Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
/ Disciplina: Análise Matemática para Engenharia I Aula 4: A derivada – parte II / Apresentação Na aula 3, começamos a trabalhar a ideia de derivada. Porém, a complementação da ideia de derivada é fundamental, a �m de que possamos usá-la plenamente nas diferentes aplicações que serão vistas nas aulas 5 e 6. Além disso, nesta aula, veremos a abordagem das relações entre quantidades físicas ou matemáticas, que podem ser descritas por meio de grá�cos, fórmulas, dados numéricos ou palavras. Tais relações constituem um dos temas mais importantes da Análise Matemática. Desta forma, vamos continuar nossa jornada avaliando algumas funções particulares e algumas “mais complexas”. Objetivos Determinar a derivada de funções inversas; Aplicar o conceito de derivada em funções logarítmicas; Desenvolver o conceito de derivadas sucessivas de uma função. / Famílias de funções As funções e as equações paramétricas são as principais ferramentas para descrever o mundo real em termos matemáticos. É comum que as funções sejam agrupadas em famílias, de acordo com as fórmulas ou características comuns pelas quais as funções são de�nidas. O grá�co de uma função constante é o grá�co da equação , que é a reta horizontal. Se você variar c, obterá um conjunto ou uma família de retas horizontais como ilustra a Figura 1. f (x) = c y = c Figura 1: Gráfico para uma família de curvas gerada pela função .f (x) = c Denomina-se parâmetro a constante que pode ser variada para a produção de uma família de curvas. Exemplo / Por exemplo, a função de que representa uma reta é dada por: , onde a inclinação é representada pelo parâmetro , enquanto representa o ponto de corte com o eixo . Nas Figuras 2 e 3, veja o que ocorre quando mantemos um dos parâmetros �xo enquanto o outro varia. y = mx + b m b y Figura 2: Família de curvas para a função . O parâmetro foi mantido fixo.f (x) = mx+ b b / Figura 3: Família de curvas para a função . O parâmetro foi mantido fixo.f (x) = mx+ b m / Função potência A função potência é uma função de forma . Primeiro caso: parâmetro é um número inteiro e positivo O primeiro caso a ser visto é quando o parâmetro é um número inteiro e positivo, por exemplo, . Você encontra na Figura 4 o esboço de algumas curvas para a função potência . Na Figura 4 podem ser observadas funções pares e funções ímpares quando . f (x) = xp p p p = n y = xn Figura 4: Gráficos para as diferentes curvas geradas pela função .f (x) = xn n ≥ 2 Clique nos botões para ver as informações. Uma função é par se, para todo valor de no domínio de , . Isso ocorre quando os valores do parâmetro são pares. Veri�que ainda na Figura 4 que os grá�cos de para pares são simétricos em relação ao eixo . Função par x f f(−x) = f(x) n f (x) = xn n y Uma função é denominada ímpar se, para todo valor de no domínio de , . Isso ocorre quando os valores do parâmetro são ímpares. Veri�que na Figura 4 que os grá�cos de para ímpares são simétricos em relação à origem. Função ímpar f x f f(−x) = −f(x) n f (x) = xn n / Segundo caso: parâmetro é um número inteiro e negativo O segundo caso a ser discutido é quando o parâmetro é um número inteiro, porém, desta vez, negativo. Neste caso, e a função potência assume a forma . O grá�co da função é o grá�co da �gura geométrica conhecida como hipérbole equilátera, uma das cônicas. Novamente, cabe a discussão sobre a simetria dos grá�cos das diferentes funções . p p p = −n f (x) = =x−n 1 xn/ f (x) = 1 x/ Figura 5: Gráficos para as diferentes curvas geradas pela função .f (x) = x 1 n/ f (x) = x 1 n/ Clique nos botões para ver as informações. Quando o parâmetro é um número inteiro, negativo e par, as funções são ditas funções pares, com grá�cos simétricos em relação ao eixo . Função par n f(x) = 1 / xn y Quando o parâmetro é um número inteiro, negativo e ímpar, as funções são ditas ímpares com grá�cos simétricos em relação à origem. Função ímpar n f (x) = 1 xn/ / Seja par ou seja ímpar, veri�que que os grá�cos das diferentes funções apresentam sempre uma descontinuidade, pois (não é permitido a divisão por zero). Terceiro caso: parâmetro assume o formato de , onde é um inteiro positivo O último caso acontece quando o parâmetro assume o formato de , onde n é um inteiro positivo. As funções potências tomam, então, a forma . f (x) = 1 xn/ x ≠ 0 p 1 n/ n p 1 / n f (x) = xp f (x) = =x 1 n/ x√n Exemplo ; etc. Também são possíveis outros expoentes fracionários, por exemplo, , etc. As funções do tipo gra�camente se estendem sobre todo o eixo quando é ímpar. Contudo, somente sobre o intervalo quando assume valores pares. f (x) = =x1/2 x√ f (x) = =x 1 5/ x√5 f (x) = =x 2 7/ x2 −−√7 f (x) = =x 3 5/ x3 −−√5 f (x) = x 1 n/ x n [0, + ∞) n Funções algébricas Quando um número �nito de operações algébricas (adição, subtração, divisão e multiplicação) é aplicado aos polinômios, uma nova família de funções são criadas: as funções algébricas. Exemplos: , etc.f (x) = 3 ⋅ − 25x2 − −−−−−√ f (x) = ⋅ (1 − x)x√3 Funções trigonométricas Em geometria, um ângulo é de�nido como a união de dois raios chamados de lados, tendo um extremo em comum denominado vértice. Esse breve conceito é o ponto de partida da trigonometria e das funções denominadas de funções trigonométricas. Analisando apenas as funções seno e cosseno, poderíamos representá-las genericamente por: e Onde: , e são parâmetros não nulos. O papel do parâmetro é determinar o fator através do qual os grá�cos e serão alongados, comprimidos, transladados ou re�etidos. Por sua vez, o parâmetro também é capaz de fazer o mesmo com os grá�cos e , porém o faz de forma horizontal. f (x) = A ⋅ sin (Bx − C) g (x) = A ⋅ cos (Bx − C) A B C A y = sin x y = cos x B y = sin x y = cos x Exemplo / Veja os grá�cos das funções e na Figura 6. O grá�co da função foi obtido através do alongamento vertical, por um fator 2, e da compressão horizontal, por um fator 4, do grá�co de . y = cos x y = 2 ⋅ cos 4x y = 2 ⋅ cos 4x y = cos x Figura 6: Gráfico da função , em vermelho. Gráfico da função , em azul. y = cos x y = 2 ⋅ cos 4x Uma característica importante das funções trigonométricas é que as mesmas são periódicas. / Uma função é periódica se existir um número satisfazendo a condição: O menor valor de que satisfaz a condição acima é chamado período de . A função seno, , exibe um período de . Por sua vez, a imagem (amplitude) da função seno é o intervalo , isto é, , real. A função cosseno, , também exibe amplitude no intervalo e período . A função pode ser escrita como: Onde: ; ; Note que o grá�co em verde foi transladado para em esquerda em unidades. f : A → B p > 0 f (x + p) = f (x), ∀x ∈ A p f f(x) = sin x 2π [−1 ,1] −1 ≤ sin x ≤ 1 ∀x f(x) = cos x [−1 ,1] 2π Figura 7: Gráfico das funções (em vermelho) (em azul) (em verde) y = sin x y = 3 ⋅ sin 2x y = 3 ⋅ sin (2x+ )π 2 y = 3 ⋅ sin [2 ⋅ (x − (− ))]π 4 A = 3 B = 2 = −C B π 4 π / 4 / Funções inversas Uma função é uma regra que associa um único valor de sua imagem a cada ponto de seu domínio . Algumas funções, porém, assumem o mesmo valor em mais de um ponto. Exemplo: . Neste tópico o objetivo é encontrar a inversa de uma função . Dados os conjuntos e , considere a função de em de�nida por . Você pode veri�car que a função é bijetora formadas pelos pares ordenados , onde e . Uma função de em é bijetora se, e somente se, para qualquer elemento pertencente a , existe um único elemento pertencente a tal que . A relação , inversa de , é também um função, pois é uma bijeção de em , isto é, para todo existe um único tal que . A função é formada pelos pares ordenados , onde e . Observe que a função é de�nida pela sentença , enquanto é de�nida pela sentença x=y-1, isto é: leva cada elemento até o tal que ; leva cada elemento até o tal que . (Im) (D) y = x2 f(x) A = {0, 1, 2, 3}B = {1, 2, 3, 4} f A B f (x) = x + 1 f f = {(0 ,1), (1 ,2), (2 ,3), (3 ,4)} D(f) = A Im (f) = B f A B y B x A f(x) = y = {(y, x) |(x, y) ∈ f}f−1 f f A B y ∈ B x ∈ A (y, x) ∈ f−1 f−1 = {(1 ,0), (2 ,1), (3 ,2), (4 ,3)}f−1 D ( ) = Bf−1 Im ( ) = Af−1 f y = x + 1 f−1 f x ∈ A y ∈ B x = y + 1 f−1 y ∈ B x ∈ A x = y − 1 Teorema: “Seja . A relação é uma função de em se, e somente se, é bijetora”. f : A → B f−1 B A f Atenção Assim, se é uma função bijetora de em , a relação inversa de é uma função de em que denominamos função inversa de e indicamos por . f A B f B A f f−1 Um procedimento simples que permite a obtenção da função inversa é baseado em dois passos: Na sentença , faça uma mudança de variável, isto é, troque por e por , obtendo ; Transforme algebricamente a expressão , expressando em função de para obter . y = f (x) x y y x x = f(y) x = f(y) y x y = (x)f−1 / Exemplo 1 Seja a função , encontre a inversa de :f (x) = x + 2− −−−−√3 f(x) Quais são as condições, então, que garantem a existência uma função inversa? 1. Primeiramente, é necessário que a função seja injetora. Uma função de em é injetora se, e somente se, quaisquer que sejam e de , se então . 2. Em segundo lugar, por meio da representação cartesiana da função , é necessário analisar o número de pontos de intersecção de retas paralelas ao eixo dos (teste da reta horizontal). Se cada uma dessas retas cortar o grá�co em um só ponto ou não cortar o grá�co, então, a função é injetora e, portanto, há . f f A B x1 x2 A ≠x1 x2 f( ) ≠ f( )x1 x2 f x f−1 Figura 9: Teste da reta horizontal para a determinação da existência da função inversa de . (ANTON et al, 2007).f Clique nos botões para ver as informações. A função de�nida por é crescente no conjunto se, para dois valores quaisquer e pertencentes a , com , tivermos . Em uma linguagem prática, não matemática, a função é crescente no conjunto se, ao aumentarmos o valor atribuído a , o valor de também aumentar. Função crescente f : A → B y = f(x) ⊂ AA1 x1 x2 A1 <x1 x2 f ( ) < f ( )x1 x2 f A1 x y A função de�nida por é decrescente no conjunto se, para dois valores quaisquer e pertencentes a , com , tivermos . Em uma linguagem prática, não matemática, a função é decrescente no conjunto se, ao aumentarmos o valor atribuído a , o valor de diminuir. Função decrescente f : A → B y = f (x) ⊂ AA1 x1 x2 A1 <x1 x2 f( ) > f( )x1 x2 f A1 x y / Figura 10: Funções crescente e decrescente e o teste da reta horizontal. (ANTON et al., 2007). A Figura 10 ilustra genericamente uma função crescente e decrescente. Em ambos os casos, passa no teste da reta horizontal e, portanto, possui uma função inversa. f f Figura 11: Gráfico de algumas funções com suas respectivas funções . Observe a reta e como as funções e são imagens espelhadas. (ANTON et al., 2007). f f−1 y = x f f−1 Uma propriedade interessante dos grá�cos cartesianos de e é que os mesmos são simétricos em relação à bissetriz dos quadrantes 1 e 3 do plano cartesiano. Observe a Figura 11. f f−1 / Figura 12: Gráfico das funções e . As funções são invertíveis e as respectivas funções são apresentadas. (ANTON et al., 2007). (x) = , x ≥ 0f1 x2 (x) = , x ≤ 0f2 x2 (x)f−1 Em algumas situações, por meio da imposição de restrições adequadas ao domínio de , torna-se possível a obtenção de . Um exemplo pode ser visto na Figura 12. f f−1 Derivada de funções inversas Teorema: Suponha que o domínio de uma função seja um intervalo aberto e que seja diferenciável e injetora nesse intervalo. Então, é diferenciável em qualquer ponto da imagem de no qual e sua derivada é: Outra maneira de se escrever é: f I f f−1 f ( − 1)(x)) ≠ 0f ′ f ( [ (x)] =d dx f−1 1 ( (x))f ' f −1 = dy dx 1 dx dy/ Exemplo 2 Dada a função , prove que a suposição de que é verdadeira.f (x) = + 1x3 [ (x)] =d dx f−1 1 ( (x))f ' f −1 / Funções trigonométricas inversas Quando se consideram as seis funções trigonométricas básicas, tais funções não apresentam inversas, pois seus grá�cos se repetem periodicamente e, desta forma, violam o critério imposto pelo teste da reta horizontal. A �m de de�nir as “funções trigonométricas inversas”, torna-se necessária a imposição de restrições aos domínios das funções trigonométricas. Dessa forma, obtemos funções injetoras e, consequentemente, as inversas dessas funções restritas. As funções inversas obtidas são: arc sen (x) arc cos (x) arc tg (x) arc sec (x) Também podemos representá-las por: xsin−1 xcos−1 xtan−1 xsec−1 Figura 13: Funções com as restrições necessárias para a definição das funções inversas . (ANTON et al., 2007). sin x, cos x, tan x e sec x x, x, x e xsin−1 cos−1 tan−1 sec−1 Funções exponenciais e logarítmicas Uma função exponencial de base é uma função cuja forma é dada por , em que . Exemplos: , , . As funções exponenciais são de particular importância nas aplicações da Ciência e da Engenharia. b f(x) = bx b > 0 f(x) = 2x f(x) = (1 / 4)x f (x) = πx Atenção / Um detalhe importante que você deve lembrar da de�nição da função exponencial é que uma função do tipo e similares não são classi�cadas como funções exponenciais. A razão disso é que em tais exemplos há uma base variável, enquanto o expoente é uma constante. f (x) = , f (x) =x3 x 3 5/ Propriedades da função exponencial Na função exponencial , temos: . Isto é, o par ordenado (0,1) pertence à função para todo . Isso signi�ca que o grá�co cartesiano de toda função exponencial corta o eixo no ponto de ordenada 1. f (x) = bx x = 0 ⇒ f (0) = = 1b0 b ∈ − {1}N*+ y A função exponencial é crescente (decrescente) se, e somente se, . Portanto, dados os reais e , temos: Quando : Quando : f(x) = bx b > 1 (0 < b < 1) x1 x2 b > 1 < f ( ) < f ( )x1 x2 x1 x2 0 < b < 1 < f ( ) > f ( )x1 x2 x1 x2 A função exponencial , com é injetora, pois dados e tais que temos: Quando : Quando : e, portanto, nos dois casos f (x) = bx 0 < b ≠ 1 x1 x2 ≠x1 x2 b > 1 < ⇒ f ( ) < f ( )x1 x2 x1 x2 0 < b < 1 < ⇒ f ( ) > f ( )x1 x2 x1 x2 f ( ) ≠ f ( )x1 x2 Função exponencial natural Figura 14: Gráficos de diversas funções do . Quando , temos funções crescentes. Por outro lado, quando , temos funções decrescentes. Em qualquer caso, a imagem da função exponencial é y = , b > 0bx b > 0 0 < b < 1 Im = N*+ / Embora tenhamos uma in�nidade de funções exponenciais, sem dúvida, a mais importante em termos de aplicações práticas é a função exponencial de base de�nida pela letra .e / O número , denominado número de Euler, é um número irracional e seu valor, até a sexta casa decimal, é: A função exponencial cuja base é o número é denominada função exponencial natural. A representação formal é ou . Se é um número qualquer positivo diferente de 1, a função exponencial de base é injetora e, portanto, possui uma função inversa. Sua função inversa é denominada função logarítmica de base . (que se lê: “o logaritmo de na base ”) denota aquele expoente ao qual devemos elevar para obter . Assim, por exemplo: O denominado logaritmo natural é o mais importante em aplicações da Engenharia e das Ciências. O logaritmo natural é a função inversa da função exponencial . A notação mais comum é . e e = 2 ,718281 e f (x) = ex f (x) = exp(x) Figura 15: Gráfico da função (curva em vermelho). A reta em verde é tangente à curva da função no ponto (0,1). Observe também que se encontra entre as curvas (em preto) e (em laranja). y = ex y = ex y = ex y = 2x y = 3x a f (x) = ax a a xloga x a a x 100 = 2 ou = 100log10 10 2 ex ln x / Figura 16: Gráfico da função (em vermelho), (em azul) e (em preto). A reta foi desenhada para destacar a função e a sua inversa . y = ex y = ln x y = xlog10 y = x y = ex y = ln x Achando a derivada de funções trigonométricas De forma resumida, veja as derivadas das seis funções trigonométricas: sin(x) = cos(x)d dx cos(x) = −sin(x)d dx tg(x) = se (x)d dx c2 cosec(x) = − cosec(x) cotg(x)d dx sec(x) = sec(x) tg(x)d dx sec(x) = sec(x) tg(x)d dx Exemplo 3 Encontre se :dy dx/ y = sin(x) 1+cos(x) Exemplo 4 Encontre se :dy dx/ y = sin ( )1 + cos x − −−−−−−√ / Achando a derivada das funções exponenciais e logarítmicas As derivadas das funções exponenciais e logarítmicas estão resumidas abaixo: Se for uma função diferenciável de e se , então, a aplicação da regra da cadeia produz: Se for uma função diferenciável de , então, tem-se: [ln x] = para x > 0d dx 1 x [ x] = para x > 0d dx logb 1 x⋅ln b u x u(x) > 0 [ln u] = ⋅d dx 1 u du dx [ u] = ⋅d dx logb 1 u⋅ln b du dx [ln |x|] = se x ≠ 0d dx 1 x [ ] = ⋅ ln bd dx bx bx [ ] =d dx ex ex u x [ ] = ⋅ ln b ⋅d dx bu bu du dx [ ] = ⋅d dx eu eu du dx Exemplo 5 Encontre :[ln ( + 1)]d dx x2 Diferenciação logarítmica Você verá agora uma técnica chamada diferenciação (ou derivação) logarítmica, que será muito útil para derivar funções compostas de produtos, quocientes e potências. Veja o exemplo a seguir. Exemplo 6 Calcule a derivada de: y = ⋅x2 (7x−14)√3 (1+ )x2 4 / Exemplo 7 Use a derivação logarítmica para encontrar :[ ]d dx ( + 1)x2 sin x Derivadas de potências irracionais de Você já sabe que é válida para valores racionais de . A diferenciação logarítmica é útil para mostrar que essa fórmula é válida se for qualquer número real (racional ou irracional). Veja os exemplos: x [ ] = r ⋅d dx xr xr−1 r r [ ] = π ⋅ ; [ ] = 2e ⋅d dx xπ xπ−1 d dx x2e x2e−1 Derivadas das funções trigonométricas inversas No início desta aula, veri�camos que o grá�co da inversa de uma função pode ser obtido pela re�exão do grá�co de na reta . Se combinarmos essa informação com o conceito daquilo que faz uma função ser derivável, é possível entender a derivação de funções inversas de forma mais fácil. f f y = x Comentário / As derivadas das funções trigonométricas inversas são dadas abaixo: Se é uma função derivável de , com : u x |u| < 1 (arc sen u) = ⋅d dx 1 1−u2√ du dx (arc cos u) = − ⋅d dx 1 1−u2√ du dx (arc tg u) = ⋅d dx 1 1+u2 du dx (arc cotg u) = − ⋅d dx 1 1+u2 du dx (arc sec u) = ⋅d dx 1 |u| −1u2√ du dx (arc cosec u) = − ⋅d dx 1 |u| −1u2√ du dx Exemplo 8 Encontre se dy dx/ y = arc sen( )x3 Derivadas de ordens superiores 1. A derivada de uma função é novamente uma função, que pode ter sua própria derivada. 2. Se for derivável, então, sua derivada é denotada por e é denominada derivada segunda de . Enquanto tivermos diferenciabilidade, podemos continuar o processo de derivação para obter as derivadas terceira, quarta, quinta, e até derivadas superiores de . Essas derivadas são denotadas como: Outras notações comuns: f ′ f f ′ f '' f f , = , = , = , = , …f ' f '' ( )f ' ' f ''' ( )f '' ' f (4) ( )f ''' ' f (5) ( )f (4) ' , , , , , …y ' y '' y ''' y(4) y(5) = = [f(x)]y ' dy dx d dx = = [f(x)]y '' yd2 dx2 d2 dx2 = = [f(x)]y ''' yd3 dx3 d3 dx3 = = [f(x)]yn ydn dxn dn dxn / Exemplo 9 Se , encontre as derivadas de ordens superiores de :f (x) = 3 − 10 + − 6 + 15x − 2x5 x4 x3 x2 f Comentário A importância da derivada segunda e das derivadas superiores será discutida nas próximas aulas sobre derivadas. Atividade 1. A derivada primeira da função é corretamente escrita como:f (x) = − 2x + 5x3 − −−−−−−−−√ a) + 2x 2 2 −2x+5x3√ b) 3 −2xx 2 −2x+5x3√ c) 3 −2x 2 2 −2x+5x3√ d) 3 + 2x 2 3 −2x+5x3√ e) N.D.A. 2. A primeira derivada da função é corretamente representada por:f (x) = ⋅ (5x)x3 sin2 a) ⋅ (5x) + ⋅ cos 5xx2 sin2 x3 b) 3 ⋅ (5x) − 10 ⋅ cos 5x ⋅ sin 5xx2 sin2 x3 c) ⋅ (5x) + 5 ⋅ cos 5xx2 sin2 x3 d) 3 ⋅ (5x) + 10 ⋅ cos 5x ⋅ sin 5xx2 sin2 x3 e) N.D.A. 3. Encontre da função :f (x)d dx f (x) = (3 )cos2 x√ a) −3⋅cos(3 )⋅sin(3 )x√ x√ x√ b) 3⋅cos(3 )⋅sin(3 )x√ x√ x√ c) 3⋅cos( )⋅sin( )x√ x√ 2 x√ d) −3⋅cos(3 )⋅sin(3 )x√ x√ 2 x√ e) − cos( )⋅sin(3 )x√ x√ 2 x√ / 4. Encontre da função :f (x)d dx f (x) = ( − 5)x3 35 5. A derivada segunda da função é:y = 1+x 1−x a) =y '' 4 −3 +3x−1x3 x2 b) = −y '' 4 −3 +3x−1x3 x2 c) = −y '' 4 +3 +3x+1x3 x2 d) =y '' 4 −3 −3x−1x3 x2 e) = −y '' 4 2 −3 +x+1x3 x2 6. Seja . Determine por diferenciação logarítmica a derivada primeiraf (x) = ( )3x+1 x2 3 Referências ANTON, H.; BIVENS, I.; DAVIS, S. Cálculo. Volume 1. Porto Alegre: Artmed Editora S.A., 2007. BROCHI, A. Cálculo Diferencial e Integral I. Rio de Janeiro: SESES, 2015. FERNANDES, D. B. Cálculo. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. GUIDORIZZI, H. L. Um Curso de Cálculo. Volume 1. Rio de Janeiro: LTC, 2001. PANONCELI, D. M. Análise Matemática. Curitiba: Intersaberes, 2017. Próxima aula Noção de taxa de variação; Máximos e mínimos; Teorema de Rolle; Teorema do Valor Médio. Explore mais Sugestões de ferramentas de Matemática: O império dos números <https://pt.numberempire.com/> . Sugestões de vídeos: Derivada da função inversa <https://youtu.be/DkuwgStXSz0> ; Derivada da função exponencial <https://youtu.be/nfARXFLUKMc> ; https://pt.numberempire.com/ https://youtu.be/DkuwgStXSz0 https://youtu.be/nfARXFLUKMc / Derivada da função logarítmica <https://youtu.be/ghdUmIqIImI> . https://youtu.be/ghdUmIqIImI
Compartilhar