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Pré-Cálculo

2 Equações e inequações

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2.1 Equações

Uma equação é uma declaração de que duas expressões são iguais. Escrevemos

Eesq=Edir (2.1)

para estabelecer que a expressão à esquerda Eesq é igual a expressão à direita Edir.

Exemplo 2.1.1.

Estudemos os seguintes casos:

  1. a)

    22=4

  2. b)

    2x-1=0

  3. c)

    ex+y=exey

  4. d)

    x2-1x+1=x-1

No Python, podemos declarar as equações com a função https://docs.sympy.org/latest/modules/core.html?highlight=equality#sympy.core.%relational.EqualityEq. Os casos são implementados como segue:

1      >>> from sympy import *
2      >>> Eq(2**2, 4)
3      True
4      >>> x = Symbol('x')
5      >>> Eq(2*x - 1, 0)
6      Eq(2*x - 1, 0)
7      >>> y = Symbol('y')
8      >>> Eq(exp(x+y), exp(x)*exp(y))
9      Eq(exp(x + y), exp(x)*exp(y))
10      >>> Eq((x**2-1)/(x+1), x-1)
11      Eq((x**2 - 1)/(x + 1), x - 1)

2.1.1 Solução de uma equação

Equação é uma poderosa ferramenta matemática para impor uma condição sobre uma ou mais incógnitas (ou variáveis). Por exemplo, quando escrevemos

2x=4 (2.2)

estamos impondo que a incógnita x seja aquela a satisfazer esta equação. No caso, x=2 satisfaz a equação, pois ao substituirmos x por 2 nela, obtemos

22=4 4=4. (2.3)

Usualmente, dizemos que x=2 é solução da equação. O procedimento de encontrar a(s) solução(ões) de uma equação é chamado de resolução da equação, i.e. o procedimento de resolver a equação.

Observação 2.1.1.

Uma equação pode ter uma única solução, várias soluções, infinitas soluções ou nenhuma solução.

Exemplo 2.1.2.

Estudemos os seguintes casos:

  1. a)

    x-1=0 tem solução única x=1.

  2. b)

    y2-1=0 têm soluções y=-1 ou y=1.

  3. c)

    x2=-1 não tem solução.

  4. d)

    (u+1)2=u2+2u+1, qualquer u é solução.

No Python, podemos resolver estas equações com o comando solve ou solveset. Estudemos as seguintes entradas e saídas:

1>>> from sympy import *
2>>> x = Symbol('x', real=True)
3>>> solve(x-1, domain=S.Reals)
4[1]
5>>> solveset(x-1, domain=S.Reals)
6FiniteSet(1)
7>>> y,u = symbols('y,u', real=True)
8>>> solve(y**2-1, domain=S.Reals)
9[-1, 1]
10>>> solve(Eq(x**2, -1), domain=S.Reals)
11[]
12>>> solveset(Eq(x**2, -1), domain=S.Reals)
13EmptySet
14>>> solveset(Eq((u+1)**2, u**2 + 2*u + 1), domain=S.Reals)
15Reals

Não existe um procedimento único para a resolução de equações em geral. Quando possível, a resolução é obtida da aplicação das seguintes propriedades. Sendo E1, E2 e E3 expressões matemáticas, temos

  • Simetria

    E1=E2 (2.4)
    E2=E1 (2.5)
  • Cancelamento por adição

    E1=E2 (2.6)
    E1+E3=E2+E3 (2.7)
  • Cancelamento por multiplicação111Somente no caso de E3*

    E1=E2 (2.8)
    E1E3=E2E3 (2.9)

As operações acima reescrevem a equação original E1=E2 em equações equivalentes, i.e. equações que têm as mesmas soluções.

Exemplo 2.1.3.

Estudemos os casos a seguir.

  1. a)

    -1=x (2.10)
    x=-1 (2.11)
  2. b)

    x-2=1 (2.12)
    x-2+2=1+2 (2.13)
    x=3 (2.14)
  3. c)

    2x=4 (2.15)
    122x=124 (2.16)
    1x=2 (2.17)
    x=2 (2.18)

2.1.2 Equações lineares

Equação algébricas lineares de uma incógnita são aquelas que podem ser escritas na seguinte forma

ax+b=0, (2.19)

onde, são conhecidos (dados) os coeficientes a* e b. Sua resolução pode ser feita da seguinte forma

ax+b=0 (2.20)
ax+b-b=0-b (2.21)
ax=-b (2.22)
1aax=1a(-b) (2.23)
1x=-ba (2.24)
x=-ba (2.25)
Exemplo 2.1.4.

Vamos resolver

2x-4=5-x (2.26)

Esta é uma equação linear, pois

2x-4-5=5-x-5 (2.27)
2x-9=-x (2.28)
x+2x-9=x-x (2.29)
3x-9=0 (2.30)

Logo, a solução é

x=93=3. (2.32)

No Python, podemos resolver esta equação com

1    >>> from sympy import *
2    >>> x = Symbol('x', real=True)
3    >>> solve(Eq(2*x - 4, 5 - x), domain=S.Reals)
4    [3]

2.1.3 Equação quadrática

Uma equação algébrica quadrática de um incógnita é aquela que pode ser escrita na forma

ax2+bx+c=0, (2.33)

com a* e b,c.

Para resolver tal equação, vamos, primeiro, lembrar que

(a+b)2=a2+2ab+b2, (2.34)

para quaisquer a,b. A ideia é usar desta identidade222Identidade é o nome dado a uma equação que é satisfeita para todos os possíveis valores de sua(s) incógnita(s). para reduzirmos a equação em duas equações lineares.

Começamos reescrevendo (2.33) da seguinte forma

ax2+bx+c-c=0-c (2.35)
ax2+bx=-c (2.36)
(ax2+bx)1a=-c1a (2.37)
x2+bax=-ca (2.38)

Agora, vamos completar os quadrados do lado direito para usarmos a identidade (2.34). Fazemos

x2+bax+(b2a)2=-ca+(b2a)2 (2.39)
(x+b2a)2=-ca+b24a2 (2.40)
(x+b2a)2=b2-4ac4a2 (2.41)

Agora, extraímos a raiz quadrada de ambos os lados da equação333x2=|x|.

(x+b2a)2=b2-4ac4a2 (2.42)
|x+b2a|=|b2-4ac2a| (2.43)

Daí, seguem as seguintes equações lineares

x+b2a=b2-4ac2a (2.44)
ou
x+b2a=-b2-4ac2a (2.45)

Equivalentemente, escrevemos

x+b2a=±b2-4ac2a (2.47)

Por fim, isolamos x para obtermos

x=-b2a±b2-4ac2a, (2.48)

donde temos a chamada Fórmula de Bhaskara444Bhaskara Akaria, 1114 - 1185, matemático e astrônomo indiano. Fonte: Wikipédia: Bhaskara II.

x=-b±b2-4ac2a. (2.49)
Exemplo 2.1.5.

Vamos resolver

x2=x+2. (2.50)

Esta é uma equação quadrática, pois

x2-x-2=x+2-x-2 (2.51)
x2-x-2=0. (2.52)

Logo, da Fórmula da Bhaskara (2.49), obtemos

x=-(-1)±(-1)2-41(-2)21 (2.53)
=1±1+82 (2.54)
=1±92 (2.55)
=1±32 (2.56)

Donde,

x=1-32=-1 (2.57)

ou

x=1+32=2 (2.58)

Concluímos que a equação tem soluções x=-1 ou x=2.

No Python, podemos resolver esta equação com

1    >>> from sympy import *
2    >>> x = Symbol('x', real=True)
3    >>> solve(Eq(x**2, x + 2), domain=S.Reals)
4    [-1, 2]

2.1.4 Equações exponenciais

Um equação exponencial é aquela em que a incógnita aparece como expoente em um ou mais termos. Tais equações não tem formato único, nem procedimento geral de resolução. Quando possível, a ideia é reescrever todos os termos da equação em uma base comum.

Observação 2.1.2.

Lembramos que555Quando bem definido.:

  • bx=byx=y

  • bx+y=bxby

  • bxy=(bx)y

  • b-x=1bx

  • bxy=bxy

Exemplo 2.1.6.

Vamos resolver

5x+3=25. (2.59)

Para resolver esta equação, vamos escrever 25 como potência de 5, i.e.

25=52. (2.60)

Logo, a equação é equivalente a

5x+3=52 (2.61)

donde

x+3=2 (2.62)
x=-1. (2.63)

Ou seja, a solução é x=-1.

No Python:

1    >>> from sympy import *
2    >>> x = Symbol('x', real=True)
3    >>> solve(Eq(5**(x+3), 25), domain=S.Reals)
4    [-1]
Exemplo 2.1.7.

Vamos resolver

5x+3=5-x+20. (2.64)

Notamos que esta equação é equivalente a

5x53=(5x)-1+20. (2.65)

Fazemos, então, a seguinte mudança de variável

y=5x. (2.66)

Com isso, a equação se resume a

y53=y-1+20 (2.67)

Resolvemos esta equação como segue

125y=1y+20 (2.68)
125y2=1+20y (2.69)
125y2-20y-1=0 (2.70)

Usando a fórmula de Bhaskara, obtemos

y=20±202-4125(-1)2125 (2.71)
=20±900250 (2.72)
=20±30250 (2.73)

Ou seja, y=-1/25 ou y=1/5. Observando que y=5x e, portanto positivo, temos

5x=15=5-1. (2.74)

Concluímos que x=-1.

No Python:

1>>> from sympy import *
2>>> x = Symbol('x', real=True)
3>>> solveset(Eq(5**(x+3), 5**(-x) + 20), domain=S.Reals)
4[-1]

2.1.5 Exercícios

E. 2.1.1.

Calcule a solução das seguintes equações:

  1. a)

    x-2=0

  2. b)

    3-x=1

  3. c)

    0=-1+x

  4. d)

    2x=0


a) 2; b) 2; c) 1; d) 0

E. 2.1.2.

Calcule a solução das seguintes equações:

  1. a)

    2x-3=2

  2. b)

    2x-3=2-x

  3. c)

    x-3=2+2x


a) 52; b) 53; c) -5

E. 2.1.3.

Calcule a solução das seguintes equações:

  1. c)

    x2=0

  2. c)

    x2+4=0

  3. c)

    x2+4x+4=0

  4. c)

    x2-16=0

  5. c)

    x2+x-2=0

  6. c)

    2x-6+x2=-x2-2


a) 0; b) ; c) -2; d) {-4,4}; e) {-2,1}; f) {-2,1}

E. 2.1.4.

Calcule a solução das seguintes equações:

  1. 1.

    3x=27

  2. 2.

    2x=22x-1

  3. 3.

    4x=2-2x


a) 3; b) 0; c) 0

E. 2.1.5.

Calcule a solução da seguinte equação

x4-2x2+1=0 (2.75)

{-1,1}


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Pedro H A Konzen
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