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Questão 10 (Matemática) da 2ª fase do ITA 2027

Matemática · Matemática: Ciclo trigonométrico e funções trigonométricas

Texto-base das questões 01 a 10 · Matemática

Convenções: Considere o sistema de coordenadas cartesiano, a menos que haja indicação contrária.

\mathbb{N} = \{1, 2, 3, \dots\} : denota o conjunto dos números naturais.
\mathbb{R} : denota o conjunto dos números reais.
i : denota a unidade imaginária, i^2 = -1.
\overline{AB} : denota o segmento de reta de extremidades nos pontos A e B.
m(\overline{AB}) : denota o comprimento do segmento \overline{AB}.

Considere a função f : \mathbb{R} \to \mathbb{R} dada por

f(x) = \sqrt{1 + \cos(2x)} + \sqrt{1 - \cos(2x)} - \sen(x) - \cos(x).

Determine todos os números inteiros k tais que a equação f(x) = k possua pelo menos uma solução real x pertencente ao primeiro ou ao terceiro quadrante do círculo trigonométrico.

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Resolução comentada

a) Primeiro simplificamos a função com \cos(2x)=2\cos^2x-1=1-2\sen^2x:

1+\cos(2x)=2\cos^2x,\qquad 1-\cos(2x)=2\sen^2x.

Como \sqrt{u^2}=|u|, temos

f(x)=\sqrt2\,(|\cos x|+|\sen x|)-(\sen x+\cos x).

Seja s=\sen x+\cos x. Em cada quadrante os sinais de seno e cosseno são fixos, então f fica em função de s.

1º quadrante (0<x<\pi/2): seno e cosseno são positivos, logo |\cos x|+|\sen x|=s e

f=(\sqrt2-1)\,s.

Aqui s=\sqrt2\,\sen(x+\pi/4) varia em (1,\sqrt2\,]. Portanto

f\in\left(\sqrt2-1,\ 2-\sqrt2\right]\approx(0{,}414;\ 0{,}586].

Não há inteiro nesse intervalo.

3º quadrante (\pi<x<3\pi/2): seno e cosseno são negativos, logo |\cos x|+|\sen x|=-s e

f=-\sqrt2\,s-s=-(\sqrt2+1)\,s.

Aqui s\in[-\sqrt2,-1), ou seja, -s\in(1,\sqrt2\,]. Portanto

f\in\left(\sqrt2+1,\ (\sqrt2+1)\sqrt2\right]=\left(\sqrt2+1,\ 2+\sqrt2\right]\approx(2{,}414;\ 3{,}414].

Como f é contínua e assume todos os valores do intervalo, o único inteiro atingido é 3. Ele é atingido em x=5\pi/4 (onde s=-\sqrt2) e vale 2+\sqrt2, e como 3<2+\sqrt2 existe x no 3º quadrante com f(x)=3.

Se os extremos dos quadrantes fossem incluídos, f valeria \sqrt2-1 em 0 e \pi/2, e \sqrt2+1 em \pi e 3\pi/2. Nenhum desses valores é inteiro, então a conclusão não muda.

Resposta: k=3.

Assuntos: Ciclo trigonométrico e funções trigonométricas, Identidades, adição de arcos e arco duplo.

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Fonte: ITA 2ª fase 2027 · Matemática. Prova oficial ↗