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1.2. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais

— 1.2. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais —

Exercício 5 .

Considere o sistema representado abaixo.Considerando a origem do referencial sua base direita do prédio, o Eixo ox horizontal dirigido a esquerda e o Eixo oy vertical e dirigido para cima.

Determine a posição dos pontos A, B e C.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 5 .

O referencial(bidimensional) do sistema é necessário ser traçado para a determinação da posição dos pontos A, B e C. Logo temos as seguintes características do referencial:

* Eixo Ox: eixo horizontal dirigido da direita para a esquerda;

* Eixo Oy: eixo vertical dirigido para cima;

* Origem do referencial: base direita do prédio.\

.

Aposição do ponto A tem coordenada { 50 \ m} na horizontal e { 100 \ m } na vertical, então :

\displaystyle B(50,100)\ m

onde

\displaystyle x_A=50 \ m

\displaystyle y_A=100 \ m

A posição do ponto B tem coordenada { -40 \ m } na horizontal e 0 na vertical, então:

\displaystyle B(-40,0) \ m

Onde:

\displaystyle x_B=-40 \ m

\displaystyle y_B=0

A posição do ponto C tem coordenada {-35 \ m } na horizontal e { 20 \ m} na vertical então:

\displaystyle C(-35,20) \ m

\displaystyle x_C= -35 \ m

\displaystyle x_C= 20 \ m

Exercício 6 .

A velocidade de um móvel é tal que ele percorre {5 \ m} a cada {2 \ s},em MRU. Determine a posição final no MRU se a posição inicial for { 5 \ m} e o tempo do movimento for de {25 \ s }.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 6 .

Dados .

{ v= \frac{5 \ m}{2 \ s}= 2,5 \ m/s } .

{x_0=5 \ m } .

{t=25 \ s } .

{x=? }

Para determinarmos a posição final x do móvel no tempo t precisamos da equação de movimento ( função horária) do móvel.
Para este caso, de movimento retilíneo e uniforme(MRU), a equação de movimento é:

\displaystyle \overrightarrow{x}=\overrightarrow{x_0}= + \overrightarrow{v} \times t \ \ \ \ \ (1)

Na forma escalar, temos:

\displaystyle x= x_0+v \times t \ \ \ \ \ (2)

Substituindo {x_0} e {v}, obtemos:

\displaystyle x= 5 + 2,5 \times t \ \ \ \ \ (3)

A posição final {x} para { t=25 \ s}:

\displaystyle x= 5 + 2,5 \times 25= 67,5 \ m

\displaystyle x=67,5 \ m

Resolução 7 .

Calcule a velocidade média do móvel da figura abaixo, se { t_1=10 \ s } e é { t_2= 20 \ s }, no movimento { A\rightarrow B \rightarrow C }.

.

Resolution 7 . Dados

{ t_1=t_{A\rightarrow B} = 10 \ s } .

{ t_2=t_{B\rightarrow C} = 20 \ s }. Por definição a velocidade média de um móvel é dada por:

\displaystyle \overrightarrow{v_m}=\frac{\overrightarrow{\Delta s}}{\Delta t}

.

{ \overrightarrow{\Delta s} } – Vector deslocamento.

{ \Delta t } – Intervalo de tempo total durante o movimento.

Em módulos:

\displaystyle v_m=\frac{\Delta s}{\Delta t}

.

Portanto, para determinar a velocidade média precisamos determinar o deslocamento { A\rightarrow B \rightarrow C } e o tempo total para o móvel sair de A para C.

Note que o vector deslocamento é o vector que une a posição inicial à posição final, ou seja, no nosso caso {\overrightarrow{\Delta s}=\overrightarrow{AC}}

Então temos:

\displaystyle \Delta s= \sqrt{(x_C-x_A)^2+(y_C-y_A)^2} \ \ \ \ \ (4)

A equação 4 é a fórmula para o cálculo de distancia em um sistema bidimensional.Considerando o ponto de partida A e o de chegada C, :

A(10,20) e B(20) considerando a abcissa y e a ordenada x.

Portanto, temos:

\displaystyle (x_C - x_A)= (40-10)=30 \\ (y_C - y_A)= (30-20)=10 \ \ \ \ \ (5)

.

Substituindo 7 em 4, obtemos:

\displaystyle \Delta s_{A-C}= \sqrt{(30)^2+(10)^2}=31,6 \ m

O tempo { \Delta t } do movimento de { A \rightarrow B \rightarrow C } é a soma dos tempos de { A \rightarrow B } e de { B \rightarrow C }.

Dos dados temos temos

\displaystyle t_{A-B} = 10 \ s e t_{B-C}= 20 \ s

Então

\displaystyle \Delta t = t_{A-B} + t_{B-C} =10+20=30 \ s \Delta t = 30 \ s

Sendo assim:

\displaystyle v_m = \frac{\Delta s}{\Delta t} = \frac{31,6 \ m}{30 \ s} = 1,05 \ m/s

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1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades —

1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades —

Exercício 1 .

Dois vectores têm módulos 3 e 5 unidades.

  1. Qual deverá ser o ângulo entre eles para que o vector resultante tenha módulo de 4 unidades?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 1 .

  1. Consideremos que os vectores de módulo 3 e 5 unidades são os vectores {\overrightarrow{u} e \overrightarrow{v}}, respetivamente, e o vector resultante de módulos 4 unidades é o vector {\overrightarrow{w}}.Consideremos também que { \theta} é o ângulo que os vectores {\overrightarrow{u} e \overrightarrow{v}} formam entre si. Daqui, temos os ângulos dados:Dados{\vert \overrightarrow{u} \vert=3 } .

    { \vert \overrightarrow{v} \vert=5} .

    { \vert \overrightarrow{w} \vert=4} .

    { \theta \rightarrow ? }

    A adição de vectores, dada pela regra do paralelogramo, relacionas aos seus módulos através da lei dos cossenos.

    \displaystyle \textbf{Lei do Cosseno}:\vert \overrightarrow{w}\vert^2=\vert\overrightarrow{u}\vert^2+\vert\overrightarrow{v}\vert^2+2\times\vert\overrightarrow{u}\vert\times\vert\overrightarrow{v\vert}\times \cos\theta

    * Substituindo os dados:

    \displaystyle (4)^2=(3)^2+(5)^2+2\times(3)\times(5)\times \cos\theta

    \displaystyle 16=9+25+30\times \cos\theta

     Isolando {\cos\theta:}

    \displaystyle \cos \theta =\frac{16-(9+25)}{30}=\frac{16-34}{30}=\frac{18}{30}=-0.6

    O valor de { \theta: \theta=\arccos(-0.6)=126,869^o }

    \displaystyle \theta\cong 126,9^o

.

Exercício 2 .

Um Arco tem ângulo de 1,5 radiano.
Qual é o valor deste ângulo em graus?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 2 .

Para determinar o ângulo do arco em graus, vamos usar a regra de três simples, sabendo que { \pi } radiando equivale a { 180^o }. Com isto,temos as seguintes rotações:

\displaystyle \pi \ rad \rightarrow\rightarrow180^o

\displaystyle 1,5 \ rad \rightarrow\rightarrow \theta

Onde 1.5 é o ângulo do arco em radiano e {\theta} o ângulo do arco em graus que se pretende determinar.

Desta forma, temos:

\displaystyle \theta \times \pi=1,5 \ rad \times 180^o

Isolando {\theta}:

\displaystyle \theta=\frac{1,5 \ rad \times 180^o}{\pi \ rad}=\frac{270^o}{\pi}=85,94^o

Portanto:

\displaystyle \theta=85,9^o

.

Exercício 3 .

Um disco circular tem raio de { 5 \ m}. Qual é o cumprimento deste disco?
NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 3 .

Dados

{ r= 5 \ m }

O cumprimento de um arco é:

\displaystyle l= \alpha \times r

onde {\alpha} é o ângulo do arco em radianos.

Para o nosso caso, o cumprimento de um disco circular é:

\displaystyle l=2 \pi \times r

Substituindo:

\displaystyle r=5 \ m \ em (1): l= 2 \pi \times 5 \ m= 31,415 \ m

Portanto, o cumprimento do disco é de:

\displaystyle 31,415 \ m.

Exercício  4 .

Dois vectores {\overrightarrow{a}} e { \overrightarrow{b}} tem módulo iguais a { 3 \ m} e {5 \ m },respetivamente.

Qual é o módulo de vector { \overrightarrow{c} }, se {\overrightarrow{c}=3\overrightarrow{a}-\overrightarrow{2b}} e o ângulo entre { \overrightarrow{a} } e { \overrightarrow{b} } for de { 30^o }?
NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 4 .

Dados .

{ \vert \overrightarrow{a} \vert =3 \ m } .

{ \vert \overrightarrow{b} \vert =5 \ m } .

{ \overrightarrow{c}=3\overrightarrow{a} - 2\overrightarrow{b}} .

{ \theta \rightarrow 30^o} .

{ \vert \overrightarrow{c} \vert=? }

Consideremos os vectores {\overrightarrow{a} e \overrightarrow{b}}.

Os vectores {\overrightarrow{a}} e {\overrightarrow{b}} formando {30^o} entre si {(\theta=30^o)}

Entretanto, o vector {\overrightarrow{c}} é dado como {\overrightarrow{c}=3\overrightarrow{a}-2\overrightarrow{b}}. Sendo assim, consideremos os vectores {3\overrightarrow{a} } e { 2\overrightarrow{b}} , isto é,os vectores {\overrightarrow{a}} e {\overrightarrow{b}} com dimensões triplicando e dobrada, respetivamente.

Por outro lado o vector {\overrightarrow{c}} representa a diferença entre {3\overrightarrow{a}} e {2\overrightarrow{b}} neste caso a resultante é:

Calculando {\beta}:

\displaystyle \beta+\theta=180^o \ \Rightarrow \beta=180^o-\theta

Como { \theta=30^o },temos: { \beta=180^o-30^o=150^o \ \Rightarrow \beta=150^o }\

O módulo de vector { \overrightarrow{c} } , é dada pela lei dos cossenos.\

Lei dos Cossenos:

\displaystyle \vert\overrightarrow{c}\vert^2=\vert3\overrightarrow{a}\vert^2+\vert2\overrightarrow{b}\vert^2+2\times\vert3\overrightarrow{a}\vert \times \vert2\overrightarrow{b} \vert\times \cos\beta

\displaystyle \vert\overrightarrow{c}\vert^2=9^2+10^2+180\times\cos150^o=181-155,88=25,12

\displaystyle \vert \overrightarrow{c} \vert ^2=25,12 \ \Rightarrow \vert\overrightarrow{c}\vert=\sqrt{25,12}=5,01

\displaystyle \rightarrow \vert\overrightarrow{c}\vert=5,01

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1.2. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais (Parte 3)

— 1. Exercícios sobre Cinemática da Partícula —

— 1.1. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais —

Exercício 1 Um homem realiza uma viagem de uma cidade para outra, para atender a um compromisso. A distância entre as cidade é de 300 km. O compromisso foi marcado para as 11h15min. O homem planeia conduzir o seu carro a 100 km/h e parte às 8h00 para ter algum tempo de sobra. Ele conduz a velocidade planeada durante os primeiros 100 km, mas, em seguida, um trecho é obrigado a reduzir a velocidade para 40 km/h durante 40 km. Qual é a menor velocidade que ele deve manter no resto da viagem para chegar a tempo?
NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular .
Resolução 1

.

Trecho a:1º trecho percorrido,na qual {\triangle x = 100 \ km }.

Trecho b: 2º trecho, na qual {\triangle x = 40 \ km }.

Trecho c: trecho restante, na qual {\triangle x = 160 \ km }

Para que se calcule a velocidade necessária para percorrer o trecho c é necessário que se conheça o tempo restante. Para isso,devemos determinar os tempos gastos para percorrer a trechos a e b. Consideraremos MRU em todos trechos, pois estamos a usar parâmetros médios.

No trecho a:

\displaystyle \triangle x_{a} = v_{a}.t_{a}

Isolando o tempo e calculando:

\displaystyle t_{a} = \dfrac{\triangle x_{a}}{v_{a}} = 1h

No trecho b :

\displaystyle \triangle x_{b} = v_{b}.t_{b}

Isolando o tempo e calculando:

\displaystyle t_{b} = \dfrac{\triangle x_{b}}{v_{b}} = 1h

Como temos tempo em horas e em minutos, temos de reduzir a uma única unidade de tempo. Neste caso, vamos converter 15 minutos em horas.

Sabemos que:

\displaystyle 1h \longrightarrow 60min

\displaystyle x \longrightarrow 15min

Fazendo a multiplicação cruzada e isolando o {x}, obtemos:

\displaystyle x = \dfrac{1h.15min}{60min} = 0,25 \ h

Como o motorista partiu as 8h e tem que chegar as 11h e 15min,ou seja,11,25h,sendo que percorreu o conjunto do techo a e b por 2h, então, restam-lhe apenas 1h e 15min, ou seja 1,25h.

Então, para o trecho c teremos :

\displaystyle \triangle x_{c} = v_{c}.t_{c} \Rightarrow v_{c} =\dfrac{_{\triangle}x_{c}}{t_{c}} = 128 \ km/h

Exercício 2 A primeira metade da distância foi percorrida por um móvel com {v_{1}}. Do tempo restante, a primeira metade foi percorrida com a velocidade {v_{2}} e na segunda metade com a velocidade {v_{3}}, sendo que o tempo gasto em percorrer a 1{ª} e a 2{ª} metade, são iguais. Determinar a velocidade média em todo o percurso.
NÍVEL DE DIFICULDADE: Complexo .
Resolução 2 .

Sendo que : { t_{2} = \dfrac{t'}{2} \hspace{1cm} e\hspace{1cm} t_{3} = \dfrac{t'}{2}} {\hspace{1cm}} onde {t'} é o tempo restante após a 1ª parte e que : { \triangle x_{2} = \triangle x_{3}=\dfrac{\triangle x'}{2} =\dfrac{\triangle x}{2}}

{\triangle x'} é o trecho restante após a 1ª parte.

Então:{ \triangle x_{1} = \triangle x_{2} + \triangle x_3}.

Usando a definição de velocidade média para o troço 1, obtemos:

\displaystyle t_{1} = \dfrac{\triangle x_{1}}{v_{1}} = \dfrac{\triangle x_{2} + \triangle x_{3}}{v_{1}}

Os deslocamentos dos trechos 2 e 3 são:

\displaystyle \triangle x_{2} = v_{2}.t_{2}=v_{2}.\dfrac{t}{2}

\displaystyle \triangle x_{3} = v_{3}.t_{2}=v_{3}.\dfrac{t}{2}

Como os trechos 2 e 3 são percorridos durante o mesmo tempo, então a velocidade média é a média aritmética das velocidades. Neste caso, a velocidade média dos trechos 2 e 3 é:

\displaystyle v_{23} = \dfrac{v_2 + v_3}{2}

O deslocamento conjunto do trecho 2-3 é igual à primeira metade:

{\triangle x_{23}=\triangle x'=\triangle x_1=\dfrac{\triangle x}{2}}

A partir da equação da velocidade média para mais de um trecho,teremos :

\displaystyle v_{m} = \dfrac{\triangle x_{1}+\triangle x_{2}+\triangle x_{3}}{t_{1}+t_{2}+t_{3}}

Neste caso, teremos :

\displaystyle v_{m} = \dfrac{\triangle x_{1}+\triangle x_{23}}{t_{1}+t_{23}}

\displaystyle \Rightarrow v_{m} = \dfrac{2 . \triangle x_{1}+\triangle x_{1}}{\dfrac{\triangle x_1}{v_1}+\dfrac{\triangle x_23}{v_{23}}}

\displaystyle \Rightarrow v_{m} = \dfrac{2 . \triangle x_{1}+}{\dfrac{\triangle x_1}{v_1}+\dfrac{\triangle x_1}{v_{23}}}

Factorizando e simplificando {\triangle x_{1}}, obtemos:

\displaystyle v_{m} = \dfrac{2 }{\dfrac{1}{v_1}+\dfrac{1}{v_{23}}}

\displaystyle \Rightarrow v_{m} = \dfrac{2 }{\dfrac{v_{23}+v_1}{v_1 . v_{23}}}

\displaystyle \Rightarrow v_{m} = \dfrac{2. v_1 . v_{23}}{v_{23}+v_1}

Substituindo {v_{23}} pela formula de velocidade média no troço 2-3, obtemos:

\displaystyle \Rightarrow v_{m} = \dfrac{2 v_1 . \dfrac{ v_{2}+v_3}{2}}{\dfrac{v_{2}+v_3}{2}+v_1}

Simplificando as expressões, obtemos:

\displaystyle v_{m} = \dfrac{2 v_{1}(v_{2}+v_{3})}{2v_{1}+v_{2}+v_{3}}

Exercício 3 A equação do movimento de uma partícula ao longo do eixo OX é {x=t^{3}-6 \ t^{2}-15 \ t+40} (no SI). Determine: (a) o instante em que a velocidade se anula; (b) a posição e a distância percorrida pelo ponto material até ao instante em que v=0; (c) a aceleração do ponto material no mesmo instante.
NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .
Resolução 3

  1. A posição da partícula é dada por:{ x \ = \ t^{3}-6 \ t^{2}-15 \ t+40}
    A velocidade é dada por: {v=\dfrac{dx}{dt} \Rightarrow v \ = \ 3 \ t^{2}-12 \ t-15}Portanto,quando a velocidade for nula,teremos as seguintes equações:

    \displaystyle 3 \ t^{2}-12 \ t-15=0

    Simplificando por 3, teremos:

    \displaystyle t^{2}-4 \ t-5=0

    Logo:

    \displaystyle \left\{\begin{array}{cccccc} t & = & 5 \ s, \textrm{Correcta}\\ t & = & -1 \ s, \textrm{Incorrecta}\\ \end{array}\right.

  2. Para obter a posição, substituímos o tempo da função horária pelo valor dado. Neste caso, a posição em {t=5 \ s} é:

    \displaystyle x_{f}=(5)^{3}-6.(5)^{2}-15.(5)+40

    \displaystyle \Rightarrow x_{f}=-60 \ m

    A posição no instante t=0s é:

    \displaystyle x_{i}=(0)^{3}-6.(0)^{2}-15.(0)+40

    \displaystyle \Rightarrow x_{i}=40 \ m

    A distância percorrida é dada por :

    \displaystyle \Delta x = |x_{f}-x_{xi}| \Rightarrow \Delta x = |-60-40| \Rightarrow\Delta = 100 \ m

  3. A aceleração instantânea é dada por:

    \displaystyle a=\dfrac{d^{2} x}{d t^{2}} \Rightarrow a=\dfrac{d{v}}{d{t}}

    Derivando a velocidade se obtém:

    \displaystyle a=6 \ t-12

    Logo, quando { t=5 \ s}, teremos :

    \displaystyle a=6.(5)-12 \Rightarrow a \ = \ 18 \ m/s^{2}

Exercício 4 Quando a luz verde de um semáforo acende, um condutor acelera uniformemente o seu veiculo durante 6 s em {2 \ m/s^{2}}. Em seguida ele passa a ter velocidade constante. No instante em que o carro começou a se mover, ele foi ultrapassado por uma motorizada movendo-se no mesmo sentido com a velocidade constante de 10 m/s. Após quanto tempo, os dois veículos encontrar-se-ão novamente?
NÍVEL DE DIFICULDADE: Complexo .
Resolução 4 .

Dados:

{a_{1A}=2 \ m/s^{2}}

{ t_{1A}= \ 6 \ s = t_{02}}

{ x_{01A}= \ 0 \ }

{ v_{0A}=0}

{ v_B=6 \ s}

{x_{0B}=0}

  • Neste Problema temos dois veículos A e B, mas o veiculo A não tem uma única equação de movimento, visto que inicialmente faz um MRUV, mas sem seguida faz um MRU. Então vamos usar os índices 1 e 2 para distinguir as duas partes do movimento do veiculo A. Para o veiculo B isto não é necessário.A Equação de movimento para o Veiculo A (condutor) :

Na 1ª Parte, em MRUV : { x_{1A}=\dfrac{1}{2}at^{2}}

Na 2ª parte (após os 6 s de MRUV), começa um MRU : {x_{2A} = x_{02A}+ v_{02A}.t}

A equação de movimento para a motorizada (Veiculo B) é a seguinte :

Na 1ª Parte em MRU {x _{B}=v_{B}.t}

Na 2ª parte ainda em MRU): {x_{B}=x_{0B2}+ v_{B}.t}

Calculando a posição e velocidade dos 2 após os primeiros 6 segundos, obtemos:

Para o veiculo A:

{x_{f1A}=\dfrac{1}{2}at^{2}=\dfrac{1}{2}.(2).(6)^{2}\Rightarrow x_{f1A}=36 \ m}

{v_{f1A}=v_{01A}+a_1.t \Rightarrow v_{f1A}=0+2.6=12 m/s}

Para o veiculo B:

{x_{f1B}=x_{01B}+v_{1B}.t \Rightarrow x_{f1B}=0+10.(6)\Rightarrow x_{f1B}=60 \ m}

Como o veiculo B faz MRU a velocidade é constante, logo:{v_{f1B}=v_{01B}=10 \ m/s}

Como podemos observar n figura, após o tempo {t_1=6 \ s} o condutor (A) ainda não alcançou a motorizada (B). Então para determinar a posição de encontro, vamos usar as equações da 2ª parte.

{x_{2A}=x_{02A}+v_{2A}.t \Rightarrow x_{2A}=36+12 \ t}

{x_{2B}=x_{02B}+v_{2B}.t \Rightarrow x_{2B}=60+10 \ t}

O encontro ocorre quando: {x_{2A}=x_{2B}}

\displaystyle \Rightarrow 36+12 \ t =60+10 \ t

Isolando o tempo, obtemos:

\displaystyle t = 12

Atenção que este 12 segundos é após o inicio da 2ª Parte (pois reiniciamos a analise dos movimentos no final da 1ª Parte). Considerando então os {6 \ s} de duração da primeira parte, temos:

\displaystyle t = \ 12+6 =18 \ s

Exercício 5 Partindo do repouso, um veiculo mantém uma aceleração de {4 \ m/s^{2}} durante {4 \ s}. Nos {10 \ s} seguintes ele tem um movimento rectilíneo uniforme. para travar, o veiculo passa a ter um movimento uniformemente retardado com aceleração de {8 \ m/s^{2}}, até parar. Fazer um gráfico da velocidade em função do tempo e mostrar que a área limitada pela curva e pelo eixo dos tempos é igual a distância total percorrida.
NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular .
Resolução 5

Dados:

{x_{01}=0}

{v_{01}=0 \ m/s}

{a_{1}=4 \ m/s^{2}}

{t_{1}=4 \ s }

{x_{02}=x_{f2} \longrightarrow ?}

{v_{2}=v_{f1} \longrightarrow ?}

{t_{2}= 10 \ s}

{x_{03}=x_{f2} \longrightarrow ?}

{v_{03}=v_{f2}}

{a_{3}=8 \ m/s^{2}}

{t_{3} \longrightarrow ?}

Para este problema, temos de calcular a velocidade em cada um dos trechos e os respectivos tempos. é um movimento dividido em 3 partes. UM MRUV (acelerado), um MRU e um MRUV (Retardado).

A partir da equação das velocidades, para a 1ª parte,teremos:

\displaystyle v_{f1}=v_{01} + a_1.t_1=0+4.4=16

…para a 2ª etapa: {a=0}(M.R.U):

\displaystyle \Rightarrow v_{f2}=v_{02}=v_{f1} \Rightarrow v_{f2}=16 \ m/s

…para a 3ª etapa :

\displaystyle v_{f3}=0

Como conhecemos o tempo da 1ª e da 2ª parte, para completarmos o gráfico, precisamos obter o tempo da 3ª parte. Neste caso, usando a equação da velocidade, teremos:

\displaystyle v_{f3}=v_{03} - a_{3} . t_{3}\Rightarrow 0=v_{f_{2}} - a_{3} . t_{3} \Rightarrow t_{3}=\dfrac{v_{03}}{a_{3}}=2 \ s

Com os dados obtidos marcamos os 4 pontos no gráfico de {v=f(t)} e traçamos as rectas que unem os pontos:

{(t_{01};v_{01})=(0;0)}

{(t_{02};v_{02})=(4;16)}

{(t_{03};v_{03})=(14;16)}

{(t_{f1};v_{f1})=(16;0)}

Vamos então calcular a áreas do gráfico.

A primeira região é um triângulo. Neste caso:

{ A_{1}=\dfrac{1}{2}.l.h=\dfrac{1}{2}.4.16 }

{A_{1}=32 \ m}

A primeira região é um rectângulo. Neste caso:

{A_{2}=l.h=10.16=160 \ m}

A primeira região é um rectângulo. Neste caso:

{A_{3}=\dfrac{1}{2}.l.h=\dfrac{1}{2}.16}

{A_{3}=16 \ m}

Neste caso: {A_{Total}=A_{1}+A_2+A_3=208 \ m}

Calculando os deslocamentos de cada parte, temos:

{\Delta x_{1}=\dfrac{1}{2}a_{1}{t_1}^{2}=\dfrac{1}{2}.4.(4)^{2}}

{\Delta x_{1}=32 \ m}

{ \Delta x_{2}=v_2.t_2=16.(10)}

{\Delta x_{2}=160 \ m}

{ \Delta x_{3}=v_{03}.t-\dfrac{1}{2} a_3 t^{2}}

{ \Delta x_{3}=16.(2)-\dfrac{1}{2}.8.(2)^{2}=16 \ m}

{ \Delta x_{Total}=\Delta x_{1}+\Delta x_{2} + \Delta x_{3} = 208 \ m}

Logo a área total {A_{Total}=208 \ m} é igual á distancia total { \Delta x_{Total}=208 \ m"}

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Exercícios Sobre de Fluidos: Conceitos Gerais

— 1. Exercícios de Fluidos: Conceitos Gerais —

Exercício 1 A unidade de Pressão no SI é o Pascal({Pa}).

Além desta, usam outras unidades como a atmosfera({atm}), milímetros de mercúrio({mmHg}), Torricelli ({Torr}), Bar({bar }), etc.

Conhecendo a relação:

\displaystyle 1 \ atm = 101325 \ Pa \approx 760 \ mmHg

\displaystyle 1 \ bar = 10^5 \ Pa

Converta para o SI os seguintes valores de pressão:

  1. {0,857 \ atm}.
  2. {850 \ mmHg}.
  3. {3,5 \ bar}.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .

Resolução 1 .

  1. Pela relação anterior, usando a regra de “{3} simples”, podemos escrever:

    \displaystyle 1 \ atm \longrightarrow 101325 \ Pa

    \displaystyle 0,857 \ atm \longrightarrow \textbf{X}

    Então, fazendo multiplicação cruzada, obteremos:

    \displaystyle 1 \ atm\textbf{.}\textbf{X} = 101325 \ Pa\textbf{.}0,857 \ atm

    Resolvendo e simplificando a unidade {atm}, obtemos:

    \displaystyle \Rightarrow \textbf{X} = 86835,5 \ Pa

  2. Pela mesma regra de “3 simples”, obtemos:

    \displaystyle 101325 \ Pa \longrightarrow 760 \ mmHg

    \displaystyle \textbf{X} \longrightarrow 850 \ mmHg

    Fazendo a multiplicação cruzada, obtemos:

    \displaystyle 760 \ mmHg\textbf{.}\textbf{X} = 101325 \ Pa\textbf{.}850 \ mmHg

    Passando o {760 \ mmHg} para o membro direito, simplificando a unidade {mmHg} e resolvendo, obtemos:

    \displaystyle \Rightarrow \textbf{X} = 113324,0 \ Pa

  3. Pela mesma regra de “3 simples”, obtemos:

    \displaystyle 1 \ bar \longrightarrow 10^5 \ Pa

    \displaystyle 3,5 \ bar \longrightarrow \textbf{X}

    Fazendo a multiplicação cruzada, obtemos:

    \displaystyle 1 \ bar\textbf{.}\textbf{X} = 10^5 \ Pa\textbf{.}3,5 \ bar

    Resolvendo e simplificando a unidade {bar}, obtemos:

    \displaystyle \Rightarrow \textbf{X} = 3,5.10^5 \ Pa \Leftrightarrow \textbf{X} = 350000 \ Pa

Exercício 2 Uma caixa em forma de cubo, tem faces com área de {3 \ m^2} e está cheia com {10 \ kg} de um certo material. Qual é a pressão que ela exerce sobre o solo?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .

Resolução 2 .

Dados

{A_{face} = 3 \ m^2}

{m = 10 \ kg}

{g = 9,8 \ m/s^2}

{P - \ ?}

Como só uma das faces do cubo é que toca no chão, a área de contacto corresponde à área de uma das faces. Neste caso: {A = A_{face} = 3 \ m^2.}

Com a massa da caixa, podemos calcular o peso (força) que ela exerce ao solo, nesse caso:

\displaystyle P = F_g = m\textbf{.}g = 10 \ Kg\textbf{.}9,8 \ m/s^2 \Rightarrow P = 98 \ N

\bf{Nota: {1kg\textbf{.}1m/s^2 = 1N}}

Usando o conceito de pressão, podemos escrever:

\displaystyle p = \dfrac{F_{aplicada}}{A_{contacto}} = \dfrac{P}{A_{face}} \Rightarrow p = \dfrac{98\ N}{3m^2} \approx 32,67 \ Pa.

Exercício 3 Uma caixa tem um peso de {17 \ kg} e está apoiada em uma mesa. A pressão exercida pela caixa é de {200 \ Pa}. Qual é a área de contacto entre a caixa e a mesa?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .

Resolução 3 .

Dados

{P = 17 \ kgf}

{p = 200 \ Pa}

{A_{contacto} - ?}

A Unidade {Kgf} é uma unidade de força mas não está no SI. Sabendo que {1 \ kgf = 9,8 \ N}.

Neste caso: {P = 17 \ kgf = 17\textbf{.}9,8 \ N = 1666,6 \ N}

Como:

\displaystyle p = \dfrac{F_{aplicada}}{A_{contacto}} = \dfrac{P}{A_{contacto}}

Nesse caso, isolando a área, obtemos:

\displaystyle A_{contacto} = \dfrac{P}{p} =\dfrac{166,7}{200} \approx 0,834 \ m^2

Exercício 4 Um corpo tem uma massa de 3  kg e um volume de 5 litros. Determine a sua massa específica.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .

Resolução 4 .

Dados

{m = 13 \ kg}

{V = 5 \ l}

{\rho - \ ?}

A Unidade litro({l}) não é a unidade de volume no SI e se quisermos obter a massa específica no SI(como é regra), devemos converter esta unidade.

Sabendo que:

\displaystyle 1 \ l \longrightarrow 10^{-3} \ m^3

\displaystyle 5 \ l \longrightarrow V_{SI}

Neste caso: {1 \ l\textbf{.}X = 5 \ l\textbf{.}10^{-3} \ m^3 \Rightarrow V_{SI} = 5\textbf{.}10^{-3} \ m^3}

Quer dizer que o {V_{SI} = 5\textbf{.}10^{-3} \ m^3}

A definição de massa específica impõe que:

\displaystyle \rho = \dfrac{m_{corpo}}{V_{corpo}} = \dfrac{m}{V_{SI}} = \dfrac{13}{5\textbf{.}10^{-3}}

\displaystyle \rho = 2600 \ kg/m^3

Exercício 5 Um corpo apresenta uma massa específica de {25 \ g/cm^3}. Qual é a sua massa específica no SI?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .

Resolução 5 .

Estamos diante de um problema de conversão de unidades, onde a unidade apresenta uma fracção:

\displaystyle \rho = 25 \dfrac{g}{cm^3}

Neste caso, faremos a conversão no numerador e denominador. Para simplificar faremos a conversão por substituição directa. Sabendo que {1 \ kg = 1000 \ g} e {1 \ g = 10^{-3} \ kg}.

Sabendo também que o prefixo “centi”(c) equivale a {10^{-2}}, neste caso {1 \ cm^3 = 1\textbf{.}(10^{-2})^3 \ m^3= \ (10^{-6}) \ m^3.}

Note que, o facto de a unidade ({cm}) estar elevada a 3, quando separamos o prefixo “centi”, ele também fica elevado a 3. Neste caso: {1 \ cm^3 = 10^{-6} \ m^3}. Então:

\displaystyle \rho = \dfrac{25\textbf{.} \ g}{cm^3} = \dfrac{25\textbf{.}10^{-3} \ kg}{10^{-6} \ m^3} = 25\textbf{.}10^{-3+6} \ kg/m^3

\displaystyle \rho = 25\textbf{.}10^3 \ kg/m^3

Exercício 6 Uma esfera maciça de alumínio tem uma massa de {50 \ g}. Qual é o seu volume?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar .

Resolução 6 .

Dados

{m = 50 \ g = 50\textbf{.}10^{-3} \ kg}

{V - \ ?}

Apesar de não ser dado, mas a massa específica do alumínio é conhecida {\rho{al} = 2700 \ kg/m^3}. Neste caso, pela definição de massa específica, temos:

\displaystyle \rho = \dfrac{m}{V} \Rightarrow \rho\textbf{.}V = m \Rightarrow V = \dfrac{m}{\rho}

Neste caso:

\displaystyle V = \dfrac{50\textbf{.}10^{-3} \ kg}{2700 \ kg/m^3} = 1,852\textbf{.}10^{-5} \ m^3

OBS: Como qualquer trabalho, esta publicação pode estar sujeita a erros de digitação, falta de clareza na imagem ou alguma insuficiência na explicação. Neste sentido, solicitamos aos nossos leitores o seguinte:

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  2. Para sugestões ou criticas, enviar email para: sugestao.lusoacademia@gmail.com;
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Continuidade em Espaços Métricos. Continuação 2

— 1.2.11. Continuidade em Espaços Métricos. Continuação 2 —

Exemplo 14 Consideremos o espaço {C([0,1],\mathbb{R})} com a métrica {d_{\inf}} (mas vamos chama-la de {d_{1}}), e seja {f\in C([0,1],\mathbb{R})} uma função fixa e não identicamente nula. Então a aplicação

\displaystyle F:C_{([0,1],\mathbb{R})}\longrightarrow\mathbb{R}

definida como:

\displaystyle F(g)=\int_{0}^{1}f(x)g(x)dx

é continua para todo {g\in C([0,1],\mathbb{R})}.

Demonstração: Para provarmos a afirmação acima, primeiramente devemos nos lembrar da definição de continuidade, ela basicamente diz que se nós temos uma função que vai de um espaço a outro, e.g., {(X,d_{1})} e {(Y,d_{2})},

\displaystyle f:(X,d_{1})\longrightarrow (Y,d_{2})

então ela é continua se conseguirmos encontrar um delta {\delta}, único, que satisfaz {d_{1}(x,y)<\delta}, onde {x,y\in X}, para todo {\epsilon>0} tal que {d_{2}(f(x),f(y)<\epsilon}. No exemplo acima podemos escrever de modo mais detalhado a função {F} como:

\displaystyle F:(C_{([0,1],\mathbb{R})},d_{1})\longrightarrow (\mathbb{R},d_{2})

onde {d_{1}=d_{\infty}(f(x),g(x)=\max_{x\in [0,1]}\mid f(x)-g(x)\mid} e {d_{2}(F(f),F(g))=\mid F(f)-F(g)\mid}. E claro, {f,g:[0,1]\longrightarrow\mathbb{R}}.

Portanto, para avaliarmos a continuidade basta escolhermos um ponto (neste caso uma função) arbitrária {h\in C_{([0,1],\mathbb{R})}}, então

\displaystyle \mid F(g)-F(h)\mid=\mid \int_{0}^{1}f(x)g(x)dx-\int_{0}^{1}f(x)h(x)dx\mid\leq\mid \int_{0}^{1}f(x)(g(x)-h(x)dx\mid

aplicando a desigualdade triângular para integrais obtemos:

\displaystyle \mid F(g)-F(h)\mid\leq\int_{0}^{1}f(x)dx\max\mid g(x)-h(X)\mid\leq \int_{0}^{1}f(x)dx.d_{1}(g,h)

Logo, se tomarmos {\delta=\frac{\epsilon}{\int_{0}^{1}f(x)dx}} temos o que queremos. \Box

Exercício

Considere o exemplo acima,mas desta vez com {d_{1}(f,g)=\int_{0}^{1}\mid f(x)-g(x)\mid dx}.

Continuidade em Espaços Métricos. Continuação.

— 1.2.10. Continuidade em Espaços Métricos. Continuação —

Agora apresentaremos alguns exemplos de funções contínuas. Vou assumir que os leitores já estão familiarizados com a noção de continuidade apresentada nos cursos de Cálculo, principalmente as funções trigonométricas, logaritimicas e polinomiais. Em seguida, darei alguns exemplos sobre o conceito de continuidade nos espaços métricos.

Proposição 33 Seja {(X,d)} um espaço métrico e {A\subseteq X}, com {A\neq\emptyset}. Então para todo {x,y\in X} e {z\in A}, temos:

\displaystyle  \mid d(x,A)-d(y,A)\mid\leq d(x,y) \ \ \ \ \ (2)

Demonstração: Como {X} éum espaço métrico, então é válida a desigualdade triângular:

\displaystyle d(x,y)\leq d(x,z)+d(z,y)

tomando o ínfimo para todo {z\in A} e considerando

\displaystyle  d(x,A)=\inf_{z\in A}d(x,z)

e

\displaystyle d(y,A)=\inf_{z\in A}d(y,z)

teremos, {d(x,A)-d(y,A)\leq d(x,y)}, e depois trocando {x} e {y} se obtem:

\displaystyle \mid d(x,A)-d(y,A)\mid\leq d(x,y)

\Box

Proposição 34 Seja {(X,d)} um espaço métrico, e {x_{0}\in X}. Se definirmos a função distância {f:X\longrightarrow \mathbb{R}}, como

\displaystyle f(x)=d(x,x_{0})

então {f} é contínua.

Demonstração: Para provarmos isto usaremos a Prop. 1.31 assim como a 1.33. Sabemos que uma função é contínua em um ponto {a} se e só se {\forall x_{n}\subset X: x_{n}\longrightarrow a\implies f(x_{n})\longrightarrow f(a)}.

É importante notarmos que na definição da função distância o espaço imagem é basicamente {(Y=\mathbb{R},\rho_{\text{usual}})} portanto, {\rho(f(x),f(y))=\mid f(x)-f(y)\mid}.

Seja {x_{n}} uma sequência de {X} tal que : {x_{n}\longrightarrow a}, então por definição {d(x_{n},a)<\epsilon}, onde {\epsilon>0}. Logo,

\displaystyle \rho(f(x_{n}),f(a))=\mid f(x_{n})-f(a)\mid=\mid d(x_{n},x_{0})-d(x_{0},a)\mid\leq d(x_{n},a)<\epsilon

Portanto, é suficiente tomar {\delta=\delta(a,\epsilon)=\epsilon} e {d(x,a)<\delta}, para garantirmos a continuidade de {f}. E como {a\in X} é arbitrário isto significa que {f(x)=d(x,x_{0})} é contínua para todo {\mathbb{R}}. \Box

Exemplo 13

  1. Se {(X,d)} é um espaço métrico discreto e {(Y,\rho)} um espaço métrico qualquer, então as únicas funções contínuas {f:x\longrightarrow Y} são as funções constantes.

    Para provarmos isto, seja {\epsilon>0} basta tomar {\delta<1}, com {d(x,a)<\delta<1} e como {d} é a métrica discreta, i.e.,

    \displaystyle  d(x,y) = \left \{ \begin{array}{cl} 1 & \mbox{, } x\neq y\\ 0 & \mbox{, } x= y \end{array}\right.

    então obviamente {d(x,a)=0} o que implica {x=a}. Assim,

    \displaystyle \rho(f(x),f(a))=\rho(f(a),f(a))=0.

  2. A função {f:\mathbb{R}\times\mathbb{R}^{n}\longrightarrow\mathbb{R}^{n}} definida como:

    \displaystyle f(k,x)=kx

    é contínua.(É facíl provar, deixada ao leitor, não esquecer que {x\in\mathbb{R}^{n}} é um vector, i.e., {x=(x_{1},\cdots,x_{n})}).

Proposição 35 Seja {(X,d)} um espaço métrico e {f,g:X\longrightarrow \mathbb{R}} duas funções contínuas. Então:

  1. {(f+g)(x)=f(x)+g(x)} e {(fg)(x)=f(x)g(x)} são contínuas.
  2. Se {f(x)\neq0} para todo {x\in X}, então {h(x)=\frac{1}{f(x)}} é uma função contínua.

Demonstração: Deixada ao leitor. \Box

O conceito de continuidade reveste-se de capital importância para a Topologia por isso em aulas subsequentes continuaremos a explorar o conceito até as suas aplicações mais importantes.

Continuidade em Espaços Métricos

— 1.2. Continuidade em Espaços Métricos —

Definição 15 Seja {(X,d)} e {(Y,\rho)} dois espaços métricos, uma função {f:X\longrightarrow Y} é contínua no ponto {a} em {X} se para todo {\epsilon>0} exise um {\delta>0} tal que quando {d(a,x)<\delta} segue que {\rho(f(a),f(x)<\epsilon}.
Comentário 6 Uma função {f} é contínua se é contínua em cada ponto de {X}.
Comentário 7 Se na definição acima fazermos {X=Y=\mathbb{R}} torna-se na definição padrão ensinada nos cursos de cálculo, i.e., para todo {\epsilon>0} existe um {\delta>0} tal que {\mid x-a\mid<\delta} temos {\mid f(a)-f(x)\mid}.

Proposição 31 Se {(X,d)} e {(Y,\rho)} são espaços métricos e {f:X\longrightarrow Y}, então {f} é contínua em {a} se e somente se sempre que {x_{n}\subset X} e {x_{n}\longrightarrow a}, então {f(x_{n})\longrightarrow f(a)} em {Y}.

Demonstração: Suponhamos que {f} é contínua em {a} e {x_{n}\longrightarrow a}. Como {f} é contínua, então para algum {N\geq 1} tal que {d(x_{n},a)<\delta} quando {n\geq N}. Portanto, {\rho(f(x_{n}),f(a)<\epsilon} quando {n\geq N}. Como {\epsilon} é arbitrário, isto significa que {f(x_{n})\longrightarrow f(a)}.

Para provarmos a implicação inversa, suponhamos que {f} não é contínua em {a}, i.e., existe um {\epsilon>0} tal que para todo {\delta>0} existe pelo menos um {x} com {d(x,a)<\delta}, mas {\rho(f(x),f(a))\geq \epsilon}.

Em particular, tomando {\delta=\frac{1}{n}} temos que para todo {n\geq1} existe um {x_{n}} com {d(x_{n},a)<\frac{1}{n}} e {\rho(f(x_{n}),f(a))\geq\epsilon}. Quando {n\longrightarrow\infty} então {x_{n}\longrightarrow a}, e {f(x_{n})} não converge a {f(a)}. \Box

Teorema 32 Se {(X,d)} e {(Y,\rho)} são espaços métricos e {f:X\longrightarrow Y}, então as seguintes afirmações são equivalentes:

  1. {f} é uma função contínua em {X}.
  2. Se {U} é um subconjunto aberto de {Y}, então {f^{-1}(U)} é um subconjunto aberto de {X}.
  3. Se {V} é um subconjunto fechado de {Y}, então {f^{-1}(V)} é um subconjunto fechado de {X}.

Demonstração: 2. implica 3.:

Note que {f^{-1}(Y-U)=X-f^{-1}(U)} e {f^{-1}(Y-V)=X-f^{-1}(V)}.

1.implica 2.: Seja {a\in f^{-1}(U)} tal que {\alpha=f(a)\in U}. Como {U} é aberto, existe um {\epsilon>0} talque {B(\alpha,\epsilon)\subseteq U}. Como {f} é contínua exise um {\delta>0} tal que {d(a,x)<\delta} implica {\rho(f(a),f(x))<\epsilon}. Em outras palavras, {B(a,\delta)\subseteq f^{-1}(B(\alpha,\epsilon))\subseteq f^{-1}(U)}. Como {a} era um ponto arbitrário em {f^{-1}(U)}, isto significa que {f^{-1}(U)} é aberto. \Box

Demonstração do Teorema de Cantor

Demonstração: Na proxima aula. \Box

ilon>0}&fg=000000$, seja {N} tal que {diam F_{n}<\epsilon}, {\forall n\geq N}. Assim, se {m,n\geq N}, então ii) implica que {F_{N}\subseteq F_{n,m}},i.e., {diam F_{N}<diam F_{n}<\epsilon}, logo {x_{n}} é uma sequência de Cauchy, e como {(X,d)} é completo, então {\exists x\in X}: {x_{n}\longrightarrow x}.

Como cada {F_{n}} é fechado, então {x\in \cap_{n=1}^{\infty}F_{n}}. Se {\exists y\in \cap_{n=1}^{\infty}F_{n}}, então {d(x,y)\leq diam F_{n}}, logo {x=y}.

Seja agora {x_{n}} uma sequência de Cauchy. Tomando {F_{n}=\overline{\{x_{n+1}, x_{n},\cdots\}}}. Claramente {F_{n}} é fechado e decrescente. Seja {\epsilon>0} e seja {N} tal que {d(x_{n},x_{m})<\epsilon}, {\forall m,n\geq N}. Como {diam F_{k}=\sup\{d(x_{n},x_{m}):m,n\geq k\}\leq\epsilon\Longrightarrow diam F_{k}\longrightarrow0}.

Para qualquer {n\geq 1}, {d(x,x_{n})\leq diam F_{n}\longrightarrow0}, i.e., {x_{n}\longrightarrow x}, logo {(x,d)} é completo.

\Box

Topologia dos Espaços Métricos e Sequências

— 1.1.8. Topologia dos Espaços Métricos e Sequências —

Proposição 24 Seja {(X,d)} um espaço métrico. Um subconjunto {F} de {X} é fechado em {(X,d)}, se e só se, toda sequência de pontos em {F} converge para um ponto em {F}. ({\forall x_{n}\subset F: x_{n}\longrightarrow x\implies x\in F}).

Demonstração: Primeiramente temos de provar que se {x_{n}\subset F}, { x_{n}\longrightarrow x} e {F} é fechado, então {x\in F}.

Suponhamos pelo contrário que {x\notin F}, então {x\in X-F} que é aberto, logo pela definição 1.4, {\exists r>0: B(x,r)\subseteq X-F}, então a partir de uma certa ordem deve existir um {N}, tal que para todo {n\geq N}, {d(x_{n},x)<r}, i.e., {x_{n}\in B(x,r)\subseteq X-F}, o que é uma contradição,já que por hipótese {x_{n}\in F}. Portanto, {x\in F}.

Se {x\in F}, então {x\in\widehat{F}}, pela definição 1.5 {B(x,r)\cap F\neq\emptyset} {\forall r>0}. Em particular, para todo natural {n} existe umponto {x_{n}} em {B(x,\frac{1}{2n})\cap F}. Por isso {x_{n}\subset F} e {d(x,x_{n})<\frac{1}{2n}}, assim {x_{n}\longrightarrow x} e {x\in F}. \Box

Definição 14 Um espaço métrico é completo se toda sucessão de Cauchy nesse espaço é convergente.
Exemplo 12 Todo espaço métrico discreto é completo porque suas sucessões de Cauchy são constantes.
Lema 25 Se {x_{n}} é uma sucessão de Cauchy de elementos de {\mathbb{R}}, então sua imagem é um conjunto limitado.
Teorema 26 {\mathbb{R}} é completo.

Demonstração: Deixada ao leitor. \Box

Proposição 27 Se {(X,d)} é um espaço métrico completo e {Y\subseteq X}, então {(Y,d)} é completo se e só se {Y} é fechado em {X}.
Corolário 28 Os subconjuntos fechados de {\mathbb{R}} são espaços métricos completos.
Proposição 29 Todo producto {X_{1}\times \cdots \times X_{n}} de espaços métricos completos {X_{1},\cdots, X_{n}}, é um espaço métrico completo.
Teorema 30 (Cantor) Um espaço métrico {(X,d)} é um espaço métrico completo se e só se sempre que {\{F_{n}\}} é uma sequência não vazia de subconjuntos satisfazendo:

  • Cada {F_{n}} é fechado;
  • {F_{1}\supseteq F_{2}\supseteq\cdots};
  • {diam F_{n}\longrightarrow 0}, então {\cap_{n=1}^{\infty}F_{n}} é um único ponto.

Demonstração: Na proxima aula. \Box

Espaços Métricos e Sequências

Aula 6

— 1.1.7. Espaços Métricos e Sequências —

Nesta aula introduziremos o conceito de sequências em espaços métricos. Embora este conceito já seja conhecido de modo elementar no espaço dos números reais, {\mathbb{R}}, procederemos à generalização do mesmo para qualquer espaço métrico {X}

Definição 11 Seja {(X,d)} um espaço métrico. Uma sequência, num espaço métrico, é uma aplicação {x:\mathbb{N}\longrightarrow X}, onde os {(x_{n})_{n\in\mathbb{N}}} são pontos em {(X,d)}.
Exemplo 10 Em particular se tomarmos {X=\mathbb{R}} retornaremos ao conceito usual de sequências.
Definição 12 Uma sequência {\{x_{n}\}} em {X} converge para {x}, i.e., {x_{n}\longrightarrow x}, se {\forall\epsilon>0} {\exists N>0}: {d(x_{n},x)<\epsilon}, {\forall n\geq N(\epsilon)}.
Exemplo 11 Seja {(X,d)} o espaço métrico discreto, então uma sequência {\{x_{n}\}} em {X} converge para {x} se e só se existe um inteiro {N} tal que {x_{n}=x} sempre que {n\geq N}.
Proposição 21 Se {x_{n}\longrightarrow x} em {X} e {\{x_{n_{k}}\}} é uma subsequência, então {x_{n_{k}}\longrightarrow x}.

Demonstração: Deixada ao leitor. \Box

Definição 13 Uma sequência {\{x_{n}\}} em {X} é de Cauchy se {\forall\epsilon>0} {\exists n_{0}\in\mathbb{N}} tal que {d(x_{m},x_{n})<\epsilon}, para todo {m,n\geq n_{0}}.
Proposição 22 Toda sucessão {x_{n}} convergente de {X} é de Cauchy.

Demonstração: A proposição acima basicamente diz que se uma sucessão é convergente, então ela é de Cauchy.

Como por hipótese, {x_{n}\longrightarrow x}, então pela definição 1.12, {d(x_{n},x)<\frac{\epsilon}{2}} para algum {\epsilon>0} e para todo {n\geq n_{0}}, onde {n_{0}\in\mathbb{N}}. De modo similar, a partir de uma certa ordem,{m}, temos {d(x_{m},x)<\frac{\epsilon}{2}}, com {m\geq n_{0}}. Portanto, aplicando a desigualdade triângular obtemos:

\displaystyle  d(x_{m},x_{n})\leq d(x_{m},x)+d(x_{n},x)<\frac{\epsilon}{2}+\frac{\epsilon}{2}=\epsilon.

\Box

Em geral,a recíproca da proposição anterior é falsa. Para isto, consideremos por exemplo a sucessão {x_{n}=\frac{1}{n}} no espaço {X=\mathbb{R}-\{0\}} com a métrica euclidiana usual.

Proposição 23 Se {\{x_{n}\}} é uma sequência de Cauchy e alguma subsequência de {X_{n}} converge para {x}, então {x_{n}\longrightarrow x}.

Demonstração: Por hipótese temos que {x_{n_{k}}\longrightarrow x} para algum {\epsilon>0}. Seja {N_{1}, N_{2}\in\mathbb{N}} tal que {d(x_{n_{k}},x)<\frac{\epsilon}{2}}, para todo {n_{k}\geq N_{1}}. Por outro lado, como {x_{n}} é umasequência de Cauchy, então {d(x_{m},x_{n})<\frac{\epsilon}{2}}, para {m,n\geq N_{2}}. Fixemos {n_{k}>N} e seja {N=\max\{N_{1},N_{2}\}}, então:

\displaystyle d(x,x_{n})<d(x,x_{n_{k}})+d(x_{n_{k}},x_{n})<\epsilon.

\Box

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