Fórmulas de Álgebra

As fórmulas das aulas desta matéria, com as condições que tornam cada relação válida.

1Linguagem e expressões algébricas

Propriedade distributiva

a(b+c)=ab+aca(b+c)=ab+ac

a, b e c são números reais. O fator a multiplica cada termo da soma. A propriedade também pode ser lida no sentido inverso, colocando a em evidência.

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Distributiva com subtração

a(b−c)=ab−aca(b-c)=ab-ac

a, b e c são reais. Subtrair c significa somar seu oposto; o sinal de cada produto deve ser preservado, inclusive quando a é negativo.

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Oposto de soma e diferença

−(a+b)=−a−b−(a−b)=−a+b\begin{aligned}-(a+b)&=-a-b\\-(a-b)&=-a+b\end{aligned}

a e b são números reais. O sinal negativo diante do grupo equivale a multiplicar todo o grupo por −1, e não apenas o primeiro termo.

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Redução de termos semelhantes

au+bu=(a+b)uau+bu=(a+b)u

a, b e u são reais. Na aplicação a monômios, a e b são coeficientes e u é exatamente a mesma parte literal, com as mesmas variáveis e expoentes. Não usar para juntar partes literais diferentes.

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Produto de monômios em uma variável

(axm)(bxn)=abxm+n(ax^m)(bx^n)=abx^{m+n}

a, b e x são reais; m e n são inteiros positivos. Multiplicam-se os coeficientes e somam-se os expoentes dos fatores de mesma base. Os termos constantes são tratados como fatores numéricos.

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Quociente de monômios em uma variável

axmbxn=abxm−n\frac{ax^m}{bx^n}=\frac ab x^{m-n}

a e b são reais, b ≠ 0 e x ≠ 0; m e n são inteiros positivos com m ≥ n. Se m = n, a potência x⁰ vale 1 no domínio x ≠ 0. A restrição do denominador original permanece após a simplificação.

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Condição de um denominador

AB estaˊ definida  ⟺  B≠0\begin{gathered}\frac AB\text{ está definida}\\\iff B\ne0\end{gathered}

A e B já devem representar valores reais definidos. Não se divide por zero, mesmo quando A também é zero. Em uma expressão com várias operações, todas as restrições precisam ser satisfeitas simultaneamente.

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Condição da raiz quadrada real

A∈R  ⟺  A≥0\sqrt A\in\mathbb R\iff A\geq0

A é real. A raiz quadrada indicada é a raiz principal, não negativa; por exemplo, √9 = 3. Quando A < 0, não há raiz quadrada real. Raízes de índice ímpar têm outra condição, tratada na aula de Potências e radicais.

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Raiz quadrada no denominador

1A estaˊ definida  ⟺  A>0\begin{gathered}\frac1{\sqrt A}\text{ está definida}\\\iff A>0\end{gathered}

Trabalha-se nos reais. Exige-se A ≥ 0 para a raiz e √A ≠ 0 para a divisão. Juntas, as condições equivalem a A > 0.

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Cancelamento de fator comum

ACBC=AB\frac{AC}{BC}=\frac AB

A, B e C são valores reais definidos, com B ≠ 0 e C ≠ 0. Cancela-se um fator de todo o numerador e de todo o denominador, nunca uma parcela de uma soma. Os valores excluídos da expressão original continuam excluídos.

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Representação de pares e ímpares

par:2nıˊmpar:2n+1\begin{aligned}\text{par}&:2n\\\text{ímpar}&:2n+1\end{aligned}

n é inteiro, positivo, negativo ou zero. Essas formas representam todos os inteiros pares e todos os ímpares. Se o contexto exigir contagens ou números positivos, ajustar o conjunto permitido para n.

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Número decimal de dois algarismos

N=10a+bN=10a+b

a é o algarismo das dezenas, inteiro de 1 a 9, e b é o das unidades, inteiro de 0 a 9. A escrita algébrica ab representa um produto; para o número formado pelos algarismos, usamos 10a + b.

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Expressões para um retângulo

P=2(a+b)S=ab\begin{aligned}P&=2(a+b)\\S&=ab\end{aligned}

a > 0 e b > 0 são comprimentos de lados consecutivos do retângulo na mesma unidade. P é perímetro em unidades de comprimento e S é área na unidade quadrada correspondente.

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Palitos em uma fileira de quadrados

Pn=3n+1P_n=3n+1

n é inteiro e n ≥ 1. São n quadrados em uma única fileira, cada vizinho compartilhando exatamente um lado, sem sobreposição e sem outras ligações. Pₙ conta os palitos distintos; não é uma regra para qualquer desenho de n quadrados.

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2Equações e inequações do primeiro grau

Princípio aditivo da igualdade

A=B ⁣  ⟺   ⁣A+c=B+cA=B\!\iff\! A+c=B+c

A, B e c são valores reais definidos. Somar o mesmo valor aos dois membros preserva a igualdade e pode ser desfeito subtraindo esse valor. Para expressões, a equivalência vale no domínio em que todas estão definidas.

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Princípio multiplicativo da igualdade

A=B  ⟺  kA=kBA=B\iff kA=kB

A e B são reais e k é um real não nulo. A multiplicação pode ser desfeita dividindo por k. Com k = 0, a transformação não é equivalente em geral.

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Reunir os termos de uma equação linear

ax+b=cx+d  ⟺  (a−c)x=d−b\begin{aligned}ax+b&=cx+d\\\iff (a-c)x&=d-b\end{aligned}

a, b, c e d são parâmetros reais fixos; x é a incógnita real. A equivalência vem de subtrair cx e b dos dois membros. Se a = c, é preciso analisar a igualdade constante, sem dividir por zero.

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Solução de ax + b = 0

ax+b=0  ⟺  x=−baax+b=0\iff x=-\frac ba

a e b são reais fixos, com a ≠ 0. Essa é uma equação do primeiro grau em x. A solução real é −b/a; em universo U mais restrito, ela só é solução se pertencer a U.

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Caso de igualdade sempre verdadeira

0x+0=0⟹S=U0x+0=0\quad\Longrightarrow\quad S=U

U é o universo de valores reais admissíveis e S é o conjunto solução. Todos os valores de U satisfazem essa igualdade. Ela é um caso degenerado da forma linear, e não uma equação de grau um após a redução.

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Caso de igualdade impossível

0x+b=0⟹S=∅0x+b=0\quad\Longrightarrow\quad S=\varnothing

b é real e b ≠ 0. A igualdade exigiria b = 0, portanto não há solução em nenhum universo U contido nos reais. O símbolo ∅ representa o conjunto vazio.

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Isolar uma letra em uma fórmula linear

y=ax+b ⁣  ⟺   ⁣x=y−bay=ax+b\!\iff\! x=\frac{y-b}{a}

a, b e y são reais definidos e a ≠ 0. Ao isolar x, subtraímos b e dividimos por a. Se a = 0, a condição passa a ser y = b e deve ser analisada separadamente.

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Somar em uma desigualdade

u<v  ⟺  u+t<v+tu<v\iff u+t<v+t

u, v e t são reais. Somar ou subtrair o mesmo valor mantém a ordem. A propriedade também vale com ≤, > e ≥, preservando o tipo da relação.

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Multiplicar por número positivo

u<v  ⟺  ku<kvu<v\iff ku<kv

u e v são reais e k > 0. A multiplicação e a divisão por um mesmo número positivo preservam o sentido da desigualdade. O mesmo vale para as relações não estritas.

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Multiplicar por número negativo

u<v  ⟺  ku>kvu<v\iff ku>kv

u e v são reais e k < 0. Multiplicar ou dividir pelo mesmo número negativo inverte o sentido da desigualdade. Uma relação ≤ passa a ≥ e vice-versa.

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Inequação linear com coeficiente positivo

ax+b<0  ⟺  x<−baax+b<0\iff x<-\frac ba

a e b são reais fixos, com a > 0. Subtrair b e dividir por a preserva a relação <. Trocando < por ≤ na expressão original, usa-se ≤ na resposta.

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Inequação linear com coeficiente negativo

ax+b<0  ⟺  x>−baax+b<0\iff x>-\frac ba

a e b são reais fixos, com a < 0. A divisão por a inverte < para >. Trocando < por ≤ na expressão original, a resposta usa ≥. Quando a = 0, analisar a afirmação constante.

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Intervalo aberto

x∈(a,b)  ⟺  a<x<bx\in(a,b)\iff a<x<b

a e b são reais, a < b. Os dois extremos são excluídos; representam-se por círculos vazios na reta. A notação ]a,b[ é uma alternativa usada por algumas fontes.

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Intervalo fechado

x∈[a,b]  ⟺  a≤x≤bx\in[a,b]\iff a\leq x\leq b

a e b são reais, a ≤ b. Os extremos são incluídos, com círculos preenchidos na reta. Quando a = b, o intervalo contém um único ponto: {a}.

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Intervalos com um extremo incluído

x∈[a,b)  ⟺  a≤x<bx∈(a,b]  ⟺  a<x≤b\begin{aligned}x\in[a,b)&\iff a\leq x<b\\x\in(a,b]&\iff a<x\leq b\end{aligned}

a e b são reais, com a < b. Colchete inclui o extremo e parêntese o exclui. As notações [a,b[ e ]a,b] são alternativas equivalentes.

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Intervalos ilimitados na reta real

x>a  ⟺  x∈(a,+∞)x≤a  ⟺  x∈(−∞,a]\begin{aligned}x>a&\iff x\in(a,+\infty)\\x\leq a&\iff x\in(-\infty,a]\end{aligned}

a é real. Os símbolos −∞ e +∞ indicam ausência de limite finito, não números reais; por isso sempre recebem parênteses. Para ≥, incluir a; para <, excluir a.

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Condições simultâneas: interseção

S=S1∩S2S=S_1\cap S_2

S₁ e S₂ são conjuntos de valores admissíveis para duas condições ligadas por “e”. A solução comum deve satisfazer ambas. A interseção pode ser vazia ou conter um único valor.

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Condições alternativas: união

S=S1∪S2S=S_1\cup S_2

S₁ e S₂ são conjuntos de soluções de condições ligadas por “ou” inclusivo. Basta satisfazer pelo menos uma; quem satisfaz ambas também pertence à união.

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Inequação mx ≤ c com parâmetro

S={(−∞,c/m],m>0[c/m,+∞),m<0S=\begin{cases}(-\infty,c/m],&m>0\\{[c/m,+\infty)},&m<0\end{cases}

m e c são parâmetros reais fixos; a incógnita x tem universo ℝ. A expressão acima trata de m ≠ 0. Se m = 0, verifica-se 0 ≤ c: S = ℝ quando c ≥ 0 e S = ∅ quando c < 0. Em outro universo U, intersectar a resposta com U.

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3Sistemas do primeiro grau

Sistema linear de duas equações

{ax+by=pcx+dy=q\begin{cases}ax+by=p\\cx+dy=q\end{cases}

a, b, c, d, p e q são reais fixos; x e y são as incógnitas. Cada equação não degenerada tem pelo menos um coeficiente de incógnita não nulo. Casos com ambos nulos exigem analisar a igualdade constante.

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Solução comum às equações

S=S1∩S2S=S_1\cap S_2

S₁ e S₂ são conjuntos de pares ordenados admissíveis que satisfazem cada equação. Uma solução do sistema deve pertencer aos dois conjuntos, na mesma ordem de incógnitas e no universo declarado.

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Isolar y para substituir

ax+by=p  ⟺  y=p−axb\begin{aligned}ax+by&=p\\\iff y&=\frac{p-ax}{b}\end{aligned}

a, b e p são reais fixos e b ≠ 0. Se b = 0 e a ≠ 0, isolar x. Se a = b = 0, a equação é uma condição constante e não permite isolar uma incógnita.

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Comparação de expressões da mesma incógnita

{y=f(x)y=g(x)  ⟺  {y=f(x)f(x)=g(x)\begin{cases}y=f(x)\\y=g(x)\end{cases}\iff\begin{cases}y=f(x)\\f(x)=g(x)\end{cases}
{y=f(x)y=g(x)⇕{y=f(x)f(x)=g(x)\begin{gathered}\begin{cases}y=f(x)\\y=g(x)\end{cases}\\\Updownarrow\\\begin{cases}y=f(x)\\f(x)=g(x)\end{cases}\end{gathered}

f(x) e g(x) indicam expressões definidas no domínio original. Aqui são expressões lineares. É necessário conservar uma das relações para recuperar y; a igualdade f(x) = g(x), sozinha, não determina o par.

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Eliminação preservando uma equação

{A=pB=q  ⟺  {A=pB+kA=q+kp\begin{cases}A=p\\B=q\end{cases}\iff\begin{cases}A=p\\B+kA=q+kp\end{cases}
{A=pB=q⇕{A=pB+kA=q+kp\begin{gathered}\begin{cases}A=p\\B=q\end{cases}\\\Updownarrow\\\begin{cases}A=p\\B+kA=q+kp\end{cases}\end{gathered}

A e B representam expressões reais definidas nas incógnitas; p, q e k são reais fixos. Conservar A = p permite desfazer a operação subtraindo k vezes essa equação. Não é preciso k ≠ 0 nesta operação de soma.

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Coeficiente obtido na eliminação geral

D=ad−bcD=ad-bc

Para ax + by = p e cx + dy = q, com coeficientes reais. D ≠ 0 garante uma única solução real. Se D = 0, analisar a compatibilidade; não dividir por D. D será chamado determinante de ordem dois na matéria de Matrizes.

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Solução do sistema quando D não é zero

x=dp−bqDy=aq−cpD\begin{aligned}x&=\frac{dp-bq}{D}\\y&=\frac{aq-cp}{D}\end{aligned}

D = ad − bc ≠ 0, para ax + by = p e cx + dy = q, com coeficientes reais. Em um universo mais restrito que ℝ², verificar se o par encontrado é admissível.

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Equações proporcionais compatíveis

(c,d,q)=k(a,b,p)(c,d,q)=k(a,b,p)

a e b não são ambos zero, c e d não são ambos zero e k é real não nulo. Esta igualdade entre triplas significa c = ka, d = kb e q = kp: as equações representam a mesma reta, com infinitas soluções reais. Proporcionalidade só dos coeficientes, sem a das constantes, produz retas paralelas distintas.

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Descrever todos os pares de uma reta

S={(t,c−t):t∈R}S=\{(t,c-t):t\in\mathbb R\}

c é real fixo e o universo é ℝ². Esta é a solução de x + y = c: t é um parâmetro livre, não uma terceira incógnita independente. Restrições adicionais do problema devem ser impostas ao par.

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Quantidade total e valor de uma mistura

{x+y=Mr1x+r2y=rM\begin{cases}x+y=M\\r_1x+r_2y=rM\end{cases}

M > 0 é a massa total; x e y são massas não negativas na mesma unidade; r₁, r₂ e r são preços por unidade de massa. O modelo supõe valor aditivo, sem perdas nem custos extras. Para r₁ ≠ r₂, uma mistura admissível exige r entre os dois preços.

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Sistema homogêneo de duas equações

{ax+by=0cx+dy=0\begin{cases}ax+by=0\\cx+dy=0\end{cases}

Todos os coeficientes são reais e o universo é ℝ². O par (0,0) é sempre solução. Se D = ad − bc ≠ 0, é a única. Se D = 0, há infinitas soluções reais, inclusive quando aparecem equações 0 = 0.

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4Potências e radicais

Potência de expoente inteiro positivo

an=a⋅a⋯a⏟n fatoresa^n=\underbrace{a\cdot a\cdots a}_{n\text{ fatores}}

a é real e n é inteiro positivo. A base é a e o expoente é n. Para n = 1, a¹ = a; para a = 0 e n > 0, 0ⁿ = 0. A definição por fatores repetidos não se aplica diretamente a expoentes zero, negativos ou não inteiros.

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Expoente zero e expoente negativo

a0=1,a−n=1ana^0=1,\qquad a^{-n}=\frac1{a^n}
a0=1a−n=1an\begin{aligned}a^0&=1\\a^{-n}&=\frac1{a^n}\end{aligned}

a é real não nulo e n é inteiro positivo. Expoente negativo indica o recíproco, não o oposto. Nesta aula, 0⁰ e potências de zero com expoente negativo não estão definidas.

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Produto de potências de mesma base

aman=am+na^m a^n=a^{m+n}

Para m e n inteiros positivos, a pode ser qualquer real. Para permitir quaisquer m e n inteiros, exigimos a ≠ 0. A mesma base é essencial; a soma dos expoentes não se aplica a uma soma de potências.

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Quociente de potências de mesma base

aman=am−n\frac{a^m}{a^n}=a^{m-n}

a é real não nulo e m, n são inteiros. A restrição evita divisão por zero e deve ser mantida mesmo que a expressão simplificada pareça estar definida em a = 0.

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Potência de uma potência

(am)n=amn(a^m)^n=a^{mn}

a é real não nulo e m, n são inteiros. Com m e n inteiros positivos, a = 0 também é permitido. Não transportar esta regra sem condições para bases negativas e expoentes fracionários.

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Potência de produto e de quociente

(ab)n=anbn,(ab)n=anbn(ab)^n=a^nb^n,\qquad \left(\frac ab\right)^n=\frac{a^n}{b^n}
(ab)n=anbn(ab)n=anbn\begin{aligned}(ab)^n&=a^nb^n\\\left(\frac ab\right)^n&=\frac{a^n}{b^n}\end{aligned}

Para qualquer expoente inteiro n, tomar a e b reais não nulos. Se n for inteiro positivo, o produto permite a ou b zero, e o quociente permite a = 0, mantendo b ≠ 0. Todos os fatores do produto recebem o expoente.

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Notação científica normalizada

N=c⋅10k,1≤∣c∣<10N=c\cdot10^k,\qquad 1\leq|c|<10
N=c⋅10k1≤∣c∣<10\begin{gathered}N=c\cdot10^k\\1\leq|c|<10\end{gathered}

N é real não nulo, c é real e k é inteiro. O módulo |c| é a distância de c até zero. O sinal de c é o de N. Para N = 0, escrevemos simplesmente 0; não há representação normalizada com 1 ≤ |c| < 10.

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Raiz real de índice par

a2k=r  ⟺  {r2k=ar≥0\sqrt[2k]{a}=r\iff\begin{cases}r^{2k}=a\\r\geq0\end{cases}

k é inteiro positivo e a ≥ 0. A raiz indicada pelo radical é o único valor real não negativo cujo expoente 2k produz a. Se a < 0, não há raiz real de índice par. O índice 2 costuma ser omitido.

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Raiz real de índice ímpar

a2k+1=r  ⟺  r2k+1=a\sqrt[2k+1]{a}=r\iff r^{2k+1}=a

k é inteiro positivo e a é real. Há um único r real, com o mesmo sinal de a quando a ≠ 0. Por exemplo, a raiz cúbica de um número negativo é negativa. O índice é pelo menos 3.

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Raiz de uma potência de mesmo índice

xnn={∣x∣,n parx,n ıˊmpar\sqrt[n]{x^n}=\begin{cases}|x|,&n\text{ par}\\x,&n\text{ ímpar}\end{cases}

x é real e n é inteiro, n ≥ 2. O módulo |x| vale x se x ≥ 0 e −x se x < 0. Para índice par, a saída do radical precisa ser não negativa, mesmo quando x é negativo.

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Soluções reais de uma potência par positiva

x2k=a  ⟺  x=±a2kx^{2k}=a\iff x=\pm\sqrt[2k]{a}
x2k=a⇕x=±a2k\begin{gathered}x^{2k}=a\\\Updownarrow\\x=\pm\sqrt[2k]{a}\end{gathered}

k é inteiro positivo e a > 0. A equação tem duas soluções reais opostas. Para a = 0, a única solução é x = 0; para a < 0, não há solução real. O radical isolado representa apenas a raiz não negativa.

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Produto de radicais de mesmo índice

abn=anbn\sqrt[n]{ab}=\sqrt[n]{a}\sqrt[n]{b}

n é inteiro, n ≥ 2. Para n par, exigir a ≥ 0 e b ≥ 0; para n ímpar, a e b podem ser quaisquer reais. Não separar um produto sob raiz par em fatores negativos, mesmo se o produto for positivo.

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Quociente de radicais de mesmo índice

abn=anbn\sqrt[n]{\frac ab}=\frac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}}

n é inteiro, n ≥ 2. Para n par, exigir a ≥ 0 e b > 0; para n ímpar, a é real e b ≠ 0. As condições valem para as expressões separadas; um quociente positivo formado por dois negativos não permite separação em raízes pares reais.

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Raiz de outra raiz

anm=amn\sqrt[m]{\sqrt[n]{a}}=\sqrt[mn]{a}

m e n são inteiros, ambos pelo menos 2. Se a ≥ 0, a igualdade sempre vale. Se a < 0, as expressões reais só existem quando m e n são ambos ímpares; nesse caso a igualdade também vale.

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Extrair uma potência perfeita do radical

cnbn=cbn\sqrt[n]{c^n b}=c\sqrt[n]{b}

n é inteiro, n ≥ 2. Para n par, c ≥ 0 e b ≥ 0. Se c for negativo e b ≥ 0, usar |c| no lado direito. Para n ímpar, c e b podem ser quaisquer reais. Exigir que as expressões apresentadas estejam definidas.

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Ampliar ou reduzir índice e expoente

amn=akmkn\sqrt[n]{a^m}=\sqrt[kn]{a^{km}}

a ≥ 0; m e k são inteiros positivos e n é inteiro, n ≥ 2. Para reduzir, o fator k deve dividir o índice e o expoente e o novo índice deve ser pelo menos 2, ou ser interpretado como a própria potência quando for 1. A condição de sinal impede trocas incorretas de raízes pares por ímpares.

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Somar radicais semelhantes

uan+van=(u+v)anu\sqrt[n]{a}+v\sqrt[n]{a}=(u+v)\sqrt[n]{a}

u e v são reais, n é inteiro e n ≥ 2, e a raiz é real. Os dois radicais precisam ter o mesmo índice e o mesmo radicando, possivelmente depois de simplificar. A igualdade é uma aplicação da distributiva.

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Produto de expressões conjugadas

(u+v)(u−v)=u2−v2(u+v)(u-v)=u^2-v^2

u e v são reais. Os termos conjugados diferem apenas no sinal entre as parcelas. A distributiva produz os termos −uv e +uv, que se cancelam. Quando u = √a e v = √b, exigir a e b não negativos.

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Racionalizar um denominador com raiz quadrada

1a=aa\frac1{\sqrt a}=\frac{\sqrt a}{a}

a > 0. Multiplicamos numerador e denominador por √a, que é não nulo. O mesmo procedimento vale para um numerador real e para fatores racionais não nulos no denominador.

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Racionalizar uma raiz de índice n

1an=an−1na\frac1{\sqrt[n]{a}}=\frac{\sqrt[n]{a^{n-1}}}{a}

a > 0 e n é inteiro, n ≥ 2. O fator escolhido completa n fatores de a sob o radical. Casos com a < 0 podem ser tratados para índice ímpar, preservando os sinais e a condição a ≠ 0.

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Racionalização pelo conjugado

1a+b=a−ba−b\frac1{\sqrt a+\sqrt b}=\frac{\sqrt a-\sqrt b}{a-b}

a ≥ 0, b ≥ 0 e a ≠ b. Essas condições garantem que o denominador original e o fator conjugado sejam não nulos. Se a = b > 0, a fração original existe, mas esta transformação específica não vale: é preciso usar outro procedimento.

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Potência racional de base positiva

am/n=amn=(an)ma^{m/n}=\sqrt[n]{a^m}=\left(\sqrt[n]{a}\right)^m

a > 0, m é inteiro e n é inteiro positivo; para a notação de radical, n ≥ 2, e para n = 1 usamos a potência inteira. Para a = 0 e expoente racional positivo, o valor é 0; para expoente zero ou negativo, zero não é uma base admitida nesta aula.

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Leis das potências racionais

aras=ar+s(ar)s=ars(ab)r=arbr\begin{aligned}a^ra^s&=a^{r+s}\\(a^r)^s&=a^{rs}\\\left(\frac ab\right)^r&=\frac{a^r}{b^r}\end{aligned}

a > 0, b > 0 e r, s são racionais. O quociente de potências de base a também satisfaz aʳ/aˢ = aʳ⁻ˢ, e (ab)ʳ = aʳbʳ. Para bases negativas e expoentes não inteiros, não usar estas leis sem verificar a definição e as condições de cada expressão.

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Comparar radicandos de raízes reais

0≤a<b⟹an<bn0\leq a<b\Longrightarrow\sqrt[n]{a}<\sqrt[n]{b}

n é inteiro, n ≥ 2. Para índice ímpar, a comparação continua válida para quaisquer reais a < b. Para comparar raízes de índices diferentes, não comparar apenas os radicandos: pode-se elevar as duas quantidades não negativas à mesma potência inteira positiva.

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5Polinômios

Polinômio em uma variável

P(x)=anxn+⋯+a1x+a0P(x)=a_nx^n+\cdots+a_1x+a_0
P(x)=anxn+⋯+a1x+a0\begin{aligned}P(x)={}&a_nx^n+\cdots\\&+a_1x+a_0\end{aligned}

Os coeficientes a₀, a₁, …, aₙ são reais fixos e n é inteiro positivo. Os expoentes da variável são inteiros não negativos. A escrita representa uma soma finita; quando n = 1, é apenas a₁x + a₀. Polinômios constantes são escritos P(x) = a₀. O coeficiente do termo constante não é calculado como 0⁰ em x = 0.

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Grau e coeficiente dominante

deg⁡P=max⁡{k:ak≠0}\deg P=\max\{k:a_k\ne0\}

P é não nulo e está reduzido em uma variável; k percorre os expoentes de 0 até um limite inteiro finito da escrita. max significa o maior elemento do conjunto. O coeficiente desse maior expoente é o dominante. Constante não nula tem grau 0; nesta aula o polinômio nulo não tem grau definido.

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Grau total de um monômio

deg⁡(axmyn)=m+n\deg(ax^my^n)=m+n

a é real não nulo; m e n são inteiros não negativos. Para mais variáveis, somam-se todos os expoentes. O grau em relação a x é m e em relação a y é n. Uma constante não nula tem grau total zero. Uma variável com expoente zero não precisa aparecer na escrita.

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Valor numérico de um polinômio

P(c)=ancn+⋯+a1c+a0P(c)=a_nc^n+\cdots+a_1c+a_0
P(c)=ancn+⋯+a1c+a0\begin{aligned}P(c)={}&a_nc^n+\cdots\\&+a_1c+a_0\end{aligned}

c é qualquer real e os coeficientes são reais fixos. A soma tem a mesma organização da definição de P, com n inteiro positivo; constantes são avaliadas como o próprio coeficiente. Substituir x por c em todas as ocorrências e usar parênteses quando c for negativo. Em particular, P(0) = a₀.

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Igualdade de polinômios

P≡Q  ⟺  ak=bk (0≤k≤n)P\equiv Q\iff a_k=b_k\ (0\le k\le n)
P≡Q⇕ak=bk(0≤k≤n)\begin{gathered}P\equiv Q\\\Updownarrow\\a_k=b_k\quad(0\le k\le n)\end{gathered}

P e Q estão reduzidos na mesma variável, com coeficientes reais aₖ e bₖ e um limite comum n para os expoentes. Completar coeficientes ausentes com zero. A identidade compara todos os coeficientes; ela implica valores iguais para todo x real. Coincidir apenas em alguns valores não comprova a identidade.

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Polinômio identicamente nulo

P≡0  ⟺  a0=a1=⋯=an=0P\equiv0\iff a_0=a_1=\cdots=a_n=0
P≡0⇕a0=a1=⋯=an=0\begin{gathered}P\equiv0\\\Updownarrow\\a_0=a_1=\cdots=a_n=0\end{gathered}

A forma de P está reduzida, com todos os coeficientes reais identificados. Ser nulo significa que todos os coeficientes se anulam, não apenas que P(c) = 0 em algum c. Um número c com P(c) = 0 é chamado de zero ou raiz de P.

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Coeficientes na soma e na diferença

ck=ak+bkdk=ak−bk\begin{aligned}c_k&=a_k+b_k\\d_k&=a_k-b_k\end{aligned}

aₖ e bₖ são os coeficientes de x elevado a k em P e Q, completando os ausentes com zero; cₖ é o coeficiente correspondente em P + Q e dₖ em P − Q. k é inteiro não negativo. Somam-se ou subtraem-se somente termos com a mesma parte literal.

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Oposto e subtração de polinômios

P−Q=P+(−Q)P-Q=P+(-Q)

P e Q são polinômios nas mesmas variáveis, com coeficientes reais. O oposto −Q troca o sinal de cada coeficiente de Q. O sinal de subtração antes de um agrupamento atua em todos os termos desse agrupamento.

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Produto de monômios

(axm)(bxn)=abxm+n(ax^m)(bx^n)=abx^{m+n}

a e b são reais; m e n são inteiros não negativos. Expoente zero na notação de monômios representa a parte constante, sem exigir o cálculo de 0⁰. Multiplicam-se os coeficientes e somam-se os expoentes da mesma variável; em várias variáveis, fazer isso separadamente para cada uma.

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Distributiva para polinômios

P(Q+R)=PQ+PRP(Q+R)=PQ+PR

P, Q e R são polinômios com coeficientes reais. Cada termo de um fator multiplica cada termo do outro; depois se reduzem os semelhantes. Os resultados permanecem polinômios. A propriedade também vale quando há mais parcelas ou parcelas negativas.

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Grau de uma soma

deg⁡(P+Q)≤max⁡(deg⁡P,deg⁡Q)\deg(P+Q)\le\max(\deg P,\deg Q)
deg⁡(P+Q)≤max⁡(deg⁡P,deg⁡Q)\begin{gathered}\deg(P+Q)\\\le\max(\deg P,\deg Q)\end{gathered}

P, Q e P + Q são não nulos. Se os graus dos dois polinômios somados forem distintos, o resultado tem o maior deles. Com graus iguais, o termo dominante pode cancelar e diminuir o grau, ou a soma pode ser nula; no último caso esta fórmula com grau não é usada.

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Grau de um produto

deg⁡(PQ)=deg⁡P+deg⁡Q\deg(PQ)=\deg P+\deg Q

P e Q são polinômios não nulos em uma variável com coeficientes reais. O produto dos coeficientes dominantes é não nulo e acompanha o termo de maior expoente. O produto também é não nulo. Se um fator for o polinômio nulo, o produto é nulo e não se usa a fórmula de graus.

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Quociente de monômios como expressão

axmbxn=abxm−n\frac{ax^m}{bx^n}=\frac ab x^{m-n}

a é real, b é real não nulo e m, n são inteiros não negativos. Como fração numérica, exigir x ≠ 0 se n > 0 e preservar essa exclusão depois de simplificar. Se m ≥ n, o lado direito é um monômio; se m < n e a ≠ 0, o expoente negativo não fornece um polinômio. Divisão euclidiana é uma operação diferente, com quociente e resto.

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Identidade da divisão euclidiana

A=BQ+RA=BQ+R

A e B são polinômios em uma variável com coeficientes reais, e B é um polinômio não nulo. Existem únicos polinômios Q e R com esta identidade e com R = 0 ou deg R < deg B. A é o dividendo, B o divisor, Q o quociente e R o resto. B não nulo não significa que B(x) seja diferente de zero em todo x.

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Grau do quociente euclidiano

deg⁡Q=deg⁡A−deg⁡B\deg Q=\deg A-\deg B

A e B são não nulos, deg A ≥ deg B, e Q é o quociente da divisão euclidiana de A por B nos reais. Nesse caso Q é não nulo. Se A é nulo, Q = R = 0; se A é não nulo de grau menor que B, Q = 0 e R = A, sem atribuir grau ao quociente nulo.

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Divisão euclidiana e fração

A(x)B(x)=Q(x)+R(x)B(x)\frac{A(x)}{B(x)}=Q(x)+\frac{R(x)}{B(x)}

A = BQ + R é a identidade da divisão euclidiana e a igualdade de frações vale somente nos reais x para os quais B(x) ≠ 0. Se R = 0, a fração coincide com Q no domínio original; os zeros de B continuam excluídos da fração, embora a identidade polinomial seja válida neles.

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6Produtos notáveis e fatoração

Quadrado da soma

(a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2=a^2+2ab+b^2

a e b são reais, ou expressões reais definidas no domínio considerado. O termo central é duas vezes o produto dos dois termos completos. A dedução por áreas exige comprimentos não negativos; a identidade algébrica vale para quaisquer a e b reais.

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Quadrado da diferença

(a−b)2=a2−2ab+b2(a-b)^2=a^2-2ab+b^2

a e b são reais. O último termo é não negativo porque (−b)² = b²; ele vale zero se b = 0. O sinal de subtração aparece no termo central −2ab. No desenho por recortes, supor a > b > 0. A identidade algébrica independe dessa restrição geométrica.

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Produto de conjugados e diferença de quadrados

(a+b)(a−b)=a2−b2(a+b)(a-b)=a^2-b^2

a e b são reais. A distributiva cancela os termos −ab e +ab. Lendo da direita para a esquerda, fatoramos uma diferença de quadrados. Para representar uma diferença de áreas por recorte, exigir a > b ≥ 0.

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Cubo da soma

(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3(a+b)^3=a^3+3a^2b+3ab^2+b^3
(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3\begin{aligned}(a+b)^3={}&a^3+3a^2b\\&+3ab^2+b^3\end{aligned}

a e b são reais. A expansão resulta de multiplicar (a + b) pelo quadrado da soma. Os termos mistos têm coeficientes 3; a³ + b³, isoladamente, é outra expressão.

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Cubo da diferença

(a−b)3=a3−3a2b+3ab2−b3(a-b)^3=a^3-3a^2b+3ab^2-b^3
(a−b)3=a3−3a2b+3ab2−b3\begin{aligned}(a-b)^3={}&a^3-3a^2b\\&+3ab^2-b^3\end{aligned}

a e b são reais. Substituir b por −b na identidade do cubo da soma. O termo com b² aparece como +3ab² e o termo com b³ como −b³; esses sinais na escrita não determinam o sinal numérico de cada termo quando a ou b são negativos. A identidade também vale nesses casos.

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Quadrado de três termos

(a+b+c)2=a2+b2+c2+2ab+2ac+2bc(a+b+c)^2=a^2+b^2+c^2+2ab+2ac+2bc
(a+b+c)2=a2+b2+c2+2ab+2ac+2bc\begin{gathered}(a+b+c)^2\\=a^2+b^2+c^2\\+2ab+2ac+2bc\end{gathered}

a, b e c são reais. Além dos três quadrados, aparecem duas vezes os três produtos entre termos distintos. Uma subtração é tratada incluindo o sinal no termo correspondente.

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Cubo de três termos, forma agrupada

(a+b+c)3=a3+b3+c3+3(a+b)(a+c)(b+c)(a+b+c)^3=a^3+b^3+c^3+3(a+b)(a+c)(b+c)
(a+b+c)3=a3+b3+c3+3(a+b)(a+c)(b+c)\begin{gathered}(a+b+c)^3\\=a^3+b^3+c^3\\+3(a+b)(a+c)(b+c)\end{gathered}

a, b e c são reais. O produto final contém os seis termos mistos com uma variável ao quadrado e duas ocorrências de abc; multiplicar por 3 produz os coeficientes mistos 3 e o coeficiente 6 de abc.

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Três termos cuja soma é zero

a+b+c=0 ⟹ a3+b3+c3=3abca+b+c=0\ \Longrightarrow\ a^3+b^3+c^3=3abc
a+b+c=0⇓a3+b3+c3=3abc\begin{gathered}a+b+c=0\\\Downarrow\\a^3+b^3+c^3=3abc\end{gathered}

a, b e c são reais e a + b + c = 0. Essa hipótese é suficiente para garantir a conclusão, que é obtida substituindo c = −(a + b) e usando o cubo da soma. Não se pode afirmar a conclusão para quaisquer trios reais sem uma hipótese adequada.

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Fator comum em evidência

AB+AC=A(B+C)AB+AC=A(B+C)

A, B e C são reais ou polinômios. Esta é a distributiva lida no sentido inverso. Não precisamos dividir por A para justificar a identidade, por isso os valores em que A = 0 continuam permitidos.

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Fatoração por agrupamento

AB+AC+DB+DC=(A+D)(B+C)AB+AC+DB+DC=(A+D)(B+C)
AB+AC+DB+DC=(A+D)(B+C)\begin{aligned}AB+AC+DB+DC\\=(A+D)(B+C)\end{aligned}

A, B, C e D são reais ou polinômios. Primeiro, AB + AC = A(B + C) e DB + DC = D(B + C); depois se evidencia o fator B + C. A identidade não exige que os fatores sejam não nulos.

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Trinômio mônico: soma e produto

x2+(m+n)x+mn=(x+m)(x+n)x^2+(m+n)x+mn=(x+m)(x+n)
x2+(m+n)x+mn=(x+m)(x+n)\begin{aligned}x^2+(m+n)x+mn\\=(x+m)(x+n)\end{aligned}

x, m e n são reais. Para fatorar x² + px + q dessa forma, procurar m + n = p e mn = q. A busca apenas por inteiros pode falhar mesmo quando existem fatores com coeficientes reais.

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Comparar dois fatores lineares

(ux+v)(wx+z)=uwx2+(uz+vw)x+vz(ux+v)(wx+z)=uwx^2+(uz+vw)x+vz
(ux+v)(wx+z)=uwx2+(uz+vw)x+vz\begin{gathered}(ux+v)(wx+z)\\=uwx^2\\+(uz+vw)x+vz\end{gathered}

u, v, w e z são reais. Para representar Ax² + Bx + C, exigir uw = A, uz + vw = B e vz = C. Quando A ≠ 0, u e w são não nulos. A igualdade resulta dos quatro produtos da distributiva.

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Separação do termo central: método AC

Ax2+Bx+C=Ax2+mx+nx+C\begin{gathered}Ax^2+Bx+C\\=Ax^2+mx+nx+C\end{gathered}

A, B e C são reais, A ≠ 0, e escolhemos m e n com m + n = B e mn = AC. A igualdade escrita usa a soma; a condição de produto permite o agrupamento que produz fatores. Não supor que sempre exista um par inteiro, nem dividir por um coeficiente que possa ser zero.

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Fatoração de uma soma de cubos

a3+b3=(a+b)(a2−ab+b2)a^3+b^3=(a+b)(a^2-ab+b^2)
a3+b3=(a+b)(a2−ab+b2)\begin{gathered}a^3+b^3\\=(a+b)(a^2-ab+b^2)\end{gathered}

a e b são reais ou polinômios. A expansão cancela os termos mistos. O sinal do termo ab no segundo fator é negativo. Esta é uma fatoração de a³ + b³, que não deve ser confundida com (a + b)³.

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Fatoração de uma diferença de cubos

a3−b3=(a−b)(a2+ab+b2)a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)
a3−b3=(a−b)(a2+ab+b2)\begin{gathered}a^3-b^3\\=(a-b)(a^2+ab+b^2)\end{gathered}

a e b são reais ou polinômios. A expansão cancela os termos mistos. O sinal do termo ab no segundo fator é positivo. É possível que os fatores obtidos ainda admitam decomposição após uma substituição: examinar cada fator.

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Completar um quadrado

x2+px+q=(x+p2)2+q−p24x^2+px+q=\left(x+\frac p2\right)^2+q-\frac{p^2}{4}
x2+px+q=(x+p2)2+q−p24\begin{aligned}x^2+px+q={}&\left(x+\frac p2\right)^2\\&+q-\frac{p^2}{4}\end{aligned}

x, p e q são reais. Somamos e subtraímos (p/2)² sem mudar a expressão. A identidade permite reconhecer uma diferença de quadrados ou mostrar positividade. A resolução geral das equações quadráticas será desenvolvida na aula própria.

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Criar uma diferença de quadrados

a4+4b4=(a2+2b2−2ab)(a2+2b2+2ab)a^4+4b^4=(a^2+2b^2-2ab)(a^2+2b^2+2ab)
a4+4b4=(a2+2b2−2ab)⋅(a2+2b2+2ab)\begin{gathered}a^4+4b^4\\=(a^2+2b^2-2ab)\\\quad\cdot(a^2+2b^2+2ab)\end{gathered}

a e b são reais. Escrever a⁴ + 4b⁴ = (a² + 2b²)² − (2ab)² demonstra a fatoração. A técnica mostra que uma soma de quadrados pode admitir fatores; não se deve generalizar a impossibilidade de fatorar x² + 1 para toda soma de quadrados.

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Princípio do produto nulo

UV=0  ⟺  U=0 ou V=0UV=0\iff U=0\ \text{ou}\ V=0
UV=0⇕U=0 ou V=0\begin{gathered}UV=0\\\Updownarrow\\U=0\ \text{ou}\ V=0\end{gathered}

U e V são reais. Se U ≠ 0, dividir UV = 0 por U força V = 0; a volta é imediata. Em equações com vários fatores reais, pelo menos um deles deve zerar. Não vale substituir zero por outro número e aplicar a mesma regra.

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Cancelar fatores mantendo o domínio

ABAC=BC\frac{AB}{AC}=\frac BC

A, B e C são expressões reais. Para a fração original existir, exigir A ≠ 0 e C ≠ 0. As exclusões de A continuam no domínio mesmo que esse fator desapareça da escrita simplificada. Cancelar fatores de um produto é diferente de eliminar parcelas de uma soma.

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Obter soma de quadrados e soma de cubos

a2+b2=(a+b)2−2aba3+b3=(a+b)3−3ab(a+b)\begin{aligned}a^2+b^2&=(a+b)^2-2ab\\a^3+b^3&=(a+b)^3-3ab(a+b)\end{aligned}
a2+b2=(a+b)2−2aba3+b3=(a+b)3−3ab(a+b)\begin{aligned}a^2+b^2&=(a+b)^2-2ab\\a^3+b^3&=(a+b)^3\\&\quad-3ab(a+b)\end{aligned}

a e b são reais. A primeira expressão vem do quadrado da soma. Na segunda, 3a²b + 3ab² = 3ab(a + b). Conhecer a soma e o produto pode bastar para calcular essas expressões sem determinar a e b.

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7Frações algébricas e equações fracionárias

Fração algébrica e domínio

F(x)=P(x)Q(x)D={x∈R:Q(x)≠0}\begin{gathered}F(x)=\frac{P(x)}{Q(x)}\\\mathcal D=\{x\in\mathbb R:Q(x)\ne0\}\end{gathered}

P e Q são polinômios reais em uma variável, e Q não é o polinômio nulo. O domínio 𝒟 reúne os valores reais em que o denominador é não nulo. Em várias variáveis, exigir todas as condições correspondentes. Um numerador zero é permitido quando o denominador não zera.

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Construir frações equivalentes

AB=kAkB\frac AB=\frac{kA}{kB}

A, B e k são valores de expressões reais no domínio considerado; B ≠ 0 e k ≠ 0. Multiplicamos por k/k = 1. Se k depender da variável, seus zeros não podem ser acrescentados ao domínio da nova fração; a equivalência é afirmada apenas onde ambas existem.

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Igualdade de duas frações

AB=CD  ⟺  AD=BC\frac AB=\frac CD\iff AD=BC

B ≠ 0 e D ≠ 0, com todas as expressões reais definidas. Multiplicar a igualdade por BD, não nulo, é reversível nesse domínio. A equação AD = BC, isoladamente, pode aceitar valores excluídos pelas frações originais.

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Simplificar fatores comuns

KAKB=AB\frac{KA}{KB}=\frac AB

K ≠ 0 e B ≠ 0 no domínio original. O fator K precisa multiplicar todo o numerador e todo o denominador. Seus zeros continuam excluídos mesmo que desapareça da escrita simplificada. Cancelamento não se aplica a parcelas isoladas de somas.

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Sinais e denominadores opostos

−AB=A−B=−AB−A−B=AB\begin{gathered}\frac{-A}{B}=\frac{A}{-B}=-\frac AB\\\frac{-A}{-B}=\frac AB\end{gathered}

A e B são expressões reais definidas e B ≠ 0. Um único sinal negativo pode ser colocado no numerador, no denominador ou fora da fração; dois sinais negativos se anulam. Em particular, a − x = −(x − a).

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Somar ou subtrair com mesmo denominador

AB+CB=A+CBAB−CB=A−CB\begin{aligned}\frac AB+\frac CB&=\frac{A+C}{B}\\\frac AB-\frac CB&=\frac{A-C}{B}\end{aligned}

B ≠ 0 e as expressões são reais definidas. O denominador comum é mantido; apenas os numeradores são somados ou subtraídos. Na subtração de um numerador com várias parcelas, o sinal atua no agrupamento inteiro.

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Somar com denominadores diferentes

AB+CD=AD+BCBD\frac AB+\frac CD=\frac{AD+BC}{BD}

B ≠ 0 e D ≠ 0. Multiplicar por D/D e B/B dá um denominador comum BD; ele é válido, mas pode ter fatores repetidos desnecessários. Para subtrair, trocar o sinal entre AD e BC. Conservar todas as exclusões originais.

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Reescrever usando um denominador comum

BE=M ⟹ AB=AEMB E=M\ \Longrightarrow\ \frac AB=\frac{AE}{M}

M é um múltiplo polinomial de B e E é o fator complementar, com BE = M. A igualdade de frações vale onde B ≠ 0 e E ≠ 0. Ao escolher um denominador comum, declarar seu domínio; nos exemplos, os fatores escolhidos não introduzem zeros além dos já excluídos.

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Multiplicar frações algébricas

AB⋅CD=ACBD\frac AB\cdot\frac CD=\frac{AC}{BD}

B ≠ 0 e D ≠ 0, com as expressões reais definidas. Os numeradores podem ser zero. Fatorar antes da multiplicação pode facilitar o cancelamento, mas as restrições dos dois denominadores originais permanecem.

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Recíproco de uma fração não nula

(AB)−1=BA\left(\frac AB\right)^{-1}=\frac BA

A ≠ 0 e B ≠ 0. B precisa ser não nulo para a fração original existir; A precisa ser não nulo para que ela tenha recíproco. O produto da fração por seu recíproco é 1 nesse domínio.

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Dividir frações algébricas

AB÷CD=AB⋅DC\frac AB\div\frac CD=\frac AB\cdot\frac DC

B ≠ 0, D ≠ 0 e C ≠ 0. As duas frações devem existir e a fração divisora C/D deve ser não nula. A pode ser zero. Inverter a segunda fração não autoriza esquecer que D já era um denominador original.

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Fração sobre fração

ABCD=ADBC\frac{\frac AB}{\frac CD}=\frac{AD}{BC}

B ≠ 0, D ≠ 0 e C ≠ 0. A barra principal indica divisão da fração superior pela inferior. Se houver somas dentro do numerador ou do denominador principal, simplificá-las com seus agrupamentos antes de aplicar esta forma.

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Potência inteira positiva de uma fração

(AB)n=AnBn\left(\frac AB\right)^n=\frac{A^n}{B^n}

n é inteiro positivo, B ≠ 0 e A é real. A regra vem de repetir o produto n vezes. Ela permite numerador zero e mantém as restrições de todas as expressões originais.

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Potência inteira negativa de uma fração

(AB)−n=(BA)n\left(\frac AB\right)^{-n}=\left(\frac BA\right)^n

n é inteiro positivo e A ≠ 0, B ≠ 0. A fração original precisa existir e ser não nula. Aplicar o recíproco antes da potência positiva; a restrição B ≠ 0 permanece mesmo se B passar ao numerador.

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Quando uma fração vale zero

AB=0  ⟺  A=0\frac AB=0\iff A=0

B ≠ 0 e todas as expressões estão definidas no domínio original. Os zeros do numerador que também anulam o denominador não são soluções da equação fracionária. 0 dividido por um número não nulo é zero; 0/0 não é definido.

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Multiplicar uma equação por expressão não nula

U=V  ⟺  MU=MVU=V\iff MU=MV

U e V estão definidos no domínio comum 𝒟 e M(x) ≠ 0 em todo x de 𝒟. A volta exige dividir por M, por isso a condição é essencial. Para eliminar denominadores, multiplicar todos os termos dos dois membros pelo mesmo M, conservando 𝒟.

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Conferir candidatos no domínio

S={x∈D:N(x)=0}S=\{x\in\mathcal D:N(x)=0\}

Se uma equação fracionária foi reduzida, de modo equivalente em seu domínio 𝒟, a N(x) = 0, seu conjunto solução S contém apenas os zeros de N que pertencem a 𝒟. Candidatos excluídos pelo domínio não se tornam soluções por satisfazerem a equação polinomial.

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Separar parcelas do numerador

A+CB=AB+CB\frac{A+C}{B}=\frac AB+\frac CB

B ≠ 0 e as expressões são reais definidas. A barra atua sobre todo o numerador agrupado. Esta propriedade não permite separar um denominador somado: em geral A/(B + C) é diferente de A/B + A/C.

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Trabalho conjunto com taxas constantes

1T=1t1+1t2\frac1T=\frac1{t_1}+\frac1{t_2}

t₁ e t₂ são tempos positivos para completar separadamente a mesma tarefa inteira. As taxas são constantes, os trabalhos se somam e não há interferência. T é o tempo conjunto, na mesma unidade. Somam-se taxas de trabalho, não os tempos individuais.

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Tempo, distância e velocidade constante

t=dvt=\frac dv

d > 0 é a distância, v > 0 é a velocidade constante e t > 0 é o tempo. Usar unidades compatíveis, como km e km/h para obter horas. Em etapas sucessivas, somar os tempos de cada etapa; o domínio físico pode restringir mais que os denominadores algébricos.

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8Equações do segundo grau

Forma padrão do segundo grau

ax2+bx+c=0ax^2+bx+c=0

a, b e c são constantes reais e a ≠ 0. A forma é obtida após desenvolver e reduzir os dois membros. b e c podem ser zero. Nesta aula, a incógnita e as soluções procuradas são reais; restrições da equação original permanecem.

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Produto nulo nos reais

UV=0  ⟺  U=0 ou V=0UV=0\iff U=0\ \text{ou}\ V=0
UV=0⇕U=0 ou V=0\begin{gathered}UV=0\\\Updownarrow\\U=0\ \text{ou}\ V=0\end{gathered}

U e V são expressões reais definidas no domínio considerado. Se U ≠ 0, dividir por U obriga V = 0; se U = 0, o produto já é zero. Para usar a propriedade, é preciso ter produto igual a zero, não uma soma igual a zero.

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Caso com termo constante nulo

ax2+bx=0  ⟺  x=0 ou x=−baax^2+bx=0\iff x=0\ \text{ou}\ x=-\frac ba
ax2+bx=0⇕x=0 ou x=−ba\begin{gathered}ax^2+bx=0\\\Updownarrow\\x=0\ \text{ou}\ x=-\frac ba\end{gathered}

a ≠ 0 e b real. Fatorar x(ax + b) evita perder a solução zero. Se b = 0, as duas expressões indicam o mesmo valor: há somente uma solução distinta, zero.

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Caso sem termo linear

x2=−cax^2=-\frac ca

Esta é a redução de ax² + c = 0, com a ≠ 0. Se −c/a > 0, existem duas soluções opostas; se −c/a = 0, somente zero; se −c/a < 0, não existe solução real. Não extrair raiz real de um número negativo.

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Resolver um quadrado isolado

(x−h)2=k  ⟺  x=h±k(x-h)^2=k\iff x=h\pm\sqrt{k}
(x−h)2=k⇕x=h±k\begin{gathered}(x-h)^2=k\\\Updownarrow\\x=h\pm\sqrt{k}\end{gathered}

h e k são reais, com k ≥ 0. Para k > 0, os sinais dão duas soluções; para k = 0, um único valor h. Se k < 0, o conjunto solução real é vazio. A raiz √k é a principal, não negativa; o símbolo ± considera os dois valores possíveis do termo elevado ao quadrado.

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Completar o quadrado

x2+px+(p2)2=(x+p2)2x^2+px+\left(\frac p2\right)^2=\left(x+\frac p2\right)^2
x2+px+(p2)2=(x+p2)2\begin{gathered}x^2+px+\left(\frac p2\right)^2\\=\left(x+\frac p2\right)^2\end{gathered}

p e x reais. A igualdade vem da expansão do quadrado da soma. Ao acrescentar (p/2)² a um membro de uma equação, acrescentar o mesmo ao outro. Se o coeficiente de x² não for 1, dividir primeiro por esse coeficiente não nulo.

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Identidade que leva à fórmula geral

ax2+bx+c=0⇕(2ax+b)2=Δ\begin{gathered}ax^2+bx+c=0\\\Updownarrow\\(2ax+b)^2=\Delta\end{gathered}

a ≠ 0, a, b, c e x reais e Δ = b² − 4ac. Multiplicar a primeira equação por 4a e completar o quadrado é reversível. Esta equivalência justifica a classificação pelo discriminante sem supor a positivo.

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Discriminante

Δ=b2−4ac\Delta=b^2-4ac

a, b e c são os coeficientes reais da forma padrão, com a ≠ 0. Δ > 0 significa duas raízes reais distintas; Δ = 0 significa uma raiz real dupla; Δ < 0 significa ausência de raízes reais. O sinal de Δ não determina sozinho os sinais das raízes.

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Fórmula geral de resolução

x=−b±Δ2ax=\frac{-b\pm\sqrt{\Delta}}{2a}

a ≠ 0 e Δ = b² − 4ac ≥ 0 para soluções reais. Calcular separadamente os dois sinais; ambos os termos do numerador são divididos por 2a. Se Δ = 0, os sinais produzem o mesmo valor. A fórmula também é válida para a negativo.

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Raiz dupla

Δ=0 ⟹ r=−b2a\Delta=0\ \Longrightarrow\ r=-\frac b{2a}

a ≠ 0 e coeficientes reais. Nesse caso ax² + bx + c = a(x − r)². O valor r tem multiplicidade dois na fatoração, mas o conjunto solução contém um único elemento.

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Fórmula quando b é o dobro de um número

x=−k±k2−acax=\frac{-k\pm\sqrt{k^2-ac}}a

a ≠ 0, b = 2k e k² − ac ≥ 0 para raízes reais. Substituir b = 2k na fórmula geral, usar √(4(k² − ac)) = 2√(k² − ac) e simplificar por 2. k pode ser qualquer real; em cálculos com b inteiro par, reduz a aritmética.

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Soma das raízes

S=r1+r2=−baS=r_1+r_2=-\frac ba

a ≠ 0 e Δ ≥ 0 para raízes reais r₁ e r₂. Se Δ = 0, considerar a raiz duas vezes nesta soma. S aqui representa a soma; o conjunto solução será chamado 𝒮 nos trechos que usam os dois conceitos.

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Produto das raízes

P=r1r2=caP=r_1r_2=\frac ca

a ≠ 0 e Δ ≥ 0 para raízes reais, contando duas vezes a raiz dupla. Produto positivo exige raízes de mesmo sinal; produto negativo exige sinais opostos; produto zero significa ao menos uma raiz zero. Verificar a existência real antes de interpretar sinais.

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Forma fatorada pelas raízes reais

ax2+bx+c=a(x−r1)(x−r2)ax^2+bx+c=a(x-r_1)(x-r_2)
ax2+bx+c=a(x−r1)(x−r2)\begin{gathered}ax^2+bx+c\\=a(x-r_1)(x-r_2)\end{gathered}

a ≠ 0, coeficientes reais e Δ ≥ 0. Os valores r₁ e r₂ são as raízes, repetidas se Δ = 0. Expandir o produto e usar soma e produto justifica a identidade. Com Δ < 0, não há fatoração em dois fatores lineares reais.

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Construir uma equação a partir das raízes

x2−Sx+P=0x^2-Sx+P=0

Para duas raízes reais dadas r₁ e r₂, S = r₁ + r₂ e P = r₁r₂. Esta é a equação mônica que as tem como raízes, contando repetição. Multiplicar seus dois membros por constante não nula gera outras equações com o mesmo conjunto solução.

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Soma dos quadrados das raízes

r12+r22=S2−2Pr_1^2+r_2^2=S^2-2P

r₁ e r₂ são raízes reais, S = r₁ + r₂ e P = r₁r₂. Expandir S² = r₁² + 2r₁r₂ + r₂². A relação evita resolver individualmente as raízes quando só se pede essa combinação.

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Soma dos recíprocos das raízes

1r1+1r2=SP\frac1{r_1}+\frac1{r_2}=\frac SP

As raízes são reais e ambas não nulas: P ≠ 0, equivalentemente c ≠ 0 para a ≠ 0. A soma usa denominador comum r₁r₂. Não dividir por P antes de conferir essa condição.

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Ponto médio das raízes reais

m=r1+r22=−b2am=\frac{r_1+r_2}2=-\frac b{2a}

a ≠ 0 e Δ ≥ 0. m é o ponto médio na reta real; com raiz dupla, coincide com ela. Esta afirmação não pressupõe uma ordem entre as duas expressões obtidas pelos sinais da fórmula geral.

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Distância entre as raízes

∣r1−r2∣=Δ∣a∣|r_1-r_2|=\frac{\sqrt{\Delta}}{|a|}

a ≠ 0 e Δ ≥ 0 para raízes reais. A distância é não negativa; o módulo de a é indispensável se a < 0. A distância de cada raiz ao ponto médio é √Δ/(2|a|).

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Substituição em uma equação biquadrada

ax4+bx2+c=0t=x2≥0at2+bt+c=0\begin{gathered}ax^4+bx^2+c=0\\t=x^2\ge0\\at^2+bt+c=0\end{gathered}

a ≠ 0 e coeficientes reais. Para cada solução t > 0, retornar a x = ±√t; para t = 0, retornar somente x = 0; para t < 0, não há x real correspondente. A equação original é de quarto grau, quadrática apenas na nova incógnita t.

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Uma substituição com recíprocos

(x+1x)2=x2+2+1x2\left(x+\frac1x\right)^2=x^2+2+\frac1{x^2}

x real e x ≠ 0. Se t = x + 1/x, cada candidato t deve permitir soluções reais de x² − tx + 1 = 0; isso exige t² − 4 ≥ 0. Substituir não autoriza aceitar automaticamente todo t real obtido.

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Soluções após uma redução equivalente no domínio

S={x∈D:ax2+bx+c=0}\mathcal S=\{x\in\mathcal D:ax^2+bx+c=0\}
S={x∈D:ax2+bx+c=0}\begin{gathered}\mathcal S=\{x\in\mathcal D:\\ax^2+bx+c=0\}\end{gathered}

𝒟 é o domínio da equação original, incluindo as restrições do enunciado. A redução a ax² + bx + c = 0 deve ser equivalente em 𝒟, com a ≠ 0. Resolver a quadrática em ℝ fornece candidatos, que só permanecem se pertencem a 𝒟 e conferem na original.

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9Inequações e estudo de sinais

Somar a mesma expressão preserva a ordem

U<V  ⟺  U+W<V+WU<V\iff U+W<V+W
U<V⇕U+W<V+W\begin{gathered}U<V\\\Updownarrow\\U+W<V+W\end{gathered}

U, V e W são expressões reais definidas no domínio considerado. Somar a mesma quantidade aos dois membros preserva a relação, mesmo se W for negativa. A regra vale também para >, ≤ e ≥. Todas as expressões originais precisam continuar definidas.

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O sinal do multiplicador decide a orientação

M>0: U<V  ⟺  MU<MVM<0: U<V  ⟺  MU>MV\begin{gathered}M>0:\ U<V\iff MU<MV\\M<0:\ U<V\iff MU>MV\end{gathered}
M>0:U<V  ⟺  MU<MVM<0:U<V  ⟺  MU>MV\begin{gathered}M>0:\\U<V\iff MU<MV\\M<0:\\U<V\iff MU>MV\end{gathered}

M, U e V são reais definidos em cada entrada do domínio. Para M > 0, preservar a orientação; para M < 0, inverter. Dividir por M segue a mesma regra quando M ≠ 0. Se M puder mudar de sinal, separar casos; se M = 0, a multiplicação não é uma equivalência. As versões não estritas seguem o mesmo princípio.

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Intervalo com extremos de tipos diferentes

a<x≤b  ⟺  x∈(a,b]a<x\le b\iff x\in(a,b]

a e b são reais, com a < b. Parêntese exclui o extremo; colchete inclui. Infinito e menos infinito não são números reais incluídos: os lados correspondentes de intervalos infinitos usam parênteses.

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Fatorar uma expressão linear pelo seu zero

ax+b=a(x−r),r=−baax+b=a(x-r),\qquad r=-\frac ba
ax+b=a(x−r)r=−ba\begin{gathered}ax+b=a(x-r)\\r=-\frac ba\end{gathered}

a e b reais, a ≠ 0. À esquerda de r, x − r é negativo; à direita, positivo; em r, zero. Multiplicar pelo sinal de a determina o sinal de ax + b. Se a = 0, a expressão é a constante b e precisa de análise própria.

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Quando um produto é positivo

UV>0  ⟺  (U>0 e V>0)ou (U<0 e V<0)\begin{gathered}UV>0\iff\\(U>0\ \text{e}\ V>0)\\\text{ou}\ (U<0\ \text{e}\ V<0)\end{gathered}

U e V são valores reais definidos. Produto positivo exige fatores de mesmo sinal e não nulos. Produto negativo exige sinais opostos. Um produto de vários fatores não nulos é negativo se a quantidade de fatores negativos é ímpar, e positivo se é par.

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Quando um produto vale zero

UV=0  ⟺  U=0 ou V=0\begin{gathered}UV=0\iff\\U=0\ \text{ou}\ V=0\end{gathered}

U e V reais definidos no domínio original. Um fator zero torna o produto zero apenas se todos os outros fatores estiverem definidos. Na relação ≥ ou ≤, zeros permitidos podem ser incluídos; nas relações > ou <, não.

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Potência par fora e no zero

(x−r)2n>0(x≠r)(r−r)2n=0\begin{gathered}(x-r)^{2n}>0\quad(x\ne r)\\(r-r)^{2n}=0\end{gathered}

r e x reais e n inteiro positivo. A potência par é positiva dos dois lados de r, portanto não troca o sinal ao atravessar r. Se estiver no denominador, r é sempre excluído; no numerador, pode ser um zero permitido.

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Potência ímpar e mudança de sinal

{(x−r)2n+1<0,x<r(x−r)2n+1=0,x=r(x−r)2n+1>0,x>r\begin{cases}(x-r)^{2n+1}<0,&x<r\\(x-r)^{2n+1}=0,&x=r\\(x-r)^{2n+1}>0,&x>r\end{cases}

x e r reais e n inteiro não negativo. Uma potência ímpar tem o mesmo sinal de sua base. Na fatoração de um polinômio, a quantidade de cópias do fator x − r é a multiplicidade do zero; multiplicidade ímpar troca o sinal e par o preserva, se o restante for não nulo nesse ponto.

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Quadrática com duas raízes reais distintas

Q(x)=a(x−r1)(x−r2)Q(x)=a(x-r_1)(x-r_2)

Q(x) = ax² + bx + c, com a ≠ 0 e Δ = b² − 4ac > 0. As raízes são ordenadas como r₁ < r₂. O produto dos fatores é positivo fora do intervalo entre elas, negativo dentro e zero nos extremos. Para obter o sinal de Q, considerar também o sinal de a.

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Sinal da quadrática dividido pelo coeficiente principal

Q(x)/a>0  ⟺  x<r1 ou x>r2Q(x)/a<0  ⟺  r1<x<r2\begin{gathered}Q(x)/a>0\iff\\x<r_1\ \text{ou}\ x>r_2\\Q(x)/a<0\iff r_1<x<r_2\end{gathered}
Q(x)/a>0  ⟺  x<r1 ou x>r2Q(x)/a<0  ⟺  r1<x<r2\begin{gathered}Q(x)/a>0\iff\\x<r_1\ \text{ou}\ x>r_2\\Q(x)/a<0\iff\\r_1<x<r_2\end{gathered}

a ≠ 0, Δ > 0 e r₁ < r₂ são as raízes reais de Q. Q é zero em r₁ e r₂. Se a > 0, Q tem os sinais indicados; se a < 0, os sinais de Q são os opostos. Acrescentar os zeros permitidos nas desigualdades não estritas.

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Sinal de uma quadrática com raiz dupla

Q(x)=a(x−r)2Q(x)=a(x-r)^2

Q(x) = ax² + bx + c, a ≠ 0 e Δ = 0; r = −b/(2a). Fora de r, Q tem o sinal de a; em r, é zero. Portanto não há troca de sinal em r. Algumas inequações dão somente {r}, outras excluem r, aceitam todos os reais ou não têm solução.

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Quadrática sem raízes reais

Q(x)=a[(x+b2a)2−Δ4a2]Q(x)=a\left[\left(x+\frac b{2a}\right)^2-\frac{\Delta}{4a^2}\right]
Q(x)=a[(x+b2a)2−Δ4a2]\begin{gathered}Q(x)=\\a\left[\left(x+\frac b{2a}\right)^2-\frac{\Delta}{4a^2}\right]\end{gathered}

a ≠ 0 e Δ < 0, com coeficientes reais. O termo entre colchetes é estritamente positivo para todo x real, pois o quadrado é não negativo e −Δ/(4a²) é positivo. Logo Q tem sempre o sinal de a e nunca zera.

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Quadrática não negativa em todos os reais

Q(x)≥0 para todo x∈R  ⟺  a>0 e Δ≤0\begin{gathered}Q(x)\ge0\ \text{para todo }x\in\mathbb R\\\iff a>0\ \text{e}\ \Delta\le0\end{gathered}

Q(x) = ax² + bx + c é quadrática real, com a ≠ 0. Com Δ = 0, há um único zero; com Δ < 0, Q é sempre positiva. Para exigir Q > 0 em todos os reais, é necessário e suficiente a > 0 e Δ < 0. Os casos a = 0 são lineares ou constantes e ficam fora desta equivalência.

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Zero de uma fração e domínio

ND=0  ⟺  N=0\frac ND=0\iff N=0

N e D reais definidos e D ≠ 0. Zeros do denominador não são zeros do quociente. Um zero comum ao numerador e ao denominador permanece excluído, inclusive em relações ≥ ou ≤.

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Transformar um quociente em produto pelo quadrado do denominador

ND≥0  ⟺  ND≥0\frac ND\ge0\iff ND\ge0

N e D reais definidos, com D ≠ 0. Multiplicar a inequação por D², estritamente positivo nesse domínio, preserva a orientação e transforma N/D em ND. A mesma equivalência vale com >, < ou ≤ no lugar de ≥, sempre mantendo D ≠ 0.

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Reunir a comparação em uma única fração

AB−CD=AD−BCBD\frac AB-\frac CD=\frac{AD-BC}{BD}

A, B, C e D são expressões reais definidas, B ≠ 0 e D ≠ 0. Para comparar A/B com C/D, subtrair o segundo membro dos dois lados e estudar o sinal desta diferença. Não multiplicar por BD sem saber seu sinal ou separar casos.

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Cancelar fatores conservando o domínio

KAKB=AB\frac{KA}{KB}=\frac AB

K, A e B reais definidos no domínio original, K ≠ 0 e B ≠ 0. O cancelamento preserva os valores nesse domínio; os zeros do fator cancelado continuam proibidos. No quadro de sinais da forma simplificada, marcar esses pontos excluídos separadamente.

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Aplicar o domínio à seleção de sinais

S=D∩T\mathcal S=\mathcal D\cap T

𝒟 é o domínio da escrita original, incluindo as condições do contexto; T reúne os intervalos e pontos escolhidos na análise equivalente dos sinais. A solução 𝒮 aceita apenas os elementos comuns. Extremo onde um denominador original zera nunca é incluído.

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Condições simultâneas: interseção

S=A∩B\mathcal S=A\cap B

A e B são os conjuntos que resolvem separadamente as duas condições no mesmo universo e respeitando todos os domínios originais. A interseção contém os valores que atendem às duas: a ligação é “e”. Uma cadeia de desigualdades também pede interseção.

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Condições alternativas: união

S=A∪B\mathcal S=A\cup B

A e B são conjuntos de soluções no universo declarado. A união aceita os valores que atendem a pelo menos uma condição: a ligação é “ou” inclusivo. Se o enunciado impõe um domínio comum adicional, ele ainda deve ser respeitado.

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Intervalo entre duas raízes que podem mudar de ordem

(x−m)(x−r)≤0  ⟺  min⁡(m,r)≤x≤max⁡(m,r)\begin{gathered}(x-m)(x-r)\le0\\\iff\min(m,r)\le x\le\max(m,r)\end{gathered}
(x−m)(x−r)≤0⇕min⁡(m,r)≤xe x≤max⁡(m,r)\begin{gathered}(x-m)(x-r)\le0\\\Updownarrow\\\min(m,r)\le x\\\text{e }x\le\max(m,r)\end{gathered}

m e r são reais fixos; min indica o menor e max o maior. Se m = r, a solução é somente {r}; se forem diferentes, é o intervalo fechado entre eles. Para a relação estrita < 0, o intervalo é aberto quando m ≠ r e vazio quando m = r.

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Uma cadeia representa duas condições

α≤F(x)<β  ⟺  (F(x)≥α e F(x)<β)\begin{gathered}\alpha\le F(x)<\beta\\\iff\bigl(F(x)\ge\alpha\ \text{e}\ F(x)<\beta\bigr)\end{gathered}
α≤F(x)<β⇕F(x)≥αe F(x)<β\begin{gathered}\alpha\le F(x)<\beta\\\Updownarrow\\F(x)\ge\alpha\\\text{e }F(x)<\beta\end{gathered}

α e β são reais fixos, com α < β, e F está definida no domínio considerado. Resolver as duas inequações e tomar a interseção; não a união. A inclusão de cada extremo depende da relação correspondente e do domínio.

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10Equações com radicais e módulo

Raiz principal de índice par

A2n=B  ⟺  {A=B2nB≥0\sqrt[2n]{A}=B\iff\begin{cases}A=B^{2n}\\B\ge0\end{cases}
A2n=B⇕{A=B2nB≥0\begin{gathered}\sqrt[2n]{A}=B\\\Updownarrow\\\begin{cases}A=B^{2n}\\B\ge0\end{cases}\end{gathered}

n é inteiro positivo, e A e B são expressões reais definidas no domínio considerado. A raiz par existe nos reais somente para A ≥ 0 e seu valor é não negativo. Na equivalência, A = B²ⁿ já garante A ≥ 0. Restrições de outras expressões originais continuam válidas.

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Raiz de índice ímpar e potência reversível

A2n+1=B  ⟺  A=B2n+1\sqrt[2n+1]{A}=B\iff A=B^{2n+1}
A2n+1=B⇕A=B2n+1\begin{gathered}\sqrt[2n+1]{A}=B\\\Updownarrow\\A=B^{2n+1}\end{gathered}

n é inteiro positivo; A e B são reais definidos. Raízes de índice ímpar aceitam radicando e resultado negativos. A potência ímpar é injetiva nos reais: números diferentes não produzem a mesma potência ímpar, permitindo a equivalência sem exigir B ≥ 0.

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Radical par no denominador

1A2n existe em R  ⟺  A>0\frac1{\sqrt[2n]{A}}\ \text{existe em }\mathbb R\iff A>0
1A2n existe em R⇕A>0\begin{gathered}\frac1{\sqrt[2n]{A}}\text{ existe em }\mathbb R\\\Updownarrow\\A>0\end{gathered}

n é inteiro positivo e A é real definido. A ≥ 0 faz a raiz par existir; A ≠ 0 evita denominador zero. As duas condições juntas exigem A > 0. Outras restrições da escrita original também devem ser aplicadas.

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O que se conserva ao elevar ao quadrado

u2=v2  ⟺  (u=v ou u=−v)u^2=v^2\iff(u=v\ \text{ou}\ u=-v)
u2=v2⇕u=v ou u=−v\begin{gathered}u^2=v^2\\\Updownarrow\\u=v\ \text{ou}\ u=-v\end{gathered}

u e v reais. A identidade u² − v² = (u − v)(u + v) justifica os dois casos. De u = v segue u² = v², mas a volta isolada pode aceitar o caso de sinais opostos. Se ambos os membros forem não negativos, u² = v² equivale a u = v.

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Uma raiz quadrada isolada

A=B  ⟺  {A=B2B≥0\sqrt A=B\iff\begin{cases}A=B^2\\B\ge0\end{cases}

A e B reais definidos no domínio original. A condição B ≥ 0 é essencial porque √A é a raiz principal. Se apenas elevar ao quadrado sem registrar o sinal, os resultados serão candidatos que precisam ser conferidos na original. A = B² implica A ≥ 0, mas não remove outras exclusões.

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Igualdade entre duas raízes quadradas

A=B  ⟺  A=B\sqrt A=\sqrt B\iff A=B

A ≥ 0 e B ≥ 0, com todas as expressões definidas no domínio comum. Ambos os membros são não negativos, então elevar ao quadrado é reversível. Não usar a igualdade A = B para aceitar entradas em que as raízes originais não existam.

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Quadrado de uma soma de radicais

(A+B)2=A+B+2AB(\sqrt A+\sqrt B)^2=A+B+2\sqrt{AB}
(A+B)2=A+B+2AB\begin{gathered}(\sqrt A+\sqrt B)^2\\=A+B+2\sqrt{AB}\end{gathered}

A e B reais não negativos. O termo misto 2√A√B não pode ser omitido. A regra √A√B = √(AB) usa as duas condições A ≥ 0 e B ≥ 0; AB ≥ 0 isoladamente não faz duas raízes reais negativas existirem.

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Substituir a raiz quadrada

t=x  ⟺  {x=t2t≥0t=\sqrt x\iff\begin{cases}x=t^2\\t\ge0\end{cases}

x real não negativo. Cada candidato da equação em t precisa respeitar t ≥ 0 antes de voltar a x. No retorno, x = t²; a condição t ≥ 0 impede aceitar um valor negativo como saída da raiz principal.

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Raiz quadrada com limite superior

A≤B  ⟺  {A≥0B≥0A≤B2\sqrt A\le B\iff\begin{cases}A\ge0\\B\ge0\\A\le B^2\end{cases}

A e B são expressões reais definidas. Para a versão estrita √A < B, exigir A ≥ 0, B > 0 e A < B². O caso B < 0 não tem solução em nenhuma das duas versões; para B = 0, somente a versão não estrita pode aceitar A = 0.

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Raiz quadrada com limite inferior

A>B  ⟺  {A≥0B<0 ou (B≥0 e A>B2)\sqrt A>B\iff\begin{cases}A\ge0\\B<0\ \text{ou}\ (B\ge0\ \text{e}\ A>B^2)\end{cases}
A>B⇕{A≥0B<0 ou(B≥0 e A>B2)\begin{gathered}\sqrt A>B\\\Updownarrow\\\begin{cases}A\ge0\\\begin{gathered}B<0\ \text{ou}\\(B\ge0\ \text{e}\ A>B^2)\end{gathered}\end{cases}\end{gathered}

A e B são expressões reais definidas. Quando B < 0, qualquer raiz principal definida já é maior que B. Quando B ≥ 0, ambos os membros são não negativos e a comparação equivale à dos quadrados. Na versão ≥, o caso B ≤ 0 aceita todo A ≥ 0; para B > 0, exigir A ≥ B².

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Definição de módulo

∣u∣={u,u≥0−u,u<0|u|=\begin{cases}u,&u\ge0\\-u,&u<0\end{cases}

u real. O módulo é a distância de u até zero, sempre não negativa. A escrita −u não é necessariamente negativa: no segundo caso, u é negativo e −u é positivo. |u| = 0 ocorre exatamente quando u = 0.

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Raiz de um quadrado

u2=∣u∣\sqrt{u^2}=|u|

u real. A raiz principal precisa ser não negativa. O resultado é u se u ≥ 0 e −u se u < 0; substituir por u sem examinar seu sinal pode alterar a equação ou criar uma identidade falsa.

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Módulo de produto e de quociente

∣uv∣=∣u∣∣v∣∣uv∣=∣u∣∣v∣\begin{gathered}|uv|=|u||v|\\\left|\frac uv\right|=\frac{|u|}{|v|}\end{gathered}

u e v reais; a igualdade do produto permite zeros, e a do quociente exige v ≠ 0. Além disso, |−u| = |u| e |u|² = u². As propriedades são justificadas pelos sinais e pelos quadrados; não afirmar que |u + v| = |u| + |v| para quaisquer reais.

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Desigualdade triangular nos reais

∣u+v∣≤∣u∣+∣v∣|u+v|\le|u|+|v|

u e v reais. A soma de dois deslocamentos tem módulo no máximo igual à soma dos módulos. Somar −|u| ≤ u ≤ |u| e −|v| ≤ v ≤ |v| e usar a definição de módulo demonstra a desigualdade. Não transformar essa desigualdade em igualdade sem uma condição adicional.

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Distância entre dois reais

d(x,a)=∣x−a∣d(x,a)=|x-a|

x e a reais na mesma escala. A distância é não negativa e não depende da ordem: |x − a| = |a − x|. Na reta, |x − a| = r, com r > 0, corresponde aos dois pontos a − r e a + r; para r = 0, apenas a.

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Equação modular com valor constante

∣A∣=c  ⟺  (A=c ou A=−c)|A|=c\iff(A=c\ \text{ou}\ A=-c)
∣A∣=c⇕A=c ou A=−c\begin{gathered}|A|=c\\\Updownarrow\\A=c\ \text{ou}\ A=-c\end{gathered}

A é real definido e c é constante real não negativa. Para c > 0, os dois valores possíveis de A são distintos; para c = 0, ambos indicam A = 0. Se c < 0, o conjunto solução é vazio, e não se aplica a separação de casos como se o módulo pudesse ser negativo.

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Equação modular com segundo membro variável

∣A∣=B  ⟺  {B≥0A=B ou A=−B|A|=B\iff\begin{cases}B\ge0\\A=B\ \text{ou}\ A=-B\end{cases}
∣A∣=B⇕{B≥0A=B ou A=−B\begin{gathered}|A|=B\\\Updownarrow\\\begin{cases}B\ge0\\A=B\ \text{ou}\ A=-B\end{cases}\end{gathered}

A e B são expressões reais definidas. Resolver cada ramo e manter apenas os valores que também satisfazem B ≥ 0 e o domínio original. Elevar ao quadrado sem verificar B ≥ 0 pode aceitar candidatos de sinal incompatível.

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Igualdade de dois módulos

∣A∣=∣B∣  ⟺  (A=B ou A=−B)|A|=|B|\iff(A=B\ \text{ou}\ A=-B)
∣A∣=∣B∣⇕A=B ou A=−B\begin{gathered}|A|=|B|\\\Updownarrow\\A=B\ \text{ou}\ A=-B\end{gathered}

A e B reais definidos no domínio comum. Os dois membros são não negativos; a igualdade equivale a A² = B², que se fatora em (A − B)(A + B) = 0. Nenhuma hipótese de que A ou B seja positivo é necessária.

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Módulo limitado por cima

∣A∣≤B  ⟺  −B≤A≤B∣A∣<B  ⟺  −B<A<B\begin{gathered}|A|\le B\iff -B\le A\le B\\|A|<B\iff -B<A<B\end{gathered}
∣A∣≤B⇕−B≤A≤B∣A∣<B⇕−B<A<B\begin{gathered}|A|\le B\\\Updownarrow\\-B\le A\le B\\[8pt]|A|<B\\\Updownarrow\\-B<A<B\end{gathered}

A e B são expressões reais definidas. As cadeias representam duas condições simultâneas: usar interseção. Se B < 0, ambas são impossíveis; se B = 0, a primeira exige A = 0 e a segunda é impossível. Para limite constante positivo, representam a região interna entre os extremos.

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Módulo limitado por baixo

∣A∣>B  ⟺  A>B ou A<−B∣A∣≥B  ⟺  A≥B ou A≤−B\begin{gathered}|A|>B\iff A>B\ \text{ou}\ A<-B\\|A|\ge B\iff A\ge B\ \text{ou}\ A\le-B\end{gathered}
∣A∣>B⇕A>B ou A<−B∣A∣≥B⇕A≥B ou A≤−B\begin{gathered}|A|>B\\\Updownarrow\\A>B\ \text{ou}\ A<-B\\[8pt]|A|\ge B\\\Updownarrow\\A\ge B\ \text{ou}\ A\le-B\end{gathered}

A e B reais definidos. Cada linha é uma união de dois ramos. As equivalências valem inclusive para B negativo: nesse caso a união aceita todo o domínio. Para B = 0, > exige A ≠ 0, enquanto ≥ aceita todo o domínio. Para B > 0, as regiões são externas aos extremos −B e B.

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Comparar módulos pelos quadrados

∣A∣≤∣B∣  ⟺  A2≤B2|A|\le|B|\iff A^2\le B^2

A e B reais definidos. Ambos os módulos são não negativos e a potência quadrada preserva a ordem nessa faixa. A mesma equivalência vale com <, > ou ≥. Não substituir os módulos por A e B sem conhecer seus sinais.

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Soma de distâncias a dois pontos

∣x−a∣+∣x−b∣≥b−aigualdade  ⟺  a≤x≤b\begin{gathered}|x-a|+|x-b|\ge b-a\\\text{igualdade}\iff a\le x\le b\end{gathered}

a, b e x reais, com a < b. A desigualdade triangular fornece o limite inferior b − a. A igualdade ocorre em todo o intervalo fechado entre os dois pontos, não apenas no ponto médio. Fora dele, a soma cresce linearmente ao se afastar dos pontos.

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Dois módulos: resolver de fora para dentro

∣∣A∣−c∣=m  ⟺  {∣A∣=c+mou ∣A∣=c−m\bigl||A|-c\bigr|=m\iff\begin{cases}|A|=c+m\\\text{ou }|A|=c-m\end{cases}
∣∣A∣−c∣=m⇕∣A∣=c+mou ∣A∣=c−m\begin{gathered}\bigl||A|-c\bigr|=m\\\Updownarrow\\\begin{gathered}|A|=c+m\\\text{ou }|A|=c-m\end{gathered}\end{gathered}

A real definido, c ≥ 0 e m ≥ 0 constantes. Depois de retirar o módulo externo, cada segundo membro de um ramo interno precisa ser não negativo. Se m < 0, a equação original é impossível. Quando os ramos coincidirem, não repetir elementos no conjunto solução.

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11Números complexos

Unidade imaginária

i2=−1i^2=-1

i é a unidade imaginária, um número não real. Seu oposto −i também tem quadrado −1. A identidade define as contas com i; não significa que um quadrado real possa ser negativo.

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Forma algébrica e componentes

z=a+bi,a,b∈RRe⁡(z)=a,Im⁡(z)=b\begin{gathered}z=a+bi,\quad a,b\in\mathbb R\\\operatorname{Re}(z)=a,\quad\operatorname{Im}(z)=b\end{gathered}

Cada complexo tem uma única escrita a + bi com a e b reais. A parte imaginária é o coeficiente b, não o termo bi. Identificamos o real a com a + 0i, de modo que ℝ está contido em ℂ.

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Igualdade de números complexos

a+bi=c+di  ⟺  (a=c e b=d)a+bi=c+di\iff(a=c\ \text{e}\ b=d)
a+bi=c+di⇕a=c e b=d\begin{gathered}a+bi=c+di\\\Updownarrow\\a=c\ \text{e}\ b=d\end{gathered}

a, b, c e d reais. As duas igualdades precisam valer simultaneamente. Em particular, a + bi = 0 se e somente se a = 0 e b = 0.

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Real e imaginário puro

z∈R  ⟺  b=0z imaginaˊrio puro⇕a=0 e b≠0\begin{gathered}z\in\mathbb R\iff b=0\\z\text{ imaginário puro}\\\Updownarrow\\a=0\ \text{e}\ b\ne0\end{gathered}

z = a + bi com a, b reais. Nesta aula, imaginário puro exclui zero. O número zero é real e tem ambas as componentes nulas. Um complexo não real exige b ≠ 0; ele pode ter parte real não nula.

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Ciclo das potências de i

i4k=1,i4k+1=ii4k+2=−1,i4k+3=−i\begin{gathered}i^{4k}=1,\quad i^{4k+1}=i\\i^{4k+2}=-1,\quad i^{4k+3}=-i\end{gathered}

k é qualquer inteiro. Como i ≠ 0 e i⁴ = 1, o ciclo vale também para expoentes inteiros negativos. Para reduzir um expoente n, escreva n = 4k + r com r em {0, 1, 2, 3}.

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Convenção para a raiz de um real negativo

−r=ir(r≥0)\sqrt{-r}=i\sqrt r\quad(r\ge0)

r real não negativo. Aqui o radical de −r denota o valor principal indicado; a equação z² = −r tem soluções ±i√r, que coincidem em zero se r = 0. As regras de produto de raízes reais não se estendem automaticamente a radicandos complexos.

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Adição e subtração

z+w=(a+c)+(b+d)iz−w=(a−c)+(b−d)i\begin{gathered}z+w=(a+c)+(b+d)i\\z-w=(a-c)+(b-d)i\end{gathered}

z = a + bi e w = c + di, com componentes reais. Soma-se ou subtrai-se cada componente correspondente. O oposto de z é −a − bi; o zero é 0 + 0i.

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Multiplicação na forma algébrica

(a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i(a+bi)(c+di)=(ac-bd)+(ad+bc)i
(a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i\begin{gathered}(a+bi)(c+di)\\=(ac-bd)+(ad+bc)i\end{gathered}

a, b, c e d reais. Aplicar a distributiva e substituir i² por −1. As propriedades associativa, comutativa e distributiva continuam válidas em ℂ.

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Conjugado e dupla conjugação

z‾=a−biz‾‾=z\begin{gathered}\overline z=a-bi\\\overline{\overline z}=z\end{gathered}

z = a + bi, com a e b reais. A conjugação preserva a parte real e troca o sinal da parte imaginária. No plano, reflete o ponto no eixo real. z = conjugado de z se e somente se z é real.

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Soma, diferença e produto com o conjugado

z+z‾=2az−z‾=2bizz‾=a2+b2\begin{gathered}z+\overline z=2a\\z-\overline z=2bi\\z\overline z=a^2+b^2\end{gathered}

z = a + bi, a e b reais. O produto é real não negativo, e só é zero quando z = 0. Soma e diferença permitem recuperar as componentes.

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Recuperar as partes real e imaginária

Re⁡(z)=z+z‾2Im⁡(z)=z−z‾2i\begin{gathered}\operatorname{Re}(z)=\frac{z+\overline z}{2}\\\operatorname{Im}(z)=\frac{z-\overline z}{2i}\end{gathered}

z é qualquer complexo. As duas expressões resultam em números reais. Na segunda, dividir por 2i remove a unidade imaginária do termo 2bi.

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Conjugação e operações

z+w‾=z‾+w‾zw‾=z‾ w‾z/w‾=z‾/w‾\begin{gathered}\overline{z+w}=\overline z+\overline w\\\overline{zw}=\overline z\,\overline w\\\overline{z/w}=\overline z/\overline w\end{gathered}

z e w complexos; a igualdade do quociente exige w ≠ 0. A regra da subtração também vale. Para expoentes inteiros n ≥ 1, o conjugado de zⁿ é (conjugado de z)ⁿ, inclusive se z = 0. Para n ≤ 0, exigimos z ≠ 0, mantendo 0⁰ sem valor nesta aula.

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Divisão por um complexo não nulo

a+bic+di=ac+bdc2+d2+bc−adc2+d2i\frac{a+bi}{c+di}=\frac{ac+bd}{c^2+d^2}+\frac{bc-ad}{c^2+d^2}i
a+bic+di=ac+bdc2+d2+bc−adc2+d2i\begin{gathered}\frac{a+bi}{c+di}\\=\frac{ac+bd}{c^2+d^2}\\{}+\frac{bc-ad}{c^2+d^2}i\end{gathered}

a, b, c e d reais, com c + di ≠ 0, equivalente a c² + d² > 0. Basta que pelo menos um de c ou d seja não nulo. Multiplicar numerador e denominador por c − di preserva o quociente.

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Inverso multiplicativo

1z=z‾a2+b2\frac1z=\frac{\overline z}{a^2+b^2}

z = a + bi ≠ 0, a e b reais. O denominador é estritamente positivo. O inverso é o único complexo que, multiplicado por z, produz 1. Em particular, 1/i = −i.

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Módulo e produto pelo conjugado

∣z∣=a2+b2zz‾=∣z∣2\begin{gathered}|z|=\sqrt{a^2+b^2}\\z\overline z=|z|^2\end{gathered}

z = a + bi, com a e b reais. O módulo é a distância do ponto (a, b) à origem: real não negativo, e zero somente em z = 0. Se b = 0, a fórmula se reduz ao módulo real |a|, não necessariamente a.

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Módulo de produto, quociente e conjugado

∣zw∣=∣z∣∣w∣∣z/w∣=∣z∣/∣w∣∣z‾∣=∣−z∣=∣z∣\begin{gathered}|zw|=|z||w|\\|z/w|=|z|/|w|\\|\overline z|=|-z|=|z|\end{gathered}

z e w complexos; o quociente exige w ≠ 0. Para inteiro n ≥ 1, |zⁿ| = |z|ⁿ; para n ≤ 0, essa regra exige z ≠ 0, usando z⁰ = 1. As igualdades se justificam por z vezes seu conjugado e pela raiz real não negativa.

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Distância entre dois afixos

d(z,w)=∣z−w∣=(a−c)2+(b−d)2\begin{gathered}d(z,w)=|z-w|\\=\sqrt{(a-c)^2+(b-d)^2}\end{gathered}

z = a + bi e w = c + di, com componentes reais na mesma escala nos dois eixos. A distância é simétrica, não negativa e só é zero se z = w.

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Desigualdades do módulo

∣z+w∣≤∣z∣+∣w∣∣∣z∣−∣w∣∣≤∣z−w∣\begin{gathered}|z+w|\le|z|+|w|\\\bigl||z|-|w|\bigr|\le|z-w|\end{gathered}

z e w são quaisquer complexos. As comparações são entre módulos reais. A primeira é a desigualdade triangular; a segunda é sua forma reversa, obtida aplicando a primeira a (z − w) + w e depois trocando z e w.

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Multiplicação por i no plano

i(a+bi)=−b+aii(a+bi)=-b+ai

a e b reais. O ponto (a, b) passa a (−b, a): giro de 90° no sentido anti-horário em torno da origem. O módulo é preservado. Multiplicar por −1 corresponde a um giro de 180°.

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Equação linear complexa

Az+B=0  ⟺  z=−B/AAz+B=0\iff z=-B/A
Az+B=0⇕z=−B/A\begin{gathered}Az+B=0\\\Updownarrow\\z=-B/A\end{gathered}

A e B complexos fixos, com A ≠ 0. Há uma única solução em ℂ. Se A = 0 e B = 0, todos os complexos resolvem; se A = 0 e B ≠ 0, não há solução. Em equações com conjugados, z e seu conjugado estão vinculados: não são duas incógnitas independentes.

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Quadrática real com discriminante negativo

Δ=b2−4ac<0  ⟹  z=−b±i−Δ2a\Delta=b^2-4ac<0\implies z=\frac{-b\pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}
Δ=b2−4ac<0z=−b2a±−Δ2ai\begin{gathered}\Delta=b^2-4ac<0\\z=\frac{-b}{2a}\pm\frac{\sqrt{-\Delta}}{2a}i\end{gathered}

a, b e c reais, a ≠ 0. Há duas raízes não reais distintas e conjugadas. Como √(−Δ) é uma raiz real positiva, a expressão está definida. O conjunto das duas raízes independe do sinal de a.

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Raízes quadradas por componentes

(u+vi)2=a+bi⇕{u2−v2=a2uv=bu2+v2=a2+b2\begin{gathered}(u+vi)^2=a+bi\\\Updownarrow\\\begin{cases}u^2-v^2=a\\2uv=b\end{cases}\\u^2+v^2=\sqrt{a^2+b^2}\end{gathered}

a, b, u e v reais. A última igualdade decorre de (u² + v²)² = a² + b² e u² + v² ≥ 0. Para um número não nulo, há duas raízes quadradas opostas; para zero, só zero. Não confundir a lista das raízes com a escolha de um radical principal.

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Construção das raízes de um complexo não real

ρ=a2+b2u=ρ+a2,v=b2uw=u+vi ou w=−u−vi\begin{gathered}\rho=\sqrt{a^2+b^2}\\u=\sqrt{\frac{\rho+a}{2}},\quad v=\frac b{2u}\\w=u+vi\ \text{ou}\ w=-u-vi\end{gathered}
ρ=a2+b2u=ρ+a2v=b2uw=u+viou w=−u−vi\begin{gathered}\rho=\sqrt{a^2+b^2}\\u=\sqrt{\frac{\rho+a}{2}}\\v=\frac b{2u}\\w=u+vi\\\text{ou}\ w=-u-vi\end{gathered}

a e b reais, com b ≠ 0; procuramos w² = a + bi. Então ρ > |a|, garantindo u > 0 e divisão por 2u válida. O sinal de v é o de b. Se b = 0, tratar separadamente: a > 0 dá ±√a, a < 0 dá ±i√(−a) e a = 0 dá zero.

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Equação quadrática com coeficientes complexos

Az2+Bz+C=0  ⟹  z=−B±w2A,w2=B2−4ACAz^2+Bz+C=0\implies z=\frac{-B\pm w}{2A},\quad w^2=B^2-4AC
Δ=B2−4ACw2=Δz=−B+w2Aou z=−B−w2A\begin{gathered}\Delta=B^2-4AC\\w^2=\Delta\\z=\frac{-B+w}{2A}\\\text{ou}\ z=\frac{-B-w}{2A}\end{gathered}

A, B e C complexos, A ≠ 0. Escolha uma raiz quadrada w de Δ; o sinal ± cobre ambas as raízes da equação. Se Δ = 0, há um único valor, raiz dupla. Se Δ ≠ 0, há dois valores distintos. Não se compara Δ complexo com zero por < ou >.

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Soma, produto e fatoração da quadrática

z1+z2=−B/Az1z2=C/AAz2+Bz+C=A(z−z1)(z−z2)\begin{gathered}z_1+z_2=-B/A\\z_1z_2=C/A\\Az^2+Bz+C\\=A(z-z_1)(z-z_2)\end{gathered}

A, B e C complexos com A ≠ 0; z₁ e z₂ são as raízes, contando duas vezes uma raiz dupla. A expansão dos fatores justifica as relações. Para coeficientes reais, raízes não reais formam um par conjugado; com coeficientes complexos gerais, isso não é obrigatório.

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Módulo e circunferência no plano

∣z−z0∣=r⇕(a−h)2+(b−k)2=r2\begin{gathered}|z-z_0|=r\\\Updownarrow\\(a-h)^2+(b-k)^2=r^2\end{gathered}

z = a + bi e z₀ = h + ki, com a, b, h, k reais, e r ≥ 0. Para r > 0, descreve a circunferência de centro (h, k) e raio r; para r = 0, apenas o centro. Substituir = por ≤ descreve o disco fechado; < descreve o disco aberto. Raio negativo não serve.

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12Equações polinomiais

Equação polinomial e grau

P(x)=anxn+⋯+a1x+a0P(x)=0,an≠0\begin{gathered}P(x)=a_nx^n+\cdots+a_1x+a_0\\P(x)=0,\quad a_n\ne0\end{gathered}
P(x)=anxn+⋯+a1x+a0P(x)=0,an≠0\begin{gathered}P(x)=a_nx^n+\cdots\\{}+a_1x+a_0\\P(x)=0,\quad a_n\ne0\end{gathered}

n é inteiro positivo; os coeficientes são complexos fixos, ou reais quando indicado. O grau é n depois da redução. O universo das soluções deve ser declarado. Constante não nula não tem raiz; o polinômio identicamente nulo se anula em todo o universo e não recebe grau nesta aula.

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Raiz e substituição

r eˊ raiz de P  ⟺  P(r)=0r\text{ é raiz de }P\iff P(r)=0
r eˊ raiz de P⇕P(r)=0\begin{gathered}r\text{ é raiz de }P\\\Updownarrow\\P(r)=0\end{gathered}

r pertence ao universo considerado e P é um polinômio. Ser raiz exige substituição com resultado exatamente zero, não apenas pequeno. Uma aproximação decimal deve ser identificada como aproximação.

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Identidade da divisão euclidiana

P=DQ+RR=0 ou deg⁡R<deg⁡D\begin{gathered}P=DQ+R\\R=0\ \text{ou}\ \deg R<\deg D\end{gathered}

P e D são polinômios em uma variável com coeficientes complexos; D é não nulo. Q e R são únicos. Para divisor linear, R é constante, inclusive zero. A identidade é polinomial; a fração P(x)/D(x) continua exigindo D(x) ≠ 0.

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Teorema do resto

P(x)=(x−c)Q(x)+P(c)resto por x−c=P(c)\begin{gathered}P(x)=(x-c)Q(x)+P(c)\\\text{resto por }x-c=P(c)\end{gathered}
P(x)=(x−c)Q(x)+P(c)resto=P(c)\begin{gathered}P(x)=(x-c)Q(x)\\{}+P(c)\\\text{resto}=P(c)\end{gathered}

c é complexo e P tem coeficientes complexos. O resultado vem de substituir x = c na identidade da divisão. Para x + c, substituir −c. O valor c não precisa ser raiz de P para que a divisão seja feita.

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Teorema do fator, ou de D’Alembert

P(c)=0  ⟺  P(x)=(x−c)Q(x)P(c)=0\iff P(x)=(x-c)Q(x)
P(c)=0⇕P(x)=(x−c)Q(x)\begin{gathered}P(c)=0\\\Updownarrow\\P(x)=(x-c)Q(x)\end{gathered}

P é um polinômio com coeficientes complexos e c é complexo. O resto da divisão por x − c é zero exatamente quando c é raiz. Se P é não nulo de grau n ≥ 1, Q tem grau n − 1. A escrita de fator não é uma divisão por x − c na equação original.

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Recorrência de Briot–Ruffini

bn=anbk=ak+cbk+1k=n−1,n−2,…,0R=b0\begin{gathered}b_n=a_n\\b_k=a_k+cb_{k+1}\\k=n-1,n-2,\ldots,0\\R=b_0\end{gathered}

P(x) = aₙxⁿ + … + a₁x + a₀, com n ≥ 1, e divisor x − c. Listar todos os coeficientes, inclusive os nulos. Q(x) tem coeficientes bₙ, bₙ₋₁, …, b₁, nessa ordem, nos graus n − 1 até 0; b₀ é o resto. Os símbolos b são novos valores calculados, não os coeficientes originais.

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Avaliação por multiplicações sucessivas

P(x)=ax3+bx2+cx+d=((ax+b)x+c)x+d\begin{gathered}P(x)=ax^3+bx^2+cx+d\\=((ax+b)x+c)x+d\end{gathered}
P(x)=ax3+bx2+cx+d=((ax+b)x+c)x+d\begin{gathered}P(x)=ax^3+bx^2\\{}+cx+d\\=((ax+b)x+c)x\\{}+d\end{gathered}

a, b, c e d são complexos fixos. A identidade segue da distributiva. Na avaliação em r, multiplicar por r e somar o coeficiente seguinte reproduz a linha final de Ruffini; seu último número é P(r). A forma se generaliza a qualquer grau finito.

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Divisor linear com coeficiente diferente de um

D(x)=ax+b=a(x−c)c=−b/aP=(x−c)H+RP=D(H/a)+R\begin{gathered}D(x)=ax+b=a(x-c)\\c=-b/a\\P=(x-c)H+R\\P=D(H/a)+R\end{gathered}

a e b complexos, a ≠ 0. Ruffini com c produz H para o divisor x − c. Para o divisor original ax + b, dividir H por a; o resto permanece R = P(c). Não dividir também o resto por a.

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Redução do grau sem perder a raiz conhecida

P(x)=(x−r)Q(x)P(x)=0  ⟺  x=r ou Q(x)=0\begin{gathered}P(x)=(x-r)Q(x)\\P(x)=0\iff x=r\ \text{ou}\ Q(x)=0\end{gathered}
P(x)=(x−r)Q(x)P(x)=0⇕x=r ou Q(x)=0\begin{gathered}P(x)=(x-r)Q(x)\\P(x)=0\\\Updownarrow\\x=r\ \text{ou}\ Q(x)=0\end{gathered}

P é não nulo e r é uma raiz confirmada. O produto nulo vale em ℝ e em ℂ. Dividir a equação por x − r só é permitido para x ≠ r e pode perder a solução r; mantenha o ramo separado. Restrições do problema original continuam valendo.

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Multiplicidade exata de uma raiz

P(x)=(x−r)mS(x)S(r)≠0\begin{gathered}P(x)=(x-r)^mS(x)\\S(r)\ne0\end{gathered}

P é não nulo de grau n ≥ 1; m é inteiro com 1 ≤ m ≤ n. A condição S(r) ≠ 0 torna a multiplicidade exatamente m, e não apenas pelo menos m. Dividir repetidamente por x − r até obter quociente não nulo em r determina m.

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Limite de raízes distintas

#{r:P(r)=0}≤n\#\{r:P(r)=0\}\le n

P é não nulo de grau n ≥ 0, em ℂ ou em qualquer subconjunto de ℂ. Cada raiz distinta retira um fator linear e diminui o grau em um. O símbolo # conta elementos distintos. A afirmação não vale para o polinômio identicamente nulo.

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Valores que determinam uma identidade

P(cj)=Q(cj) (j=0,…,n)⟹P≡Q\begin{gathered}P(c_j)=Q(c_j)\ (j=0,\ldots,n)\\\Longrightarrow P\equiv Q\end{gathered}
P(cj)=Q(cj)j=0,…,n⟹P≡Q\begin{gathered}P(c_j)=Q(c_j)\\j=0,\ldots,n\\\Longrightarrow P\equiv Q\end{gathered}

n é inteiro não negativo e c₀, …, cₙ são n + 1 números complexos distintos. P e Q são nulos ou têm grau no máximo n. Se P − Q fosse não nulo, teria grau no máximo n e não poderia ter n + 1 raízes distintas. Menos pontos não garantem a conclusão em geral.

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Teorema fundamental da Álgebra

deg⁡P=n≥1  ⟹  ∃r∈C: P(r)=0\deg P=n\ge1\implies\exists r\in\mathbb C:\ P(r)=0
deg⁡P=n≥1⟹∃r∈CP(r)=0\begin{gathered}\deg P=n\ge1\\\Longrightarrow\exists r\in\mathbb C\\P(r)=0\end{gathered}

P tem coeficientes complexos e coeficiente dominante não nulo. O enunciado garante ao menos uma raiz complexa, que pode ser real. A demonstração geral não é feita nesta aula. Com o teorema do fator, ele implica exatamente n raízes em ℂ contando multiplicidades, sem prometer uma fórmula prática para encontrá-las.

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Fatoração completa em ℂ

P(x)=an∏j=1s(x−rj)mjm1+⋯+ms=n\begin{gathered}P(x)=a_n\prod_{j=1}^{s}(x-r_j)^{m_j}\\m_1+\cdots+m_s=n\end{gathered}

P é não nulo de grau n ≥ 1; aₙ ≠ 0; r₁, …, rₛ são as raízes complexas distintas; cada mⱼ é inteiro positivo e sua soma é n. O produto reúne todos os fatores. Listando cada raiz repetidamente, são n fatores lineares, e aₙ preserva o coeficiente dominante.

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Raízes conjugadas com coeficientes reais

P(z‾)=P(z)‾P(\overline z)=\overline{P(z)}

P tem coeficientes reais e z é complexo. Se z é raiz, seu conjugado também é raiz, com a mesma multiplicidade. Raízes não reais vêm em pares; raízes reais são seus próprios conjugados. A conclusão não é obrigatória para coeficientes complexos não reais.

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Um par conjugado forma um fator real

(x−a−bi)(x−a+bi)=(x−a)2+b2(x-a-bi)(x-a+bi)=(x-a)^2+b^2
(x−a−bi)(x−a+bi)=(x−a)2+b2\begin{gathered}(x-a-bi)(x-a+bi)\\=(x-a)^2+b^2\end{gathered}

a e b são reais e b ≠ 0. O quadrático tem coeficientes reais, discriminante −4b² < 0 e não possui raiz real. Todo polinômio real não nulo se decompõe, em ℝ, em constante não nula, fatores lineares reais e quadráticos desse tipo, com suas multiplicidades.

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Teorema das raízes racionais

P(p/q)=0⟹p∣a0,q∣an\begin{gathered}P(p/q)=0\\\Longrightarrow p\mid a_0,\quad q\mid a_n\end{gathered}

P tem coeficientes inteiros, grau n ≥ 1, aₙ ≠ 0 e a₀ ≠ 0. p e q são inteiros coprimos, q > 0, e p/q está reduzida. O símbolo | indica divisibilidade. As condições geram candidatos, não garantem raízes. Se a₀ = 0, retire primeiro a potência de x correspondente à raiz zero. Para coeficientes racionais, elimine denominadores antes.

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Relações gerais de Girard

sk=∑1≤i1<⋯<ik≤nri1⋯riksk=(−1)kan−kan\begin{gathered}s_k=\sum_{1\le i_1<\cdots<i_k\le n}r_{i_1}\cdots r_{i_k}\\s_k=(-1)^k\frac{a_{n-k}}{a_n}\end{gathered}

P tem grau n ≥ 1 e coeficiente dominante aₙ ≠ 0; r₁, …, rₙ são suas raízes complexas listadas com multiplicidade. k é inteiro de 1 a n. sₖ soma todos os produtos de k posições distintas da lista, uma vez cada; valores iguais ainda podem ocupar posições distintas. A fórmula vem da expansão dos n fatores.

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Girard para uma cúbica

r1+r2+r3=−b/ar1r2+r1r3+r2r3=c/ar1r2r3=−d/a\begin{gathered}r_1+r_2+r_3=-b/a\\r_1r_2+r_1r_3+r_2r_3=c/a\\r_1r_2r_3=-d/a\end{gathered}

P(x) = ax³ + bx² + cx + d, com a ≠ 0 e coeficientes complexos. As três raízes são contadas com multiplicidade. Os sinais alternam; a soma dos produtos em pares não é a soma dos quadrados das raízes.

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Girard para grau quatro

s1=−b/a,s2=c/as3=−d/a,s4=e/a\begin{gathered}s_1=-b/a,\quad s_2=c/a\\s_3=-d/a,\quad s_4=e/a\end{gathered}

P(x) = ax⁴ + bx³ + cx² + dx + e, a ≠ 0. s₁ é a soma das quatro raízes; s₂ soma os seis produtos em pares; s₃ soma os quatro produtos em trios; s₄ é o produto das quatro raízes. Contar multiplicidades.

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Soma dos quadrados das raízes

∑j=1nrj2=s12−2s2\sum_{j=1}^n r_j^2=s_1^2-2s_2

P tem grau n ≥ 2 e raízes listadas com multiplicidade. s₁ e s₂ são a soma das raízes e dos produtos em pares. A identidade é algébrica e também vale para raízes complexas; quadrados complexos não são módulos ao quadrado.

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Soma dos recíprocos das raízes

∑j=1n1rj=−a1a0\sum_{j=1}^n\frac1{r_j}=-\frac{a_1}{a_0}

P(x) = aₙxⁿ + … + a₁x + a₀ tem grau n ≥ 1, aₙ ≠ 0 e a₀ ≠ 0. Assim nenhuma raiz é zero. Dividir a soma dos produtos de n − 1 raízes pelo produto total produz a soma dos recíprocos; para n = 1, o numerador desse quociente é 1. Contar multiplicidades.

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Polinômio das raízes recíprocas

Q(y)=ynP(1/y)Q(y)=y^nP(1/y)

P tem grau n ≥ 1, aₙ ≠ 0 e a₀ ≠ 0. A expressão é inicialmente escrita para y ≠ 0 e, ao expandir, define um polinômio de grau n com coeficientes em ordem invertida. Suas raízes são os recíprocos das raízes de P, com as mesmas multiplicidades. O termo constante de Q é aₙ ≠ 0, então y = 0 não é raiz.

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Redução a uma expressão mais simples

P(x)=Q(xm),t=xmP(x)=Q(x^m),\quad t=x^m

m é inteiro com m ≥ 2. Resolva Q(t) = 0 e depois cada xᵐ = t. Em ℝ, m par exige t ≥ 0 e dá dois retornos para t > 0, um para t = 0 e nenhum para t < 0; m ímpar dá um retorno real. Em ℂ, a existência e contagem seguem o TFA; os casos aqui usam quadrados e fatoração.

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Resto por divisor de grau dois

P(x)=D(x)Q(x)+ux+vD(α)=D(β)=0uα+v=P(α)uβ+v=P(β)\begin{gathered}P(x)=D(x)Q(x)+ux+v\\D(\alpha)=D(\beta)=0\\u\alpha+v=P(\alpha)\\u\beta+v=P(\beta)\end{gathered}
P(x)=D(x)Q(x)+ux+vD(α)=D(β)=0uα+v=P(α)uβ+v=P(β)\begin{gathered}P(x)=D(x)Q(x)\\{}+ux+v\\D(\alpha)=D(\beta)=0\\u\alpha+v=P(\alpha)\\u\beta+v=P(\beta)\end{gathered}

D tem grau dois e duas raízes distintas α e β. O resto tem grau no máximo um, incluindo o nulo; u e v são determinados pelo sistema. Se α = β, as duas avaliações repetem a mesma condição e não bastam para determinar u e v; use divisão ou expansão em potências de x − α.

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Regra de sinais de Descartes

N+=V(P)−2kN−=V(P(−x))−2ℓ\begin{gathered}N_+=V(P)-2k\\N_-=V(P(-x))-2\ell\end{gathered}

P é real não nulo. V conta trocas de sinal na lista de coeficientes não nulos em ordem decrescente dos graus; coeficientes zero são ignorados. N₊ e N₋ contam raízes reais positivas e negativas com multiplicidade. k e ℓ são inteiros não negativos e os resultados não podem ser negativos. Zero é contado separadamente. A regra fornece possibilidades e não obriga cada combinação possível a ocorrer.

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Localização de uma raiz real

a<b,P(a)P(b)<0⟹∃c∈(a,b):P(c)=0\begin{gathered}a<b,\quad P(a)P(b)<0\\\Longrightarrow\exists c\in(a,b):P(c)=0\end{gathered}

P é polinômio de coeficientes reais. O resultado usa a continuidade dos polinômios, um caso do teorema do valor intermediário. Garante ao menos uma raiz entre os pontos, sem provar unicidade. Sinais iguais não provam ausência de raízes; se um extremo já zera P, ele é raiz e deve ser registrado.

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Comprimento do intervalo na bissecção

Lk=b−a2kL_k=\frac{b-a}{2^k}

P é real e os extremos iniciais a < b têm valores de sinais opostos. Em cada passo, avaliar o ponto médio e manter uma metade cujos extremos conservem sinais opostos; se o ponto médio for raiz, parar. k é inteiro não negativo. Enquanto o processo continuar, o intervalo contém uma raiz e tem comprimento Lₖ; o erro do ponto médio como aproximação de uma raiz desse intervalo é no máximo Lₖ/2.

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