Problemas Teoremas

Maio 18, 2012

Exemplo literal de resolução de uma equação cúbica

Em Rearranging a formula, no MSE,  pglove pretende obter b em função de a, a partir da equação

a+2b^{3}-3b^{2}=0\qquad (0)

Tradução da minha resposta

A sua equação é uma equação cúbica em b que se pode resolver algebricamente pela fórmula cúbica de Cardano (veja, por exemplo,  esta entrada de PlanetMath). Podemos escrevê-la na forma

b^{3}-\dfrac{3}{2}b^{2}+\dfrac{a}{2}=0.\qquad (1)

1. Esta equação tem em geral 3 raízes complexas. Em primeiro lugar fazemos a mudança de variáveis

b=t+\frac{1}{2}.\qquad (1a)

Dado que

\left( t+\dfrac{1}{2}\right) ^{3}-\dfrac{3}{2}\left( t+\dfrac{1}{2}\right) ^{2}+\dfrac{a}{2}=t^{3}-\dfrac{3}{4}t-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}a,\qquad (2)

obtemos a equação cúbica reduzida

t^{3}-\dfrac{3}{4}t-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}a=0.\qquad (3)

2. O método de Cardano de resolução de (3) consiste em escrever a variável t  como uma soma de duas variáveis

t=u+v.\qquad (3a)

Como

\begin{aligned}&\left( u+v\right) ^{3}-\dfrac{3}{4}\left( u+v\right) -\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}a\\&=\left( u^{3}+v^{3}-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}a\right) +\left( 3uv-\dfrac{3}{4}\right)\left( u+v\right) =0\end{aligned}\qquad (4)

qualquer solução do sistema seguinte é também uma solução da equação cúbica reduzida (3).

\left\{\begin{array}{c}u^{3}+v^{3}-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}a=0\\  3uv-\dfrac{3}{4}=0\end{array}\right.\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{c}u^{3}+v^{3}=\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\\u^{3}v^{3}=\dfrac{1}{64}\end{array}\right.

\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{c}u^{3}+\dfrac{1}{64u^{3}}-\left( \dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\right) =0\\v^{3}=\dfrac{1}{64u^{3}}\end{array}\right.\Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c}\left( u^{3}\right) ^{2}-\left( \dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\right) u^{3}+\dfrac{1}{64}=0\\v^{3}=\dfrac{1}{64u^{3}}.\end{array}\right.

\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{c}u^{3}+v^{3}-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}a=0\\3uv-\dfrac{3}{4}=0\end{array}\right.\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{c}u^{3}+v^{3}=\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\\u^{3}v^{3}=\dfrac{1}{64}\end{array}\right.

\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{c}u^{3}+\dfrac{1}{64u^{3}}-\left( \dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\right) =0\\v^{3}=\dfrac{1}{64u^{3}}\end{array}\right.\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{c}\left( u^{3}\right) ^{2}-\left( \dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\right)u^{3}+\dfrac{1}{64}=0\\v^{3}=\dfrac{1}{64u^{3}}.\end{array}\right.\qquad (5)

3. Fazendo

Y=u^{3},\qquad (5a)

obtemos a seguinte equação quadrática

Y^{2}-\left( \dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}a\right) Y+\dfrac{1}{64}=0,\qquad (6)

cujas raízes são

Y_+=\dfrac{1}{8}-\dfrac{1}{4}a+\dfrac{1}{4}\sqrt{-a+a^{2}}\qquad (7a)

Y_-=\dfrac{1}{8}-\dfrac{1}{4}a-\dfrac{1}{4}\sqrt{-a+a^{2}}\qquad (7b)

4. Assim, sem perda de generalidade, obtêm-se as seguintes raízes do sistema (5)

u=Y_{+}^{1/3},\qquad v=\dfrac{1}{4Y_{+}^{1/3}}=Y_{-}^{1/3}.\qquad (8)

5. Combinando os resultados anteriores obtemos a seguinte fórmula:

\begin{aligned}b&=t+\frac{1}{2}=u+v+\frac{1}{2}\\&=\left( \frac{1}{8}-\frac{1}{4}a+\frac{1}{4}\sqrt{a^{2}-a}\right)^{1/3}+\left( \frac{1}{8}-\frac{1}{4}a-\frac{1}{4}\sqrt{a^{2}-a}\right)^{1/3}+\frac{1}{2}.\end{aligned}\qquad (9)

6. Os três valores complexos (ou reais) de  (9) dão todas as soluções de (0).

- : – : -

Poderá encontrar em Resolução da equação do 3.º grau (ou cúbica)  uma explicação mais pormenorizada e exemplos numéricos.

Maio 13, 2012

Equação cúbica com coeficientes reais dada uma das raízes

Filed under: Matemática,Matemáticas Gerais,Mathematics Stack Exchange — Américo Tavares @ 10:27 pm
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Nesta questão do MSE mcb pede basicamente como determinar as raízes da equação cúbica

z^{3}-(b+6)z^{2}+8b^{2}z-7+b^{2}=0

em que b\in\mathbb{R}, sabendo que z_{1}=1+i é uma das raízes.

Tradução da minha resposta: Considere o polinómio cúbico

P(z)=z^{3}+Az^{2}+Bz+C\qquad (1),

em que os coeficientes A,B e C são números reais. Se designarmos as suas raízes por z_{1},z_{2} e z_{3}, então o polinómio decompõe-se nos factores

\begin{aligned}P(z)&=\left( z-z_{1}\right) \left( z-z_{2}\right) (z-z_{3})\\  &=z^{3}-\left( z_{1}+z_{3}+z_{2}\right) z^{2}+\left(z_{1}z_{2}+z_{2}z_{3}+z_{1}z_{3}\right) z-z_{1}z_{2}z_{3}.\end{aligned}\qquad (2)

O termo constante é

P(0)=C=-z_{1}z_{2}z_{3}.

No presente caso A=-(b+6), B=8b^{2} e C=-7+b^{2}. Dado que z_{1}=1+i é uma solução, então z_{2}=\overline{z}_{1}=\overline{1+i}=1-i é outra, como concluíu. Por isso tem-se z_{1}z_{2}=\left( 1+i\right) \left( 1-i\right)=2 e

\begin{aligned}-7+b^{2}=-2z_{3}\end{aligned},\qquad (3)

cuja solução é

z_{3}=\dfrac{7-b^{2}}{2}.\qquad (4)

Como P(z_1)=P(z_2)=0, tem-se

\begin{aligned}&\left( 1+i\right) ^{3}-(b+6)\left( 1+i\right) ^{2}+8b^{2}\left( 1+i\right) -7+b^{2}\\&=-9+9b^{2}+i\left( -10-2b+8b^{2}\right)=0,\end{aligned}\qquad (5)

\begin{aligned}&\left( 1-i\right) ^{3}-(b+6)\left( 1-i\right) ^{2}+8b^{2}\left( 1-i\right)  -7+b^{2}\\&=-9+9b^{2}+i\left( 10+2b-8b^{2}\right)=0,\end{aligned}\qquad (6)

o que significa que b verifica o sistema

\begin{aligned}\left\{\begin{array}{c}-9+9b^{2}=0\\10+2b-8b^{2}=0.\end{array}\right.\end{aligned}\qquad (7)

A solução de (7) é b=-1. Usando (4) determina-se

z_{3}=3.\qquad (8)

Abril 18, 2012

Desigualdade de Cauchy-Schwarz e Identidade de Lagrange

Para comodidade dos leitores reuno aqui as demonstrações da desigualdade de Cauchy-Schwarz e da identidade de Lagrange.

Desigualdade de Cauchy-Schwarz

A desigualdade de Cauchy-Schwarz corresponde ao seguinte

Teorema: Para todo o vector \mathbf{x}=\left( x_{1},...,x_{n}\right) \in\mathbb{R}^{n} e todo o vector \mathbf{y}=\left( y_{1},\ldots ,y_{n}\right) \in\mathbb{R}^{n}, tem-se:

\left\vert \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right\vert \leq \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) ^{1/2}\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) ^{1/2}

ou

\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right) ^2\leq\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^2\right)\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^2\right)

Demonstração

Qualquer que seja o real \lambda , tomo o vector \mathbf{x}-\lambda\mathbf{y}, e vou achar

\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\left( x_{k}-\lambda y_{k}\right) ^{2}=\displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}-2\lambda \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}+\lambda ^{2}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}.

Seja qual for o \lambda , o trinómio do lado direito, em \lambda , não muda de sinal, é sempre positivo ou igual a zero, porque o número \displaystyle\sum_{k=1}^{n}\left( x_{k}-\lambda y_{k}\right) ^{2} é não negativo:

\displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}-2\lambda \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}+\lambda ^{2}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\geq 0,

o que implica que o seu discriminante seja menor ou igual a zero

\Delta =\left( 2\displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right) ^{2}-4\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) \leq 0,

significando que

\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right) ^{2}\leq \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) .

Daqui pode ainda concluir-se que

\left\vert \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{x}y_{k}\right\vert \leq \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) ^{1/2}\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) ^{1/2}.

Se algum dos vectores \mathbf{x,y} for nulo, esta relação é evidentemente verificada.

\square

O significado geométrico em \mathbb{R}^{3}desta desigualdade é o de que o produto interno de dois vectores é menor ou igual ao produto dos módulos (das normas) desses vectores.

Identidade de Lagrange

A identidade de Lagrange generaliza a desigualdade anterior.

Teorema: Identidade de Lagrange. Para os reais a_{k} e b_{k} (com 1\leq k\leq n) verifica-se

\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}a_{k}b_{k}\right) ^{2}=\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}a_{k}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}b_{k}^{2}\right) -\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}\left( a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}\right) ^{2}

Demonstração: O produto de duas somas com n termos cada é uma soma com n^{2} termos:

\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}x_{i}\right) \left( \displaystyle\sum_{j=1}^{n}y_{j}\right) =\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\displaystyle\sum_{j=1}^{n}x_{i}y_{j}

Os índices i e j de cada termo genérico x_{i}y_{j} podem ser iguais (i=j) ou o primeiro menor do que o segundo (i<j) ou maior (j<i). Separando estes três grupos de parcelas, vem

\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\displaystyle\sum_{j=1}^{n}x_{i}y_{j}=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}+\displaystyle\sum_{1\leq i<j\leq n}x_{i}y_{j}+\displaystyle\sum_{1\leq j<i\leq n}x_{i}y_{j}

=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}+\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}x_{i}y_{j}+\displaystyle\sum_{j=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{i=j+1}^{n}x_{i}y_{j}

donde

\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}x_{i}\right) \left( \displaystyle\sum_{j=1}^{n}y_{j}\right) =\displaystyle\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}+\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}x_{i}y_{i}+\displaystyle\sum_{j=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{i=j+1}^{n}x_{i}y_{i}

Particularizando, para x_{i}=a_{i}^{2} e y_{j}=b_{j}^{2} obtém-se

\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{j=1}^{n}b_{j}^{2}\right) =\displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}b_{i}^{2}+\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}+\displaystyle\sum_{j=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{i=j+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}

e para x_{i}=y_{i}=a_{i}b_{i}

\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right) ^{2}=\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right) \left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right)

=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}b_{i}^{2}+\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}+\displaystyle\sum_{j=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{i=j+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}

Ora

\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}=\displaystyle\sum_{j=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{i=j+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}

pelo que

\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right) ^{2}=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}b_{i}^{2}+2\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}

Por outro lado

2a_{i}b_{i}a_{j}b_{j}=a_{i}^{2}b_{j}^{2}+a_{j}^{2}b_{i}^{2}-\left( a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}\right) ^{2}

donde

\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}b_{i}\right) ^{2}=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}b_{i}^{2}+\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}+

\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{j}^{2}b_{i}^{2}-\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}\left( a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}\right) ^{2}

=\left( \displaystyle\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{j=1}^{n}b_{j}^{2}\right) -\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\sum_{j=i+1}^{n}\left( a_{i}b_{j}-a_{j}b_{i}\right) ^{2}

visto que, por troca dos índices i e j, se tem

\displaystyle\sum_{i=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{j=i+1}^{n}a_{j}^{2}b_{i}^{2}=\displaystyle\sum_{j=1}^{n-1}\displaystyle\sum_{i=j+1}^{n}a_{i}^{2}b_{j}^{2}

provando-se assim a identidade indicada acima.

\square

Ficheiro pdf

Abril 10, 2012

Exemplo de uma indeterminação do tipo infinito menos infinito ∞ – ∞

Nesta resposta a uma pergunta de Garmen1778 , no Mathematics Stack Exchange apresentei a seguinte resposta sobre como se pode, por vezes, calcular um limite de uma indeterminação do tipo \infty -\infty, com e sem recurso à regra de l’Hôpital . É o caso de certas fracções racionais em x, isto é \frac{P(x)}{Q(x)}, com P(x) e Q(x) polinómios em x. Como exemplo seja f(x)=\frac{x^{2}}{x+2} and g(x)=\frac{x^{3}}{x+3}. Temos

\begin{aligned}\lim_{x\rightarrow \infty }f(x)&=\lim_{x\rightarrow \infty }\frac{x^{2}}{x+2}=\infty\\\lim_{x\rightarrow \infty }g(x)&=\lim_{x\rightarrow \infty }\frac{x^{3}}{x+3}=\infty.\end{aligned}

Assim \lim_{x\rightarrow \infty }f(x)-g(x) é indeterminado. Dado que podemos reescrever f(x)-g(x) como

\dfrac{x^{2}}{x+2}-\dfrac{x^{3}}{x+3}=\dfrac{-x^{4}-x^{3}+3x^{2}}{x^{2}+5x+6}:=  \dfrac{P(x)}{Q(x)},

em que P(x)=-x^{4}-x^{3}+3x^{2} e Q(x)=x^{2}+5x+6, teremos

\begin{aligned}\lim_{x\rightarrow \infty }\dfrac{x^{2}}{x+2}-\dfrac{x^{3}}{x+3}  &=\lim_{x\rightarrow \infty }\dfrac{P(x)}{Q(x)} \\&=\lim_{x\rightarrow \infty }\dfrac{-x^{4}-x^{3}+3x^{2}}{x^{2}+5x+6} \\&=\lim_{x\rightarrow \infty }\dfrac{-x^{2}-x+3}{1+5/x+6/x^{2}} \\&=\dfrac{\lim_{x\rightarrow \infty }-x^{2}-x+3}{\lim_{x\rightarrow \infty  }1+5/x+6/x^{2}} \\&=\dfrac{-\infty }{1+0+0}=-\infty.\end{aligned}

Os polinómios P(x) and Q(x) são diferenciáveis. Podemos, portanto, aplicar a regra de l’Hôpital à fracção

\dfrac{P(x)}{Q(x)}=\dfrac{-x^{4}-x^{3}+3x^{2}}{x^{2}+5x+6}

como segue

\begin{aligned}\lim_{x\rightarrow \infty }\dfrac{P(x)}{Q(x)} &=\lim_{x\rightarrow \infty }\dfrac{P^{\prime }(x)}{Q^{\prime }(x)} \\&=\dfrac{\lim_{x\rightarrow \infty }-4x^{3}-3x^{2}+6x}{\lim_{x\rightarrow\infty }2x+5} \\&=\dfrac{\lim_{x\rightarrow \infty }-12x^{2}-6x+6}{\lim_{x\rightarrow \infty}2}=-\infty .\end{aligned}

Os dois resultados são evidentemente iguais. O cálculo de

\displaystyle \lim_{x \to 4} \; \dfrac{x-4}{5-\sqrt{x^2+9}}

foi feito nesta questão, havendo muitos outros exemplos neste site.

Exercício. Tente calcular a indeterminação semelhante do limite de

\begin{aligned}\dfrac{1}{x-3}+\dfrac{5}{\left( x+2\right)\left( 3-x\right) }\end{aligned}

quando x tende para 3.

Setembro 7, 2011

Soma dos quadrados dos primeiros n números inteiros positivos

Em resposta a uma questão  de George Edison, no MSE, apresentei as seguintes duas demonstrações de

\displaystyle\sum_{k=1}^nk^2 = \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}

Demonstração 1. (Dias Agudo, Cândido da Silva, Matemáticas Gerais III, Exercício 2.5.1). Seja S:=\sum_{k=1}^{n}k^{2}. Considere-se (1+a)^{3}=1+3a+3a^{2}+a^{3} e some-se (1+a)^{3} para a=1,2,\ldots ,n:

\begin{aligned}(1+1)^{3} &=1+3\cdot 1+3\cdot 1^{2}+1^{3} \\(1+2)^{3} &=1+3\cdot 2+3\cdot 2^{2}+2^{3} \\(1+3)^{3} &=1+3\cdot 3+3\cdot 3^{2}+3^{3} \\&\cdots \\(1+n)^{3} &=1+3\cdot n+3\cdot n^{2}+n^{3}\end{aligned}

O termo (1+1)^3 no primeiro membro da primeira soma cancela o termo 2^3 no segundo membro da segunda, (1+2)^3, o 3^3, (1+3)^3, o 4^3, …, o (1+n-1)^3 cancela n^3. Assim

(1+n)^{3}=n+3\left( 1+2+\ldots +n\right) +3S+1

e

S=\dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6},

porque

1+2+\ldots +n=\dfrac{n\left( n+1\right) }{2}.

Demonstração 2. (Balakrishnan, Combinatorics, Schaum’s Outline of Combinatorics, Exercício 1.42 ). De

\dbinom{k}{1}+2\dbinom{k}{2}=k+2\dfrac{k\left( k-1\right) }{2}=k^{2},

obtem-se

\begin{aligned}S &:=\displaystyle\sum_{k=1}^{n}k^{2}=\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\dbinom{k}{1}+2\dbinom{k}{2}=\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\dbinom{k}{1}+2\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\dbinom{k}{2} \\&=\dbinom{n+1}{2}+2\dbinom{n+1}{3} \\&=\dfrac{n\left( n+1\right) \left( 2n+1\right) }{6}.\end{aligned}

Agosto 26, 2011

A função inversa de uma função composta

Filed under: Matemática,Matemáticas Gerais,Mathematics Stack Exchange — Américo Tavares @ 9:36 pm
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Em How to find inverse of a composite function? (no MSE) fahad pede para verificar o seguinte teorema

(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}

no caso de A=B=C=\mathbb{R} e as funções f\colon A\to B e g\colon B\to C serem definidas por f(a)=2a+1, g(b)=b/3.

Eis a tradução da minha resposta:

f,g são as funções definidas na questão.

Tem-se

b=f(a)=2a+1,

ou de forma equivalente, por definição da função inversa f^{-1}

a=\dfrac{b-1}{2}=f^{-1}(b).\qquad\qquad (A)

Dado que

c=g(b)=\dfrac{b}{3},

ou de forma equivalente, por definição da função inversa g^{-1}

b=3c=g^{-1}(c),\qquad\qquad(B)

combinando (A) e (B), obtemos

a=\dfrac{3c-1}{2}=(f^{-1}\circ g^{-1})(c).\qquad (1)

Por outro lado

c=(g\circ f)(a)=g(f(a))=g(2a+1)=\dfrac{2a+1}{3}.\qquad (2)

Assim, por definição, o valor em c da função inversa (g\circ f)^{-1}, é

a=\dfrac{3c-1}{2}=(g\circ f)^{-1}(c).\qquad (3)

De (1) e (3) conclui-se que para estas funções f,g e as suas inversas f^{-1},g^{-1} se verifica a seguinte identidade:

(f^{-1}\circ g^{-1})(c)=(g\circ f)^{-1}(c).\qquad (4)

Nota sobre notação: (f^{-1}\circ g^{-1})(c)=f^{-1}(g^{-1}(c)).

Julho 6, 2011

Forma algébrica das raízes quínticas da unidade

Tradução e adaptação da minha resposta no MSE a uma questão de Paul “Como determinar as raízes da equação x^5-1=0?”

A equação x^5-1=0, que é equivalente a x=\sqrt[5]{1}, tem as 5 soluções seguintes:

e^{i\dfrac{2\pi (1+k)}{5}}=\cos\left( \dfrac{2\pi (1+k)}{5}\right)+i\sin\left( \dfrac{2\pi (1+k)}{5}\right),\qquad k=0,1,\ldots,4.

Vamos factorizar a quíntica em dois factor, um linear e outro quadrático. Por inspecção vemos que x=1 é um zero de x^{5}-1. Pela divisão de polinómios ou pela regra de Ruffini determinamos

x^{5}-1=\left( x-1\right) \left( x^{4}+x^{3}+x^{2}+x+1\right).

Agora factorizamos x^{4}+x^{3}+x^{2}+x+1 em dois polinómios quadráticos

x^{4}+x^{3}+x^{2}+x+1=\left( x^{2}+bx+c\right) \left( x^{2}+Bx+C\right),

cujos coeficientes (reais) se determinam comparando o 1.º membro com o 2.º expandido. Visto que

\left( x^{2}+bx+c\right) \left( x^{2}+Bx+C\right)

=x^{4}+\left( B+b\right) x^{3}+\left( C+bB+c\right) x^{2}+\left(bC+cB\right) x+cC,

os coeficientes devem verificar

\left\{\begin{array}{c}B+b=1 \\C+bB+c=1 \\bC+cB=1 \\  cC=1\end{array}\right. \Leftrightarrow \left\{\begin{array}{c}B=1-b \\1/c+b\left( 1-b\right) +c=1 \\b/c+c\left( 1-b\right) =1\\C=1/c\end{array}\right.

Uma das soluções de b/c+c\left( 1-b\right) =1 é c=1. Substituíndo-a determinamos os restantes coeficientes:

\left\{\begin{array}{c}B=\dfrac{1}{2}\mp \dfrac{1}{2}\sqrt{5}\\b=\dfrac{1}{2}\pm\dfrac{1}{2}\sqrt{5}\\c=1 \\C=1\end{array}\right.

Portanto

x^{4}+x^{3}+x^{2}+x+1=\left( x^{2}+\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2}\sqrt{5}\right) x+1\right)\left( x^{2}+\left(\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{2}\sqrt{5}\right) x+1\right)

e finalmente

x^{5}-1=\left( x-1\right)\left( x^{2}+\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2}\sqrt{5}\right) x+1\right) \left( x^{2}+\left( \dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{2}\sqrt{5}\right) x+1\right).

Assim as raízes de x^{5}-1 são as destes três factores, respectivamente, x_1=1 e

x_{2,3}=-\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{4}\sqrt{5}\pm\dfrac{1}{4}\sqrt{-10+2\sqrt{5}},\quad x_{4,5}=-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}\sqrt{5}\pm\dfrac{1}{4}\sqrt{-10-2\sqrt{5}}

ou seja,

x_{2,3}=-\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{4}\sqrt{5}\pm i\dfrac{1}{4}\sqrt{10-2\sqrt{5}},\quad x_{4,5}=-\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}\sqrt{5}\pm i\dfrac{1}{4}\sqrt{10+2\sqrt{5}}.

Nota: este método de decomposição de uma quártica em duas quadráticas nem sempre permite determinar as suas raízes — é a teoria de Galois que fornece as condições em que tal é possível,  como comentou Gerry Myerson, na minha resposta inicial. Nesses casos é necessário recorrer a uma equação cúbica resolvente, método que descrevi em resolução da equação do 4.º grau ou quártica.

Junho 15, 2011

Visualização da convergência de uma série geométrica complexa

Filed under: Geometria,Matemática,Matemáticas Gerais,Séries — Américo Tavares @ 3:42 pm
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Este post é essencialmente uma adaptação e interpretação do problema A Converging Rabbit  do blogue Rambling Thoughts  de Moor Xu, do qual obtive a devida permissão.

     

Considere-se uma linha quebrada que parte da origem (0,0) e que é constituída por uma sucessão de segmentos de recta cujos comprimentos formam uma sucessão geométrica de razão r<1 e 1.º termo igual a 1. Os ângulos entre os sucessivos segmentos e o semi-eixo positivo Ox formam uma sucessão aritmética de razão igual a \pi /2 e 1.º termo igual a 0, como ilustrado na figura, para r=3/4.

Como determinar as coordenadas do ponto P(x,y) de convergência dos segmentos de recta?

Um dos processos será considerar a série geométrica complexa de razão re^{i\pi /2}=ri e primeiro termo 1:

S(r,\pi /2)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty }\left( ri\right) ^{n}=\dfrac{1}{1-ri}=\dfrac{1}{1+r^{2}}+\dfrac{r}{1+r^{2}}i

O ponto de convergência é então P(1/(1+r^{2}),/(1+r^{2})). A série é convergente porque \left\vert ri\right\vert =r<1, o que justifica o cálculo anterior. Para o caso da figura tem-se S(3/4,\pi/2)=\dfrac{16}{25}+\dfrac{12}{25}i.

Se o ângulo de rotação de um segmento em relação ao anterior for \alpha , o termo geral da série passa a ser \left(re^{i\alpha }\right) ^{n}=r^{n}e^{in\alpha }, logo \left\vert\left(re^{i\alpha }\right) ^{n}\right\vert =r^{n}, r<1, pelo que a sua soma se generaliza a:

\begin{aligned}S(r,\alpha )&=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty }\left( re^{i\alpha }\right) ^{n}=\dfrac{1}{1-re^{i\alpha }}\\&=\dfrac{1-r\cos \alpha }{\left( 1-r\cos \alpha \right) ^{2}+r^{2}\sin^{2}\alpha }+r\dfrac{\sin \alpha }{\left( 1-r\cos \alpha \right)^{2}+r^{2}\sin ^{2}\alpha }i\end{aligned}

Por exemplo, S(1/2,\pi /3)=1+\dfrac{1}{3}\sqrt{3}i, que corresponde à situação do problema A Converging Rabbit, onde se deve determinar como solução \left\vert 1+\dfrac{1}{3}\sqrt{3}i\right\vert =\dfrac{2}{3}\sqrt{3}.

Alternativamente este problema admite uma resolução puramente geométrica. Retomo a série da 1.ª figura.

A linha azul que começa em Q(1,0) e converge para P é uma redução de 3/4 da linha que parte de O, passa por Q e converge para o mesmo P, seguida de uma rotação de \pi /2 no sentido contrário ao do ponteiro do relógio, além de uma translacção. Por este motivo, o triângulo [O,P,Q] é rectângulo em P e o cateto PQ=\dfrac{3}{4}OP. Assim, pelo teorema de Pitágoras, temos OP^{2}+\dfrac{9}{16}OP^{2}=1, donde OP=\dfrac{4}{5} e PQ=\dfrac{3}{5}. A altura h do triângulo baixada de P pode obter-se igualando a área calculada tomando como base a hipotenusa ou um dos catetos: \dfrac{h}{2}=\dfrac{4}{5}\times \dfrac{3}{5}\times \dfrac{1}{2}, isto é h=\dfrac{12}{25}. A distância d entre O e a pé da altura é tal que d^{2}+h^{2}=OP^{2}, o que dá d=\dfrac{16}{25}, obtendo-se P(x,y)=P(d,h)=P\left(\dfrac{16}{25},\dfrac{12}{25}\right), como atrás.

Abril 18, 2011

Relações de recorrência geradas pela integração por partes

Ao utilizar o método de integração por partes, por vezes, chega-se a uma relação de recorrência, o que permite reduzir o cálculo de um integral  ao de outro(s) do mesmo tipo, mas de ordem menor e, por isso, mais simples.  Este método traduz-se, como é sabido, na fórmula

\displaystyle\int f(x)g^{\prime }(x)\;\mathrm{d}x=f(x)g(x)-\displaystyle\int f^{\prime }(x)g(x)\;\mathrm{d}x+C

ou, abreviando para u=f(x) e v=g(x),  na seguinte, mais compacta

\displaystyle\int u\;\mathrm{d}v=uv-\displaystyle\int v\;\mathrm{d}u+C

É conveniente escolher para  g^{\prime }(x) a função mais fácil de integrar, das duas que figuram no produto da função integranda.  Normalmente,  as funções logarítmica, trigonométricas inversas, algébricas, trigonométricas e exponencial (regra prática Liate) apresentam uma facilidade de integração crescente. Mas também requere  um certo artifício, como se pode ver, desde logo, com a primitivação, por partes, de \log x=1\cdot\log x, em que se escolhe para função a integrar a constante 1. Para ilustrar o processo que leva à formação de uma relação de recorrência, aplico-o ao integral

(mais…)

Janeiro 10, 2011

Resolução com variáveis complexas de um problema trigonométrico publicado em Fatos Matemáticos

Filed under: Matemática,Matemáticas Gerais,Problemas — Américo Tavares @ 8:58 pm
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O blogue Fatos Matemáticos do Prof. Paulo Sérgio tem vindo a publicar regularmente problemas de vários níveis. O seguinte é de 1-10-2010:

« Problema 4: Mostre que

\cos 36{{}^\circ}-\cos 72{{}^\circ}=\dfrac{1}{2} »

No espírito do meu post Pentágono,  complexos e trigonometria apresentei a seguinte proposta de solução (aceite):

Converto por conveniência as medidas dos ângulos em radianos — 36{{}^\circ}=\dfrac{\pi }{5},72{{}^\circ}=\dfrac{2\pi }{5} — e começo por transformar este problema trigonométrico num de variáveis complexas. Para isso faço w=e^{i2\pi /5}\neq1. Como

w^{5}-1=(w-1)(w^{4}+w^{3}+w^{2}+w+1)

e w^{5}=e^{i2\pi }=1, logo w^{5}-1=0, há-de ser

w^{4}+w^{3}+w^{2}+w+1=0

e também

\text{Re }\left( w^{4}+w^{3}+w^{2}+w+1\right) =0

pelo que, atendendo a que \text{Re }w^{4}=\cos \dfrac{8\pi }{5}, etc., vem sucessivamente

\displaystyle\begin{aligned}\cos \dfrac{8\pi }{5}+\cos \dfrac{6\pi }{5}+\cos \dfrac{4\pi }{5}+\cos \dfrac{2\pi }{5}+1 &=&0 \\\cos \left( 2\pi -\dfrac{2\pi }{5}\right) +\cos \left( 2\pi -\dfrac{4\pi }{5}\right) +\cos \dfrac{4\pi }{5}+\cos \dfrac{2\pi }{5}+1 &=&0 \\2\cos \left( \dfrac{4\pi }{5}\right) +2\cos \left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +1&=&0\text{.}\end{aligned}

Como

\cos \left( \dfrac{4\pi }{5}\right) =\cos ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) -\sin ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right)

será

\displaystyle\begin{aligned}2\cos ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) -2\sin ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +2\cos \left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +1 &=&0 \\4\cos ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +2\cos \left( \dfrac{2\pi }{5}\right)-1 &=&0\end{aligned}

ou seja

\cos \dfrac{2\pi }{5}=\dfrac{\sqrt{5}-1}{4}>0

Mas, sendo

\cos \dfrac{\pi }{5}=\sqrt{\dfrac{1+\cos \dfrac{2\pi }{5}}{2}}=\dfrac{1}{4}\sqrt{6+2\sqrt{5}}

e reparando que \sqrt{6+2\sqrt{5}}=1+\sqrt{5}, obtemos finalmente

\cos \dfrac{\pi }{5}-\cos \dfrac{2\pi }{5}=\dfrac{1}{4}\left( \sqrt{6+2\sqrt{5}}-\sqrt{5}+1\right) =\dfrac{1}{2}

Novembro 10, 2010

Pentágono, complexos e trigonometria

Suponhamos que pretendemos determinar

\dfrac{x^{n}-a^{n}}{x-a}

Como x=a é uma solução de x^{n}-a^{n}=0 o resto da divisão de x^{n}-a^{n} por x-a será nulo. Podemos determinar o polinómio quociente através do método geral da divisão polinomial — em tudo semelhante à divisão aritmética de dois números –, dividindo o polinómio do numerador pelo do denominador. Como é de difícil reprodução aqui (relacionado com o código \LaTeX de escrita matemática), vou utilizar o método alternativo dos coeficientes indeterminados. Seja Q(x) o polinómio quociente, isto é

x^{n}-a^{n}=\left( x-a\right) Q(x)+R(x)=\left( x-a\right) Q(x)=xQ(x)-aQ(x)

atendendo a que neste caso o resto R(x)=0. Notemos que o grau de Q(x) há-de ser n-1:

Q(x)=x^{n-1}+q_{1}x^{n-2}+q_{2}x^{n-3}+\cdots +q_{n-2}x+q_{n-1}

Fazendo o desenvolvimento de xQ(x)-aQ(x), obtém-se

x^{n}-a^{n}= x\left( x^{n-1}+q_{1}x^{n-2}+\cdots +q_{n-2}x+q_{n-1}\right) -a\left( x^{n-1}+q_{1}x^{n-2}+\cdots +q_{n-2}x+q_{n-1}\right)

=x^{n}+\left( q_{1}-a\right) x^{n-1}+\left( q_{2}-aq_{1}\right) x^{n-2}+\cdots

+\cdots +\left( q_{n-2}-aq_{n-3}\right) x^{2}+\left( q_{n-1}-aq_{n-2}\right) x-aq_{n-1}

Comparando agora coeficientes obtemos

q_{1}=a q_{k}=aq_{k-1}\qquad k=2,3,\ldots ,n-1

aq_{n-1}=a^{n}

ou seja q_{1}=a e

q_{k}=aq_{k-1}=a^{2}q_{k-2}=\cdots =a^{k}\qquad k=2,3,\ldots ,n-1

donde

x^{n}-a^{n}=(x-a)(x^{n-1}+ax^{n-2}+\cdots +a^{n-2}x+a^{n-1})

ou

\dfrac{x^{n}-a^{n}}{x-a}=x^{n-1}+ax^{n-2}+\cdots +a^{n-2}x+a^{n-1}

Exemplo: Num pentágono regular determine \cos \alpha , em que \alpha é o ângulo igual a 1/5 do ângulo giro \alpha =\dfrac{2\pi }{5}.

Geometricamente é o ângulo ao centro formado por dois raios que unem o centro do círculo circunscrito a um pentágono regular a dois dos seus vértices adjacentes.

Começo por transformar este problema trigonométrico num de variáveis complexas. Para isso faço w=e^{i2\pi /5}\neq 1. Pondo a=1, na fórmula anterior e substituindo x por w,obtém-se:

w^{5}-1=(w-1)(w^{4}+w^{3}+w^{2}+w+1)

Como w^{5}=e^{i2\pi }=1, então w^{5}-1=0 e sendo w\neq 1 será

w^{4}+w^{3}+w^{2}+w+1=0

e também

\text{Re}\left( w^{4}+w^{3}+w^{2}+w+1\right) =0

pelo que, atendendo a que \text{Re}w^{4}=\cos \dfrac{8\pi }{5}, \text{Re}w^{3}=\cos \dfrac{6\pi }{5}, etc., vem sucessivamente

\cos \dfrac{8\pi }{5}+\cos \dfrac{6\pi }{5}+\cos \dfrac{4\pi }{5}+\cos \dfrac{2\pi }{5}+1=0

\cos \left( 2\pi -\dfrac{2\pi }{5}\right) +\cos \left( 2\pi -\dfrac{4\pi }{5}\right) +\cos \dfrac{4\pi }{5}+\cos \dfrac{2\pi }{5}+1=0

2\cos \left( \dfrac{4\pi }{5}\right) +2\cos \left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +1=0.

Como

\cos \left( \dfrac{4\pi }{5}\right) =\cos ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) -\sin ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right)

será

2\cos ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) -2\sin ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +2\cos \left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +1=0

4\cos ^{2}\left( \dfrac{2\pi }{5}\right) +2\cos \left( \dfrac{2\pi }{5}\right) -1=0

ou seja

\cos \dfrac{2\pi }{5}=\dfrac{\sqrt{5}-1}{4}

igual ao valor calculado de outra forma nesta entrada sobre a construção do pentágono

Fonte

Maio 20, 2010

Resolução da equação do 4.º grau (ou quártica)

A forma canónica da equação do 4.º grau ou quártica é:

ax^{4}+bx^{3}+cx^{2}+dx+e=0\qquad com a\neq 0\qquad \left( 1\right)

À semelhança do que foi feito para a equação cúbica, faz-se a substituição x=y+h:

a\left( y+h\right) ^{4}+b\left( y+h\right) ^{3}+c\left( y+h\right) ^{2}+d\left( y+h\right) +e=0

Ordenando pelas potências decrescentes de y fica:

ay^{4}+\left( b+4ah\right) y^{3}+\left( c+3bh+6ah^{2}\right) y^{2}+

    +\left( d+2ch+4ah^{3}+3bh^{2}\right) y+ah^{4}+bh^{3}+ch^{2}+dh+e=0

Se dividirmos por a e  anularmos o termo em y^{3}, para o que devemos fazer

h=-\dfrac{b}{4a}\qquad \left( 2\right)

obtemos a equação reduzida

y^{4}+Ay^{2}+By+C=0\qquad \left( 3\right)

sendo os seus coeficientes dados por

A=\dfrac{c}{a}-\dfrac{3b^{2}}{8a^{2}}\qquad \left( 4\right)

B=\dfrac{d}{a}-\dfrac{bc}{2a^{2}}+\dfrac{b^{3}}{8a^{3}}\qquad \left( 5\right)

e

C=\dfrac{e}{a}-\dfrac{bd}{4a^{2}}+\dfrac{b^{2}c}{16a^{3}}-\dfrac{3b^{4}}{256a^{4}}\qquad \left( 6\right)

Um dos métodos de resolução é o que usa uma equação cúbica auxiliar e que descrevo de seguida. O outro — que nem sempre funciona — é a factorização do 1.º membro da equação em dois factores do segundo grau. (mais…)

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