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9.9: Resolver desigualdades quadráticas

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    183508
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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Resolva desigualdades quadráticas graficamente
    • Resolva desigualdades quadráticas algebricamente

    Antes de começar, faça este teste de prontidão.

    1. Resolver:\(2x−3=0\).
      Se você perdeu esse problema, revise o Exemplo 2.2.
    2. Resolver:\(2y^{2}+y=15\).
      Se você perdeu esse problema, consulte o Exemplo 6.45.
    3. Resolver\(\frac{1}{x^{2}+2 x-8}>0\)
      Se você perdeu esse problema, consulte o Exemplo 7.56.

    Aprendemos como resolver desigualdades lineares e racionais anteriormente. Algumas das técnicas que usamos para resolvê-las eram as mesmas e outras eram diferentes. Agora aprenderemos a resolver desigualdades que têm uma expressão quadrática. Usaremos algumas das técnicas de resolução de desigualdades lineares e racionais, bem como equações quadráticas. Resolveremos as desigualdades quadráticas de duas maneiras: graficamente e algebricamente.

    Resolva desigualdades quadráticas graficamente

    Uma equação quadrática está na forma padrão quando escrita como\(ax^{2}+bx+c=0\). Se substituirmos o sinal de igual por um sinal de desigualdade, teremos uma desigualdade quadrática na forma padrão.

    Definição\(\PageIndex{1}\): Quadratic Inequality

    Uma desigualdade quadrática é uma desigualdade que contém uma expressão quadrática. A forma padrão de uma desigualdade quadrática está escrita:

    \(\begin{array}{ll}{a x^{2}+b x+c<0} & {a x^{2}+b x+c \leq 0} \\ {a x^{2}+b x+c>0} & {a x^{2}+b x+c \geq 0}\end{array}\)

    O gráfico de uma função quadrática\(f(x)=a x^{2}+b x+c=0\) é uma parábola. Quando perguntamos quando é\(a x^{2}+b x+c<0\), estamos perguntando quando é\(f(x)<0\). Queremos saber quando a parábola está abaixo do\(x\) eixo y.

    Quando perguntamos quando é\(a x^{2}+b x+c>0\), estamos perguntando quando é\(f(x)>0\). Queremos saber quando a parábola está acima do\(y\) eixo y.

    O primeiro gráfico é uma parábola voltada para cima, f de x, em um plano de coordenadas x y. À esquerda da função, f de x é maior que 0. Entre os interceptos x, f de x é menor que 0. À direita da função, f de x é maior que 0. O segundo gráfico é uma parábola voltada para baixo, f de x, em um plano coordenado x y. À esquerda da função, f de x é menor que 0. Entre os interceptos x, f de x é maior que 0. À direita da função, f de x é menor que 0.
    Figura 9.8.1
    Exemplo\(\PageIndex{1}\): How to Solve a Quadratic Inequality Graphically

    Resolva\(x^{2}−6x+8<0\) graficamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Solução:

    Etapa 1: Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão.

    A desigualdade está na forma padrão.

    \(x^{2}-6 x+8<0\)

    Etapa 2: Faça um gráfico da função\(f(x)=a x^{2}+b x+c\) usando propriedades ou transformações.

    Vamos representar graficamente usando as propriedades.

    \(f(x)=x^{2}-6 x+8\)

    Veja\(a\) na equação.

    \(\color{red}{a=1, b=-6, c=8}\)

    \(f(x)=x^{2}-6 x+8\)

    Como\(a\) é positivo, a parábola se abre para cima.

    A parábola se abre para cima.

    Captura de tela (2) .png
    Figura 9.8.2

    \(f(x)=x^{2}-6 x+8\)

    O eixo de simetria é a linha\(x=-\frac{b}{2 a}\).

    Eixo de simetria

    \(x=-\frac{b}{2 a}\)

    \(\begin{array}{l}{x=-\frac{(-6)}{2 \cdot 1}} \\ {x=3}\end{array}\)

    O eixo de simetria é a linha\(x=3\).

    O vértice está no eixo de simetria. \(x=3\)Substitua na função.

    Vértice

    \(\begin{array}{l}{f(x)=x^{2}-6 x+8} \\ {f(3)=(\color{red}{3}\color{black}{)}^{2}-6(\color{red}{3}\color{black}{)}+8} \\ {f(3)=-1}\end{array}\)

    O vértice é\((3,-1)\).

    Nós encontramos\(f(0)\)

    \(y\)-interceptar

    \(\begin{array}{l}{f(x)=x^{2}-6 x+8} \\ {f(0)=(\color{red}{0}\color{black}{)}^{2}-6(\color{red}{0}\color{black}{)}+8} \\ {f(0)=8}\end{array}\)

    O\(y\) intercepto -é\((0.8)\).

    Usamos o eixo de simetria para encontrar um ponto simétrico ao\(y\) intercepto. O\(y\) intercepto -é a\(3\) unidade à esquerda do eixo de simetria,\(x=3\). Uma\(3\) unidade de ponto à direita do eixo de simetria tem\(x=6\).

    Ponto simétrico a\(y\) -intercepto

    A questão é\((6,8)\).

    Nós resolvemos\(f(x)=0\).

    \(x\)-intercepta

    Podemos resolver essa equação quadrática fatorando.

    \(\begin{aligned} f(x) &=x^{2}-6 x+8 \\ \color{red}{0} &\color{black}{=}x^{2}-6 x+8 \\ \color{red}{0} &\color{black}{=}(x-2)(x-4) \\ x &=2 \text { or } x=4 \end{aligned}\)

    As\(x\) interceptações -são\((2,0)\)\((4,0)\) e.

    Representamos graficamente o vértice, os interceptos e o ponto simétrico ao\(y\) intercepto. Conectamos esses\(5\) pontos para esboçar a parábola.

    Captura de tela (3) .png
    Figura 9.8.3

    Etapa 3: Determine a solução a partir do gráfico.

    \(x^{2}-6 x+8<0\)

    A desigualdade solicita os valores dos\(x\) quais tornam a função menor que\(0\). Quais valores de\(x\) formam a parábola abaixo do\(x\) eixo -.

    Não incluímos os valores\(2\),\(4\) pois a desigualdade é menor do que apenas.

    A solução, em notação de intervalo, é\((2,4)\).

    Exercício\(\PageIndex{1}\)
    1. Resolva\(x^{2}+2 x-8<0\) graficamente
    2. Escreva a solução em notação de intervalo
    Responda

    1. Esta figura mostra uma parábola que se abre para cima no plano de coordenadas x y. Tem um vértice de (menos 2, menos 9), intercepto y de (0, 8) e eixo de simetria mostrado em x é igual a menos 2.
      Figura 9.8.4
    2. \((-4,2)\)
    Exercício\(\PageIndex{2}\)
    1. Resolva\(x^{2}-8 x+12 \geq 0\) graficamente
    2. Escreva a solução em notação de intervalo
    Responda

    1. Esta figura mostra uma parábola que se abre para cima no plano de coordenadas x y. Tem um vértice de (4, menos 4) e interceptos x de (2, 0) e (6, 0).
      Figura 9.8.5
    2. \((-\infty, 2] \cup[6, \infty)\)

    Listamos as etapas a serem seguidas para resolver graficamente uma desigualdade quadrática.

    Resolva graficamente uma desigualdade quadrática

    1. Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão.
    2. Faça um gráfico da função\(f(x)=ax^{2}+bx+c\).
    3. Determine a solução a partir do gráfico.

    No último exemplo, a parábola se abriu para cima e no próximo exemplo, ela se abre para baixo. Em ambos os casos, estamos procurando a parte da parábola que está abaixo do\(x\) eixo -, mas observamos como a posição da parábola afeta a solução.

    Exemplo\(\PageIndex{2}\)

    Resolva\(-x^{2}-8 x-12 \leq 0\) graficamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Solução:

    A desigualdade quadrática na forma padrão. \(-x^{2}-8 x-12 \leq 0\)

    Faça um gráfico da função

    \(f(x)=-x^{2}-8 x-12\)

    A parábola se abre para baixo.

    .
    Figura 9.8.6
    Encontre a linha de simetria. \(\begin{array}{l}{x=-\frac{b}{2 a}} \\ {x=-\frac{-8}{2(-1)}} \\ {x=-4}\end{array}\)
    Encontre o vértice.

    \(\begin{aligned} f(x) &=-x^{2}-8 x-12 \\ f(-4) &=-(-4)^{2}-8(-4)-12 \\ f(-4) &=-16+32-12 \\ & f(-4)=4 \end{aligned}\)

    Vértice\((-4,4)\)

    Encontre as\(x\) interceptações -. Deixe\(f(x)=0\). \(\begin{aligned} f(x) &=-x^{2}-8 x-12 \\ 0 &=-x^{2}-8 x-12 \end{aligned}\)
    Fator: Use a propriedade Zero Product. \(\begin{array}{l}{0=-1(x+6)(x+2)} \\ {x=-6 \quad x=-2}\end{array}\)
    Faça um gráfico da parábola.

    \(x\)-intercepta\((-6,0), (-2.0)\)

    .
    Figura 9.8.7
    Determine a solução a partir do gráfico. Incluímos os\(x\) interceptos -porque a desigualdade é “menor ou igual a”. \((-\infty,-6] \cup[-2, \infty)\)
    Tabela 9.8.1
    Exercício\(\PageIndex{3}\)
    1. Resolva\(-x^{2}-6 x-5>0\) graficamente
    2. Escreva a solução em notação de intervalo
    Responda

    1. Uma parábola voltada para baixo no plano de coordenadas x y. Tem um vértice de (menos 3, 4), um intercepto y em (0, menos 5) e um eixo de simetria mostrado em x é igual a menos 3.
      Figura 9.8.8
    2. \((-5,-1)\)
    Exercício\(\PageIndex{4}\)
    1. Resolva\(−x^{2}+10x−16≤0\) graficamente
    2. Escreva a solução em notação de intervalo
    Responda

    1. Uma parábola voltada para baixo no plano de coordenadas x y. Tem um vértice de (5, 9), um intercepto y em (0, menos 16) e um eixo de simetria de x igual a 5.
      Figura 9.8.9
    2. \((-\infty, 2] \cup[8, \infty)\)

    Resolva desigualdades quadráticas algebricamente

    O método algébrico que usaremos é muito semelhante ao método que usamos para resolver desigualdades racionais. Encontraremos os pontos críticos para a desigualdade, que serão as soluções para a equação quadrática relacionada. Lembre-se de que uma expressão polinomial só pode mudar de sinal quando a expressão é zero.

    Usaremos os pontos críticos para dividir a reta numérica em intervalos e depois determinar se a expressão quadrática será positiva ou negativa no intervalo. Em seguida, determinamos a solução para a desigualdade.

    Exemplo\(\PageIndex{3}\): How to Solve Quadratic Inequalities Algebraically

    Resolva\(x^{2}-x-12 \geq 0\) algebricamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Solução:

    Etapa 1: Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão. A desigualdade está na forma padrão. \(x^{2}-x-12 \geq 0\)
    Etapa 2: Determine os pontos críticos — as soluções para a equação quadrática relacionada. Altere o sinal de desigualdade para um sinal de igual e, em seguida, resolva a equação. \(\begin{array}{c}{x^{2}-x-12=0} \\ {(x+3)(x-4)=0} \\ {x+3=0 \quad x-4=0} \\ {x=-3 \quad x=4}\end{array}\)
    Etapa 3: Use os pontos críticos para dividir a reta numérica em intervalos. Use\(-3\) e\(4\) para dividir a reta numérica em intervalos. Captura de tela (4) .png
    Etapa 4: Acima da linha numérica, mostre o sinal de cada expressão quadrática usando pontos de teste de cada intervalo substituídos pela desigualdade original.

    Teste:

    \(x=-5\)

    \(x=0\)

    \(x=5\)

    \(\begin{array}{ccc}{x^{2}-x-12} & {x^{2}-x-12} & {x^{2}-x-12} \\ {(-5)^{2}-(-5)-12} & {0^{2}-0-12} & {5^{2}-5-12} \\ {18} & {-12} & {8}\end{array}\)

    Captura de tela (5) .png
    Figura 9.8.11
    Etapa 5: Determine os intervalos em que a desigualdade está correta. Escreva a solução em notação de intervalo.

    \(x^{2}-x-12 \geq 0\)

    A desigualdade é positiva no primeiro e no último intervalo e é igual\(0\) nos pontos\(-4,3\).

    A solução, em notação de intervalo, é\((-\infty,-3] \cup[4, \infty)\).
    Tabela 9.8.2
    Exercício\(\PageIndex{5}\)

    Resolva\(x^{2}+2x−8≥0\) algebricamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Responda

    \((-\infty,-4] \cup[2, \infty)\)

    Exercício\(\PageIndex{6}\)

    Resolva\(x^{2}−2x−15≤0\) algebricamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Responda

    \([-3,5]\)

    Neste exemplo, como a expressão\(x^{2}−x−12\) influencia bem, também podemos encontrar o sinal em cada intervalo da mesma forma que fizemos quando resolvemos desigualdades racionais. Encontramos o sinal de cada um dos fatores e depois o sinal do produto. Nossa linha numérica ficaria assim:

    A figura mostra a expressão x ao quadrado menos x menos 12 fatorada à quantidade de x mais 3 vezes a quantidade de x menos 4. A imagem mostra uma linha numérica mostrando linhas pontilhadas em menos 3 e 4. Mostra os sinais da quantidade x mais 3 como negativa, positiva, positiva e os sinais da quantidade x menos 4 como negativa, negativa, positiva. Abaixo da linha numérica, mostra a quantidade x mais 3 vezes a quantidade x menos 4 com os sinais positivo, negativo, positivo.
    Figura 9.8.12

    O resultado é o mesmo que encontramos usando o outro método.

    Resumimos as etapas aqui.

    Resolva uma desigualdade quadrática algebricamente

    1. Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão.
    2. Determine os pontos críticos — as soluções para a equação quadrática relacionada.
    3. Use os pontos críticos para dividir a reta numérica em intervalos.
    4. Acima da linha numérica, mostre o sinal de cada expressão quadrática usando pontos de teste de cada intervalo substituídos pela desigualdade original.
    5. Determine os intervalos em que a desigualdade está correta. Escreva a solução em notação de intervalo.
    Exemplo\(\PageIndex{4}\)

    Resolva\(x^{2}+6x−7≥0\) algebricamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Solução:

    Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão. \(-x^{2}+6 x-7 \geq 0\)
    Multiplique os dois lados da desigualdade por\(-1\). Lembre-se de reverter o sinal de desigualdade. \(x^{2}-6 x+7 \leq 0\)
    Determine os pontos críticos resolvendo a equação quadrática relacionada. \(x^{2}-6 x+7=0\)
    Escreva a fórmula quadrática. \(x=\frac{-b \pm \sqrt{b^{2}-4 a c}}{2 a}\)
    Em seguida, substitua os valores de\(a, b, c\). \(x=\frac{-(-6) \pm \sqrt{(-6)^{2}-4 \cdot 1 \cdot(7)}}{2 \cdot 1}\)
    Simplifique. \(x=\frac{6 \pm \sqrt{8}}{2}\)
    Simplifique o radical. \(x=\frac{6 \pm 2 \sqrt{2}}{2}\)
    Remova o fator comum,\(2\). \(\begin{array}{l}{x=\frac{2(3 \pm \sqrt{2})}{2}} \\ {x=3 \pm \sqrt{2}} \\ {x=3+\sqrt{2}} \quad x=3-\sqrt{2} \\ {x \approx 1.6}\quad\quad\:\:\: x\approx 4.4\end{array}\)
    Use os pontos críticos para dividir a reta numérica em intervalos. Teste os números de cada intervalo na desigualdade original. .
    Determine os intervalos em que a desigualdade está correta. Escreva a solução em notação de intervalo. \(-x^{2}+6 x-7 \geq 0\)no intervalo intermediário\([3-\sqrt{2}, 3+\sqrt{2}]\)
    Tabela 9.8.3
    Exercício\(\PageIndex{7}\)

    Resolva\(−x^{2}+2x+1≥0\) algebricamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Responda

    \([-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}]\)

    Exercício\(\PageIndex{8}\)

    Resolva\(−x^{2}+8x−14<0\) algebricamente. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Responda

    \((-\infty, 4-\sqrt{2}) \cup(4+\sqrt{2}, \infty)\)

    As soluções das desigualdades quadráticas em cada um dos exemplos anteriores eram um intervalo ou a união de dois intervalos. Isso resultou do fato de que, em cada caso, encontramos duas soluções para a equação quadrática correspondente\(ax^{2}+bx+c=0\). Essas duas soluções então nos deram as duas\(x\) interceptações para o gráfico ou os dois pontos críticos para dividir a reta numérica em intervalos.

    Isso se correlaciona com nossa discussão anterior sobre o número e o tipo de soluções para uma equação quadrática usando o discriminante.

    Para uma equação quadrática do formulário\(ax^{2}+bc+c=0, a≠0\).

    A figura é uma tabela com 3 colunas. A coluna 1 é rotulada como discriminante, a coluna 2 é o número/tipo de solução e a coluna 3 é o gráfico típico. Lendo as colunas, se b ao quadrado menos 4 vezes a vezes c for maior que 0, haverá 2 soluções reais porque há 2 interceptos x no gráfico. A imagem de um gráfico típico, uma parábola ascendente ou descendente com 2 interceptos-x. Se o discriminante b ao quadrado menos 4 vezes a vezes c for igual a 0, então há 1 solução real porque há 1 intercepto x no gráfico. A imagem do gráfico típico é uma parábola voltada para cima ou para baixo que tem um vértice no eixo x em vez de atravessá-lo. Se o discriminante b ao quadrado menos 4 vezes a vezes c for menor que 0, há 2 soluções complexas porque não há intercepto x. A imagem do gráfico típico mostra uma parábola voltada para cima ou para baixo que não cruza o eixo x.
    Figura 9.8.14

    A última linha da tabela nos mostra quando as parábolas nunca cruzam o\(x\) eixo y. Usando a Fórmula Quadrática para resolver a equação quadrática, o radicando é negativo. Temos duas soluções complexas.

    No próximo exemplo, as soluções de desigualdade quadrática resultarão da complexidade da solução da equação quadrática.

    Exemplo\(\PageIndex{5}\)

    Resolva, escrevendo qualquer solução em notação de intervalo:

    1. \(x^{2}-3 x+4>0\)
    2. \(x^{2}-3 x+4 \leq 0\)

    Solução:

    uma.

    Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão. \(-x^{2}-3 x+4>0\)
    Determine os pontos críticos resolvendo a equação quadrática relacionada. \(x^{2}-3 x+4=0\)
    Escreva a fórmula quadrática. \(x=\frac{-b \pm \sqrt{b^{2}-4 a c}}{2 a}\)
    Em seguida, substitua os valores de\(a, b, c\). \(x=\frac{-(-3) \pm \sqrt{(-3)^{2}-4 \cdot 1 \cdot(4)}}{2 \cdot 1}\)
    Simplifique. \(x=\frac{3 \pm \sqrt{-7}}{2}\)
    Simplifique o radicando. \(x=\frac{3 \pm \sqrt{7 i}}{2}\)
    As soluções complexas nos dizem que a
    parábola não intercepta o\(x\) eixo y.
    Além disso, a parábola se abre para cima. Isso nos
    diz que a parábola está completamente acima do\(x\) eixo y.

    Soluções complexas

    .
    Figura 9.8.15
    Tabela 9.8.4

    Devemos encontrar a solução para\(x^{2}−3x+4>0\). Como todos os valores\(x\) do gráfico estão acima do\(x\) eixo -, todos os valores de\(x\) tornam a desigualdade verdadeira. Na notação de intervalo, escrevemos\((−∞,∞)\).

    b. Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão.

    \(x^{2}-3 x+4 \leq 0\)

    Determine os pontos críticos resolvendo a equação quadrática relacionada.

    \(x^{2}-3 x+4=0\)

    Como a equação quadrática correspondente é a mesma da parte (a), a parábola será a mesma. A parábola se abre para cima e está completamente acima do\(x\) eixo -— nenhuma parte dela está abaixo do\(x\) eixo -.

    Devemos encontrar a solução para\(x^{2}−3x+4≤0\). Como todos os valores\(x\) do gráfico nunca estão abaixo do\(x\) eixo -, nenhum valor de\(x\) torna a desigualdade verdadeira. Não há solução para a desigualdade.

    Exercício\(\PageIndex{9}\)

    Resolva e escreva qualquer solução em notação de intervalo:

    1. \(-x^{2}+2 x-4 \leq 0\)
    2. \(-x^{2}+2 x-4 \geq 0\)
    Responda
    1. \((-\infty, \infty)\)
    2. sem solução
    Exercício\(\PageIndex{10}\)

    Resolva e escreva qualquer solução em notação de intervalo:

    1. \(x^{2}+3 x+3<0\)
    2. \(x^{2}+3 x+3>0\)
    Responda
    1. sem solução
    2. \((-\infty, \infty)\)

    Conceitos-chave

    • Resolva graficamente uma desigualdade quadrática
      1. Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão.
      2. Faça um gráfico da função\(f(x)=ax^{2}+bx+c\) usando propriedades ou transformações.
      3. Determine a solução a partir do gráfico.
    • Como resolver uma desigualdade quadrática algebricamente
      1. Escreva a desigualdade quadrática na forma padrão.
      2. Determine os pontos críticos — as soluções para a equação quadrática relacionada.
      3. Use os pontos críticos para dividir a reta numérica em intervalos.
      4. Acima da linha numérica, mostre o sinal de cada expressão quadrática usando pontos de teste de cada intervalo substituídos pela desigualdade original.
      5. Determine os intervalos em que a desigualdade está correta. Escreva a solução em notação de intervalo.

    Glossário

    desigualdade quadrática
    Uma desigualdade quadrática é uma desigualdade que contém uma expressão quadrática.