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SALVADOR–BA 2010

CÁLCULO 1 – LIMITE DE FUNÇÕES REAIS ERON 2

Este material é parte de uma introdução ao Cálculo Diferencial e Integral que é o nome dado ao conjunto de conteúdos matemáticos envolvendo Limites, Derivadas e Integrais. O Cálculo Diferencial e Integral foi desenvolvido por muitos matemáticos e cientistas ao longo dos séculos, mas as maiores e efetivas contribuições foram dadas por Isaac Newton e Wilhelm Leibniz. Desde seu desenvolvimento o cálculo tem sido empregado em diversas ciências para descrever e resolver problemas fundamentais em cada área.

O principal objetivo destas notas é que tenhamos um material para acompanhar as aulas, e assim, adquirir maior flexibilidade e dinâmica nas mesmas. Consta dos seguintes tópicos que formam a ementa da disciplina Cálculo diferencial e Integral I

Limite e continuidade de funções reais Derivada de funções reais

Aplicações da derivada

Estudo da variação das funções (via Cálculo)

Desde já, assumo total responsabilidade por todos os erros que possam conter estas notas, ainda incompletas, e agradeço a quem indicar as correções, críticas e sugerir melhorias.

No final dessas notas há uma lista com a bibliografia utilizada para confeccionar este material, você deve procurar obter pelo menos uma delas que verse sobre o conteúdo pretendido. Observamos também que este material não substitui a consulta, leitura e estudo de textos e livros citados na bibliografia, deve servir como um material de auxílio, principalmente no momento em que se realizam a aulas.

Salvador, agosto de 2010.

Eron eron@ifba.edu.br

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Infinitos e indivisíveis transcendem nosso entendimento finito, o primeiro por conta de sua magnitude, o segundo pela sua pequenez; imagine o que eles são quando combinados. Galileu Galilei (1564-1642).

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CAPÍTULO 1 – LIMITE DE FUNÇÕES

De modo informal, o limite de uma função é uma ferramenta matemática utilizada para descrever o comportamento de uma função (de sua imagem ou “altura” do gráfico) quando fazemos algum movimento no domínio dessa função. Aqui, estudaremos um pouco desse conceito que também serve para definir e estudar outros importantes conceitos como continuidade, convergência, derivada e integral.

Limites – um pouco de história Noção de limite de funções utilizando gráficos

Introdução ao limite

Definição formal de limite de uma função

Algumas propriedades dos limites

Teoremas de existência e unicidade do limite

Continuidade de funções

Propriedades das funções contínuas

Teorema da continuidade da função composta

Limites utilizando substituição direta

Limites com indeterminação 0/0 (fatoração)

Limites infinitos e no infinito

Limites com função limitada e função infinitesimal

Limites envolvendo exponencial e logaritmos

Limite fundamental trigonométrico

Limite fundamental exponencial

Algumas Aplicações

Exercícios de Fixação

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Limites – um pouco de historia

Limites nos apresentam um grande paradoxo. Todos os principais conceitos do Cálculo – derivada, continuidade, integral, convergência/divergência – são definidos em termos de limites. Limite é o conceito mais fundamental do Cálculo; de fato, limite é o que distingue, no nível mais básico, o cálculo de álgebra, geometria e o resto da matemática. Portanto, em termos do desenvolvimento ordenado e lógico do cálculo, limites devem vir primeiro. Porém, o registro histórico é justamente o oposto. Por vários séculos, as noções de limite eram confusas, com idéias vagas e algumas vezes filosóficas sobre o infinito (números infinitamente grandes e infinitamente pequenos e outras entidades matemáticas) e com intuição geométrica subjetiva e indefinida. O termo limite em nosso sentido moderno é um produto do iluminismo na Europa no final do século XVIII e início do século XIX, e nossa definição moderna tem menos de 150 anos de idade. Até este período, existiram apenas raras ocasiões nas quais a idéia de limite foi usada rigorosamente e corretamente.

A primeira vez que limites foram necessários foi para a resolução dos quatro paradoxos de

Zenão (cerca de 450 a.C.). No primeiro paradoxo, a Dicotomia, Zenão colocou um objeto se movendo uma distância finita entre dois pontos fixos em uma série infinita de intervalos de tempo (o tempo necessário para se mover metade da distância, em seguida o tempo necessário para se mover metade da distância restante, etc.) durante o qual o movimento deve ocorrer. A conclusão surpreendente de Zenão foi que o movimento era impossível! Aristóteles (384-322 a.C.) tentou refutar os paradoxos de Zenão com argumentos filosóficos. Em matemática, uma aplicação cuidadosa do conceito de limite resolverá as questões levantadas pelos paradoxos de Zenão.

Para suas demonstrações rigorosas das fórmulas para certas áreas e volumes, Arquimedes (287-212 a.C.) encontrou várias séries infinitas – somas que contêm um número infinito de termos. Não possuindo o conceito de limite propriamente dito, Arquimedes inventou argumentos muito engenhosos chamados de redução ao absurdo duplo, que, na verdade, incorporam alguns detalhes técnicos do que agora chamamos de limites.

O Cálculo é também algumas vezes descrito como o estudo de curvas, superfícies e sólidos. O desenvolvimento da geometria destes objetos floresceu seguindo a invenção da geometria analítica por Pierre Fermat (1601-1665) e René Descartes (1596-1650). A geometria analítica é, essencialmente, o casamento da geometria com a álgebra, e cada uma melhora a outra.

Fermat desenvolveu um método algébrico para encontrar os pontos mais altos e mais baixos sobre certas curvas. Descrevendo a curva em questão por uma equação, Fermat chamou

CÁLCULO 1 – LIMITE DE FUNÇÕES REAIS ERON 6 um número pequeno de E, e então fez alguns cálculos algébricos legítimos, e finalmente assumiu 0E= de tal maneira que todos os termos restantes nos quais E estava presente desapareceriam! Essencialmente, Fermat colocou de lado o limite com o argumento que E é “infinitamente pequeno”. Geometricamente, Fermat estava tentando mostrar que, exatamente nos pontos mais altos e mais baixos ao longo da curva, as retas tangentes à curva são horizontais, isto é, têm inclinação zero.

Encontrar retas tangentes a curvas é um dos dois problemas mais fundamentais do cálculo. Problemas envolvendo tangentes são uma parte do que chamamos agora de estudo das derivadas. Durante o século XVII, vários geômetras desenvolveram esquemas algébricos complicados para encontrar retas tangentes a certas curvas. Descartes desenvolveu um processo que usava raízes duplas de uma equação auxiliar, e essa técnica foi melhorada pelo matemático Johan Hudde (1628-1704), que era também o prefeito de Amsterdam. René de Sluse (1622-1685) inventou um método ainda mais complicado para obter tangentes a curvas. Em cada um desses cálculos, o limite deveria ter sido usado em alguma etapa crítica, mas não foi. Nenhum destes geômetras percebeu a necessidade da idéia de limite, e assim cada um encontrou uma maneira inteligente para alcançar seus resultados, os quais estavam corretos, mas com meios que, agora reconhecemos, faltam fundamentos rigorosos.

Determinar valores exatos para áreas de regiões limitadas, pelo menos em parte, por curvas é o segundo problema fundamental do cálculo. Estes são chamados freqüentemente de problemas de quadratura, e, intimamente relacionados a eles, estão os problemas de cubatura - encontrar volumes de sólidos limitados, pelo menos em parte, por superfícies curvas. Eles nos levam a integrais. Johannes Kepler (1571-1630), o famoso astrônomo, foi um dos primeiros estudiosos dos problemas de cubatura. Bonaventura Cavalieri (1598-1647) desenvolveu uma teoria elaborada de quadraturas. Outros, tais como Evangelista Torricelli (1608-1647), Fermat, John Wallis (1616-1703), Gilles Personne de Roberval (1602-1675), e Gregory St. Vincent (1584- 1667) inventaram técnicas de quadratura e/ou cubatura que se aplicam a curvas e sólidos específicos ou famílias de curvas. Mas nenhum deles usou limites! Seus resultados eram quase todos corretos, mas cada um dependia de um malabarismo algébrico ou apelavam para intuição geométrica ou filosófica questionável em algum ponto crítico. A necessidade de limites não era reconhecida.

Em quase todos os seus trabalhos que agora são considerados como cálculo, Isaac Newton (1642-1727), também não reconheceu o papel fundamental do limite. Para séries infinitas, Newton raciocinou meramente por analogia: se fosse possível executar operações algébricas em polinômios, então seria possível fazer o mesmo com o número infinito de termos de uma série infinita. Newton calculou o que ele chamou de flúxions a curvas, não exatamente derivadas, mas

CÁLCULO 1 – LIMITE DE FUNÇÕES REAIS ERON 7 muito próximo. O processo que ele usou para esses cálculos era muito próximo do método de Fermat. Neste e na maioria dos outros trabalhos comparáveis, Newton negligenciou o limite.

Por outro lado, em seu Principia Mathematica (1687), talvez o maior trabalho em matemática e ciência, Newton foi o primeiro a reconhecer que o limite deve ser o ponto de partida para problemas de tangência, quadratura e afins. No início do Livro I do Principia, Newton tentou dar uma formulação precisa do conceito de limite:

Quantidades, e as razões de quantidades, as quais em qualquer tempo finito convergem continuamente para igualdade, e antes do final daquele tempo se aproximam entre si por qualquer dada diferença, tornam-se iguais no final.

Existiram críticas sobre esta afirmação e sobre a discussão que a seguiu, notadamente por

George Berkeley (1685-1753). Mas a genialidade de Newton tinha descoberto o papel fundamental que o limite tinha que desempenhar no desenvolvimento lógico do cálculo. E, apesar de sua linguagem rebuscada, a semente da definição moderna de limite estava presente em suas afirmações.

Infelizmente, para a fundamentação rigorosa do cálculo, por muitas décadas, ninguém observou estas dicas que Newton tinha fornecido. As principais contribuições ao cálculo de Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) foram as notações e as fórmulas básicas para as derivadas e integrais (as quais usamos desde então) e o Teorema Fundamental do Cálculo. Com estas ferramentas poderosas, o número de curvas e sólidos para os quais derivadas e integrais podiam ser facilmente calculadas se expandiram rapidamente. Problemas desafiadores de geometria foram resolvidos; mais e mais aplicações do cálculo à ciência, principalmente física e astronomia, foram descobertas; e novos campos da matemática, especialmente equações diferenciais e o cálculo de variações, foram criados. Dentre os líderes desse desenvolvimento do século 18 estavam vários membros da família Bernoulli, Johann I (1667-1748), Nicolas I (1687- 1759) e Daniel (1700-1782), Brook Taylor (1685-1731), Leonhard Euler (1707-1783), e Alexis Claude Clairaut (1713-1765).

O cálculo se desenvolveu rapidamente pelos seus vários sucessos no século 18, e pouca atenção foi dada aos seus fundamentos, muito menos ao limite e seus detalhes. Colin Maclaurin (1698-1746) defendeu o tratamento dos fluxions de Newton do ataque de George Berkeley. Mas Maclaurin reverteu a argumentos do século XVII similares aos de Fermat e apenas ocasionalmente usou a redução ao absurdo dupla de Arquimedes. Apesar de suas boas intenções, Maclaurin passou por oportunidades de seguir a sugestão de Newton sobre limites. Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783) foi o único cientista daquele tempo que reconheceu explicitamente

CÁLCULO 1 – LIMITE DE FUNÇÕES REAIS ERON 8 a importância central do limite no cálculo. Na famosa Encyclopédie (1751-1776), d'Alembert afirmou que a definição apropriada da derivada necessitava um entendimento do limite primeiro e então, deu a definição explícita:

Uma quantidade é o limite de uma outra quantidade quando a segunda puder se aproximar da primeira dentro de qualquer precisão dada, não importa quão pequena, apesar da segunda quantidade nunca exceder a quantidade que ela aproxima.

Em termos gerais, d'Alembert percebeu que, “a teoria de limites era a verdadeira metafísica do cálculo”.

A preocupação sobre a falta de fundamento rigoroso para o Cálculo cresceu durante os últimos anos do século XVIII. Em 1784, a Academia de Ciências de Berlim ofereceu um prêmio para um ensaio que explicasse com sucesso uma teoria do infinitamente pequeno e do infinitamente grande em matemática e que poderia, por sua vez, ser usada para colocar uma base sólida para o cálculo. Embora este prêmio tenha sido dado, o trabalho vencedor "longo e tedioso" de Simon L'Huilier (1750-1840) não foi considerado uma solução viável para os problemas colocados. Lazare N. M. Carnot (1753-1823) produziu uma tentativa popular de explicar o papel do limite no cálculo como “a compensação de erros” – mas ele não explicou como estes erros se cancelariam mutuamente perfeitamente.

No final do século XVIII, o grande matemático da época, Joseph-Louis Lagrange (1736- 1813), conseguiu reformular toda a mecânica em termos de cálculo. Nos anos que seguiram a Revolução Francesa, Lagrange concentrou sua atenção nos problemas da fundamentação do cálculo. Sua solução, Funções Analíticas (1797), desligou o cálculo de “qualquer consideração do infinitamente pequeno ou quantidades imperceptíveis, de limites ou de flúxions.” Renomado por suas outras contribuições ao cálculo, Lagrange fez um esforço heróico (como sabemos agora, com uma falha fatal) para tornar o cálculo puramente algébrico eliminando limites inteiramente.

Ao longo do século XVIII, havia pouca preocupação com convergência ou divergência de sequências e séries infinitas; hoje, entendemos que tais problemas requerem o uso de limites. Em 1812, Carl Friedrich Gauss (1777-1855) produziu o primeiro tratamento estritamente rigoroso da convergência de sequências e séries, embora ele não tenha usado a terminologia de limites. Na sua famosa Teoria Analítica do Calor, Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) tentou definir a convergência de uma série infinita, novamente sem usar limites, mas então ele afirmou que qualquer função poderia ser escrita como uma de suas séries, e não mencionou a convergência ou divergência desta série.

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No primeiro estudo cuidadoso e rigoroso das diferenças entre curvas contínuas e descontínuas e funções, Bernhard Bolzano (1781-1848) olhou além da noção intuitiva da ausência de buracos e quebras e encontrou os conceitos mais fundamentais os quais expressamos hoje em termos de limites.

No começo do século XVIII, as idéias sobre limites eram, com certeza, confusas. Enquanto

Augustin Louis Cauchy (1789-1857) estava procurando por uma exposição clara e rigorosamente correta do cálculo para apresentar aos seus estudantes de engenharia na École Polytechnique em Paris, ele encontrou erros no programa estabelecido por Lagrange. Então, Cauchy começou o seu curso de cálculo do nada; ele começou com uma definição moderna de limite. Começando em 1821, ele escreveu as suas próprias notas de aula, essencialmente seus próprios livros, o primeiro chamado de Cours d'analyse (Curso de Análise). Nas suas classes e nestes livros-texto clássicos, Cauchy usou o princípio de limite como a base para introduções precisas à continuidade e convergência, a derivada, a integral, e o resto do cálculo.

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