Resumo
Esta aula encerra a unidade sobre as funções algébricas e os polinômios. Reúne em uma só cadeia dedutiva o que foi demonstrado em suas nove aulas, desde o conceito de função e o algoritmo da divisão até a análise completa das funções racionais e das funções com radicais; mostra como a unidade se apoia nos números naturais e nos conjuntos numéricos das unidades anteriores, aponta com honestidade os resultados que foram admitidos sem demonstração e explica como se liga à geometria analítica do plano. Termina com dez desafios, de dificuldade superior à dos problemas propostos da unidade, que exigem combinar várias aulas e encontrar uma ideia.
Objetivos de aprendizagem
- Reconstruir a cadeia de definições e teoremas da unidade, explicando que resultado se apoia em qual.
- Relacionar os teoremas sobre polinômios com seus análogos sobre números inteiros estudados nas unidades anteriores.
- Distinguir os resultados demonstrados na unidade daqueles que foram admitidos e serão demonstrados em outros cursos.
- Resolver problemas que combinam várias aulas da unidade e exigem uma ideia não mecânica, entre eles a formulação de uma situação concreta por meio de polinômios.
O que a unidade alcançou
As funções e suas operações
A unidade começou com o conceito de função: uma regra que associa a cada elemento do domínio exatamente uma imagem. Na aula sobre as funções algébricas fixaram-se as regras que determinam o domínio de uma fórmula, demonstrou-se o lema do sinal de um produto, base de todo o estudo posterior dos sinais, e as funções foram classificadas em polinomiais, racionais, irracionais e transcendentes; que a classificação, que se refere às funções e não às suas fórmulas, não é vazia mostrou-o a demonstração de que não coincide com nenhum polinômio, e a aula sobre a álgebra dos polinômios provou depois que não é uma função racional. A aula sobre as operações com funções tratou as funções reais como objetos. Da aula sobre conjuntos, relações e funções da primeira unidade herdou a associatividade da composição e o teorema segundo o qual uma função tem inversa se e somente se é bijetora; acrescentou o que é próprio das funções reais: o domínio de uma composição, com o qual a composição continua sendo associativa, mas não comutativa; que uma função estritamente monótona é bijetora sobre seu conjunto imagem e tem inversa monótona, o que permite inverter por restrição as funções que não são injetoras; que o gráfico da inversa é o reflexo em relação à reta ; e que toda função de domínio simétrico é, de uma única maneira, soma de uma função par e de uma ímpar.
Os polinômios e sua fatoração
O centro da unidade é a teoria dos polinômios, que se desenvolve como uma cadeia de teoremas, cada um apoiado no anterior.
- O algoritmo da divisão, demonstrado na aula sobre a álgebra dos polinômios, dá um quociente e um resto únicos. Com divisor , o resto é (teorema do resto), e daí o teorema do fator: é raiz se e somente se divide .
- Aplicado a várias raízes, o teorema do fator dá o lema das raízes distintas: um polinômio não nulo de grau tem no máximo raízes. Dele se deduz o princípio de identidade: dois polinômios definem a mesma função se e somente se têm os mesmos coeficientes. Como até esse momento os polinômios foram tratados por meio de seus coeficientes, a ordem não é circular; e desde então cada polinômio se identifica com sua função, podem-se comparar coeficientes, dois polinômios que coincidem em infinitos pontos são iguais e prova-se que a raiz quadrada não é uma função racional.
- Para encontrar as raízes, a aula sobre a fatoração do polinômio quadrático completou quadrados e obteve a fórmula quadrática, o discriminante e as relações de Girard (de Viète); a aula sobre as raízes de polinômios de grau superior acrescentou a divisão sintética, o teorema das raízes racionais, a multiplicidade e as cotas das raízes.
- Admitido o teorema fundamental da álgebra, e com o teorema das raízes conjugadas, demonstrou-se a fatoração nos reais: todo polinômio real é seu coeficiente dominante vezes fatores e vezes fatores quadráticos irredutíveis.
Do quociente ao gráfico
Com a fatoração em mãos, a segunda metade da unidade estudou os quocientes. A aula sobre as frações algébricas mostrou que simplificar um fator comum só é uma igualdade no domínio original, caracterizou a igualdade de duas frações e demonstrou a existência e a unicidade da decomposição em frações parciais quando o denominador só tem fatores lineares: com fatores distintos, os coeficientes se obtêm avaliando nas raízes uma identidade que, pelo princípio de identidade, vale também onde as frações não estão definidas; com fatores repetidos, a unicidade exige isolar em cada raiz o termo de maior potência. A aula sobre quadros de sinais e inequações estendeu a regra dos sinais a fatores e leu na fatoração o sinal de um polinômio ou de um quociente: o sinal muda ao atravessar uma raiz de multiplicidade ímpar, conserva-se em uma de multiplicidade par, e os fatores irredutíveis não contam. Daí se seguiram a resolução de inequações e de domínios e a distinção entre assíntotas verticais e pontos removíveis.
As duas últimas aulas reuniram todos os instrumentos. Na aula sobre as funções racionais, a divisão escreve como um polinômio mais uma fração própria que tende a zero, e é a assíntota horizontal, oblíqua ou curvilínea; o quadro de sinais decide para onde escapam os ramos, e o discriminante da equação dá o conjunto imagem quando essa equação é de grau . Na aula sobre as funções com radicais, a igualdade obriga a tratar separadamente os valores grandes positivos e negativos da variável, e uma mesma função pode ter duas assíntotas distintas.
O que se admitiu
A unidade foi explícita sobre o que não demonstrou. Admitiu-se o teorema fundamental da álgebra, cujas demonstrações exigem ferramentas da análise. Usaram-se com um sentido intuitivo as setas dos limites, com que se descrevem as assíntotas e o comportamento de uma função perto de um ponto ou no infinito: o que se demonstrou foi o sinal da função de cada lado e a decomposição que separa a assíntota, e o que se descreveu, a própria aproximação. Admitiu-se que as funções racionais e as funções com radicais são contínuas em cada intervalo de seu domínio, e, em sua forma geral, o teorema do valor intermediário: uma função contínua em um intervalo assume todo valor compreendido entre e , e em particular se anula se e têm sinais opostos, que é o teorema de Bolzano; com ele localizaram-se zeros que a álgebra não alcança e calcularam-se conjuntos imagem. Admitiram-se a existência e a unicidade da decomposição em frações parciais quando há fatores quadráticos irredutíveis, que exigem a identidade de Bézout entre polinômios, e a unicidade da fatoração nos reais, da qual depende que o mínimo múltiplo comum de vários polinômios esteja determinado a menos de um fator constante. Por último, admitiu-se que toda função definida por uma expressão algébrica satisfaz uma equação polinomial em e , fato do qual não depende nenhum outro resultado. E ficaram em aberto os máximos e os mínimos que não se revelam por uma transformação algébrica. Os limites, a continuidade, o valor intermediário, os extremos e a integração das frações parciais estudam-se nos cursos de Cálculo I e Cálculo II; o teorema fundamental da álgebra, por sua vez, demonstra-se em um curso de análise complexa.
A figura seguinte reúne os três trechos em uma só cadeia. Cada nó da coluna é uma definição ou um teorema, numerado segundo a ordem lógica e unido por um arco aos elos anteriores que sua demonstração usa; ao redor flutuam os apoios, isto é, os princípios e os instrumentos a que a cadeia recorre repetidas vezes, cada um unido por um traço contínuo aos elos que nele se apoiam. Todos eles se admitem ou provêm das unidades anteriores, e por isso são desenhados como anéis: os resultados que a unidade demonstra e reutiliza, como o lema do sinal de um produto ou o teorema do fator, figuram como elos, unidos por arcos aos que os usam. Ao clicar em um apoio, destacam-se todos os elos que o usam, e cada elo remete à aula em que é demonstrado.
Apoios da cadeia
- AIndução. Uma propriedade que se verifica em um caso inicial e passa de cada caso ao seguinte, ou de todos os anteriores ao seguinte, verifica-se sempre; demonstrado na unidade sobre os números naturais. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- BLema de Euclides. Se um primo divide um produto de inteiros, divide algum dos fatores; daí se segue que, se um inteiro divide um produto e é primo com um dos fatores, divide o outro; demonstrado na unidade sobre os números naturais. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- CComposição e inversa. A composição de funções é associativa e conserva a injetividade, e uma função tem inversa se e somente se é bijetora, e essa inversa é única; demonstrado na aula sobre conjuntos, relações e funções. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- DRaízes conjugadas. Se um número complexo é raiz de um polinômio de coeficientes reais, também o é seu conjugado; demonstrado na unidade sobre os conjuntos numéricos. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- ETeorema fundamental da álgebra. Todo polinômio de grau com coeficientes complexos tem pelo menos uma raiz complexa; admite-se sem demonstração. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- FBézout e fatoração única. Se dois polinômios não têm fatores comuns de grau positivo, existem polinômios e com ; e a fatoração de um polinômio real em fatores lineares e quadráticos irredutíveis é única a menos da ordem; admitem-se, porque o curso não desenvolve o máximo divisor comum de polinômios. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- GLimites e continuidade. As setas e têm um sentido intuitivo, e as funções racionais e as funções com radicais são contínuas em cada intervalo de seu domínio; admite-se até o curso de Cálculo I. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- HValor intermediário. Se uma função é contínua em um intervalo , assume nele todo valor compreendido entre e ; em particular, se e têm sinais opostos, anula-se em algum ponto de (teorema de Bolzano); admite-se até o curso de Cálculo I. Admitido sem demonstração nesta unidade.
Trecho 1 As funções e suas operações
- Definir a função e fixar as regras que determinam o domínio de uma fórmula.
- Demonstrar o lema do sinal de um produto, base do estudo posterior dos sinais.
- Classificar as funções algébricas e provar que a classificação não é vazia.
- Tratar as funções reais como objetos: domínio da composição, inversa por restrição a um conjunto em que a função é monótona, gráfico da inversa e decomposição em partes par e ímpar.
Função e domínio. Uma função associa a cada elemento de seu domínio exatamente uma imagem; o domínio de uma fórmula exclui os zeros dos denominadores e os radicandos negativos das raízes de índice par.
Demonstrado em: Funções algébricas de variável real.
Sinal de um produto. Para reais e , se e somente se ou , e se e somente se ambos são não nulos e de mesmo sinal; se , o quociente tem o sinal de .
Demonstrado em: Funções algébricas de variável real.
Um quociente que não é polinômio. Nenhuma função polinomial coincide com em todos os reais não nulos; donde há funções racionais que não são polinomiais.
Usa: 1. Função e domínio. Demonstrado em: Funções algébricas de variável real.
Gráficos de potências e raízes. Para , as funções e conservam a ordem dos reais não negativos, se , e a potência é par ou ímpar conforme o seja .
Usa: 1. Função e domínio. Demonstrado em: Funções algébricas de variável real.
Domínio da composição. Para funções reais, o domínio de é formado pelos do domínio de cuja imagem está no domínio de ; com esses domínios a composição é associativa, e não é comutativa.
Usa: 1. Função e domínio. Apoia-se em: C (Composição e inversa). Demonstrado em: Operações com funções, inversa e transformações de gráficos.
Funções monótonas. Toda função estritamente crescente ou estritamente decrescente é injetora, e a soma de duas funções crescentes é crescente.
Usa: 1. Função e domínio. Demonstrado em: Operações com funções, inversa e transformações de gráficos.
Inversa de uma função monótona. Uma função estritamente crescente em um conjunto de reais é bijetora de em seu conjunto imagem, e sua inversa é estritamente crescente; o mesmo vale para as estritamente decrescentes. Assim se invertem, restringindo o domínio, as funções que não são injetoras.
Usa: 6. Funções monótonas. Apoia-se em: C (Composição e inversa). Demonstrado em: Operações com funções, inversa e transformações de gráficos.
Gráfico da inversa. O ponto está no gráfico de se e somente se está no de ; donde o gráfico da inversa é o reflexo do de em relação à reta .
Usa: 7. Inversa de uma função monótona. Apoia-se em: C (Composição e inversa). Demonstrado em: Operações com funções, inversa e transformações de gráficos.
Partes par e ímpar. O produto de duas funções pares ou de duas ímpares é par, e o de uma par e uma ímpar é ímpar; toda função de domínio simétrico é, de uma única maneira, soma de uma função par e de uma ímpar.
Usa: 1. Função e domínio. Demonstrado em: Operações com funções, inversa e transformações de gráficos.
Trecho 2 Os polinômios e sua fatoração
- Demonstrar o algoritmo da divisão e deduzir dele os teoremas do resto e do fator.
- Limitar o número de raízes de um polinômio e obter o princípio de identidade.
- Encontrar as raízes: fórmula quadrática, discriminante, relações de Girard, divisão sintética, raízes racionais, multiplicidade e cotas.
- Demonstrar, admitido o teorema fundamental da álgebra, a fatoração de todo polinômio real em fatores lineares e quadráticos irredutíveis.
Algoritmo da divisão. Dados dois polinômios e , com não nulo, existem um quociente e um resto únicos tais que , com nulo ou de grau menor que o de .
Apoia-se em: A (Indução). Demonstrado em: Álgebra dos polinômios reais.
Teoremas do resto e do fator. O resto da divisão de por é ; portanto, divide se e somente se .
Usa: 10. Algoritmo da divisão. Demonstrado em: Álgebra dos polinômios reais.
Lema das raízes distintas. Se são raízes distintas de , então ; em consequência, um polinômio não nulo de grau tem no máximo raízes reais.
Usa: 2. Sinal de um produto, 11. Teoremas do resto e do fator. Apoia-se em: A (Indução). Demonstrado em: Álgebra dos polinômios reais.
Princípio de identidade. Dois polinômios assumem o mesmo valor em todo real se e somente se têm os mesmos coeficientes, potência a potência; donde cada polinômio se identifica com sua função, e a raiz quadrada não é uma função racional.
Usa: 12. Lema das raízes distintas. Demonstrado em: Álgebra dos polinômios reais.
Fórmula quadrática e discriminante. Completando quadrados, as raízes de são , com : há duas se , uma se , e nenhuma se , caso em que o polinômio é irredutível nos reais.
Usa: 2. Sinal de um produto, 11. Teoremas do resto e do fator. Demonstrado em: Fatoração do polinômio quadrático e do trinômio de grau 2n.
Fatoração e relações de Girard. Se , então , com e .
Usa: 14. Fórmula quadrática e discriminante, 13. Princípio de identidade. Demonstrado em: Fatoração do polinômio quadrático e do trinômio de grau 2n.
Biquadrado de discriminante negativo. Se , o trinômio é vezes o produto de dois polinômios quadráticos reais irredutíveis, e .
Usa: 14. Fórmula quadrática e discriminante. Demonstrado em: Fatoração do polinômio quadrático e do trinômio de grau 2n.
Divisão sintética. Os coeficientes do quociente de por obtêm-se baixando o coeficiente dominante e somando a cada coeficiente vezes o número anterior; o último número é o resto, .
Usa: 10. Algoritmo da divisão, 13. Princípio de identidade. Demonstrado em: Raízes de polinômios de grau superior e divisão sintética.
Raízes racionais. Se a fração irredutível é raiz de um polinômio de coeficientes inteiros com , então divide e divide ; a demonstração usa o lema de Euclides da primeira unidade.
Apoia-se em: B (Lema de Euclides). Demonstrado em: Raízes de polinômios de grau superior e divisão sintética.
Divisão sintética repetida. A raiz tem multiplicidade , isto é, com , se e somente se, ao dividir sucessivamente por , os primeiros restos são nulos e o seguinte não.
Usa: 17. Divisão sintética, 10. Algoritmo da divisão, 11. Teoremas do resto e do fator. Demonstrado em: Raízes de polinômios de grau superior e divisão sintética.
Cotas das raízes. Toda raiz real cumpre (cota de Cauchy), onde é o maior dos valores absolutos dos demais coeficientes, e se a divisão sintética por , com e , dá uma linha sem números negativos, nenhuma raiz real supera .
Usa: 17. Divisão sintética. Demonstrado em: Raízes de polinômios de grau superior e divisão sintética.
Fatoração nos reais. Todo polinômio real de grau é seu coeficiente dominante vezes fatores , com real, e vezes fatores quadráticos mônicos irredutíveis nos reais.
Usa: 14. Fórmula quadrática e discriminante, 10. Algoritmo da divisão, 17. Divisão sintética. Apoia-se em: A (Indução), E (Teorema fundamental da álgebra), D (Raízes conjugadas). Demonstrado em: Raízes de polinômios de grau superior e divisão sintética.
Trecho 3 Do quociente ao gráfico
- Precisar quando uma simplificação é uma igualdade e quando duas frações algébricas são iguais.
- Decompor uma fração própria em frações parciais.
- Ler na fatoração o sinal de um polinômio ou de um quociente e resolver com isso inequações e domínios.
- Analisar as funções racionais e as funções com radicais: assíntotas verticais, horizontais, oblíquas e curvilíneas, extremos do domínio e conjunto imagem.
Lema de simplificação. Em todo real que não anula , a fração vale o mesmo que ; ambas são a mesma função somente se a segunda é restrita ao domínio da primeira.
Usa: 2. Sinal de um produto. Demonstrado em: Frações algébricas e frações parciais.
Igualdade de frações. Dois polinômios que coincidem em todos os reais salvo um número finito são iguais; daí se segue que e coincidem onde não se anula se e somente se .
Usa: 12. Lema das raízes distintas, 13. Princípio de identidade. Demonstrado em: Frações algébricas e frações parciais.
Frações parciais. Toda fração própria é, de maneira única, soma de termos e , um para cada potência de cada fator de seu denominador; com fatores lineares, a existência se obtém separando um termo de cada vez e a unicidade isolando em cada raiz a maior potência; com fatores quadráticos irredutíveis, ambas se admitem.
Usa: 2. Sinal de um produto, 11. Teoremas do resto e do fator, 10. Algoritmo da divisão, 23. Igualdade de frações, 21. Fatoração nos reais. Apoia-se em: F (Bézout e fatoração única). Demonstrado em: Frações algébricas e frações parciais.
Sinal de um polinômio. Um produto de fatores não nulos é negativo se tem um número ímpar de fatores negativos; portanto, o sinal de um polinômio fatorado muda ao atravessar uma raiz se e somente se sua multiplicidade é ímpar, e os fatores irredutíveis conservam o sinal de seu coeficiente dominante.
Usa: 2. Sinal de um produto, 14. Fórmula quadrática e discriminante, 19. Divisão sintética repetida. Apoia-se em: A (Indução). Demonstrado em: Quadros de sinais e inequações.
Assíntotas verticais e pontos removíveis. Se anula o denominador de e , a reta é uma assíntota vertical; se , o fator comum se cancela e, se a fração simplificada está definida em , este é um ponto removível.
Usa: 11. Teoremas do resto e do fator, 22. Lema de simplificação, 25. Sinal de um polinômio. Apoia-se em: G (Limites e continuidade). Demonstrado em: Quadros de sinais e inequações.
Assíntotas de uma função racional. Se , a diferença entre e é , que tende a em ambos os extremos: o quociente é a assíntota horizontal, oblíqua ou curvilínea, e o quadro de sinais decide para onde escapam os ramos junto às verticais.
Usa: 10. Algoritmo da divisão, 26. Assíntotas verticais e pontos removíveis. Apoia-se em: G (Limites e continuidade). Demonstrado em: Funções racionais: assíntotas e gráfico.
Zeros e conjunto imagem de uma função racional. Pelo valor intermediário, uma função racional que muda de sinal em um intervalo de seu domínio se anula nele, e uma que em um intervalo de seu domínio assume valores maiores e menores que qualquer número assume ali todos os valores reais; se a equação é de grau , seu discriminante dá o conjunto imagem.
Usa: 14. Fórmula quadrática e discriminante, 27. Assíntotas de uma função racional. Apoia-se em: G (Limites e continuidade), H (Valor intermediário). Demonstrado em: Funções racionais: assíntotas e gráfico.
Domínio e extremos com radicais. O domínio de uma função com radicais é a interseção dos conjuntos dados pelos quadros de sinais de suas condições; se uma raiz de multiplicidade ímpar anula um radicando do numerador, o gráfico termina ali no eixo ; se se anula um denominador com numerador não nulo, há uma assíntota vertical; e, pelo valor intermediário, cada ramo assume todos os valores compreendidos entre os que alcança ou dos quais se aproxima em seus extremos.
Usa: 25. Sinal de um polinômio, 26. Assíntotas verticais e pontos removíveis. Apoia-se em: G (Limites e continuidade), H (Valor intermediário). Demonstrado em: Funções com radicais: domínio, sinais e gráfico.
Assíntotas com radicais. Como , a assíntota de uma função com radicais se encontra separadamente quando e quando , e pode ser distinta em cada extremo; se não tende a um número, não há assíntota reta.
Usa: 27. Assíntotas de uma função racional. Apoia-se em: G (Limites e continuidade). Demonstrado em: Funções com radicais: domínio, sinais e gráfico.
Rumo à geometria analítica. A unidade seguinte estuda curvas do plano por meio de suas equações: as retas, a parábola, que se caracteriza completando quadrados, a circunferência como união dos gráficos de e a hipérbole com suas duas assíntotas.
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