\( \newenvironment {prompt}{}{} \newcommand {\accordion }[0]{} \newcommand {\ungraded }[0]{} \newcommand {\xmDefaultPreamble }[0]{xmPreamble.tex} \newcommand {\xmDefaultPrintstyle }[0]{xmPrintstyle.sty} \newcommand {\todo }[0]{} \newcommand {\oiint }[0]{{\large \bigcirc }\kern -1.56em\iint } \newcommand {\mooculus }[0]{\textsf {\textbf {MOOC}\textnormal {\textsf {ULUS}}}} \newcommand {\tkzTabSlope }[1]{\foreach \x /\y /\z in {#1}{\node [left = 3pt] at (Z\x 1) {\scriptsize $\y $}; \node [right = 3pt] at (Z\x 1) {\scriptsize $\z $}; }} \newcommand {\RR }[0]{\mathbb R} \newcommand {\R }[0]{\mathbb R} \newcommand {\N }[0]{\mathbb N} \newcommand {\Z }[0]{\mathbb Z} \newcommand {\sagemath }[0]{\textsf {SageMath}} \newcommand {\d }[0]{\,d} \newcommand {\l }[0]{\ell } \newcommand {\ddx }[0]{\frac {d}{\d x}} \newcommand {\zeroOverZero }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {\tfrac {0}{0}}}} \newcommand {\inftyOverInfty }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {\tfrac {\infty }{\infty }}}} \newcommand {\zeroOverInfty }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {\tfrac {0}{\infty }}}} \newcommand {\zeroTimesInfty }[0]{\ensuremath {\small \boldsymbol {0\cdot \infty }}} \newcommand {\inftyMinusInfty }[0]{\ensuremath {\small \boldsymbol {\infty - \infty }}} \newcommand {\oneToInfty }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {1^\infty }}} \newcommand {\zeroToZero }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {0^0}}} \newcommand {\inftyToZero }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {\infty ^0}}} \newcommand {\numOverZero }[0]{\ensuremath {\boldsymbol {\tfrac {\#}{0}}}} \newcommand {\dfn }[0]{\textbf } \newcommand {\unit }[0]{\mathop {}\!\mathrm } \newcommand {\eval }[1]{\bigg [ #1 \bigg ]} \newcommand {\seq }[1]{\left ( #1 \right )} \newcommand {\epsilon }[0]{\varepsilon } \newcommand {\phi }[0]{\varphi } \newcommand {\iff }[0]{\Leftrightarrow } \DeclareMathOperator {\arccot }{arccot} \DeclareMathOperator {\arcsec }{arcsec} \DeclareMathOperator {\arccsc }{arccsc} \DeclareMathOperator {\si }{Si} \DeclareMathOperator {\scal }{scal} \DeclareMathOperator {\sign }{sign} \newcommand {\arrowvec }[1]{{\overset {\rightharpoonup }{#1}}} \newcommand {\vec }[1]{{\overset {\boldsymbol {\rightharpoonup }}{\mathbf {#1}}}\hspace {0in}} \newcommand {\point }[1]{\left (#1\right )} \newcommand {\pt }[1]{\mathbf {#1}} \newcommand {\Lim }[2]{\lim _{\point {#1} \to \point {#2}}} \DeclareMathOperator {\proj }{\mathbf {proj}} \newcommand {\veci }[0]{{\boldsymbol {\hat {\imath }}}} \newcommand {\vecj }[0]{{\boldsymbol {\hat {\jmath }}}} \newcommand {\veck }[0]{{\boldsymbol {\hat {k}}}} \newcommand {\vecl }[0]{\vec {\boldsymbol {\l }}} \newcommand {\uvec }[1]{\mathbf {\hat {#1}}} \newcommand {\utan }[0]{\mathbf {\hat {t}}} \newcommand {\unormal }[0]{\mathbf {\hat {n}}} \newcommand {\ubinormal }[0]{\mathbf {\hat {b}}} \newcommand {\dotp }[0]{\bullet } \newcommand {\cross }[0]{\boldsymbol \times } \newcommand {\grad }[0]{\boldsymbol \nabla } \newcommand {\divergence }[0]{\grad \dotp } \newcommand {\curl }[0]{\grad \cross } \newcommand {\lto }[0]{\mathop {\longrightarrow \,}\limits } \newcommand {\bar }[0]{\overline } \newcommand {\surfaceColor }[0]{violet} \newcommand {\surfaceColorTwo }[0]{redyellow} \newcommand {\sliceColor }[0]{greenyellow} \newcommand {\vector }[1]{\left \langle #1\right \rangle } \newcommand {\sectionOutcomes }[0]{} \newcommand {\VerbMathToks }[2]{\alteqtoks {\begin {#2} #1 \end {#2}}} \newcommand {\DeclareMicrotypeVariants }[1]{} \newcommand {\DeclareMicrotypeAlias }[2]{} \newcommand {\LoadMicrotypeFile }[1]{} \newcommand {\DeclareMicrotypeFilePrefix }[1]{} \newcommand {\DeclareMicrotypeBabelHook }[2]{} \newcommand {\microtypesetup }[1]{} \newcommand {\microtypecontext }[1]{} \newcommand {\textmicrotypecontext }[2]{#2} \newcommand {\leftprotrusion }[1]{#1} \newcommand {\rightprotrusion }[1]{#1} \newcommand {\noprotrusionifhmode }[0]{} \newcommand {\lsstyle }[0]{} \newcommand {\lslig }[1]{#1} \newcommand {\maketitle }[0]{} \newcommand {\problem }[0]{ } \newcommand {\exercise }[0]{ } \newcommand {\question }[0]{ } \newcommand {\exploration }[0]{ } \newcommand {\dialogue }[0]{\begin {description}} \newcommand {\GetTranslation }[1]{#1} \)
Dois jovens matemáticos discutem a otimização de latas de alumínio.

Confira este diálogo entre dois estudantes de cálculo (baseado em uma história real):

Devyn
Riley, você já reparou nas latas de alumínio?
Riley
Tão recicláveis!
Devyn
Eu sei! Mas também reparei que algumas são baixas e largas, e outras são altas e finas, e mesmo assim elas podem ter o mesmo volume!
Riley
Que observador!
Devyn
Isso me deixou pensando: se quisermos fazer uma lata com volume \(V\), que formato de lata usa menos alumínio?
Riley
Ah! Isso parece um trabalho para o cálculo! O volume de uma lata cilíndrica é dado por \[ V = \pi \cdot r^2 \cdot h \] onde \(r\) é o raio do cilindro e \(h\) é a altura do cilindro. Além disso, a área da superfície é dada por \begin{align*} A &= \underbrace {\pi \cdot r^2}_{\text {fundo}} + \underbrace {2\cdot \pi \cdot r\cdot h}_{\text {lateral}} + \underbrace {\pi \cdot r^2}_{\text {tampa}}\\ &= 2\cdot \pi \cdot r^2 + 2\cdot \pi \cdot r\cdot h. \end{align*}

De algum jeito queremos minimizar a área da superfície, porque ela é a quantidade de alumínio usada, mas também queremos manter o volume constante.

Devyn
Uau, temos letras demais aqui.
Riley
É, de algum jeito precisamos de uma única variável. Eita. Letras demais.
Suponha que queremos construir uma lata de alumínio com volume \(V\) que use a menor quantidade possível de alumínio. No contexto acima, o que queremos minimizar?
\(A\) \(V\) \(h\) \(r\)
No contexto acima, o que deve ser considerado uma constante?
\(A\) \(V\) \(h\) \(r\)

Como Devyn e Riley perceberam, quando resolvemos esse tipo de problema, precisamos reduzir o problema a uma única variável.

Considere \(r\) como a variável e expresse \(A\) como função de \(r\).
xmhintPrimeiro, vamos eliminar a variável \(h\). Sabemos que \(V\) é uma constante e que \[ V = \pi \cdot r^2 \cdot h \] então \(h=V/(\pi r^2)\). Substitua essa expressão para \(h\) na equação \[ A = 2\cdot \pi \cdot r^2 + 2\cdot \pi \cdot r \cdot h. \]
\[ A(r) = 2\cdot \pi \cdot r^2 + 2 \cdot V/ \class{xm-given}{r} \]
Agora considere \(h\) como a variável e expresse \(A\) como função de \(h\).
xmhintPrimeiro, vamos eliminar a variável \(r\). Sabemos que \(V\) é uma constante e que \[ V = \pi \cdot r^2 \cdot h \] então \(r=\sqrt {V/(\pi h)}\). Substitua essa expressão para \(h\) na equação \[ A = 2\cdot \pi \cdot r^2 + 2\cdot \pi \cdot r \cdot h. \]
\[ A(h) = 2\cdot V/\class{xm-given}{h}+ 2 \cdot \sqrt {V\pi h} \]

Observe que reduzimos (de um jeito ou de outro) essa função de duas variáveis a uma função de uma variável. Esse processo será um passo fundamental em praticamente todos os problemas da próxima seção.