MÉTODOS MATEMÁTICOS EM BIOLOGIA 2007 CURSOS DE BIOFÍSICA E BIOMEDICINA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE BIOFÍSICA CARLOS CHAGAS FILHO

MÉTODOS MATEMÁTICOS EM BIOLOGIA

CURSOS DE BIOFÍSICA E BIOMEDICINA 2007 Gilberto Weissmüller, Nice Americano da Costa e Paulo Mascarello Bisch 1

POR QUE AS BIOCIÊNCIAS PRECISAM DE MATEMÁTICA?

2

O livro da natureza é escrito na língua da Matemática”

Galileo

(1564-1642)

Aqueles que querem analisar a natureza sem usar Matemática devem se contentar com uma compreensão reduzida”

Richard Feynman, (1918-1988) ( People who wish to analyze nature without using mathematics must settle for a reduced understanding

) 3

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Número

Grandezas

Constantes

Variáveis Domínio de definição Tipos de variáveis

4

O que é Número?

Pitágoras (570-496 aC, Grécia)

essência e o princípio de todas as coisas

Aristóteles (384-322 aC, Grécia)

o movimento acelerado ou retardado

Euclides (360-295 aC, desconhecido)

um composto da unidade

Isaac Newton (1643-1727, Inglaterra)

a relação entre a quantidade e a unidade

Condorcet (1746-

1794, França)

uma coleção de unidades

Benjamin Constat (1767 1830, Suiça)

o resultado da comparação de qualquer grandeza com a unidade

Schopenhauer (1788-1860, Alemanha)

o conceito numérico apresenta-se como a ciência do tempo puro

Bertrand Russel (1872-1970, Inglaterra)

a classe de todas as classes equivalente a uma dada classe 5

6

Domínio de definição de uma variável

um conjunto de valores numéricos que a variável é passível de assumir (a partir de sua própria definição) O domínio de definição de uma variável é sempre representado por um intervalo entre dois valores,

a

e

b,

chamados extremos do intervalo. O intervalo pode ser:

aberto,

se

a

x

b

fechado

, se ou ainda um

semi-intervalo aberto

a

x

b a

x

b ou a

x

b

7

EXEMPLOS DE DOMINIOS DE DEFINIÇÃO 1. Uma grandeza: a área,

S

, de um figura limitada por uma curva fechada O domínio de definição de

S

será 0 

S

  2. Outra grandeza: a área,

S

, dos ambientes de um edifício de 30m x 10m O domínio de definição de

S

será 0 

S

 300 3.

Uma grandeza: a variável

x

=cosb, para todos os valores de b O domínio de definição de

x

será  1 

x

 1 8

Tipos de variáveis

ordenadas uma variável é ordenada se, c onhecido o seu domínio de definição, para cada par de seus valores, podemos indicar aquele antecedente e aquele conseqüente.

crescentes (ou decrescentes) uma variável é dita crescente, se cada valor conseqüente é maior que cada valor antecedente.

limitadas uma variável é dita limitada se existe um valor constante M>0, tal que, para todos os valores conseqüentes da variável, a partir de um determinado valor, fica satisfeita a inequação 

M

x

M x ou

M

9

A NOÇÃO DE FUNÇÃO

Sejam das variáveis, x e y. Dizemos que y é uma

função

de x, que designamos simbolicamente por

y=f(x),

através de uma aplicação de um conjunto ordenado de operações, fica associado um valor da variável y.

se a cada valor da variável x, f y 1 ..

x 1 x 3 x n x 2 x 5 f f y 2 y n ..

10

Acompanhe a seguinte “receita” matemática :

1o. Tome o valor de x e quadre; 2o. Multiplique o resultado obtido por 3;

x

2 3

x

2 3o. Some o valor da metade x; 3

x

2 

x

2 4o. Acrescente mais 10.

3

x

2 

x

2  10

y

f

(

x

)  3

x

2 

x

2  10

f

é a representação simbólica desse conjunto ordenado de operações(potenciação, multiplicação, divisão e soma) realizadas sobre cada valor de x 11

Agora esta :

1o. Tome o valor do seno de x ; 2o. Multiplique o resultado obtido por 3;

sen x

3

sen x

3o. Some o valor da metade x; 3

sen x

x

2 4o. Acrescente mais 10.

3

sen x

x

 10 2

y

f

(

x

)  3

sen x

x

 10 2

f

é a representação simbólica desse conjunto ordenado de operações (seno, multiplicação, divisão e soma) realizadas sobre cada valor de x 12

DOIS IMPORTANTES CONCEITOS

Domínio de definição de uma função

conjunto de valores de x, para os quais a função tem um valor determinado

valor da função num ponto

é o valor (numérico) que a função assume para um dado valor de x 13

Exemplos de Domínios de Definição

y

f

(

x

) 

x

6  2

y

f

(

x

) 

x x

 1  1   

x

 

x

 1

y

f

(

x

) 

sen x

  

x

 

y

f

(

x

)  1 

x

2  1 

x

 1 14

y

f

Exemplos de Valor da Função

( 1 ) 

x

6  2 

y

f

(

x

) 

x x

 1  1  2 3  1

p

/

x

 1

x

  5

y

f

(  ) 

sen x

 0

x

 

y

f

(  1 )  1 

x

2  0

x

  1 15

REPRESENTAÇÕES DE UMA FUNÇÃO Analítica

A notação simbólica do conjunto de operações matemáticas conhecidas que devemos aplicar, na ordem indicada, a números e letras que exprimem as constantes e variáveis envolvidas. Por exemplo:

y

f

(

x

)  3

x

2

y

f

(

x

)  3

sen x

Tabular (tabela)

X -1 0 1 2 3 y 3 0 3 12 27 X   /2 0  /2  0 -3 0 3 0 y 16

Graficamente

y=3x 2 -1 30

y

25 20 15 10 5 0 0 1 2 3

x

4 17

Outras noções sobre funções • Paridade • Periodicidade • Positividade/Negatividade • Zeros (ou raízes) • Função de função

f

(

x

)

f

(

x

) )  • Função inversa • Função implícita 

i y

i y

x

f x i

 0 

u

 18

FUNÇÕES ELEMENTARES

São aquelas funções cujos conjuntos de operações ordenadas se resumem à forma mais simples das operações conhecidas da álgebra e da trigonometria: potenciação, logaritmo, seno, co-seno, tangente, etc.

Os nomes pelos quais são conhecidas derivam daí, como veremos.

19

FUNÇÃO POTÊNCIA

A forma geral da função

y

f

(

x

) 

x a

Onde a é um número inteiro ou fracionário, positivo ou negativo Qual o domínio de definição destas funções?

Seria, por acaso,   

x

  ?

20

-1 -0,5 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 -0,2 -0,4 -0,6 0,5 1 Série1 Série2 Série3 21

FUNÇÃO LOGARÍTMICA

A forma geral da função

y

f

(

x

)  log

a x

Onde a é um número positivo  1 quando a=número de Euler=e

y

f

(

x

)  ln

x

22

FUNÇÃO EXPONENCIAL

A forma geral da função

y

f

(

x

) 

a x

Onde a é um número positivo  1 quando a é o número de Euler, designado por e

y

f

(

x

) 

e x

23

AS FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS

seno co-seno tangente

y

f

(

x

) 

sen x y

f

(

x

)  cos

x y

f

(

x

) 

tg x

cotangente secante secante

y

f

(

x

)  cot

x y

f

(

x

)  sec

x y

f

(

x

)  cos

ec x

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