Enunciado

Esboce o gráfico.

y = (4 x + 3 x^2)/(1 + x^2)

Passo 1

Vamos primeiros olhar o domínio dessa função. Não podemos ter o denominador nulo e como x^2 > 0 o denominador da nossa função nunca irá se anular, então o nosso domínio é o conjunto dos números reais.

Passo 2

Vamos determinar agora os intervalos onde essa função é crescente e onde ela é decrescente. Para isso precisamos calcular a derivada desse carinha

y^' = (4 x + 3 x^2)/(1 + x^2) = ((4 + 6 x) (1 + x^2) - (4 x + 3 x^2) (2 x))/((1 + x^2)^2)

y^' = (4 + 4 x^2 + 6 x + 6 x^3 - 8 x^2 - 6 x^3)/((1 + x^2)^2) = (- 4 x^2 + 6 x + 4)/((1 + x^2)^2)

y^' = - (2 (2 x^2 - 3 x - 2))/((1 + x^2)^2)

Lembrando que nessa continha usamos a regra da divisão!

O denominador sempre será positivo, então basta olhar o sinal do numerador. Como é uma equação do segundo grau temos que resolver que nem lá no ensino médio

x = (3 +- sqrt((- 3)^2 - 4 (2) (- 2)))/(2 (2)) = (3 +- sqrt(9 + 16))/(4) = (3 +- sqrt(25))/(4) = (3 +- 5)/(4)

Ou x = 2 ou x = - 1 // 2 .

Podemos usar a seguinte fatoração

2 x^2 - 3 x - 2 = 2 (x^2 - (3 x)/(2) - 1) = 2 (x - 2) (x + (1)/(2))

Então finalmente a nossa derivada fica

y^' = - (4 (x - 2) (x + (1)/(2)))/((1 + x^2)^2)

Agora podemos olhar os sinais!

Quando x > 2 , temos que (x - 2) > 0 e (x + (1)/(2)) > 0 . Como a expressão tem um sinal de menos na frente vamos ter que y^' < 0 para x > 2 , , ou seja, a função é decrescente nesse intervalo.

Quando (1)/(2) < x < 2 , temos que (x - 2) < 0 e (x + (1)/(2)) > 0 . Como a expressão tem um sinal de menos na frente vamos ter que y^' > 0 para (1)/(2) < x < 2 , ou seja, a função é crescente nesse intervalo.

Quando x < 1 // 2 , temos que (x - 2) < 0 e (x + (1)/(2)) < 0 . Como a expressão tem um sinal de menos na frente vamos ter que y^' < 0 para x < (1)/(2) , ou seja, a função é decrescente nesse intervalo.

Passo 3

Agora vamos olhar a concavidade da curva. Pra isso precisamos da derivada segunda da função!

y^(' ') = (y^')^' = (- (2 (2 x^2 - 3 x - 2))/((1 + x^2)^2))^' = - 2 (((2 x^2 - 3 x - 2))/((1 + x^2)^2))^'

De novo vamos usar a regra da divisão! As derivadas separadas do numerador e do denominador são

(2 x^2 - 3 x - 2)^' = 4 x - 3

((1 + x^2)^2)^' = 2 (1 + x^2) (2 x) = 4 x + 4 x^3

Juntando isso tudo

y^(' ') = - 2 ((4 x - 3) (1 + x^2)^2 - (4 x + 4 x^3) (2 x^2 - 3 x - 2))/((1 + x^2)^4)

y^(' ') = - 2 (((4 x - 3) (1 + 2 x^2 + x^4) - (8 x^3 - 12 x^2 - 8 x + 8 x^5 - 12 x^4 - 8 x^3)))/((1 + x^2)^4)

y^(' ') = - 2 (4 x + 8 x^3 + 4 x^5 - 3 - 6 x^2 - 3 x^4 - 8 x^3 + 12 x^2 + 8 x - 8 x^5 + 12 x^4 + 8 x^3)/((1 + x^2)^4)

y^(' ') = - 2 (- 4 x^5 + 9 x^4 + 8 x^3 + 6 x^2 + 12 x - 3)/((1 + x^2)^4)

E se igualarmos o numerador a 0 chegamos numa equação que não conseguimos resolver! ☹

Mas jogando na calculadora vemos que a derivada segunda se anula para

x tildetilde - 1.1

x tildetilde 0.2

Nesses dois valores, o nosso gráfico terá uma inflexão! Chutando alguns valores pra esse numerador também podemos afirmar que:

y^(' ') < 0 para x < - 1.1 convexa

y^(' ') > 0 para - 1.1 < x < 0.2 côncava

y^(' ') < 0 para x > 0.2 convexa

Passo 4

Agora vamos olhar os limites de x -> +- oo

underset(x -> oo)(lim) (4 x + 3 x^2)/(1 + x^2) = underset(x -> oo)(lim) (x^2 ((4)/(x) + 3))/(x^2 ((1)/(x^2) + 1)) = underset(x -> oo)(lim) (((4)/(x) + 3))/(((1)/(x^2) + 1)) = ((0 + 3))/((0 + 1)) = 3

underset(x -> - oo)(lim) (4 x + 3 x^2)/(1 + x^2) = underset(x -> - oo)(lim) (x^2 ((4)/(x) + 3))/(x^2 ((1)/(x^2) + 1)) = underset(x -> - oo)(lim) (((4)/(x) + 3))/(((1)/(x^2) + 1)) = ((0 + 3))/((0 + 1)) = 3

Passo 5

E por últimos vamos olhar as raízes da nossa função. Isso acontece quando o denominador é nulo, ou seja,

4 x + 3 x^2 = 0 -> x (4 + 3 x) = 0

x = 0

Ou

x = - (4)/(3)

E essas são as raízes da nossa função!

Passo 6

Juntando todas essas informações podemos fazer o seguinte esboço:

Prontinho!!!

Resposta

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