributiva, o produto ( ), e deduza o valor de. 2. *Dados números reais e, considere a sucessão geométrica ( ) de primeiro termo e de razão. Para, proponha, tendo em conta o método proposto no exercício anterior, uma expressão para o valor de 3. *Dados números reais e, considere a sucessão geométrica ( ) de primeiro termo e de razão. Prove por indução que para todo o, Suponha que uma dada sucessão ( ) é convergente e admite dois limites distintos, e. 1.1 Calcule, em função de e de, um valor para tal que as vizinhanças ] [ e ] [ sejam disjuntas. 1.2 Tendo em conta que, justifique que existe, no máximo, um número finito de índices tais que. 1.3 Tire uma conclusão análoga à da alínea anterior para a vizinhança e conclua que uma sucessão não pode admitir mais do que um limite Considere uma sucessão ( ) convergente e monótona, de limite. Mostre que ( ) é limitada, exibindo um majorante e um minorante dessa sucessão. 2. *Considere uma sucessão ( ) convergente, de limite. Justifique que: a) existe apenas um número finito de termos da sucessão ( ) que não verificam a condição. b) O conjunto de termos que não verifica a condição é limitado. c) ( ) é limitada, indicando como se pode identificar um majorante e um minorante dessa sucessão **Considere sucessões ( ) e ( ) tais que a primeira é limitada e a segunda tem limite nulo. 1.1 Justifique a existência de tal que para todo o número natural,. 1.2 Deduza da alínea anterior que,. 1.3 Justifique, dado, a existência de uma ordem tal que, para todo o número natural, e conclua quanto à convergência da sucessão de termo geral. Caderno de Apoio SUC11 Página 31
33 Prove, por definição de limite, as seguintes afirmações: 1.1 ( ) ; 1.2 ( ) ; Comentário Estes descritores dizem respeito a um conjunto de resultados relativos a operações com limites que os alunos devem conhecer e saber aplicar convenientemente. Nas Metas Curriculares foram selecionadas algumas demonstrações que os alunos devem também saber efetuar (relativas às propriedades enunciadas nos descritores 7.10 e 7.15) e que resumem algumas das técnicas base que permitem demonstrar todas as outras. O estudo exaustivo destas restantes demonstrações, embora nem sempre seja mais complexo, fica ao critério do professor. 1. Considere sucessões ( ) e ( ) tais que e Seja. Justifique a existência de (respetivamente de ) tal que (respetivamente tal que ). Mostre que a partir de uma certa ordem, que deverá explicitar, se tem < Conclua que ( ). 2. **Considere sucessões ( ) e ( ) tais que e. 2.1 Mostre que existe tal que, 2.2 Começando por observar, para, que ( ) ( ), mostre que. 2.3 Conclua, da alínea anterior, que. 3. Considere sucessões ( ) e ( ) tais que e. 3.1 Justifique a existência de tal que para todo o número natural, 3.2 Fixado, justifique a existência de tal que para todo o número natural, 3.3 Mostre que ( ). 4. Considere sucessões ( ) e ( ) tais que e. 4.1 Seja ] [ Justifique a existência de tal que para todo o número natural, 4.2 Fixado, justifique a existência de tal que para todo o número natural,. 4.3 Mostre que ( ). Caderno de Apoio SUC11 Página 32
34 Considere as sucessões ( ), ( ), ( ) e ( ) de termos gerais, respetivamente,,, e. Justifique que e que: 1.1 e ( ). 1.2 e ( ). 1.3 e ( ) Considere as sucessões ( ), ( ), ( ) e ( ) de termos gerais, respetivamente,,, e. Justifique que e que: 1.1. e ( ) e ( ) e ( ) Considere as sucessões ( ), ( ), ( ) e ( ) de termos gerais, respetivamente,,, e Justifique que e que: e e e Considere as sucessões de termo geral, e Mostre que Calcule e Comentário A desigualdade ( ), para e, pode ser demonstrada rigorosamente por indução. (ver texto de Apoio ao descritor 3.3). De forma um pouco mais informal, os alunos poderão observar que ao desenvolver o produto ( ) ( ) ( ) ( ) irá formar-se uma parcela igual a e parcelas iguais a, resultantes de multiplicar o presente em cada um dos fatores pela parcela igual a de cada um dos restantes fatores; concluímos então que o produto terá pelo menos uma parcela igual a e parcelas iguais a, cuja soma é igual a. Como os restantes termos são positivos, obtém-se assim a desigualdade pretendida. Com este resultado é possível verificar as propriedades enunciadas nos descritores 7.31 e 7.32: 1. Sabe-se que se, ( ) para todo o Justifique que, se, existe um número real tal que com e conclua que Calcule, para o limite. (sugestão: considere ). Caderno de Apoio SUC11 Página 33
35 2. Fixado, deduza que ( ) e que. Esta última igualdade permanece válida se? [Sugestão: comece por observar que para e se tem ( ).] Considere a sucessão de termo geral por. Mostre que ( ) é uma sucessão crescente. 2. Estude, quanto à monotonia, a sucessão de termo geral. 3. Justifique que a sucessão definida por ( ) não é monótona. 4. *Sabe-se acerca de uma sucessão ( ) que ( )( ) O que pode concluir acerca da monotonia da sucessão? 4.2. Indique o valor lógico da afirmação: é um dos minorantes da sucessão. 5. Uma sucessão ( ) de termos positivos é tal que para todo o número natural, Justifique que a sucessão é limitada. 6. Considere a sucessão de termo geral. Mostre que existe um número real positivo, tal que. 7. Considere a sucessão de termo geral Determine uma ordem tal que 7.2. Determine, para, uma ordem tal que Justifique que é o maior minorante da sucessão de termo geral, ou seja, que o ínfimo dessa sucessão é. 8. *Seja ( ) uma sucessão majorada e o respetivo supremo O número pode ser majorante de ( )? E, onde é um número positivo fixado? [Sugestão: Relembre a definição de supremo.] 8.2. Dado, justifique a existência de uma ordem tal que. 9. **Seja ( ) uma sucessão majorada. Mostre que é o supremo de ( ) quando e apenas quando é majorante dessa sucessão e para todo o existe tal que Determine uma expressão algébrica para o termo geral de uma progressão aritmética de razão e cujo primeiro termo é. 2. Determine uma expressão do termo geral da progressão aritmética ( ) sabendo-se que e que. 3. Prove que a sucessão de termo geral é uma progressão aritmética e indique a respetiva razão. 4. *Prove que a soma de duas progressões aritméticas é ainda uma progressão aritmética de razão igual à soma das razões das progressões iniciais. Caderno de Apoio SUC11 Página 34
36 5. *Mostre que as sucessões definidas por um termo geral da forma, são progressões aritméticas de razão. 6. *Três termos consecutivos de uma progressão aritmética são dados, para um determinado valor de, respetivamente, por 6.1. Determine esses três termos Supondo que o quinto termo é igual a 4, determine o termo geral da sucessão. 7. *A soma dos primeiros termos de uma progressão aritmética de razão é igual a, sendo o primeiro termo igual a. Determine. 8. *Calcule a soma dos múltiplos de compreendidos entre e. 9. Calcule a soma dos primeiros termos da progressão. 10. *Calcule a soma de todos os números pares compreendidos entre e (inclusive). 11. As três medidas dos lados de um triângulo retângulo estão em progressão aritmética e o perímetro do triângulo mede. Determine a medida dos lados do triângulo. 12. **As medidas de amplitude dos ângulos internos de um pentágono convexo estão em progressão aritmética. Determine a medida de amplitude do ângulo mediano. 13. Determine uma expressão algébrica para o termo geral de uma progressão geométrica de razão e cujo primeiro termo é. 14. Determine uma expressão do termo geral da progressão geométrica monótona ( ) sabendo-se que e. 15. Prove que a sucessão de termo geral é uma progressão geométrica e indique a razão. 16. **Sabe-se que ( ) é uma progressão aritmética de razão. Justifique que a sucessão efinida por é uma progressão geométrica e indique a razão. 17. *Prove que o produto de duas progressões geométricas é ainda uma progressão geométrica de razão igual ao produto das respetivas razões. 18. *Prove que as sucessões definidas por um termo geral do tipo, e são progressões geométricas de razão. 19. *Três termos consecutivos de uma progressão geométrica são dados, para um determinado valor real de, respetivamente, por. Determine o termo geral dessa sucessão. 20. *Calcule a soma das potências de compreendidas entre e (inclusive). 21. Determine uma expressão da soma dos primeiros termos da sucessão definida por. Caderno de Apoio SUC11 Página 35
37 22. Na figura seguinte está representado um quadrado [ ] cuja medida do lado mede unidades. Os quadrados que se construíram a partir deste, obtiveram-se, tal como a figura sugere, dividindo cada lado em quatro partes iguais Indique a medida do lado de cada um dos quadrados desenhados Considere a sucessão ( ) das medidas dos lados dos quadrados que se podem formar utilizando este processo repetidamente e em que a) Prove que esta sucessão é uma progressão geométrica e indique a respetiva razão. *b) Prove que para todo o número natural, *Avergue se existe um quadrado com lado *Considere a sucessão ( ) das áreas destes quadrados. Justifique que se trata de uma progressão geométrica, indicando a razão e escrevendo uma expressão para o termo geral. 23. Em a população de uma certa cidade era de um milhão e duzentos mil habitantes e desde aí tem crescido à taxa anual de. Se se mantiver esta taxa de crescimento qual será a população em? 24. *Considere uma sequência ( ) de termos em progressão geométrica. Mostre que para todo número natural, Foi efetuado um depósito de num banco no regime de juro composto à taxa anual de Qual o capital acumulado ao final de um ano? 1.2. Mostre que o capital acumulado ao fim de anos é de aproximadamente Justifique que a sucessão dos capitais acumulados em cada um dos anos a partir do primeiro é uma progressão geométrica de razão Obtenha a expressão que permite obter o capital acumulado ao fim de anos Utilize a calculadora para determinar ao fim de quantos anos é possível obter um capital acumulado superior a 1.6. Supondo que é dada a opção de capitalizar juros pagos proporcionalmente em cada período de três meses, mas com uma taxa de apenas 1,9% ao ano, determine se um tal depósito permite obter ao fim de um ano um capital acumulado maior ou menor do que o obtido na opção acima descrita. 2. *O senhor Esteves aderiu a um plano de poupança a uma taxa de juro semestral de, em regime de juro composto. Para tal efetuou um depósito de em janeiro de e comprometeu-se a efetuar reforços de cada seis meses. Sabendo que este plano de poupança termina em, qual o capital acumulado ao fim deste período de tempo? Calcule o limite das sucessões cujo termo geral se indica, identificando as indeterminações encontradas Caderno de Apoio SUC11 Página 36
38 * * 1.17** Considere a sucessão definida por { 1.1. Justifique que se trata de uma progressão geométrica e indique a respetiva razão Para, determine uma expressão algébrica para a soma dos primeiros termos desta successão Determine e interprete o valor obtido. 2. Determine o limite da sucessão de termo geral :. 3. Na figura estão representados dois segmentos [ ] e [ ]. Com origem em, desenhou-se uma linha poligonal em que os segmentos são alternadamente perpendiculares a e a. Sabe-se que as medidas, respetivamente do primeiro e do segundo desses segmentos, são, numa dada unidade, e Justifique que os triângulos [ ] e [ ] são semelhantes e indique a respetiva razão de semelhança *Justifique que a sucessão dos comprimentos dos segmentos desta linha poligonal é uma progressão geométrica e determine o comprimento da linha poligonal caso esta tenha segmentos *Determine o limite, quando tende para, da medida de comprimento da linha poligonal constituída por segmentos de reta assim obtidos e interprete-o geometricamente. 4. **Considere a sucessão de primeiro termo tal que, para todo o número natural, Mostre que existe um valor de para o qual a sucessão é constante Considere que. Determine tal que a sucessão de termo geral seja geométrica Calcule uma expressão algébrica para o termo geral das sucessões ( ) e ( ) Calcule, para,, e os respetivos limites quando tende para. 5. Considere a sucessão definida por e, para todo, ( ) *Considere a sucessão de termo geral. Mostre que para todo o. 5.2.** Calcule e utilize o resultado da alínea anterior para provar que ( ) 5.3. Determine uma expressão algébrica para o termo geral de ( ) Calcule os limites das sucessões ( ) e ( ). Caderno de Apoio SUC11 Página 37
39 Funções Reais de Variável Real FRVR11 Descritor Texto de Apoio Comentário São essencialmente duas as opções que classicamente se consideram para a definição de limite num ponto real, no que diz respeito ao domínio em que se tomam as sucessões a tender para, para o efeito de testar a existência do referido limite. A opção privilegiada desde há bastante tempo no ensino secundário em Portugal tem sido a que consiste em considerar, de entre as sequências no domínio da função, apenas aquelas que nunca tomam o valor. Ou seja, tem-se optado pelo que vulgarmente se designa por limite por valores diferentes de. No presente programa optou-se pela versão alternativa que consiste em admitir, com o mesmo objetivo, sucessões podendo tomar o valor ; considera-se, com efeito, que esta opção apresenta diversas vantagens. Em primeiro lugar por ser mais simples de formular e permitir também uma formulação mais simples da noção de continuidade e em segundo porque a própria noção de limite por valores diferentes (como outras afins como a de limite à esquerda e à direita ) passa a poder ser encarada como caso particular de um noção geral de limite segundo um conjunto que é muito simplesmente o limite da restrição da função inicial a esse conjunto (cf. descritor 1.3). É de notar também que esta é a abordagem seguida em grande número de cursos e manuais universitários e que a definição até agora mais usual no ensino secundário obriga a cuidados suplementares para que se evitem erros no enunciado de determinadas propriedades, os quais por vezes se podem detetar, mesmo em boas obras de referência. 2.7 Comentário A justificação da continuidade das funções trigonométricas, embora não seja requerida, poderá ser abordada invocando propriedades geométricas, como é sugerido no Caderno de Apoio ao 12.º ano, a propósito da diferenciabilidade destas mesmas funções ( TRI12-1.2) Determine os zeros e estude o sinal de cada uma das funções cuja expressão analítica se indica: 1.1. ( ) 1.2. ( ) 1.3. ( ) 1.4. ( ) 1.5. ( ) 1.6. ( ) 2. Um recipiente pode ser cheio por três torneiras. Uma delas enche o recipiente em horas, uma segunda em horas e a terceira em horas *Se a três torneiras funcionarem simultaneamente, prove que a expressão do número de horas necessárias para que o recipiente seja cheio é dado por ( ) Determine de modo que o tempo necessário ao enchimento do recipiente seja de e Calcule os seguintes limites, começando por identificar, caso exista, o tipo de indeterminação ( ) 1.2. ( ) Caderno de Apoio FRVR11 Página 38
40 1.3. ( ) * 1.9. ( ( )) ( ) ( ) * * 2. Calcule os seguintes limites, começando por identificar, caso exista, o tipo de indeterminação ( ) * Caderno de Apoio FRVR11 Página 39
41 Determine o valor de de modo que a função real de variável real definida por ( ) { seja contínua em. 2. Averigúe se a função definida por ( ) { é contínua em 3. Mostre que a função definida por ( ) { é contínua em Determine, caso existam, as assíntotas ao gráfico das funções definidas por cada uma das expressões seguintes: 1.1. ( ) 1.2. ( ) 1.3. ( ) 1.4. ( ) 2. O gráfico junto representa uma função racional do tipo ( ). Sabe-se que as retas e são assíntotas do gráfico e que este interseta o eixo no ponto ( ) Determine os valores de Determina as coordenadas do ponto B Determine, caso existam, as assíntotas ao gráfico das funções definidas por cada uma das expressões seguintes: 1.1. ( ) 1.5. * ( ) ( ) ( ) 1.3. ( ) 1.4. ( ) 1.6. ( ) 1.7. * ( ) 2. *Acerca de uma função real de variável real, sabe-se que é contínua no seu domínio e que ; ( ) e ( ) ( ) ( ) ; ( ( ) ). Identifique as assíntotas ao gráfico de. Caderno de Apoio FRVR11 Página 40
42 6.10 Comentário O resultado expresso no descritor 6.10 poderia demonstrar-se utilizando o binómio de Newton. No entanto, para provar este descritor, bastará observar um resultado um pouco menos preciso: dado e, ( ) ( ) ( ) ( ) Onde ( ) é um polinómio. Esta decomposição pode ser justificada de forma intuitiva e simples utilizando a propriedade distributiva. O caso pode obter-se por composição Comentário A demonstração da fórmula para a derivação da função raiz de índice é muitas vezes apresentada como consequência do teorema de derivação de uma função inversa, resultado que é abordado apenas no 12.º ano e a propósito do qual este tema será revisitado. No entanto é possível justificar a referida fórmula utilizando uma identidade algébrica já invocada a propósito da racionalização de denominadores (cf. Texto de apoio ao descritor ALG ) e que neste nível de escolaridade já poderia ser demonstrada por indução matemática: ( )( ) Temos assim, tomando e : cujo limite quando tende para é obviamente igual a ( ) Determine a expressão da função derivada de cada uma das funções definidas pelas seguintes expressões: 1.1. ( ) 1.2. ( ) ( ) ( ) 1.3. ( ) ( )( ) 1.4. ( ) ( ) 1.5. ( ) 1.6. ( ) 1.7. ( ) 1.8. ( ) 1.9. ( ) 1.10 * ( ) Caderno de Apoio FRVR11 Página 41
43 2. Considere as funções e definidas em e tais que ( ), ( ) e ( ) Determine 2.1. ( ) ( ) ( ) ( ), em função de ( ) e de ( ). 3. *Considere as funções e definidas em e tais que ( ) e ( ). Determine, de duas formas distintas, utilizando ou não a fórmula de diferenciação da função composta, uma expressão analítica da função derivada de: Informação Complementar para o Professor O Teorema de Rolle pode facilmente ser demonstrado a partir do resultado enunciado no descritor 8.1. Com efeito, seja uma função diferenciável num intervalo ] [, contínua em [ ] e tal que ( ) ( ). Se for constante, então a respetiva derivada anula-se em qualquer ponto de ] [ Se não for constante, atendendo a que ( ) ( ), ou o máximo ou o mínimo absoluto de (que existe, pelo teorema de Weierstrass) é atingido num ponto de ] [, sendo portanto a derivada de nula nesse ponto. Para demonstrar o Teorema de Lagrange, basta aplicar o Teorema de Rolle à função que se obtém de subtraindo-lhe a função cujo gráfico é a reta que passa pelos pontos ( ( )) e ( ( )). Embora estas demonstrações não sejam requeridas aos alunos, estes deverão conhecer estes resultados e a respetiva interpretação geométrica: existe um ponto de ] [ tal que a reta tangente ao gráfico de nesse ponto é paralela a. O exemplo seguinte ilustra esta situação: 1. Considere a função definida por ( ) Determine o declive da reta secante ao gráfico de nos pontos e de abcissa, respetivamente, e Verifique a existência de pelo menos um ponto do gráfico de, com abcissa compreendida entre e, em que a reta tangente tem declive igual ao da reta, determinando a abcissa de Considere as funções e definidas por ( ) e ( ) Determine a equação reduzida da reta tangente ao gráfico de no ponto de abcissa A reta é tangente ao gráfico de e paralela à bissetriz dos quadrantes ímpares. Determine uma equação de *Determine para que valor de os gráficos de e se intersetam num ponto do primeiro quadrante em que as retas tangentes aos gráficos são perpendiculares. Caderno de Apoio FRVR11 Página 42
44 Um ponto move-se numa reta de tal forma que, em cada instante (em segundos), a distância (em cm) à origem é dada pela expressão ( ) No instante inicial, qual a distância do ponto à origem? 1.2. Determine a velocidade média do ponto nos três primeiros segundos Determine a velocidade no instante e indique a distância à origem nesse instante Determine a expressão da velocidade em cada instante e indique em que instante a velocidade é nula. 2. Um projétil foi lançado verticalmente e a respetiva altura (medida em metros da altura do projétil acima do solo) é dada, em função de, (medida em segundos do tempo decorrido após o instante inicial ) por ( ) Qual a altura do projétil no instante em que foi lançado? 2.2. Determine a velocidade média nos dois primeiros segundos Determine a velocidade no instante Qual a altura máxima atingida pelo projétil? Determine os intervalos de monotonia de cada uma das seguintes funções e identifique os extremos relativos e absolutos, caso existam ( ) em 1.2. ( ) em 1.3. ( ) em 1.4. ( ) em 1.5. ( ) em 1.6. ( ) em 2. De todos os retângulos de perímetro, determine as dimensões do que tem área máxima. 3. Pretende-se construir um recipiente cilíndrico com a capacidade de litros gastando a menor quantidade possível de um dado material. Considerando desprezável a espessura do material, determine qual deverá ser a medida do raio da base do recipiente. 4. *Considere os retângulos que se podem inscrever numa circunferência com diâmetro. Determine qual desses retângulos tem área máxima. Caderno de Apoio FRVR11 Página 43
45 Estatística EST11 Descritor Texto de Apoio Considere um referencial ortogonal do plano e os pontos ( ) ( ) e ( ) e as amostras ( ) e ( ) Determine as médias de e de Escreva a expressão ( ) ( ), onde, sem utilizar o símbolo de somatório Determine ( ) 1.5. Determine o valor de para o qual a função atinge um mínimo absoluto e designe-o por Verifique que Represente os pontos, e e esboce a reta de mínimos quadrados desta sequência de pontos. 2. ** Considere um número natural, um referencial ortogonal do plano e os pontos ( ) ( ) ( ) Considere a função ( ) ( ), onde, e determine ( ) Determine o valor de para o qual a função atinge um mínimo absoluto e verifique que é igual a Considere os pontos ( ) ( ) ( ) e ( ) e a reta de equação Determina o desvio vertical de cada um dos pontos em relação à reta Determine a soma dos desvios. 2. Na tabela junta estão registados dados relativos à idade (em meses) e à altura (em centímetros) de 12 crianças de uma comunidade. Idade altura 74,9 76,2 77,0 78,4 78,1 79,3 79,9 81,7 80,9 81,3 82,1 86,5 Considere a variável idade como explicativa e a variável altura como resposta. Utilize uma calculadora gráfica ou uma folha de cálculo para responder às seguintes questões (utilize aproximações às centésimas): 2.1. Determine a média das idades e a média das alturas destas crianças Represente num referencial cartesiano a nuvem de pontos ( ) e a reta cuja equação, com aproximação dos coeficientes às centésimas, é dada por Verifique que o ponto ( ) pertence à reta, utilizando aproximações às centésimas Determine o desvio vertical de cada um dos pontos em relação à reta Calcule a soma de todos os desvios calculados em 1.3. e verifique que é nula Determine o valor da expressão e verifique que é igual ao declive da reta, com aproximação às centésimas. Caderno de Apoio EST11 Página 44
46 3. Numa zona agrícola com um determinado declive foi realizado um estudo acerca da influência da taxa do fluxo das águas (em litros por segundo) na erosão dos solos através da quantidade de massa de solo transportado (em quilogramas). Assim, foram feitas cinco medições das quais resultaram os dados da tabela junta. Taxa de fluxo 0,31 0,85 1,26 2,47 3,75 Solo erodido 0,82 1,95 2,18 3,01 6, Qual deve ser a variável explicativa e a variável resposta? 3.2. Utilize uma calculadora gráfica ou uma folha de cálculo para resolver as seguintes questões: Considerando a taxa de fluxo como variável explicativa e o solo erodido como variável resposta, represente a nuvem de pontos num referencial ortogonal Determine a média dos valores de cada uma das amostras representadas Determine o declive da reta dos mínimos quadrados que se ajusta a esta nuvem de pontos. 4. O Sr. Silva aquece a sua casa com gás natural. A quantidade de gás utilizada depende da temperatura exterior e o Sr. Silva pretende fazer um estudo dos gastos durante os 9 meses em que se observam menores temperaturas, para poder estabelecer uma previsão para os gastos em função da temperatura exterior. Na tabela junta estão registadas as temperaturas médias observadas em cada um dos meses (em graus Celsius) e o respetivo volume de gás despendido pelo Sr. Silva (em metros cúbicos). mês out nov dez jan fev mar abr mai jun temperatura 16,1 12,4 10,3 8,9 10,1 12,8 13,2 15,9 16,4 Volume de gás 0, ,24 0,26 0,19 0,09 0,05 0,03 0, Qual deve ser a variável explicativa e a variável resposta? 4.2. Utilize uma folha de cálculo ou uma calculadora gráfica para responder às seguintes questões: Represente os dados num referencial ortogonal e diga se é razoável a existência de uma relação linear entre estas duas variáveis Determine a média dos valores de cada uma das amostras representadas. Apresente os resultados com arredondamento às décimas Determine o declive da reta dos mínimos quadrados que se ajusta a esta nuvem de pontos. Apresente o resultado com arredondamento às décimas Determine a equação reduzida da reta dos mínimos quadrados Utilizando a equação obtida em determine qual o consumo esperado para um mês em que a temperatura média seja de 7 C. 5. Nos gráficos estão representadas três nuvens de pontos. Faça corresponder a cada gráfico um dos coeficientes de correlação indicados, e e justifique. Caderno de Apoio EST11 Página 45