Definições, propriedades, teoremas, leitura de gráficos e exemplos resolvidos, organizados da ideia de correspondência até composição e função inversa.
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6diagramas
ƒ
Como estudar esta apostila
Comece pela definição, relacione a fórmula com o diagrama e só depois acompanhe os exemplos. A edição reúne 23 definições e 17 resultados centrais.
01
CAPÍTULO 1
Introdução às funções
O conceito de função formaliza situações em que cada entrada permitida determina uma única saída.
VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE
Domínio, contradomínio e imagem
ƒ
Cada elemento do domínio possui exatamente uma seta de saída. Elementos diferentes podem ter a mesma imagem, mas uma entrada não pode apontar para duas saídas.
De relação a função
Uma relação entre dois conjuntos A e B é qualquer coleção de pares ordenados (x, y) com x em A e y em B. Uma função é uma relação especial: todo elemento do conjunto de partida deve participar e deve estar associado a um único elemento do conjunto de chegada.
A palavra único é decisiva. Uma mesma saída pode receber setas de várias entradas, porém uma mesma entrada não pode produzir duas saídas diferentes. Também não é permitido deixar uma entrada do domínio sem correspondência.
Todo x do domínio deve possuir uma imagem.
Cada x possui somente uma imagem f(x).
A correspondência muitos-para-um pode definir função; um-para-muitos, não.
Definição e notação
Escrevemos f: A→B para indicar uma função de A em B. A lei y=f(x) descreve como a saída é obtida. A letra x representa uma variável independente; y ou f(x) representa a variável dependente.
Calcular f(a) significa substituir x por a na lei da função. O símbolo f não é uma variável multiplicando x: ele nomeia a correspondência inteira.
f:A→Bf associa entradas de A a saídas em B.
x↦f(x)A entrada x é levada à imagem f(x).
f(a)Valor da função na entrada a.
Domínio, contradomínio e imagem
O domínio D(f) reúne as entradas para as quais a função está definida. O contradomínio é o conjunto declarado como destino. A imagem Im(f) contém apenas os valores do contradomínio que são efetivamente atingidos.
Em fórmulas reais, o domínio pode ser restringido por denominadores, raízes de índice par ou condições do contexto. Denominadores devem ser diferentes de zero e radicandos de raízes pares devem ser não negativos.
Im(f)={f(x)∣x∈D(f)}Conjunto de todas as saídas produzidas.
x−a1:x=aO denominador não pode ser zero.
g(x):g(x)≥0Condição de existência no conjunto dos reais.
Representações e igualdade de funções
Uma função pode ser apresentada por diagrama de setas, tabela, conjunto de pares, fórmula, gráfico ou descrição verbal. Representações diferentes podem comunicar a mesma dependência.
Duas funções são iguais quando têm o mesmo domínio, o mesmo contradomínio e atribuem a mesma imagem a cada entrada. Ter fórmulas visualmente parecidas não é suficiente quando os domínios são diferentes.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Função
Correspondência que associa a cada elemento do domínio exatamente um elemento do contradomínio.
Domínio
Conjunto de todas as entradas admitidas pela função.
Contradomínio
Conjunto declarado como destino das imagens.
Imagem
Subconjunto do contradomínio formado pelas saídas realmente atingidas.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Teste da reta vertical
Um gráfico no plano representa y como função de x se toda reta vertical o intercepta em, no máximo, um ponto.
Critério de igualdade
Funções f e g são iguais quando possuem os mesmos conjuntos de partida e chegada e f(x)=g(x) para todo x do domínio.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Verificando uma correspondência
Considere A={−1,0,1,2} e a regra f(x)=x2. Determine a imagem e explique por que a regra define uma função de A em B={0,1,4,9}.
Calculamos: f(−1)=1,f(0)=0,f(1)=1 e f(2)=4.
Cada elemento de A produziu exatamente um resultado em B.
Os valores atingidos são 0, 1 e 4; o valor 9 pertence ao contradomínio, mas não à imagem.
As funções de primeiro grau modelam variações constantes e produzem retas no plano cartesiano.
VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE
Coeficientes que movem uma reta
ƒ
O coeficiente a controla a inclinação; b marca a interseção com o eixo y. O zero da função é o ponto em que a reta cruza o eixo x.
Casos fundamentais
A função constante tem a forma f(x)=c e produz uma reta horizontal. A função identidade f(x)=x devolve a própria entrada. A função linear f(x)=ax passa pela origem. A função afim f(x)=ax+b, com a diferente de zero, reúne o caso geral de uma reta não horizontal.
Em uma situação de taxa constante, a representa a variação da saída quando x aumenta uma unidade, enquanto b representa o valor inicial observado em x=0.
f(x)=cFunção constante.
f(x)=xFunção identidade.
f(x)=axFunção linear.
f(x)=ax+bFunção afim, com a=0.
Gráfico e coeficientes
O gráfico de uma função afim é uma reta. Dois pontos distintos já são suficientes para determiná-la. O coeficiente angular a mede a razão ΔΔyx e o coeficiente linear b fornece o ponto (0, b).
Retas com o mesmo coeficiente angular são paralelas. Quando os coeficientes angulares são diferentes, as retas se interceptam em exatamente um ponto.
a=x2−x1y2−y1Inclinação calculada por dois pontos.
f(0)=bInterseção da reta com o eixo y.
Zero, crescimento e imagem
O zero ou raiz é a entrada que torna f(x)=0. Em f(x)=ax+b, a raiz é −ab. Quando a>0, a função é crescente; quando a<0, é decrescente.
Se o domínio e o contradomínio são reais e a é diferente de zero, a imagem é todo o conjunto dos reais. Na função constante, a imagem possui um único valor.
x0=−abZero da função afim.
a>0⇒crescenteA saída aumenta com a entrada.
a<0⇒decrescenteA saída diminui com a entrada.
Sinal e inequações
Estudar o sinal de f significa descobrir onde f(x) é positiva, negativa ou nula. A raiz separa a reta em dois intervalos; a inclinação informa de que lado estão os valores positivos.
Em inequações-produto e inequações-quociente, marcamos os zeros de cada fator, dividimos a reta real em intervalos e analisamos os sinais. Valores que anulam denominadores nunca pertencem à solução.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Coeficiente angular
Número a que mede a inclinação e a taxa de variação da reta.
Coeficiente linear
Número b que determina f(0) e a interseção com o eixo y.
Zero da função
Entrada x0 para a qual f(x0)=0.
Taxa de variação
Razão entre a variação da saída e a variação da entrada.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Teorema do gráfico afim
O gráfico cartesiano de f(x)=ax+b, com a=0, é uma reta não vertical.
Monotonicidade da função afim
A função é estritamente crescente se a>0 e estritamente decrescente se a<0.
Sinal em torno da raiz
A raiz x0 divide a reta real em dois intervalos nos quais a função afim mantém sinal constante.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Modelo de custo com taxa fixa
Um serviço cobra R$ 18,00 de taxa inicial e R$ 4,50 por hora. Modele o custo C(t), calcule C(6) e interprete os coeficientes.
A parcela variável é 4,5t e a parcela fixa é 18.
Logo, C(t)=4,5t+18.
C(6)=4,5⋅6+18=27+18=45.
O coeficiente 4,5 é o custo por hora; 18 é o custo inicial.
2
APLICAÇÃO AUTORAL
Inequação-quociente
Resolva x+12x−6≤0.
O numerador zera em x=3; o denominador zera em x=−1.
Os pontos −1 e 3 dividem a reta em três intervalos.
O quociente é negativo em (−1, 3), vale zero em 3 e é positivo nos demais intervalos.
A função quadrática descreve parábolas, permite localizar extremos e modela fenômenos com crescimento não linear.
VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE
Anatomia da parábola
ƒ
Raízes, eixo de simetria, vértice e concavidade podem ser lidos no gráfico e calculados a partir dos coeficientes a, b e c.
Definição, gráfico e concavidade
Uma função quadrática tem a forma f(x)=ax2+bx+c, com a diferente de zero. Seu gráfico é uma parábola de eixo vertical.
Quando a>0, a concavidade é voltada para cima; quando a<0, é voltada para baixo. O valor c=f(0) marca a interseção com o eixo y.
f(x)=ax2+bx+cLei geral, com a=0.
f(0)=cInterseção com o eixo y.
Forma canônica, discriminante e zeros
Completar quadrados transforma a lei geral em forma canônica e revela diretamente o vértice. O discriminante Δ indica quantos pontos o gráfico tem em comum com o eixo x.
Se Δ>0, existem duas raízes reais distintas; se Δ=0, existe uma raiz real dupla; se Δ<0, não existem raízes reais.
Δ=b2−4acDiscriminante da equação quadrática.
x=2a−b±ΔFórmula das raízes reais.
f(x)=a(x−xv)2+yvForma canônica.
Vértice, extremo, eixo e imagem
O vértice V(xv,yv) é o ponto mínimo quando a>0 e máximo quando a<0. A reta x=xv é o eixo de simetria da parábola.
A imagem depende do extremo: se a>0, os valores de f são maiores ou iguais a yv; se a<0, são menores ou iguais a yv.
xv=−2abAbscissa do vértice.
yv=−4aΔOrdenada do vértice.
x=xvEixo de simetria.
Sinal e inequações quadráticas
O estudo do sinal combina concavidade e raízes. Com duas raízes reais e a>0, a função é positiva fora do intervalo entre as raízes e negativa dentro dele; para a<0, os sinais se invertem.
Quando não há raízes reais, a função mantém o sinal de a em todo o domínio. Em inequações, os pontos onde f(x)=0 são incluídos apenas quando o símbolo admite igualdade.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Parábola
Curva que representa o gráfico de uma função quadrática real.
Discriminante
Expressão Δ=b2−4ac que determina a quantidade de raízes reais.
Vértice
Ponto de máximo ou mínimo e centro da simetria da parábola.
Eixo de simetria
Reta vertical que divide a parábola em dois ramos espelhados.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Classificação pelas raízes
O sinal de Δ determina se a parábola cruza, tangencia ou não encontra o eixo x.
Simetria das raízes
Quando existem duas raízes x1 e x2, o eixo de simetria passa por (x1 + x2)/2.
Extremo global
O valor yv é mínimo global para a>0 e máximo global para a<0.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Área máxima de um canteiro
Um canteiro retangular será cercado em três lados com 24 m de tela, usando um muro como quarto lado. Qual largura produz a maior área?
Se x é a largura perpendicular ao muro, o comprimento é 24 − 2x.
A(x)=x(24−2x)=−2x2+24x.
Como a=−2, a parábola tem máximo no vértice.
xv=−2⋅−224=6 e o comprimento é 12.
2
APLICAÇÃO AUTORAL
Estudo de sinal
Resolva x2−5x+6≤0.
Fatoramos: x2−5x+6=(x−2)(x−3).
As raízes são 2 e 3 e a concavidade é voltada para cima.
A função é negativa entre as raízes e nula nas raízes.
O módulo mede distância até zero e transforma partes negativas de um gráfico por reflexão.
VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE
Módulo como distância e reflexão
ƒ
O gráfico de y = |x − 2| tem vértice em (2, 0). A equação |x − 2| = 3 procura pontos a distância 3 do número 2.
Funções definidas por partes
Uma mesma função pode usar leis diferentes em intervalos diferentes do domínio. Para calcular seu valor, primeiro identificamos em qual condição a entrada se encontra e, então, aplicamos a sentença correspondente.
Nos gráficos, pontos fechados indicam extremos incluídos; pontos abertos indicam valores excluídos. É importante verificar o comportamento nos pontos de mudança de fórmula.
Módulo de um número real
O módulo ∣x∣ é a distância de x até zero na reta real. Por isso, nunca é negativo. Se x é não negativo, ∣x∣=x; se x é negativo, ∣x∣=−x.
A interpretação como distância torna equações e inequações modulares mais claras e reduz a dependência de regras memorizadas.
∣x∣=x,sex≥0Primeiro ramo da definição.
∣x∣=−x,sex<0Segundo ramo da definição.
∣x−a∣Distância entre x e a na reta real.
Gráfico e transformações
O gráfico de y=∣x∣ tem forma de V, vértice na origem e simetria em relação ao eixo y. Em y=∣x−h∣+k, o vértice passa para (h, k).
Para construir y=∣g(x)∣, preservamos os trechos do gráfico de g que estão acima do eixo x e refletimos para cima os trechos negativos.
f(x)=∣x−h∣+kVértice em (h, k).
∣g(x)∣≥0A imagem fica no semiplano y≥0.
Equações e inequações modulares
Se k≥0, a equação ∣u∣ = k equivale a u = k ou u=−k. A inequação ∣u∣<k descreve valores de u entre −k e k; ∣u∣>k descreve valores fora desse intervalo.
Quando o segundo membro é negativo, ∣u∣=k não possui solução real e ∣u∣>k é verdadeira para todo u real.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Módulo
Distância de um número real até zero; é sempre não negativa.
Função por partes
Função cuja lei muda conforme a região do domínio.
Vértice modular
Ponto de encontro dos dois ramos do gráfico em forma de V.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Desigualdade triangular
Para quaisquer reais x e y, ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣.
Caracterização por distância
Para k>0,∣x−a∣≤k equivale a a − k ≤ x ≤ a + k.
Produto de módulos
Para quaisquer reais x e y, ∣xy∣=∣x∣⋅∣y∣.
1
EXEMPLO RESOLVIDO
Equação como distância
Resolva ∣2x−5∣=7.
O módulo vale 7 quando 2x−5=7 ou 2x−5=−7.
No primeiro caso, 2x=12 e x=6.
No segundo caso, 2x=−2 e x=−1.
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APLICAÇÃO AUTORAL
Intervalo de tolerância
Uma medida x deve ficar a menos de 0,4 unidade do valor 12. Escreva e resolva a inequação correspondente.
Funções cúbica, recíproca e parte inteira ampliam o repertório de gráficos e comportamentos básicos.
VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE
Três comportamentos, três gráficos
ƒ
A cúbica atravessa a origem, a recíproca possui dois ramos e assíntotas, e a função piso forma degraus.
Função cúbica
A função f(x)=x3 é crescente em todo o conjunto dos reais, possui domínio e imagem reais e é simétrica em relação à origem. Entradas opostas produzem saídas opostas.
Translações como f(x)=(x−h)3+k deslocam o ponto central do gráfico para (h, k), sem alterar seu formato básico.
f(x)=x3Modelo cúbico elementar.
f(−x)=−f(x)Simetria de função ímpar.
Função recíproca
Na função f(x)=x1, zero não pertence ao domínio e zero não pertence à imagem. O gráfico é uma hipérbole com ramos nos quadrantes I e III.
Os eixos x=0 e y=0 são assíntotas: o gráfico pode se aproximar indefinidamente deles, mas não os intercepta.
f(x)=x1D(f)=R∖{0} e Im(f)=R∖{0}.
f(x1)=xA recíproca é inversa de si mesma em R∖{0}.
Função máximo inteiro ou piso
A função piso ⌊x⌋ associa a cada real x o maior inteiro menor ou igual a x. O gráfico é formado por segmentos horizontais com extremidade esquerda fechada e direita aberta.
Para números negativos, o piso se desloca para o inteiro imediatamente menor: ⌊−1,2⌋=−2, e não −1.
⌊x⌋=n⇔n≤x<n+1Caracterização da função piso.
⌊x+m⌋=⌊x⌋+mPropriedade para m inteiro.
Leitura comparativa dos gráficos
Domínio, imagem, continuidade, simetria e monotonicidade ajudam a diferenciar famílias de funções. Antes de calcular, observe onde o gráfico existe, quais valores atinge e como se comporta perto de pontos especiais.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Função ímpar
Função que satisfaz f(−x)=−f(x), com simetria em relação à origem.
Assíntota
Reta da qual o gráfico se aproxima indefinidamente em determinada direção.
Função piso
Função que devolve o maior inteiro menor ou igual à entrada.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Monotonicidade cúbica
Se x1<x2, então x13<x23 para quaisquer números reais.
Sinal da recíproca
x1 possui o mesmo sinal de x para todo x diferente de zero.
Intervalos do piso
A igualdade ⌊x⌋=n vale exatamente quando n ≤ x < n + 1.
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EXEMPLO RESOLVIDO
Equação com função piso
Resolva ⌊2x−1⌋=3.
Usamos a caracterização: 3≤2x−1<4.
Somando 1: 4≤2x<5.
Dividindo por 2: 2≤x<2,5.
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APLICAÇÃO AUTORAL
Domínio e imagem da recíproca deslocada
Determine domínio, imagem e assíntotas de g(x)=x−21+3.
O denominador não pode ser zero: x=2.
A parcela 1/(x − 2) nunca vale zero, portanto g(x) nunca vale 3.
O deslocamento produz assíntota vertical x=2 e horizontal y=3.
Compor funções encadeia processos; classificar correspondências permite decidir quando uma operação pode ser desfeita.
VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE
Encadear e desfazer funções
ƒ
Na composição, a saída de f entra em g. A inversa troca entradas e saídas e seu gráfico é o reflexo do original em relação à reta y = x.
Função composta
Se f leva elementos de A para B e g leva elementos de B para C, a composta g ∘ f leva A diretamente para C pela regra (g ∘ f)(x)=g(f(x)). A ordem de aplicação vai da direita para a esquerda.
A composição só está definida quando as saídas produzidas por f podem ser usadas como entradas de g. Em geral, g ∘ f e f ∘ g são funções diferentes.
(g∘f)(x)=g(f(x))Primeiro aplicamos f; depois, g.
(h∘g)∘f=h∘(g∘f)Associatividade da composição.
Injetora, sobrejetora e bijetora
Uma função é injetora quando entradas distintas produzem saídas distintas. É sobrejetora quando sua imagem coincide com o contradomínio. É bijetora quando reúne as duas propriedades.
A injetividade depende de não repetir imagens; a sobrejetividade depende do contradomínio escolhido. Por isso, uma mesma lei pode ser sobrejetora em um conjunto de chegada e deixar de ser em outro.
Injetora: f(x1)=f(x2) implica x1 = x2.
Sobrejetora: para todo y do contradomínio existe x com f(x)=y.
Bijetora: cada saída possui exatamente uma entrada correspondente.
Função inversa
Uma função bijetora f: A→B possui inversa f−1: B → A. A inversa desfaz a ação de f: aplicar f e depois f−1 devolve a entrada inicial.
Para obter uma fórmula, escrevemos y=f(x), isolamos x em função de y e então trocamos os nomes das variáveis. Domínio e imagem trocam de papel.
f−1(f(x))=xA inversa desfaz f no domínio.
f(f−1(y))=yf desfaz a inversa no contradomínio.
D(f−1)=Im(f)Troca entre domínio e imagem.
Interpretação gráfica
Os gráficos de uma função e de sua inversa são simétricos em relação à reta y=x. O teste da reta horizontal verifica injetividade: se uma horizontal corta o gráfico mais de uma vez, a inversa não pode ser função no domínio considerado.
Funções não injetoras podem se tornar invertíveis após uma restrição adequada do domínio. Por exemplo, x2 é invertível em [0, +∞), mas não em todo R.
D
VOCABULÁRIO
Definições essenciais
Composição
Operação que usa a saída de uma função como entrada de outra.
Injetora
Função em que entradas diferentes não compartilham a mesma imagem.
Sobrejetora
Função cuja imagem preenche todo o contradomínio.
Bijetora
Função simultaneamente injetora e sobrejetora.
Função inversa
Função que troca e desfaz as correspondências de uma bijeção.
T
RESULTADOS CENTRAIS
Teoremas e propriedades
Existência da inversa
Uma função admite inversa de B em A se, e somente se, é bijetora de A em B.
Inversa da composição
Se f e g são bijetoras e a composição está definida, então (g ∘ f)⁻¹ = f−1 ∘ g−1.
Simetria gráfica
Os gráficos de f e f−1 são reflexos um do outro em relação à reta y=x.
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EXEMPLO RESOLVIDO
Compondo duas leis
Se f(x)=2x−1 e g(x)=x2+3, determine g ∘ f e f ∘ g.
(g ∘ f)(x)=g(2x−1)=(2x−1)2+3.
Desenvolvendo: (g ∘ f)(x)=4x2−4x+4.
(f ∘ g)(x)=f(x2+3)=2(x2+3)−1.
Logo, (f ∘ g)(x)=2x2+5.
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APLICAÇÃO AUTORAL
Construindo a inversa
Encontre a inversa de f(x)=53x−2, definida de R em R.