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Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

.1.

SEBASTIAo

E SILVA

2.° tomo

1.° volume

Capítulo VI

Curso Complementar do Ensino Secundário

Edicão G EP o

LI SBO A

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

CAPITULO

ANÉIS E CORPOS. NOMEROS COMPLEXOS. ALGEBRAS DE BOOLE

1. Conceito de anel. No capitulo anterior apareceram-nos vários exemplos de conjuntos em que são consideradas, ao mesmo tempo, duas ou mais operações. Nesses casos, porém, as operações foram, em geral, estudadas separadamente e não nas suas posslveis

interligações. No presente capitulo vamos atender, precisamente, a tais interligações, que, como é de esperar, geram muito maior riqueza de propriedades. Para começar, um exemplo sugestivo será ainda o conjunto H considerado nas páginas 27-29. Nesse conjunto, definimos apenas uma adição e foi precisamente ao grupóide (H, +), aliás módulo, que chamámos BAILADO DAS HORAS. Mas, é claro que no mesmo conjunto podemos definir uma multiplicação

por um processo

inteiramente análogo: (1 )

m . n == m . n ,

\;f

m,n E H

Nesta fórmula, m,n são números inteiros absolutos quaisquer, mas, tal como

no caso

da adição, podemos sempre substituir m,n

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J. BlIBAB'l'lAO 11 BILVA

em· n pelos restos das divisões destes números por 12. Assim, por exemplo: 5

-4

7 = 5 • 7 = 35 12=5

0=5'0=0

9 "" 4· 9 "" 36

7=1

= 11 =

7=1.7=7

Tal como no caso da adição, é fácil provar que a operação assim definida é sempre possível e unívoca, quer dizer: (H,.) é um grupóide. Esta multiplicação pode também ser definida pela seguinte tabela:

~ O

-1 -

-4 -5 -

-8 -9 -

-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 10 11 -- -------- --- -- - - - - - - - - - - - -O - -O -O -O O O O O O O O O - - - - - - - - -- - --- -- - -- - --- - - - -- - -- -O - - -3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 --- -- -- -- ---- -- - - - - -2 -- - -6 -8 -10 -O -2 -4 -6 -10 8 O 4 ---- -- -- - - ------ -- -- - - - -O -3 -6 -9 - -3 -6 -9 O 3 6 9 O -- ---- -- -- - - -- - - -- -- --O -4 -8 -O 4 -8 -O -4 -8 -O -4 -8 ---- -- -- -- - - -- -- -- ----O -5 10 - -3 -8 -1 -6 -11 -4 -9 -2 -7 - - ---- -O -6 --O- --6- -O --6- -O -6 --O- -6 --O- --6- - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - -5 -O 7 -2 -9 -4 11- -6 -1 -8 -3 10 -- -- -- -- ---- -- -- -- ----O - - -O -8 -4 -O -8 -4 -O -8 -4 8 4 ---- -- -- -- - - -- -- -- -- -- --O -9 -6 -3 -O -9 -6 -3 -O -9 -6 -3 - - - - - - --- --- -- - - - - - -- - --- --8 -6 4 2 O -10 -8 6 4 -2 -O 10 -- -- -- -- -- ---- -- - - ---- - - - - - - 11 -2 -1 8 7 6 5 4

-O

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OOMPaNDIO DlI MA'1'lIM.I.'1'IOA

Ainda como no caso da adiçAo, a fórmula (1) permite-nos facilmente re.conhecer que a multiplicação definida é associativa e comutativa. Mas, vê-se logo que a multiplicação não é reversivel (pág. 51). Em compensação a fórmula (1) da pág. 71 e a fórmula (2) da pág. 28 permitem mostrar que

(2)

(a + b) • c

= ac +

Com efeito, sejam a = m, b Então (a + b)c será igual

Mas mp+np

=m • p +

n •p

bc, 'ti a, b, c E H

= n,

= ac + bc,

c = p, com m, n, p E IN o.

o que prova (2).

Por sua vez, daqui e da comutatividade da multiplicação, deduz-se (3)

a(b+c)

= ab + ac

, 'V c., b, c

Pois bem, exprimem-se os factos (2) e (3) dizendo que a multiplicação em H é distributiva relativamente à adição ( 1). Ora, esta é precisamente uma PROPRIEDADE DE INTERLIGAÇÃO (ou, como também se diz, uma PROPRIEDADE DE ENLACE), das duas operações consideradas. Em resumo, verificam-se os seguintes factos:

1.°

(H,+)

é um grupo comutativo (portanto, um módulo)

2.° (H,·) é um semigrupo comutativo 3.° A operação· é distributiva relativamente à operação +

(1) A fórmula (2) também se exprime dizendo que a multiplicação é distributiva à esquerda e a fórmula (3), dizendo que a multiplicação é distributiva à direita. Mas esta distinção só tem interesse quando a multiplicação não é comutativa.

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!IIBAB'l'IAO 11 SILVA

Ora, exprime-se a conjunçllo destes três factos, abreviada mente, dizendo que o terno ordenado (H, +, -) t§ um anel comutativo. A este anel convencionaremos chamar o ANEL DAS HORAS (foi ao módulo (H, +) que convencioná mos chamar o BAILADO DAS HORAS). Dum modo geral:

Chama-se anel todo o terno ordenado (A, +, .), constituído por um conjunto A, com mais de um elemento, e por duas operações, normalmente chamadas adição (+) e multiplica- ção ( • ), tais que: DEFINiÇÃO.

(A, +) é um grupo comutativo (módulo).

(A,.) é um semigrupo.

A multiplicação é distributiva relativamente à adição, isto é: (a+b)c

= ac+bc

, a(b+c)

= ab +

, 'V a, b, c,

Diremos simplesmente 'o anel A' em vez de 'o anel (A, +, • sempre que estiver subentendido quais são as operações do anel. O anel diz-se comutativo, sse a multiplicação for comutativa (caso do anel H). Visto que todo o anel é um grupo relativamente à adição, chamare-mos zero (ou elemento nulo) do anel, ao elemento neutro da adição; representá-lo-emas pelo símbolo (O ou simplesmente por O, se não houver perigo de confusão (no anel H o zero é 12 = O). Se existe no anel elemento neutro da multiplicação, este será chamado elemento unidade; representá-Io-emos pelo símbolo 1 ou simplesmente por 1, se não houver perigo de confusão ( 1). (O anel H tem elemento unidade 7 Qual é 7) Convém ainda observar que, sendo um anel A ao mesmo tempo um módulo e um semigrupo multiplicativo, estão já definidos os con-

(') Muitos autores representam por o o elemento unidade (inicial da palavra alemã 'oinheit', que significa 'unidade').

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aOMPaNDIO DS MA'l'SMA'l'IOA

celtos de 'produto n.a', com n eZ e a eA, e de 'pot8nclB an', com n ~ IN e a eA. Por exemplo, no ANEL DAS HORAS tem-se: 5' 7

= 7 + 7 + 7 + "7 + 7 = 11 = 5 • 7, =-

(-5) • 7 54

(5· 7) = -

11 = 1,

= 5 • 5 • 5 • 5 =1, etc.

Por sua vez, da definição de anel resulta:

TEOREMA. Num anel A a multiplicação é distributiva relativamente à subtracção, isto é, tem-se: (a-b)c

= ac -

a(b-c)

= ac-ac,

'V a, b, c

Com efeito, a-b é, por definição, o número x tal que a

= b + x.

Ora: (b+x)c = bc + xc

(Porquê?)

xc = (b+x)c - bc

(Porquê?)

Donde:

E, portanto, como x

=a -

b e b+x

= a,

(a-b)c = ac - bc

COROLÁRIO 1. Se A é um anel, tem-se:

(O • a = a • (O = (O, 'V a Com efeito, como a-a

(O. a

= (O

(a-a) a

(Porquê?) tem-se: '=

a 2-a 2 = (O

(Porquê?)

Portanto (O, a = <O. Analogamente se prova que a •

(0= (O.

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COROLÁRIO 2. Num sne/ozero n§opode sers/emento unldsde. Com efeito, seja A um anel. Então, segundo a definição, A tem mais de um elemento: portanto, existe em A, pelo menos, um elemento c que não é (O. Ora, segundo o corolário 1, tem-se O • c

= (O

e, como c :I (O, vem (O· c :I c, donde resulta que (O não pode ser elemento unidade. EXERClcIOS:

I. mente (Q, I R, desses

Verifique quais dos seguintes conjuntos são anéis, relativaàs operações usuais de adição e multiplicação: IN, IN o, Z, (Q +, IR+, Z 2 (conjunto dos números pares re/ativos). Quais anéis são comutativos? Quais têm elemento unidade?

11. Seja fJ. um número inteiro maior que 1. Daqui por diante, designaremos por AfJ. um conjunto constituído por fJ. elementos de natureza qualquer, cada um dos quais será designado por um símbolo da forma n, com n

IN o, sendo, além disso, adoptadas as

seguintes convenções:

= n',

sse n e n' divididos por fJ. dão restos iguais.

m+n= m+n

n = m . n, 'ti m, n E No.

claro que, se fJ. = 12, AfJ. é precisamente o ANEL DAS HORAS,

isto é: H = A,

Se fJ. = 4, as operações +, • são dadas pelas duas

seguintes tabelas:

x +

x •

-1

-2

-3

-1

-O

-2

-1

-2

-3

I -

-2

-3

-2

-O

-1

-2

-O

-2

-O

-2

-3

-O

-2

-3

-2

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OOMPlbNDIO DB MA'l'BMA.'l'IOA

• facilmente se reconhece que A 4 também é um anel. Um exemplo bastante familiar é o anel As, a que chamaremos ANEL DOS 'NOVES FORA', porque intervém nas provas dos nove das operações. Por exemplo, tem-se: 5 • 7 = 35 = 8

5+8=13=4

(em A 9)

Posto isto, prove o seguinte facto geral:

Qualquer que seja unidade.

{L,

A{L é um anel comutativo com elemento

111. Introduzamos no conjunto Z2 (quadrado cartesiano de Z) uma adição e uma multiplicação, mediante as seguintes fórmulas: (a, b) + (c, d) = (a+c, b+d), (a, b) (c, d) = (ac, bd), 'V a, b, c, deZ. [Por exemplo: (2,3) + (6, -5) = (8, -2), (2,3) • (6, -5) = (12, -15).] Prove que Z2 é um anel comutativo com elemento unidade relativamente a estas duas operações. Qual é aqui o zero e qual é o elemento unidade? IV. Prove que o conjunto dos números da forma a + b V2, com a, b e Z, é um anel comutativo com elemento unidade (relativamente às operações usuais). Sugestão: trata-se de provar que a soma, a diferença e o produto de dois números deste conjunto ainda pertencem ao conjunto. V.

Prove que num anel A se tem:

(a+b) (c+d) = ac + ad + bc + bd } (a-b) (a+b) =a2+ab-ba-b2

'V a, b, c, deA

e que, se o anel A é comutativo, será sempre (a+b)2 = a 2 + 2ab + b, (a+b) (a-b) = a 2-b 2, (a+b) 3 = a 3 + 3a 2b + 3ab 2 + b 3 , etc.

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J. SIIBAS'I'IAO li SILVA

NOTA. Mais adiante estudaremos um exemplo importante de anel não comutativo (anel dos quat8rniões de Hamilton). No 7.° ano estudaremos anéis não comutativos que intervêm hoje constantemente nas aplicações da matemática à ffsica, à engenharia, à estatfstica, etc. (anéis de matrizes). VI. Determineno anel A4 todas as soluções de cada uma das seguintes equações: x + 1 = o, x + 1 = 2, x + 2 = 3, x + 2 = f, 3x=1,3x=2,2x=1, 2x=2, 2-x=3, f-2x=2, f - 2x=3.

2. Isomorfismos entre anéis. Dados dois anéis A e A', chama-se isomorfismo de A sobre A' toda a aplicação biunfvoca f " de A sobre A' tal que . f(x+y) = f(x) + f(y),

'ti x, Y

f(x. y) = f(x) • f(y) ,

A, ~

isto é, que seja ao mesmo tempo um isomorfismo de (A, +) sobre (A', +) e de (A, .) sobre (A' ,.). Nesta hip6tese, se' A =' K diz-se que f é um automorfismo do anel. Diz-se que A é isomorfo a A', sse existe, pelo menos, um isomorfismo de A sobre A'. Facilmente se reconhece que a relação de isomorfia entre anéis também é uma relação de equivalência e que o PRINCIpIO DE ISOMORFIA (pág. 35) se estende a anéis. Consideremos, por exemplo, o anel U constitufdo por um conjunto de 4 elementos, z, u, i, j, com as seguintes operações: >{

X- - Z

x •y

+ Y I

---- u

i I ---- - - -- - -

------ -- -j

_ (z = <O)

I-

- - -- -

- ----

--- - ---- - j

I I

- - ---- --

-- -- -- - - --

(u = 1)

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OOMPIJNDIO DII MA'l'IIM.A!l'lOA

I: fácil ver que este anel nAo é isomorfo ao anel A 4: basta obserVir, por, exemplo, que a propriedade ' 3x, x::l: (O 1\ x 2 = (O' se verifica em A4 (tem-se 2 2 = O), mas não se verifica em U. No Intanto, o anel U é isomorfo ao anel constiturdo pelo conjuntoA 2 x A 2 , com as operações assim definidas:

(I, b) + (c, d) = (a+c, b+d), (a, b)· (c, d) = (ac, bd), 'V a, b, c, d EA 2 [Por exemplo, (o,T) + (T,T) = (T,O),

(f,O). (O,,-) = (O,O), etc.].

Com efeito, a aplicação

,J,

(O,O)

(f,')

(O,,)

(lO)

., como facilmente se reconhece, um isomorfismo do anel U sobre o Inel A; . . (Existe algum outro isomorfismo entre estes dois anéis 1

Existe algum automorfismo de U diferente da identidade 1) NOTAS -I.

Pode acontecer que a primeira operação dum anel

nAo se chame adição ou que a segunda não se chame multiplicação. Neste caso, o conceito de isomorfismo entre anéis define-se de modo análogo ao que fizemos para grupóides em geral.

li.

Os anéis A (.1., introduzidos no n.O 1, ex. 2, são definidos a

menos de um isomorfismo, visto que deixámos inteira liberdade quanto à interpretação dos sim bolos O, 1, ... , (.1.-1 (podem designar pessoas, livros, cidades, etc.), contanto que representem (.I. seres dl.tintos. Em particular, podemos adoptar a seguinte interpretação:

Oé

o conjunto dos múltiplos de (.1.,

é o conjunto dos inteiros que

divididos por (.I. dão resto " e assim por diante. Já atrás observá mos que em matemática o que interessa não • a MATt:RIA (isto é, a natureza dos entes considerados), mas sim I FORMA (isto é, as propriedades formais das operações e relações).

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I. S1DBAS'I'IAO 1D SILVA

Este ponto de vista confere 11 matemática um extraordinário poder unificador e uma imensa elasticidade nas aplicações. Dizia H EN RI POINCAR~: 'A matemática é a arte de dar o mesmo nome a coisas

distintas - distintas pelo conteúdo, mas idênticas pela forma'. Verifica-se um facto semelhante em biologia.

Um indivíduo

biológico. isto é, um ser vivo. é, pelo menos na sua parte observável, constituído por matéria, que muda de instante para instante; o que se mantém, e torna o indivíduo idêntico a si mesmo ao longo do tempo, é algo a que poderíamos chamar estrutura ou forma (em sentido lato). Assim, vemos reaparecer em matemática moderna o conceito

aristotélico de forma.

Cálculo algébrico num anel comutativo; operações

sobre polin6mios.

Das propriedades características dum anel,

e em especial da propriedade de interligação, resultam várias regras de cálculo algébrico, que já foram estudadas no 2. 0 ciclo no caso particular do anel IR. Seja A um anel comutativo. Chama-se polinómio em x relativo ao anel A toda a expressão da forma

em que: 1.° - a letra x é uma variável em A; 2.° - nos lugares de ao, a l ' ...• ao figuram constantes, que designam elementos de A (chamados coeficientes do polinómio); 3. 0

no lugar de n figura uma constante, que designa um

número inteiro absoluto. Se n > O e ao i= O, diz-se que n é o grau do polinómio. Se n = O. o polinómio reduz-se a uma constante, ao, e diz-se então

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OOMPaNDIO DB MA'1'BMA!l'IOA

que o gr~u do pollnómlo é zero ('). As expressões aoxn, aoxn-', ... , an (monómios) são os termos do polinómio, respectivamente, de graus n, n-1, ... , O. Por exemplo, no anel A,

a expressão

3x 4 + 5x 3 + 1x + 9x + 6

(1 )

é um polinómio em x de grau 4 (ou do 4.° grau), cujos coeficientes são: ao = 3, a, = 5, a 2 = 1, a 3 = 9, a 4 = 6. Analogamente, em IR, a expressão

2 ./3X5+0X4+ (-1)x 3 + (-4)x 2 +1x+ (-y2) é um polinómio em x do 5.° grau, que se escreve abreviadamente

X3 -

4x 2

visto esta expressão ser equivalente

X -

./y 2,

à anterior.

Por sua vez, em IR, as expressões O,

-2, {5,

'!t,

etc •

são constantes, portanto polinómios de grau zero, que também se podem escrever sob a forma de polinómios de grau aparente superior

a zero; por exemplo:

Vejamos agora como se apresentam, de modo natural, operações algébricas sobre polinómios. a)

Adição e subtracção. Consideremos, por exemplo, os

dois seguintes polinómios em x no anel As: 3x 4 + 5x 3 + 7x 2 + X + 5 , 8x 3 + 6x 2 + 5

(1) Convenciona-se aqui que XO esse valor não tenha inverso.

para todo o valor de x, mesmo que

81 eM I1-ó

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J. B1BBA.B'1'IA.O 1B BILVA.

Entllo é fácil ver que, se tem, qualquer que seja x

As:

Justifique esta equivalência, indicando em pomenor todas as propriedades em que se baseia nas diferentes passagens.

então natural dizer que o polin6mio 3x 4 + 4x 2 + X +,. é a

soma dos polin6mios dados, relativos ao anel A9' A adição dos polin6mios pode efectuar-se segundo o esquema habitual: 3x 4 + 5x 3 + 7x 2 + X + 5 8x 3 + 6x 2

3x 4 + 4x 3 + 4x 2 + X + ,. Analogamente se reconhece que, para todo o x E A 9 : (3x 4 + 5x 3 + 7x 2 + X + 5) - (8x 3 + 6x 2 + 5)

= 3x 4 + 6x 3 +

x2 + X

(Justifique.) • Consideremos, agora, dois polin6mios quaisquer relativos a um anel comutativo A: aoxn + a ,xn-' + ... + an_'x + an boxm + b ,xm-' + '" + bm_,x + b m Estes podem escrever-se abreviada mente: m

L a xn-k k=O k

L b xm-k

k=O

Sem diminuir a generalidade, podemos supor m = n. Com efeito, se fosse por exemplo m < n, bastaria introduzir no segundo polin6mio

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aOMPIJNDIO D16 MA'l'16MA'l'IOA.

° termo (O

)Cn

e, eventualmente, outros termos nulos, para ficar com

grsu aparente igual ao do primeiro. EntAo, supondo já m = n, é natural chamar soma dos polinómios dados ao polin6mio (ao

+ bo)xn + (a, + b ,)xn-, + ... + (an + b n)

ou seja, abreviadamente, n

l: (ak + bk)Xn - k, k=O

visto que este polinómio é uma expressão formalmente equivalenta • que se obtém ligando os dois primeiros com o sinal +. Analogamente se define 'diferença' entre dois polin6mios.

Multiplicação dos polinómios. Consideremos os dois seguin-

tes polinómios relativos ao Anel dos 'Nove Fora': 4x 3

+ 7x 2 + 5x + 2

3x 2

~ fácil ver que se tem, para todo o x E A 9

+ 6x + 4 (justifique)('):

+ 7x 2 + 5x + 2) • (3x 2 + 6x + 4) = (4x 3 + 7X2 + 5x + 2) • 3x 2 + + (4x 3 + 7x 2 + 5x + 2) • 6x + (4x 3 + 7x 2 + 5x + 2) • 4 - (3x 5 + 3x 4 + 6x 3 + 6x 2) + (6x 4 + 6x 3 + 3x 2 + 3x) + + (7x 3 + x 2 + 2x + 8) = 3x 5 + x 3 + x 2 + 5x + 8 (4x 3

Assim, é natural dizer que o último polin6mio é o produto dos

(1) Um anel ainda mais cómodo para exemplificação é, evidentemente. o Inel A,o.

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J. SIIBAS'1'IAO 11 SILVA

dois polin6mios dados. Para o cálculo deste produto pode usar-se o esquema habitual: 4x 3 + 7x 2 + 5x + 2 3x 2 + 6x + 4 7x 3 + x 2 + 2x + 8 6x 4 + 6x 3 + 3x 2 + 3x 3x 5 + 3x 4 + 6x 3 + 6x 2 3x 5 + Ox 4 +

+ 5x + 8

Consideremos agora, em geral, dois polinómios em x n ~

(2)

j=o

ajxn-j, .

relativos a um anel comutativo A.

claro que se tem

para j = O, ... , n; k = O, ... , m. (Porquê 7) Ora, para que este produto seja de grau m+n-p deve ser i + k = p. Portanto, a soma de todos os termos de grau m + n - p, assim obtidos, será: (aobp + a ,bp-, + ... + ajbp-j + ... + apbo) xm+n-p Deste modo, é natural chamar produto dos polin6mios (2) ao polinómio m+n ~

p=O

(aob p + a ,bp _ , + ... + apbo}xm+n-p

visto que esta é uma expressão formalmente equivalente à que se obtém ligando os dois primeiros (escritos entre parênteses) pelo sinal de multiplicação.

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4. An'l. de polln6mlo.. Seja A um anel comutativo. Diz-se que dois polin6mios relativos a A são identico$ (ou que são o mtJsmo polin6mio), sse têm iguais os coeficientes dos termos do mesmo grau. Por exemplo, no anel A g , os polin6mios

afto idênticos, visto que 4 = 13, -1 = 8, 0= 9, 5 = - 4. Para indicar que dois polinómios são idênticos, escreve-se entre ambos o sinal =, desde que não haja perigo de confusão (ver NOTA no fim deste número). Designa-se por A[x] o conjunto de todos os polin6miosem x relativos ao anel A. Segundo as definições anteriores, a cada par de polinómios pertencentes a A[x] fica a corresponder: 1) um determinado polinómio pertencente a A[x], chamado soma dos dois primeiros; um determinado polinómio pertencente a A[x] chamado produto dos dois primeiros. Assim, o conjunto A[x] 'passa a ser um grupóide, relativamente 2)

e a cada uma das operações definidas. Mais ainda: É fácil ver que as propriedades características das operações do anel A se transmitem às operações introduzidas em A[x]: assim, B adição de polinómios pertencentes a A[x] é associativa, comuta-

tiva e reverslvel, enquanto a multiplicação dos mesmos é associativa, comutativa e distributiva relativamente à adição. Podemos, pois, concluir:

o conjunto A[x] é um anel comutativo relativamente

adição e à multiplicação definidas.

Note-se que, no anel A[x], o elemento nulo é o polinó!llio que se reduz à constante (O: chamar-Ihe-emos, por isso mesmo, polinómio nulo ou polinómio tero.

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I. BIIBA.B'I'lAO B BILVA.

EXERCrCIO. Qual é o elemento unIdade no anel Z [x] ? O anel Z2 [x] tem elemento unidade? A que condiçAo deve satisfazer um anel A para que o anel A[x] tenha elemento unidade? Até aqui temo-nos referido exclusivamente a polinómios em x, mas é óbvio que a variável pode ser qualquer outra, por exemplo u. O slmbolo A[ u] representará então o anel dos polin6mios em u relativos a A. É evidente que os anéis A[xl e A[ u] são distintos. Mas também é óbvio que se fizermos corresponder, a cada polinómio pertencente a A[x], o polin6mio que se obtém substituindo no primeiro x por u, fica assim definida uma aplicação biunivoca de A[x] sobre A[uJ, que é um isomorfismo entre os dois anéis. Por conseguinte:

Os anéis

A[x J e A[ u J são isomorfos.

É ainda fácil ver que todas as considerações se estendem ao

caso de polin6mios com mais de uma variável. NOTA. SegundO o anterior conceito de identidade entre polinómios, um polin6mio não será propriamente uma expressão, mas antes uma certa classe de expressões equivalentes entre si. Por isso, se quisermos ser inteiramente rigorosos, devemos designar um polin6mio, não por uma das expressões que o representam ('), mas sim por um outro slmbolo: - por exemplo, pôr essa expressão escrita entre colchetes. Assim, poderíamos escrever, relativamente a A 9 :

em vez de

Isto já evitaria equívocos, pois a última fórmula não é, na realidade, uma proposição mas~ apenas, uma expressão proposicional. É s6 por

( ') Mesmo neste caso, a expressão deveria ser escrita entre aspas, segundo a convenção estabelecida (pág. 13, 1.° tomo).

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OOMP.NDIO DIB MA'1'IBMA'1'IOA

6buso c6modo de escrits qU8 S8 usa esta Illtlma fórmula como Indicando identidade entre dois polinómios. Entretanto é óbvio que 4x 3

_ X2

= .13x 3 + 8x 2

+ 9x - 4

Dois polinómios idênticos são sempre representados por duas expresslJes equivalentes. Prova-se que a reciproca desta proposição também é verdadeira em IR: dois polinómios equivalentes (em IR) são necessariamente idên-

ticos. Mas não é verdadeira num anel finito. Por exemplo, em A5 tem-se: 5

x+x-l=2x-1 e, contudo, os dois polinómios x 5 +

X -

1, 2x - 1 não são idênticos.

Pelas razões expostas, muitos autores consideram as letras x, , u, etc. num polinómio, não propriamente como variáveis, mas como indeterminadas, isto é, como sim bolos designativos de entes que podem ser escolhidos arbitrariamente (tais como, por exemplo, os simbolos 1, 2, ... , modos).

do anel A 1 2, que podemos interpretar de vários

5. Divisão por polin6mios do tipo x - ex; raizes dum polin6mio. Consideremos um polinómio qualquer (relativo a um anel comutativo A): (1 )

aoxn + a ,xn-

+ ... + an- 1X + an

que vamos designar abreviadamente por P(x). Consideremos, por outro lado, um polinómio, aliás binómio, do tipo X-ex (com ex E A); por exemplo, x - 3 e x + 5 são polinómios deste tipo (em Z), tendo-se

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J. SEBASTIAO E SILVA

no primeiro caso ex = 3 e no segundo ex = -5 (1). Posto isto, procuremos determinar um polin6mio

que designaremos abreviada mente por Q(x), tal que P(x) = (x - ex) • Q(x)

(2)

+ R, sendo R uma constante.

Suponhamos que um tal polinómio Q(x) existe. Calculemos então o bin6mio produto de x - ex por Q(x):

x-ex

Ora, segundo (2), este polin6mio produto somado com R deve dar o polin6mio P(x), indicado em (1); isto é, deve ter-se (2): qo

= ao

= a1

= a 1 + exqo'

exqo

exq 1

= a 2' •..

Donde: (3)

= ao'

qn -

= an - 1 + exqn - 2'

= a 2 + exq l' ... ,

R = an + exqn - 1

• Adoptamos a forma x - C(. para tornar mais simples o enunciado da regra que vamos deduzir (REGRA DE RUFFINI). (2) Segundo o conceito de identidade de polin6mios, dado no número anterior. (1)

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Portanto, se Q(x) existe, os seus coeficientes sAo nBcBssBfIBmBnttJ dados Ilelas fórmulas (3). Reciprocamente, os cálculos efectuados mostram que, se determinarmos qo' q l ' ... , qn _1 e R, por meio destas fórmulas, a condição (2) é verificada. Por conseguinte:

o problema

proposto tem uma e uma só solução, que é dada pelas fórmulas (3).

Diremos então que Q(x) e R são, respectivamente, o quociente e o resto da divisão de P(x) por x são de polinómios em geral).

(mais tarde trataremos da divi-

O cálculo dos coeficientes qk por meio das fórmulas (3) pode efectuar-se conforme o seguinte esquema prático, chamado REGRA DE RUFFINI: a,

~qo

ao =qo \

a 1 +~qo = q1

an_1

a2 ~q 1

~qn-2

an_1 +~qn- 2 = qn-1

+~q1

= q2

~qn-1

an+~qn_1 =R

Por exemplo, tratando-se de dividir 2x 5 + 8x 4 + 5x 2 + 7x + 2 relativamente ao anel Aa, será 2

por x + 6,

~=-6=3

e tem-se o quadro:

-5

O quociente é, pois, 2x 4 + 5x 3 + 6x 2 + 5x + 4 e o resto é 5. (Para outros exemplos e complementos, ver Compêndio de Algebra, 6. 0 ano, págs. 282-285) (1).

(1)

Ver nota da pago 48.

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.T. S1IBAS'l'IAO 11 SILVA

Vamos, agora, deduzir uma consequência importante do resultado obtido. Já sabemos que, uma vez determinados O(x) e R pelo processo indicado, os dois membros da fórmula (2) são formalmente equivalentes, isto é, tomam o mesmo valor, qualquer que seja o valor atribuldo a x. Em particular, se dermos a x o valor oe, virá: P(oe) = (oe-oe) • O(oe) + R = (O· O(oe) + R = (O + R = R Em conclusão: TEOREMA. O resto da divisão dum polinómio (x) por x - OI: é igual a P(oe), isto é, ao valor que P(x) toma substituindo x por oe. DEFINiÇÃO. Chama-se raiz ou zero dum polinómio P(x) todo o valor a de x que anule o polinómio, isto é, tal que P(a) = (O. Nesta hipótese, também se diz que a é raiz ou solução da equação P(x) = (O. Por outro lado, diz-se que o polinómio P(x) é divislvel por x - oe, sse o resto da divisão de P(x) por x - oe é zero. Destas definições e do teorema anterior deduz-se imediatamente o seguinte

Para que um polinómio P(x) seja divislvel por é necessário e suficiente que oe seja uma raiz desse polinómio.

COROLÁRIO:

OI:

Por exemplo, o resto da divisão de x 3 - 5x - 2 por x - 2 é 2 3 - 5 • 2 - 2 = 8 - 1 O - 2 = - 4. O resto da divisão do mesmo polinómio porx + 2 será: (- 2)3 - 5. (- 2) - 2 = O. Logox 3 - 5x-2 é divisível por x + 2. Apliquemos a regra de RUFFINI:

-5

-2

-1

-2 1

Será, pois: x - 5x 3 - 2

= (x + 2)

(x 2

2x - 1)

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OOltlpaNDIO DS MA'1'SMA'1'IOA

Elamanto. ragularaa a dlvlaora. da zaro num anal. Já sabemos que num anel todo o elemento tem simétrico. (Porqu'?) 6.

Mas já não podemos dizer que todo o elemento do anel tem inverso: o anel pode mesmo não ter elemento unidade. Seja então A um anel

qualquer com elemento unidade; nestas condições: DEFINiÇÃO 1. Diz-se que um elemento a de A é regular sse a tem inverso em A. Caso contrário, diz-se que a é singular (em A). Dos corolários 1 e 2 do n. o 1 deduz-se que:

o zero é elemento singular de

Com efeito, não existe nenhum elemento x de A tal que (O.x='1I, visto que (O·x= (O, VxeA, e (0# 1.

Daqui por diante vamos, em geral, designar o zero dum anel pelo símbolo O, simplesmente. Já vimos que se tem O • a = a • O = O, V a e A. Esta propriedade pode enunciar-se do seguinte modo:

Se um, pelo menos, dos factores dum produto num anel é nulo, o produto também é nulo . . A propriedade recíproca seria a seguinte:

Se um produto é nulo, um dos factores, pelo menos, é nulo. Será sempre assim em qualquer anel? Esta propriedade, como se sabe, é verdadeira nos anéis Z, (Q, R. Por isso podemos escrever, quando se trata de um destes anéis: a·b=OÇ> a=OVb=O

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J. BIJBAB'l'IAO IJ SILVA

Mss existem

sn~is

anel A 1 2 tem-se: 6 • 4

em que Isto n60 se veriflcs: por exemplo, no

= 24 = O,

sem que seja 6

= O ou 4 = O.

Diz-se que um elemento a dum anel A é divisor de zero, sse verifica as duas seguintes condições: 1) a =F O; 2) axiste pelo menos um elemento b de A diferente de O tal que a· b = O V b • a = O. DEFINiÇÃO 2.

Assim, os elementos 4 e 6 de A 12 são divisores de zero. (Determine os divisores de zero em A 1 2 e em outros anéis considerados nos exemplos do n.O 1). TEOREMA 1. Se a é elemento regular dum anel A, então a

não é divisor de zero. Vamos fazer uma demonstração por redução ao absurdo. Suponhamos que a é ao mesmo tempo regular e divisor de zero em A. Quer isto dizer, por um lado, que a tem inverso em A e, por outro lado, que existe um elemento b de A diferente de zero tal que ab

= O V ba = O. a- 1

•

Suponhamos, por exemplo, ab = O; então: (ab) =a- 1 .O

ou seja

(a- a)b=O, '

donde 11 • b = O, isto é, b = O, o que é contra a hipótese. Analogamente concluiremos se ba = O. Logo, se a é regular, não pode ser divisor de zero. Segundo a propriedade lógica da conversão (pág. 45, 1.° tomo) o teorema I também pode enunciar-se do seguinte modo:

Se a é divisor de zero, então a é singular em A Note-se que nos anéis A 4 , A9, etc. os únicos elementos singulares são precisamente o zero e os divisores de zero. Mas já, por exemplo, no anel Z, não existem divisores de zero e todos os elementos são singulares excepto 1 e -1.

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OOMPlbNDIO DB MA'l'BMA.'l'IOA

. TEOREMA 2. Se a, b, c slo elementos dum anel A e c

não tJ zero nem divisor de zero, então: ac = bc=> a = b

ca = cb=> a = b

Com efeito, suponhamos verificada a hipótese e seja ac = bc. Então ac-bc = O e, portanto (a - b) c = O (Porquê?) Ora, como c não é zero nem divisor de zero, tem de ser a - b = O (porquê?) e, portanto, a = b. Analogamente, se prova que ca = cb => a=b.

7. Conceito de corpo. Vimos atrás que o zero dum anel é sempre elemento singular. Há muitos exemplos de anéis em que o único elemento singular é o zero. Quando isto acontece será sempre possível dividir um elemento a do anel, à direita ou à esquerda, por um elemento b do anel diferente de zero (pg. 42). Por isso, tais anéis são chamados anéis de divisão. Ora:

Chama-se corpo todo o anel comutativo com elemento unidade, em que todo o elemento diferente de zero é regular. DEFINiÇÃO.

Assim 'corpo' significa o mesmo. que 'anel de divisão comuta.. . tivo'. Portanto, se A é um corpo, existe sempre em A o quociente.

~, com a, b E A. desde que b :I O( , ). b

. .

Por exemplo, o anel Z não é um corpo. (Porquê?) Mas já os anéis

( 1) Quer isto dizer que os elementos dum corpo diferentes de zero formam um grupo multiplicativo.

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J. SIIBASf'IAO 111 SILVA (Q e IR afto corpos comutativos, chamados respectivamente o corpo

racional e o corpo real. • Do teorema I e da definição 2, do número anterior, bem como da definição de corpo, deduz-se imediatamente o seguinte COROLÁRIO 1: Num corpo não existem divisores de zero { '). Segundo uma observação atrás feita, deduz-se deste corolário, por sua vez, o seguinte

COROLÁRIO 2: Se A é um corpo, então: ab

= O<=> a = O

('Ir! a, b

Segundo a propriedade da conversão (pág. 45, I tomo) esta propriedade ainda pode apresentar-se sob a forma: a :1= O 1\ b :1= O<=> ab :1= O ('Ir! a, b E A) isto é: num corpo, o produto de dois elementos diferentes de zero

é sempre diferente de zero . • Por sua vez, do teorema 2 do número anterior deduz-se este COROLÁRIO 3:

Se a, b, c pertencem a um corpo e se c =F O: ac

= bc=> a = b

Como além disso a = b => ac = bc (pelo 1.° princípio lógico de equivalência, pg. 61, 1.° tomo), temos na mesma hipótese: (1 )

ac = bc<=> a = b

(se c =F O)

(1) Chama-se 'domlnlo de integridade' todo o anel comutativo sem divisores de zero. Assim, todo o corpo é um domínio de integridade. Mas Z é um domlnio de integridade sem ser um corpo.

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OOMP.NDIO DII MA'1'IIMA.'I'IOA

OUTROS EXEMPLOS E EXERCICIOS: I. Consideremos o anel A6' A adição e a multiplicação neste anel são dadas pelas seguintes tabelas:

x+y

>z -o -1

-2 -3 -

x-y

-2 -3 -4 ----- - --o -1 -2 -3 -4 --------3 -4 -o 2 1 ---2 3 --4- --o- -1 -----3 -4 - -O- -1 -2 -----4 -o --1- -2 -3

-1

>z -o

-1 -

-4

o -O

-2

-1

-4

--------

-o

-o -o ------- - - -O -1 .-2 - -4 3 --------O -2 -4 - -3 1 ---- - - --o -3 -1 -4 -2 ---------- - 4 O 3 2 1 -

Note-se que neste anel (comutativo) todos os elementos não nulos têm inverso. Assim, 1- 1 = 1, 2 - 1 = 3, "3 - 1 = 2, 4 - 1 = 4. Logo, o anel A5 é um corpo.

11.

Consideremos, agora, o anel A 2 . Neste caso, temos as tabelas:

-O

-1

x-v -O

-O

-1

-o

-O

-1

-O

-1

-O

x+v

-1

e vê-se, imediatamente, que A 2 é um corpo. Note-se que este corpo

é isomorfo a (L, transforma + em 1.° tomo).

V, A). Com efeito, V e - em A (ver n.O

a aplicação

(Õ F

vi)

2, NOTA I, e págs. 23-25,

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I. S1DBAS'rIAO 1D SILVA

111. Já vimos que os anéis A 4 , As e A,:z têm divisores de zero e, portanto, não são corpos. Note que 4, 9, 12 não são primos. Prove que é sempre assim, isto é: se !J. não é primo, A!J. não ti um corpo (por ter divisores de zero). Veremos mais tarde que a recrproca também é verdadeira e que portanto: A!J. é um corpo, sse !J. é primo. IV. Prove que o conjunto dos números da forma a + b V2", com a, b E (a, é um corpo, relativamente às operações usuais. NOTA. O conceito de corpo foi introduzido por Galois na sua teoria da resolubilidade algébrica. Em particular, os corpos finitos (isto é, com um número finito de elementos) são chamados CAMPOS DE GALOIS e intervêm na construção de quadros latinos (ver pág. 57). Assim, todo o corpo Ap, com p primo, é um campo de Galois; mas há outros campos de Galois não isomorfos a estes.

8. Generalidades sobre equações relativas a corpos. Nas considerações que vão seguir-se, supõe-se que K é um corpo. Ligando pelo sinal = duas expressões designatórias com uma ou mais variáveis, relativas ao universo K, obtém-se uma expressão proposicional, que é uma equação relativa a K. As variáveis dizem-se agora incógnitas; chamam-se soluções (ou raizes) da equação os valores da incógnita (ou as sequências de valores das incógnitas) que verificam a equação. Esta diz-se posslvel (ou resolúvel) sse tem, pelo menos, uma solução. Duas equações são equivalentes, sse têm o mesmo conjunto de soluções. Dos princípios lógicos de equivalência (pág. 61, 1. o tomo) e das propriedades das operações em K, deduzem-se os habituais principias de equivalência, para equações relativas a K:

Substituindo um dos membros duma equação por uma expressão equivalente, obtém-se uma equação equivalente à primeira. PRINCIpIO I.

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PRINCrPIO 11. Quando um dos membros duma equaç'o tem a forma de .uma soma de duas ou mais expressões, obt~m-se uma equáçlo equivalente à primeira, passando para o outro membro uma dessas expressões multiplicada por :....1. ,< ,

PRINCrPIO 111. Multiplicando ambos os membros duma equaç§o por um elemento de K diferente de zero obtém-se uma equação equivalente à primeira. O principio I é um caso particular do 1.° principio lógico de equivalência. O principio II é uma consequência do 2. 0 princfpio lógico de equivalência, atendendo a que se tem, por definição de diferença a-b de dois elementos: a = b + c<=> a - b = c a + b = c<=> a = c - b

}

'fi

a, b, c, E K

O principio 111 resulta do 2~0 principio lógico de equivalência e da seguinte propriedade demonstrada no número anterior: Sendo c um elemento de K diferente de O, então: a

= b<=> ac = bc

'fi

a, b E K

No principio 111 baseia-se a conhecida técnica chamada 'desembaraçar de denominadores'. Do mesmo principio se deduz o seguinte

COROLÁRIO: Quando um dos membros duma equação é um produto em que um dos factores é uma constante diferente de zero, obtém-se uma equação equivalente à primeira, passando esse factor para o outro membro como divisor. A resolução de equações no corpo K assenta nestes principias de equivalência e ainda no seguinte

97 CMD-7

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. S.IIASf'IA.O li SILVA

QUllndo o primeiro membro duma equação tem a forma de um produto de duas ou mlis expressões, e o segundo membro é zero, as raizes da equaçso sso as raizes das equações em que se decompõe a primeira, igualando a zero Cldll um dos factores do 1.° membro (e só essas raIzes). PRINCIpIO DE DECOMPOSiÇÃO:

Este principio resulta do 2.° princIpio lógico de equivalência aplicado à propriedade expressa pelo corolário 2 do n.O 8: ab = 0<:> a = O V b = O, e que pode estender-se a produtos de mais de dois factores. Por exemplo, no corpo IR, tem-se: x (x - 2) (x + 3) = O <:> x = O V x - 2 = O V x + 3 = O, o que mostra que as soluções da primeira equação são 0,2 e -3. Analogamente, em IR, tem-se:

o que reduz a resolução de x 2_y2=0 às de x+y=O e de x-y=O. (Para outros exemplos e exercícios em IR, pode-se ver Compên-

dio de Algebra, 7.° ano, Capo XIII) ('). Chama-se equação algébrica de grau n toda a equação que, pelos princlpios de equivalência, se possa reduzir à forma dum polinómio de grau n igualado a zero: DEFINiÇÃO.

Em particular para n = O, " 2, 3, 4, ... , têm-se equações das formas: ao = O ,

(1)

aox + a, = O • BoX 2 + a,x + a 2 = O

Ver nota da pág. 48.

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

que 8Ao, respectivamente, de grau O, do 1.° grau, do 2.° grau .(ou qUIdr~tlcBs), do 3.° grau (ou cúbicBs), do 4.° grau (ou quárticBs), etc. O corolário do n.O 6, bem como a REGRA DE RUFFINI, permitem baixar o grau de uma equação algébrica (relativa a um corpo), I8mpre que se conheça uma raiz dessa equação. Por exemplo, vimos no n.O 5 que -2 é raiz do polinómio x 3 - 5x - 2 (em IR) e que x 3 -5x-2 :: (x+2) (x 2 -2x-1) Portanto, segundo o PRINCrPIO DE DECOMPOSiÇÃO, x 3 -5x -2=0<=> x + 2 = O V x 2

2x-1 = O.

Quer dizer: as raízes da equação x 3 - 5x - 2 = O são - 2 e as raízes da equação x 2 - 2x - 1 = O; resta, pois, apenas resolver esta última, que é de grau inferior ao da primeira. NOTAS. O princfpio I é válido em qualquer universo. O principio 11 é válido em qualquer módulo. O princfpio 111 pode estender-se a qualquer anel A, do seguinte modo: multiplicando ambos os membros duma equação, B direita ou à esquerda, por um elemento de A que não seja zero nem divisor de zero, obtém-se uma equação equivalente. Finalmente, o principio de decomposição será válido em qualquer anel sem divisores de zero; mas deixa de o ser num anel com divisores de zero. Por exemplo, no anel A (exemplo I do n.O 1), a equação (x - 1> (x + 3) = O além da raiz 1, que verifica as equações x-, = O e x + 3 = O, tem ainda, como é fácil ver, a raiz 3, · que não verifica nenhuma destas duas equações.,

9. Equações lineares com uma inc6gnita. Seja ainda K um corpo. Chama-se equação linear com uma incógnita relativa a K toda a equação de grau 1 ou O, isto é, toda a equação que, pelos princípios de equivalência, seja redutível à forma: ax+b=O

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

'.B~''l'U.O

•

IILV~

em que B e b sejam elementos conhecidos de K. ~ claro que, pelo princIpio 11, se tem: ax + b =0

ax =- b

Posto isto, três casos se podem dar:

1.0 caso. a i= O (equação do 1. 0 grau) . Então, pelo corolário do principio 111, vem: ax = - b

x=- -

Portanto, neste caso, a equação ax + b = O é possfvel e determinada, isto é, tem uma e uma só solução, que é -b/a.

2. 0 caso. a = O Â b i= O. Então, como ax = O, ":Ix E K, não existe nenhum elemento x de K tal que ax = - b. Portanto, neste caso a equação ax + b = O é imposslvel. 3.0 caso. a = O Â b = O. Então, a equação ax + b = O reduz-se a O· x + O = O e qualquer elemento x de K a verifica. Portanto, neste caso, a equação ax + b = O é indeterminada e reduz-se mesmo a uma identidade. . EXERCfclOS -I.

Resolva em IR as seguintes equações (ver

Compêndio de Algebra, 7.0 ano, Capo XIII, n. o 8) ( 1): a)

x+4 x

(')

}OO

x+9 x+3

Ver nota da pág. 48.

4 + 5x-5

x =

2x-6

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OOMP.NDIO DII

11.

MÂ'l'IIM~.'l'IOÂ

Resolva no corpo As as equações:

x-1

x+2 =2x;

2x-l=2-3x;

3-x=2(2x-l)

RESPOSTAS -I. a) x=6; b) x=- 9/7; c) impossivel; d) indeterminada. 11. a) x=4; b) impossivel; c) indeterminada.

10. Equações do 2. 0 grau com uma inc6gnita. Continuamos a referir-nos a um corpo K qualquer. Segundo a definição do n. O 8, equação do 2. 0 grau (ou equação quadrática) é toda a equação que, pelos princípios de equivalência, se pode reduzir à forma ax 2 + bx + c = O sendo a, b, c elementos conhecidos de K, com a =I- O. Como se viu, . qualquer raiz (ou solução) desta equação será também chamada raiz (ou zero) do polinómio ax 2 + bx + c. TEOREMA. Se um polinómio do 2. 0 grau, ax 2 + bx + C, tem pelo menos uma raiz x, no corpo K, esse polinómio pode decompor-se em lactores lineares segundo a fórmula: (1 )

em que x 2 designa também uma raiz do polinómio (que pode ser diferente de x, ou igual a x,). Então, a soma e o produto das raizes x"

(2)

são dadas pelas fórmulas:

x, + X2

= --

X,X2

101

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

,/, SlIBAS'1'IAO 11 SILVA

D(Jmonstr8ç'o: Suponhamos que o polin6mio tem, pelo menos, uma raiz, x 1; então é divislvel por x-x" Apliquemos a regra de Ruffini:

axf + bx,

ax,

ax, + bx, + c = O

ax, +b Teremos, pois:

ax 2 + bx + c = (x - x,) fax + (ax, + b)] =a(x-x,) [x+a-' (ax, +b)] Daqui, pondo X2 =-

ax, + b

resulta, finalmente: (3)

ax 2 + bx + c = a(X-X1) (X-X2)

e é 6bvio que x 2 é, também, uma raiz do polin6mio. Ora (x-x 1) (X-X2) = X2-(X1+X2) x + X,X2' Então de (3) vem

,donde, visto tratar-se de polin6mios idênticos ( 1) :

(') A fórmula (3) indica que o polinómio ax:2 + bx + c é o produto dos poli nó mias a, x-x l' x-x 2 segundo as considerações dos n.O' 5 e 6.

102

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMP.NDIO DI/J MA'l'I/JMA'l'IOA

ou seja:

COROLÁRIO 1. Uma equação do 2. 0 grau não pode ter mais de duas raizes distintas no corpo K( 1). Com efeito, se uma equação ax 2 + bx + c = O (com a i= O) tem, pelo menos, uma raiz x 1 em K, essa equação é equivalente, em virtude do teorema, a uma equação da forma

e, segundo o PRINCIpIO DE DECOMPOSiÇÃO (pág. 97), esta só pode ter como raízes as das equações x-x 1 = O e x-x 2 = O. ou sejam Xl e X2 (em particular pode ser Xl = X2)'

EXEMPLOS -I. A equação 2X2 + 2x - 12 = O tem como raízes 2 e -3 em IR, como se pode verificar. Então, será: 2X2 + 2x-12 = 2 (x-2) (x+3) e vê-se que a equação não pode ter nenhuma raiz diferente de 2 e de -3. 11. t: fácil ver que 4x 2 - 4x + 1 = (2x-1) 2 = 4(x-1 /2) 2. Daqui resulta que o polinómio 4x 2 - 4x - 1 tem uma única raiz em IR, que é 1/2.

(1) O corolário 1 estende-se a qualquer domfnio de integridade" (anel comutativo sem divisores de zero). mas deixa de ser válido num anel comutativo com divisores do zero. Por exemplo. no Anel das Horas o polin~mio do 2. 0 grau x 2 -1 tem 4 raIzes distintas. com factores lineares:

1. 5. 7. 11.

e admite duas decomposições distintas

x2-f=(x-f) (x+f) = (x-5) (x-7)

(Porquê?)

103

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

I. BIIBÂB'l'lA.O 11 BlLVÂ

111. A equaçAo x 2 +4=O nAo tem nenhuma raiz em IR.

(Porqu~l)

Assim, uma equação quadrAtica pode ter 2 raIzes, 1 raiz única ou nenhuma raiz, num dado corpo K.

Quando uma equação quadrática tem uma única raiz, também se diz que tem uma raiz dupla ou que tem duas raIzes iguais ·(embora se trate de uma única raiz). Quando uma equação quadrática tem duas rafzes distintas, também se diz que estas são raIzes simples (e não duplas, como no caso anterior). Do teorema deduzem-se ainda os dois seguintes corolários: COROLÁRIO 2. Se um polinómio do 2.° grau, ax 2 + bx + c, tem, pelo menos, uma raiz em K, a outra raiz será simétrica da primeira, se e só se b = O. Com efeito, se o polinómio tem, pelo menos, em K uma raiz x" então, segundo o teorema admite uma raiz x 2 tal que x, +x 2 = - b • a- '. Ora, como a-' =1= O (porquê ?), tem-se b· a-' = O, se e só se b = O. (Porquê?) Logo, será X2=-X, sse b = O. COROLÁRIO 3. Um polinómio do 2.° grau a~2 + bx + c, tem uma raiz nula, sse c = O. Com efeito, se o polinómio tem uma raiz x, = O, então admite uma raiz x 2 tal que x, x 2 = C • a-, = O, donde c = O. Reciprocamente, se c = O, o polinómio reduz-se a ax 2 + bx (ax+b)x, donde se conclui que O é uma raiz do polinómio . • Um polinómio ax 2 + bx+c (com a =1= O), pode mesmo ter duas rafzes nulas (isto é, a raiz O dupla); isso acontece, sse b = c = O, reduzindo-se então o polinómio ao termo ax 2. .• Notemos, por último, que é sempre posslvef:construir uma equação do 2. ° grau com raIzes x, e x 2 dadas arbitrariamente. Com efeito, segundo o PRINCfplO DE DECOMPOSiÇÃO, a equação (x-x,) (X-X2) = O tem como rafzes, precisamente x, e X2' Como

104

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

(x-x,) (X-X2) • X-(X,+X2)X+X,X2' a equaçAo, na forma can6nlca, será:

(Ver exemplos I e 11 do Compéndio de págs. 108-109) (').

Algebra,

7. 0

ano,

11 • Resoluçlo e discussio das equações quadráticas. Continuemos a supor que K é um corpo. Chama-se equação quadrática bin6mia toda a equação da forma X2 -

O, com

IX E

Suponhamos que, para um dado IX E K, a equação x 2 - cc = O (equivalente a x 2 = IX) tem pelo menos uma raiz x, em K. EntãO x, será uma raiz quadrada de IX. Além disso, segundo o corolário 2 do número anterior, a outra raiz da equação será -x,. Portanto, se convencionarmos designar por v'a: uma dessas raizes, a outra deverá ser designada por - v' IX. Consideremos, por exemplo, o corpo A5. A aplicação x x 2 deste V corpo em si mesmo será:

Desde logo se vê que esta aplicação não é bijectiva. Assim, a equação

2 raizes (x, 2 raízes (x, O raízes, se (1)

-1X = O em

A5 terá:

= 1, X2 = 4 = -1), =2, x2=3=-2), IX

2 ou

se se

=1 1X=4 IX

Ver nota da pág. 48.

105

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

.1. lf.SAS'l'IAO • SILVA

Para resolver uma equaçAo quadrática qualquer em K ax 2 + bx + c

(1 )

(8 ::/= O),

procura-se transformá-Ia numa equação binómia com uma outra incógnita. Ponhamos x = y + h, em que y é a nova incógnita e h ·um elemento a determinar. Então o 1.° membro de (1) transforma-se em

Assim, para obter uma equação binómia, deveremos fazer 2ah+b=0, o que equivale a tomar (3)

= - Ta'

desde que seja 2a::/= O.

Vamos, pois, supor daqui por diante que o corpo K verifica 8 seguinte condição:

(4)

a ::/=

2a ::/=0, Va

Esta condição não se verifica em A 2 , mas verifica-se em (Q, em IR e em muitos outros corpos, como veremos adiante. Entrando com o valor (3) de h no 2.° membro de (2) obtemos: b2 b2 ay 2 + - + c 4a 2a

= ay2 .

b -4ac - -4a

Igualando a zero e multiplicando ambos os membros por a - 1, obtém-se a equação binómia

y2 -

(5)

b 2 -4ac = O 4a 2

É agora, evidente que

ax 2 + bx + c

b x=y--2a

106

b 2 -4ac Y 4a 2 b y =x+ 2a

2- - - -

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMPaNDI0 DII MA'1'llMA'1'10A

Assim, _ ",o/uçlo de (1) ~ reduz/da B resolução da equaç'o bindmia (6), chamada 'equação reso/vente' da primeira. Como 4a 2 = (2a) 2 é fácil ver que a equação (5) é resolúvel sse b 2 - 4ac tiver raiz quadrada. Virá portanto, nesta hipdtese, representando por Vb 2-4ac uma das raIzes quadradas: b 2-4ac y 2--4a 2

e portanto, visto que x = -

ax 2 + bx

b 2a

+ y: -b

Vb 2 - 4ac 2a

x = ---='--'----'~------=-=-=--

+c =O

Esta última fórmula, que é apenas um modo abreviado de escrever

(6)

x=-

-b + Vb2-4ac 2a

- b-Vb 2-4ac 2a

V x=---'----'------'-'---'--

será a fdrmu/a reso/vente da equação do 2.° grau, na hipótese de existir raiz quadrada de b 2-4ac. Costuma-se chamar discriminante da equação e representar por ~ o valor desta expressão: ~ =

b 2 -4ac

Assim, se designarmos por x 1 e x 2, respectivamente, as raízes dadas por (6), será: v'~ ·/ X 1- X 2--'--='---a-1 V uA

e, portanto:

107

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

IIIB~I'l'U.O

11 IILVA.

Isto na hlp6tese de â ter raiz quadrada. Mas, se â· O, existe uma raiz quadrada de â (única) que é O; então, e s6 então,

b 2a donde, atendendo ao teorema do número 11 : ax 2 + bx + c

= a(x-x,)2

o que se exprime dizendo que, neste caso, a equação (1) tem uma raiz dupla. Em conclusão: TEOREMA. A equação (1) tem uma raiz dupla, igual a -

2a'

se d "':'0. A equação terá duas raizes simples em K, dadas por (6), se d tem raiz quadrada em K e se além disso ti '# O. A equação não terá solução em K, se d não tiver raiz quadrada em K. [Supõe-se que o corpo K verifica a condição (4)].

Em resumo, há a distinguir os seguintes casos: 3 ZE K. .

('" 3

=u=;.

{

= d) ~

d '# 0=;.3 2 raizes simples de (1) em K d = O:::> 3 1 raiz dupla de (1) em K

('" 3 raiz de (1) em K.)

EXERCfCIOS-1. Discutir e resolver as seguintes equações emA 7:

começando por construir uma tabela dos quadrados e uma tabela dos inversos em A 7' Decompor em factores lineares os polin6mios dados quando houver solução em A 7.

108

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OOMPaNDlO DII

'U_f'IIJ1,I.'I'IO~

li. Resolva no corpo IR as equações: 8)

3x 2 + 9x + 4 = O;

k+1

k+2

= 1-'

b) t 2 -

V2· t

Z 2 + 4/9 = O; c) -+-=Z'

e) 9oc 2 + 60c + 1

= O,'

f) m 2 + m-1

Decomponha, em factores lineares, os polinómios dados em a), b), c). Calcule, com aproximação até às milésimas, as raIzes de a), b), d), utilizando uma tabela de quadrados.

12. Caracteristica dum corpo. As conclusões do nlJmero anterior foram, em parte, baseadas na premissa (4). Ora vamos ver que tal condição é equivalente à seguinte, bastante mais simples: (1 )

Com efeito, tem-se: 2a=(2.1).a, VaEK

(Porque?)

Portanto, se 2 • 1 :f; O, tem-se:

(2)

a :f; O=> 2a

:f;

O, V a E K

(Porque?)

Reciprocamente, se esta última condição se verifica, tem-se, em particular, 2 • 1 :f; O. (Porquê?) Logo, as condições (1) e (2) são equivalentes q.e.d. DEFINiÇÃO 1. Diz-se que um corpo K é de caracterlstica O, sse verifica a condição n. 1 :f; O para todo o inteiro n > 1. Imediatamente se recon'hece que(Q e IR são de caracterrstica O.

109

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. SEBASTIÃO E SILVA

Segundo esta definição, se K não é de caracterrstica O, existe pelo menos um inteiro n> 1 tal que n • 1 = O. Ora, consegue-se demonstrar: os inteiros que verificam tal condição são necessariamente múltiplos dum número primo. Por exemplo, suponhamos que se tem 6 • 1 = O em K. Ora

6 • 1 = (2 • 11) • (3 • 11) Logo, sendo este produto nulo, verifica-se a disjunção exclusiva:

2.1=0\;3.1=0

(Porquê?)

Então os inteiros n tais que n> 1 /\ n • 1 = O s6 poderão ser os múltiplos de um dos números primos 2, 3.

Sendo p um número primo, diz-se que o corpo K é de caracterlstica p, sse p • 1 = O em K. DEFINiÇÃO 2.

Em particular, o corpo A p (pág. 96) é de característica p. Mas existem corpos de característica p não isomorfos a este. Por conseguinte, a premissa em que se basearam as conclusões do número anterior pode assim enunciar-se:

o corpo

K não é de característica 2

13. Equações quadráticas no corpo IR. Suponhamos agora em particular que o corpo K considerado é IR e continuemos a designar por !:J. o discriminante do polin6mio do 2.° grau ax 2 + bx + c, isto é: !:J. = b 2 - 4ac, com a, b, c E IR, a :1= O. Já sabemos que, neste caso:

3z, z 2 110

d o d;> O

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OOMPPlNDI0 DE MATEMÁ'1'ICA

Designa-se então por V à precisamente a raiz quadrada não . negativa de à, isto é:

Por exemplo, V9 = 3 (e não V9 = - 3), v:f= raiz quadrada de 3 positiva, etc. Por conseguinte, no corpo IR, teremos os 3 seguintes casos, quanto à equação do 2.° grau: -b+~

x, -

1.° à> O: duas raízes simples

-b-VIS.. 2a

= O:

(x, =

2.°

3.°

à < O: nenhuma raíz (em IR) .

uma raíz dupla

b ) 2a

• A existência da relação de grandeza designada pelo sinal <, no corpo IR, permite-nos ainda levar mais longe a discussão. Ponhamos:

5=- -

P= -

c , a

atendendo a que -b/a e cla são, respectivamente, a soma e o produto das raízes x" X2 da equação nos dois primeiros casos (à> 0, à = O). Posto isto, vamos provar o seguinte:

(1 )

I P<O=> à>O I

Com efeito, se ela < O, os números c, a têm sinais contrArios e,

111

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

I. 8EB.A.8'1'IAO

JjJ

8ILV.A.

portanto, também ac<O, donde b 2 -4ac>0 (porqu8'?j ou seja d>O. Por outro lado:

P > O 1\ d> O =>

(2)

e x 2 t8m o sinal de 5

Com efeito, se P > O e d > O, as raízes x 1, X 2 têm o mesmo sinal, visto que x 1 x 2 = P> O, e esse sinal terá de ser o de 5 visto que x 1 + X 2 = s. Assim, em resumo, no corpo IR, a discussão da equação quadrática pode ser feita do seguinte modo:

P < O: 2 raIzes com sinais contrários b P = O: x 1 = O, X 2 = - -

d d

O' { S> O: 2 raizes positivas . S < O: 2 raizes negativas

= O:

1 raiz dupla, x 1

= X2 = -

b 2a

d< O: nenhuma raiz em IR No primeiro caso (P < O) ainda podemos distinguir as hipóteses (1):

5 = O: 2 raizes simétricas

5> O: predomínio da raiz positiva 5 < O: predomlnio da raiz negativa Para exemplos, ver Compêndio de Algebra, 7.° ano, Capo XVI pág. 118( 2) (não foram ainda introduzidos os números imaginários: quando d < O diz-se que a equação não tem raízes em IR).

( 1)

(2)

112

Só a primeira destas hipóteses tem geralmente interesse prático. Ver nota da p6g. 48.

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OOMP"SNDlO DE MATEMA'1'lOA

NOTA. Algumas vezes a equação quadrática apresenta-se naturalmente sob a forma ax 2 + 2mx + c = O. Neste caso, a fórmula resolvente toma o aspecto

-m

± vm2-ac a

a o discriminante ~ pode ser substituído pelo discriminante simplificado ~' = m 2 - ac = 4 ~.

14. Estudo das funções quadráticas em IR. Chama-se função quadrática (em IR) toda a função representável por um polindmio do 2. 0 grau; será, portanto, toda a função da forma (1 )

ax 2+bx+c, com a,b,c

IR, a:l: O.

Já sabemos (Compêndio de Algebra 6. 0 ano, pág. 129)( ') que o gráfico duma função quadrática do tipo particular x

ax 2

é uma parábola que tem por vértice a origem, por eixo de simetria o eixo das ordenadas e cuja concavidade está voltada para cima ou para baixo, conforme a > O ou a < O. Passando ao caso geral, recordemos que se tem: ax 2+bx+c

= a(x 2 + -ax -+-) . a

b C x 2 +-x+-=(x+

a, portanto aX 2+bx+c=a[(x+

(2)

b b 2-4ac 2a )2_ 4a 2 ]

( ,) Ver nota da pág. 48.

113 CMII-8

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J . .SEBASTIAO E SILVA

ou seja, pondo b 2-4ac = d:

h=-

ax 2 +bx+c == a(x-h) 2 + k, com

b 2a

k=--4-aNotemos agora que, se pusermos X = x - h, Y = y - k, teremos:

y = a(x-h)2 + k

Y =a X2

isto é: se (Xo, Y o) for um par ordenado de números reais que verifica a segunda equação, então (Xo+h, Yo+k) será um par ordenado que verifica a primeira equação, e vice-versa. Quer isto dizer o seguinte, em geometria analítica: passa-se do gráfico da segunqa equação para o gráfico da primeira por meio de uma translação (somando h à abcissa e k à ordenada de cada ponto do 1.° gráfico).

(X + h

Y + k)

k=-4a

b h=--

Ora, atendendo ao que sabemos sobre o gráfico da função x

ax 2 ,

segue-se que: O gráfico da função quadrática (1) é uma parábola de eixo vertical, com a concavidade voltada para cima ou para baixo, conforme a> O ou a< O.

114

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aOMP1iiNDIO DE MATEMATIOA

Mais ainda, do estabelecido no número anterior conclui-se:

A intersecção do gráfico de (1) com o eixo dos x tem dois pontos, um só ou nenhum, conforme .l> O, .l = O ou .l < O. EXERClcI05: Dados os polinómios (em IR): 1

-x 2

1 1 1 -2 - - t 2 +2 - u 2 +1 - - u 2 -1 '2

1 1 3 1 9 1 5 2 +5 --m 2 +-m-1 - v 2 - 3v+--e 2 -3e+5 2 '2 2 '2 2'2

determine, por cálculo, o número de pontos em que o gráfico de cada um deles intersecta o eixo das abcissas. Desenhe, em seguida, os respectivos gráficos.

Quanto ao sinal dos valores da função quadrática (1), vamos demonstrar três teoremas simples:

Se.l > O, o vaior de ax 2 +bx+c tem sinal contrário ao de a ou o mesmo sinal de a, conforme o valor atribuldo a x é interior ou exterior ao intervalo das raizes ('). TEOREMA I.

Demonstração: Suponhamos .l > O. Então (3)

Como as raizes x" X 2 são diferentes, uma delas é menor que a outra, por exemplo X1 < X2' Então o intervalo das raIzes é [X"X2]. Suponhamos que se atribui a x um valor ex. interior a este intervalo, isto é, tal que

Na demonstração se dirá o que significa'intervalo das raIzes', bem como 'interior' e 'exterior' a este intervalo. (1)

115

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J. S111BAB'PIAó E SILVA Então rx - x,

> O,

rx - X2 < O e, portanto

Daqui se conclui, atendendo a (1), que o sinal de ax2 + bx + c é o contrário ao de a. Suponhamos agora que rx é exterior a [x 1 ,x 2], isto é, que

Então

e, portanto

donde se conclui que arx 2+brx+c tem o mesmo sinal de a. (O que acontece se x = x, ou x = X2?)

TEOREMAII.Se!1 = O, o valor de ax 2+bx+c tem o sinal de a para todo o valor de x diferente da raiz.

Demonstração:

Suponhamos !1 x, e, portanto

= o.

Então, o polinómio tem uma raiz dupla

ax 2 + bx + c

=a(x-x,) 2

Ora, para todo o valor rx de x diferente de x, tem-se rx - x, i= O e portanto (rx - x,) 2 > O, donde se conclui que arx 2 + bot + c tem o sinal de a.

116

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COMP1JJNDIO DE MATEMÁTICA

TEOREMA 111. Se t. < O, o valor de ax 2 +bx+c tem o sinal de a para todo o valor de x. Demonstração: lembremos que, segundo (2),

b 2 2a ) -

(4) Suponhamos t.

< O.

4a 2

]

Então, como 4a 2 > O, tem-se -

Como, além disso, (x + (x+

2a) 2

b 2 2a ) -

> O,

'ti x

!:!.

4a 2 > O,

t. 4a 2

> O.

IR, vem:

'ti x

Daqui e de (3) se conclui que ax 2+ bx+c tem o sinal de a qualquer que seja x

IR.

Para exemplificação da doutrina exposta, considere, novamente, os polinómios dos exerclcios anteriores e determine, por cálculo, os intervalos de IR nos quais a função definida em cada caso é positiva e aqueles em que a função é negativa. Confronte, em seguida, os resultados com os respectivos gráficos. No primeiro caso (t.> O), supondo que (X é um número exterior ao intervalo das raízes, pode ainda interessar saber se (X é maior ou menor que as raízes, sem calcular estas. Para isso temos o seguinte COMPLEMENTO AO TEOREMA I: Se t. > O e a(X 2 + b (X + c tem o sinal de a, então (X é maior que as raizes ou menor que as raizes conforme (X > S/2 ou (X < S/2, considerando S = - b/a. Demonstração: Suponhamos que a hipótese se verifica e sejam x, ,x 2 as raízes com x,

< X 2.

Então (X < x, ou (X > X 2. Mas, se tivermos X,+X2

> - -=2 - =

b - -----=2-a - '

117

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J. SEBASTIÃO E SILVA

não poderá ser ot < x" porque então seria também ot < X 2 e, portanto, 2 ot < x, + X 2' ou seja ot < (x, + x 2) /2. Logo, se ot> S/2, será ot> X 2. Analogamente se prova que se ot < S/2, então ot < x,.

EXERCrCIOS:

I. Determine a posição dos números -5, 1, 6, em relação às raIzes do polin6mio 3x 2 - 5x - 16.

11.

Determine condições em t equivalentes às seguintes:

a) 'Vx: x 2 +4x+t>O . (no universo IR) b) 'Vx: (t + 1)x 2 - 2tx + 5t + 6 < O

111.

Determine condições em x equivalentes às seguintes:

a) b)

3y: y2 + 4y + x~ O 3y: (x-1 )y2 - 2xy + 5x + 6

(em IR)

15. Sistemas de equações. Seja novamente K um corpo qualquer. Um sistema de equações relativas a K será a conjunção de duas ou mais equações relativas a K (que se exprime usualmente por meio de uma chaveta colocada antes do conjunto das equações escritas em linhas sucessivas). Deste modo, uma solução (ou raiz) do sistema de equações será toda a sequência de valores das variáveis que verifique todas as equações dadas. O sistema será posslvel (ou resolúvel), sse tiver pelo menos uma solução; será imposslvel no caso contrário. Dois sistemas de equações são equivalentes, sse tem o mesmo conjunto de soluções. Além dos princípios de equivalência que já indicámos para equações em geral (n. o 9), apresentam-se-nos agora dois novos princlpios de equivalência, aplicáveis a sistemas de equações.

118

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COMPlbNDIO DE MATEMÁTICA

Quando, num sistema de equações, uma destas se apresente resolvida em relação a uma das incógnitas, o sistema é equivalente ao que resulta do primeiro, substituindo na outra equação (ou outras equações) essa incógnita pela sua expressão como função da outra incógnita (OU das outras incógnitas). PRINCIpIO DE SUBSTITUiÇÃO.

Bastará fazer a demonstração no caso de um sistema de duas equações com duas inc6gnitas, porque a ideia é a mesma no caso geral. Consideremos um sistema de equações da forma (1 )

f(x, y) = O { Y = cp (x)

que também se pode escrever: f(x, y)

= O /\

= cp(x)

Como se vê, a segunda equação supõe-se resolvida em relação a y, isto é, o 1.° membro reduz-se a y e o 2.° membro reduz-se a uma expressão só com a variável x. Posto isto, seja (ex,~) uma solução do sistema, isto é, um par ordenado de elementos de K, tal que as proposições

sejam ambas verdadeiras. Então, segundo o 1.° princfpiol6gico de equivalência (pág. 61, 1.° tomo), também a proposição

f(ex, cp(ex»

será verdadeira. Daqui se conclui que (ex, sistema de equações

(2)

também é solução do

f(x, cp(x» - O { y = cp(x)

Analogamente se reconhece que toda a solução de (2) também é uma solução de (1).

119

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J. SEBASTIAO E SILVA

NOTAS -I.

Para comodidade de exposição, considerá mos a

primeira equação de (1) com segundo membro nulo. Mas já sabemos

que, pela aplicação do 2.° princípio de equivalência de equações (pág. 97), é sempre possivel reduzir uma equação a essa forma.

11. O princípio de substituição não se aplica só a equações em corpos: é válido em qualquer universo, isto é, constitui um princípio lógico de equivalência. EXEMPLO.

Seja o sistema

2x + y2 { 3x - y

=3 =

(no corpo IR)

Resolvendo a segunda equação em ordem a x, vem:

2x + y2

y+2 x= 3

2· <:>

y+2 + y2 = 3 3 y+2 x= 3

3y2 + 2y = 5

y+2 3

Ora

3y2 + 2y - 5 = O <=> y=

-1

± V16 <:>

5 y= 1 Vy=-3

Assim, o sistema dado é equivalente ao seguinte:

5 y=1Vy=-3 y+2 x =-=--3

y=1

1+2 3

5 y=-3 -5/3 + 2 1 x= =-

o que mostra que as soluções do sistema são (1,1) e (

! ,- ~ ),

consi-

derando x como a primeira incógnita e y como a segunda incógnita.

120

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

COMPSNDlO DII MATEMÁTICA

Note que se aplicou aqui a distributividade da conjunção relativamente à disjunção, visto que um sistema de equações é uma conjunção de condições. Todo o sistema de equações é equivalente ao que dele resulta substituindo uma qualquer das equações pela que se obtém adicionando ordenadamente os seus dois membros aos de outra equação qualquer do sistema. PRINCIpIO DA ADiÇÃO ORDENADA.

Este princípio é uma consequência do 2.° princípio lógico da equivalência, aplicado à seguinte equivalência formal:

que também se pode apresentar com o aspecto: a=b {a+c=b+d c=d , V a, b, c, d { c=d ~

Para demonstrar esta equivalência, notemos primeiro que, sendo a, b, c, d elementos quaisquer de K, se tem: (a = b 1\ c = d)

(a + c = b + d,)

em virtude do primeiro princípio lógico de equivalência, atendendo a que a adição é unlvoca em K. Como, além disso (pág. 45, 1.° tomo): (a=b 1\ c=d)

(c=d)

virá (pág. 45,1.° tomo): •

(a = b 1\ c

= d)

~ (a + c = b + d

1\ c = d)

A implicação inversa demonstra-se de modo análogo, notando que, pelo 1.° princípio lógico de equivalência, (a + c

= b + d 1\ c = d)

e que (a+c) + (-c)

= a,

~ [(a+c) + (-c) = (b+d) + (-d)]

(b+d) + (-d)

(Porquê?)

121

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J. SEBASTIAO E SILVA

EXEMPLO.

Seja, ainda, o sistema

2x + y2 { 3x - y

=3 =2

Poderíamos eliminar a incógnita x na 1. a equação por adição ordenada, se os coeficientes de x fossem simétricos. Mas isso consegue-se multiplicando os dois membros da 1. a equação por 3 e os da segunda por -2. Em virtude do PRINCIpIO 111 (pág. 97), as equações obtidas são, respectivamente, equivalentes às primeiras e, portanto

2x + y2 = 3 { 3x - y = 2

6x + 3y2 { -6x + 2y

=9 =-

donde, por adição ordenada no segundo sistema:

2x + y2 = 3 { 3x - y = 2

3 y2 + 2y = 5 { 3x - y = 2

Assim, eliminá mos x na 1. a equação pelo M~TODO DE REDUÇÃO. Podemos, agora, terminar a resolução do sistema como anteriormente. A vantagem deste método patenteia-se, especialmente, no estudo geral dos sistemas de equações lineares, como veremos no número seguinte. NOTA.

Imediatamente se reconhece que o princfpio da adição ordenadc

é válido não só para corpos, como para módulos em geral.

16. Sistemas de equações lineares.

Vamos limitar-nos ao

càso de duas equações com duas incógnitas, porque, na sua essência, as ideias são análogas no caso geral.

122

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COMPHNDlO DE MATBMÁTICA

Chama-se sistema de duas equações lineares com duas incógnitas (relativas a um corpo K), todo o sistema que, pelos princípios de equivalência, se possa reduzir à forma: ax + by { a'x + b'y

(1)

=c = c'

em que as letras x,y são variáveis (ou incógnitas) em K e a, b, c, a', b', c' são elementos conhecidos de K. Comecemos por supor que um, pelo menos, dos coeficientes das incógnitas é diferente de zero. Seja, por exemplo, a =I- O (em qualquer dos outros casos possíveis as considerações são inteiramente análogas). Vamos ver que, neste caso, é possível eliminar x na 2. a equação, se porventura ainda aí figurar essa incógnita. Com efeito, sendo a =I- O /\ a' =I- O, tem-se pelo PRINCfplO 111 (pág. 97):

(2)

ax + by = c { a'x + b'y = c'

-aa ,x - a'by = - a' c { aa'x + ab'y = ac'

donde, pelo PRINCfplO DA ADiÇÃO ORDENADA:

(3)

ax + by = c { a'x + b'y = c'

ax + by = c { (ab' -a'b)y = ac' -a'c

Notemos, agora, que esta equivalência é válida mesmo quando a =I- O /\ a' = O, visto que, neste caso, a 2. a equação do primeiro sistema se reduz à fórmula b'y = c', enquanto a 2. a equação do segundo sistema assume a forma ab'y = ac', sendo, portanto, equivalente à anterior. (Porquê?) Posto isto:

HIPÚTESE 1.

Suponhamos que se tem ab' - a'b =I- O

123

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J . SEBASTIAO E SILVA

Então, virá: ax + by = c a'x + b'y = c

ax + by = c ac' - a'c y = ab' - a'b

(Porquê?)

Ora, pelo PRINCIPIO DE SUBSTITUiÇÃO:

ax + by = c

ac' - a'c ax + b ab' -a 'b

ac' - a'c y = ab' - a'b

E, como a 1. a equação do segundo sistema é equivalente a ab'c - a'bc - abc' + a'bc ax = ab' -a 'b virá, finalmente, lembrando que a

<1=

a(b'c-bc') ax = ab' -a 'b

ax + by = c

b'c - bc' x = ab' _ a'b

a'x + b'y = c'

ac' - a'c y = ab' - a'b

(4)

As duas últimas fórmulas dão-nos, pois, a solução (única) do sistema proposto, no caso em que a :j: O 1\ ab' - a'b :j: O. Aliás, como o coeficiente a, nestas fórmulas, desempenha um papel inteiramente análogo ao dos outros coeficientes das incógnitas, bastará supor ab' - a'b :j: O, pois esta condição, por si só, implica que um, pelo menos, dos coeficientes a, b, a', b'(e mesmo dois) é diferente de zero, isto é: (ab' - a'b :j: O) => [(a :j: O 1\ b' :j: O) V (a' :j: O 1\ b :j: O)] (Porque?)

124

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OOMPENDIO DE MATEMATlOA

Assim, em conclusão: TEOREMA. Se ab' - a'b =F O o sistema (1) é possível e determinado, sendo a sua solução dada em (4). EXERCrCIOS.

Resolver os sistemas

2x + 3V = 4 { 3x + V = 2

b) -

u v 73 +- =- 9 7 63 7 u v

- -

=- -

respectivamente, nos corpos A 5 e IR. Passemos, agora, a uma segunda hipótese:

HIPÓTESE 2.

Suponhamosque ab' - a'b = O, sendo um,

pelo menos, dos coeficientes das incógnitas diferente de zero.

Então, sendo por exemplo a =F O, tem-se, atendendo a (2) e (3): ax + by = c { O • x + O • Y = ac' - a'c

ax + by = c { a'x + b'V = c'

Quer isto dizer que, ao eliminar a incógnita x na 2. a equação, se eliminou simultaneamente a incógnita y. Então, dois casos se podem verificar:

1) ac' - a'c =F O. Neste caso, a última equação é manifestamente impossível e, portanto, o sistema também o é. (Porquê?) 2) ac' - a'c = O. Então qualquer par ordenado (x,V) de elementos de K verifica a última equação; esta é, pois, uma condição universal e, portanto:

ax+by =c { a'x + b'y = c'

<=>

ax+ by = c

(Porquê?)

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J. S1OBASTIAO 10 SILVA

Deste modo, as soluções do sistema proposto são as soluções da equação ax + by = c que se podem obter resolvendo a equação em ordem a x (continuando a supor a :f: O): x=

c - by a

e atribuindo, depois, diferentes valores a y e calculando os valores correspondentes de x dados por esta fórmula. EXEMPLOS E EXERCrCIOS:

Seja o sistema:

3x + 2y = 4 { 4x + y = 3

no corpo A5

3 Multiplicando ambos os membros da 2. equação por 8

obtém-se o sistema equivalente:

3x + 2y = 4 { 2x + 3y = 4

3x + 2y = 4 { Ox+OY=3

donde se conclui que o sistema dado é imposslvel. 11. Seja, agora, o sistema: 3x + 2y = 4 { 4 x+ y= 2

no corpo A5

Vê-se, então, que este sistema é equivalente a:

3x+ ~y = ~

{ 2x + 3y = 1

126

3x + 2y = 4: { Ox+Oy=O

4 = 3,

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OOMPSNDIO DE MATEMÁTICA

e, portanto, equivalente à equação:

4+ 2x

3x + 2V = 4 <:> V =

_ =x+2

Atribuindo a x os valores 0,1,2,3.4, obtemos para V, respectivamento, os valores 2,3,4,0,1. As soluções do sistema proposto serão, pois: (0,2), 111.

(1,3)

(2.4),

(3,0)

(4,1)

Resolva os sistemas (em IR) : 2x-1 +~=x- 1-2V 236

! !

2x+V=1-V

3- h + k _ ~ = 1 - 2h + 4k

2h + h

=1 -

4 h

Respostas: a) é impossivel; b) é simplesmente indeterminado, equivalente à equação 3h + k = 1; as suas soluções, em número infinito, podem obter-se, por exemplo, atribuindo valores reais arbitrários a h e calculando os valores correspondentes de k = 1 - 3h. Resta-nos analisar uma terceira hipótese: HIPÓTESE 3.

Os coeficientes das incógnitas são todos nulos.

Neste caso, o sistema (1) reduz-se à forma

Ox + Ov = c { Ox + Ov = c' e é fácil ver que: 1) será imposslvel se c =F O V c· =F O;

2) admite como solução qualquer par ordenado de elementos

127

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J. SEBASTIAO E SILVA

de k se c = c' terminado) .

= O (diz-se.

EXERCrCIO. x

então. que o sistema é duplamente inde-

Estudar os sistemas: 2x + 3y

-- + - +1 = 3 2

2x - 5y + 2 = ~ _

••• CASO DOS SISTEMAS COM MAIS DE UMA EQUAÇÃO OU MAIS DE UMA INCÓGNITA.

considerações

estendem-se.

facilmente. ao caso de sistemas de equações lineares com mais de 2 equações ou mais de 2 incógnitas. Seja. por exemplo. o sistema:

3X + 2y + 4z

_x + 2y + 4z = O • no corpo A 7

(

2x + 4y + 3z = 5

Multiplicando ambos os membros da 2. 3 equação por e os da 3.3 por -3/2

= - 5 = 2;

-3 =

adicionando. em seguida. ordenada-

mente os dois membros da 1. 3 aos da 2. 3 e aos da 3.3 • vem sucessivamente :

=1 4x + Y + 2z = O 4x + y + 6z = 3

3X + 2y + 4z

4z = 1 3y + 6z = 1

3X + 2y +

3y + 3z = 4

Ora

! e, como 3z

3Y + ~z 3y + 3z

= 1 = 4

<:> Z

= 6. vem.

3y + 6 • 6 =

128

substituindo na equação anterior:

1" <:>

= O <:>

y- O

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OOMPSNDIO DE MATEMATIOA

e, finalmente, por substituição na 1. a equação do sistema dado: 3x + 4 • "6 = 1"<:> 3x + 3 = 1"<:> 3x = 5<:> x = 4

o sistema terá, pois, uma única solução: x=4/\y=O/\z=6

EXERCfCIO.

Resolver os seguintes sistemas em IR:

3X - 2y +

= 1

2x + 5y - 3z = 2

5x + 3y - 2z = 3

3X - 2y

= 1

2x + 5y - 3z = 2

5x + 3y - 2z

17. Determinantes de 2. a ordem e sua aplicaçio. Seja ainda K um corpo qualquer. Escreve-se por definição:

b = ad - bc

, V a, b, c, d

Chama-se determinante de 2. 8 ordem à função de 4 variáveis assim definida. Também se dá esse nome ao sfmbolo do 1.° membro ou a qualquer outro que dele se obtenha substituindo as variáveis a, b, c, d por constantes ou por outras variáveis, dependentes ou independentes. Como se viu no número anterior, a resolução e a discussão dos sistemas da forma

(1 )

ax + by = c { a'x + b'y = c'

129 C MD-SI

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

.. J. SEBASfjriAó É SiLVÁ têm, como ponto de partida, a expressão ab' - a'b, que, segundo a definição anterior, se pode agora escrever

a a'

b b'

Ao valor desta expressão (ou à própria expressão) chamaremos deter-

minante do sistema (1). Segundo o que foi demonstrado:

sistema é possivel e determinado, sse o seu determi-

nante for diferente de zero.

Nesta hipótese, vimos que a solução (única) é dada pelas fórmulas: b'c - bc' x = ab' - a'b

ac' - a'c y = ab' - a'b '

que, com a notação de determinante, assumem agora o aspecto:

y= a

Traduzindo isto por palavras, obtemos a seguinte regra:

REGRA DE CRAMER. Os valores de x e de y que verificam o

·sistema são dados por duas · fracções, que têm por denominador comum o determinante do sistema e cujos numeradores são os determinantes que se deduzem deste, substituindo respectivamente os coeficientes de x e de y pelos seg~ndos membros das respectivas equ8ções.

'130

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

COMPE NDIO DE MATEMA TICA

Chama-se matriz completa do sistema (1) ao quadro

a [ a'

b b'

c ] c'

constituído pelos coeficientes das incógnitas e pelos segundos mem bros das duas equações, tal como está indicado. Esta matriz fornece três determinantes de 2. a ordem:

c D"

0'=

0= a'

Como vimos, o sistema tem uma única solução, sse Ll =f. O:

OH O '

x=- -

y= O

Seja agora O = O e suponhamos que um dos coeficientes das incógnitas é diferente de zero: seja, por exemplo, a =f. O V a' =f. O. Então, como vimos no número anterior, a discussão incide sobre o valor da expressão ac' - a'c, valor que podemos agora designar pelo símbolo:

c ou seja O'

e duas hipóteses se podem verificar:

O' =f. O: sistema impossível

O' = O: sistema simplesmente indeterminado (equivalente à

T.a ou à 2. a equação, conforme a =f. O ou a' =f. O).

131

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. BÊJ1AS'rtAO E StLVÂ Se b #= O V b' #= O, as conclusões são análogas, substituindo O' por Ou. Assim, a discussão pode resumir-se no seguinte quadro:

O #= O: sistema posslvel e determinado a #= O V a' #= O

0=0

O' #= O: sistema imposslvel

= O: simplesmente indeterminado

b #= O V b' #= O conclusões análogas com Ou em vez de O' a

= a' = b = b' = O:

c #= O V c' #= O: sistema imposslvel

= c' = O: duplamente indeterminado

(Para exemplos, bastará passar ao número seguinte).

18. I nterpretaçio geométrica dos resultados anteriores em I R 2; paralelismo e coincidência de rectas. Para este estudo, ver Geometria Analltica Plana, Capo 111, § 2 (pág. 63-71) ('), utilizando o conceito de determinante. Supõe-se feito o estudo dos §§ 1, 2, definindo 'declive duma recta', não a partir da inclinação, mas directa mente, como se faz no n. o 25 do mesmo compêndio.

19. Equações paramétricas. Consideremos a equação (t-1)x = t + 1

(no corpo IR)

Sem mais explicações, trata-se duma equação com duas incógnitas, x e t. As suas soluções são os pares ordenados (t,x) de números reais, tais como (3,2),

(5,3/2),

(0,-1),

(-1,0),

etc.

que convertem a equação numa proposição verdadeira. ( ')

132

Ver nota da pAgo 48.

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

aOMPtbNDIO DE MATEMATlOA

Mas, a mesma fórmula pode traduzir este outro problema, embora no fundo equivalente ao primeiro:

Determinar uma função f tal que, substituindo x por f(t), a equação dada se transforma numa identidade (isto é, numa equação em t universal). Nestas condições, existe uma solução do problema, que é a função tvx dada pela fórmula:

t +1 t- 1

e cujo domfnio é Df = {t E IR: t # 1 }

'Resolver a equação em relação a x' ou 'exprimir x como função de t' são, neste caso, expressões equivalentes que significam 'determinar uma função f que verifique a condição enunciada'. Note-se que se têm:

(t-1)x = t+1

<=>

t+1 t-1

e, por isso, dizemos que a referida função resolve completamente o

problema. Consideremos, agora, a equação y2 ~

4x 2 = O

(em IR)

e o seguinte problema: resolver esta equação em ordem a y. Neste caso, tem-se:

y2-4x 2 =O <=> y=2xVy=-2x

133

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J . SEBASTIÃO E SILVA

e, por isso, diremos que as funções x

\.....~X,

x'-J-2x resolvem comple-

tamente o problema. Mas, tem-se igualmente:

e, por isso, diremos que também as funções xv 2 1x I, x v

- 2 1x 1

resolvem completamente o problema (ou ainda, que formam um conjunto completo de soluções do problema). Note-se que y2-4x 2

= (y-2x) (y+2x) == (y-2 1 xl)

(y+2 1 xl)

Dum modo geral, chama -se equação paramétrica com uma incóg-

nita uma equação com mais de uma variável, uma das quais é denominada incógnita, sendo a restante ou as restantes variáveis chamadas parâmetros. Se for x a incógnita e houver um só parâmetro t, chama-se solução da equação paramétrica toda a função f tal que, substituindo x por f(t), a equação se converte numa identidade. Diz-se então que um conjunto de funções f 1, f 2, ... f n é um conjunto

completo de soluções da equação paramétrica, sse esta for equivalente à condição x = f 1 (t) V x = f2 (t) V ... V x = f n (t) Analogamente, para mais de um parâmetro e para equações ou

sistemas de equações paramétricas com mais de uma incógnita. Por exemplo, a equação geral do 2.° grau em x

• ax 2 + bx + c =

com a, b, c variáveis num corpo K e a 134

* 0, é uma equação para-

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COMPENDIO DE MATEMATICA

métrica, em que a incógnita é x e os parâmetros são, a, b, c. Então as fórmulas

-b + Vb2-4ac

-b - Vb 2-4ac

fornecem um sistema completo de soluções da equação paramétrica. Analogamente, o sistema geral de duas equações lineares com duas incógnitas x,V: ax + by = c { a'x + b'V = c' e com a,a', b,b', c,c' variáveis em K, é um sistema de equações paramétricas, que, no caso ab' -a'b =I O, é resolvido completamente pelo sistema de fórmulas b'c - bc' x = ab' _ a'b

ac' - a'c V = ab' - a'b '

mas que, no caso ab' -a'b = ac' -a'c = O 1\ a =I O é equivalente à 1. a equação paramétrica, etc. Note-se que, na prática, uma equação ou um sistema de equações paramétricas é geralmente a tradução em linguagem simbólica, dum problema concreto com dados variáveis, que vem a ser os parâmetros (ver Compêndio de Algebra, 7. 0 ano, pág. 71) (1) . Para discussão ou resolução de equações paramétricas, podem ver-se alguns exercícios do Compêndio de Algebra, VII ano, Capítulos XIV, XV e XVI ( 1), mas sem abusar, pois que, como se dirá adiante, este assunto interessa principalmente quando relacionado com problemas concretos.

20. Resolução e discussão de problemas concretos por meio de equações. Para este assunto, ver Compêndio de Algebra, 7. 0 ano, Capo XXI, págs. 196-209 (1). Este assunto, como, dum modo

(1)

Ver nota da pág. 48.

135

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J. BEBABTIAO E BILVA

geral tudo o que se refere a aplicações concretas da matemática, é da máxima importância, quer formativa, quer informativa, t: principalmente a propósito de problemas concretos - e não em abstracto - que interessa fazer a discussão de equações ou sistemas de equações.

21. Equações do 3.° grau. Seja ainda K um corpo qualquer. Como sabemos, chama-se equação do 3.° grau (ou equação cúbica) toda a equação que, pelos principios de equivalência, possa ser reduzida à forma ax 3 + bx 2 + cx + d = O

(1 )

em que a, b, c, d são elementos dados de K, com a :F O. • Uma equação cúbica não pode ter mais de 3 raizes distintas.

Com efeito, se uma equação da forma (1), com a:F O, tem pelo menos três raizes distintas x" X2' X3' o seu primeiro membro é divisivel por x-x" isto é, existe um polinómio ax2 + b'x + c' tal que ax 3 + bx 2 +

+ d :: \x - x,) (ax 2 + b'x + c')

Então, como X2 e X3 não anulam o primeiro factor do 2.° membro (X2:F x, /\ X3 :F x,), anulam necessariamente o segundo factor e portanto ax 2 + b'x + c' = a(x - X2) (x - X3). Assim: ax 3 +bx 2 +cx+d

=a(x-x,)

(X-X2) (X-X3)

e, como a :F O, não existe nenhum x em K, diferente de x" de x 2 e de x 3, que anule este produto e, portanto, o primeiro membro.

136

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

COMPSNDIO DE MATEMATICA

• Equação cúbica binómia (relativa a K) será toda · a equação da forma x 3 -OC=0 ou ainda x 3 =oc, com ocEK Toda a raiz de tal equação (se existe pelo menos uma) será chamada raiz cúbica de oc. Uma das raízes cúbicas de oc, que por3 ventura existam, será designada pelo slmbolo v' oc. Seja por exemplo K = A 5' Então

Assim, cada elemento do corpo A 5 tem uma e uma s6 raiz cúbica (em A 5 ): 3

y' 0= O,

y'1 =1,

y' 2 = 3,

y' 3 = 2,

\14=4

Seja agora K = A 7. Então

x')

~ (~O

5 6

Assim, cada um dos elementos 1, 6, de A 7 tem 3 raizes cúbicas, o elemento Õ tem uma s6 raiz cúbica e os elementos 2, 3, 4, 5, não têm nenhuma raiz cúbica (em A 7)' Por sua vez em IR, como é sabido, cada elemento tem uma e s6 uma raiz cúbica. Dada uma equação cúbica qualquer, é natural procurar reduzir a sua resolução à de equações bin6mias (resolução algébrica ou resolução por meio de radicais). Em primeiro lugar, procuremos,

137

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· J.8EBA8TIAO E 8ILVA

como na equação do 2.° grau, determinar um elemento h tal que, substituindo x por y + h se obtenha uma equação cúbica em y:

(2)

a(y+h) 3 + b(y+h) 2 + c(y+h) +d = O

em que o coeficiente de y2 seja nulo. Ora, feitos os cálculos necessários, vê-se que o termo em y2, para cada valor de h, é (3ah + b)y2. Suponhamos que o corpo K não é de característica 3. Então 3ah + b

<=>

= - -3a

Portanto, atribuindo este valor a h em (2) e multiplicando ambos os membros da equação (2) por a - 1, obtém-se uma equação em que o coeficiente de y3 é 11 e o coeficiente de y2 é O. Podemos, pois, reduzir o nosso estudo a equações da forma

(3)

X3 +

px + q = O , com p, q

Para tentar resolver uma tal equação, ponhamos

(4)

x=u+v

e procuremos determinar u,v de modo que se verifique a equação (3). Esta assume então a forma u 3 + v 3 + 3u 2v + 3uv 2 + p(u+v) + q = O ou seja U3

+ v 3 + + (3uv + p) (u + v) + q = O

vê-se que será verificada, se

(6)

138

=- 3

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COMPIlNDIO DJ!JMATJJJMATICA

Procuremos, então, determinar dois elementos oc e

de K tais que

\',

(6) Tais elementos, se existem, serão as raízes da equação (z - oc) (z - ~)

+ qz -

27 = O,

dadas pela fórmula resolvente usual, se o corpo K não é de earac-

terlstica 2. Suponhamos verificada mais esta hipótese e tomemos:

(7) Suponhamos, agora, que existe pelo menos uma raiz cúbica de .... p3 . ..•.... •. ' oc e designemo-Ia por ~ oco Então, como oc~ = - 27 e oc + ~ = - q virá:

3 e. (~-;)3 + ,( -

~ = - ~ oc

3 ~ oc

),3 .' q == -

Por conseguinte, se tomarmos ..JlI-'

u=vocl\v=-

p 3 v oc

a condição (4) é verificada e assim, pondo x = u + v, também a equação (2) será verificada. Em conclusão: TEOREMA.

Se K tem característica diferente de 2 e de 3, a fórmula

..JlI-

(8)

x = v oc - 3

~ IX'

com oc = -

./2

-2 + V

+ ~7

139

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J. SEBASTIÃO E SILVA

dá uma solução da equação (2) em K, desde que exista pelo menos •

..J..J..J

uma raiz qU8uraua ue

P3 "b' cf, + 27 e uma raiz cu Ica e

4q 2

que seja a raiz cúbica de

designada pelo símbolo

<X,

qualquef

..;y-;:.

A fórmula (8), sob uma forma um pouco diferente, é chamada FORMULA DE TARTAGLlA, embora tenha sido SCIPIONE DEL FERRO, ao que parece, quem primeiro teve a ideia que conduz a esta fórmula, no principio do século XVI (ver Compêndio de Algebra, 7.° ano, Nota Histórica do Capo XXI) ('). EXEMPLOS -I.

Seja a equação x3

+ 6x - 2

= O,

em IR.

Então p = 6, q = - 2, donde, q/2 = - 1, p/3 = 2 e portanto 1X=1+v'1+8=4 Assim, uma solução será o número irracional

(Prove que este número é > O e verifique directamente que é uma raiz da equação). Aplicando a regra de Ruffini, elimina-se )5ta raiz obtendo-se a equação

Como o discriminante desta equação é negativo (prove), conclui-se que a equação cúbica dada tem só aquela raiz em IR. CalclJle-a com aproximação até às milésimas, utilizando uma tabela de cubos. ( ')

140

Ver nota da pago 48.

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMP~ND]()

11.

DE MA'1'EMATIOA

Seja, agora, a equação x 3

15x - 4 = O, em IR. Neste caso:

4 15 -4 +-= ( -)2 +(-)3=(- 2 ) 2+(- 5) =- 121 27 2 3 q2

Ora, -121 não tem raiz quadrada em IR. Logo, a fórmula de Tartaglia, restringida ao corpo IR, não fornece nenhuma raiz da equação neste corpo. E, contudo, esta equação tem 3 raizes reais, que são 4, 2 + V5, 2 - V5, como se pode verificar directamente. NOTA MUITO IMPORTANTE. Alargando o corpo IR, com a introdução dos números imaginários, a fórmula de Tartaglia passa a fornecer as três raízes reais da equação, como veremos adiante. 111.

Seja a equação X3

+ 2x + 2 = O no corpo As

Então

+V(~ ) 2+(~)3=-1+V1+43=4

Ora, como vimos atrás, 4 tem a raiz cúbica 4 (única) em As. Logo, a fórmula de Tartaglia fornece uma raiz da equação, que é _ 2 _ x=4----= = 3 3·4 Contudo, esta equação tem uma outra raiz em As, que é 1. Aliás, pode verificar-se que x 3 + 2x + 2

-1) 2

(x - 3)

(Diz-se, então, que 1 é uma raiz dupla e 3 uma raiz simples da equação.)

141

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J. BEBASTIAQ E SILVA

No entanto, como veremos adiante, a fórmula de Tartaglia fornece também a raiz

1, desde que se alargue de modo conveniente o

corpo As.

22. Criação do corpo complexo. No exemplo 11 do número anterior surgiu-nos uma situação paradoxal: a equação proposta tem 3 raIzes reais e, contudo, a fórmula de Tartaglia não fornece nenhuma raiz (no exemplo 111 observá mos uma situação semelhante em As). Por isso, a fórmula de Tartaglia foi a principio considerada ilusória, destitulda de real interesse (').Porém, BOMBELLI, professor em Bolonha depois de Tartaglia, preferiu adoptar uma atitude construtiva, que se traduziu num golpe audacioso de imaginação criadora: não hesitou em considerar os radicais do tipo A, com A > O, como

V-

representativos de números de nova espécie (a que ele chamava 'quantidades silvestres' e a que chamamos hoje 'imaginários') e em combiná-los, por adição, com os números reais. Assim surgiram os números complexos, isto é, números da forma a + b V - 1, com a, b

I R,

cuja teoria é esboçada no livro 'Algebra' de Bombelli (1752). O objectivo imediato desta teoria era dar validade à f6rmula de Tartaglia, em qualquer caso, quando aplicada a números, Ora, esse objectivo não s6. foi atingido, como também foi largamente ultrapassado: a teoria dos números complexos acabou por ter enorme importância em matemática e encontra hoje constantes aplicações na flsica e na engenharia, nomeadamente em electrotecnia. Assim, podemos dizer que a teoria dos números complexos é

(') Era essa, por exemplo, a opinião de Pedro Nunes, que também não admitia ". ' , . a existência dos números negativos, pÓl'que não havia no seu tempo uma teoria rigorosa dos números relativos (ou números reais). Porém, a rejeição dos números negativos tornava extremamente cornplicado o estudo da álgebra 8; em especial, ' .

a teoria da equaçlo do 2.° grau.

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMPENDIo lJE MATEMATIOA

um subproduto, de altíssimo valor, da teoria algébrica da equação do 3.° grau . . Vamos agora ver como a teoria dos ·números complexos pode ser estabelecida com rigor. O problema que se põe pode serenunciado, com precisão, nos seguintes termos: PROBLEMA.

Construír um corpo (C que verifique as 3 seguín-

tes condições:

1 ) (C cont~m IR, e as operações de adição e multiplicação em (C são extensões das operações homónimas em IR. 2)

A equação x 2 + 1 = O admite, pelo menos, uma solução em (C.

Todo o elemento de (C pode ser representado sob a forma

a + bi, em que a, b são números reais, e i é uma das soluções da equação

x 2 = - 1 (a outra será - i).

A condição 1) também se exprime dizendo: '(C é uma extensão do corpo IR' ou 'IR é um subcorpo de (C'. Para resolver este problema vamos seguir o M~TODO . DO PROBLEMA RESOLVIDO, que consiste em começar por supor que o problema admite, Pêlo menos, uma solução e em deduzir dessa hipótese consequências que acabem por indicar o caminho para construir efectivamente uma solução. Suponhamos, pois, que existe um corpo (C que verifica as condições do problema. Chamar-Ihe-emos 'corpo complexo' e, aos seus

elementos, 'números complexos'. Portanto, segundo a condição 3), cada número complexo será da forma a + bi, com a, b E IR e i 2

o número a será chamado 'parte real' e o número b 'coeficiente da parte ímagínáda' .· (ou' coeficiente de i') do número a + bi.

Por exemplo: 2 + 3i,

i, - 1 + Y2 i, . 5, - 7i .

143

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J. SIiJBASTIAO E SILVA

serão números complexos, que têm como partes reais respectivamente 2, 1, -1, 5, O, e como coeficientes das partes imaginárias respectivamente 3, -2/3, v''2, O, -7. Posto isto, vejamos como se opera com números complexos. a)

IGUALDADE (').

a + bi

Consideremos dois números complexos: a' + b'i, com a, b, a', b'

IR.

Se for a = a' e b = b', tem-se a + bi = a' + b'i, em virtude do 1,o princIpio lógico de equivalência e atendendo a que a adição e a multiplicação são unívocas em (C. Assim: · ' + b" 1 a=a , 1\ b = b' =>a+ b I=a

(1 )

Suponham.:>s agora, reciprocamente, que a + bi = a' + b'i Daqui, atendendo a que (C é um corpo, deduz-se: (a + bi) - (a' + b'i) = O ou seja: (a - a') +(b - b')i = O

(2)

(Porquê?)

Então, se fosse b i= b', seria b - b' i= O, donde:

a-a'

i = b' _ b

( ')

e, portanto

(a -a') b' _ b

=- 1

A palavra igualdade é aqui usada na acepçlo de 'identidade lógica'.

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMPSNnlO n1!J MA'1'SMA'1'IOÁ

Ora isto é impossfvel, visto que :,-_ a~ seria, então, um número

real e não existe nenhum número real cujo quadrado seja -1. Terá de ser pois b = b'. Então de (2) vem: a - a'

Assim, a + bi

ou a = a'

= a' + b'i ~ a = a' 1\ b = b'

a + bi

(3)

= a' + b'j

<:>

e portanto, atendendo a (1),

a = a' 1\ b

= b'

isto é: dois números complexos são iguais, sse têm respectivamente iguais as partes reais e os coeficientes de i. Em particular, se b' a + bi

= a'

= 0,

<:>

tem-se a' + b'i

= a' 1\ b = 0,

= a'

e assim

"fi a, b, a'

IR,

isto é: um número complexo a + bi só é um número real se b = O. Portanto, se b -# 0, o número a + bi não é real: diz-se então que é imaginário. Assim, os números imaginários são os elementos de (C" IR. Em particular, os números da forma bi, com b E IR, tais como i, - 3 i, \1'3 i, etc., chamam-se imaginários puros. b) ADiÇÃO E MULTIPLICAÇÃO. complexos: IX

= a + bi,

Atendendo IX

= c + di

Consideremos dois números

(com a, b, c, d

IR).

que (C é um corpo, tem-se por um lado:

= (8 + bi) + (c + di) = (a + c) + (bi + di) 145

eM D-Io

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

· J. BEBASTIAO te SILVA Portanto:

(4)

(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d) i

Por outro lado:

~ =

(a+ bi) • (c + di) = ac + (ad + bc}i + bdi 2 ,

donde, lembrando que i 2

= -

(a + bi) • {c + di} = (ac - bd) + (ad + bc}i

(5)

Assim, a soma e o produto de dois números complexos

(x,

são calculados segundo as fórmulas (4) e (5).

Por exemplo: (1 + 2i) + (3 + 5i) = 4 + 7i (1 + 2i) (3 + 5i) c)

= (1

SUBTRACçAo.

x 3 - 2 x 5)

+ (1

x 5

x 3)i

= - 7 + 11 i

Sendo um corpo, (C é em particular um

módulo e facilmente se reconhece que a diferença entre dois números complexos a + bi, c + di, é dada pela fórmula

(a + bi) - (c + di)

146

= (a -

c) + (b - d)i

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

COMP~NDto

DB MA'Ni1MA.IJ'IOA

Exemplos: (8 + 5i) - (3 + 7i) = 5 + (-2)i = 5 - 2i 3 - (1 + i) = 2 - i,

,/_

(v 5 -

,/-

i) - ( v 5 - 2i) =

i, etc.

d} NÚMEROS CONJUGADOS. Chama-se conjugado dum número complexo a + bi (com a, b e IR) o número a - ' bi: Por exemplo, o conjugado de 3 + 5i é 3 - 5i, o conjugado de -1 - i é - 1 + i, o conjugado de 3i é -3i, o conjugado de- 5 é -5, etc. Desde logo se reconhece que: I.

Todo o número complexo é conjugado do seu conjugado.

li. Um número complexo ex é conjugado de si mesmo. sse ex é real. 111. A soma e o produto de dois números complexos conjugados são sempre números reais. Mais precisamente: (a + bi) + (a - bi) = 2a 2 b ( a+ bI')(a- b') I =a + 2

}

~ . 't/a.beIR

Por exemplo: (1 + Y3 i) (1 - Y3" i) = 1 + (\13') e)

DIVISÃO.

Consideremos dois números compiexos:

ex = a + bi ' ,

= c + di

(com a, b, c, d e IR)

Como (C é um corpo, existe o quociente de ex por ~I sse ~ '# O Ora, segundo o critério de igualdade, c + di = O sse c= 'O A 'd = O e portanto, pela propriedade da conversão: c + di i: O <:> . C i: OV d i: O. Assim, se c + di i: O, também c - di i: O e, portanto (pg. 45): a + bi (a + bi) (c - di) (ac + bd) + (bc - ad)i c+di (c+di) (c-di) c 2 +d 2 = (c 2 + d 2 )

-1

[(ac + bd) + (bc - ad)i]

147

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J. SEBASif'IÁO

Jij

StLVÀ

Portanto, supondo c + di =F 0, tem-se:

a + bi ac + bd bc - ad -- = - + i c + di c 2 + d 2 C 2 + d 2 Exemplos:

3 + 2i 2 - 5i

(3 + 2i) (2 + 5i) (2 - 5i) (2 + 5i)

- 4 + 19i 4 19 29 =-29+29 i

y'5- i (y'5- i) (- iv'5) i v'5 = (iv' 5) ( - i v' 5) = -

v'5

"6 - i

f) EXIST~NCIA DO CORPO COMPLEXO. Acabámos de ver como se opera sobre elementos dum corpo (C, que verifique as condições 1), 2), 3) do problema posto inicialmente. Mas todas as nossas conclusões se baseiam sobre uma premissa ainda não provada: a de que existe (pelo menos) um corpo que verifica tais condições. Ora, as próprias conclusões sugerem a maneira de construir uma solução: Designemos por (C o conjunto de todos os polinómios em i, de coeficientes reais e de grau não superior a 1, portanto da forma a + bi, sendo a, b números reais quaisquer. t óbvio que tal conjunto existe (ver n . OS 5 e 6) . Simplesmente, em vez de definir a multiplicação como se faz usualmente para polinómios, adoptemos a definição dada pela f6rmula (5), que resulta de juntar a condição i 2 = - 1 à regra usual. Quanto à adição, adoptemos a definição usual, que é dada pela fórmula (4). Então é fácil ver que, com tais definições de adição e multiplicação, o conjunto (C é efectivamente um corpo que verifica as condições do problema ( 1).

( ') Neste caso, é preferlvel chamar 'indeterminada' em vez de 'variável' o slmbolo i (ver pág. 87).

148

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

aOMP1!JNDlO DE MATEMÁTICA

Porém, surge agora outra pergunta:

o problema tem

uma única solução?

Vamos ver que não. Consideremos, por exemplo, o conjunto IR2, que é constitufdo, como sabemos, por todos os pares ordenados (a, b) de números reais, e adoptemos em IR2 as definições de adição e de multiplicação dadas pelas seguintes fórmulas: (a, b) + (c, d) = (a + c, b + d)

(6)

('V a, b, c, de IR)

(a, b) • (c, d) = (ac - bd, ad + bc)

Não oferece dificuldade verificar que, com estas definições, IR 2 é um corpo [prove, por exemplo, que (O, O) é o elemento nulo, que (1, O) é o elemento unidade, que a multiplicação é distributiva, e que todo o elemento não nulo de IR 2 é regular]. Mais ainda: vamos provar que este corpo é isomorfo a qualquer corpo (C que verifique as condições do problema. Seja f a aplicação x+iyV(X,y)

, com x,yelR

Facilmente se reconhece que f é uma aplicação biunlvoca de (C sobre IR2 (prove). Além disso, f respeita a adição e a multiplicação; com efeito, quaisquer que sejam a, b, c, d e IR, tem-se: f [(a + bi) + (c + di)] = f[(a + c) + (b + d)i]

= (a

+ c, b + d)

= (a, b) + (c, d) = f(a + bi) + f(c + di)

f[(a + bi) • (c + di)]

= f[(ac

(ac - bd, ad + bc) = f(a

- bd) + (ad + bc)i]

= (a, b) • (c, d)

+ bi) • f(c + di)

Por conseguinte, f é um isomorfismo entre os corpos (C e IR2.

149

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. 8EBA8TIÃO E 8ILVA

Em particular, f transforma cada número real a no elemento (a, O) de IR 2. Portanto: A restrição de f ao subcorpo IR de (C é um isomorfismo de IR sobre um subcorpo IR- de IR2. Esta situação é descrita pelo diagrama seguinte:

f _ - -__

Deste modo, os corpos IR· e IR têm a mesma estrutura e podemos, portanto, considerá-los como sendo o mesmo corpo (a menos de um isomorfismo) identificando cada elemento (a, O) de IR- com o elemento a de IR. Feito isto, já podemos afirmar que IR 2 verifica a condição 1). Por outro lado, f faz corresponder a i o elemento (O, 1) de IR 2 e, deste modo, como era de esperar, IR2 verifica também a condição 2): (0,1)2 = (0,1)- (0,1) = (-1,0) ou seja (0,1)2 =-1

visto que já identificámos (-1,0) com -1. Finalmente tem-se, quaisquer que sejam a, b

IR:

(a,b) = (a, O) + (O, b) = (a, O) + (b, O) (0,1) ou seja (a. b) = a + bi, visto que identificámos (a, O) com 8, (b, O) com b e (0,1) com i. Assim, IR 2 verifica também 8 condição 3).

150

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMP1JJNDlO DE MATEMATIOA

Em conclusão: o conjunto IR 2, com todas as convenções adop-

tadas, é também uma solução do problema. Havemos ainda de encontrar mais tarde outras soluções do problema; na verdade, este admite uma infinidade de soluções. Simplesmente, o raciocínio anterior mostra o seguinte:

Todas as soluções do problema são isomorfas ao corpo IR2 considerado e, portanto, isomorfas entre si. Por outras palavras: o corpo complexo existe e é cleterminado a

menos de um isomorfismo (').

Assim, o que interessa no corpo complexo não é propriamente o MATERIAL com que o construímos, isto é, a natureza dos entes a que convencionámos chamar 'números complexos', mas sim a sua ESTRUTURA, isto é, o conjunto de propriedades formais que caracterizam esse corpo.

Em conformidade, daqui por diante, ao tratar do corpo (C

abstrai~

remos, em geral, da natureza dos seus elementos, para só atender às regras de cálculo que são válidas em (C. Para ver até que ponto a natureza dos elementos é aqui secundária, basta observar que, no mesmo conjunto IR 2, poderíamos definir a adição e a multiplicação por meio das fórmulas:

(a, b) + (c, d)

= (a + c,

b + d)

} ... a. b. c. d E IR (a, b) • (c, d)

= (ac, bd)

(1) Deste modo, os números imaginários têm existência tão real como os números reais, ao contrário do que podem sugerir as designações 'número real' e 'número imaginário'. Na verdade, estas designações foram introduzidas historicamente, porque, a principio, se admitia, de certo modo, que só os números reais existiam efectivamente.

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J. SEBASTIÃO E . SILVA

~ fácil ver que, com estas definições, IR 2 passa a ser um anel

comutativo, mas não um corpo, pois tem divisores de zero; por exemplo: (3, O) • (0,5)

= (O, O),

sendo (3, O) =ft (O, O) e (0,5) =ft (O, O)

Portanto, a estrutura deste anel já não é a do corpo complexo, apesar de os seus elementos serem exactamente os mesmos que no caso anterior. Mas só nesse caso - isto é, adoptando as definições (6) e identificando cada par (a, O) ao número real a - é lícito chamar 'números complexos' aos elementos de IR2.

23. Representação geométrica dos n6meros complexos. Já vimos como uma das possíveis concretizações do corpo (C pode ser dada pelo conjunto IR 2. Por outro lado, já é sabido como se estabelece uma correspondência biunívoca entre os elementos de IR 2 e os pontos do plano cartesiano. AS6im, resulta automaticamente definida uma correspondência biunivoca entre os números complexos 9 os pontos do plano cartesiano: a cada número complexo a + bi, que podemos identificar com o par ordenado (a, b) de números reais, corresponderá o ponto do plano que tem por abcissa e por ordenada respectivamente a e b (parte real e coeficiente da parte imaginária do número a + bi). Tal ponto será chamado a imagem geométrica (ou o afixo) de a + bi.

b--------------,a+bi I I I

I I i I I

152

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OOMPIlNDIO DE MATEMATIOA

(Como exercicio, represente geometricamente os números 3 + 5i,

-2

+"2 i, 3-5i, -3,

_ '/2, i, - 3i).

Veremos no 7. 0 ano como os números complexos podem também representar operadores sobre vectores do plano.

essa, aliás,

a interpretação dos números complexos mais usada nas aplicações

à física, à electrotecnia, etc. (Para já, pode-se ver Compêndio de Algebra, 6. 0 ano, págs. 87 ~91 ) ( 1 ).

EXERCfclOS - Além dos que são propostos no referido Compêndio, interessa resolver os três seguintes: ,,, 1 1 .v3 Prove que os numeros ,- - + 1 - ,

,,.v3

- _. - 1 -·-

f ormam

um grupo multiplicativo isomorfo ao grupo das potências de

3 11. Prove que os números 1, i, -1, -i são raizes de índice 4 de 1 e formam um grupo multiplicativo isomorfo ao grupo das potências

2 3 4) 3

,,111.

Prove que as potências de expoente inteiro de

~ 2

1 +- i

formam um grupo multiplicativo isomorfo ao módulo H (Bailado das Horas) e que todas são raízes de indice 12 de 1. (Sugestão: pondo

\13 1. = 6, comece por ven'f'Icar que 6 3 = I' e que portanto 6 4 = 10, • - + -I 2

0 6 = iO 2, etc.). Represente graficamente as referidas potências de O.

( ')

Ver nota da pág. 48.

JSJ

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24. Equações quadr6ticase equações cúbicas no corpo complexo. É fácil ver que:

Todo o número negativo tem duas (e só duas) raizes quadradas que são números imaginários puros, simétricos entre si. Com efeito, seja -a um número negativo. Então a é um número positivo e, por isso, tem uma (e uma só) raiz quadrada positiva, que se designa por Va. Nestas condições, i Va e -i Va são imaginários puros e tem-se

(i Va) 2

=i2

•

(va-) 2

= - a,

( -i Va)2

= ( - i) 2

•

(Va)2 = - a,

o que mostra que tanto i Va como - i Va são raizes quadradas de - a; e já sabemos que, num corpo, um elemento não pode ter mais de duas raIzes quadradas (pág. 104). t: a primeira destas raizes quadradas de - a que convencionaremos designar pelo simbolo V - a:

v=a = i Va

(a> O)

Por exemplo, as raizes quadradas de -1 são i e -i; as raizes quadradas de -9 são 3i e -3i; as raizes quadradas de -3 são i V3 e -i V3, etc.; e escreveremos: V=l = i, V-4 = 2i, V-3 = V3 i = i V3, etc. • Posto isto, consideremos uma equação quadrática (1 )

ax 2 + bx + c

de coeficientes a, b, c reais (a '# O). Já vimos que uma tal equação só tem raizes reais, sse o seu discriminante, 1!1 = b 2-4ac, for ~ O. Se ll. < O, a equação não tem raizes reais, porque ll. não tem raiz quadrada em IR. Mas acabámos da ver que, nB8te caIO, ll. tem duas

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OOMPIlNDIO DE MATEMÁTIOA

raizes quadradas em .(C, que são números imaginários ·puros. Assim, a equação (1) passa ater, neste caso, duas raízes em (C, -b+\IX X 1 = --2-a--'

-b-Vir

x 2 = -----'2a

que são números imaginários, visto que \IX é um imaginário puro e a, b são números reais. Seja, por exemplo, a equação

x 2 - 2x + 5 = O Aplicando a fórmula resolvente simplificada, tem-se

x = 1 + V1- 5 = 1 ± V - 4 = 1 + 2i A equação tem, pois, duas rarzes imaginárias conjugadas, 1 + 2i e 1 - 2i. Em resumo:

Uma equação quadrática de coeficientes reais tem duas reais distintas, uma raiz real dupla ou duas raIzes imaginárias conjugadas, conforme o seu discriminante é maior que zero, igual a zero ou menor que zero. TEOREMA.

Suponhamos, agora, que os coeficientes da equação (1) não são todos reais. Continuará a ser resolúvel em (C? A resposta é afirmativa. Com efeito, demonstra-se em matemática superior o seguinte teorema, conhecido por 'TEOREMA DE D'ALEMBERT':

Toda a equação algébrica de grau n > 1, cujos coeficientes são números complexos, tem pelo menos uma raiz em (C (qualquer que seja n> 1). No sétimo ano demonstraremos este teorema no caso particular das equações binómias:

V' n E IN, V'« E (C,

3 Z E (C: zn

=« 155

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J. SEBASTIAO E SILVA

Mais precisamente, provaremos que qualquer que seja n E IN um número complexo ex diferente de zero tem n (e só n) raIzes de Indice n distintas; e veremos como se determinam essas rafzes (o

número O continua a ter em (C uma única raiz de fndice n que é O) (1). Por exemplo, o número 1, que tem uma única raiz cúbica IR (que é 1), passa a ter 3 raízes cúbicas em (C. Com efeito, z3-1 é divisfvel por z-1; o quociente pode ser achado pela regra de RUFFINI:

1 1

O 1

-1 1

Será, pois, z3-1 _ (z-1) (Z2 + z + 1) e assim:

Z3 -

1 = O <:> (z - 1) (z 2 + Z + 1) = O

Ora a equação z 2 + Z + 1 = O tem ·duas raízes imaginárias que

\1'3, - -1- .1 y'3 P ., 'b' J'á sa bemos ac har: - -i+.I - . ortanto, as raizes cu Icas 2 2 2 2 de 1 (ou sejam as rafzes da equação Z3 - 1 = O) no corpo (C são:

1 y'3 1, - - + i - ,

1 y'r3 - - -i-o

Designemos a segunda por e. Pode verificar-se directamente que e2 dá a terceira raiz e que e3 = 1 (faça os cálculos). Assim, se

(') Se n = 2, o cálculo pode fazer-se muito facilmente aplicando a teoria da equaçlo do 2. 0 grau (ver Comp6ndio d6 Álg6b,s, 7. 0 ano, Capo XVI, n. o 14, p6ga. 129-131). - (Ver nota da p6g. 48 - N. do E.).

1$6

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMpSNDIO DEMA'PÉMA'1'IOA

representarmos por V'~ uma das raizes cúbicas de um número complexo rt., as outras serão e; V'~ e e;2 V'~, visto que (e; V'oc) 3 = e; 3 (V'~)3 = 1 • rt. = rt. (e; 2 V'~) 3 = e;8 (iY~)3 = 1 • rt. = rt.

Consideremos, agora, uma equação cúbica da forma x 3 + px + q

(2)

= 0,

sendo p, q números complexos quaisquer. Pelo que vimos atrás (n.o 22), a fórmula de Tartaglia

x = V'oc - 3

;~,

com rt. = -

J(~ )

(~) 3

fornece, pelo menos, uma raiz da equação (2), desde que exista, pelo menos, uma raiz quadrada de q2J4 + p3J27 e, pelo menos, uma raiz cúbica de rt.. Ora, já sabemos que esta condição se verifica sempre em (C. Logo, a fórmula de Tartaglia fornece, pelo menos, uma solução em (C. Mais ainda: fornece as três soluções. Com efeito, designando por V'~ uma das raízes cúbicas de rt., as outras serão, como vimos, e;V'~ e e;2 V'~, e as três acabam por dar todas as soluções de (2), que não pode ter mais de 3 raízes distintas. Tornemos ao exemplo da equação x 3 -15x - 4 (ex. 11 do n. O 22). Neste caso, podemos agora tomar

rt. = 2

+ V-121

= 2

+ 11 i

Ora, uma das raízes cúbicas de rt. é 2 + i, como se pode ver:

+ i) 3

= (2

+ i) 2 (2 + i) = (3 + 4i) (2 + i) = 2 + 11 i

157

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. 8EBA8TIAO E 8/Ll'A

Então, a fórmula de Tartaglia dá;

= 2 + i + 2 + i = (2 + i) + (2 -

Outra raiz cúbica de a será: (2 + i) (-

~ + i,?) = (-1 - ~3) + i(V3- ~)

e a fórmula de Tartaglia dá agora:

3) . (. ,1) ( 2 2

x= ( -1- V

v3-

-1- V

3) .(. ,- 21) 2. ',-I

v3-

=- -v3

A terceira raiz é obtida de modo análogo:

Assim, observamos este facto extremamente curioso:

Embora as três raIzes da equação proposta seíam reais, é necessário sair do corpo real para que a fórmula de Tartaglia forneça as três raIzes. Porém, a intervenção dos números imaginários aqui é puramente . intermediária: a fórmula fornece cada uma das raIzes como soma de dois números coníugados, e assim as duas partes imaginárias acabam por desaparecer. Tal fenómeno repete-se todas as vezes que as três raizes são reais - e é este precisamente o caso (chamado 'caso irredutive/') em que a intervenção dos números imaginários é necessária para obter soluções reais. Situações análogas se observam em vários dom/nios da matemática, pura ou aplicada: o caminho mais curto para obter soluções reais passa, muitas vezes, pelo campo imaginário. Nesses casos a teoria dos números complexos funciona como formslismo auxiliar, isto é, 158

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

COMP1hNDlO DE MATEMÁTICA

como artiflcio engenhoso de cálculo, para obter resultados, que -de outro modo seria difícil ou muito trabalhoso encontrar ('). Mas casos há em que a intervenção dos números imaginários não é apenas um meio, um processo de cálculo: muitas vezes os

resultados finais dos problemas são números imaginários susceptlveis de interpretação concreta (geralmente como operadores sobre vectores do plano).

25.

Imaginários de Galois-.

Consideremos, novamente, a

equação:

(1 )

+ 2x + "2

O no corpo A 5'

Como vimos (n. o 22, ex. 3) tem-se, neste caso:

~=- ~ Mas, como

V(~)

+ (~) 3 =4

tem apenas uma raiz cúbica em A 5' que é

fórmula de Tartaglia dá apenas uma raiz da equação:

_ = 4x-

"2 3x4

A fórmula não dá a outra raiz

__ _ =4-1 = 3

Cf,

dupla), por que a equação

(') Numa espécie de calão, os investigadores matemáticos costumam chamar 'truques' a tais artificioso Mas, aqui, a palavra 'truque' não tem de modo nenhum sentido pejorativo. Pelo contrário, grandes progressos da ciência se devem a tais truques.

159

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. SEBASTIAO E SILVA

bin6mia z3-4 = O admite apenas uma raiz em A5' que é 4. Eliminemos essa raiz pela regra de Ruffini:

-4

Então, virá: z3-4 = (z-4) (z2+4z+f). A origem do fen6meno está no facto de a equação z2+4z+1 não ter solução em A5' Com efeito, o seu discriminante

não tem raiz quadrada em A5' Mas também os números negativos

não tinham raiz quadrada e nós conseguimos que passassem a tê-Ia, ampliando o corpo real com a adjunção de números imaginários. Porque não proceder de modo análogo agora? A situação é muito semelhante. Pretende-se construir um corpo K que verifique as seguintes condições: 1)

K é uma extensão do corpo A 5'

A equação x 2

2 tem, pelo menos, uma solução em A5'

Todo o elemento de K é da forma a + bj, em que a, b são elementos quaisquer de A 5 e j é uma das raízes da equação x 2 = 2. 3)

Uma solução do problema é constituída, precisamente, por todos os polin6mios lineares em j

a + bj de coeficientes a, b em A 5' com a definição usual de adição e com a definição de multiplicação dada pela seguinte fórmula: (a+bj) (c+dj) = ac + (ad + bc)j + bdj2 = (ae + 2bd) + (ad + be)j,

160

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMPSNDlO DE MATEMATIOA

que resulta de juntar a condição j 2 = 2 à definição usual. Qualquer outra solução do problema é isomorfa a esta.

Uma outra solução será dada pelo conjunto tes definições: (a, b) + (c, d) (c, b) • (c, d)

A:,

com as seguin-

(a+c, b+d)

= (ac + 2bd,

ad + bc)

identificando-se (1,0) a "1 e (0,1) a j. Como j passa então a ser uma raiz quadrada de

2 em

K (sendo

a outra -j) podemos designar j por V2. O novo corpo, K, poderá ser designado por A 5 (j) ou por A 5 (V2). 1: fácil ver agora que a equação Z2

+ 4z + '1

admite, neste corpo, as duas soluções Z1

3 + 3j ,

:3 - 3j

que são portanto, juntamente com 4, as raízes cúbicas de 4. em As(j) Ora, utilizando estas três raízes cúbicas de 4, a fórmula de. Tartaglia já fornece as raízes 3 e"1 da equação (1), existentes em A 5 , como se pode verificar. Vejamos outro exemplo. A equação x3

4. = O

não tem solução nenhuma em A 7 , como se pode verificar. Mas nós podemos construir um corpo K tal que: 1)

K é uma extensão do corpo A 7'

A equação x 3 =

Cada elemento de K é da forma a + b6 + c6 2, sendo a, b, c

tem, pelo menos, uma solução em K.

161 CMU-u

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. 8EBAB1'1Á.O

1JJ SILVA

elementos arbitrários de A 7 e O uma das raIzes da equação

x 3 = 4 em K. Uma das soluções do problema é constitulda precisamente pelos polinómios em O de grau ~ 2: a + bO + c6 2

com a, b, c E A 7

com e definição usual de adição e com a definição de multiplicação dada pela fórmula: (a + b6 + c( 2 ) • (a' + b'O + C'(2) = aa' + (ab' + a' b)e +

+ (ac' + a' c + bb')e 2 + (bc' + b'C)03 + CC'04 = = (aa' + 4bc' + 4b'c) + (ab' + a'b + 4cc')0 + (ac' + a'c + bb')O 2 que resulta de juntar a condição 0 3 = 4 à definição usual de produto de polin6mios. Uma outra solução será constitufda pelo conjunto com as definições:

(a,b,c) + (a',b',c') (a,b,c) • (a',b',c')

= (a + a', b + b', c + c')

= (aa' +4bc' +4b'c,ab' +a'b+4cc',ac' +a'c+bb')

Mas todas as soluções serão isomorfas entre si. Os elementos com os quais são ampliados os corpos Ap, por processos análogos aos anteriormente indicados, chamam-se imaginários de Galois. Por processos semelhantes a estes é sempre posslvel ampliar um corpo K de modo que uma dada equação imposs(vel em K passe a ter solução no novo corpo; este poderá ser sempre constitu (do por uma potência cartesiana de K, com definições adequadas de soma e de produto. J: claro que, se K for finito, qualquer potência K", com n E IN, será também um conjunto finito e, assim, o novo corpo ser6 também finito (campo de Galois).

161

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMPSNDlO DE MA1!EMA1!IOA

26. Produtos de factores lineares; f6rmula do bin6mio. Consideremos n expressões

em que X,X 1' ... ,Xn são variáveis num anel comutativo A. ~ fácil ver que se tem:

Para desenvolver o produto (x+x 1) (x+x 2) (x+x 3), bastará multiplicar o resultado anterior por x+x 3: X2 + (x 1 + x 2)x + X1X2 x+ x 3 X3 + (x 1 + X2)X 2 + (X 1X2)X x 3 X2 + (X 1X3 + X2X3) x + X,X 2X3

Assim: (x + x,) (x + x 2) (x + x 3) = X3 + 5 1x 2 + 5 2x + 53 em que 51 = x, + x 2 + x 3' 52 = x,x 2 + X1X3 + X2X3' 5 3=X 1X2X3 Analogamente, se obtém:

em que 5,=X,+X 2+X 3+X 4 52=X,X2+X,X3+X,X4+X2X3+X2X4+X1X4 53=X,X2X3+X,X2X4+X,X3X4+X2X3X4 5 4=x,X 2X3X4

163

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. SEBASTIAO E SILVA

Somos. assim. levados a admitir. por indução. que se tem. para qualquer n E IN:

em que 5, é a soma das variáveis x ,.x 2' .... xn• 52 a soma de todos os produtos distintos destas variáveis duas a duas. 53 a soma de todos os produtos distintos destas variáveis três a três, e assim por diante. até Sn que é x,x 2 ... xn. A fórmula (1) escreve-se abreviadamente (1')

onde Sp é a soma dos produtos distintos das varáveis x,.x 2 •. . . xn tomadas p a p (se p=2.3•...• n-1); em particular

5 0 =1. A fórmula (1) ou (1') pode ser demonstrada pelo M ~TO DO DE INDUÇÃO MATEMÁTICA. de que trataremos no 7.° ano. Visto que estes cálculos são referidos a um anel comutativo A. é fácil ver que existe uma correspondência biunlvoca entre os produtotos das variáveis x ,.x 2' ...•Xn tomadas p a p e as combinações das mesmas variáveis p a p. (Porquê 1) Logo o número desses produtos é (~). Suponhamos, agora. que cada uma das variáveis é substitulda por uma única variável a (no anel A). Então: 1)

Cada um dos produtos dessas variáveis p a p tranforma-se

em aP. 2)

Sp transforma-se em (~)ap. n

fi k=1

164

(X+Xk) transforma-se em (x+a)n.

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMP~NDIO

DE MATEMATIOA

É fácil ver que as conclusões 2) e 3) são válidas para todo o

p=O.1 •...• n. e todo o nelN. Por conseguinte. de (1) vem (x+a)n=xn+nxn- , + (n)a 2xn- 2+ ... + na n- 'x+a n

(2)

ou seja. em notação mais rigorosa, correspondente a (1'):

(2')

(x+a)n

n l; k=o

"r/nelN

É claro que esta fórmula (habitualmente chamada FÓRMULA DO BINÓMIO ou FÓRMULA DE NEWTON) traduz uma equivalência

formal entre os dois membros.

Das fórmulas (1) ou (1') é fácil deduzir. atendendo à regra dos sinais: (3)

(x-x,) (x-x2) ... (x-xn)-=xn_S,xn-'+S2xn-2_ ... +(-1)n Sn,

ou seja, em notação mais precisa: n

(3')

(x-x)()=

k=1

n ~

p=o

(-1 )PSpxn-p

onde o srmbolo Sp mantém o significado anterior. Daqui, por sua vez, deduz-se: (4)

(x-a)n=xn-naxn-'+ ... +(-1)P(~)apxn-p ... +(-1)nan, ou, mais

precisamente: n

(x-a)n

l; (-1)p(n)aPxn-p p=o

Para exemplos e exercícios sobre a fórmula do binómio, ver Compêndio de Algebra, 7.0 ano ('). (')

Ver nota da pág. 48.

165

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SEBASTIÃO E SILVA

27.

Decomposiçio dum polin6mio em factores lineares; relações entre as raizes e os coeficientes do polin6mio.

Consideremos um polin6mio de grau n> O:

Designemos este polin6mio por P(x) e suponhamos que ao, a 1.... an são números complexos quaisquer (reais ou imaginários, com ao:1: O). Segundo o teorema de D'Alembert (n. o 25) este polin6mio tem, pelo menos, uma raiz em (C. Seja x, uma tal raiz; então P(x) é divisível por x-x" isto é, existe um polin6mio P, (x) de grau n-1, tal que P(x)=(x-x,)P, (x) Ora, se n-1 >0, o polin6mio P, (x) tem, pelo menos, uma raiz x 2 em (C (porquê?) e, portanto, existe um polin6mio P 2(X) de grau n-2 tal que P,(x) = (X-X 2)P 2 (X), donde P(x)=(x-x,) (x-x 2)P 2(X) Raciocinando deste modo, sucessivamente, chega-se à conclusão de que existem números complexos, x"x 2 , ... ,xn tais que

onde Pn{x) é um polin6mio de grau n-n=O. Mas, segundo a regra de Ruffini, o coeficiente do primeiro termo dos sucessivos polin6mios P, (x),P 2(X), ... ,Pn{x) será sempre ao. (Porquê?) Logo, sendo Pn(x) de grau O, este polin6mio reduz-se à constante ao e assim

166

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMP2NDIO DB MATBMATIOA

ou seja, mais precisamente:

n ~

(1 ')

apxn-P=ao II (X-Xk)

p=O

k=1

Assim, o teorema de D'Alembert conduz ao seguinte TEOREMA:

Todo o polinómio de coeficientes no corpo (C admIte

uma decomposição em factores lineares, do tipo (1) [ou (1 ')

l, sendo

ao,x 1 ,x 2'·· .,Xn números complexos.

claro que, segundo o PRINCIpIO DE DECOMPOSIÇAo,

x"x 2, ... ,xn são as únicas raízes que o polin6mio pode ter em (C. Alguma dessas raizes pode aparecer repetida na decomposiçAo: chama-se ordem de multiplicidade de uma raiz o número !.I. de vezes que essa raiz figura na decomposição; a raiz diz-se simples se !.I.=1. e múltipla se !.I. > 1 (dupla se !.I. = 2, tripla se !.I. = 3, ... ). Notemos agora que, aplicando af6rmula (3') do número anterior, se deduz de (1 ') : n ~ (-1 )PaoSpxn-p

p=o

Mais precisamente: os dois membros desta Igualdade representam o mesmo polinómio. Portanto: 8p=( -1 )PaoSp, donde:

(2)

Sp=(-1)

ap --f

para p=1,2•... ,n

167

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J. SEBASTIAO E SILVA

São estas as fórmulas que relacionam as raIzes de polinómio P(x) com os seus coeficientes. Em particular:

Já tlnhamos encontrado estas fórmulas no caso particular n=2 (equação do 2.° grau). EXEMPL05:

I. 5eja o polinómio 3x 4 -3x 2-6. Para achar as suas rarzes \ podemos recorrer a um truque muito simples que consiste em pôr x 2=y. Então o polinómio dado transforma-se no polinómio do 2.° grau 3y2-3y-6, cujas raízes são y 1 =2, y 2=-1. Assim, é fácil ver que as raIzes do polinómio dado são as raízes quadradas de 2 e de -1: x 1 = '12,

x 2 = - '12,

x 3 = i,

x4 = - i

Portanto: (1)

3x 4 -3x 2-6 = 3(x-'12) (x+ '12) (x-i) (x+i)

Diremos que os números V2, -'12, i, -i, são todos raízes simples do polinómio dado, porque cada um deles figura uma única vez na decomposição (1). ~ fácil ver que neste 5 1 =0, 5 2 =-1, 5 3 =0, 5 4 =-2. 11 5eja o polinómio 4x 4 -8x 2+4. Por um truque análogo ao anterior, este transforma-se no polinómio 4y2-8y+4, que admite a raiz dupla 1, isto é: 4y2-8y+4=4(y-1) 2. Então é fácil ver que

168

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

aOMP1J1NDIO DE MATEMATICA

Diremos que 1 e -1 são raízes duplas do polinómio dado, porque cada uma delas figura duas vezes na decomposição. Neste caso, tem-se:

111. Seja o polinómio x 4 -3x 3+3x L x. J: fácil ver que

Diremos, então, que O é uma · raiz simples e 1 uma raiz tripla do polinómio: a primeira figura uma só vez e a segunda figura 3 vezes na decomposição. Neste caso, temos S, =3, S 2 =3, S 3=1, S 4 =0.

28. Principios das identidades; factorização dum polin6mio num corpo qualquer. Consideremos, agora, um corpo K qualquer. TEOREMA. Um polinómio de grau n superior a zero não pode ter mais de n raízes diferentes em K. Demonstração:

Seja P(x) um polinómio relativo a K, de grau n> O, e suponhamos que P(x) tem, pelo menos, n raízes diferentes, x" ... ,xn, em K. Então existe um polinómio P, (x) relativo a K, de grau n-1 i tal que P(x) = (x-x,)P,(x)

(Porquê?)

Ora, supondo n> 1, tem-se P(X 2)=(X 2-x,)P,(x 2)=O (porquê?) e como x 2 ,p x" por hipótese, segue-se que P, (x 2) = O. (Porquê?) Logo, existe um polinómio P 2 (x) relativo a K, de grau n-2, tal que (Porqu6?)

169

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I. BBBASTIAO E

Raciocinando assim, número anterior, que

SILV~

sucessivamente,

conclui-se,

como

em que ao é o coeficiente do termo de grau nem P(x). Seja, agora, c um elemento de K diferente dos elementos x" ... ,Xn. Então, como ao =1= O (porquê 1) tem-se: P(x) = ao(c-x,) (c-x 2) ... (c-xn )=I=O

(Porqu{J?)

Por conseguinte, P(x) não pode ter em K mais do que n raIzes distintas, x 1, X2, ... , Xn Daqui se deduz como corolário o seguinte PRINCrPIO DAS IDENTIDADES: Se dois polinómios em x, relativos li K, de grau não superior a m, tomam o mesmo valor para mais de m valores da variável x em K, esses polinómios são idêntico, (6, portanto, equivalentes). Demonstração:

Se A(x) e B(x) são dois polinómios de grau não superior a m, podemos escrevê-los sob a forma A(x)

=aoxm + a ,xm- 1 + ... + am-1X + amo

B(x)

= boxm + b,xm- 1 + ... + bm- 1x + bm.

iem ser necessariamente ao =1= O, bo =1= O. Suponhamos que estes polinómios tomam o mesmos valor para mais de m valores de x em K. Então, o polinómio P(x)

= (ao -

bo)x m + (a 1

b 1 )xm- 1 + ... + (am-bm)

tem grau não superior a m e anula-se para mais de m valores de x em K. Ora, segundo o teorema, isto é imposslvel se o grau do polinómio P(x) fosse >0. Logo, o grau de P(x) é zero, isto é: 80 -

170

bo = O, a, - b,

= O,

... ,

8m-' -

bm-,

= O,

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OOMPIlNDlO DB MATEMATIOA

e, sendo assim, também terá de ser am - bm = 0, de contrário P(x) não se anularia para nenhum valor de x. Portanto 80 = b o, a, = b 1, ••• , am = bm, o que significa precisamente que os polinómios A(x) e B(x) são idênticos. COROLÁRIO.

Se o corpo K é infinito, dois polinómios relativos

a K que sejam equivalentes são necessariamente idênticos. Com efeito, sejam A(x) e B(x) dois polinómios relativos a K e suponhamos que · K tem uma infinidade de elementos (por exemplo K=(Q, K= IR oU K=(C). Então,seA(x) e B(x) são equivalentes, tomam o mesmo valor para uma infinidade de valores diferentes de x em K (porquê 1) e, portanto, para um número de valores superior aos seus graus. logo, segundo o PRINCrPIO DAS IDENTIDADES, são idênticos.

Note-se que este corolário não é válido se K é finito. Por exemplo, em As os polinómios Xs

+ 2x 3 -1 e . 2x 3 + X - 1

são equivalentes (como se pode verificar) e, contudo, não são idênticos.

Note-se, ainda, que os teoremas agora demonstrados são independentes do teorema de D'Alembert (que diz respeito só 80 corpo (C) . • Diz-se que um polinómio A(x) relativo a K é completamente

resolúvel em K, quando admite uma decomposição em factores lineares em K, isto é, uma decomposição do tipo P(x) = ao (x - x,) (x - X2) ... (x - xn), em que 80 é o coeficiente do termo de grau n de P(x) e x" X 2, ... ,X" são elementos de K, raizes de P(x). Nesta hipótese, pode acontecer, em particular, que alguma destas raizes apareça repetida (raiz múltipla), mas em qualquer caso é fácil reconhecer que o polinómio não admite

111

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J. BEBABTIAO E BILVA

outras raizes em K. Também se prova que o número de vezes que cada raiz aparece numa tal decomposição (chamado ordem de multipli-

cidade da raiz) é determinado, isto é, não depende do modo como se chega à decomposição. Uma raiz diz-se simples se a sua ordem de multiplicidade é 1. Finalmente, prova-se em matemática superior o seguinte teorema:

Qualquer que seja o corpo K, é posslvel construir, para cada polinómio P(x) de coeficientes em K, um corpo K,' extensão de K, tal que P(x) seja completamente resolúvel em K'. Os corpos mlnimos que verificam esta condição são todos isomorfos entre si.

29. Resolubilidade alg6brica e resolução num6rica de equações alg6bricas. Vimos, atrás, que existem fórmulas resolventes para equações quadráticas e equações cúbicas, as quais permitem calcular todas as raizes da equação por meio de um certo número de operações - subtracções, multiplicações, divisões e extracções de raiz - efectuadas a partir dos coeficientes da equação (em corpos de caracteristica diferente de 2 e de 3, em que a equação seja completamente resolúvel) . Exprime-se este facto dizendo que a

equação geral do 2. 0 grau e a equação geral do 3. 0 grau são resolúveis algebricamente (ou resolúveis por meio de radicais); e prova-se que a equação geral do 4. 0 grau também é resolúvel algebricamente (nos referidos corpos). Em principios do século passado, o matemático norueguês NIELS ABEL demonstrou que a equação geral do 5. 0 grau não é resolúvel algebricamente. Há, no entanto, tipos particulares de equações algébricas, mesmo de grau superior ao quinto, que são resolúveis algebricamente como, por exemplo, os seguintes:

172

(1)

ax 2 P+bxP +c=O

(2)

ax 3p + bx 2p + cx P + d

(3)

ax 4 P + bx 3 p + cx 2 P + dxP + e = O

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

VOMp-SNDIO DE MATEMA'1'IóA

Com efeito, pondo xP = V, a primeira reduz-se à equação do 2.° grau av2+bv+c=O e facilmente se reconhece que as suas soluções são dadas pela fórmula P -

.p /

x=VV=V

b+ vb 2 -4ac 2a

Já no número anterior vimos exemplos de equações deste tipo, com p=2: ax 4 +bx 2 +c=O

(chamam-se equações biquadradas)

Para as equações dos tipos (3) e (4) as considerações são análogas. Surge, assim, o problema: Saber se um dado tipo de equações algébricas é ou não resolúvel por meio de radicais e achar a correspondente fórmula de resolução algébrica no caso afirmativo. A resolução deste problema encontra-se na ditrcil teoria da resolubilidade algébrica de GALOIS, a que já temos feito referência. São subprodutos importantíssimos desta teoria os conceitos degrupo e de corpo, que têm numerosas aplicações em vários ramos da matemática e da física. Na prática, quando é dada uma equação algébrica de grau superior ao segundo, cujos coeficientes sejam números, prefere-se geralmente recorrer a certos métodos de aproximações excessivas que permitem calcular as raízes com o grau de aproximação que se desejar. Esses métodos são quase sempre muito trabalhosos quando não se dispõe de boas máquinas de calcular. Porém, um computador electrónico potente permite efectuar, com grande rapidez, os cálculos exigidos por esses métodos: por exemplo, as raizes duma equação do 6.° grau poderão ser então calculadas em média num minuto, com 12 algarismos exactos (partes reais e coeficientes de i no caso das raizes imaginárias).

173

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I. SBBABTIAO B SILVA Tais métodos, que se estudam em matemática superior, são chamados métodos de resolução numérica e fazem parte dum ramo da matemática moderna que tem tomado grande incremento com o uso dos computadores electrónicos: a ANÁLISE NUM!:RICA.

30. Exemplo de um anel não comutativo (a álgebra dos quaterniões). A álgebra dos quaterniões é um primeiro exemplo histórico de anel não comutativo, introduzido pelo grande matemático e físico irlandês HAM I LTON, do século passado, que aplicou essa estrutura em várias questões de mecânica e de electromagnetismo. Consideremos o seguinte problema:

Construir um anel IH que verifique as seguintes condições: IH contém IR, e a adição e a multiplicação em IH são extensões das operações homónimas em IR. 1)

2) Existem três elementos i, j, k de IH tais que: i2=j2=k 2 =-1 ij=k, jk=i, ki=j ji=-k, kj=-i, ik=-j 3)

Todo o elemento de IH é da forma a+bi+cj+dk, com a,b,c,d

a+bi+cj+dk=O => a=b=c=d=O, 'v'a,b,c,d,

IR.

Mais uma vez podemos seguir o M!:TODO DO PROBLEMA RESOLVIDO: suponhamos que existe um anel IH nas referidas con-

174

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

dições. Então é fácil ver que, sendo a,b,c,d números reais quaisquer, se tem: a+bi+cj+dk = a'+b'i+c'j+d'k, sse a=a' /\ b=b' /\ c=c' /\ d=d', (a+bi+cj+dk)+ (a' +b'i+c'j+d'k) = (a+a') + (b+b')i+(c+c')j+(d+d')k, (zl+bi+cj+dk) (a' +b'i+c'j+d'k) = (aa' -bb' -cc' -dd') + + (ab' +a'b+cd' -c'd)i + + (ac'+a'c+b'd-bd')j + + (ad' +a'd+bc' -b'c)k. Estes resultados indicam-nos uma solução para o problema, que pode ser constituída pelo conjunto IR 4 com as operações de adição e multiplicação assim definidas: (a,b,c,d) + (a',b',c',d') = (a+a', b+b', c+c', d+d') (a,b,c,d) • (a',b',c',d') = (aa'-bb'-cc'-dd', ab'+a'b+cd'-c'd, ac' +a'c+b'd-bd', ad' +a'd+bc' -b'c).

Pode verificar-se que, com estas definições, IR 4 é realmente um anel que verifica as condições do problema, uma vez que se identifique cada número real a ao quaterno (a,O,O,O,) e se ponha, por exemplo, i=(O,1,O,O,), j=(0,O,1,0), k=(0,O,O,1). Podemos, pois, tomar IH=IR· com as referidas definições. Como os elementos de IR 4 sãoquaternos de números reais, os elementos de IH receberam a designação de quaterniões (de Hamilton). Por sua vez, o anel IH é chamado

álgebra dos quaterniões. Para ver que este anel não é comutativo, basta notar que se tem, por exemplo, ij=k, ji= - k, e, portanto, ij:;6 ji; de contrário seria k=O, o que não é verdade. Porquê? Por outro lado, como

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J. SEBASTIÃO E SILVA

vê-se que todo o quaternião a+bi+cj+dk diferente de zero é regular, sendo, então: ••

a - bi - cj -dk 2 b2 2 d a + +c + 2

_1 _

(a+bl+cJ+dk)

Por conseguinte, IH é um anel de divisão (pág. 93). Só lhe falta ser comutativo para ser um corpo (1). Finalmente, é fácil verificar que: A álgebra dos quaterniões contém três subcorpos isomorfos ao corpo (C constituldos, respectivamente, pelos quaterniões das formas:

a+bi, a+bj, a+ck , com a,b E IR Podemos, pois, identificar {C a um destes corpos, por exemplo ao primeiro, e dizer assim que o anel IH contém (C como subcorpo. Vamos ver que existe uma infinidade de corpos não isomorfos entre si, que contêm (C como subcorpo.

31 . Corpos de funções racionais. Para fixar ideias, vamos limitar o nosso estudo ao caso de funções racionais relativas ao

corpo (C. Mas, as considerações que vão seguir-se continuam a ser válidas, substituindo (C por um corpo infinito qualquer (por exemplo (Q ou IR). Comecemos por considerar a expressão

x-2 x2-4 sendo x uma variável em (C. Essa fracção define uma função no con-

(') Alguns autores chamam 'corpos' aos anéis de divisão e 'corpos comutativos' aos anéis de divisão comutativos (portanto aos corpos segundo a nossa terminologia).

176

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OOMP"PlNDIO DE MATEMÁTIOA

júnto dos números complexos que não anulam o denominador. Ora, as raizes de x2-4 são 2 e -2, e uma destas - o número 2 - também anula o numerador. Assim, ambos os termos da fracção são divislveis por x-2 e, portanto, virá: x- 2 x2-4

(x - 2) (x - 2) - 1 1 ,= (x ·- 2)x+2

= (x 2 -4)

para todo o x =f. 2 e todo o x =f. - 2. (Porquê 1) Quer isto dizer que as duas fracções x- 2

1 x+2

são equivalentes no conjunto dos valores complexos de x diferentes de 2 e de -2. Nenhuma delas é definida para x = - 2. Porém, a segunda toma o valor 1/4 para x=2, enquanto a primeira não é aI definida. Com efeito, a substituição de x por 2 nessa fracção conduz à expressão O/O, a que chamaremos 'símbolo de indeterminação', visto que qualquer número x verifica a condição O • x = O. Vejamos 'um outro exemplo. Sejafa~expressão ~'lo

(1 )

.....

x3 x3

3x 2 + 4 5x 2 + 8x - 4 _

Ambos os termos desta fracção se anulam para x = 2 e, portanto, ambos são divisíveis por x - 2. Dividindo os dois termos por x - 2 segundo a regra de Ruffini, obtém-se a fracção

que é equivalente à primeira no conjunto dos valores de x que não anulam o denominador da primeira. Porquê? Mas os dois termos

177

eM n-13

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J. SEBASTIÃO E SILVA

da nova fracção ainda se anulam para x = 2; dividindo-os por x-2, obtém-se finalmente a fracção

x+1 x- 1

(2)

denominador desta tem como única raiz o número 1, que

já não anula o numerador. Portanto, o domínio de existência desta expressão é o conjunto dos valores de x diferentes de 1. Para x

a expressão (2) toma o valor 3, enquanto a expressão (1) assume a indeterminação O/O. No entanto, as duas expressões são equivalentes

no conjunto dos valores de x diferentes de 1 e de 2. Vejamos um terceiro exemplo. Os dois termos da fracção 5x + 15 x 3 + 5x 2 + 3x - 9

(3)

anulam-se para x

= -

3. Dividindo-os por x + 3, obtém-se a fracção

(4)

+ 2x - 3

cujos termos já não se anulam simultaneamente para x = - 3. No entanto, tal como a primeira, esta fracção continua a não ser definida para x = - 3. Com efeito, substituindo x por - 3, esta conduz à expressão 5/0 que não tem significado em (C, pois não existe nenhum número x tal que O· x

5. As expressões do tipo a/O, em que a é um

número # 0, são chamados símbolos de impossibilidade (visto que a divisão por

neste caso é impossível); veremos mais tarde como estes

símbolos podem ser interpretados na teoria dos limites. Assim, em conclusão, vemos que as expressões (3) e (4) têm o mesmo domínio de existência, constituído pelos números diferentes de -3 e de 1, e são aí equivalentes, definindo, portanto, a mesma função.

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COMPÊNDIO DE MATEMATICA

Note-se que as três fracções a que chegámos

x+1

x- 1

x+1

x + 2x - 3

já não podem simplificar-se mais, visto que os termos não têm raízes comuns: diremos, por isso, que são irredutíveis. Pois bem: DEFINiÇÃO.

Chama-se função racional (relativa a (C) toda a

função que possa ser representada por uma fracção do tipo aoxm + alxm- 1 + ... + am-1X + am boxn + b 1x n- 1 + ... + b n- 1X + b n cujos termos sejam polinómios de coeficiente em (C sem raízes comuns (fracção irredutível) ( 1). É fácil

reconhecer que, sendo :

~:~

C(x) D(x)

duas fracções

deste tipo, se tem, para todo o valor de x que não anule nenhum denominador:

C(x) A(x) B(x) ± D(x) -

11.

A(x) -B(x)

111.

A(x) B(x)

A(x)D(x) ± B(x)C(x) B(x)D(x)

A(x) • C(x ) C(x) = B(x) • D(x) D(x) /

A(x) • D(x) C(x) = D(x) B (x) • C(x)

[com C(x) #

O].

Pode acontecer, em particular, que os dois termos de alguma fracção do segundo membro tenham raízes comuns (fracção redutível). Porém, aplicando sucessivamente a regra de Ruffini tal como foi

( ') Está, portanto, automaticamente excluído o caso em que o denominador se reduz ao polinómio zero.

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J. BEBABTIAO E BILVA

indicado nos exemplos anteriores, chega-se sempre a uma fracção i rredutfvel. Designaremos por (C(x) o conjunto de todas as funções racionais de uma variável relativas a (C. As considerações anteriores conduzem facilmente à seguinte conclusão: TEOREMA. O conjunto (C(x) constitui um corpo, relativamente às operações de adição e de multiplicação definidas pelas fórmulas I e 11, supondo que os segundos membros são substituldos pelas fracções irredutlveis correspondentes, se acaso não forem já irredutlveis. Notemos, agora, que entre as fracções A(x) /B (x), cujos termos são polinómios em x (de coeficientes em (C), figuram aquelas em que o polinómio denominador B(x) se reduz a uma constante k #- o. Nesse caso, supondo A(x) = ~: apxn-p, tem-se, evidentemente: A(x) B(x)

a1 an- 1 an xn + k xn-1 + ... + - k - x + k

e, portanto, a função definida pela fracção reduz-se a uma função racional inteira, pois que pode ser definida por um polinómio. Assim, entre as funções racionais figuram as funções racionais inteiras, também chamadas funções polinomiais. As funções racionais que não são inteiras dizem-se fraccionárias. Mas, segundo o corolário do PRINCrPIO DAS IDENTIDADES, dois polinómios em x relativos a (C são idênticos, sse são equivalentes (isto é, sse definem a mesma função). Portanto, existe uma correspondência biunlvoca entre tais polinómios e as funções que eles representam. Por outro lado, a soma e o produto de dois polinómios foram definidos de modo a representarem, precisamente, a soma e o produto das funções definidas por esses polinómios. Assim, em conclusão: TEOREMA. O anel (C[x] dos polinómios relativos a (C é isomorfo ao subanel do corpo (C(x), constituIdo pelas funções racionais inteiras.

180

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aOMPtJ:NDIO DE MATEMÁTICA

Podemos, com base neste teorema, identificar (C[x] ao referido anel das funções racionais inteiras, de modo que ficará (C[x] a ser um subanel do corpo (C(x). Como, por sua vez, o corpo (C é isomorfo ao subcorpo do anel (C [x] constituído pelos polin6mios de grau zero, vemos que: COROLÁRIO. O corpo (C(x) pode ser considerado como uma extensão do corpo complexo. Temos, assim, duas sucessivas extensões de (C: (C c: (C[x] c:- (C(x) sendo a primeira extensão o anel (C[x] dos polin6mios e a segunda o corpo (C(x) das funções racionais. '

Note-se que, em vez de funções racionais de uma s6 variável, podíamos considerar funções racionais de duas variáveis, três variáveis, etc., como, por exemplo, as que são representadas pelas expressões:

3 x~y

xy+xz+yz X 2+y2+Z2

etc.

Podemos, assim, definir uma infinidade de corpos, (C(x,y), (C(x,y,z), etc., que slo extensões de (C não isomorfas entre si.

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J. SEBASTIÃO E SILVA

NOTA.

Mesmo que dois polinómios A(x)

e B(x) tenham

raízes comuns, podemos falar da função racional representada pela

fracção A(x)/B(x), como sendo a função definida pela fracção irredutível correspondente, desde que B(x) não seja o polinómio zero.

32.

Funções homográficas.

Consideremos a função Xv y

em que:

x+1 -x+2 , sendo (C o universo.

Y - --

(1 )

Trata-se, como é fácil ver, de uma função racional fraccionária, que tem por domínio {x : x -# - 2}. Vamos limitar o seu estudo ao universo IR (função real de variável real), com o fim de obter o seu gráfico. É fácil ver que

x+1 x+2

= 1

e, portanto,

x+1 1 y-x+2<o>Y-1=-x+2 Então, feita a substituição y - 1 = Y,

x+2

= X

ou seja y

= Y + 1 , x = X - 2,

vê-se que se passa do gráfico da equação Y = - 1 IX para o gráfico da equação (1), mediante uma translação que leva a origem para o ponto (-2, 1). Ora, já sabemos que o gráfico da função -1 IX é uma hipérbole equilátera que tem por assímptotas os eixos coordenados.

182

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COMPENDIO DE MATE MA TICA

Portanto, o gráfico da função dada é uma hipérbole equilátera que tem por assímptotas as rectas x = - 2 e y = 1.

•

I I I I I I

I I

1 ----------e-----------I

21 1 I 1

I 1 1

DEFINiÇÃO.

Chama-se função homográfica toda a função

Xv y tal que

ax + b

(2)

y = ex + d

sendo a, b, c, d números complexos tais que ad-bc,",O. Dois casos há a distinguir nesta definição:

1.° caso. c = O. Então, terá de ser d '"' O; de contrário seria ad-bc=O. Portanto:

ax + b

ex + d

b d x+ d

Trata-se pois, neste caso, de uma função linear, cujo gráfico é uma recta, quando a, b, c, d E I R e x, y são variáveis reais.

2.° caso. c '"' O. Então o denominador tem uma raiz, x = - d/c, e esta não anula o numerador, de contrário seria -

+ b = O,

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que, multiplicando por - c, daria ad - bc

= O.

Logo, a função não

se reduz, neste caso, a uma função linear: é uma função fraccio· nária, a que chamaremos 'função homográfica não degenerada'.

i: fácil verificar que se tem, neste caso: ax+ b ex + d

ad - bc

ex + d

e, portanto: ax + b Y = ex + d

<::>

a bc - ad Y- c =;::·CX+ _· d

Suponhamos, agora, que a, b, c, d, E IR e que x, y são variáveis reais. As considerações anteriores mostram que, pondo: a

-c = k,

=h c

- -

y- k

bc - ad

, .---

= V, x -

= m, .

= X,

se passa do gráfico de V = m/X para o gráfico de (2) mediante uma translação, que leva a origem para o ponto (h, k). Por conseguinte:

o gráfico

da função homográfica não degenerada defi· nids por (2), no caso real, é uma hipérbole equilátera que ,

tem por ass/mptotas as rectas x = -

e y

=ca .

33. Algebras de Boole. Consideremos o conjunto .J2 dos .. valores lógicos V, F, com as operações de conjunção e disjunção. Já sabemos que a disjunção a V b também se chama soma lógica de a com b e se representa por a + b; e que a conjunção a 1\ b tam· bém se cha~a produto lógico de a por b e se representa por a· b

184

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COMPENDIO DE MATEMATIOA

ou ab. Porém, o termo ordenado

(.I!.,

+, o) não é um anel,

porque o par ordenado (.e, +) não é um grupo. (Porquê?) (1) Consideremos, agora, o conjunto @ de todos os subconjuntos dum universo U, com as operações de reunião e de intersecção. A reunião A U B também se chama soma lógica de A com B e se representa por A + B; e a intersecção An B também se chama produto lógico de A por B e se representa por A· B ou AB. Mas o terno ordenado @., +, o) não é um anel porque o par ordenado

(@, +) não é um grupo. (Porquê?) No entanto, vimos que, tanto num caso como no outro, as operações consideradas têm um conjunto importante de propriedades.

Chama-se álgebra de 800le todo o terno ordenado constituldo por um conjunto A, com mais de um elemento, e por duas operações, que podem chamar-se adição (+) e multiplicação ( o ) , tais que: DEFINiÇÃO.

(A, +) e (A, o) são semigrupos comutativos, com elementos neutros, respectivamente O e 1 : 1)

a + O = a, a o 1

= a,

2) A operação o .é distributiva em relação à operação +, e vice-versa, isto é: a o (b+c) = (a o b) + (a o c) } a+(boc)= (a+b) o (a+c)

V a, b, c EA

[Quando não haja perigo de confusão, a primeira destas fórmulas pode ser escrita, como no caso dos anéis, omitindo os parênteses do segundo membro: a· (b+c) = a o b+a o c].

( ')

Recordemos que o par

(.I!..

o )

também não é um grupo.

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J. SEBASTIÃO E SILVA

Para todo o elemento a de A, existe um e um só elemento

x de A, tal que a+x = 1 1\ ax = O (') Chamaremos complementar de a (ou contrário de a) e representaremos por ã (ler 'não a' ou 'a til') o elemento x cuja existência e unicidade são postuladas em 3) . Será, pois, por definição: ã=

(a+x = 1 1\ ax = O)

e, portanto:

a+ã

1 1\ a • ã

O, V a

Veremos nos exercicios que ã nunca é -a nem a-'. Desde logo se reconhece que (12., +, • ) e (@, +, • ) são álgebras de Boole. Daqui por diante, designaremos por A uma álgebra de Boole

qualquer. Notemos, desde já, que as condições 1), 2) e 3) da definição anterior (chamadas 'axiomas' ou 'postulados' da teoria das álgebras de Boole) são simétricas relativamente às operações + e ., isto é,

convertem-se em proposições equivalentes quando se substitui + por ., e vice-versa. Daqui resulta o seguinte Todo o teorema relativo a álgebras de Boole, enunciado em termos de adição (+) e/ou multiplicação ( • ), continua a ser verdadeiro, trocando entre si estas operações (e, portanto, os respectivos elementos neutros, O e 1). PRINCípIO DE DUALIDADE:

TEOREMA 1 I)

(')

186

a + a = a,

(Propriedade da Idempotência). Tem-se:

11)

a· a

VaEA

Transcreva esta condição 3) em símbolos de lógica matemática.

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OOMPSNDIO DE MATEMÁTICA

Demonstração. Provemos I/): Visto que A é uma álgebra de Boole, tem-se (justifique as sucessivas passagens): a = a ·1 = a • (a + ã)

= aa + aã = aa + 0= aa,

donde: a • a = a, Va E A. Daqui, por sua vez, deduz-se I), aplicando o PRINCIpIO DE DUALIDADE.

O elemento neutro da adição é elemento absorvente da multiplicação, e vice-versa, isto é, tem-se: . TEOREMA 2.

a· 0=0,

11)

a+1

Demonstração. Provemos I): Qualquer que seja a E A, tem-se (prove as sucessivas passagens):

O = a ã, donde a· O = a(a ã) = (aa) ã = a ã = O e, portanto, a· O = O, Va E A. Daqui se deduz li), aplicando o PRINCiPIO DE DUALIDADE. O slmbolo '" designa uma aplicação biunlvoca ã do conjunto A sobre si mesmo, cuja inversa é a pr6pria apli-

TEOREMA 3.

aV cação, isto é,

ã=a , VaEA

Demonstração: Segundo a condição 3) da definição de 'álgebra de Boole', a cada elemento x de A corresponde um e um só elemento y de A tal que (1) (1)

x+y= 1

1\ xy =

(') t: claro que estamos aqui aplicando ao axioma 3) o PRINCIpIO DE SUBSTITUiÇÃO DE VARIÁVEIS APARENTES (pág. 71, 1.° tomo).

187

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J. BEBABTIAO E BILVA

escrevendo-se, então: y = Fica, portanto, assim definida uma aplicação Xv y do conjunto A em si mesmo. Mas, pela mesma razão, a cada elemento y de A, corresponde um e um só elemento X de A tal que y+x

= 1 1\ yx = O,

o que equivale a (1) (porquê?), sendo x =

Em resumo: x

+ y =1 1\ yx = O <:> y = X <:> X =

"ri x, Y E A

Ora, isto significa que a correspondência xvx é uma aplicação biunívoca de A sobre si mesmo e que a inversa é a mesma aplicação, isto é: ~ = x, "ri x E A.

Chama-se involução dum conjunto M toda a aplicação biunlvoca f de M sobre si mesmo, tal que f - 1 = f, isto 6, tal que f2 = I. DEFINiÇÃO.

Assim, o teorema 3 pode exprimir-se dizendo: TEOREMA 3a.

O símbolo,..., designa uma involução de A.

Na definição deste operador, segundo a fórmula

a+ã

= 1 1\ a ã = O,

vê-se imediatamente, atendendo à comutatividade da conjunção, que a troca de + com • e de 1 com O conduz a uma definição equivalente. Assim, concluímos: PRINCfPIO DE DUALIDADE (2. 8 FORMA). Todo o teorema relativo a uma álgebra de 800le A, em termos de adição (+),

multiplicação (.) e/ou complementação (,...,), continua a ser verdadeiro, trocando entre si as duas primeiras operações (e, portanto, os respectivos elementos neutros) e mantendo a terceira operação. 188

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMPtiJNDlO DE MATEMÁTICA

Por outro lado: TEOREMA 4 (1. 88 leis de De Morgan). Tem-se: ,...."

".....,

a + b = ã • 6 , li)

Demonstração.

a • b = ã + 6 , 'Ir! a, b

Provemos I):

Tem-se primeiro (justifique):

(a+b) (ã6) = a(ã6) + b(ã6) = (aã)6 + (b6)ã = O·

b + O • ã = 0+0=0

Tem-se, por outro lado (justifique) (1):

(a+b) + (ã. b) = [(a+b) + ã]. [(a+b) +6] = [(a+ã)+b]. [a+(b+b)] = (1 +b) (a+1) = 1 ·1 = 1 Por conseguinte:

(a+b) + (ãb) = 1 /\ (a+b) • (ãb) = O , 'Ir! a, b

---

= a + b,

'Ir! a, b E A. ...Daqui, por sua vez, deduz-se ã + b = a b, 'Ir! a, b E A, aplicando

o que significa que ã b

o PRINCrPIO DE DUALIDADE (2. 8 FORMA). ESCÚLlO. A conjunção dos teoremas 3 e 4 pode enunciar-se dizendo que o operador", é, ao mesmo tempo, um isomorfismo do semigrupo (A, +) sobre o semigrupo (A, .) e deste sobre aquele. Poder/amos também dizer que é um isomorfismo da álgebra de 800le (A, +,. ) sobre a álgebra de 800le (A,·, +) (chamado 'anti-automorfismo' destas álgebras de 800/e).

(I) t claro que estamos aqui aplicando ao axioma 3) o PRINCIpIO DE SUBSTITUIÇAO DE VARIÁVEIS APARENTES (pág. 71, 1.° tomo).

189

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J. SEBASTIÃO E SILVA NOTA.

Muitas vezes as duas operações binárias de uma álgebra de Boole

são designadas pelos sfmoblos /\ e V (ou vice-versa) e o complementar dum elemento a também é designado por uma das notações "" a, a', ã ou aC • Todavia, em várias aplicações das álgebras de 8001e, nomeadamente a circuitos eléctricos, as notações aditiva e multiplicativa são as mais c.6modas.

Já no capítulo I vimos como a teoria das álgebras de Boole se aplica a circuitos eléctricos. Neste caso, trata-se normalmente duma álgebra de Boole com dois elementos, que são precisamente O (elemento neutro da adição) e 1 (elemento neutro da multilpicação), sendo o primeiro interpretado como ausência de corrente e o segundo como passagem de corrente. Os problemas que geralmente se põem nestas aplicações das álgebras de Boole são problemas de minimização de circuitos, de que já falámos no Capo I, pág. 29, 1.° tomo. Tais problemas surgem não só a propósito de computadores, mas ainda em vários outros tipos de projectos de engenharia electrotécnica (p. ex. a propósito de instalações de ascensores, de redes telefónicas ou de distribuição de energia eléctrica, etc.). Há hoje técnicos - chamados 'TÉCNICOS DE AUTOMAÇÃO'-que se especializam precisamente neste género de problemas. Uma das mais curiosas aplicações da álgebra de Boole está na possibilidade de reduzir racioclnios dedutivos a cálculos algébricos, executáveis por meio de máquinas. Está assim finalmente realizada, nas suas devidas proporções, uma ideia concebida, há três séculos, pelo grande matemático e filósofo Leibnitz. Como vimos, o protótipo do silogismo aristotélico é baseado na propriedade transitiva da relação de inclusão entre conjuntos: AcB/\BcC=>AcC Ora, a relação de inclusão pode ser definida em termos de 'produto lógico' ou de 'soma lógica'. Por exemplo, tem-se (prove): (1 )

190

Ac:B<:>AB=A,

Ac:B<:>AB=O

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COMPENDIO DE MATEMÃTICA

Utilizando a segunda fórmula, a propriedade transitiva da indução assume o aspecto A

8 = A B C=

=> A

C = 0,

propriedade esta que pode ser deduzida dos axiomas das álgebras de Boole ( 1). Ora, como se vê, a conclusão AC

premissas AS = 0, BC mente, o que dá

°deduz-se das

0, multiplicando estas equações ordenada-

AS. B C = 0,

e suprimindo em seguida os factores complementares S e B. E claro que esta regra prática se pode estender a qualquer número de premissas, e inclui, como casos particulares, os tipos clássicos de silogismos da lógica aristotélica. Vamos dar um exemplo recreativo apresentado pelo matemático e escritor inglês LEWIS CARROL, do século passado, autor da obra célebre 'Alice no País das Maravilhas' e dum livro sobre Lógica Simbólica (2). Consideremos os seguintes conjuntos:

= P = A = D = F = L = S = R

{ homens que vão a uma recepção} { homens que se penteiam bem} { homens que cuidam do seu aspecto} { homens desmazelados } { fumadores de ópio } { homens que usam luvas brancas} { homens que são senhores de si }

(1) É mais fácil deduzi-Ia, provando primeiro que AS = Oç> AB = A e, em seguida que AB = A A BC = B => AC = A. ( 2) lEWIS CARROl (pseudónimo de ' DODGSON') ensinou na Universidade de Oxford. Teve um excepcional talento em combinar a ciência com o sentido do humor.

191

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J. 8EBA8TIA.O E 8ILVA

Posto isto, l. CARROl apresenta as seguintes premissas: 1. Nenhum homem vai a uma recepção sem se pentear bem: RP = O (isto é, 'ir a uma recepção e não se pentear bem é impossível' ou 'ir a uma recepção implica pentear-se bem'). 2.

Nenhum homem desmazelado cuida do seu aspecto: O A = O.

Os fumadores de ópio não são senhores de si.' F S = O.

Todo o homem que se penteia bem cuida do seu aspecto:

PÃ = O. 5. Nenhum homem usa luvas brancas, a não ser quando vai a uma recepção: l R = O. 6.

Quando um homem não é senhor de si, torna-se desmazelado.'

S Õ = O. Multiplicando os primeiros membros das equações 3, 6, 2, 4, 1, 5, tem-se a expressão:

F S • S Õ • O A .Ã P • P R • Ã l Eliminando em seguida dois a dois os termos complementares, segundo a regra prática anterior, obtém-se: CONCLUSÃO: Fl = O (Nenhum fumador de ópio usa luvas brancas). EXERCrCIOS:

I. Prove que se tem Õ = 1, , = O e O =1= 1, em qualquer álgebra de Boole. li. Prove que, em qualquer álgebra de Boole, o único elemento com simétrico é O e o único elemento com inverso é 1. (Sugestão: a + x = O * a· a + a • x = O.)

111. Prove que, em qualquer álgebra de Boole, ã nunca é -a nem a- 1 •

192

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GOMP~NDIO

IV. Prove

que~

DE MATEMÁTICA

sendo A uma álgebra de 8001e, se tem: '

ab = a .;:;. a + b

= b .;:;.

'I:;f

a, b E A

(Escreve-se, neste caso, pOr definição: a c b). .

V. Determine polin6mios de 800le para cada .um dos seguintes circuitos, em que os ,clrculos indicam comutadores e cada uma das variáveis a, b, c pode tomar o valor O (abrir o comutador) ou o valor 1 (fechar o comutador), tendo-se Õ = 1 e i = O: circuito (1)

---0-{1.....---C~

• circuito (2)

circuito (3)

~ ~-_.~ ã

VI.

Indicar um circuito para cada polin6mio de ·8001e:

(1)

a + bc

(3)

(a+b) (c+d)

(2)

a(b+c)

(4)

+ cd

(5)

(a+b) (ã+bC)

(6)

(ab+c) (d+ãb)

VII. Dado o circuito indicado no diagrama junto, indique um circuito mais simples que lhe seja equivalente.

193. CMII-J3

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J. SEBASTIAO E SILVA

VIII. As instruções relativas a certa apólice de seguros precisam que esta só pode ser passada a pessoas que satisfaçam uma, pelo menos, das seguintes condições: a) possuir a apólice n.O 19, e ser casado e do sexo masculino; b) possuir a apólice n.O 14, e ser casado e menor de 25 anos; c) não possuir a apólice n.O 19, e ser do sexo feminino; d) ser do sexo masculino e menor de 25 anos; e) ser casado e não menor de 25 anos. Pondo: P - possibilidade de ter a apólice em questão; A - ter a apólice n.O 19; B = ser casado; C

ser do sexo masculino;

D - ser menor de 25 anos, exprima P como função booleana de A, B, C, D e indique um circuito mlnimo que dê essa função. IX.

Sejam M o conjunto dos mamíferos, L o conjunto dos ani-

mais alados, A o conjunto das aves, P o conjunto dos animais com penas e B o conjunto dos bípedes. Tire conclusões das seguintes premissas: 1.

Nenhum mamífero alado tem penas.

2. Todos os animais com penas são alados. 3.

Todo o bípede é ave ou mamífero.

Nenhum mamífero é ave.

Transcreva, simbolicamente, a seguinte frase:

'Para poder fumar nesta casa é necessário e suficiente que se verifiquem as três seguintes condições: 1) haver fósforos ou isqueiro utilizáveis; 2) haver cigarros ou charutos ou então cachimbo e tabaco; 3) não haver atmosfera def/agrante',

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(JOMP1l:NDIO DÊ MATEMA1'IOA

usando as seguintes notações: P

= possibilidade de

F -

fumar nesta casa,

haver fósforos utilizáveis,

= haver isqueiro utilizável,

C 1 = haver cigarros, C 2 = haver charutos, C 3 = haver cachimbo, T = haver tabaco, O = haver atmosfera deflagrante. Trace o diagrama de um circuito que dê P como função das restantes variáveis, utilizando, neste caso, circuitos elementares de

conjunção, disjunção e negação, como os que foram considerados no Capítulo /. RESPOSTAS

(3)

ab+ã fHC,

(4)

b{a+c) + ã

VI.

(6)

=a + 6

VI I.

a6 + ab + ãb

VIII.

P = ABC + ABO + ÃBC +

+ BÕ

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J. SEBASTIÃO E SILVA

Note que ABD+BÕ=AB+BO:::>ABC, donde P =AB+ÃBC+CD+BO. Por outro lado AB+ÃBC=AB+BC, donde P=AB+BC+CD+BÓ. Ora BC+CD=BD+CD e BD+BÓ=B:::>AB. Portanto P=B+CD. IX. MP=O (Nenhum mamffero tem penas), (BP)M=O (Nenhum bfpede com penas é mamffero), (BP)Ã=O (Todo o bfpede com penas é ave), etc.

P=(F+I).(C,+C2+C 3 T)·Õ

1"'"

....-

I"'"

"'" o

196

I I

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

índice Caprtulo V. 1. 2.

OPERAÇOES BINÁRIAS. GRUPOIDES

Plgs.

Expressões designatórias e operações..................... Os conceitos de restrição e extensão para funções de mais "de uma variável. . . . .. .. .. . . . .. .. . . .. . . . . .. .. . . .. .. .. .. .. .. . . . .. .. . . .. Operações binárias de domfnio finito.. . • . . . . . • • • • . . • . • • . . Grupoides........................................... Conceito de subgrupoide............................... Grupoides comutativos e grupoides associativos ou (semigrupos) Linguagem' aditiva e linguagem multiplicativa.............. Operações iteradas. Propriedades comutativa e associativa generalizadas. . • • . . . . . . . • • . . . . • . . . . . . • . • . . . . . . . . . . . . . . . • . Múltiplos e potências.................................. Isomorfismos entre grupoides . . . . . • . • • • • • • • • • • . • . • • . • • . • Teoremas sobre isomorfismos • • • • • . . . . • • • • . . . . • • • • • . • . . . Grupoides isomorfos ..•..•••.•......•................. Elemento neutro dum grupoide........... . . . . . . . . . . . . . . . Elementos opostos num grupoide com elemento neutro. . • . . • Divisão em semigrupos multiplicativos. . • . . • . . . . . . • • • • • • . . Potências de expoente nulo ou negativo.................. Radiciação em semigrupos multiplicativos................. Potências de expoente fraccionário....... . . . . . . . . • • . . . . . . Conceito de grupo; grupos de aplicações......... . . . . . . • . Quase-grupos; quadrados latinos .•....•.•••..•..•••...••

17 20 22 31 34 37 39 42 46 48 49 51 54

21. Módulos........................................................................................

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 22.

10 11 12 13 14 16

Potências de expoente irracional dum número positivo (estudo IntuitivO) .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..

23. 24.

Função exponencial de base 8 Função logarrtmica na base 8

.....•....•..••.•....•••• •.........•.•...••••••••••

60 63 65

Capftulo VI. ANr;IS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÀLGEBRAS DE BOOLE

1. Conceito de anel .. . . . . .. .. . .. .. .. . .. . .. .. . .. . .. .. .. . . .. .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. ..

2. Ilomorfllmol entre anei...............................................................

301

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

J. SEBASTIÃO E SILV.A. psgs.

3. Cálculo algébrico num anel comutativo; operações sobre polin6mios. . .. . . .. .. .. .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. • . . • . . • . . . . . . . .

Anéis de polinómios.......................... . .. . ..... Divisão por polinómios do tipo x -IX; raizes dum polinómio Elementos regulares e divisores de zero num anel .......... Conceito de cqrpo...................................... Generalidades sobre equações relativas a corpos .......... Equações lineares com uma incógnita.......... . ......... Equações do 2.° grau com uma incógnita................ Resolução e discussão das equações quadráticas...... . .... Caracterlstica dum corpo............................... Equações quadráticas no corpo IR.. . ...... . ... .. ........ Estudo das funções quadráticas em IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de equações . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de equações lineares.......................... Determinantes de 2.& ordem e sua aplicação.............. Interpretação geométrica dos resultados anteriores em IR2; paralelismo e coincidência de rectas......... . ... . ..... .. .. 19. Equações paramétricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20. Resolução e discussão de problemas concretos por meio de

85 87 91 93 96 99 101 105 109 110 113 118 122 129

equaçoes . . . . . .. . . . . .. . .. . . .. .. . . .. .. . .. .. . .. .. .. .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. ..

135 136

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11 . 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

21.

Equações do 3. 0 grau . . . .. . . . .. .. . .. .. .. . .. .. .. .. . .. . .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. ..

132 132

Criação do corpo complexo............. . ............... Representação geométrica dos números complexos...... . . . . Equações quadráticas e equações cúbicas no corpo complexo Imaginários de Galois........ . ......................... Produtos de factores lineares; fórmula do binómio . . . . . . . . . . . Decomposição dum polinómio em factores lineares; relações entre as raizes e os coeficientes do polinómio............. 28. Principios das identidades; tactorização dum polinómio num corpo qualquer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. Resolubilidade algébrica e resolução numérica de equações

142 152 154 159 163

algébricas . . . .. .. . . .. . . .. . .. .. . . . .. .. . . . . . . . .. .. .. .. .. .. .. .. . . . .. .. .. . .

172

30. Exemplo dum anel não comutativo (a álgebra dos quaterniões) 31. Corpos de funções racionais .. .. . ............. . ..... . ...

174 176

32. 33.

182 184

22. 23. 24. 25. 26. 27.

Funções homográficas . .. .. . .. .. . .. .. .. .. .. .. . .. .. .. . .. .. .. . .. .. .. .. .. . .. .. .. . .. Álgebras de BaoJe .......................... ,. .................... ,. ................... "

166 169

Capitulo VII. INTRODUÇÃO À ESTATlsTICA E AO CÁLCULO DAS PROBABILIDADES 1. Lógica de atributos e lógica de conjuntos................ 2. Terminologia e notações............................... 3. Frequência absoluta de um atributo numa populaçllo . . • • • . •

302

197 199

200

Compêndio de Matemática, 1º Volume, 2º Tomo, Capítulo VI - ANÉIS E CORPOS. NÚMEROS COMPLEXOS. ÁLGEBRAS DE BOOLE

OOMP:SNDIO DE MATEMÁTIOA

Paga. 4. Frequência relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Frequência relativa do produto lógico. Primeiro exemplo de probabilidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Coeficiente de associação.............................. 6. Extensão dos conceitos do n.O 4 a mais de 2 atributos. . . . . 7. A lógica em termos de acontecimentos......... .......... 8. Expressões proposicionais de acontecimentos; conceito de variável casual; passagem a conjuntos.................... 9. Frequência dum acontecimento numa sequência de provas... 10. Lógica indutiva; certeza absoluta e certeza prática.......... 11. Conceito quantitativo de probabilidade.................... 12. Axiomatização do conceito de probabilidade............... 13. Exemplos de aplicação................................. 14. Probabilidade do produto lógico......................... 15. Probabilidade de produto cartesiano. Sistemas de lotaria..... 16. Problema das provas repetidas; distribuição binomial........ 17. Aplicações de distribuição binomial; exemplo da genética... 18. Casos extremos da distribuição binomial................. 19. Valor médio, esperança matemática. Jogos equitativos....... 20 Aplicação da teoria das probabilidades nos seguros......... 21. As variações da probabilidade no cálculo de seguros ........ 22. Interpretação estatrstica duma tábua de contingência - Teste do qui-quadrado com um grau de liberdade................. 23. Teste do qui-quadrado com mais de um grau de liberdade.. 24. Conceitos qualitativo e quantitativo de probabilidade........

202 206 213 216 218 220 224 227 231 236 239 246 248 253 258 263 265 269 275 277 289 291

TÁBUAS DE MORTALIDADE Tábua AF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

295

Tábua PM...............................................

297

TÁBUA DA DISTRIBUiÇÃO DO X 2 DE PEARSON...............

299

303

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Composto e Impresso na Tipo grafw. Guerra -

V ..""

e concluiu-se em Março de 1975

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GABINETE DE ESTUDOS E PLANEAMENTO DO MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E CULTURA