Enunciado

Em que ponto a curva tem curvatura máxima? O que acontece com a curvatura quando x → ∞ ?

y = e x

Passo 1

Bom dia, boa tarde e boa noite meu caro e amado aluno. Partiu mais uma resolução?!

Para achar a curvatura k de uma função f x = y podemos usar a fórmula

κ x = f ' ' x [ 1 + f ' x 2 ] 3 / 2

Então dada a função:

y = e x

Como podemos achar a curvatura em função de x com a fórmula de k x .

Para acharmos a curvatura máxima de uma função, deveremos derivar essa função e igualá-la a zero. O valor da variável que torna essa derivada nula é o valor que torna nossa curvatura máxima.

Então podemos derivar k x e igualar a 0 e assim descobriremos qual o valor de x torna nossa função k x máxima.

Passo 2

Como a derivada da exponencial é ela mesma, f ' ' = f ' = e x

Substituindo na fórmula

κ x = e x 1 + e x 2 3 2  

Como a exponencial é sempre positiva, podemos tirar ela do módulo

κ x = e x [ 1 + e 2 x ] 3 / 2

Passo 3

Derivando κ x usando a regra do quociente:

f g ' = f ' g - f g ' g 2

κ ' = e x [ 1 + e 2 x ] 3 2 - e x 3 2 1 + e 2 x 1 2 ⋅ e 2 x ⋅ 2     [ 1 + e 2 x ] 3

Simplificando o numerador:

κ ' = e x [ 1 + e 2 x ] 3 2 - 3 e 3 x 1 + e 2 x 1 2     [ 1 + e 2 x ] 3

Igualando a 0 para achar o ponto crítico, aqui iremos começar a descobrir qual o valor de x torna nossa função k x máxima:

e x [ 1 + e 2 x ] 3 2 - 3 e 3 x 1 + e 2 x 1 2     [ 1 + e 2 x ] 3 = 0

Quando igualamos uma fração a 0 , seu numerador tem que ser igual a 0 , já que o denominador não pode ser zero:

e x [ 1 + e 2 x ] 3 2 - 3 e 3 x 1 + e 2 x 1 2 = 0

e x [ 1 + e 2 x ] 3 2 = 3 e 3 x 1 + e 2 x 1 2

Dividindo por e x 1 + e 2 x 1 2 :

1 + e 2 x = 3 e 2 x

2 e 2 x = 1

e 2 x = 1 2

Aplicando o logaritmo em ambos os lados pra cancelar a exponencial:

ln ⁡ e 2 x = ln ⁡ 1 2

Utilizando da propriedade ln ⁡ x a = a ln ⁡ x :

2 x = ln ⁡ 1 2

x = ln ⁡ 1 2 2

Ainda utilizando da mesma propriedade:

x = ln ⁡ 1 2

Para saber o ponto, precisamos saber também o y :

y = e x

Substituindo o x que encontramos:

y = e ln ⁡ 1 2 = 1 2

Então o ponto é

ln ⁡ 1 2 , 1 2

Passo 4

Para conferir se esse é um ponto de máximo, podemos comparar o valor da curvatura em um ponto antes e um após.

ln ⁡ 1 2 = - 0,34657

Então podemos usar - 1 como ponto anterior e 0 como superior.

κ x = e x [ 1 + e 2 x ] 3 / 2

Calculando no ponto crítico:

κ ln ⁡ 1 2 = e ln ⁡ 1 2 [ 1 + e 2 ln ⁡ 1 2 ] 3 2

Utilizando a propriedade de e ln ⁡ x = x em conjunto com y ln ⁡ x = ln ⁡ x y :

κ ln ⁡ 1 2 = 1 2 1 + 1 2 3 / 2

Realizando a soma no denominador:

κ ln ⁡ 1 2 = 1 2 3 2 3 2

Reescrevendo em forma de potência fracionada:

κ ln ⁡ 1 2 = 2 3 2 3 3 2 2 - 1 2

Simplificando:

κ ln ⁡ 1 2 = 2 3 3 2

κ ln ⁡ 1 2 = 0,38490 …

Calculando nos outros pontos:

κ - 1 = e - 1 [ 1 + e - 2 ] 3 / 2 = 0,30410 …

κ 0 = e 0 [ 1 + e 0 ] 3 / 2 = 1 2 3 / 2 = 0,35355 …

Então κ ln ⁡ 1 2 > κ - 1 e κ ln ⁡ 1 2 > κ 0 , logo é realmente um ponto de máximo.

Passo 5

Para saber o que acontece quando x → ∞ , vamos calcular o limite

lim x → ∞ ⁡ e x [ 1 + e 2 x ] 3 / 2

Colocando e 2 x em evidência

lim x → ∞ ⁡ e x [ 1 e 2 x + 1 e 2 x ] 3 2

Retirando-o da potência:

lim x → ∞ ⁡ e x 1 e 2 x + 1 3 / 2 e 3 x

Simplificando com o numerador:

lim x → ∞ ⁡ 1 1 e 2 x + 1 3 / 2 e 2 x = 0

Então quando x → ∞ a curvatura vai pra 0 e a função tende a ter um comportamento de reta.

Resposta

ln ⁡ 1 2 , 1 2

Com x → ∞ , κ → 0 .

Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Encontre uma equação vetorial e equações paramétricas para o segmento de reta que liga P e Q . P 1,0 , 1 Q = 2,3 , 1
Encontre uma equação vetorial e equações paramétricas para o segmento de reta que liga P e Q . P - 2,4 , 0 Q = 6 , - 1,2
Esboce o gráfico da curva cuja equação vetorial é dada. Indique com setas a direção na qual o parâmetro cresce. r t =t 3 ,t 2
Determine a função vetorial que representa a curva obtida pela intersecção das duas superfícies. O cone z = x 2 + y 2 e o plano z = 1 + y .
Encontre uma equação vetorial e equações paramétricas para o segmento de reta que liga P e Q p - 2,4 , 0 , Q ( 6 , - 1,2 )