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1 Profa. Me. Alessandra Azzolini CÁLCULO APLICADO – UMA VARIÁVEL Aula 6 APLICAÇÃO DAS DERIVADAS Profa. Me. Alessandra Azzolini 2 Profa. Me. Alessandra Azzolini Aplicação das derivadas na física Apresentaremos apenas as aplicações que julgamos mais comuns e a velocidade que é a derivada do espaço em relação ao tempo , onde v é a velocidade e s a posição. Na sequência, a aceleração que é a derivada da velocidade em relação ao tempo , onde a é a aceleração. Assim se temos a equação que descreve a posição de uma determinada partícula, conseguimos obter a equação da velocidade e da aceleração. Exemplo 1 A velocidade como derivada Um objeto em movimento obedece à função horária 𝑠 = 𝑓(𝑡) = 𝑡2 + 2𝑡 (t em segundos e s em metros). Determinar sua velocidade no instante t0 = 1s. Resolução: A velocidade no instante t0 = 1s será igual a derivada da função horária 𝑠 = 𝑓(𝑡). 𝑠 = 𝑓(𝑡) = 𝑡2 + 2𝑡 • Cálculo de 𝑓′(𝑡) = 2𝑡 + 2 • Cálculo de 𝑓′(1) 𝑓′(1) = 4 Portanto, a velocidade no instante t0 = 1s, v(1) será 4 m/s. A aceleração como derivada A aceleração no instante t0 = 1s será igual á derivada da função horária 𝑠 = 𝑓(𝑡). • Cálculo de 𝑓′′(𝑡) 𝑎 = 𝑓′′(𝑡) = 2 • Cálculo de 𝑓′′(1) 𝑓′′(1) = 2 Portanto, a aceleração no instante t0 = 1s, a(1) será 2 m/s². 3 Profa. Me. Alessandra Azzolini Exemplo 2 Um objeto em movimento obedece à função horária 𝑠 = 𝑓(𝑡) = 5𝑡3 + 10𝑡² − 6. Determine a distância após 2 horas, a velocidade e a aceleração após 3 horas. distância após 2 horas 𝒔 = 𝑓(2) = 5(2)3 + 10(2)² − 6 𝑠 = 𝑓(𝑡) = 74 𝑘𝑚 a velocidade após 3 horas 𝒗 = 𝑓′(𝑡) = 15𝑡2 + 20𝑡 𝒗 = 𝑓′(3) = 15(3)2 + 20(3) 𝒗 = 𝑓′(3) = 195 𝑘𝑚/ℎ aceleração após 3 horas 𝒂 = 𝑓′′(𝑡) = 30𝑡 + 20 𝒂 = 𝑓′′(3) = 30.3 + 20 𝒂 = 𝑓′′(3) = 110 𝑘𝑚/ℎ² Exercícios 1. O movimento de um objeto ocorre ao longo de uma reta horizontal, de acordo com a função horária: 𝑠 = 𝑓(𝑡) = 𝑡2 + 3𝑡 − 3. Sabendo-se que a unidade de comprimento é o metro e de tempo, o segundo, calcule a velocidade no instante t0 = 2s. 𝑣 = 𝑓′(𝑡) = 2𝑡 + 3 𝑣 = 𝑓′(2) = 2.2 + 3 𝑣 = 𝑓′(2) = 7 𝑚/𝑠 2. Dada a função horária de um movimento retilíneo 𝑠 = 𝑓(𝑡) = 2𝑡2 − 𝑡, determine a distância em km percorrida e a velocidade em km/h ao fim de 5h. 𝑠 = 𝑓(5) = 2.52 − 5 𝑠 = 𝑓(5) = 45 𝑘𝑚 𝑣 = 𝑓′(𝑡) = 4𝑡 − 1 𝑣 = 𝑓′(5) = 4.5 − 1 𝑣 = 𝑓′(5) = 19 𝑘𝑚/ℎ 3. Determine a aceleração de uma partícula no instante t0 = 5, sabendo que sua velocidade obedece à função 𝑣(𝑡) = 2𝑡2 + 3𝑡 (Velocidade: m/s; tempo:s) 𝑎 = 𝑣′(𝑡) = 4𝑡 + 3 𝑎 = 𝑣′(5) = 4.5 + 3 𝑎 = 𝑣′(5) = 23 𝑚/𝑠² 4 Profa. Me. Alessandra Azzolini Máximos e Mínimos de uma função: teste da primeira derivada Grosseiramente podemos dizer que os pontos de Máximos e Mínimos de uma função são os pontos de picos e de depressões da função. Veja o gráfico: Observando o gráfico podemos identificar que os pontos f(a) e f(b) são pontos de máximo local e f(0) é ponto de mínimo local. Ainda mais, podemos dizer que o ponto f(b) é um máximo absoluto e f(0) é ponto de mínimo absoluto, pois f(b) é o maior valor de f e f(0) é o menor valor de f : . Mas como encontrar estes pontos em uma função qualquer que não se conheça o gráfico? Observamos que nos pontos de máximos e de mínimos de uma função com intervalos infinitos encontram-se os pontos críticos (pontos de inflexão). Assim, quando derivamos e igualamos a zero, encontram-se estes pontos, . O Estudo do sinal da função consiste em avaliar o comportamento da função ao longo do domínio, ou seja, descrever onde ela é crescente, decrescente e os pontos de inflexão. Para realizar este estudo utilizamos os conhecimentos de derivada, uma vez que a derivada descreve a inclinação da reta tangente. Assim, quando tem-se: • , a inclinação é positiva então a função é crescente. • , a inclinação é negativa então a função é decrescente. • , a inclinação é nula então a função está nos pontos de inflexão. 5 Profa. Me. Alessandra Azzolini Vejamos um exemplo: Dada a função 𝑓(𝑥) = 2𝑥3 − 3 2 𝑥2 − 3𝑥 + 1, faça o estudo da função. Primeiramente deve-se derivar a função f(x). Como se trata de um polinômio pode-se aplicar a derivada da potência em cada termo, onde obtém-se: 𝑓′(𝑥) = 2.3𝑥2 − 3 2 . 2𝑥1 − 3.1 + 0 𝑓′(𝑥) = 6𝑥² − 3𝑥 − 3 Iniciamos encontrando os pontos de inflexão, pontos onde a derivada é igual a zero, ou seja, onde a inclinação da reta tangente é nula. 𝑓′(𝑥) = 0 6𝑥2 − 3𝑥 − 3 = 0 Como se trata de uma equação do segundo grau pode-se encontrar as raízes aplicando a fórmula de Bháskara, onde encontram-se as raízes: x' = 1 e x” =− 1 2 Isto quer dizer que os pontos 𝑥 = 1 e 𝑥 = − 1 2 a função f(x) não é crescente nem decrescente. Começamos com o caso onde a função é crescente (𝑓′(𝑥) > 0) De forma análoga, pode-se encontrar onde ela é decrescente, : Observa-se no gráfico o comportamento da função conforme acabamos de encontrar. O ponto de máximo local em e mínimo local em . http://www.dicasdecalculo.com.br/conteudos/derivadas/propriedades-das-derivadas/ http://www.dicasdecalculo.com.br/formula-de-bhaskara/ 6 Profa. Me. Alessandra Azzolini Máximos e Mínimos de uma função: teste da segunda derivada Análise da concavidade de uma função Apresenta-se como realizar a Análise da concavidade de uma função, ou seja, determinar em que parte do domínio a função possui a concavidade voltada para cima e/ou para baixo. Para isto a função deve ser duas vezes derivável em um intervalo aberto (a,b) e deve- se verificar as seguintes situações: 1) Se em (a,b), então a concavidade está voltada para cima; 2) Se em (a,b), então a concavidade está voltada para baixo; 3) Se em (a,b), então este é um ponto de inflexão. Observação: nem todo ponto de inflexão é um ponto de máximo ou mínimo, sempre faça o estudo do sinal da função antes e depois dos pontos encontrados, pois o sinal deve mudar. Veja o exemplo da função para o domínio , na qual e onde encontramos , porém esta função é monótona crescente (sempre crescente), não havendo troca de sinal em 0. Logo, não há pontos de máximos e de mínimos. Obs: quando temos uma função f continua em um intervalo fechado, [a,b], então tem-se pontos de máximos ou mínimos locais em a e b, mas não necessariamente máximos ou mínimos absolutos. 1º) Calculamos 𝑓′(𝑥) 2º) Calculamos os números críticos 𝑥𝑖 𝑑𝑒 𝑓 ′(𝑥) = 0 3º) Calculamos 𝑓′′(𝑥), nela substituindo os números críticos. 4º) aplicando o teste da derivada segunda: 7 Profa. Me. Alessandra Azzolini Exemplo 1: Determine os intervalos abertos nos quais f(x) têm a concavidade para cima e para baixo: 𝑎) 𝒇(𝒙) = 𝟐𝒙𝟑 − 𝟔𝒙𝟐 + 𝟏 1º) Calculamos 𝑓′(𝑥) 𝒇′(𝒙) = 𝟔𝒙2 − 𝟏𝟐𝒙 2º) Calculamos os números críticos 𝑥𝑖 𝑑𝑒 𝒇′(𝒙) = 𝟎 𝟔𝒙2 − 𝟏𝟐𝒙 = 𝟎 𝟔𝒙(𝒙 − 𝟐) = 𝟎 𝟔𝒙 = 𝟎 𝒙 − 𝟐 = 𝟎 𝒙 = 𝟎 𝒐𝒖 𝒙 = 𝟐 3º) Calculamos 𝑓′′(𝑥), nela substituindo os números críticos. 𝒇′′(𝒙) = 𝟏𝟐𝒙 − 𝟏𝟐 4º) aplicando o teste da derivada segunda: Como 𝑓′′(0) 𝑒 𝑓′′(2) são diferentes de zero, existem extremos locais. 𝒇′′(𝟎) = −𝟏𝟐 𝒇′′(𝟐) = 𝟏𝟐 𝑥 = 0 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑥 = 2 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 Exemplo 2: Encontre os pontos de máximos e mínimos da função dada: com . Sabemos que f é diferenciável por ser uma função polinomial, assim pode-se derivar e encontrar os pontos críticos da função da seguinte forma: 1º) Calculamos 𝑓′(𝑥) 𝑓′(𝑥) = 2𝑥 − 2 2º) Calculamos os números críticos 𝑥𝑖 𝑑𝑒 𝑓 ′(𝑥) = 0 2𝑥 − 2 = 0 2𝑥 = 2 𝑥 = 2 2 𝑥 = 18 Profa. Me. Alessandra Azzolini Calculando os pontos críticos: onde encontramos em x =1 . Estudando o sinal antes e depois do ponto crítico tem-se: 3º) Calculamos 𝑓′′(𝑥), nela substituindo os números críticos. 𝑓′′(𝑥) = 2 4º) aplicando o teste da derivada segunda: Como 𝑓′′(1) são diferentes de zero, existem extremos locais. 𝑓′′(1) = 2 𝑥 = 1 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 Exemplo 3: Suponha que o número de bactérias em uma cultura no instante t é dada por . Ache o maior e o menor número de bactérias durante o intervalo de tempo . Este exemplo possui domínio fechado. Assim, no cálculo dos máximos e mínimos devemos observar, além dos pontos críticos, os pontos extremos do domínio. Iniciamos encontrando os possíveis pontos críticos a partir da primeira derivada e igualando a zero, na derivação devemos utilizar a derivada do produto: , . Em seguida, deve-se igualar a zero, : . Por fim, deve-se calcular o número de bactérias nos extremos e no ponto crítico. Para assim concluirmos quais são os pontos de máximo e mínimo dentro do intervalo adotado: ; ; . http://www.dicasdecalculo.com.br/conteudos/derivadas/propriedades-das-derivadas/ 9 Profa. Me. Alessandra Azzolini Portanto, temos como o menor número de bactérias 125000 e como o maior número de bactérias 161787,94 no intervalo indicado. O gráfico do número de bactérias em função do tempo é o seguinte: Aplicação da Teoria dos Máximos e Mínimos na Resolução de Problema Exemplo 1 Dentre os retângulos de 16 cm de perímetro, qual o de maior área? Resolução 1º) Determinamos a função principal: A função principal é a área do retângulo, pois a grandeza área vem acompanhada da expressão maior. Sejam x e y os lados de um retângulo. A área do retângulo em função de x e y será 𝑨(𝒙, 𝒚) = 𝒙𝒚 ( 1 ) 2º) Escrevemos a função principal só dependendo de uma variável. 𝟐𝒑 = 𝟐𝒙 + 2y = 16 𝒑 = 𝒙 + y = 8 y = 8 - x O outro dado do problema, 16 cm de perímetro servirá para fazer com que a função principal tenha uma só variável ou só x ou y. O perímetro do retângulo é dado por 2p = 2x + 2y => y = 8 -x ( 2 ) Substituindo (2) em (1), vem: 𝑨(𝒙) = 𝒙𝒚 10 Profa. Me. Alessandra Azzolini 𝑨(𝒙) = 𝒙(𝟖 − 𝒙) 𝑨(𝒙) = 𝟖𝒙 − 𝒙² 𝑨(𝒙) = −𝒙2 + 𝟖𝒙 3º) Calculamos os pontos críticos de 𝑨(𝒙): 𝑨′(𝒙) = −𝟐𝒙 + 𝟖 −𝟐𝒙 + 𝟖 = 𝟎 𝒙 = 𝟒 𝒙 = 𝟒 é 𝒐 ú𝒏𝒊𝒄𝒐 𝒑𝒐𝒏𝒕𝒐 𝒄𝒓í𝒕𝒕𝒊𝒄𝒐 𝒅𝒆 𝑨(𝒙). 4º) Calculamos 𝑨′′(𝒙) 𝑨′′(𝒙) = −𝟐 𝑨′′(4) = −𝟐 5º) Conclusão y = 8 - x y = 8 – 4 y = 4 𝑨(4) = −𝟐, 𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒐 O retângulo de maior área é dado por 𝑨(4) = −𝟐, 𝒊𝒔𝒕𝒐 é, 𝒖𝒎 𝒒𝒖𝒂𝒅𝒓𝒂𝒅𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂𝒅𝒐 𝒄𝒐𝒎 𝟒 𝒄𝒎. Exemplo 2 Um exercício em que se utiliza o conhecimento de Máximos e Mínimos de uma função. Usando uma folha quadrada de cartolina, de lado 30cm, deseja-se construir uma caixa sem tampa, cortando seus cantos em quadrados iguais e dobrado convenientemente a parte restante. Determinar o lado dos quadrados que devem ser cortados de modo que o volume da caixa seja o maior possível. Iniciamos a resolução fazendo um esboço do problema: 11 Profa. Me. Alessandra Azzolini onde y é o lado dos quadrados a serem cortados e x a medida resultante após o corte. Assim, tem-se: . Após basta cortar os cantos e dobrá-los para obter uma caixa da seguinte forma: onde o volume é calculado como: . Substituindo tem-se: . Sabe-se que os máximos e mínimos são encontrados nos pontos críticos, ou seja, onde o coeficiente angular da reta tangente é igual a zero. Assim, para obter os pontos onde este coeficiente seja igual a zero, deve-se derivar a equação é igualar a zero, . Em seguida, encontram-se os valores destes pontos: . Aplicando a Fórmula de Bhaskara obtém-se: , o que nos dá e . Porém, o valor de não pode ser admitido, visto que teríamos um valor de . Resposta: devem ser cortados quadrados de lados de . http://www.dicasdecalculo.com.br/formula-de-bhaskara/ 12 Profa. Me. Alessandra Azzolini Exercícios 1. Determine o(s) ponto(s) crítico(s) da função dada: 𝑎) 𝑓(𝑥) = 𝑥2 − 2𝑥 + 1 𝑓′(𝑥) = 2𝑥 − 2 2𝑥 − 2 = 0 𝑥 = 1 𝑏) 𝑓(𝑥) = 𝑥3 − 3𝑥2 + 5 𝑓′(𝑥) = 3𝑥2 − 6𝑥 3𝑥2 − 6𝑥 = 0 𝑥 = 0 𝑜𝑢 𝑥 = 2 𝑐) 𝑓(𝑥) = 𝑥4 + 3 𝑓′(𝑥) = 4𝑥³ 4𝑥3 = 0 𝑥 = 0 𝑑) 𝑓(𝑥) = 𝑥4 − 8𝑥3 𝑓′(𝑥) = 4𝑥³ − 24𝑥² 4𝑥3 − 24𝑥2 = 0 4𝑥2(𝑥 − 6) = 0 𝑥 = 0 𝑜𝑢 𝑥 = 6 13 Profa. Me. Alessandra Azzolini 2. Determine os pontos de máximos relativo e de mínimo relativo das funções, se existirem: 1º) Calculamos 𝑓′(𝑥) 2º) Calculamos os números críticos 𝑥𝑖 𝑑𝑒 𝑓 ′(𝑥) = 0 3º) Calculamos 𝑓′′(𝑥), nela substituindo os números críticos. 4º) aplicando o teste da derivada segunda 𝑎) 𝑓(𝑥) = 𝑥2 − 6𝑥 + 8 1º) 𝑓′(𝑥) = 2𝑥 − 6 2º) 2𝑥 − 6 = 0 2𝑥 = 6 𝑥 = 6 2 𝑥 = 3 3º) 𝑓′′(𝑥) = 2 4º) 𝑓′′(3) = 2 𝑥 = 3, 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑏) 𝑓(𝑥) = 𝑥3 − 6𝑥2 + 9𝑥 − 17 1º) 𝑓′(𝑥) = 3𝑥2 − 12𝑥 + 9 2º) 3𝑥2 − 12𝑥 + 9 = 0 𝑥2 − 4𝑥 + 3 = 0 𝑥 = 1 𝑜𝑢 𝑥 = 3 3º) 𝑓′′(𝑥) = 6𝑥 − 12 4º) 𝑓′′(1) = −6 𝑓′′(3) = 6 𝑥 = 1 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑥 = 3 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑐) 𝑓(𝑥) = −𝑥3 + 3𝑥2 − 1 𝑓′(𝑥) = −3𝑥2 + 6𝑥 −3𝑥2 + 6𝑥 = 0 14 Profa. Me. Alessandra Azzolini 𝑥 = 0 𝑜𝑢 𝑥 = 2 𝑓′′(𝑥) = − 6𝑥 + 6 𝑓′′(0) = 6 𝑓′′(2) = −6 𝑥 = 0 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑥 = 2 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑) 𝑓(𝑥) = 2𝑥3 − 12𝑥2 + 24𝑥 + 5 𝑓′(𝑥) = 6𝑥2 − 24𝑥 + 24 6𝑥2 − 24𝑥 + 24 = 0 𝑥2 − 4𝑥 + 4 = 0 𝑥 = 2 𝑓′′(𝑥) = 12𝑥 − 24 𝑓′′(2) = 0 𝑥 = 2 é 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑒𝑥ã𝑜 15 Profa. Me. Alessandra Azzolini Regra de L’Hospital Apresenta-se uma forma prática de resolver limites indeterminados utilizando derivadas, isto é através da Regra de L’Hospital. Entretanto, para utilizar estas regras temos que ter as indeterminações dos tipos ou . Seja as funções e diferenciáveis em um intervalo aberto que contém e que: e ou e . Se existe ou se esse limite for ou , então: . Obs: Esta mesma afirmação vale para , , ou . Exemplos: Este é um dos limites fundamentais, que com o uso Regra de L’Hospital torna-se bem fácil de ser encontrado. Como tem-se: e as funções são diferenciáveis podemos usar a regra de L’Hopital, onde obtém-se: . Como temos uma indeterminação do tipo e as funções são diferenciáveis, podemos usa a regra de L’Hopital, onde obtém-se: 16 Profa. Me. Alessandra Azzolini Exercícios Determine: 𝑎) lim 𝑥→2 𝑥2 − 4 𝑥2 − 5𝑥 = 0 𝑏) lim 𝑥→1 𝑥2 − 3𝑥 + 2 𝑥2 − 5𝑥 + 4 => lim 𝑥→1 2𝑥 − 3 2𝑥 − 5 = −1 −3 = 1 3 𝑐) lim 𝑥→1 2𝑥2 − 4𝑥 + 2 𝑥3 − 𝑥2 − 𝑥 + 1 => lim 𝑥→1 4𝑥 − 4 3𝑥2 − 2𝑥 − 1 => lim 𝑥→1 4 6𝑥 − 2 = 1 𝑑) lim 𝑥→−∞ 2𝑥2 + 3𝑥 𝑥3 + 4 => lim 𝑥→−∞ 4𝑥 + 3 3𝑥² => lim 𝑥→−∞ 4 6𝑥 = 0 𝑒) lim 𝑥→+∞ 𝑥2 − 3𝑥 + 1 4𝑥2 + 1 => lim 𝑥→+∞ 2𝑥 − 3 8𝑥 => lim 𝑥→+∞ 2 8 = 1 4 𝑓) lim 𝑥→0 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥 => lim 𝑥→0 𝑐𝑜𝑠 𝑥 1 = 1 1 = 1 𝑔) lim 𝑥→0 𝑥 1 − 𝑒𝑥 => lim 𝑥→0 1 −𝑒𝑥 = 1 −1 = −1 ℎ) lim 𝑥→1 ln 𝑥 𝑥 − 1 => lim 𝑥→1 1 𝑥 1 => lim 𝑥→1 1 𝑥 = 1 𝑖) lim 𝑥→0 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑥2 − 𝑥 => lim 𝑥→0 𝑐𝑜𝑠 𝑥 2𝑥 − 1 = 1 −1 = −1 𝑗) lim 𝑥→∞ 𝑒3𝑥 𝑥2 => lim 𝑥→∞ 3𝑒3𝑥 2𝑥 => lim 𝑥→∞ 9𝑒3𝑥 2 = ∞ 2 = ∞ 17 Profa. Me. Alessandra Azzolini REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS STEWART, James. Cálculo, volume I. 5ª edição. São Paulo- SP: Pioneira Thomson Learning, 2006. GUIDORIZZI, Hamilton L. Um Curso de Cálculo: Volume 1. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2001. Disponível em https://www.dicasdecalculo.com.br/conteudos/derivadas/aplicacoes-de derivadas/ acesso em 29 de setembro 2019. https://www.dicasdecalculo.com.br/conteudos/derivadas/aplicacoes-de%20derivadas/ https://www.dicasdecalculo.com.br/conteudos/derivadas/aplicacoes-de%20derivadas/
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