Funções Logarítmica e Exponencial
Quando os logaritmos foram introduzidos no século XVII como uma ferramenta computacional, eles forneceram aos cientistas daquela época um poder de cálculo até então inimaginável. Embora os computadores e as calculadoras tenham substituído amplamente os logaritmos em cálculos numéricos, as funções logarítmica e suas relativas tem uma vasta aplicação na matemática e na ciência.
- EXPOENTES IRRACIONAIS
Se b for negativo, então algumas das potências fracionárias de b terão valores imaginários; por exemplo,
Observe que as definições precedentes não incluem potências irracionais de b, tais como
Há vários métodos para definir potências irracionais. Uma abordagem é definir potências irracionais de b como limite de potências racionais. Por exemplo, para definir
3,1415926
Desta decimal, podemos formar uma seqüência de números racionais que ficam cada vez mais próximos de
3,1; 3,14; 3,141; 3,1415; 3,14159
e a partir destes podemos formar uma seqüência de potências racionais de 2:
Uma vez que os expoentes dos termos desta seqüência tendem a um limite
, parece plausível que os próprios termos tendam a um limite; sendo assim, é razoável definir
como sendo este limite. A tabela abaixo fornece evidência numérica de que a seqüência, na realidade, tem um limite e para quatro casas decimais, o valor deste limite é
8,8250. Em geral, para qualquer expoente irracional p e número positivo b, podemos definir
como o limite de potências racionais de b, criadas pela expansão decimal de p.
Tabela
| x | |
| 3 | 8,000000 |
| 3,1 | 8,574188 |
| 3,14 | 8,815241 |
| 3,141 | 8,821353 |
| 3,1415 | 8,824411 |
| 3,14159 | 8,824962 |
| 3,141592 | 8,824974 |
- A FAMÍLIA DE FUNÇÕES EXPONENCIAIS
f (x) =
Note que uma função exponencial tem uma base constante e um expoente variável. Assim as funções tais como f (x) =
Pode ser mostrado que as funções exponenciais são contínuas e têm um dos dois aspectos básicos mostrados na figura 1, dependendo de se 0 < b < 1 ou b > 1. A figura 2 mostra os gráficos de algumas funções exponenciais específicas.
OBSERVAÇÃO. Se b = 1, então a função
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- LOGARITMOS
e é definido como sendo aquele expoente ao qual b deve ser elevado para produzir x. Por exemplo,
e
surge como assíntota horizontal ao gráfico da equação
y =
Os valores de
| x | ||
| 1 | 2 | |
| 10 | 1,1 | 2,593742 |
| 100 | 1,01 | 2,704814 |
| 1000 | 1,001 | 2,716924 |
| 10.000 | 1,0001 | 2,718146 |
| 100.000 | 1,00001 | 2,718268 |
| 1.000.000 | 1,000001 | 2,718280 |
A função exponencial f (x) =
exp(
Esta notação é também usada por recursos computacionais, e é típico acessar a função
Funções Logarítmica e Exponencial
- FUNÇÕES LOGARÍTMICAS
A figura 1 que se encontram no item família de funções exponenciais sugere que se b > 0 e b
1, então o gráfico de y =
satisfaz o teste da reta horizontal, e isso implica que a função f (x) =
tem uma inversa. Para encontrar uma fórmula para esta inversa (com x como variável independente), podemos resolver a equação x =
para y com uma função de x. Isto pode ser feito tomando o logaritmo na base de b de ambos os lados desta equação. Isto dá lugar a
Porém, se pensarmos
y =
de onde concluímos que a inversa de f (x) =
Em particular, se tomarmos f (x) =
| logb(bx)=x para todos os valores reais de x blog x=x para x>0 |
DIFERENCIAÇÃO IMPLÍCITA
- FUNÇÕES DEFINIDAS EXPLICITAMENTE E IMPLICITAMENTE
yx + y +1 = x
não está na forma y = f (x). Contudo, esta equação ainda define y como uma função de x, uma vez se pode reescrever como
y =
Assim dizemos que xy + y +1 = x define y implicitamente como uma função de x, sendo
f (x) =
Uma equação em x e y pode implicitamente definir mais do que uma função de x; por exemplo, se resolvermos a equação
para y em termos de x, obtemos
Os gráficos destas funções são semicírculos superiores e inferiores do círculo
| Definição. Dizemos que uma dada equação em x e y define a função f implicitamente se o gráfico de y = f (x) coincidir com algum segmento do gráfico da equação. |
Às vezes, pode ser difícil ou impossível resolver uma equação em x e y para y em termos de x.
Com persistência, a equação
por exemplo, pode ser resolvida para y em termos de x, mas a álgebra é enfadonha e as fórmulas resultantes são complicadas. Por outro lado, a equação
sen(xy) = y
não pode ser resolvida para y em termos de x por qualquer método elementar. Assim, mesmo que uma equação em x e y possa definir uma ou mais funções de x, pode não ser prático ou possível achar fórmulas explícitas para aquelas funções.
Funções Logarítmica e Exponencial
- DIFERENCIAÇÃO IMPLÍCITA
xy = 1
Uma maneira de achar dy/dx é reescrever esta equação como
da qual tem-se que
Contudo, há uma outra maneira de obter esta derivada. Podemos diferenciar ambos os lados de xy = 1 antes de resolver para y em termos de x, tratando y como (não-especificado temporariamente) uma função diferenciável de x. Com esta abordagem, obtemos
Se agora substituirmos
que está de acordo com
Exemplo 1
Use a diferenciação implícita para achar dy/dx se
Resolvendo para dy/dx obtemos
Note que esta fórmula envolve ambos x e y. A fim de obter uma fórmula para dy/dx que envolva apenas x, teríamos que resolver a equação original para y em termos de x e, então, substituir em
Exemplo 2
Use a diferenciação implícita para achar
Solução. Diferenciado ambos os lados de
de que obtemos
Diferenciando ambos os lados de
Substituindo
Nos Exemplos 1 e 2, os resultados das fórmulas para dy/dx envolvem ambos x e y. Embora seja usualmente mais desejável ter a fórmula para dy/dx expressa somente em termos de x, ter a fórmula em termos de x e y não é um impedimento para achar as inclinações e as equações das retas tangentes, desde que as coordenadas x e y do ponto de tangência sejam conhecidas.
Funções Logarítmica e Exponencial
- DERIVADAS DE POTÊNCIAS RACIONAIS DE X
é válida para todos os valores inteiros de n e para n =
sempre que
Seja y =
Diferenciando implicitamente em relação a x e usando
Desta forma, pode ser escrito como
Exemplo
A partir de
Se u for uma função diferenciável de x e r for um número racional, então a regra da cadeia dá lugar à seguinte generalização de
Fonte: http://www.somatematica.com.br/superior/logexp/logexp4.php
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