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Fundamentos de Matemática Humberto José Bortolossi Departamento de Matemática Aplicada Universidade Federal Fluminense Aula 9 27 de janeiro de 2014 Aula 9 Fundamentos de Matemática 1

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Fundamentos de Matemática

Humberto José Bortolossi

Departamento de Matemática Aplicada

Universidade Federal Fluminense

Aula 9

27 de janeiro de 2014

Aula 9 Fundamentos de Matemática 1

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O Problema dos Peixes Voadores

Aula 9 Fundamentos de Matemática 2

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Problema formulado originalmente porJohn Conway.

Adaptação do contexto sugerida porCarlos Tomei.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 3

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O cenário

0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 4

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O cenário

0

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O cenário

0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 6

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O cenário

0

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O cenário

0

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Colocando um peixe no nível 1

0

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Aula 9 Fundamentos de Matemática 9

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Colocando um peixe no nível 1

0

1

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Colocando um peixe no nível 1

0

1

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Colocando um peixe no nível 2

0

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2

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Colocando um peixe no nível 2

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 2

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 2

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 2

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 3

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 3

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 3

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 3

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 3

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

2

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4

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

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3

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

2

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Colocando um peixe no nível 4

0

1

2

3

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Colocando um peixe no nível 5

0

1

2

3

4

5

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Colocando um peixe no nível 5: não é possível!

0

1

2

3

4

5

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Como provar?

0

1

2

3

4

5

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0 x1

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0 x1 x2

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0 x1 x2 x3

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1 x1 x2 x3

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2 x1 x2 x3

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

Aula 9 Fundamentos de Matemática 45

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

Aula 9 Fundamentos de Matemática 46

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

x12 x11 x9 x10x10 x12x11

Aula 9 Fundamentos de Matemática 47

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

x12 x11 x9 x10x10 x12x11

x13 x12 x10 x11x11 x13x12

Aula 9 Fundamentos de Matemática 48

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Definindo uma grade de energia

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

x12 x11 x9 x10x10 x12x11

x13 x12 x10 x11x11 x13x12

x14 x13 x11 x12x12 x14x13

Aula 9 Fundamentos de Matemática 49

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A energia deste peixe é x5

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

x12 x11 x9 x10x10 x12x11

x13 x12 x10 x11x11 x13x12

x14 x13 x11 x12x12 x14x13

Aula 9 Fundamentos de Matemática 50

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A energia deste cardume é x5 + x6 + x7

0

1

2

3

4

5x0x1x2x3 x1 x2 x3

x4 x3 x1 x2x2 x4x3

x5 x4 x2 x3x3 x5x4

x6 x5 x3 x4x4 x6x5

x7 x6 x4 x5x5 x7x6

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

x12 x11 x9 x10x10 x12x11

x13 x12 x10 x11x11 x13x12

x14 x13 x11 x12x12 x14x13

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 52

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1

xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 53

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 54

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn

xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 55

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1

xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 57

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 58

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 59

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 60

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn − xn+1 − xn+2

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn+2 − xn+1 − xn

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 61

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 62

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 63

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 64

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

1− x − x2 = 0 ⇒ x =−1−

√5

2ou x =

−1 +√

52

.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 65

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

x =−1 +

√5

2é > 0 e < 1.

Aula 9 Fundamentos de Matemática 66

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

xn(1− x − x2) = 0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 67

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

−xn < 0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 68

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

xn(x2 − x − 1)= xn(1− x − x − 1)= −2 xn+1 < 0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 69

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

xn(x2 − x − 1)= xn(1− x − x − 1)= −2 xn+1 < 0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 70

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

xn(x2 − x − 1)= xn(1− x − x − 1)= −2 xn+1 < 0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 71

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Como devemos escolher o valor de x?

Antes Depois Diferença de Energia

xn+2 xn+1 xn

xn(1− x − x2)

xn+1 xn xn+1

−xn

xn xn+1 xn+2

xn(x2 − x − 1)

Moral: em cada jogada, a energia de um cardume nunca aumenta!

Aula 9 Fundamentos de Matemática 72

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Qual é a energia de todo o oceano?

0

1

2

3

4

5

x8 x7 x5 x6x6 x8x7

x9 x8 x6 x7x7 x9x8

x10 x9 x7 x8x8 x10x9

x11 x10 x8 x9x9 x11x10

x12 x11 x9 x10x10 x12x11

x13 x12 x10 x11x11 x13x12

x14 x13 x11 x12x12 x14x13

Aula 9 Fundamentos de Matemática 73

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 + x6 + x7 + · · ·

+

2 ·(

x6 + x7 + x8 + · · ·)

+

2 ·(

x7 + x8 + x9 + · · ·)

+

...

Aula 9 Fundamentos de Matemática 74

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 ·(

1 + x + x2 + · · ·)

+

2 x6 ·(

1 + x + x2 + · · ·)

+

2 x7 ·(

1 + x + x2 + · · ·)

+

...

Aula 9 Fundamentos de Matemática 75

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 · 11− x+

2 x6 · 11− x+

2 x7 · 11− x+

...

Aula 9 Fundamentos de Matemática 76

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 · 11− x

+ 2 x6 · 11− x

+ 2 x7 · 11− x

+ · · ·

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· (1 + x + x2 + · · · )

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· 1

1− x

=x5

x2 +2 x6

x2 ·1x2

=

x3 + 2 x2

Aula 9 Fundamentos de Matemática 77

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 · 11− x

+ 2 x6 · 11− x

+ 2 x7 · 11− x

+ · · ·

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· (1 + x + x2 + · · · )

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· 1

1− x

=x5

x2 +2 x6

x2 ·1x2

=

x3 + 2 x2

Aula 9 Fundamentos de Matemática 78

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 · 11− x

+ 2 x6 · 11− x

+ 2 x7 · 11− x

+ · · ·

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· (1 + x + x2 + · · · )

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· 1

1− x

=x5

x2 +2 x6

x2 ·1x2

=

x3 + 2 x2

Aula 9 Fundamentos de Matemática 79

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 · 11− x

+ 2 x6 · 11− x

+ 2 x7 · 11− x

+ · · ·

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· (1 + x + x2 + · · · )

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· 1

1− x

=x5

x2 +2 x6

x2 ·1x2

=

x3 + 2 x2

Aula 9 Fundamentos de Matemática 80

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Qual é a energia de todo o oceano?

x5 · 11− x

+ 2 x6 · 11− x

+ 2 x7 · 11− x

+ · · ·

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· (1 + x + x2 + · · · )

=

x5

1− x+

2 x6

1− x· 1

1− x

=x5

x2 +2 x6

x2 ·1x2

=

x3 + 2 x2

Aula 9 Fundamentos de Matemática 81

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 82

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 83

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 84

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 85

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 86

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 87

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Qual é a energia de todo o oceano?

x3 + 2 x2

=

x · x2 + 2 x2

=

x(1− x) + 2 x2

=

x − x2 + 2 x2

=x + x2

=

x + 1− x

=

1

Aula 9 Fundamentos de Matemática 88

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Não é possível colocar um peixe no nível 5!

0

1

2

3

4

5x0

Aula 9 Fundamentos de Matemática 89

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Referência:

http://www.cut-the-knot.org/proofs/checker.shtml

Aula 9 Fundamentos de Matemática 90

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Seção de Exercícios

Aula 9 Fundamentos de Matemática 91