Aproximação linear: exercícios resolvidos com respostas
12 exercícios de aproximação linear com respostas e resoluções completas: linearização, estimativa de raízes e logaritmos, diferenciais e erro.
Aplicações da derivada Atualizado 4 min de leitura
Visão geral
- Exercícios
- 12, com respostas e resoluções completas
- Nível
- Cálculo 1 e AP Calculus AB, unidade 4
- Pré-requisitos
- Derivadas e retas tangentes
- Ideia principal
- Perto de x = a, a função fica próxima da sua reta tangente, então use a reta para estimar
- Pratique com novos números
- Lição de aproximação linear
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Estes exercícios de aproximação linear começam com a construção de uma linearização, usam essa reta para estimar raízes, senos, logaritmos e potências e depois passam a diferenciais, erro de medida e estimativas por excesso ou por falta. Tente resolver cada um primeiro. As respostas vêm logo depois da lista, seguidas das resoluções completas.
A linearização de f em x = a é a sua reta tangente:
Para x perto de a, f(x) \approx L(x). Para o raciocínio e mais exemplos, leia o guia de aproximação linear.
Exercícios
Linearização
- Encontre a linearização de f(x) = \sqrt{x} em a = 4.
- Use o exercício 1 para estimar \sqrt{4.1}.
- Estime \sqrt[3]{8.2}.
Estimativa de valores
- Estime \sin(0.1).
- Estime \ln(1.05).
- Estime e^{0.02}.
- Estime (1.01)^{10}.
- Estime \cos 62^\circ.
Diferenciais e erro
- Para y = x^3, encontre dy e \Delta y quando x = 2 e dx = 0.1.
- O raio de uma bola é medido como 10 cm, com erro possível de 0.05 cm. Estime o erro possível no volume calculado.
Usando o resultado
- A estimativa do exercício 2 é grande ou pequena demais? Explique.
- Uma função tem f(3) = 5 e f'(3) = -2. Estime f(3.2).
Respostas
| Exercício | Resposta |
|---|---|
| 1 | L(x) = 2 + \dfrac{1}{4}(x - 4) |
| 2 | 2.025 (valor real 2.02485\ldots) |
| 3 | 2 + \dfrac{1}{60} \approx 2.0167 (valor real 2.01653\ldots) |
| 4 | 0.1 (valor real 0.09983\ldots) |
| 5 | 0.05 (valor real 0.04879\ldots) |
| 6 | 1.02 (valor real 1.02020\ldots) |
| 7 | 1.1 (valor real 1.10462\ldots) |
| 8 | \dfrac{1}{2} - \dfrac{\sqrt{3}\,\pi}{180} \approx 0.4698 (valor real 0.46947\ldots) |
| 9 | dy = 1.2, \Delta y = 1.261 |
| 10 | Cerca de 20\pi \approx 62.8 cm³ (erro relativo de 1.5\%) |
| 11 | Grande demais, porque \sqrt{x} tem concavidade para baixo |
| 12 | 4.6 |
Resoluções passo a passo
1. f(4) = 2 e f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}}, então f'(4) = \frac{1}{4}:
2. Substitua x = 4.1 na reta:
3. Use f(x) = \sqrt[3]{x} em a = 8, já que \sqrt[3]{8} = 2. A derivada é f'(x) = \frac{1}{3}x^{-2/3}, então f'(8) = \frac{1}{3}\cdot\frac{1}{4} = \frac{1}{12}:
4. Use f(x) = \sin x em a = 0. f(0) = 0 e f'(0) = \cos 0 = 1, então L(x) = x:
Essa é a aproximação para ângulos pequenos \sin x \approx x, que só funciona em radianos.
5. Use f(x) = \ln x em a = 1. f(1) = 0 e f'(1) = 1, então L(x) = x - 1:
6. Use f(x) = e^x em a = 0. f(0) = 1 e f'(0) = 1, então L(x) = 1 + x:
7. Use f(x) = x^{10} em a = 1. f(1) = 1 e f'(x) = 10x^9, então f'(1) = 10:
8. Trabalhe em radianos. Use a = 60^\circ = \frac{\pi}{3}, em que \cos\frac{\pi}{3} = \frac{1}{2} e a inclinação é -\sin\frac{\pi}{3} = -\frac{\sqrt{3}}{2}. O passo é 2^\circ = \frac{2\pi}{180} = \frac{\pi}{90}:
9. O diferencial é dy = f'(x)\,dx = 3x^2\,dx:
A variação real é \Delta y = (2.1)^3 - 2^3 = 9.261 - 8 = 1.261. O diferencial é uma estimativa próxima, porém mais simples.
10. O volume é V = \frac{4}{3}\pi r^3, então dV = 4\pi r^2\,dr:
O volume é \frac{4000\pi}{3} \approx 4189 cm³, então o erro relativo é \frac{20\pi}{4000\pi/3} = 0.015, ou 1.5\%. Isso é o triplo do erro de 0.5\% no raio, porque o raio está elevado ao cubo.
11. Para f(x) = \sqrt{x}, f''(x) = -\frac{1}{4}x^{-3/2} < 0, então o gráfico tem concavidade para baixo. Uma curva com concavidade para baixo fica abaixo das suas retas tangentes, então a estimativa 2.025 é um pouco grande demais. O valor real 2.02485 confirma isso.
12. Use a linearização em a = 3:
Erros comuns nestes exercícios
- Escolher um a distante. Para estimar \sqrt{4.1}, use a = 4, e não a = 1. Quanto mais perto estiver o a, melhor a estimativa.
- Usar graus. No exercício 8, o passo precisa estar em radianos, \frac{\pi}{90}, e não 2.
- Confundir dy com \Delta y. dy é a variação ao longo da reta tangente, e \Delta y é a variação real ao longo da curva.
- Errar o x - a. No exercício 3, o passo é 8.2 - 8 = 0.2, e não 8.2.
Continue praticando
Estes 12 exercícios usam números fixos. Para praticar sem limite, com novos números e correção na hora, faça a lição de aproximação linear e TVM. O Teorema do Valor Médio é a versão exata da mesma ideia: a inclinação média em um intervalo é igual à inclinação da tangente em algum ponto dentro dele. Quando você precisar de mais precisão do que uma reta oferece, o próximo passo são os polinômios de Taylor.
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