Seja f(x) = (x+2)(x+1)^k(x-1)^3(x-2). Para qual raiz de f o método da bissecção converge quando aplicado no intervalo [-3;2,5]?

Questão

Seja f(x) = (x+2)(x+1)^k(x-1)^3(x-2). Para qual raiz de f o método da bissecção converge quando aplicado no intervalo [-3;2,5]?

Resposta

O método da bissecção converge para a raiz real de multiplicidade ímpar em que ocorre mudança de sinal no intervalo; aqui, a única mudança de sinal em [−3,2,5][-3,2{,}5] ocorre em x=−2x=-2. Portanto, converge para x=−2x=-2.

Explicação

  1. Identificando as raízes de f(x)f(x)

A função é

f(x)=(x+2)(x+1)k(x−1)3(x−2). f(x)=(x+2)(x+1)^k(x-1)^3(x-2).

Logo, as raízes reais são:

  • x=−2x=-2 (multiplicidade 1);
  • x=−1x=-1 (multiplicidade kk);
  • x=1x=1 (multiplicidade 3);
  • x=2x=2 (multiplicidade 1).
  1. Critério de convergência da bissecção

O método da bissecção, aplicado a um intervalo [a,b][a,b], garante convergência para uma raiz onde há mudança de sinal, isto é, quando f(a) f(b)<0f(a)\,f(b)<0 e, ao refinar o intervalo, a raiz “capturada” é aquela associada a uma mudança de sinal (raiz de multiplicidade ímpar). Em raízes de multiplicidade par, em geral não há mudança de sinal.

  1. Analisando o sinal em [−3, 2,5][-3,\,2{,}5]

Vamos olhar o sinal de f(x)f(x) em pontos de teste no intervalo, separando pelos fatores.

  • Em x=−3x=-3:

    • (x+2)=−1(x+2)=-1 (negativo)
    • (x+1)k=(−2)k(x+1)^k=(-2)^k (sinal depende de kk: é positivo se kk é par e negativo se kk é ímpar)
    • (x−1)3=(−4)3(x-1)^3=(-4)^3 (negativo)
    • (x−2)=(−5)(x-2)=(-5) (negativo)

    Produto dos três últimos fatores (exceto (x+1)k(x+1)^k): (−)⋅(−)⋅(−)=(−).(-)\cdot(-)\cdot(-)=(-). Então sgn⁡(f(−3))=sgn⁡((−)⋅sgn⁡((−2)k)).\operatorname{sgn}(f(-3)) = \operatorname{sgn}\big((-)\cdot \operatorname{sgn}((-2)^k)\big).

    • Se kk é par, (−2)k>0(-2)^k>0 ⇒ f(−3)<0f(-3)<0.
    • Se kk é ímpar, (−2)k<0(-2)^k<0 ⇒ f(−3)>0f(-3)>0.
  • Em x=0x=0 (ponto entre −1-1 e 11):

    • (x+2)=2(x+2)=2 (positivo)
    • (x+1)k=1k=1(x+1)^k=1^k=1 (positivo)
    • (x−1)3=(−1)3=−1(x-1)^3=(-1)^3=-1 (negativo)
    • (x−2)=−2(x-2)=-2 (negativo)

    Logo, sgn⁡(f(0))=(+)⋅(+)⋅(−)⋅(−)=(+).\operatorname{sgn}(f(0))=(+)\cdot(+)\cdot(-)\cdot(-)=(+). Ou seja, f(0)>0f(0)>0 independentemente de kk.

  1. Localizando onde necessariamente ocorre mudança de sinal a partir da esquerda
  • Se kk é par: f(−3)<0f(-3)<0 e f(0)>0f(0)>0. Como a única raiz entre −3-3 e 00 que certamente pode provocar mudança de sinal é x=−2x=-2 (raiz simples), conclui-se que existe mudança de sinal atravessando x=−2x=-2.

  • Se kk é ímpar: f(−3)>0f(-3)>0 e f(0)>0f(0)>0. Nesse caso, ao atravessar x=−2x=-2 (raiz simples), o sinal troca (pois multiplicidade 1 é ímpar). Como o sinal em x=−3x=-3 é positivo, imediatamente à direita de −2-2 ele deve ficar negativo. Depois, ao atravessar x=−1x=-1 (multiplicidade ímpar, pois kk ímpar), o sinal troca de novo e volta a ficar positivo, consistente com f(0)>0f(0)>0. Assim, ainda assim há mudança de sinal em x=−2x=-2.

  1. Conclusão sobre a raiz capturada no intervalo inicial [−3,2,5][-3,2{,}5]

O método começa com o intervalo [−3,2,5][-3,2{,}5] e, ao avaliar no ponto médio m=(−3+2,5)/2=−0,25m=(-3+2{,}5)/2=-0{,}25, temos f(−0,25)>0f(-0{,}25)>0 (mesma lógica de sinais de f(0)>0f(0)>0; para −0,25-0{,}25 temos x+2>0x+2>0, x−1<0x-1<0, x−2<0x-2<0, e x+1>0x+1>0).

  • Se kk é par, f(−3)<0f(-3)<0 e f(−0,25)>0f(-0{,}25)>0 ⇒ a bissecção escolhe o subintervalo [−3,−0,25][-3, -0{,}25], que contém x=−2x=-2.
  • Se kk é ímpar, embora f(−3)>0f(-3)>0, o procedimento de bissecção padrão exige inicialmente f(a)f(b)<0f(a)f(b)<0 para garantir a raiz; ainda assim, a única raiz “de mudança de sinal” que fica consistentemente selecionada quando se força a aplicação no intervalo amplo (e se vai refinando onde ocorre troca) é a de x=−2x=-2; as demais dependem da paridade de kk em x=−1x=-1.

Portanto, a raiz para a qual a bissecção converge (a raiz que o processo de mudança de sinal identifica de forma robusta no intervalo dado) é:

Alternativa correta: x=−2x=-2.

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