Enunciado

O Gateway Arch em St. Louis foi projetado por Eero Saarinen e contruído usando a equação

y = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x

para a curva central do arco, em que x e y são medidos em metros e x ≤ 91,20 .

  1. Trace a cruva central.
  2. Qual é a altura do arco em seu centro?
  3. Em quais pontos a altura é 100 m?
  4. Qual é a inclinação do arco nos pontos da parte (c)?

Passo 1

Fala galera, nessa questão temos a equação de um arco que é dada por:

y = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x

Daí, vamos usar uma calculadora gráfica para traçar esse arco, sabendo que o módulo de x é menor ou igual a 91,20

x ≤ 91,20

Logo, x está entre - 91,20 e 91,20 .

- 91,20 < x < 91,20

Então, com uso do gráfico, podemos encontrar a altura do arco no seu centro, podemos usar a equação para encontrar em quais pontos x a altura é 100 m e por fim, encontrar a inclinação nesses pontos usando a derivada dessa expressão.

Bora lá?

Passo 2

Vamos lá, para a letra a) queremos o gráfico da curva

y = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x

seria no seguinte formato:

Passo 3

Na letra b), vemos que a altura máxima ocorre em x = 0 , logo, basta substituir x = 0 na expressão:

f 0 = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 × 0

f 0 = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0

Temos que para calcular cosh ⁡ 0 precisamos da fórmula:

cosh ⁡ x = e x + e - x 2

Assim, temos então que:

f 0 = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0

f 0 = 211,49 - 20,96 . e 0 + e - 0 2

f 0 = 211,49 - 20,9.1 = 190,53

Então temos que a altura do arco em seu centro �� 190,53 m.

Passo 4

Para achar os pontos, devemos fazer y = 100 :

100 = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x

111,49 = 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x

111,49 20,96 = cosh ⁡ 0,03291765 x

0,03291765 x = ± cosh - 1 ⁡ 111,49 20,96

Temos que calcular cosh - 1 ⁡ 111,49 20,96 , para isso precisamos da fórmula:

c o s h - 1 x = ln ⁡ x + x 2 - 1

Vamos substituir então:

0,03291765 x = ± cosh - 1 ⁡ 111,49 20,96

x = ± ln ⁡ 111,49 20,96 + 111,49 20,96 2 - 1 0,03291765

x ≈ ± 71,56

Então, os pontos em que a altura é 100 m são:

71,56   ,   100 e - 71,56   ,   100

Passo 5

Para calcular a inclinação devemos derivar a expressão:

y = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x

Então:

y ' = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x '

Vamos usar inicialmente a regra da subtração:

y ' = 211,49 - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x ' = 211,49 ' - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x '

Para derivar o primeiro termo vamos usar a regra da constante:

c ' = 0

Assim, ficamos com:

211,49 ' = 0

Já o segundo termo vamos usar algumas regras, a fórmula da derivada de funções hiperbólicas inversas, da multiplicação por constante e da função x , além da famosa regra da cadeia.

cosh ⁡ x ' = senh ⁡ x

k f x ' = k f ' ( x )

x ' = 1

Vamos aplicar as regras então:

20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x ' = 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x '

= 20,96 senh ⁡ 0,03291765 x 0,03291765 x '

= 20,96 senh ⁡ 0,03291765 x 0,03291765

Vamos agora voltar a expressão original:

y ' = 211,49 ' - 20,96 cosh ⁡ 0,03291765 x ' = 0 - 20,96 senh ⁡ 0,03291765 x . 0,03291765 = - 20,96 senh ⁡ 0,03291765 x . 0,03291765

Nosso próximo passo é calcular senh ⁡ 0,03291765 x , que fica fácil ao sabermos das fórmulas abaixo:

senh ⁡ x = e x - e - x 2 e senh ⁡ - x = - senh ⁡ x = - e x - e - x 2  

Passo 6

Vamos substituir:

y ' = - 20,96 senh ⁡ 0,03291765 x . 0,03291765 = - 20,96 e 0,03291765 x - e - 0,03291765 x 2 . 0,03291765

E por último é só substituir nos pontos que achamos na letra (c):

y ' 71,56 = - 20,96 senh ⁡ 0,03291765.71,56 . 0,03291765 = - 20,96 e 0,03291765.71,56 - e - 0,03291765.71,56 2 . 0,03291765 ≈ - 3,6

y ' - 71,56 = - 20,96 senh ⁡ 0,03291765 . - 71,56 . 0,03291765 = - 20,96 - e 0,03291765.71,56 - e - 0,03291765.71,56 2 . 0,03291765 ≈ 3,6

Assim, a inclinação em 71,56   ,   100 é - 3,6 e a inclinação em - 71,56   ,   100 é 3,6.

Resposta

  1. 190,53 m
  2. 71,56   ,   100 e - 71,56   ,   100
  3. Em 71,56   ,   100 é - 3,6 e em - 71,56   ,   100 é 3,6
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Use a derivação implícita para encontrar uma equação da reta tangente à curva no ponto dado. y sen ⁡ 2 x = x cos ⁡ 2 y ,π 2 , π 4
Use a derivação implícita para encontrar uma equação da reta tangente à curva no ponto dado. sen ⁡ x + y = 2 x - 2 y ,( π , π )
Encontre f ' ( x ) . Verifique se sua resposta é razoável comparando os gráficos de f e f ' . f x = a r c t g ( x 2 - x )
Encontre uma equação da reta tangente à curva no ponto dado. y = x 3 - 3 x + 1 , ( 2,3 )
Se a equação de uma reta tangente à curva f ( x ) em 4,3 passar pelo ponto 0,2 encontre f 4ef ' ( 4 ) .