ITA 2024 – 1ª fase: Matemática resolvida
Fonte: ITA – prova da 1ª fase e gabarito oficial. Arquivos na página de provas anteriores do ITA.
A 1ª fase do ITA 2024 teve 60 questões de múltipla escolha, 12 de cada disciplina (Física, Português, Inglês, Matemática e Química). Este post traz as questões de matemática, numeradas de 37 a 48 como na prova.
Convenções da prova. $\mathbb{N} = \{1, 2, 3, \dots\}$; $A - B$ é a diferença dos conjuntos $A$ e $B$; $i^2 = -1$; $M_n(\mathbb{R})$ é o conjunto das matrizes $n \times n$ reais; $\overline{AB}$ é o segmento e $AB$ a reta por $A$ e $B$; $m(\overline{AB})$ é o comprimento de $\overline{AB}$; $A\hat{B}C$ é o ângulo de vértice $B$; $\det A$ é o determinante e $A^T$ a transposta de $A$.
Gabarito
| Questão | Assunto | Gabarito |
|---|---|---|
| 37 | Operações com conjuntos | B |
| 38 | Sistema de equações matriciais | E |
| 39 | Arco duplo com arco tangente | A |
| 40 | Contagem: princípio da casa dos pombos | B |
| 41 | Polinômios: soma das raízes de 120 polinômios | D |
| 42 | Raízes em progressão geométrica | C |
| 43 | Cilindro e progressão geométrica | E |
| 44 | Poliedros: relação de Euler | D |
| 45 | Geometria plana: área de quadrilátero | C |
| 46 | Números complexos: $a^m = b^m$ | D |
| 47 | Geometria analítica: bissetriz externa | A |
| 48 | Elipse contendo um círculo | C |
Questão 37: Três identidades com conjuntos
Enunciado
Sejam $A, B, C \subseteq \mathbb{R}$ tais que $C \subseteq A$. Considere as afirmações:
- I. $(A \cap B) \cup C = A \cap (B \cup C)$.
- II. $A \cap B = C \cup (B \cap (\mathbb{R} - C))$.
- III. $A \cap (B - C) = (A \cap B) - C$.
É (São) VERDADEIRA(S):
- A) apenas I e II.
- B) apenas I e III.
- C) apenas II.
- D) apenas III.
- E) I, II e III.
Resolução
I. Verdadeira. Pela distributividade, $A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)$. Como $C \subseteq A$, $A \cap C = C$, e fica $(A \cap B) \cup C$.
II. Falsa. O lado direito é $C \cup (B - C) = B \cup C$. Contraexemplo: $A = \mathbb{R}$, $B = \varnothing$, $C = \{1\}$. Então $A \cap B = \varnothing$, mas $B \cup C = \{1\}$.
III. Verdadeira. Os dois lados são o conjunto dos elementos que estão em $A$ e em $B$ e não estão em $C$: $A \cap B \cap (\mathbb{R} - C)$. (Essa vale até sem a hipótese $C \subseteq A$.)
Resposta: alternativa B (apenas I e III).
Para revisar, veja Operações com Conjuntos.
Questão 38: Um sistema cujas incógnitas são matrizes
Enunciado
Sejam $A, B, C, D \in M_n(\mathbb{R})$. Considere o sistema linear
$$\begin{cases} AX = B \\ DX + Y = C \end{cases}$$nas variáveis $X, Y \in M_n(\mathbb{R})$. Considere as afirmações:
- I. Se $\det A = 0$ ou $\det D = 0$, então o sistema é impossível.
- II. Se $A = B$, então o sistema possui uma única solução.
- III. O sistema possui uma única solução apenas se $A$ e $D$ são inversíveis.
É (São) VERDADEIRA(S):
- A) apenas I.
- B) apenas II.
- C) apenas III.
- D) apenas II e III.
- E) nenhuma.
Resolução
A observação central: a 2ª equação sempre determina $Y = C - DX$. Então o sistema tem tantas soluções quanto a equação $AX = B$.
I. Falsa. Com $A = I$ (inversível) e $D = 0$ ($\det D = 0$), a solução $X = B$, $Y = C$ existe.
II. Falsa. Se $A = B = 0$, então $AX = B$ vale para toda $X$: infinitas soluções.
III. Falsa. A unicidade depende só de $A$ ser inversível; $D$ pode ser qualquer. Por exemplo, $A = I$ e $D = 0$ dão a solução única $X = B$, $Y = C$.
Resposta: alternativa E (nenhuma).
Questão 39: Cosseno e seno de 2·arctg(4/3)
Enunciado
Determine o valor de
$$\cos\left(2\operatorname{arctg}\left(\frac{4}{3}\right)\right) + \operatorname{sen}\left(2\operatorname{arctg}\left(\frac{4}{3}\right)\right).$$- A) $\frac{17}{25}$.
- B) $\frac{4}{5}$.
- C) $\frac{24}{25}$.
- D) $\frac{28}{25}$.
- E) $\frac{31}{25}$.
Resolução
Seja $\theta = \operatorname{arctg}\frac{4}{3}$, um ângulo agudo com $\operatorname{tg}\theta = \frac{4}{3}$. No triângulo retângulo 3-4-5: $\operatorname{sen}\theta = \frac{4}{5}$ e $\cos\theta = \frac{3}{5}$.
$$\cos 2\theta = \cos^2\theta - \operatorname{sen}^2\theta = \frac{9 - 16}{25} = -\frac{7}{25}, \qquad \operatorname{sen} 2\theta = 2\cdot\frac{4}{5}\cdot\frac{3}{5} = \frac{24}{25}$$$$\cos 2\theta + \operatorname{sen} 2\theta = \frac{-7 + 24}{25} = \frac{17}{25}$$Resposta: alternativa A ($\frac{17}{25}$).
Cuidado com a pegadinha: quem esquece o sinal de $\cos 2\theta$ (que é negativo, pois $2\theta > 90^\circ$) chega a $\frac{31}{25}$, a alternativa E.
Para revisar, veja Seno, cosseno e tangente do arco duplo.
Questão 40: Garantindo um par com produto 256
Enunciado
Considere o conjunto:
$$A = \{1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256\}.$$Qual o menor $n \in \mathbb{N}$ tal que todo subconjunto de $A$ com $n$ elementos contenha pelo menos um par cujo produto seja 256?
- A) $n = 5$.
- B) $n = 6$.
- C) $n = 7$.
- D) $n = 8$.
- E) $n = 9$.
Resolução
1. Expoentes. Os elementos são $2^0, 2^1, \dots, 2^8$, e $2^a \cdot 2^b = 256 = 2^8$ quando $a + b = 8$. Com elementos distintos, os pares são
$$\{1, 256\}, \quad \{2, 128\}, \quad \{4, 64\}, \quad \{8, 32\}$$e o 16 fica sozinho ($16 \cdot 16 = 256$, mas é o mesmo elemento).
2. O maior subconjunto “sem par”. Podemos pegar um elemento de cada par e mais o 16: por exemplo, $\{1, 2, 4, 8, 16\}$, com 5 elementos e nenhum produto 256.
3. Casa dos pombos. Com 6 elementos, tirando no máximo o 16, sobram pelo menos 5 elementos distribuídos em apenas 4 pares; dois deles caem no mesmo par, e o produto é 256.
Resposta: alternativa B ($n = 6$).
Questão 41: Soma das raízes de todos os polinômios
Enunciado
Considere o conjunto $C = \{1, 2, 3, 4, 5\}$. Para cada escolha possível de $a_0, a_1, a_2, a_3, a_4 \in C$, dois a dois distintos, formamos o polinômio
$$a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + a_3 x^3 + a_4 x^4.$$A soma das raízes, contadas com multiplicidade, de todos os polinômios formados nesse processo é igual a:
- A) $-\frac{17125}{4}$.
- B) $-1800$.
- C) $-360$.
- D) $-\frac{351}{2}$.
- E) $-\frac{101}{4}$.
Resolução
1. Um polinômio. São $5! = 120$ polinômios, todos de grau 4. Por Girard, a soma das raízes de cada um é $-\dfrac{a_3}{a_4}$.
2. Agrupando. O valor $-\frac{a_3}{a_4}$ só depende do par ordenado $(a_3, a_4)$ de elementos distintos, e cada par aparece em $3! = 6$ polinômios (as ordens de $a_0, a_1, a_2$). Então
$$S = -6\sum_{a_3 \ne a_4}\frac{a_3}{a_4}$$3. A soma dupla. Fixado $a_4$, $a_3$ percorre os outros 4 elementos, que somam $15 - a_4$:
$$\sum_{a_3 \ne a_4}\frac{a_3}{a_4} = \sum_{a_4 = 1}^{5}\frac{15 - a_4}{a_4} = 15\left(1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \frac{1}{5}\right) - 5 = 15\cdot\frac{137}{60} - 5 = \frac{137}{4} - 5 = \frac{117}{4}$$4. Total.
$$S = -6\cdot\frac{117}{4} = -\frac{351}{2}$$(Conferimos por computador somando $-a_3/a_4$ sobre as 120 permutações.)
Resposta: alternativa D ($-\frac{351}{2}$).
Questão 42: Raízes em progressão geométrica
Enunciado
O valor de $k \in \mathbb{R}$ de modo que as raízes do polinômio $p(x) = x^3 + 3x^2 - 6x + k$ estejam em progressão geométrica é:
- A) $-18$.
- B) $-16$.
- C) $-8$.
- D) $-2$.
- E) $-1$.
Resolução
1. Raízes em PG. Escreva as raízes como $\frac{a}{q}$, $a$, $aq$. Por Girard:
$$a\left(\frac{1}{q} + 1 + q\right) = -3, \qquad a^2\left(\frac{1}{q} + 1 + q\right) = -6, \qquad a^3 = -k$$2. Dividindo a 2ª relação pela 1ª: $a = 2$. Então $k = -a^3 = -8$.
Conferindo: $p(x) = x^3 + 3x^2 - 6x - 8 = (x - 2)(x^2 + 5x + 4) = (x - 2)(x + 1)(x + 4)$. As raízes $-1$, $2$, $-4$ formam uma PG de razão $-2$ ✔
Resposta: alternativa C ($-8$).
Questão 43: Base, lateral e volume em PG
Enunciado
Considere um cilindro circular reto tal que a área da sua base $A_1$, a área da sua superfície lateral $A_2$ e o seu volume $A_3$ formem, nesta ordem, uma progressão geométrica crescente. A medida do raio da base pode estar no intervalo:
- A) $\left(1, \frac{5}{4}\right)$.
- B) $\left(\frac{5}{4}, \frac{3}{2}\right)$.
- C) $\left(\frac{3}{2}, \frac{7}{4}\right)$.
- D) $\left(\frac{7}{4}, 2\right)$.
- E) $\left(2, \frac{5}{2}\right)$.
Resolução
Com raio $r$ e altura $h$: $A_1 = \pi r^2$, $A_2 = 2\pi r h$, $A_3 = \pi r^2 h$.
1. Condição de PG. $A_2^2 = A_1 A_3$:
$$4\pi^2 r^2 h^2 = \pi^2 r^4 h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{r^2}{4}$$2. Razão. $q = \frac{A_2}{A_1} = \frac{2h}{r} = \frac{r}{2}$ (e também $\frac{A_3}{A_2} = \frac{r}{2}$ ✔). PG crescente de termos positivos exige $q > 1$:
$$\frac{r}{2} > 1 \quad\Rightarrow\quad r > 2$$Qualquer $r > 2$ serve (com $h = \frac{r^2}{4}$). Das alternativas, só o intervalo $\left(2, \frac{5}{2}\right)$ está dentro de $r > 2$.
Resposta: alternativa E.
Questão 44: O poliedro de 24 vértices e 36 arestas
Enunciado
Um poliedro convexo tem 24 vértices e 36 arestas. Sabemos que cada vértice une 3 faces e que o número de arestas em cada face só pode assumir um entre dois valores $m$ ou $n$. É CORRETO afirmar que:
- A) é possível que $m = 3$ e $n = 4$.
- B) é possível que $m = 3$ e $n = 5$.
- C) é possível que $m = 3$ e $n = 7$.
- D) é possível que $m = 3$ e $n = 8$.
- E) é possível que $m = 4$ e $n = 5$.
Resolução
1. Número de faces. Euler: $V - A + F = 2 \Rightarrow F = 2 - 24 + 36 = 14$.
2. Contando arestas pelas faces. Se há $x$ faces com $m$ arestas e $y$ com $n$ arestas, cada aresta é contada por duas faces:
$$x + y = 14, \qquad mx + ny = 2\cdot 36 = 72$$3. Testando.
| $(m, n)$ | equação para $y$ | $y$ | possível? |
|---|---|---|---|
| $(3, 4)$ | $42 + y = 72$ | $30$ | não ($y > 14$) |
| $(3, 5)$ | $42 + 2y = 72$ | $15$ | não ($y > 14$) |
| $(3, 7)$ | $42 + 4y = 72$ | $7{,}5$ | não |
| $(3, 8)$ | $42 + 5y = 72$ | $6$ | sim: 8 triângulos e 6 octógonos |
| $(4, 5)$ | $56 + y = 72$ | $16$ | não ($y > 14$) |
O caso $(3, 8)$ existe de fato: é o cubo truncado (corte os 8 cantos de um cubo). Ele tem 8 faces triangulares, 6 octogonais, 24 vértices e 36 arestas, e em cada vértice se encontram 3 faces.
Resposta: alternativa D.
Questão 45: A área do quadrilátero APMS
Enunciado
Considere um triângulo $ABC$ e $M$ o ponto médio do lado $\overline{BC}$. Tome o ponto $R \ne A$ na reta $AB$ tal que $m(\overline{AB}) = m(\overline{BR})$ e o ponto $Q$ na reta $AC$ tal que $m(\overline{AC}) = 2\,m(\overline{CQ})$ e $Q$ não esteja no segmento $\overline{AC}$. A reta $RM$ corta o lado $\overline{AC}$ no ponto $S$ e a reta $QM$ corta o lado $\overline{AB}$ no ponto $P$. Sendo 24 a área do triângulo $ABC$, o valor da área do quadrilátero $APMS$ vale:
- A) 15.
- B) 16.
- C) 17.
- D) 18.
- E) 19.
Resolução
1. Vetores a partir de $A$. Ponha $A$ na origem e chame $\vec{b} = \overrightarrow{AB}$, $\vec{c} = \overrightarrow{AC}$. Então
- $R$ é o simétrico de $A$ em relação a $B$: $R = 2\vec{b}$;
- $Q$ está além de $C$, a meia distância $AC$: $Q = \frac{3}{2}\vec{c}$;
- $M = \frac{1}{2}(\vec{b} + \vec{c})$.
2. O ponto $S$. Na reta $RM$: $2\vec{b} + t\left(M - R\right) = \left(2 - \frac{3t}{2}\right)\vec{b} + \frac{t}{2}\vec{c}$. Está na reta $AC$ quando o coeficiente de $\vec{b}$ é zero: $t = \frac{4}{3}$, e $S = \frac{2}{3}\vec{c}$.
3. O ponto $P$. Na reta $QM$: $\frac{3}{2}\vec{c} + s\left(M - Q\right) = \frac{s}{2}\vec{b} + \left(\frac{3}{2} - s\right)\vec{c}$. Está em $AB$ quando $s = \frac{3}{2}$, e $P = \frac{3}{4}\vec{b}$.
4. Área por dois triângulos. Divida $APMS$ pela diagonal $AM$. Lembrando que $S_{ABM} = S_{AMC} = 12$ (a mediana divide a área ao meio):
- $S_{APM} = \frac{AP}{AB}\cdot S_{ABM} = \frac{3}{4}\cdot 12 = 9$;
- $S_{AMS} = \frac{AS}{AC}\cdot S_{AMC} = \frac{2}{3}\cdot 12 = 8$.
Conferindo pela fórmula do produto vetorial (shoelace): a área é $\frac{1}{2}\left|P \times M + M \times S\right| = \frac{1}{2}\left(\frac{3}{8} + \frac{1}{3}\right)|\vec{b} \times \vec{c}| = \frac{17}{48}\cdot 48 = 17$ ✔ (com $|\vec{b} \times \vec{c}| = 2\cdot 24$).
Resposta: alternativa C (17).
Questão 46: Quando aᵐ = bᵐ?
Enunciado
Sejam $a = 1 + 3\sqrt{3}\,i$ e $b = 2\sqrt{3} + 4i$ números complexos. O menor valor $m \in \mathbb{N}$ tal que $a^m = b^m$ é:
- A) 6.
- B) 8.
- C) 10.
- D) 12.
- E) não existe $m \in \mathbb{N}$ satisfazendo esta igualdade.
Resolução
1. Mesmo módulo. $|a|^2 = 1 + 27 = 28$ e $|b|^2 = 12 + 16 = 28$.
2. O quociente. $a^m = b^m \iff \left(\frac{a}{b}\right)^m = 1$. Calculando:
$$\frac{a}{b} = \frac{(1 + 3\sqrt{3}\,i)(2\sqrt{3} - 4i)}{28} = \frac{2\sqrt{3} - 4i + 18i + 12\sqrt{3}}{28} = \frac{14\sqrt{3} + 14i}{28} = \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{1}{2}i = \operatorname{cis}\frac{\pi}{6}$$3. A menor potência. $\operatorname{cis}\frac{m\pi}{6} = 1 \iff \frac{m\pi}{6}$ é múltiplo de $2\pi$ $\iff m$ é múltiplo de 12. O menor é $m = 12$.
Resposta: alternativa D (12).
Questão 47: Perpendicular à bissetriz por B
Enunciado
Considere o triângulo de vértices $A = (0, 0)$, $B = (\sqrt{2}, \sqrt{3})$ e $C = \left(\frac{5}{2}\sqrt{2}, 0\right)$. A equação da reta que passa por $B$ e é perpendicular à bissetriz do ângulo $A\hat{B}C$ é:
- A) $y = (5 - 2\sqrt{6})x + 5\sqrt{3} - 5\sqrt{2}$.
- B) $y = (5 + 2\sqrt{6})x - 3\sqrt{3} - 5\sqrt{2}$.
- C) $y = (5 - \sqrt{6})x + 3\sqrt{3} - 5\sqrt{2}$.
- D) $y = -(5 + 2\sqrt{6})x + 5\sqrt{3} + 5\sqrt{2}$.
- E) $y = (-5 + 2\sqrt{6})x - 3\sqrt{3} + 5\sqrt{2}$.
Resolução
A reta por $B$ perpendicular à bissetriz interna é a bissetriz externa em $B$. Se $\vec{u}$ e $\vec{v}$ são os vetores unitários de $B$ para $A$ e de $B$ para $C$, a bissetriz interna tem direção $\vec{u} + \vec{v}$ e a externa, $\vec{u} - \vec{v}$ (os dois são perpendiculares porque $|\vec{u}| = |\vec{v}|$).
1. Vetores unitários.
- $\overrightarrow{BA} = (-\sqrt{2}, -\sqrt{3})$, com módulo $\sqrt{5}$: $\vec{u} = \frac{1}{\sqrt{5}}(-\sqrt{2}, -\sqrt{3})$.
- $\overrightarrow{BC} = \left(\frac{3\sqrt{2}}{2}, -\sqrt{3}\right)$, com módulo $\sqrt{\frac{9}{2} + 3} = \sqrt{\frac{15}{2}}$: $\vec{v} = \frac{1}{\sqrt{15}}(3, -\sqrt{6})$.
2. Direção da bissetriz externa. Multiplicando $\vec{u} - \vec{v}$ por $\sqrt{15}$:
$$\sqrt{15}(\vec{u} - \vec{v}) = (-\sqrt{6}, -3) - (3, -\sqrt{6}) = (-3 - \sqrt{6},\ \sqrt{6} - 3)$$3. Coeficiente angular.
$$m = \frac{\sqrt{6} - 3}{-(3 + \sqrt{6})} = \frac{3 - \sqrt{6}}{3 + \sqrt{6}} = \frac{(3 - \sqrt{6})^2}{9 - 6} = \frac{15 - 6\sqrt{6}}{3} = 5 - 2\sqrt{6}$$4. A reta por $B$.
$$y = (5 - 2\sqrt{6})(x - \sqrt{2}) + \sqrt{3} = (5 - 2\sqrt{6})x - 5\sqrt{2} + 2\sqrt{12} + \sqrt{3} = (5 - 2\sqrt{6})x + 5\sqrt{3} - 5\sqrt{2}$$(usamos $2\sqrt{6}\cdot\sqrt{2} = 2\sqrt{12} = 4\sqrt{3}$).
Conferindo: com o computador, o produto escalar entre $\vec{u} - \vec{v}$ e $\vec{u} + \vec{v}$ dá 0 e a inclinação $\approx 0{,}101 = 5 - 2\sqrt{6}$ ✔
Resposta: alternativa A.
Questão 48: A elipse mais achatada que contém o círculo
Enunciado
Considere a elipse dada pela equação
$$\lambda x^2 + (\lambda + 4)y^2 - 4\lambda x - (10\lambda + 40)y + 25(\lambda + 4) - \lambda^2 = 0,$$e o círculo de equação
$$x^2 + y^2 - 4x - 12y + 36 = 0.$$Estando o interior do círculo inteiramente contido no interior da elipse, o valor de $\lambda \in \mathbb{R} - \{-4, 0\}$ quando a excentricidade da elipse é máxima é igual a:
- A) 3.
- B) 5.
- C) 9.
- D) 13.
- E) 15.
Resolução
1. Forma reduzida da elipse. Completando quadrados ($x^2 - 4x = (x - 2)^2 - 4$ e $y^2 - 10y = (y - 5)^2 - 25$):
$$\lambda(x - 2)^2 + (\lambda + 4)(y - 5)^2 - 4\lambda - 25(\lambda + 4) + 25(\lambda + 4) - \lambda^2 = 0$$$$\lambda(x - 2)^2 + (\lambda + 4)(y - 5)^2 = \lambda(\lambda + 4) \quad\Rightarrow\quad \frac{(x - 2)^2}{\lambda + 4} + \frac{(y - 5)^2}{\lambda} = 1$$É elipse para $\lambda > 0$: centro $(2, 5)$, semieixo horizontal $\sqrt{\lambda + 4}$ (o maior) e vertical $\sqrt{\lambda}$.
2. Excentricidade. $e^2 = 1 - \frac{\lambda}{\lambda + 4} = \frac{4}{\lambda + 4}$: a excentricidade é máxima quando $\lambda$ é o menor possível.
3. O círculo. $(x - 2)^2 + (y - 6)^2 = 4$: centro $(2, 6)$, raio 2. Ele vai de $y = 4$ a $y = 8$.
4. Condição de contenção. O ponto mais alto do círculo, $(2, 8)$, precisa estar na elipse ou dentro dela:
$$\frac{(8 - 5)^2}{\lambda} \le 1 \quad\Rightarrow\quad \lambda \ge 9$$Para $\lambda = 9$, o círculo inteiro fica dentro: um ponto do círculo é $(2 + 2\cos t,\ 6 + 2\operatorname{sen} t)$, e com $s = \operatorname{sen} t$,
$$\frac{4\cos^2 t}{13} + \frac{(1 + 2s)^2}{9} = \frac{4(1 - s^2)}{13} + \frac{(1 + 2s)^2}{9}$$é crescente em $s \in [-1, 1]$ (a derivada $-\frac{8s}{13} + \frac{4 + 8s}{9}$ só se anula em $s \approx -1{,}6$) e atinge o valor máximo 1 em $s = 1$, isto é, no ponto $(2, 8)$, onde o círculo tangencia a elipse por dentro. Logo o menor $\lambda$ é 9.
Resposta: alternativa C ($\lambda = 9$).