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Pré-Cálculo

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1.2 Conjunto dos números racionais

Nesta seção, vamos estudar alguns aspectos fundamentais sobre o conjunto dos números racionais.

1.2.1 Números naturais

Os números naturais são os números de contagem

={0,1,2,3,}, (1.42)

onde as reticências denotam a sequência dos números (consulte a Figura 1.8 para uma representação geométrica).

Refer to caption
Figura 1.8: Números naturais.

O conjunto dos números naturais pode ser construído dos axiomas de Peano222Giuseppe Peano, 1858 - 1932, matemático italiano. Fonte: Wikipédia.:

  1. a)

    0 é o único número natural que não é sucessor de nenhum outro;

  2. b)

    todo número natural m0 tem um sucessor m+1;

  3. c)

    números que têm o mesmo sucessor são iguais;

  4. d)

    se um subconjunto A de números naturais contém o 0 e contém o sucessor de cada um de seus elementos, então A=333Axioma do Princípio da Indução..

Código 12: Python
1from sympy import S
2print('0 in N?', 0 in S.Naturals0)
3print('1 in N?', 1 in S.Naturals0)
4print('-1 in N?', -1 in S.Naturals0)
0 in N? True
1 in N? True
-1 in N? False

Operações de adição e multiplicação

Nos números naturais m,n estão bem definidas as operações usuais de:

  1. a)

    adição

    m+n=m+1+1++1n vezes (1.43)
  2. b)

    multiplicação

    mn=m+m++mn vezes (1.44)
Exemplo 1.2.1.

Vejamos os seguintes casos:

  1. a)

    2+1=3

    Código 13: Python
    12 + 1
    3
  2. b)

    1+2=3

  3. c)

    10+5=15

  4. d)

    32=6

    Código 14: Python
    13 * 2
    6
  5. e)

    23=6

Propriedades das operações

Sendo m,n,p, temos ainda as seguintes propriedades fundamentais:

  • 0 é o elemento neutro da adição

    m+0=m. (1.45)
    Código 15: Python
    1from sympy import Symbol
    2m = Symbol('m', natural0=True)
    3print('m + 0 = m?', m + 0 == m)
    m + 0 = m? True
  • comutatividade da adição

    m+n=n+m (1.46)
    Código 16: Python
    1from sympy import symbols
    2m, n = symbols('m, n', natural0=True)
    3print('m + n = n + m?', m + n == n + m)
    m + n = n + m? True
  • associatividade da adição

    m+(n+p)=(m+n)+p (1.47)
  • 1 é o elemento neutro da multiplicação

    m1=m. (1.48)
  • comutatividade da multiplicação

    mn=nm (1.49)
  • associatividade da multiplicação

    m(np)=(mn)p (1.50)
  • distributividade da multiplicação em relação à adição

    m(n+p)=mn+mp (1.51)
Exemplo 1.2.2.

Verificamos as propriedades acima para casos específicos.

  1. a)

    Elemento neutro da adição

    5+0=5 (1.52)
  2. b)

    Comutatividade da adição

    2+3=3+2 (1.53)
  3. c)

    Associatividade da adição

    2+(3+4)=2+7=9 (1.54)
    (2+3)+4=5+4=9 (1.55)
  4. d)

    Elemento neutro da multiplicação

    31=3 (1.56)
  5. e)

    Comutatividade da multiplicação

    52=25=10 (1.57)
  6. f)

    Associatividade da multiplicação

    2(34)=212=24 (1.58)
    (23)4=64=24 (1.59)
  7. g)

    Distributividade da multiplicação em relação à adição

    2(3+4)=27=14 (1.60)
    23+24=6+8=14 (1.61)

1.2.2 Números inteiros

O conjuntos dos números inteiros é

={,3,2,1,0,1,2,3,}. (1.62)

Os números com sinal negativo “” são definidos como sendo opostos aos respectivos números naturais. Mais precisamente, o oposto de um número m é denotado por m e é tal que

m+(m)=0. (1.63)

Os números inteiros podem ser representados geometricamente como pontos sobre uma reta (consultemos a Figura 1.9). No centro, coloca-se o zero, à direita colocam-se os números positivos em ordem e igualmente espaçados. À esquerda do zero, colocam-se os números negativos, opostos aos respectivos números positivos.

Refer to caption
Figura 1.9: Números inteiros.
Código 17: Python
1from sympy import S
2print('5 in Z?', 5 in S.Integers)
3print('0 in Z?', 0 in S.Integers)
4print('-3 in Z?', -3 in S.Integers)
5print('2.5 in Z?', 2.5 in S.Integers)
5 in Z? True
0 in Z? True
-3 in Z? True
2.5 in Z? False
Exemplo 1.2.3.

Consideramos os seguintes casos:

  1. a)

    1 é o oposto de 1.

    1+(1)=0 (1.64)
  2. b)

    2 é o oposto de 2.

    2+2=0 (1.65)
Refer to caption
Figura 1.10: Diagrama de Venn dos números naturais e inteiros.

Os números inteiros contém os números naturais (consultemos a Figura 1.10), i.e.

. (1.66)

Ainda, as operações de adição e multiplicação podem ser imediatamente estendidas para os números inteiros, assim como suas propriedades de elemento neutro, comutatividade, associatividade e distributividade.

Código 18: Python
1from sympy import S
2print(S.Naturals.is_subset(S.Integers))
True

Operação de Subtração

Com a definição de oposto, podemos definir a operação de subtração de dois números inteiros da seguinte forma

mn=m+(n) (1.67)
=n+m, (1.68)

sendo a operação de adição definida usualmente.

Código 19: Python
1from sympy import symbols
2m, n = symbols('m n', integer=True)
3print('m-n = n-m?', m-n == -n+m)
m-n = n-m? True
Exemplo 1.2.4.
23=2+(3) (1.69)
=3+2=1 (1.70)
Código 20: Python
12 - 3
-1

Valor absoluto

Dado um número p, definimos o seu valor absoluto444Também, chamado de módulo. pelo número inteiro

|p|={p,p0,p,p<0. (1.71)
Exemplo 1.2.5.

Estudemos os seguintes casos:

  1. a)

    |3|=3

  2. b)

    |2|=(2)=2

  3. c)

    |0|=0

Código 21: Python
1from sympy import Abs, Symbol
2print('|3| =', Abs(3))
3print('|-2| =', Abs(2))
4print('|0| =', Abs(0))
5m = Symbol('m', integer=True, nonnegative=True)
6print('m >= 0, |-m| = ', Abs(-m))
|3| = 3
|-2| = 2
|0| = 0
m >= 0, |-m| = m

Para qualquer p, temos as seguintes propriedades:

  1. a)

    |p|0

  2. b)

    |p|=0p=0

  3. c)

    |p|=|p|

  4. d)

    |p|<qq<p<q

  5. e)

    |p|>qp<q ou p>q

1.2.3 Números racionais

O conjunto dos números racionais é

={pq:p e q}, (1.72)

sendo ={0}. O quociente p/q é definido como sendo o resultado da operação de divisão de p por q, i.e.

pq=xp=xq. (1.73)

Consultemos a Figura 1.11 para uma representação geométrica dos números racionais.

Refer to caption
Figura 1.11: Números racionais.
Observação 1.2.1.(Divisão por zero)

Não está definida a divisão por zero! Note que não existe x tal que

p0=xp=0x. (1.74)

Também, 0/0 não está bem definido. Neste caso, temos uma indeterminação matemática555Indeterminação matemática é um conceito do cálculo de limites., de fato não existe um único número x tal que

00=x0=0x. (1.75)

A operação de adição de números racionais fica, então

ab+cd=ad+cbbd (1.76)
Observação 1.2.2.(Divisão e números racionais em Python)

Em Python, a operação de divisão é feita com o operador / e retorna um número decimal.

Código 22: Python
12/3
0.6666666666666666

Para obter o quociente de dois números inteiros, usamos a função S() do módulo sympy.

Código 23: Python
1from sympy import S
2S(2)/3
2/3

A definição de uma variável simbólica como número racional pode ser feita com o argumento rational=True da função Symbol() do módulo sympy.

Código 24: Python
1from sympy import Symbol
2x = Symbol('x', rational=True)
Exemplo 1.2.6.
25+34=24+3554 (1.77)
=8+1520 (1.78)
=2320 (1.79)
Código 25: Python
1from sympy import S
2S(2)/5 + S(3)/4
23/20

A operação de multiplicação fica, então

abcd=acbd. (1.80)
Exemplo 1.2.7.
2532=2352 (1.81)
=35 (1.82)
Código 26: Python
1from sympy import S
2S(2)/5 * S(3)/2
3/5
Refer to caption
Figura 1.12: Números racionais, inteiros ou naturais.
Observação 1.2.3.(Os números racionais, inteiros ou naturais)
(1.83)

Isso segue do fato de que se m, então

m=m1. (1.84)

Os números racionais também herdam as propriedades de elemento neutro, comutatividade, associatividade e distributividade nas operações de adição e multiplicação.

Operação de Potenciação

Outra operação fundamental é a operação de potenciação. A potenciação de um número racional p/q0 por um número natural n é definida por

(pq)n=pqpqpqn vezes, (1.85)

sendo (p/q)0=1. Ainda, definimos o inverso de um número racional p/q por

(pq)1=qp. (1.86)

Mais precisamente, o inverso de um número x0 é denotado por x1 e é tal que

xx1=1. (1.87)

Com a escolha acima, vemos que (p/q)1=q/p, pois

pqqp=pqqp (1.88)
=qpqp (1.89)
=qqpp (1.90)
=11=1. (1.91)
Exemplo 1.2.8.

Verifiquemos os seguintes casos:

  1. a)

    (32)3=323232 (1.92)
    =9432 (1.93)
    =278 (1.94)
    Código 27: Python
    1from sympy import S
    2(S(3)/2)**3
    27/8
  2. b)

    23=222 (1.95)
    =42 (1.96)
    =8 (1.97)
    Código 28: Python
    12**3
    8
  3. c)

    (32)1=23 (1.98)
    Código 29: Python
    1from sympy import S
    2(S(3)/2)**-1
    2/3

Sendo a,b e n,m, temos as seguintes propriedades fundamentais da operação de potenciação666Estas propriedades são válidas desde que as operações estejam bem definidas. Por exemplo, a segunda propriedade elencada somente é válida no caso de a0.:

  • am+n=aman

  • am=(am)1=(a1)m

  • amn=(am)n=(an)m

  • (ab)m=ambm

Observação 1.2.4.(Potências de zero não bem definidas)

As seguintes potenciações não estão bem definidas:

  • 01 não existe.

    01=10 (1.99)

    O símbolo lê-se existe e o lê-se não existe.

  • 00 não está bem definida.

    00=011 (1.100)
    =0101 (1.101)
    =010 (1.102)

Enquanto que para x0 temos x0=1, 00 não está bem definida! Trata-se de uma indeterminação, conceito introduzido em um curso de Cálculo.

Observação 1.2.5.(00 em Python)

Por convenção, no Python, 00=1.

Código 30: Python
10**0
1
Observação 1.2.6.(Razão irredutível)

A representatividade de números racionais não é única. Por exemplo,

23=46=1421= (1.103)

Isto nos motiva a introduzir o conceito de razão irredutível. Dizemos que p/q é uma razão irredutível, quando p e q não têm divisor comum777Um número m é divisor de n, quando m/n.. Por exemplo, 2/3 é uma razão irredutível, enquanto 4/6 não é, pois 4 e 6 têm 2 como divisor comum.

1.2.4 Exercícios

E. 1.2.1.

Sejam m,n,p,q. Argumente se são verdadeiras ou falsas as seguintes afirmações:

  1. a)

    m=0+m

  2. b)

    m+(n+p)=(n+p)+m

  3. c)

    m+n+p=(n+m)+p

  4. d)

    (m+n)+(q+p)=(m+p)+(q+n)

  5. e)

    1mm1

  6. f)

    (mn)p=(np)m

a) V; b) V; c) V; d) V; e) F; f) V

E. 1.2.2.

Sejam m,n,p,q. Argumente se são verdadeiras ou falsas as seguintes afirmações:

  1. a)

    np=pn

  2. b)

    (mn)+p=(m+p)n

  3. c)

    (m)=m

a) F; b) V; c) V

E. 1.2.3.

Mostre que

ab+cd=ad+bcbd, (1.104)

onde a,b,c,d e b,d0.

Dica: a=bx e c=dy, então x+y=?

E. 1.2.4.

O mínimo múltiplo comum dos números de dois números inteiros c,d é denotado por mmc(c,d) e é o menor inteiro positivo que é múltiplo simultaneamente de c e d. Sendo, ainda, a,b e c,d0, Mostre que

ac+bd=ammc(c,d)c+bmmc(c,d)dmmc(c,d). (1.105)

Qual a vantagem em usar o mmc para calcular a soma de frações?

No SymPy, o método sympy.ilcm computa o mínimo múltiplo comum de dois inteiros. Verifique!

Dica: ac+bd=ad+bccd

E. 1.2.5.

Mostre que

abcd=acbd, (1.106)

onde a,b,c,d e b,d0.

Dica: a=bx e c=dy, então xy=?

E. 1.2.6.

Sejam p,q, q0, m,n. Argumente sobre a veracidade das seguintes afirmações.

  1. a)

    qmn=qmqn

  2. b)

    (pq)m=pmq

  3. c)

    qmn=qnqm

a) V; b) F; c) F

E. 1.2.7.

Verifique as seguintes desigualdades:

  1. a)

    32<12

  2. b)

    23>34

  3. c)

    4554

  4. d)

    7223

  5. e)

    12<23

a) V; b) V; c) F; d) V; e) F

E. 1.2.8.

Sejam a,b números racionais. Mostre que são verdadeiras os seguintes produtos notáveis:

  1. a)

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

  2. b)

    (ab)2=a22ab+b2

  3. c)

    (a+b)(ab)=a2b2

a) (a+b)2=(a+b)(a+b)=(a+b)a+(a+b)b=a(a+b)+b(a+b)=aa+ab+ba+bb=a2+2ab+b2. a) e b) seguem de maneira análoga.

E. 1.2.9.

Argumente sobre a veracidade das seguintes afirmações, onde a,b. Nos casos em que forem falsas, corrija-as.

  1. a)

    a2+b2ab=a+b

  2. b)

    a2b2ab=a+b, para ab

  3. c)

    a+ba2b2=2ab, para ab

  4. d)

    a+ba=1+b, para a0

  5. e)

    aaba=1b, para a0

a) F; a2+b2ab=ab+ba; b) V; c) F; a+ba2b2=1ab; d) F; a+ba=1+ba; e) V

E. 1.2.10.

1+1=1? Encontre o erro nos seguintes cálculos:

a=b (1.107)
a2=ab (1.108)
abb2=abb2 (1.109)
(a+b)(ab)=b(ab) (1.110)
a+b=b (1.111)

Escolhendo, por exemplo, a=1 e b=1, esta última fornece 1+1=1!

E. 1.2.11.

Seja p,q. Mostre as seguintes propriedades:

  1. a)

    |p|0

  2. b)

    |p|=|p|

  3. c)

    |p|<qq<p<q

  4. d)

    |p|>qp<qoup>q

Dica: por definição, para p0 tem-se |p|=p e, para p<0 tem-se |p|=p.


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Pedro H A Konzen
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