03 calculo diferencial-parte2

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AM2/C2 An´ alise Matem´ atica 2/ C´ alculo 2 Composta Impl´ ıcita Otimiza¸c˜ ao Extremos simples Extremos em regi˜oeslimitadas etodo dos Multiplicadores de Lagrange alculo Diferencial -parte2 An´ alise Matem´ atica 2/ C´ alculo 2 2013/14 - Semestre de Ver˜ ao 1/43

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Funções,Campos, escalares, vetoriais, derivadas, parciais, direcionais, plano tangente,composta, otimização, extremos, calculo, diferencial,matemática, cálculo, integrais, análise matemática Se quiser a fonte em LaTeX ofereço com todo o gosto: [email protected]

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Funcao composta (camposescalares)

Definicao

Sejam g : Dg ⊆ Rn −→ R e f : Df ⊆ R −→ R duas funcoesescalares. Define-se a funcao composta de f com g como

f ~x 7−→ (f ◦ g) (~x) = f (g(~x)))

sendoD = {~x ∈ Rn : ~x ∈ Dg ∧ g(~x) ∈ Df }

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Exercıcios

1 Seja f (t) =√t e g(x , y) = x2 + y2 + 2. Calcule

(f ◦ g)(1, 3), (f ◦ g)(1, 1) e (f ◦ g)(x , y).

2 Seja f (t) = t3 e g(x , y) = x − 4y . Calcule (f ◦ g)(1, 3),(f ◦ g)(1, 1) e (f ◦ g)(x , y).

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Metodo dosMultiplicadoresde Lagrange

Funcao composta (camposvetoriais)

Definicao

Sejam ~g : D~g ⊆ Rn −→ Rp e ~f : D~f ⊆ Rp −→ Rm duas

funcoes vetoriais. Define-se a funcao composta de ~f com ~gcomo

~f ◦ g : D ⊆ Rn −→ Rm

~x 7−→ ( ~f ◦ g)(~x) = ~f (~g(~x))

sendoD =

{~x ∈ Rn : ~x ∈ D~g ∧ ~g (~x) ∈ D~f

}

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Exercıcios

1 Seja ~f (u, v) = (eu, ev ) e ~g(x , y , z) = (x2 + 2y2 + z2, xyz).Calcule, se existir, ( ~f ◦ g)(1, 2, 3), ( ~f ◦ g)(1, 1, 1),( ~f ◦ g)(x , y , z) e ( ~g ◦ f )(x , y).

2 Seja ~f (u, v) = (u + v , u − v , uv) e ~g(x , y , z) = (xy , yz).Calcule, se existir, ( ~f ◦ g)(1, 2, 3), ( ~f ◦ g)(1, 1, 1),( ~f ◦ g)(x , y , z) e ( ~g ◦ f )(x , y).

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Revisao (Derivada da funcaocomposta em R)

[sen(x2)]′ = cos(x2).2x

pois[f (g(x))]′ = f ′(g(x)).g ′(x)

ou seja, num ponto a

[f (g(x))]′(a) = f ′(g(a)).g ′(a)

desde que f seja diferenciavel em g(a) e g em a.

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Regra da cadeia

Suponhamos que f (x , y) e uma funcao diferenciavel e quex = x(u, v) e y = y(u, v) sao duas funcoes diferenciaveis,entao g(u, v) = f (x(u, v), y(u, v)) e uma funcao diferenciavelde u e v , tendo-se

∂g

∂u=∂f

∂x(x(u, v), y(u, v)).

∂x

∂u(u, v)+

∂f

∂y(x(u, v), y(u, v)).

∂y

∂u(u, v)

∂g

∂v=∂f

∂x(x(u, v), y(u, v)).

∂x

∂v(u, v)+

∂f

∂y(x(u, v), y(u, v)).

∂y

∂v(u, v)

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Exercıcios: I

1 Sejam f (u, v) = u3 + uvcom u(x , y) = xy2 e v(x , y) = x sin(y),calcule ∂f

∂x (1, 0) e ∂f∂y (1, 0) .

2 u(x , y , z) = x + 2y + 3z comx(t) = t2 − 2t, y(t) = cos(1− t) e z(t) = 1

t2 .

Calcule ∂u∂t para t = 1.

3 Sejam f (u, v) = u2v3

com u(x , y) = x + y e v(x , y) = x2 − y2,calcule ∂f

∂x (x , y) e ∂f∂y (x , y).

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Exercıcios: II4 Seja f uma funcao diferenciavel. Verifique que a funcao

z = xy + xf

(x

y

)satisfaz a equacao

x∂z

∂x+ y

∂z

∂y= xy + z

5 Seja f uma funcao diferenciavel. Prove que

z = xy + f (x2 + y2)

satisfaz a equacao

y∂z

∂x− x

∂z

∂y= y2 − x2

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Exercıcios: III6 Seja h : IR2 −→ R uma funcao de classe C 1(R2) e

g(s, t) = h(s2 − t2, t2 − s2).

1 Mostre que

t∂g

∂s+ s

∂g

∂t= 0

7 Seja f uma funcao real de variavel real continuamentediferenciavel ate pelo menos a 2a ordem e seja

u = xy + f (z)

com z = yx2 e x 6= 0. Mostre que

∂2u

∂y2=

1

x4

∂2f

∂z2.

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Exercıcios: IV

8 Sabendo que

ϕ(x , y) =y2

2+ θ

(1

x+ ln(y)

)onde ϕ e θ sao funcoes de classe C 2, no respectivodomınio, mostrar que:

1

x2

∂2ϕ

∂y∂x+

1

y

∂2ϕ

∂x2+

2

xy

∂ϕ

∂x= 0

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Exercıcios: V9 A capacidade, C , de um canal de comunicacao, como a

linha telefonica, para transportar informacao depende doracio entre a forca do sinal, S , e o ruıdo, R. Para umadada constante positiva k ,

C = k ln

(1 +

S

R

)Suponha que o sinal e o ruıdo sao dados, em funcao dotempo, t em segundos, por

S(t) = 4 + cos(4πt)

eN(t) = 2 + sin(2πt).

Quanto e ∂C∂t um segundo apos o inıcio da transmissao? A

capacidade esta a aumentar ou diminuir nesse instante?

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Teorema da Funcao Implıcita (TFI)Consideremos ~x ∈ Rn, u ∈ R, a equacao F (~x , u) = 0 e A umconjunto aberto que contem (~x0, u0). Se

F (~x0, u0) = 0

F ∈ C 1(A)[as der. parciais de F sao contınuas em A]∂F∂u (~x0, u0) 6= 0

Entao, numa vizinhanca V de ~x0, u = u(~x), u ∈ C 1(V ) tal queu0 = u(~x0) e F (~x , u(~x)) = 0.Alem disso,

∂u

∂xi(~x0) = −

∂F∂xi

(~x0, u0)∂F∂u (~x0, u0)

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Exercıcios

1 Considere a esfera de raio 3 centrada no ponto (0, 0, 0):

x2 + y2 + z2 = 9

Sera que esta equacao define implicitamente z = φ(x , y)numa vizinhanca do ponto (0, 3, 0)? E do ponto (0, 0, 3)?Calcule ∂z

∂x (0, 0).

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Exercıcios

1 Mostre que a equacao x2z + 3xz2 = 4xy definex = φ(y , z) numa vizinhanca do ponto (0, 1, 0). Calcule∂x∂y (1, 0).

2 Determine para que valores de k a equacaox2 + yz + z2 + xz = 7 define z = φ(x , y) numa vizinhancado ponto (2, 0, k). Calcule ∂z

∂y (2, 0).

3 Mostre que a equacao(x2 + y2

)exy = 1 define

implicitamente y como funcao de x , y = φ(x), navizinhanca do ponto (0, 1).

4 Seja h(x , y) = xy + cos(x). Mostre que a equacaoh(x , y) = π

2 define localmente y = φ(x) numa vizinhanca

do ponto(π2 , 1). Determine ∂y

∂x

(π2

).

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Vimos atras que para uma funcao z = f (x , y) diferenciavel em(a, b) existe um plano tangente definido pela equacao

z − f (a, b) =∂f

∂x(a, b)(x − a) +

∂f

∂y(a, b)(y − b)

Consideremos que se tem uma equacao

F (x , y , z) = 0

que define implicitamente z como funcao de x e y navizinhanca de um ponto (a, b, c) entao,

∂f

∂x(a, b) = −

∂F∂x (a, b, c)∂F∂z (a, b, c)

e∂f

∂y(a, b) = −

∂F∂y (a, b, c)

∂F∂z (a, b, c)

.

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Substituindo na equacao do plano tangente:

z − f (a, b) = −∂F∂x (a, b, c)∂F∂z (a, b, c)

(x − a)−∂F∂y (a, b, c)

∂F∂z (a, b, c)

(y − b)

∂F∂x (a, b, c)∂F∂z (a, b, c)

(x − a) +

∂F∂y (a, b, c)

∂F∂z (a, b, c)

(y − b) + z − c = 0

∂F

∂x(a, b, c)(x−a)+

∂F

∂y(a, b, c)(y−b)+

∂F

∂z(a, b, c)(z−c) = 0

(∂F

∂x(a, b, c),

∂F

∂y(a, b, c),

∂F

∂z(a, b, c)

)|(x−a, y−b, z−c) = 0

∇F (a, b, c)|(P − P0) = 0,

com P = (x , y , z) e P0 = (a, b, c).

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Portanto o plano tangente e o conjunto dos pontosP = (x , y , z) que definem com P0 = (a, b, c) vetores P − P0

perpendiculares ao vetor gradiente.

Nota: O vetor gradiente e perpendicular ao plano tangente aografico.

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A recta normal a superfıcie de equacao F (x , y , x) = 0 noponto P0 = (a, b, c) tem, portanto a direcao do vetorgradiente, pelo que e definida pelas seguintes equacoes:

x − a = λ∂F∂x (a, b, c)

y − b = λ∂F∂y (a, b, c), λ ∈ R

z − c = λ∂F∂z (a, b, c)

(equacao parametrica da recta normal a superfıcie)

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Exercıcios1 Considere a superfıcie esferica x2 + y2 + z2 = 9 e o ponto

P = (0, 3, 0).

1 Determine a equacao do plano tangente a superfıcie em P.2 Determine a equacao da recta normal a superfıcie em P.

2 Considere a superfıcie de equacao x2 + y2 − z2 = 6 e oponto P = (3,−1, 2).

1 Determine a equacao do plano tangente a superfıcie em P.2 Determine a equacao da recta normal a superfıcie em P.

3 Considere a equacao xyz sin(xyz)− π2 = 0.

1 Verifique que a equacao dada define implicitamente umafuncao z = φ(x , y) numa vizinhanca de P = (1, 1, π2 ).

2 Determine a equacao do plano tangente a superfıcie noponto P.

3 Determine a equacao da recta normal a superfıcie noponto P.

4 Calcule um valor aproximado de z = φ(1.2, 0.9)considerando π

2 ≈ 1.57.

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ExtremosDefinicao:Seja f : Df ⊆ Rn −→ R e ~a ∈ Df

f (~a) e um maximo relativo ou local de f se existe umavizinhanca Vε(~a) tal que

f (~a) ≥ f (~x) ∀~x ∈ Df ∩ Vε(~a).

f (~a) e um mınimo relativo ou local de f se existe umavizinhanca Vε(~a) tal que

f (~a) ≤ f (~x) ∀~x ∈ Df ∩ Vε(~a).

O maior dos maximos relativos e o maximo absoluto.O menor dos mınimos relativos e o mınimo absoluto.Chamam-se extremos aos maximos e aos mınimos de f .A ~a chama-se ponto maximizante (minimizante)de f .

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Chamam-se pontos crıticos ou pontos de estacionaridadeaos pontos que verificam o sistema:

∂f∂x1

= 0...

∂f∂xn

= 0

Os extremos encontram-se entre os pontos crıticos.Os pontos crıticos que nao sao extremos sao pontos de sela.

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A matriz Hesseana de f e:

Hf =

[∂2f∂x2

∂2f∂x∂y

∂2f∂y∂x

∂2f∂y2

]

Sejam ∆1 = ∂2f∂x2 ,∆2 = det(Hf ) , entao:

∆2 > 0,∆1 > 0,→ Mınimo local.

∆2 > 0,∆1 < 0,→ Maximo local.

∆2 < 0 → Ponto de sela.

∆2 = 0 → Nada se conclui.

Nota: Repare que ∆2 > 0 e ∆1 = 0 nunca acontece devido a igualdade das derivadas cruzadas.

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Exercıcios I

Calcule e classifique os extremos de

1 f (x , y) = y2 − x2.

2 f (x , y) = y3

3 + 12y − 4x + x3

3 −72y

2 + 4.

3 f (x , y) = x2 + y2 + x2y + 4.

4 f (x , y) = 4xy − 2x2 − y4.

5 f (x , y) = xy2 + x2 + y2.

6 f (x , y) = x3 + 3x2 − 9x + y3 + 3y2.

7 f (x , y) = e−x2+4y2

.

8 f (x , y) = (x2 + y2)ey2

9 f (x , y) = y + x sin y (difıcil).

10 f (x , y) = 3x2 − y2.

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Exercıcios II11 Uma empresa produz dois produtos que sao vendidos em

dois mercados diferentes. As quantidades q1 e q2 pedidaspelos consumidores de cada produto estao relacionadas. Olucro total da producao e dado por

L = −16 + 598.8q1 − 0.3q21 + 498.5q2 − 0.2q2

2 − 0.2q1q2.

Determine a quantidade a produzir de cada produto demodo a maximizar o lucro.

12 Um mıssil tem um controlo remoto que e sensıvel atemperatura e a humidade. O alcance sobre o qual omıssil pode ser controlado e dado, em km, por:

A(h, t) = 27800− 5t2 − 6ht − 3h2 + 400t + 300h

Quais sao as condicoes atmosfericas optimais paracontrolar o mıssil?

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Exercıcios III

13 Dois produtos sao fabricados em quantidades q1 e q2 evendidos aos precos p1 e p2, respetivamente. O custo deos produzir e dado por

C = 2q21 + 2q2

2 + 10.

1 Determine o lucro maximo que pode ser feito, assumindoque os precos sao fixos.

2 Determine a taxa de variacao do lucro maximo quando p1

aumenta.

14 Determine A e B de modo que f (x , y) = x2 +Ax + y2 +Btenha um mınimo local de valor 10 no ponto (0.5, 0).

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Extremos em regioes limitadas I

1 Considere funcoes de classe C 2 que tem as seguinteslinhas de nıvel nas regioes indicadas. Quais parecem ser osmaximos e mınimos das funcoes nas regioes estudadas?

2 Quais os extremos da funcao f (x , y) = 2x2 + xy noquadrado em que 0 ≤ x ≤ 1 e 0 ≤ y ≤ 1.

3 Quais os extremos da funcao f (x , y) = 3x2 − y2 notriangulo limitado pelas retas y = 0, x = 2 e y = x .

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Extremos em regioes limitadas II

4 Quais os extremos da funcao f (x , y) = x2 + y2 + x nocırculo em que x2 + y2 ≤ 4.

5 Quais os extremos da funcao f (x , y) = x2y2 no quadradoem que −1 ≤ x ≤ 1 e −1 ≤ y ≤ 1.

6 Quais os extremos da funcao f (x , y) = −x2 − y2 noquadrado em que 0 ≤ x ≤ 1 e 0 ≤ y ≤ 1.

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Metodo dosMultiplicadoresde Lagrange

Metodo dos Multiplicadores deLagrange

Para encontrar o maximo ou o mınimo de uma funcaof (x , y , x) nao considerando todos os pontos do seu domıniomas apenas os que respeitam algumas condicoes, por exemplo:g1(x , y , z) = 0 e g2(x , y , x) = 0.

Considere a funcao de Lagrange:

L(x , y , z , λ1, λ2) = f (x , y , z) + λ1g1(x , y , z) + λ2g2(x , y , z)

O maximo e mınimo pretendidos encontram-se entre os pontosem que

~∇L = ~0

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Exemplo: (voltando ao exercıcio 4 anterior...)Para determinar os extremos da funcao f (x , y) = x2 + y2 + xna linha da circunferencia x2 + y2 = 4 podemos utilizar oMetodo dos Multiplicadores de Lagrange...

Identifique os candidatos a extremos das seguintes funcoes nospontos que verificam as condicoes indicadas:

1 f (x , y) = x + y , x2 + y2 = 1

2 f (x , y) = x + 3y + 2, x2 + y2 = 10

3 f (x , y) = x3 + y , 3x2 + y2 = 4

4 f (x , y , z) = x + 3y + 5z , x2 + y2 + z2 = 1

5 f (x , y , z) = xyz , x2 + y2 + 4z2 = 12

6 f (x , y , z) = x + 3xy + z , x + y = 1, y + z = 2

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Exercıcios I

Encontre a funcao de Lagrange que lhe permite resolver osseguintes problemas:

1 Determine os valores extremos da funcaof (x , y , x) = x − 2y + 2z2 sobre a esfera x2 + y2 + z2 = 1.

2 Determine a distancia maxima e mınima do ponto (1, 1) aparabola y = x2 + 1.

3 Determine a distancia maxima e mınima da origem a curva5x2 + 6xy + 5y2 = 8.

4 Determine a distancia maxima e mınima da origem a curva2x2 + 3y2 = 1.

5 Qual o retangulo de maior area inscrito na elipse2x2 + 3y2 = 1.

6 Dado um paralelepıpedo de lados x,y e z, determine o quetem maior volume entre os que x+y+z=10.

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Exercıcios II

7 Uma caixa em forma de paralelepıpedo tem um volume de30cm2, qual o melhor comprimento, largura e altura demodo a minimizar a area dos lados.

8 Para criar um contentor cilındrico com capacidade para100cm3 que seja o mais economico possıvel de construir,ou seja, que tenha a menor area de superfıcie. Quedimensoes deve ter?

9 Pretendemos construir uma caixa de cartao (em forma deparalelepıpedo) para transportar 1000cm3 de pastilhaselasticas. Dado que o fundo tem que ser reforcado, ofundo da caixa sai a 0.20 euros por cm2 e os lados e otopo a 0.10 euros por cm2. Quais as dimensoes queminimizam o custo da caixa?

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Exercıcios III

10 Suponha que pretende transportar 20m3 de parafusos emcaixas como a da figura, com largura l, comprimento c ealtura fixa 0.5m. Suponha que os lados da caixa custam a10 euros por m2 e o fundo a 20 euros por m2. O custo detransportar uma caixa e de 3 euros. Qual a largura e ocomprimento das caixas a comprar de modo a minimizaros custos?

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Exercıcios IV

11 Uma empresa comanda duas fabricas que produzem omesmo produto e cujas funcoes custo sao:

C1 = 8.5 + 0.03q21 e C2 = 5.2 + 0.04q2

2

onde q1 e q2 sao as quantidades produzidas por cadafabrica. A empresa tem o monopolio. A quantidade totalencomendada q = q1 + q2 relaciona-se com o preco, p, por

p = 60− 0.04q

Quanto deve produzir cada fabrica de modo a maximizar olucro da empresa?

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Exercıcios V

12 Uma empresa tem uma funcao producao com tres inputsx, y e z dada por

f (x , y , z) = 50x2/5y1/5z1/5.

O orcamento da empresa e de 24 000 euros e a empresacompra x, y e z a, respetivamente, 80, 12 e 10 euros porunidade. Que combinacao de inputs maximiza aproducao?

13 Uma empresa produz x unidades de um item e y unidadesde outro. O custo total em euros, C, de produzir essesdois itens e aproximado pela funcao:

C = 5x2 + 2xy + 3y2 + 800.

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Exercıcios VI

Se a quota de producao para o numero total de itens(ambos combinados) e 39, determine o custo de producaomınimo.

14 Uma organizacao internacional tem que decidir ondegastar 2000 euros que foram recolhidos para combater afome numa zona remota. O dinheiro vais ser gasto nacompra de arroz a 5 euros o saco e de feijao a 10 euros osaco. O numero de pessoas, P, que serao alimentadas secomprarem x sacos de arroz e y sacos de feijao e dado por

P = x + 2y +x2y2

2× 108.

Qual o numero maximo de pessoas que podem seralimentadas e como deve a organizacao alocar o dinheiro?

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Exercıcios VII

15 O Antonio quer transportar material para uma obra numcarrinho de mao. A andar em alcatrao ele percorre 6 kmpor hora e em terra batida ele percorre 4.5 km por hora.Qual o trajeto que o Antonio vai escolher para fazer opercurso no menor tempo?

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Exercıcios VIII

16 Um arquiteto paisagista pretende vedar uma zonarectangular de 30m2 num jardim botanico. Vai usararbustos que custam 25 euros por metro em tres dos ladose no outro arbustos a 10 euros por metro. Calcule o menorcusto total.

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Exercıcios IX

17 A figura seguinte mostra as linhas y =√x , x = 9, y = 0 e

um retangulo paralelo aos eixos e a extremidade esquerdaem x = a. Determine as dimensoes do retangulo tendo amaior area possıvel.

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Exercıcios X

18 Pretende-se construir uma caixa em forma deparalelepıpedo, sem topo, com base quadrada, com umvolume fixo V, determine as dimensoes que minimizam aarea.

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Exercıcios XI

19 A seccao transversal de um tunel e um retangulo de alturah ao qual e sobreposto um semi-cırculo de raio r paraformar o teto (ver figura). Se a area da seccao transversale A, determine as dimensoes da seccao transversal queminimizam o perımetro.

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Exercıcios XII

20 Qual e o ponto da parabola y = x2 que esta mais proximodo ponto (1, 0)?Sugestao: Minimize o quadrado da distancia para evitarraızes quadradas.

21 Qual e o ponto da linha y = x3 que esta mais proximo doponto (3, 0)?Sugestao: Minimize o quadrado da distancia para evitarraızes quadradas.

22 De todos os retangulos com uma dada area, A, qual o quetem menor diagonal?

23 De todos os retangulos com uma dado perımetro, P, qualo que tem maior area?

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Autora:Sandra Gaspar Martins

Com base no trabalho de:Nuno David Lopes

eCristina Januario

Com base no livro:Hughes-Hallett, et al. (2013) Calculus: Single and

Multivariable, John Willey and Sons.

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