- Realizações de Aprendizagem
- Crescimento linear (algébrico)
- Previsão de crescimento
- Crescimento linear
- Forma recursiva
- Forma explícita
- Ligação à Aprendizagem Prévia: Inclinação e Intercepção
- Exemplos
- Forma recursiva
- Forma explícita
- Forma recursiva
- Forma explícita
- Try It
- Quando os bons modelos vão mal
- Exemplo
- Forma recursiva
- Forma explícita
- Crescimento experimental (Geométrico )
- Crescimento da população
- Crescimento exponencial
- Forma recursiva
- Forma explícita
- Exemplo
- Avaliar expoentes na calculadora
- Try It
- Exemplos
- Rounding
- Avaliar raízes na calculadora
- Try It
- Exemplo
Realizações de Aprendizagem
- Determinar se os dados ou um cenário descrevem crescimento linear ou geométrico
- Identificar taxas de crescimento, valores iniciais ou valores pontuais expressos verbalmente, graficamente, ou numericamente, e traduzi-las num formato utilizável no cálculo
- Calcular equações recursivas e explícitas para o crescimento linear e geométrico com informação suficiente, e usar essas equações para fazer previsões
A manutenção de uma taxa de variação constante é a característica definidora do crescimento linear. Plotagem de pares de coordenadas associadas à mudança constante resultará em uma linha reta, a forma do crescimento linear. Nesta seção, vamos formalizar uma forma de descrever o crescimento linear usando termos e conceitos matemáticos. Ao final desta seção, você será capaz de escrever tanto uma equação recursiva quanto uma explícita para o crescimento linear, dadas as condições iniciais, ou uma constante de mudança. Você também será capaz de reconhecer a diferença entre crescimento linear e geométrico dado um gráfico ou uma equação.
Crescimento linear (algébrico)
Previsão de crescimento
Marco é um coletor de garrafas de refrigerantes antigos. A sua colecção contém actualmente 437 garrafas. Todos os anos, ele orçamenta dinheiro suficiente para comprar 32 garrafas novas. Podemos determinar quantas garrafas ele terá em 5 anos, e quanto tempo levará para sua coleção chegar a 1000 garrafas?
Embora você possa provavelmente resolver ambas as questões sem uma equação ou matemática formal, vamos formalizar nossa abordagem a este problema para fornecer um meio de responder perguntas mais complicadas.
Suponha que Pn representa o número, ou população, de garrafas que Marco tem após n anos. Então P0 representaria o número de garrafas agora, P1 representaria o número de garrafas após 1 ano, P2 representaria o número de garrafas após 2 anos, e assim por diante. Poderíamos descrever como a coleção de garrafas de Marco está mudando usando:
P0 = 437
Pn = Pn-1 + 32
Isto é chamado de relação recursiva. Uma relação recursiva é uma fórmula que relaciona o próximo valor em uma seqüência com os valores anteriores. Aqui, o número de garrafas no ano n pode ser encontrado adicionando 32 ao número de garrafas do ano anterior, Pn-1. Usando esta relação, podemos calcular:
P1 = P0 + 32 = 437 + 32 = 469
P2 = P1 + 32 = 469 + 32 = 501
P3 = P2 + 32 = 501 + 32 = 533
P4 = P3 + 32 = 533 + 32 = 565
P5 = P4 + 32 = 565 + 32 = 597
Respondemos à pergunta de quantas garrafas o Marco terá em 5 anos.
No entanto, resolver quanto tempo levará para que sua coleção chegue a 1000 garrafas exigiria muito mais cálculos.
Embora as relações recursivas sejam excelentes para descrever de forma simples e limpa como uma quantidade está mudando, elas não são convenientes para fazer previsões ou resolver problemas que se estendem muito para o futuro. Para isso, é preferível uma forma fechada ou explícita para o relacionamento. Uma equação explícita nos permite calcular Pn diretamente, sem necessidade de conhecer Pn-1. Embora você já seja capaz de adivinhar a equação explícita, vamos derivá-la a partir da fórmula recursiva. Podemos fazer isso não simplificando seletivamente como vamos:
P1 = 437 + 32 = 437 + 1(32)
P2 = P1 + 32 = 437 + 32 + 32 = 437 + 2(32)
P3 = P2 + 32 = (437 + 2(32)) + 32 = 437 + 3(32)
P4 = P3 + 32 = (437 + 3(32)) + 32 = 437 + 4(32)
Você provavelmente pode ver o padrão agora, e generalizar que
Pn = 437 + n(32) = 437 + 32n
Usando esta equação, podemos calcular quantas garrafas ele terá após 5 anos:
P5 = 437 + 32(5) = 437 + 160 = 597
Agora também podemos resolver para quando a recolha atingirá 1000 garrafas, substituindo em 1000 por Pn e resolvendo para n
1000 = 437 + 32n
563 = 32n
n = 563/32 = 17.59
Então Marco alcançará 1000 garrafas em 18 anos.
Os passos para determinar a fórmula e resolver o problema da coleção de garrafas de Marco são explicados em detalhes nos seguintes vídeos.
Neste exemplo, a coleção de Marco cresceu com o mesmo número de garrafas a cada ano. Esta mudança constante é a característica definidora do crescimento linear. Traçando os valores que calculamos para a coleção do Marco, podemos ver os valores formando uma linha reta, a forma de crescimento linear.
Crescimento linear
Se uma quantidade começa no tamanho P0 e cresce em d a cada período, então a quantidade após n períodos de tempo pode ser determinada usando qualquer uma dessas relações:
Forma recursiva
Pn = Pn-1 + d
Forma explícita
Pn = P0 + d n
Nesta equação, d representa a diferença comum – a quantidade que a população muda cada vez que n aumenta em 1.
Ligação à Aprendizagem Prévia: Inclinação e Intercepção
Pode reconhecer a diferença comum, d, na nossa equação linear como inclinação. Na verdade, toda a equação explícita deve parecer familiar – é a mesma equação linear que você aprendeu em álgebra, provavelmente declarada como y = mx + b.
Na equação algébrica padrão y = mx + b, b era o intercepção y, ou o valor y quando x era zero. Na forma da equação que estamos usando, estamos usando P0 para representar aquele valor inicial.
Na equação y = mx + b, lembre-se que m era a inclinação. Você pode se lembrar disso como “subir sobre a execução”, ou a mudança em y dividida pela mudança em x. De qualquer forma, representa a mesma coisa que a diferença comum, d, estamos usando – a quantidade que o output Pn muda quando a entrada n aumenta em 1,
As equações y = mx + b e Pn = P0 + d n significam a mesma coisa e podem ser usadas das mesmas maneiras. Estamos apenas escrevendo um pouco diferente.
Exemplos
A população de alce em uma floresta nacional foi medida para ser 12.000 em 2003, e foi medida novamente para ser 15.000 em 2007. Se a população continuar a crescer linearmente neste ritmo, qual será a população de alces em 2014?
Veja mais sobre este exemplo aqui.
O consumo de gasolina nos EUA tem aumentado constantemente. Os dados de consumo de 1992 a 2004 são mostrados abaixo. Encontre um modelo para estes dados, e use-o para prever o consumo em 2016. Se a tendência continuar, quando é que o consumo atingirá 200 bilhões de galões?
Ano | ’92 | ’93 | ’94 | ’95 | ’96 | ’97 | ’98 | ’99 | ’00 | ’01 | ’02 | ’03 | ’04 | |
Consumo (biliões de galões) | 110 | 111 | 113 | 116 | 118019> | 118019> | 119 | 123 | 125 | 126 | 128 | 131 | 133 | 136 |
Os passos para alcançar esta resposta estão detalhados no seguinte vídeo.
O custo, em dólares, de uma inscrição num ginásio durante n meses pode ser descrito pela equação explícita Pn = 70 + 30n. O que nos diz esta equação?
A explicação para este exemplo está detalhada abaixo.
Try It
O número de pais que ficam em casa no Canadá tem crescido constantemente. Embora a tendência não seja perfeitamente linear, ela é bastante linear. Use os dados de 1976 e 2010 para encontrar uma fórmula explícita para o número de pais que ficam em casa, depois use-a para prever o número em 2020.
Ano | 1976 | 1984 | 1991 | 2000 | 2010 |
# de Stay -at-home fathers | 20610 | 28725 | 43530 | 47665 | 53555 |
Quando os bons modelos vão mal
Ao usar modelos matemáticos para prever o comportamento futuro, é importante ter em mente que muito poucas tendências continuarão indefinidamente.
Exemplo
Suponha que um menino de quatro anos de idade tenha atualmente 39 polegadas de altura, e é dito a você para esperar que ele cresça 2,5 polegadas por ano.
Podemos montar um modelo de crescimento, com n = 0 correspondente a 4 anos de idade.
Forma recursiva
P0 = 39
Pn = Pn-1 + 2,5
Forma explícita
Pn = 39 + 2.5(n)
Assim, aos 6 anos de idade, esperaríamos que ele estivesse
P2 = 39 + 2,5(2) = 44 polegadas de altura
Aquilo modelo matemático acabará por se decompor. Certamente, não devemos esperar que este rapaz continue a crescer ao mesmo ritmo durante toda a sua vida. Se ele crescesse, aos 50 anos ele seria
P46 = 39 + 2.5(46) = 154 polegadas de altura = 12.8 pés de altura!
Ao usar qualquer modelo matemático, temos que considerar quais inputs são razoáveis para usar. Sempre que extrapolamos, ou fazemos previsões para o futuro, estamos assumindo que o modelo continuará válido.
Veja uma explicação em vídeo dessa quebra do modelo de crescimento linear aqui.
Crescimento experimental (Geométrico )
Crescimento da população
Suponha que a cada ano, apenas 10% dos peixes de um lago têm filhotes sobreviventes. Se houvesse 100 peixes no lago no ano passado, haveria agora 110 peixes. Se houvesse 1000 peixes no lago no ano passado, haveria agora 1100 peixes. Sem nenhum fator inibidor, as populações de pessoas e animais tendem a crescer em um percentual da população existente a cada ano.
Ponha que nosso lago começou com 1000 peixes, e 10% dos peixes têm filhotes sobreviventes a cada ano. Desde que começamos com 1000 peixes, P0 = 1000. Como calculamos P1? A nova população será a população antiga, mais 10% adicionais. Simbolicamente:
P1 = P0 + 0.10P0
Notem que isto poderia ser condensado para uma forma mais curta pelo factoring:
P1 = P0 + 0.10P0 = 1P0 + 0.10P0 = (1+ 0.10)P0 = 1.10P0
Enquanto 10% é a taxa de crescimento, 1.10 é o multiplicador de crescimento. Note que 1,10 pode ser pensado como “os 100% originais mais 10% adicionais”
Para a nossa população de peixes,
P1 = 1,10(1000) = 1100
Podemos então calcular a população em anos posteriores:
P2 = 1.10P1 = 1.10(1100) = 1210
P3 = 1.10P2 = 1.10(1210) = 1331
Nota que no primeiro ano, a população cresceu em 100 peixes; no segundo ano, a população cresceu em 110 peixes; e no terceiro ano, a população cresceu em 121 peixes.
Embora haja um crescimento percentual constante, o aumento real do número de peixes está aumentando a cada ano.
Grafando estes valores vemos que este crescimento não parece linear.
Um passeio por este cenário de peixes pode ser visto aqui:
Para obter uma melhor imagem de como este crescimento baseado na percentagem afecta as coisas, precisamos de uma forma explícita, para que possamos rapidamente calcular valores mais à frente no futuro.
Como fizemos para o modelo linear, vamos começar a construir a partir da equação recursiva:
P1 = 1.10(P0 )= 1.10(1000)
P2 = 1.10(P1 )= 1.10(1.10(1000)) = 1.102(1000)
P3 = 1.10(P2 )= 1.10(1.102(1000)) = 1.103(1000)
P4 = 1.10(P3 )= 1.10(1.103(1000)) = 1.104(1000)
Observando um padrão, podemos generalizar a forma explícita a ser:
Pn = 1.10n(1000), ou equivalente, Pn = 1000(1.10n)
A partir daí, podemos calcular rapidamente o número de peixes em 10, 20 ou 30 anos:
P10 = 1.1010(1000) = 2594
P20 = 1.1020(1000) = 6727
P30 = 1.1030(1000) = 17449
Adicionar estes valores ao nosso gráfico revela uma forma que definitivamente não é linear. Se a nossa população de peixes tivesse crescido linearmente, em 100 peixes por ano, a população teria atingido apenas 4000 em 30 anos, em comparação com quase 18.000 com este crescimento percentual, chamado crescimento exponencial.
Um vídeo demonstrando o modelo explícito desta história de peixes pode ser visto aqui:
No crescimento exponencial, a população cresce proporcionalmente ao tamanho da população, de modo que à medida que a população aumenta, a mesma porcentagem de crescimento irá produzir um crescimento numérico maior.
Crescimento exponencial
Se uma quantidade começa no tamanho P0 e cresce por R% (escrito como decimal, r) a cada período de tempo, então a quantidade após n períodos de tempo pode ser determinada usando qualquer uma dessas relações:
Forma recursiva
Pn = (1+r) Pn-1
Forma explícita
Pn = (1+r)n P0 ou equivalente, Pn = P0 (1+r)n
Chamaremos r a taxa de crescimento.
O termo (1+r) é chamado de multiplicador de crescimento, ou razão comum.
Exemplo
Entre 2007 e 2008, Olympia, WA cresceu quase 3% para uma população de 245 mil pessoas. Se esta taxa de crescimento continuasse, qual seria a população de Olympia em 2014?
O vídeo seguinte explica este exemplo em detalhe.
Avaliar expoentes na calculadora
Para avaliar expressões como (1,03)6, será mais fácil usar uma calculadora do que multiplicar 1,03 por si só seis vezes. A maioria das calculadoras científicas tem um botão para expoentes. É tipicamente rotulada como:
^ , yx , ou xy .
Para avaliar 1.036 nós escreveríamos 1.03 ^ 6, ou 1.03 yx 6. Experimente – você deve obter uma resposta em torno de 1.1940523.
Try It
India é o segundo país mais populoso do mundo, com uma população em 2008 de cerca de 1,14 bilhões de pessoas. A população está crescendo cerca de 1,34% a cada ano. Se esta tendência continuar, a população da Índia crescerá até 2020?
Exemplos
Um amigo está usando a equação Pn = 4600(1.072)n para prever a mensalidade anual em uma faculdade local. Ela diz que a fórmula é baseada em anos após 2010. O que esta equação nos diz?
Veja o seguinte para ver este exemplo trabalhado.
Em 1990, o uso de energia residencial nos EUA foi responsável por 962 milhões de toneladas métricas de emissões de dióxido de carbono. No ano 2000, esse número tinha aumentado para 1182 milhões de toneladas métricas. Se as emissões crescerem exponencialmente e continuarem no mesmo ritmo, o que as emissões crescerão até 2050?
Veja mais sobre este exemplo aqui.
Rounding
Como uma nota sobre arredondamento, note que se tivéssemos arredondado a taxa de crescimento para 2,1%, nosso cálculo para as emissões em 2050 teria sido 3347. O arredondamento para 2% teria alterado nosso resultado para 3156. Uma diferença muito pequena nas taxas de crescimento se amplia muito no crescimento exponencial. Por este motivo, é recomendado arredondar a taxa de crescimento o mínimo possível.
Se precisar arredondar, mantenha pelo menos três dígitos significativos – números após qualquer zeros à esquerda. Assim, 0,4162 pode ser razoavelmente arredondado para 0,416. Uma taxa de crescimento de 0,001027 poderia ser razoavelmente arredondada para 0,00103,
Avaliar raízes na calculadora
No exemplo anterior, tivemos de calcular a 10ª raiz de um número. Isto é diferente de tomar a raiz quadrada básica, √. Muitas calculadoras científicas têm um botão para raízes gerais. É tipicamente rotulado como:
\sqrt{x}
Para avaliar a 3ª raiz de 8, por exemplo, ou digitaríamos 3 \sqrt{{{}}. 8, ou 8 {}sqrt{} 3, dependendo da calculadora. Tente na sua para ver qual usar – você deve obter uma resposta de 2.
Se a sua calculadora não tiver um botão raiz geral, nem tudo está perdido. Você pode usar a propriedade dos expoentes que diz que:
\sqrt{a}={a}^{\frac{1}{2}}.
Então, para calcular a 3ª raiz de 8, você poderia usar a chave do expoente da sua calculadora para avaliar 81/3. Para isso, digite:
8 yx ( 1 ÷ 3 )
Os parênteses dizem à calculadora para dividir 1/3 antes de fazer o expoente.
Try It
O número de usuários em uma rede social era de 45 mil em fevereiro, quando eles se tornaram públicos oficialmente, e cresceu para 60 mil em outubro. Se o site está crescendo exponencialmente, e o crescimento continua no mesmo ritmo, quantos usuários devem esperar dois anos depois de terem se tornado públicos?
Exemplo
Vejamos o último exemplo, para efeitos de comparação, quais seriam as emissões de carbono em 2050 se as emissões crescerem linearmente ao mesmo ritmo?
Uma demonstração deste exemplo pode ser vista no vídeo seguinte.
Então como sabemos qual modelo de crescimento usar quando se trabalha com dados? Há duas abordagens que devem ser usadas em conjunto sempre que possível:
- Encontrar mais de dois pedaços de dados. Traçar os valores, e procurar uma tendência. Os dados parecem estar mudando como uma linha, ou os valores parecem estar se curvando para cima?
- Considerar os fatores que contribuem para os dados. São coisas que você esperaria mudar linearmente ou exponencialmente? Por exemplo, no caso das emissões de carbono, poderíamos esperar que, na ausência de outros fatores, eles estariam intimamente ligados aos valores populacionais, que tendem a mudar exponencialmente.