Potências, radicais e operações com números reais

Nesta postagem, vamos ampliar o estudo da potenciação e da radiciação. Além de retomar propriedades já conhecidas, estudaremos potências com expoentes negativos e fracionários, simplificação e operações com radicais, expressões com números reais e aplicações da notação científica.

O objetivo é compreender as relações entre potências e raízes e usar essas ideias na resolução de cálculos e problemas.

Habilidades da BNCC

EF09MA03: efetuar cálculos com números reais, inclusive potências com expoentes fracionários.

EF09MA04: resolver e elaborar problemas com números reais, inclusive em notação científica, envolvendo diferentes operações.

1. Retomando a potenciação

Uma potência representa uma multiplicação de fatores iguais.

\[a^n=\underbrace{a\cdot a\cdot a\cdots a}_{n\text{ fatores}}\]

Em \(a^n\), o número \(a\) é a base e \(n\) é o expoente.

Exemplo resolvido 1. Calcule \(2^5\).

\[2^5=2\cdot2\cdot2\cdot2\cdot2=32\]

Propriedades importantes

PropriedadeRegra
Produto de potências de mesma base\(a^m\cdot a^n=a^{m+n}\)
Quociente de potências de mesma base\(\frac{a^m}{a^n}=a^{m-n}\), \(a\neq0\)
Potência de potência\((a^m)^n=a^{mn}\)
Potência de um produto\((ab)^n=a^nb^n\)
Potência de um quociente\(\left(\frac ab\right)^n=\frac{a^n}{b^n}\), \(b\neq0\)

2. Potências com expoente zero e expoente negativo

Para qualquer número real não nulo:

\[a^0=1\]

Observe:

\[\frac{2^3}{2^3}=2^{3-3}=2^0\]

Mas também:

\[\frac{2^3}{2^3}=1\]

Portanto:

\[2^0=1\]

Agora considere:

\[\frac{2^3}{2^5}=2^{3-5}=2^{-2}\]

Por outro lado:

\[\frac{2^3}{2^5}=\frac1{2^2}\]

Assim:

\[2^{-2}=\frac1{2^2}=\frac14\]

De modo geral:

\[a^{-n}=\frac1{a^n},\qquad a\neq0\]

Exemplo resolvido 2. Calcule \(5^{-3}\).

\[5^{-3}=\frac1{5^3}=\frac1{125}\]

Exemplo resolvido 3. Calcule \(\left(\frac23\right)^{-2}\).

O expoente negativo indica o inverso da base:

\[\left(\frac23\right)^{-2}=\left(\frac32\right)^2=\frac94\]

3. Potências com expoente fracionário

As potências com expoente fracionário estabelecem uma ligação direta entre potenciação e radiciação.

\[a^{\frac12}=\sqrt a\]
\[a^{\frac13}=\sqrt[3]{a}\]

De forma geral:

\[a^{\frac mn}=\sqrt[n]{a^m}\]

Quando trabalhamos no conjunto dos números reais, devemos observar as condições de existência das raízes de índice par.

Exemplo resolvido 4. Calcule \(25^{\frac12}\).

\[25^{\frac12}=\sqrt{25}=5\]

Exemplo resolvido 5. Calcule \(8^{\frac23}\).

\[8^{\frac23}=\sqrt[3]{8^2}\]

Também podemos calcular primeiro a raiz:

\[8^{\frac23}=(\sqrt[3]{8})^2=2^2=4\]

Não confunda: \(a^{\frac12}\) não significa \(\frac{a}{2}\). O expoente \(\frac12\) representa uma raiz quadrada.

4. Radiciação e seus elementos

Na expressão:

\[\sqrt[n]{a}=b\]

temos:

  • \(n\): índice;
  • \(a\): radicando;
  • \(\sqrt{\phantom{a}}\): símbolo radical;
  • \(b\): raiz.

A igualdade significa que:

\[b^n=a\]

Exemplo resolvido 6. Calcule \(\sqrt[3]{125}\).

Procuramos o número que elevado ao cubo resulta em 125:

\[5^3=125\]

Logo:

\[\sqrt[3]{125}=5\]

5. Propriedades dos radicais

Quando as expressões estão definidas no conjunto dos números reais, podemos usar propriedades como:

\[\sqrt[n]{ab}=\sqrt[n]{a}\cdot\sqrt[n]{b}\]
\[\sqrt[n]{\frac ab}=\frac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}}\]

Essas propriedades são muito úteis para simplificar radicais e efetuar operações.

▶Pratique 1 — Potências e expoentes fracionários

1. Calcule \(2^{-3}\).

2. Calcule \(10^{-2}\).

3. Calcule \(\left(\frac34\right)^{-1}\).

4. Calcule \(49^{\frac12}\).

5. Calcule \(27^{\frac13}\).

6. Uma grandeza é representada por \(16^{\frac12}\). Qual é seu valor?

7. Uma expressão contém \(125^{\frac13}\). Determine seu valor.

8. Explique o significado de \(a^{-3}\), com \(a\neq0\).

9. Escreva \(\sqrt[3]{x^2}\) na forma de potência com expoente fracionário.

10. Calcule \(64^{\frac23}\).

6. Simplificação de radicais

Simplificar um radical significa escrevê-lo de uma forma equivalente e mais simples, retirando do radicando fatores que são potências perfeitas.

Exemplo resolvido 7. Simplifique \(\sqrt{12}\).

\[\sqrt{12}=\sqrt{4\cdot3}\]
\[\sqrt{12}=\sqrt4\cdot\sqrt3\]
\[\sqrt{12}=2\sqrt3\]

Exemplo resolvido 8. Simplifique \(\sqrt{50}\).

\[\sqrt{50}=\sqrt{25\cdot2}=5\sqrt2\]

Exemplo resolvido 9. Simplifique \(\sqrt{72}\).

\[\sqrt{72}=\sqrt{36\cdot2}=6\sqrt2\]

7. Radicais semelhantes

Radicais semelhantes possuem o mesmo índice e o mesmo radicando.

Por exemplo:

\[2\sqrt3,\qquad5\sqrt3,\qquad-\sqrt3\]

são radicais semelhantes.

Já \(\sqrt2\) e \(\sqrt3\) não são semelhantes.

8. Adição e subtração de radicais

Somamos ou subtraímos diretamente apenas radicais semelhantes.

Exemplo resolvido 10.

\[3\sqrt2+5\sqrt2=8\sqrt2\]

Exemplo resolvido 11. Calcule \(\sqrt8+\sqrt{18}\).

Primeiro simplificamos:

\[\sqrt8=2\sqrt2\]
\[\sqrt{18}=3\sqrt2\]

Agora os radicais são semelhantes:

\[2\sqrt2+3\sqrt2=5\sqrt2\]

Não podemos afirmar que \(\sqrt2+\sqrt3=\sqrt5\). A adição de radicais não segue essa regra.

9. Multiplicação de radicais

Quando os radicais possuem o mesmo índice:

\[\sqrt a\cdot\sqrt b=\sqrt{ab}\]

Exemplo resolvido 12.

\[\sqrt3\cdot\sqrt{12}=\sqrt{36}=6\]

Exemplo resolvido 13.

\[(2\sqrt3)(4\sqrt5)=8\sqrt{15}\]

10. Divisão de radicais

Para radicais de mesmo índice:

\[\frac{\sqrt a}{\sqrt b}=\sqrt{\frac ab},\qquad b>0\]

Exemplo resolvido 14.

\[\frac{\sqrt{48}}{\sqrt3}=\sqrt{\frac{48}{3}}=\sqrt{16}=4\]
▶Pratique 2 — Simplificação e operações com radicais

1. Simplifique \(\sqrt{20}\).

2. Simplifique \(\sqrt{45}\).

3. Simplifique \(\sqrt{98}\).

4. Calcule \(4\sqrt3+7\sqrt3\).

5. Calcule \(9\sqrt5-2\sqrt5\).

6. Calcule \(\sqrt{12}+\sqrt{27}\).

7. Calcule \(\sqrt8\cdot\sqrt2\).

8. Calcule \((3\sqrt2)(2\sqrt5)\).

9. Calcule \(\frac{\sqrt{75}}{\sqrt3}\).

10. Um quadrado possui lado \(\sqrt{18}\) cm. Simplifique a medida do lado.

11. Operações com números reais

Ao calcular expressões com números reais, podemos trabalhar com valores exatos ou aproximações.

Exemplo resolvido 15. Calcule:

\[2+\sqrt9-\sqrt4\]
\[2+3-2=3\]

Exemplo resolvido 16. Determine um valor aproximado para \(3\sqrt2\), usando \(\sqrt2\approx1{,}414\).

\[3\sqrt2\approx3\cdot1{,}414=4{,}242\]

12. Valor exato e valor aproximado

Uma expressão como:

\[5\sqrt3\]

é um valor exato.

Se usarmos \(\sqrt3\approx1{,}732\), obtemos:

\[5\sqrt3\approx8{,}66\]

que é um valor aproximado.

Quando a questão pedir o valor exato, mantenha o radical. Quando pedir aproximação decimal, use o símbolo \(\approx\).

13. Retomando a notação científica

A notação científica é utilizada para representar números muito grandes ou muito pequenos.

\[a\cdot10^n\]

com:

\[1\leq |a|<10\]

e \(n\) inteiro.

Exemplo resolvido 17. Escreva 580 000 000 em notação científica.

\[580\,000\,000=5{,}8\cdot10^8\]

Exemplo resolvido 18. Escreva 0,0000042 em notação científica.

\[0{,}0000042=4{,}2\cdot10^{-6}\]

14. Expoente positivo e expoente negativo na notação científica

Quando o número é muito grande, geralmente usamos expoente positivo:

\[3\,200\,000=3{,}2\cdot10^6\]

Quando o número é muito pequeno, geralmente usamos expoente negativo:

\[0{,}00000072=7{,}2\cdot10^{-7}\]

15. Operações em notação científica

Multiplicação

Exemplo resolvido 19.

\[(2\cdot10^5)(3\cdot10^4)\]
\[=6\cdot10^9\]

Divisão

Exemplo resolvido 20.

\[\frac{8\cdot10^9}{2\cdot10^3}\]
\[=4\cdot10^6\]

Ajustando a forma padrão

Exemplo resolvido 21.

\[(6\cdot10^5)(4\cdot10^3)=24\cdot10^8\]

Como 24 não está entre 1 e 10:

\[24\cdot10^8=2{,}4\cdot10^9\]

16. Problemas com notação científica

Exemplo resolvido 22. Uma bactéria mede aproximadamente \(2{,}5\cdot10^{-6}\) m. Qual seria o comprimento total de 1000 bactérias alinhadas?

\[(2{,}5\cdot10^{-6})(10^3)\]
\[=2{,}5\cdot10^{-3}\text{ m}\]

Exemplo resolvido 23. Uma nave percorre \(3\cdot10^5\) km por dia durante \(2\cdot10^2\) dias. Qual é a distância total?

\[(3\cdot10^5)(2\cdot10^2)=6\cdot10^7\text{ km}\]
▶Pratique 3 — Números reais e notação científica

1. Escreva 7 200 000 em notação científica.

2. Escreva 0,000031 em notação científica.

3. Escreva \(4{,}5\cdot10^6\) na forma decimal.

4. Escreva \(8{,}2\cdot10^{-5}\) na forma decimal.

5. Calcule \((3\cdot10^4)(2\cdot10^5)\).

6. Uma célula possui diâmetro aproximado de \(8\cdot10^{-6}\) m. Qual é o comprimento de 100 células alinhadas?

7. Um satélite percorre \(4\cdot10^4\) km em cada volta e realiza \(3\cdot10^2\) voltas. Qual é a distância total?

8. Calcule \(\frac{9\cdot10^8}{3\cdot10^2}\).

9. Ajuste \(35\cdot10^7\) para a forma padrão da notação científica.

10. Explique por que \(12{,}4\cdot10^6\) não está na forma padrão da notação científica.

17. Expressões numéricas com números reais

Exemplo resolvido 24. Calcule:

\[\sqrt{36}+2^3-\sqrt{16}\]
\[6+8-4=10\]

Exemplo resolvido 25. Simplifique:

\[2\sqrt8+\sqrt{18}-\sqrt2\]

Primeiro:

\[\sqrt8=2\sqrt2\qquad\text{e}\qquad\sqrt{18}=3\sqrt2\]

Então:

\[2(2\sqrt2)+3\sqrt2-\sqrt2\]
\[4\sqrt2+3\sqrt2-\sqrt2=6\sqrt2\]
▶Revisão e aprofundamento — 20 questões

1. Calcule \(3^{-2}\).

2. Calcule \(16^{\frac12}\).

3. Calcule \(27^{\frac23}\).

4. Escreva \(\sqrt[5]{a^3}\) como potência de expoente fracionário.

5. Simplifique \(\sqrt{32}\).

6. Simplifique \(\sqrt{75}\).

7. Calcule \(3\sqrt7+8\sqrt7\).

8. Calcule \(\sqrt{12}+\sqrt{48}\).

9. Calcule \(\sqrt6\cdot\sqrt{24}\).

10. Calcule \(\frac{\sqrt{98}}{\sqrt2}\).

11. Um quadrado possui lado \(\sqrt{50}\) cm. Escreva essa medida na forma simplificada.

12. Uma expressão possui valor exato \(4\sqrt3\). Usando \(\sqrt3\approx1{,}732\), determine uma aproximação.

13. Escreva 9 300 000 000 em notação científica.

14. Escreva 0,00000058 em notação científica.

15. Calcule \((5\cdot10^6)(4\cdot10^{-2})\) e escreva o resultado na forma padrão.

16. Calcule \(\frac{6\cdot10^9}{3\cdot10^4}\).

17. Uma partícula mede \(4\cdot10^{-9}\) m. Qual é o comprimento total de \(5\cdot10^6\) partículas alinhadas?

18. Calcule \(\sqrt{81}+2^{-1}\).

19. Simplifique \(3\sqrt{12}-\sqrt{27}\).

20. Explique a relação entre expoente fracionário e radiciação usando um exemplo.

▶Gabarito do Pratique 1

1. \(\frac18\). 2. \(\frac1{100}\). 3. \(\frac43\). 4. 7. 5. 3.

6. 4. 7. 5. 8. \(a^{-3}=\frac1{a^3}\). 9. \(x^{\frac23}\). 10. 16.

▶Gabarito do Pratique 2

1. \(2\sqrt5\). 2. \(3\sqrt5\). 3. \(7\sqrt2\). 4. \(11\sqrt3\). 5. \(7\sqrt5\).

6. \(5\sqrt3\). 7. 4. 8. \(6\sqrt{10}\). 9. 5. 10. \(3\sqrt2\) cm.

▶Gabarito do Pratique 3

1. \(7{,}2\cdot10^6\). 2. \(3{,}1\cdot10^{-5}\). 3. 4 500 000. 4. 0,000082.

5. \(6\cdot10^9\). 6. \(8\cdot10^{-4}\) m. 7. \(1{,}2\cdot10^7\) km. 8. \(3\cdot10^6\).

9. \(3{,}5\cdot10^8\). 10. Porque o primeiro fator deve ter módulo maior ou igual a 1 e menor que 10.

▶Gabarito da revisão e do aprofundamento

1. \(\frac19\). 2. 4. 3. 9. 4. \(a^{\frac35}\). 5. \(4\sqrt2\).

6. \(5\sqrt3\). 7. \(11\sqrt7\). 8. \(6\sqrt3\). 9. 12. 10. 7.

11. \(5\sqrt2\) cm. 12. Aproximadamente 6,928. 13. \(9{,}3\cdot10^9\). 14. \(5{,}8\cdot10^{-7}\).

15. \(2\cdot10^5\). 16. \(2\cdot10^5\). 17. \(2\cdot10^{-2}\) m. 18. \(9+\frac12=9{,}5\).

19. \(3(2\sqrt3)-3\sqrt3=3\sqrt3\). 20. Exemplo: \(16^{\frac12}=\sqrt{16}=4\).

Para lembrar

Expoente negativo indica o inverso da potência correspondente.

Expoentes fracionários estão diretamente relacionados às raízes.

Radicais podem ser simplificados retirando fatores que são potências perfeitas.

Somamos e subtraímos diretamente apenas radicais semelhantes.

Na notação científica, o primeiro fator deve ter módulo maior ou igual a 1 e menor que 10.

Em números irracionais, diferencie sempre valor exato de valor aproximado.