Enunciado

Se g x , y = x 2 + y 2 - 4 x , encontre o vetor gradiente ∇ g 1,2 e use-o para encontrar a reta tangente à curva de nível g x , y = 1 no ponto 1,2 . Esboce a curva de nível, a reta tangente e o vetor gradiente.

Passo 1

Fala aí! Nós temos a função

g x , y = x 2 + y 2 - 4 x

e precisamos encontrar a reta tangente, o vetor gradiente e esboçar a curva de nível dessa função��� Bastante coisa, né? Mas relaxa que a gente dá conta de tudo juntos!

Primeiro calcularemos o gradiente de g no ponto ( 1,2 ) . Depois disso, usaremos esse vetor para encontrar a reta tangente à curva de nível na qual esse gradiente é perpendicular.

Essa última frase já nos traz informação suficiente para resolver a questão. Veja bem, se o vetor gradiente é perpendicular à curva de nível, então um vetor perpendicular a ele será tangente à curva.

Logo, se eu quero saber a reta tangente à curva, isto é, que tem a direção do vetor perpendicular ao gradiente, basta impor que o produto escalar dos vetores será nulo.

Tranquilo? Vamos ver melhor como fica isso.

Passo 2

Primeiro encontrando as derivadas parciais, vamos ter:

g x = ∂ ∂ x x 2 + y 2 - 4 x g y = ∂ ∂ y x 2 + y 2 - 4 x

g x = 2 x - 4 g y = 2 y

Temos então que:

∇ g x , y = 〈 2 x - 4,2 y 〉

E substituindo o dado do enunciado, ∇ g 1,2 , vamos ter:

∇ g 1,2 = 〈 2 ⋅   1 - 4   ,   2 ⋅   2 〉

∇ g 1,2 = 〈 - 2   , 4 〉

Show de bola! Vamos continuar!

Passo 3

Agora vamos encontrar a equação da reta tangente, beleza?

Bom, qualquer ponto ( x , y ) dessa reta deverá ser acessado por um vetor   ⟨ x - 1 , y - 2 ⟩ e esse vetor deve ser perpendicular ao gradiente, logo:

∇ g 1,2 ⋅   〈 x - 1 , y - 2 〉 = 0

- 2   , 4 ⋅   〈 x - 1 , y - 2 〉 = 0

- 2 x - 1 + 4 y - 2 = 0

Podemos fazer a distributiva:

- 2 x + 2 + 4 y - 8 = 0

- 2 x + 4 y - 6 = 0

Simplificando todo mundo por 2 , vamos ficar com:

- x + 2 y - 3 = 0

- x + 2 y = 3

Uhul! Conseguimos!

Resposta

O vetor gradiente será:

∇ g 1,2 = 〈 - 2   , 4 〉

A equação da reta tangente é:

- x + 2 y = 3

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