Prévia do material em texto
Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal Apresentação O cálculo diferencial e infinitesimal é uma das mais importantes ferramentas matemáticas, com aplicações em diversas áreas da ciência. Surgiu por meio de dois problemas matemáticos: o de encontrar a reta tangente a uma curva em um dado ponto e o de obter a área sob uma dada curva, conhecido como problema da quadratura. Embora diversos matemáticos renomados tenham contribuído para o seu desenvolvimento ao longo dos últimos séculos, sua descoberta é atribuída a dois famosos personagens, Isaac Newton e Gottfried Leibniz. Nesta Unidade de Aprendizagem, você aprenderá a história do cálculo diferencial e infinitesimal a partir das contribuições e dos avanços de Newton e Leibniz. Além disso, estudará as influências do pensamento desses dois importantes matemáticos na forma como o cálculo é concebido e ensinado atualmente. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Analisar o cálculo diferencial e integral nas perspectivas de Newton e Leibniz. • Identificar as contribuições de Newton e Leibniz no desenvolvimento do cálculo diferencial e integral ensinado atualmente. • Demonstrar técnicas do cálculo de Newton e Leibniz na sala de aula de matemática. • Desafio O problema de encontrar a equação da reta tangente a uma curva que representa o gráfico de uma função motivou o desenvolvimento do cálculo diferencial. De fato, a derivada é o coeficiente angular da reta tangente a ser obtida em um dado ponto da curva. Imagine que você está lecionando cálculo para uma turma de licenciatura em matemática e explicando sobre aplicações de derivadas. Entre as inúmeras existentes, você cita a utilização das derivadas para obter pontos de máximo e mínimo de funções, aplicação explorada por Leibniz no século XVII. Ao esboçar gráficos de algumas funções importantes para exemplificar a existência de pontos ótimos, como polinomiais, exponenciais e trigonométricas, você é levado às seguintes questões: a) Sabe-se que, para obter pontos de máximo e mínimo de uma função, procura-se inicialmente por pontos onde a derivada se anula, isto é, onde ela é igual a zero. Existe alguma justificativa geométrica para esse procedimento? b) Sempre que a derivada se anula em certo ponto do gráfico da função, este ponto será máximo ou mínimo local? Infográfico O cálculo diferencial e integral foi desenvolvido em meados do século XVII e provocou uma revolução na matemática e na ciência de modo geral. Com o desenvolvimento dessa metodologia, foi possível calcular taxas de variação instantâneas, resolver problemas de otimização e obter áreas e volumes de figuras e objetos geométricos mais sofisticados. No Infográfico, você verá os dois problemas geométricos que motivaram o desenvolvimento do cálculo, assim como a ligação algébrica existente entre eles, descoberta por Newton e Leibniz. Além disso, observará que a solução dos problemas da tangente e da quadratura resultou em diversas outras aplicações das derivadas e integrais. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/b6e104af-2b61-4e43-808a-de65d4a16257/5e309f97-6342-417d-bc77-d1c4d2bbe18f.jpg Conteúdo do livro A história do desenvolvimento do cálculo passa por dois famosos personagens da matemática: Isaac Newton e Gottfried Leibniz. Eles chegaram aos mesmos importantes resultados sobre os problemas da tangente e da quadratura de forma independente um do outro. Entender a contribuição desses dois grandes matemáticos na concepção do cálculo diferencial e integral é de suma importância para a plena compreensão do significado conceitual e aplicado do cálculo. No capítulo Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal, base teórica desta Unidade de Aprendizagem, você vai acompanhar a evolução do cálculo diferencial e integral de acordo com os estudos e resultados de Newton e Leibniz, assim como estudar suas influências no ensino e na prática dessa importante disciplina na matemática e na ciência de forma geral. Boa leitura. HISTÓRIA DA MATEMÁTICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Analisar o cálculo diferencial e integral nas perspectivas de Newton e Leibniz. > Identificar as contribuições de Newton e Leibniz no desenvolvimento do cálculo diferencial e integral ensinado atualmente. > Demonstrar técnicas do cálculo de Newton e Leibniz na sala de aula de Matemática. Introdução O desenvolvimento do cálculo diferencial e integral provocou um grande impacto na matemática e na ciência de forma geral. Com essa ferramenta, uma grande classe de problemas foi solucionada e novos resultados importantes na matemática surgiram como sua consequência. Grandes personagens da matemática foram responsáveis pela descoberta e evolução do cálculo diferencial e integral. Alguns deles são bastante populares até por descobertas em outras áreas, como Isaac Newton. Conhecer a história desses personagens e como eles desenvolveram esses importantes conceitos trará uma compreensão plena da essência do cálculo, além de auxiliar o professor da educação básica a ter uma visão mais ampla dos conteúdos a serem trabalhados em sala de aula com seus alunos. Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal Alex Rodrigo dos Santos Sousa Neste capítulo, você vai estudar o desenvolvimento do cálculo com base na história de seus dois principais autores, Isaac Newton e Gottfried Leibniz. As semelhanças e diferenças em seus estudos que resultaram na estrutura e na generalização do cálculo, assim como as suas influências na prática e no ensino dessa importante área da matemática também serão abordadas. O desenvolvimento do cálculo O surgimento do cálculo ou cálculo infinitesimal como entendemos hoje ocorreu por meio de dois problemas importantes na matemática e na física dos séculos XVI e XVII, de acordo com Boyer e Merzbach (2012). O primeiro estava relacionado à obtenção da taxa de variação instantânea de uma quantidade em um dado instante, ou, em termos geométricos, a obtenção da reta tangente a uma curva em um dado ponto. Este problema levou ao desenvolvimento do cálculo diferencial. Já o segundo problema se preocupava com o que era chamado de quadratura, ou cálculo de áreas sob uma dada curva, e levou ao desenvolvimento do cálculo integral. Esses problemas estão ilustrados nas Figuras 1 e 2. Diversos matemáticos contribuíram para o desenvolvimento do cálculo, mas dois personagens foram de destacada importância por terem realizados trabalhos independentes que fundamentaram a área: Isaac Newton e Gottfried Wilhelm Leibniz. Figura 1. O problema de obter a reta tangente a uma curva motivou o de- senvolvimento do cálculo diferencial. Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal2 Figura 2. O problema de obter a área sob uma curva (qua- dratura) motivou o desenvolvimento do cálculo integral. O cálculo por Isaac Newton O britânico Sir Isaac Newton (1642–1727) foi um dos mais conhecidos e in- fluentes matemáticos e físicos de todos os tempos. Ocupou a cadeira de Matemática do Trinity College e na Universidade de Cambridge, e suas con- tribuições na Física, desde as leis da mecânica, a teoria das cores até a teoria da gravitação universal, revolucionaram a área e serviram como alicerces de muitos desenvolvimentos nos séculos seguintes, a ponto de a física clássica ser muitas vezes denominada física newtoniana. Na matemática, entre outras contribuições, Newton desenvolveu a análise das séries infinitas, que impactaram no seu estudo sobre fluxões (taxas de variação) posteriormente. Foi fortemente influenciado pelo seu mentor, Isaac Barrow (1630–1677), e pela obra de John Wallis (1616–1703), Arithmetica infinitorum. Na época, as séries infinitas eram consideradas ferramentas de aproximação de funções. Newton descobriu que a análise e a álgebraneces- sárias para lidar com séries infinitas eram as mesmas de séries finitas, e a noção de convergência de uma série infinita permitiu que tais séries deixassem de ser utilizadas apenas como ferramentas de aproximação. Uma série infinita convergente pode ser vista como uma soma de uma quantidade infinita de números que progridem de acordo com um padrão matemático definido. Esta soma, à medida que mais termos são adicionados, se aproxima de um certo valor, de modo que se esse processo de adicionar termos for realizado infinitamente, a soma tornar-se-á igual a esse dado valor. A noção fundamental desse processo é de limites, que estruturam o cálculo diferencial e integral. Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal 3 1. Uma série infinita convergente Considere a progressão geométrica com termos =� �1 2 , n = 1, 2, 3…. A soma dos termos dessa sequência constitui uma série infinita con- vergente, uma vez que: �1 2 ∞ =1 = 1com a aplicação do teorema. Para mais detalhes históricos sobre os avanços de Newton e Leibniz no cálculo, ver Bardi (2008), e para detalhes técnicos, ver Stewart (2013). A derivada também é aplicada para detectar pontos de mudança na curvatura (concavidade) de uma função. Esses pontos são chamados de pontos de inflexão de uma função (Figura 5). Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal8 Figura 5. Gráfico de uma função com seu ponto de inflexão destacado em verde. Observe que neste ponto há mudança de concavidade da curva. Contexto histórico do cálculo na sala de aula As motivações para o estudo do cálculo diferencial e integral, em muitas situa- ções, são semelhantes às que levaram ao desenvolvimento da metodologia há séculos. O interesse no cálculo diferencial para cálculo de taxas instantâneas aparece em problemas físicos, biológicos, econômicos, estatísticos, entre outras áreas. O mesmo acontece para o estudo do cálculo integral, motivado pelo cálculo de áreas. Apesar da importante presença de recursos computacionais atualmente, com diversas implementações de ferramentas de cálculo que facilitaram aplicações e práticas, o olhar teórico e a interpretação dos elementos do cálculo desenvolvidos por Newton e Leibniz são fundamentais para uma completa compreensão da metodologia. Como já mencionado na seção anterior, Newton utilizou da abordagem física para chegar aos importantes resultados em cálculo diferencial, como no estudo do movimento. Essa abordagem é aplicada nos dias de hoje para trazer um cenário cotidiano para quem está com seus primeiros contatos na disciplina, uma vez que o impacto do cálculo é extremamente evidente Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal 9 na cinemática. Na física do ensino médio, modelos de movimento retilíneo e uniforme (MRU) e retilíneo uniformemente variado (MRUV) são estudados. Neles, estuda-se o movimento sob a suposição de que a velocidade é constante no MRU ou varia com uma aceleração constante no MRUV. Quando ambas as taxas variam no decorrer do tempo, os modelos estabelecidos não descrevem o movimento na sua realidade. Nesse caso, a aplicação de derivadas torna-se uma importante saída para modelar tais movimentos. Dessa forma, fica bas- tante evidente o impacto da ferramenta do cálculo diferencial nesse contexto, que foi utilizado como ponto de partida pelo próprio Newton no século XVII. Já Leibniz enfatiza a relação entre derivadas e integrais com diferenças e somas. A derivada é a razão de infinitésimos, isto é, variações ou diferenças muito pequenas de uma certa variável. Por outro lado, a integral pode ser vista como uma soma das partes infinitesimais que, no limite, resulta na área inteira dessas partes. Essa visão da integral é fundamental para a compreen- são de sua definição e dos papéis da soma e do limite nesse procedimento. Portanto, apesar dos diversos avanços tecnológicos alcançados ao longo dos últimos séculos e dos diversos novos desafios matemáticos que surgiram com eles, o cálculo permanece como uma importante ferramenta matemática em diversas áreas, e as ideias de Newton e Leibniz estão sempre presentes tanto nos usos da metodologia como no seu ensino em sala de aula. É possível deduzir as fórmulas de velocidade e aceleração do MRU e MRUV por meio de derivadas. Vejamos: 1. (MRU) Considere a função posição de um objeto pontual em movimento retilíneo e uniforme (MRU): S(t) = S0 + vt, em que S0 é a posição inicial, v é a velocidade constante e t é o tempo. Observe que: S' (t) = v, isto é, a derivada da função posição do objeto é igual à sua velocidade, que nesse modelo é constante. Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal10 2. (MRUV) Considere agora a função posição de um objeto em movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV) ( ) = 0 + 0 + ² 2 , em que v0 é a velocidade inicial e a é a aceleração constante. Sendo assim, temos que ′ ( ) = 0 + 2 2 = 0 + = ( ) ou seja, a partir da função posição, obtemos a fórmula da função velocidade por meio da primeira derivada de S(t). Além disso, S'' (t) = v' (t) = a, isto é, a segunda derivada da função posição é a aceleração do objeto, que neste modelo é constante. Considere um móvel em movimento retilíneo cuja posição S é de- terminada em função do tempo t pelo modelo: S(t) = 7t3. Assim, sua velocidade é dada pela derivada da função posição, v(t) = S' (t) = 21t², e sua aceleração é dada pela derivada da função velocidade ou segunda derivada da função posição a(t) = v' (t) = S'' (t) = 42t. Observe que tanto velocidade quanto aceleração variam ao longo do tempo, o que difere dos modelos de movimentos estudados no ensino médio, como MRU e MRUV. Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal 11 Assim como em diversos conteúdos da física, fórmulas importantes da matemática também podem ser obtidas por derivação. O exemplo a seguir mostra como o vértice do gráfico de uma função quadrática pode ser calculado por meio de derivada. Considere uma função quadrática genérica: y = ax2 + bx + c, a ≠ 0. Vamos deduzir as fórmulas do vértice (xv, yv) da parábola que descreve graficamente a função dada. Note que o vértice é um ponto ótimo (máximo ou mínimo) do gráfico. Obtendo a derivada da função, temos que: y' = 2ax + b Para obter o ponto ótimo, fazemos: ′ = 0 ⇒ 2 + = 0 ⇒ = − 2 , que é a fórmula da abscissa do vértice, isto é, = − 2 . A ordenada pode ser obtida substituindo a expressão da abscissa na função genérica, = − 2 2 + − 2 + = ² 4 ² − 2 2 + = 2 − 2 2 + 4 4 = − 2 + 4 4 ⇒ = − ∆ 4 � � � � em que ∆ = b2 – 4ac. Assim, obtemos a fórmula da ordenada do vértice, = − ∆ 4 . Os exemplos anteriores ilustram bem a presença do cálculo em tópicos de matemática e física que são ensinados na educação básica. Outras situ- ações em diversas áreas podem ser citadas, como o estudo da velocidade de reações químicas ou a taxa de variação do volume de um gás em química, ou a taxa de infecção de uma doença contagiosa na biologia, e assim por diante. Esses exemplos apresentam a importância e o alcance das ideias de Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal12 Newton e Leibniz no século XVII que culminaram na consolidação do cálculo diferencial e integral como ferramental matemático fundamental nas mais diversas áreas do conhecimento. Referências BARDI, J. S. A guerra do cálculo. Rio de Janeiro: Record, 2008. BOYER, C. B.; MERZBACH, U. C. História da matemática. São Paulo: Blucher, 2012. FLOOD, R.; WILSON, R. Os grandes matemáticos. São Paulo: M. Books, 2013. ROONEY, A. A história da matemática. São Paulo: M. Books, 2012. STEWART, J. Cálculo. São Paulo: Cengage Learning, 2013. v. 1. TAVORA, M. The calculus according to Leibniz. 2020. Disponível em: https://towardsda- tascience.com/the-calculus-according-to-leibniz-5ee1e485a5a2. Acesso em: 5 fev. 2021. Leitura recomendada SILVA, W. M. A descoberta do cálculo sob as perspectivas de Newton e Leibniz. 2015. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Matemática) – Programa de Pós- -Graduação em Matemática, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2015. Disponível em: https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/BUOS-A44GV3/1/ monografia_warley.pdf. Acesso em: 5 fev. 2021. Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. Desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal 13 Dica do professor A derivada pode ser interpretada como a taxa de variação instantânea de certa quantidade em relação à outra quantidade. A obtenção desse tipo de taxa era um grande problema em meados do século XVII, solucionadopor Newton com seu método das fluxões e por Leibniz. Nesse sentido, saber interpretar uma taxa de variação instantânea e diferenciá-la da variação média é fundamental no cálculo diferencial. Nesta Dica do Professor, você verá as diferenças entre a taxa de variação média e a taxa de variação instantânea ou derivada, do ponto de vista algébrico, geométrico e de interpretação. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/2cd2cd39b6c867751f34a21fd932d1eb Exercícios 1) Na matemática, é muito comum que problemas aparentemente simples e desconexos pelos seus enunciados se tornem pilares para o desenvolvimento de uma nova metodologia ou teoria. O desenvolvimento do cálculo diferencial e infinitesimal se deu pela existência de dois problemas importantes da matemática dos séculos XVI e XVII. A que se referem esses problemas? A) Cálculo da reta secante a uma curva e obtenção da área de figuras geométricas conhecidas, como losango e trapézio. B) Cálculo das raízes da equação de terceiro grau e cálculo de volumes de sólidos importantes, como cilindro e cone. C) Cálculo da reta tangente a uma curva em um dado ponto e cálculo da área de figuras geométricas desconhecidas. D) Cálculo do comprimento e da área de figuras geométricas como elipses, hipérboles e círculos. E) Cálculo da taxa de variação média de quantidades e da área de figuras geométricas elípticas. 2) Em paralelo ao desenvolvimento do cálculo, Isaac Newton fez contribuições para a análise de séries infinitas. Um conceito importante por ele utilizado em séries infinitas é o de limite, sobre o qual podemos afirmar que: A) não tem relação com os cálculos diferencial e integral, uma vez que sua aplicação restringe-se às séries infinitas. B) tem relação com o cálculo diferencial, porém não se aplica ao cálculo integral, visto que a derivada é definida em termos de limite, mas a integral não. C) tem relação com o cálculo integral, porém não se aplica ao cálculo diferencial, visto que a integral é definida em termos de limite e a derivada não. D) tem relação com os cálculos diferencial e integral, uma vez que tanto a derivada quanto a integral são definidas em termos de limites. E) não tem relação com os cálculos diferencial e integral, uma vez que suas aplicações estão restritas a conceitos geométricos. Tanto a derivada quanto a integral são definidas em termos de limites, sendo a derivada o limite das retas secantes a uma função em um dado ponto e a integral o limite da soma das áreas de retângulos sob uma dada curva. Assim, o conceito de limite não está restrito à análise de séries infinitas ou geometria, mas se aplica em diversas áreas da matemática. Os dois problemas se referem à obtenção da taxa de variação instantânea ou reta tangente a uma curva em um dado ponto,que levou à técnica de diferenciação, e ao problema da quadratura, isto é, cálculo da área de figuras geométricas desconhecidas por meio de figuras conhecidas, como retângulos. Áreas de figuras geométricas conhecidas, como losango, trapézios e cônicas, já dispunham de fórmulas estabelecidas na época, assim como volumes de sólidos como cones e cilindros. 3) Uma importante característica do cálculo é a sua notação universal, tanto para derivadas quanto para integrais. As notações para derivadas e integrais utilizadas até hoje foram estabelecidas por qual matemático? A) Gottfried Leibniz. B) René Descartes. C) Isaac Newton. D) Jacques Bernoulli. E) Blaise Pascal. 4) Um dos principais resultados descobertos por Newton e Leibniz sobre cálculo diferencial e integral é o que se chama hoje de teorema fundamental do cálculo. Sobre a importância conceitual desse teorema, podemos afirmar que: A) apresenta a relação de inversão entre as operações da derivada e da integral. B) apresenta uma regra geral para obter derivadas de funções polinomiais. C) apresenta a associação entre derivadas e integrais com limites. D) apresenta a relação entre a geometria analítica e a álgebra incluídas no cálculo. E) apresenta a não correlação entre as operações da derivada e da integral. 5) Isaac Newton contextualizou o problema das fluxões na física, principalmente no estudo do movimento. O desenvolvimento do cálculo diferencial foi fundamental para essa área da física, uma vez que permite em objetos em movimento: A) os cálculos das posições e de velocidades médias. B) os cálculos das posições e de acelerações médias. C) os cálculos de velocidades e de acelerações médias. D) os cálculos de velocidades e de acelerações instantâneas. E) os cálculos de velocidades médias e de energias cinéticas. O matemático alemão Gottfried Leibniz foi o autor das notações, utilizadas até hoje para derivadas e integrais. Ele estabeleceu as notações em meados do século XVII. Apesar do desenvolvimento do cálculo de forma independente de Leibniz, as notações utilizadas por Newton não foram perpetuadas por serem mais complexas em relação às de Leibniz. Já Descartes, Bernoulli e Pascal foram responsáveis por grandes contribuições na matemática, como em geometria analítica, equações diferenciais e teoria das probabilidades, respectivamente, mas não se notabilizaram pela inserção de novas notações matemáticas. De fato, o teorema fundamental do cálculo (TFC) enuncia que a integral de uma função pode ser obtida a partir de uma antiderivada dessa função, isto é, a integral é a operação inversa da derivada quando aplicada em uma dada função. O TFC apresenta, portanto, a relação entre os operadores matemáticos de derivação e integração por meio da inversão. Apesar de a derivada e a integral serem definidas em termos de limite, o TFC não apresenta essa relação, tampouco uma regra para derivação de uma função propriamente dita, como as polinomiais, o que é feito pela própria definição de derivadas. Por fim, o TFC pode ser interpretado como uma conexão geométrica e algébrica envolvendo derivadas e integrais, mas não abrange a geometria analítica. O cálculo diferencial permite a obtenção de taxas de variação instantâneas entre quantidades. No caso da cinemática, a velocidade instantânea é a derivada da função de posição do objeto e a aceleração instantânea é a derivada da velocidade ou segunda derivada da função posição. Para o cálculo de taxas médias, por não envolverem infinitésimos, não há necessidade de aplicação de derivada. Na prática A utilização de notações universais é de extrema importância na matemática, uma vez que facilita a comunicação entre as pessoas, independentemente da região ou do idioma. No cálculo diferencial e integral especificamente, as notações adotadas até hoje são atribuídas a Leibniz, no século XVII. Neste Na Prática, você vai conhecer o caso de uma professora que está lecionando sobre cálculo. Ela apresenta aos alunos as possíveis notações para derivada e indica as vantagens do uso de cada uma das notações aplicadas. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Saiba + Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor: Revista Brasileira de História da Matemática Neste site, você terá acesso a artigos de diversas edições da Revista Brasileira de História da Matemática. Dessa forma, poderá aprofundar seus conhecimentos sobre o surgimento de cálculos e teorias. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Vivenciando a metodologia de ensino-aprendizagem-avaliação por meio da resolução de problemas nas aulas de cálculo diferencial e integral Nesta tese, você poderá observar melhor a aplicação de uma resolução para problemas no ensino- aprendizagem-avaliação ligados ao cálculo diferencial e integral. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Tecnologia digital, cálculo integral e abstração reflexionante Neste artigo, você verá um estudo científicosobre a construção do conceito de cálculo integral considerando a teoria da abstração reflexionante, estabelecendo uma relação com a aplicação das tecnologias digitais. https://www.rbhm.org.br/index.php/RBHM http://repositorium.sdum.uminho.pt/handle/1822/65615 Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://publicacoes.rexlab.ufsc.br/old/index.php/sited/article/view/282/146