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Funções algébricas

Funções racionais: assíntotas, buracos, derivadas e integrais

Funções racionais P(x)/Q(x): domínio, assíntotas verticais e horizontais, buracos, derivadas pela regra do quociente e integrais por frações parciais.

Funções algébricas Atualizado 3 min de leitura

Visão geral

f(x) = \frac{P(x)}{Q(x)}, \quad Q(x) \ne 0
Domínio
Todo x com Q(x) \ne 0
Derivada
\frac{P'(x)Q(x) - P(x)Q'(x)}{Q(x)^2}
Integral
\int \frac{A}{x - r}\,dx = A\ln|x - r| + C
Assíntotas verticais
Zeros de Q que não se cancelam
Assíntota horizontal
Compare os graus de P e Q
Método de integração
Divisão de polinômios e depois frações parciais
Nesta página
  1. Definição e fórmula
  2. Gráfico de uma função racional
  3. Assíntotas e buracos
  4. Derivada de uma função racional
  5. Integrando funções racionais
  6. Exemplos resolvidos
  7. Erros comuns
  8. Como se conecta

Uma função racional é um polinômio dividido por outro. Ela está definida em todos os pontos, exceto onde o denominador se anula, e o comportamento perto desses pontos, com assíntotas e buracos, é o que a torna central em limites, esboço de gráficos e integração.

Definição e fórmula

f(x) = \frac{P(x)}{Q(x)}, \qquad Q(x) \ne 0

P e Q são polinômios e Q não é o polinômio nulo. O exemplo mais simples é a função recíproca \frac{1}{x}. Outros exemplos são \frac{2x + 1}{x - 1} e \frac{x^2 - 4}{x - 2}.

Gráfico de uma função racional

Gráfico da função racional y = (2x + 1)/(x - 1) com suas assíntotas
A assíntota vertical é x = 1 e a assíntota horizontal é y = 2, o quociente dos coeficientes dominantes.

Assíntotas e buracos

Primeiro, fatore P e Q completamente.

  • Buraco. Um fator (x - a) que se cancela no numerador e no denominador deixa uma descontinuidade removível em x = a. Exemplo: \frac{x^2 - 4}{x - 2} = x + 2 para x \ne 2, uma reta com um buraco em (2, 4).
  • Assíntota vertical. Um zero a do denominador que permanece depois do cancelamento. Perto de x = a, a função vai para \pm\infty, então os limites laterais são infinitos.
  • Assíntota horizontal. Vem dos limites no infinito, com \deg P = m e \deg Q = n:
Graus Comportamento quando x \to \pm\infty
m < n assíntota y = 0
m = n assíntota y = \frac{\text{leading coeff of } P}{\text{leading coeff of } Q}, o quociente dos coeficientes dominantes
m = n + 1 assíntota oblíqua, obtida pela divisão de polinômios
m > n + 1 nenhuma assíntota reta

Derivada de uma função racional

Use a regra do quociente:

\frac{d}{dx}\,\frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{P'(x)Q(x) - P(x)Q'(x)}{Q(x)^2}

A derivada é novamente uma função racional, com os mesmos pontos excluídos do domínio.

Integrando funções racionais

Não existe uma fórmula única. O método padrão é:

  1. Se \deg P \ge \deg Q, divida para obter um polinômio mais uma fração própria.
  2. Fatore Q e separe a fração própria em frações parciais.
  3. Integre cada parcela. Fatores lineares geram logaritmos, \int \frac{A}{x - r}\,dx = A\ln|x - r| + C; fatores quadráticos irredutíveis geram arcos tangentes.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: assíntotas. Para f(x) = \frac{2x + 1}{x - 1}, nada se cancela, então x = 1 é uma assíntota vertical. Os graus são iguais, então y = \frac{2}{1} = 2 é a assíntota horizontal.

Exemplo 2: derivada. Com P = 2x + 1 e Q = x - 1:

f'(x) = \frac{2(x - 1) - (2x + 1)(1)}{(x - 1)^2} = \frac{-3}{(x - 1)^2}

A derivada é sempre negativa, então f é decrescente em cada lado da assíntota.

Exemplo 3: um limite com buraco. \lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2} = \lim_{x \to 2} (x + 2) = 4.

Exemplo 4: integral por frações parciais. Como \frac{1}{x^2 - 1} = \frac{1/2}{x - 1} - \frac{1/2}{x + 1},

\int \frac{1}{x^2 - 1}\,dx = \frac{1}{2}\ln\left|\frac{x - 1}{x + 1}\right| + C

Erros comuns

  1. Declarar que todo zero do denominador é uma assíntota. Cancele os fatores comuns primeiro; fatores cancelados geram buracos.
  2. Cancelar termos em vez de fatores. \frac{x + 4}{x + 2} \ne \frac{4}{2}. Só fatores comuns se cancelam.
  3. Trocar a ordem na regra do quociente. O numerador é P'Q - PQ'; invertê-lo troca o sinal.
  4. Usar frações parciais em uma fração imprópria. Divida primeiro quando \deg P \ge \deg Q.

Como se conecta

Funções racionais são a fonte clássica de limites do tipo \frac{0}{0}, o caso de teste da regra de L'Hôpital e a principal aplicação de frações parciais em Cálculo 2. Seus gráficos usam todas as ferramentas de esboço de gráficos.

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A regra do quociente

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Perguntas frequentes

Como encontrar as assíntotas verticais de uma função racional?

Fatore e cancele os fatores comuns; depois iguale o denominador restante a zero. Cada zero que sobrar gera uma assíntota vertical; um fator que se cancelou gera um buraco.

Como encontrar a assíntota horizontal de uma função racional?

Compare os graus. Se o denominador tiver grau maior, a assíntota é y = 0. Se os graus forem iguais, é o quociente dos coeficientes dominantes. Se o numerador tiver grau maior, não há assíntota horizontal.

Como derivar uma função racional?

Use a regra do quociente: \left(\frac{P}{Q}\right)' = \frac{P'Q - PQ'}{Q^2}. Quando o denominador é simples, pode ser mais rápido reescrever com expoente negativo e usar a regra da cadeia.

Como integrar uma função racional?

Se o grau do numerador for maior ou igual ao do denominador, faça primeiro a divisão de polinômios. Depois separe a fração própria em frações parciais, que se integram em logaritmos, potências e arcos tangentes.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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