Funções, gráficos, transformações, função módulo e função quadrática
📌 Resumo teórico
Generalidades
domínio \(D_f\): valores de \(x\); contradomínio \(D'_f\): valores de \(y=f(x)\);
zeros: soluções de \(f(x)=0\) (abcissas dos pontos do gráfico em \(Ox\));
monotonia e extremos leem-se no gráfico e resumem-se num quadro de variação;
o número de soluções de \(f(x)=k\) é o número de pontos de interseção do gráfico com a reta \(y=k\).
Função afim \(f(x)=ax+b\)
Reta de declive \(a=\dfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\), com \(x_1\ne x_2\), e ordenada na origem \(b\). Se \(a\ne0\), o zero é \(-\dfrac{b}{a}\). Se \(a=0\), a função é constante: todos os reais são zeros quando \(b=0\), e não há zeros quando \(b\ne0\). É estritamente crescente se \(a>0\) e estritamente decrescente se \(a<0\). Retas não verticais com o mesmo declive são paralelas ou coincidentes.
com \(\Delta=b^2-4ac\ge0\), os zeros reais são \(x=\dfrac{-b\pm\sqrt{\Delta}}{2a}\) e pode escrever-se \(f(x)=a(x-x_1)(x-x_2)\); com \(\Delta=0\), os zeros coincidem e a parábola é tangente a \(Ox\); com \(\Delta<0\), não há zeros reais;
inequações: esboço da parábola e leitura dos intervalos;
problemas de otimização: definir a grandeza e o domínio permitido pelo contexto. Se a função for quadrática, analisar o vértice e os extremos do domínio; noutros casos, usar um método adequado, como a calculadora gráfica. O vértice só pode dar um extremo atingido se a sua abcissa pertencer ao domínio.
Função módulo
\(|x|=x\) se \(x\ge 0\) e \(|x|=-x\) se \(x\lt 0\). Para \(a\ne0\), \(y=a|x-h|+k\) tem vértice \((h,k)\); se \(a=0\), é constante. Para \(a\gt 0\): \(|x|\lt a\iff -a\lt x\lt a\) e \(|x|\gt a\iff x\lt -a\vee x\gt a\).
Transformações de gráficos
\(g(x)\)
Transformação do gráfico de \(f\)
\(f(x)+k\)
translação vertical de \(k\)
\(f(x-h)\)
translação horizontal de \(h\)
\(-f(x)\) / \(f(-x)\)
reflexão em \(Ox\) / em \(Oy\)
\(a\,f(x)\), \(a\gt 0\)
dilatação (\(a\gt 1\)) ou contração (\(0\lt a\lt 1\)) vertical
Exercícios Tipo Exame
1.
Leitura de gráfico
Na figura está representada uma função, \(g\), de domínio \(\left[-2,2\right]\) e contradomínio \(\left[-3,3\right]\).
Sabe-se que:
\(a\in D_g\wedge b\in D_g\)
\(a<b\wedge g(a)\times g(b)<0\)
Em qual das opções existem duas afirmações falsas?
Na figura está representado, num referencial cartesiano, o gráfico de uma função \(f\), de domínio \([-2,7]\).
6.1. Escreva o conjunto dos valores de \(k\) para os quais a equação \(f(x)=k\) é impossível.
Apresente a sua resposta na forma de intervalo ou de união de intervalos.
6.2. Qual das seguintes afirmações é falsa?
(A) \(-1\) é um mínimo absoluto da função.(B) \(-1\) é um máximo relativo da função.(C) A função \(f\) é crescente em sentido lato.(D) A função \(f\) é decrescente em sentido lato em \([1,3]\).
6.3. Indique o conjunto-solução da condição \(f(x)<2\).
6.1. O conjunto de imagens é \([-1,3]\). Assim, a equação é impossível para:
\[
]-\infty,-1[\cup]3,+\infty[
\]
6.2.OPÇÃO: C. A função decresce entre \(-1\) e \(2\), pelo que não é crescente em sentido lato em todo o domínio. A opção (B) é verdadeira no sentido não estrito: no interior do patamar \(]2,3[\), o valor \(-1\) é também um máximo relativo. A opção (D) é verdadeira, pois em \([1,3]\) a função decresce e depois é constante.
6.3. Inclui-se \(x=-2\), pois \(f(-2)=0<2\); excluem-se \(-1\) e \(4\), onde \(f(x)=2\).
\[
[-2,-1[\cup]-1,4[
\]
7.
Funções afins
Sejam \(k\) e \(p\) números reais. Considere as funções afins \(f\) e \(g\), de domínio \(\mathbb{R}\), definidas por:
\(\therefore k=-2\) e \(p=-\dfrac32\). Para estes valores, \(f(x)=g(x)=-3x+6\): as retas são coincidentes.
8.
Monotonia e zeros
De uma função \(f\), de domínio \([-4,5]\), sabe-se que:
\(f(-4)=6;\ f(2)=-1;\ f(5)=1\)
\(f\) é estritamente decrescente no intervalo \([-4,2]\);
\(f\) é estritamente crescente no intervalo \([2,5]\).
Quantas soluções poderá ter, no máximo, a equação \(f(x)=0\)?
(A) 0(B) 1(C) 2(D) 3
A função \(f\) é estritamente decrescente no intervalo \([-4,2]\), \(f(-4)=6\) e \(f(2)=-1\), logo \(f\) tem no máximo um zero no intervalo \([-4,2]\).
A função \(f\) é estritamente crescente no intervalo \([2,5]\), \(f(2)=-1\) e \(f(5)=1\), logo \(f\) tem no máximo um zero no intervalo \([2,5]\).
Logo, \(f(x)=0\) tem no máximo duas soluções no intervalo \([-4,5]\).
O máximo de dois zeros é possível, por exemplo ligando os três pontos dados por segmentos de reta. Sem continuidade, as mudanças de sinal, por si só, não garantem a existência de zeros.
OPÇÃO: C
9.
Procura, oferta e equilíbrio
Admita que, relativamente a um dado produto, as funções \(f\) e \(g\) traduzem o preço, em euros, em função da quantidade procurada e da quantidade oferecida pelo mercado, respetivamente.
São conhecidos os valores na tabela seguinte.
Sabe-se que os gráficos das funções \(f\) e \(g\) estão contidos nas retas \(r\) e \(s\), respetivamente, e estão parcialmente representados na figura seguinte.
9.1. Escreva as equações reduzidas das retas \(r\) e \(s\).
9.2. Designa-se por ponto de equilíbrio, o ponto \(E\) de interseção dos gráficos das funções \(f\) e \(g\). Determine as coordenadas do ponto de equilíbrio \(E\) e confirme a resposta recorrendo às capacidades gráficas da calculadora.
9.3. Observando a nova situação através da representação gráfica ao lado, podemos verificar que a linha da procura se iria deslocar 100 unidades para a direita \((f_1)\), gerando um excesso de procura e alterando o ponto de equilíbrio \((E_1)\).
Escreva a expressão algébrica de \(f_1\), e determine o valor exato das coordenadas \(E_1\).
9.4. Num modelo económico teórico, considere que o domínio de \(f_1\) é \([200,800]\) e o domínio de \(g\) é \([150,650]\). Considere \(f_2(x)=f_1(x)+k,\ k\in \mathbb{R}^+\). Determine os valores de \(k\) para os quais deixe de existir ponto de equilíbrio entre a procura e a oferta.
9.1. Reta \(r\): pontos \((700,10)\) e \((100,50)\).
O domínio comum é \([200,650]\). Como \(k>0\), a abcissa calculada é maior do que \(4900/11>200\); deixa, portanto, de existir equilíbrio exatamente quando \(x>650\). Para \(k=30\), ainda existe equilíbrio em \((650,50)\).
10.3. A função \(g\) é uma translação horizontal associada ao vetor \(\vec v(1,0)\), seguida de uma translação vertical associada ao vetor \(\vec u(0,2)\).
As coordenadas do vértice da parábola de \(f\) são \((0,0)\).
A função \(g\) é uma translação horizontal associada ao vetor \(\vec v(3,0)\), logo, o vértice da função \(g\) tem coordenadas \((3,0)\).
OPÇÃO: D
12.
Inequação e trapézio
Considere a função \(f\), de domínio \(\mathbb{R}\), definida por
\[
f(x)=2x^2-12x+16
\]
Resolva os seguintes itens sem recorrer à calculadora.
12.1. Determine o conjunto-solução da inequação \(f(x)\ge -4\left(x-\dfrac{13}{2}\right)\).
12.2. Na figura, estão representados, num referencial o.n. \(Oxy\), parte do gráfico da função \(f\), os pontos \(A\) e \(B\), a reta \(r\), o ponto \(C\), o ponto \(D\) e o trapézio \([ABCD]\).
A figura indica que \(A\) e \(B\) são as interseções com \(Ox\), \(C\) é o vértice da parábola, \(r\) é a reta vertical que passa por \(A\) e \(D\) pertence a \(r\) e tem a mesma ordenada de \(C\).
a) Prove que as coordenadas do ponto \(C\) são \((3,-2)\).
A área máxima é \(16\ \text{u.a.}\), atingida em \(x=4\), com \(P=(4,8)\)
14.
Retângulo de área máxima
Na figura está representada graficamente parte de uma função \(g\), definida por
\[
g(x)=20+8x-x^2
\]
Sabe-se que \(P\) se desloca sobre a representação gráfica de \(g\), no primeiro quadrante, \(A\) tem a mesma abcissa de \(P\), \(B\) é a interseção do gráfico de \(g\) com o semieixo positivo \(Ox\), e \(C\) é um vértice do retângulo \([ABCP]\).
Recorrendo às capacidades gráficas da calculadora gráfica, determine o perímetro do retângulo \([ABCP]\) que tem maior área.
Sugestão: comece por mostrar que \(a(x)=x^3-18x^2+60x+200,\ 0<x<10\).
Temos que \(A\) e \(P\) têm a mesma abcissa, logo \(AP=g(x)=-x^2+8x+20\).
A calculadora indica que a maior área é \(256\ \text{u.a.}\) quando \(x=2\). O ponto \(x=0\) é excluído porque \(P\) pertence ao primeiro quadrante. Pode confirmar-se o máximo por \(256-a(x)=(x-2)^2(14-x)\ge0\) no domínio \(]0,10[\), com igualdade apenas em \(x=2\).
15.3. No ramo parabólico, a função é negativa para \(-2<x<2\) e decrescente até \(x=0\), inclusive. O ramo afim é crescente. Assim, o intervalo de maior amplitude pedido é:
\[
]-2,0]
\]
16.
Função módulo
Considere a função \(g\), de domínio \([-5,5]\), definida por
\[
g(x)=-|x-1|+3
\]
16.1. Exprima \(g\) sem usar o símbolo módulo.
16.2. Indique o contradomínio de \(g\), os zeros de \(g\) e os intervalos de monotonia de \(g\).
16.3. Utilizando processos exclusivamente analíticos, resolva a inequação \(g(x)<0\).
16.4. Considere a função \(f\) definida, em \(\mathbb{R}\), por \(f(x)=a|x-b|+c\), com \(a,b,c\in \mathbb{R}\), cujo gráfico cartesiano está parcialmente representado no referencial \(Oxy\). Resolva, recorrendo às capacidades gráficas da calculadora, a equação \(f(x)=g(x)\).
16.4. Pela figura, o vértice é \((2,0)\), logo \(b=2\) e \(c=0\). Como \(f(0)=2\), \(a|0-2|=2\Leftrightarrow a=1\). Assim, \(f(x)=|x-2|\). Representam-se os dois gráficos respeitando o domínio \([-5,5]\) de \(g\).
Seja \(f\) uma função quadrática definida por uma expressão do tipo
\[
f(x)=a(x-h)^2+k,\quad a,h,k\in \mathbb{R}
\]
Na figura, estão representados a parábola que representa a função \(f\) e o triângulo \([AVB]\).
Sabe-se que \(V(2,-1)\), a parábola interseta o eixo \(Oy\) no ponto \(A\), o ponto \(B\) pertence à parábola e tem ordenada igual à de \(A\), e a área de \([AVB]\) é \(4\).
17.1. Identifique o eixo de simetria da parábola e determine as coordenadas dos pontos \(A\) e \(B\).
17.2. Indique os valores de \(h\) e \(k\) e determine \(a\).
17.3. O ponto \(P\) pertence ao gráfico de \(f\), tem abcissa positiva e ordenada \(7\). Determine as coordenadas de \(P\).
17.1. O eixo de simetria é a reta vertical que passa pelo vértice da parábola: \(x=2\).
As coordenadas do ponto \(A\) são do tipo \((0,y_A)\) e as do ponto \(B\) são do tipo \((4,y_A)\).
Vértice da parábola: \(\left(\dfrac34,\dfrac{25}{8}\right)\).
Máximo absoluto da função: \(\dfrac{25}{8}\), atingido em \(x=\dfrac34\). Não existe mínimo absoluto.
A função é crescente em \(]-\infty,\dfrac34]\) e decrescente em \([\dfrac34,+\infty[\).
19.
Parábola e reta
Seja \(a\) um número real não nulo. Considere a função quadrática \(f\), de domínio \(\mathbb{R}\), definida por
\[
f(x)=a(x-1)(x+3)
\]
19.1. Considere as proposições seguintes:
O contradomínio da função \(f\) pode ser \([0,+\infty[\).
O vértice da parábola que representa a função tem coordenadas \((1,3)\).
Justifique que as proposições I. e II. são falsas.
19.2. Considere \(g(x)=2x+7\). Determine para que valores de \(a\) os gráficos das funções \(f\) e \(g\) têm um único ponto em comum.
19.1. I. é falsa: o vértice tem ordenada \(f(-1)=-4a\). Se \(a>0\), a imagem é \([-4a,+\infty[\), com \(-4a<0\). Se \(a<0\), a imagem é \(]-\infty,-4a]\), limitada superiormente. Nenhum dos casos dá \([0,+\infty[\).
II. é falsa porque, sendo \(1\) e \(-3\) os zeros da função quadrática, então:
\[
x_V=\frac{-3+1}{2}=-1
\]
19.2. Queremos determinar os valores de \(a\) para os quais \(f(x)=g(x)\) tem uma única solução.
Considere uma função quadrática \(f\) representada graficamente num referencial cartesiano por uma parábola de vértice de coordenadas \((5,1)\). Sabe-se que a função tem dois zeros distintos.
Qual das expressões pode definir a função \(f\)?
\((x-4)(x-6)\)
\(-(x-4,2)(x-6,2)\)
\(\frac14(x-3)(7-x)\)
Opção I. falsa: \((x-4)(x-6)=(x-5)^2-1\) tem vértice \((5,-1)\), diferente de \((5,1)\).
Opção II. falsa porque os zeros da função quadrática são \(4,2\) e \(6,2\), logo a abcissa do vértice seria:
\[
\frac{4,2+6,2}{2}=\frac{10,4}{2}=5,2\ne5
\]
Opção III. verdadeira: tem zeros distintos \(3\) e \(7\), e vértice \((5,1)\), pois: