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Funções especiais e por partes

Funções Piso e Teto: Gráficos, Limites, Derivada e Integral

A função piso ⌊x⌋ e a função teto ⌈x⌉: definições, gráficos em escada, limites laterais, continuidade, derivada e como integrá-las.

Funções especiais e por partes Atualizado 4 min de leitura

Visão geral

\lfloor x \rfloor = \max\{n \in \mathbb{Z} : n \le x\}, \quad \lceil x \rceil = \min\{n \in \mathbb{Z} : n \ge x\}
Domínio
(-\infty, \infty)
Imagem
Os inteiros \mathbb{Z}
Derivada
\frac{d}{dx}\lfloor x \rfloor = 0 \ \ (x \notin \mathbb{Z})
Integral
\int_0^x \lfloor t \rfloor\,dt = \lfloor x \rfloor x - \frac{\lfloor x \rfloor(\lfloor x \rfloor + 1)}{2}
Descontinuidades
Um salto de tamanho 1 em cada inteiro
Relação
\lceil x \rceil = -\lfloor -x \rfloor
Nesta página
  1. Definições
  2. Gráfico da função piso
  3. Gráfico da função teto
  4. Propriedades principais
  5. Limites e continuidade
  6. Derivada da função piso
  7. Integral da função piso
  8. Erros comuns
  9. Onde elas aparecem

A função piso \lfloor x\rfloor arredonda um número para baixo, até o inteiro mais próximo, e a função teto \lceil x\rceil o arredonda para cima. Seus gráficos parecem escadas, o que as torna os exemplos clássicos de funções definidas por partes com descontinuidades de salto. A função piso também é chamada de função maior inteiro e às vezes é escrita como [x] ou \operatorname{int}(x).

Definições

\lfloor x\rfloor = \text{the largest integer } n \text{ with } n \le x, \qquad \lceil x\rceil = \text{the smallest integer } n \text{ with } n \ge x
x 2.7 2 0.4 -0.4 -2.7
\lfloor x\rfloor 2 2 0 -1 -3
\lceil x\rceil 3 2 1 0 -2

Atenção aos números negativos: arredondar -2.7 para baixo leva a -3, e não a -2.

Gráfico da função piso

Gráfico da função piso y = ⌊x⌋ de x = −1 a x = 3
Cada degrau inclui sua extremidade esquerda (ponto fechado) e exclui sua extremidade direita (ponto aberto), porque \lfloor n\rfloor = n em todo inteiro n.

Gráfico da função teto

Gráfico da função teto y = ⌈x⌉ de x = −1 a x = 3
Os degraus do teto são fechados à direita e abertos à esquerda, a imagem espelhada da função piso.

Propriedades principais

  • Imagem. As duas funções produzem apenas inteiros.
  • Limitantes. x - 1 < \lfloor x\rfloor \le x \le \lceil x\rceil < x + 1.
  • Os inteiros ficam fixos. \lfloor n\rfloor = \lceil n\rceil = n para qualquer inteiro n.
  • Deslocamento por um inteiro. \lfloor x + n\rfloor = \lfloor x\rfloor + n para qualquer inteiro n.
  • Piso e teto estão ligados. \lceil x\rceil = -\lfloor -x\rfloor e, para um x não inteiro, \lceil x\rceil = \lfloor x\rfloor + 1.

Limites e continuidade

Entre inteiros a função piso é constante, então é contínua ali. Em um inteiro n os limites laterais são diferentes:

\lim_{x\to n^-}\lfloor x\rfloor = n - 1, \qquad \lim_{x\to n^+}\lfloor x\rfloor = n

Logo \lim_{x\to n}\lfloor x\rfloor não existe, e há um salto de tamanho 1. Como o limite à direita é igual a \lfloor n\rfloor, a função piso é contínua à direita. Na função teto acontece o contrário: \lim_{x\to n^-}\lceil x\rceil = n e \lim_{x\to n^+}\lceil x\rceil = n + 1, então ela é contínua à esquerda. Para as definições formais, veja o guia de continuidade.

Exemplo: um limite no infinito. Calcule \lim_{x\to\infty}\frac{\lfloor x\rfloor}{x}. Para x > 0, dividindo x - 1 < \lfloor x\rfloor \le x por x, obtemos 1 - \frac{1}{x} < \frac{\lfloor x\rfloor}{x} \le 1. Os dois limitantes tendem a 1, então, pelo Teorema do Confronto, o limite é 1.

Derivada da função piso

\frac{d}{dx}\lfloor x\rfloor = 0 \quad \text{for } x \notin \mathbb{Z}

Em cada intervalo aberto (n, n+1) a função é a constante n, cuja derivada é 0. Em um inteiro a função não é contínua, então não é diferenciável. O mesmo vale para a função teto.

Integral da função piso

Cada intervalo unitário [k, k+1] contribui com um retângulo de altura k e largura 1, então basta somar áreas de retângulos, como em uma soma de Riemann que, neste caso, é exata. Para x \ge 0:

\int_0^x\lfloor t\rfloor\,dt = (0 + 1 + \cdots + (n - 1)) + n(x - n) = nx - \frac{n(n+1)}{2}, \qquad n = \lfloor x\rfloor

A mesma fórmula também vale para x negativo.

Exemplo. \int_0^{3.5}\lfloor t\rfloor\,dt = 0 + 1 + 2 + 3(0.5) = 4.5. A fórmula confirma: 3(3.5) - \frac{3\cdot 4}{2} = 10.5 - 6 = 4.5.

Exemplo com teto. \int_0^3\lceil t\rceil\,dt = 1 + 2 + 3 = 6, já que \lceil t\rceil vale 1 em (0, 1], 2 em (1, 2] e 3 em (2, 3]. Pontos isolados não alteram uma integral.

Erros comuns

  1. Arredondar negativos em direção ao zero. \lfloor -1.2\rfloor = -2, e não -1.
  2. Afirmar que o limite em um inteiro existe. Os limites à esquerda e à direita diferem por 1.
  3. Colocar o ponto fechado na extremidade errada. Os degraus do piso são fechados à esquerda; os do teto são fechados à direita.
  4. Derivar em um salto. A derivada é 0 apenas entre inteiros. Nos inteiros ela não existe.

Onde elas aparecem

Funções escada modelam tudo o que é cobrado em unidades inteiras: frete por quilo, estacionamento por hora ou faixas de imposto. No cálculo, são os exemplos preferidos para limites laterais e para funções integráveis mas não contínuas. Veja a estratégia geral em funções definidas por partes e compare com o bico da função módulo.

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Perguntas frequentes

O que é a função piso?

A função piso \lfloor x\rfloor, também chamada de função maior inteiro, dá o maior inteiro menor ou igual a x. Por exemplo, \lfloor 2.7\rfloor = 2 e \lfloor -2.7\rfloor = -3.

Qual é a diferença entre piso e teto?

O piso arredonda para baixo e o teto arredonda para cima. As duas coincidem nos inteiros e, para um x não inteiro, o teto é exatamente uma unidade maior que o piso.

A função piso é contínua?

Ela é contínua em todo número não inteiro e tem uma descontinuidade de salto em cada inteiro. É contínua à direita em todos os pontos: \lim_{x\to n^+}\lfloor x\rfloor = n = \lfloor n\rfloor.

Qual é a derivada da função piso?

Entre inteiros, a função piso é constante, então sua derivada é 0. Em cada inteiro ela dá um salto, então não é diferenciável ali.

Como integrar a função piso?

Divida o intervalo nos inteiros. Em cada pedaço a função é constante, então cada pedaço contribui com um retângulo, por exemplo \int_0^3\lfloor x\rfloor\,dx = 0 + 1 + 2 = 3.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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