Matemática do ensino fundamental · Grades 1–9
63Frações e potências
Frações e potências são as ferramentas do dia a dia do cálculo: repartir quantidades, comparar proporções, escrever números muito grandes ou muito pequenos. Este capítulo consolida as regras de cálculo com elas — com cada passo intermediário escrito — e apresenta a notação científica.
63.1 Calcular com frações
Definição 63.1 (Fração)
Uma fração (com ) é o quociente de por . Duas frações são iguais quando uma é obtida da outra multiplicando (ou dividindo) numerador e denominador pelo mesmo número não nulo:
Exemplo 63.2
Simplifique passo a passo:
(No Capítulo 64, o máximo divisor comum fará isso num passo só.)
Método 63.3 (Somar e subtrair frações)
- Coloque as duas frações sobre um denominador comum (um múltiplo comum dos dois denominadores);
- some ou subtraia os numeradores, mantendo o denominador;
- simplifique o resultado, se der.
Exemplo 63.4
Calcule . Um denominador comum de e é :
Calcule . Escreva como fração de denominador :
Método 63.5 (Multiplicar e dividir frações)
- Para multiplicar, multiplique os numeradores entre si e os denominadores entre si: (simplifique antes de multiplicar sempre que puder);
- para dividir, multiplique pelo inverso do divisor: .
Exemplo 63.6
onde simplificamos pelo fator comum e depois por . E uma divisão:
63.2 Potências
Definição 63.7 (Potência)
Para um número real e um número inteiro positivo , a potência é o produto de fatores iguais a :
Por convenção, (para ), e os expoentes negativos indicam inversos:
Exemplo 63.8
; , mas (o expoente age antes do sinal de menos); ; e .
Teorema 63.9 (Regras dos expoentes)
Para todos os , não nulos e todos os inteiros , :
Demonstração. Para expoentes positivos, conte os fatores. Na primeira regra: são fatores seguidos de fatores , no total fatores. Na terceira: repete vezes um bloco de fatores, dando fatores. As outras duas regras são parecidas; a extensão aos expoentes zero e negativos se confere a partir de (e faz da convenção a única escolha coerente, já que tem de ser ). ∎
Exemplo 63.10
Simplifique passo a passo:
E com duas letras: .
63.3 Potências de dez e notação científica
Proposição 63.11 (Potências de dez)
Para um número inteiro positivo : se escreve “ seguido de zeros”, e , com o na -ésima casa decimal. Multiplicar um número decimal por (resp. ) desloca o ponto decimal dele casas para a direita (resp. para a esquerda).
Definição 63.12 (Notação científica)
A notação científica de um número decimal positivo é o único jeito de escrevê-lo como
Exemplo 63.13
A distância da Terra ao Sol é de cerca de km km. O tamanho de uma molécula de água é de cerca de m m. Para calcular com números assim, agrupe as partes decimais e as potências de dez:
Método 63.14 (Colocar um número em notação científica)
- Mova o ponto decimal para logo depois do primeiro algarismo não nulo; isso dá o fator , com ;
- conte quantas casas o ponto andou: essa contagem é , positivo se o número original era , negativo se era ;
- confira: tem de reproduzir o número original.
63.4 Exercícios
Exercício 63.1 ★
Calcule e dê o resultado como fração totalmente simplificada:
Solução
Solução de Exercício 63.1.
.
.
.
.
Exercício 63.2 ★
Calcule e simplifique:
Solução
Solução de Exercício 63.2.
(simplificando por e por ).
.
(os e os se cancelam).
Exercício 63.3 ★
Calcule:
Solução
Solução de Exercício 63.3.
; ; ; ; ; .
Exercício 63.4 ★
Escreva como uma única potência:
Solução
Solução de Exercício 63.4.
; ; ; ; .
Exercício 63.5 ★
Escreva em notação científica: ; ; ; ; doze milhões.
Solução
Solução de Exercício 63.5.
; ; ; ; doze milhões .
Exercício 63.6 ★★
Calcule, dando o resultado em notação científica:
Solução
Solução de Exercício 63.6.
.
.
.
Exercício 63.7 ★★
Um reservatório está com da capacidade. Depois de receber litros, ele fica com . Qual é a capacidade do reservatório? (Expresse primeiro a fração acrescentada.)
Solução
Solução de Exercício 63.7.
A água acrescentada representa do reservatório. Então da capacidade são litros: são litros, e a capacidade é de litros.
Exercício 63.8 ★★
Alice come de um bolo, depois Bento come do que sobrou, e depois Carla come do que ainda sobrou. Que fração do bolo resta no fim? (Calcule o que sobra depois de cada etapa.)
Solução
Solução de Exercício 63.8.
Depois de Alice, resta do bolo. Bento come , deixando . Carla come metade disso, , deixando do bolo.
Exercício 63.9 ★★
A luz percorre metros por segundo. O Sol fica a cerca de m de distância. Quanto tempo a luz do Sol leva para chegar até nós? Dê a resposta em segundos (sem precisar de notação científica) e depois em minutos e segundos.
Solução
Solução de Exercício 63.9.
Tempo segundos, ou seja, minutos e segundos.
Exercício 63.10 ★★★
Qual é maior, ou ? (Dica: escreva os dois como potências de expoente usando , e compare com .)
63.5 Problema: o código secreto das dízimas periódicas
Problema 63.1
Problema de fim de semana — toda fração tem uma escrita decimal que para ou se repete, toda dízima periódica é uma fração, e é exatamente
Divida por e os algarismos entram numa cantoria: para sempre. Divida por e os algarismos param secos: . Este problema demonstra que esses são os dois únicos comportamentos possíveis de uma fração — e depois inverte a máquina: dada uma dízima periódica qualquer, ele reconstrói a fração escondida atrás dela. Pelo caminho, resolve de uma vez por todas a igualdade mais discutida da matemática escolar.
Parte I — Da fração ao decimal.
- Calcule, pela divisão longa, as escritas decimais de , , e . Quais param, quais se repetem, e com que bloco de repetição?
- Explique por que a escrita decimal de qualquer fração tem de parar ou acabar se repetindo. (Na divisão longa por , que valores os restos sucessivos podem tomar? O que acontece no instante em que um resto aparece pela segunda vez?)
- Leve a divisão de por longe o bastante para achar o bloco que se repete. Que comprimento ele tem, e como esse comprimento se compara com o limite prometido pela questão 2?
- Algumas frações param porque o denominador delas pode ser inflado até uma potência de dez: , . Explique o critério e por que nenhum multiplicador inteiro consegue transformar , ou em , , … (em que algarismo o produto terminaria?).
- Sem dividir, separe , e entre “para” e “se repete” e depois dê a escrita decimal das duas que param.
Parte II — Da dízima periódica de volta à fração.
- O truque do deslocamento. Seja Calcule , depois , e deduza como fração. Confira dividindo.
- Seja Que potência de dez desloca em exatamente um bloco de repetição? Use-a para escrever como fração irredutível.
- Um caso misto: (só o se repete). Calcule e deduza como fração irredutível.
- O famoso: aplique o truque do deslocamento a Que fração — que número — você encontra? Concilie o resultado com a sua intuição, lembrando o vizinho fantasma do Problema 38.1 e o resto que encolhe do Problema 39.1: fica “logo abaixo” de ou é outro nome para ?
- Converta e em frações irredutíveis.
Parte III — O dicionário completo.
- As questões 6 a 10 sugerem um dicionário: um bloco de algarismos que se repete a partir do ponto decimal é igual a esse bloco sobre noves (). Use o dicionário para prever como fração, simplifique — e admire-se: que fração surpreendentemente simples canta “”? Confira dividindo.
- Combine o dicionário com um deslocamento: escreva como fração irredutível.
- O número (um , depois um , depois um , depois dois , depois um , depois três , e assim por diante) nunca para. Ele é uma dízima periódica? O que a Parte I diz então sobre ele — pode ser uma fração? (Você acaba de conhecer o seu primeiro número comprovadamente irracional; o mais famoso deles é capturado no Capítulo 65.)
- Aproximadamente quantos algarismos tem ? Use e as regras dos expoentes (Teorema 63.9) para escrever em notação científica (aproximada) e conclua. (Compare com o Exercício 63.10.)
- Final: escreva como fração e enuncie a moral de mão dupla do problema inteiro: que escritas decimais são frações, e que frações têm que escritas decimais?
Solução
Solução de Problema 63.1.
1. (para); (bloco ); (bloco depois do ); (bloco ).
2. A cada passo da divisão por , o resto é um dos valores (Teorema 37.7). Se aparecer um resto , a divisão para. Caso contrário, depois de no máximo passos algum resto tem de aparecer uma segunda vez — há mais passos do que restos possíveis — e, a partir desse instante, a divisão repete exatamente a sequência de algarismos que produziu depois da primeira aparição: a escrita decimal entra em ciclo para sempre. Parar ou repetir: não existe um terceiro comportamento.
3. : o bloco tem comprimento . A questão 2 prometia uma repetição em no máximo passos — aqui, os restos aparecem todos antes de o voltar: a cantoria mais longa possível para uma divisão por .
4. para exatamente quando alguma tem denominador , , … — isto é, quando o denominador pode ser multiplicado até virar uma potência de dez, como ou . Para e isso é impossível: uma potência de dez tem soma dos algarismos igual a , e todo múltiplo de tem soma dos algarismos múltipla de — então nenhum múltiplo de (logo, nenhum de ) é jamais , , … Para : dividir , , , por deixa sempre um resto (, , , …), nunca . Os denominadores que alcançam uma potência de dez param; todos os outros se repetem.
5. : , para: . : , para: . : é múltiplo de , repete ().
6. , então (as caudas se cancelam perfeitamente), e . Conferindo pela divisão:
7. O bloco tem dois algarismos, então desloque por : , logo e .
8. e ; subtraindo, , então (dividindo por ). De fato,
9. , então e . Não fica “logo abaixo” de : é o número , escrito com uma segunda fantasia. Todo número estritamente abaixo de deixa uma folga, e o Problema 38.1 mostrou que uma folga sempre contém outros números — ao passo que nada cabe entre e . Os noves sem fim são o resto de chocolate do Problema 39.1 encolhido abaixo de qualquer quantidade positiva: não sobra nada.
10. . E (dividindo por ).
11. Pelo dicionário: . Como , isso se simplifica em : a fração canta “”. Conferindo pela divisão:
12. (dividindo por ).
13. Os blocos de zeros crescem sem parar, então nenhum bloco fixo pode se repetir para sempre: não é uma dízima periódica (e também nunca para). Pela Parte I, toda fração para ou se repete — então esse número não é fração nenhuma: é irracional, fabricado sob encomenda. A estrela da irracionalidade, , é desmascarada no Capítulo 65.
14. : um número pouco acima de , logo com algarismos. (Exatamente: .)
15. , já irredutível ( não compartilha fator nenhum com ). O dicionário completo: as frações são exatamente os decimais que param ou se repetem — os denominadores amigos das potências de dez param, todos os outros cantam um bloco; e, reciprocamente, toda cantoria, até o ano da sua formatura, é uma fração disfarçada.