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DERIVAÇÃO IMPLÍCITA FUNÇÕES IMPLÍCITAS E EXPLÍCITAS Até agora, estudamos funções que envolvem duas variáveis que se apresentam de forma explícita : y = f(x), isto é, uma das variáveis é fornecida de forma direta ( explícita ) em termos da outra. y = 4x - 5 Por exemplo : s = -25t² - 18t u = 9w – 35w² Nelas dizemos que y, s, e u são funções de x, t e w, EXPLICITAMENTE. Muitas funções, porém, apresentam-se na forma implícta, veja o exemplo abaixo: ● Ache a derivada da função xy = 1. : Derivada de y em relação à x. RESOLUÇÃO : Nesta equação, y esta definida IMPLICITAMENTE como uma função de x. Podemos obter, portanto, a equação em relação à y e daí diferencia-la. ● xy = 1 ( Forma implícita ) ● y = ( Escrever a relação y em função de x ) ● y = x –1 ( Escrever sob nova forma ) ● = - x – 2 ( Derivar em relação a x ) ● = - ( Simplificar ) Este processo só é possível quando podemos explicitar facilmente a função dada, oque não ocorre, por exemplo, com y4 + 3xy + 2lny = 0. Para tanto, podemos utilizar um método chamado DERIVAÇÃO ( OU DIFERENCIAÇÃO ) IMPLÍCITA, que nos permite derivar uma função sem a necessidade de explicitá-la. DERIVAÇÃO IMPLÍCITA Esta derivação é feita em relação a x. Resolvendo normalmente as derivadas que envolvam apenas x. Quando derivamos termos que envolvem y, aplicaremos a Regra da Cadeia, uma vez que y é uma função de x. Exemplos : 1 ) 2x + y³ Resolução : Sendo y uma função de x, devemos aplicara regra da cadeia para diferenciar em relação a x, daí : 2 ) x + 3y Resolução : 3 ) xy² Resolução : 4 ) 4x² + 9y² = 36 Resolução : 5 ) x4 + y4 + x² + y² + x + y = 1 6 ) x²y5 = y + 3 7 ) x² + y² = 1 8 ) x² + 5y³ - x = 5 9 ) x³ - y³ - 4xy = 0 10 ) x²y + 3xy³ - 3 = x 11 ) x² + 4y² = 4 12 ) y³ + y² - 5y – x² = -4 13 ) x - = 2 14 ) x³y³ - y = x 15 ) 16 ) tgy = xy 17 ) ey = x + y 18 ) acos²( x + y ) = b 19 ) xy – lny = 2 EXTRA : ============================================================================================================================ DERIVADA DE UMA FUNÇÃO NA FORMA PARAMÉTRICA Função na forma paramétrica x = x(t) Sejam ( I ) duas funções da mesma variável t, com t [ a, b ]; a y = y(t) cada valor de t, temos x e y definidos. Caso as funções x = x(t) e y = y(t) sejam contínuas, quando t varia de a, b; o ponto P ( x(t), y(t) ) decreve uma curva no plano, onde t é o parâmetro. Exemplo : P ▒▒▒▒▒▒▒▒ Suponhamos a função x = x(t) inversível, temos t = t(x) a inversa de x = x(t) e podemos escrever y = y[t(x)] e y define-se como função de x na FORMA PARAMÉTRICA. Eliminamos t de ( I ) e obtemos y =y(x) na FORMA ANALÍTICA usual. Exemplos : x = 2t + 1 t = 1 . ( x – 1 ) a ) 2 y = 4t + 3 Aplicando t em y, temos : y = 4. 1 . ( x – 1 ) + 3 y = 2x – 2 + 3 y = 2x + 1 2 x = a.cost Equação da Circunferência b ) ; t [ 0; 2 ] com centro ( 0, 0 ) y = a.sent e raio a Elevando-se ambas as as equações ao quadrado e somando, temos : x² + y² = a² cos²t + a²sen²t x² + y² = a²( cos²t + sen²t ) x² + y² = a² . 1 x² + y² = a² ► Nota-se que a equação acima NÃO É UMA FUNÇÃO y(x) na forma paramétrica ( x = a.cost não é inversível em [ 0, 2 ] ). Daí vamos obter uma ou mais funções do tipo y = y(x) na forma paramétrica ao restringirmos o domínio. Logo, temos : x = a.cost x = a.cost ; t [ 0; ] OU ; t [ ; 2 ] y = a.sent y = a.sent Derivada de uma função na forma paramétrica Seja y uma função de x definida pelas equações paramétricas : x = x(t) ♦ A fórmula que permite calcular a derivada ; t [ a; b ] temos dy = y’(t) dy sem conhecer explicitamente y como y = y(t) dx x’(t) dx função de x. Exemplos : 1 ) Calcule da função y(x) definida na, forma paramétrica, pelas equações : a ) b ) Resolução : a ) = �� EMBED Equation.3 = 2 b ) = �� EMBED Equation.3 = = 6t – 2 ♣ OBS : Note,no item b, que a resposta está em função de t, caso quisermos a derivada em função de x, devemos determinar t = t(x) e substituir em ♣, daí temos : x = 3t – 1 x + 1 = 3t t = ; substituindo t em ♣ , obtemos a seguinte expressão 6. - 2 = 2 ( x + 1 ) – 2 = 2x + 2 – 2 , portanto = 2x . 2 ) Idem para ; Resolução : = �� EMBED Equation.3 = - tg(t) OBS : Temos que tomar muita atenção quanto aos intervalos de validade das respostas obtidas. Note que x’(t) deve ser diferente de zero, pois está operando como denominador da expressão acima, portanto concluímos que para fazermos as simplificações indicadas, temos que considerar t 0 e t �� EMBED Equation.3 pois sen 0 = 0 e cos = 0, note que apesar de t pertencer ao intervalo , efetivamente estão excluídos os valores de t já mencionados. EXERCÍCIOS : ◙ Calcular a derivada y’ = das seguintes funções definidas na forma paramétrica. ◙ Para quais valores de t a derivada y’ está definida ? x = t² x = cos³t 1 ) ; t ] 0; + [ 4 ) ; t ] - ; 0 [ y = t³ y = sen³t x = 3cost x = cos2t 2 ) ; t [ ; 2 ] 5 ) ; t [ 0; ] y = 4sent y = sen2t x = 2t – 1 x = 8cos³t 3 ) ; - < t < + 6 ) ; t [0; ] y = t³ + 5 y = 8sen³t FUNÇÕES DE VÁRIAS VARIÁVEIS Introdução : Consideremos os seguintes enunciados : 1 ) O volumeV de um cilindro é dado por V = r2h , onde r : raio e h : altura. 2 ) A equação de estado de um gás é dada por , onde temos : P : Pressão V : Volume n : Massa gasosa em moles r : Constante molar do gás T : Temperatura Numa breve análise destes enunciados, verificamos que as funções envolvidas requerem o uso de duas ou mais variáveis independentes. 1 ) Temos V : V(r, h) = r2h Em 2 ) Temos P : P(n, T, V) = ( Lembrar que r é constante ) Graficamente : R R R R ◙ Par ordenado ( r, h ) no plano R2 = R x R. R ◙ Terna ordenada ( n, T, V ) em R3 = R x R x R OBS. : O estudo das funções de três, ou mais, variáveis difere pouco do estudo de funções de duas variáveis, logo, vamos trabalhar mais com estas, salientando as diferenças. Função de várias variáveis Definição : Seja A um conjunto do espaço n-dimensional ( A Rn ), isto é, os elementos de A são n-uplas ordenadas ( x1, x2, x3, ..., xn ) de números reais, se a cada ponto P do conjunto A associamos um único elemento z R, temos a função a qual está definida como f : A Rn R. Essa função é chamada de Função de n variáveis reais e denotamos : z = f(P) ou z = f ( x1, x2, x3, ..., xn ). O conjunto A é denominado Domínio da função z = f(P). As notações são, em geral, do tipo : ● f ( x, y ) = x² + xy Duas variáveis ● f ( x, y ) = ex+y ● f ( x, y, z ) = x + 2y – 3z ( Três variáveis ) Para efetuar cálculos temos, por exemplo : ● f ( 2, 3 ) para f ( x, y ) = 2x² - y² 2.( 2 )² - ( 3 )² = -1 ● f ( 0,-1, 4 ) para f ( x, y, z ) = ex.( y + z ) e0.( -1 + 4 ) = 3 GRÁFICOS Uma função de duas variáveis pode ser representada graficamente como uma superfície no espaço, fazendo-se z = f ( x, y ). Ao fazer o gráfico de uma função de x e y, tenha em mente que, embora o gráfico seja tridimensional, o domínio da função é bidimensional – consiste nos pontos do plano xy para os quias a função é definida. Exemplos : 1 ) Determine o domínio e a imagem da função f ( x,y ) = . Resolução: Temos pois : x² + y² 8² ( círculo ) logo, ou Imf = [ 0; 8 ]. Centro (0,0) e raio 8 y z 8 -8 x y -8 8 x - 8 2 ) Determine o Domínio para g( x, y, z ) = , e esboce o gráfico do domínio. Resolução: Gráfico do Domínio : z y x 3 ) Idem para Resolução : x + y > 0 e x – y > 0 (A) x² - y² > 0 ( x + y ).(x – y ) > 0 OU x + y < 0 e x – y < 0 (B) Logo : D(w) = Gráfico do Domínio : x (B) (A) x + y < 0 x + y > 0 y x - y < 0 x - y > 0 4 ) Ache o domínio da função w = R. Resolução : Para w pertencente a R temos x1 + x2 + x3 + x4 + x5 0, logo : Dw = { (x1 , x2 , x3 , x4 , x5) R5 | x1 + x2 + x3 + x4 + x5 0 }. Exercícios : 1 ) Determine o domínio das seguintes funções : a ) z = xy b ) w = c ) z = d ) z = e ) z = f ) z = ln ( ) g ) z = e h ) y = i ) w = j ) z = ln DERIVADAS PARCIAIS As aplicações das funções de várias variáveis procuram determinar como variações de uma das variáveis afetam os valores das funções. Por exemplo, um economista que deseja determinar o efeito de um aumento de impostos na economia pode fazer seus cálculos utilizando diferentes taxas de imposto, mantendo constantes outras variáveis, como desemprego, etc. Analogamente, determinamos a taxa de variação de uma função f em relação a uma de suas variáveis independentes, que nada mais é que achar a derivada de f em relação a uma de suas variáveis independentes. Este processo chama-se DERIVADA PARCIAL. Uma função de várias variáveis tem tantas “ parciais “ quantas são suas variáveis independentes. FUNÇõES DE VÁRIAS VARIÁVEIS Derivadas parciais Se z = f(x,y), então derivadas parciais de primeira ordem de f em relação a x e y são funções e , definidas como segue : Exemplos : 1 ) Calcule e para a função z = 4xy – 2x²y² + 3x³y². Resolução : ◙ = 4y - 4xy² + 9x² y² ◙ = 4x - 4x²y + 6x³y 2 ) Idem para h(x,y) = Resolução : ◙ = ◙ = 3 ) Idem para z = cos ( 5x - 3y ) Resolução : ◙ = -sen ( 5x - 3y ) . 5 = -5. sen ( 5x - 3y ) ◙ = -sen ( 5x - 3y ) . ( -3 ) = 3. sen ( 5x - 3y ) 4 ) Idem para f(x,y) = 6x²y - 5x3y2 – 6y Resolução : ◙ = 12xy - 15x2y2 ◙ = 6x² - 10x3y – 6 5 ) Idem para f(x,y) = Resolução : PARA ( x, y ) ( 0, 0 ) ================ ◙ = ◙ = PARA ( x, y ) = ( 0, 0 ) ================ 0 ◙ ( 0,0 ) = 0 ◙ ( 0,0 ) = Resumindo : = = NOTAÇÕES : ◙ Derivadas parciais de primeira ordem : Seja z = f (x,y) : ◙ Os valores das derivadas parciais de primeira ordem no ponto ( a, b ) DERIVADAS PARCIAIS DE SEGUNDA ORDEM Derivada parcial de 2ª ordem em relação à x Derivada parcial de 2ª ordem em relação à y Derivadas parciais de 2ª ordem mistas OBS. : Quando a função z = f(x,y) é contínua, então Exemplo : Determine as derivadas parciais de 2ª ordem de z = ln (x² + y² ). Resolução : ♦ ♠ ♥ ♣ Exercícios : Calcule as derivadas parciais de 2ª ordem das funções abaixo : 1 ) z = ex.cos y 2 ) z = 3 ) z = arctg ( x² + y² ) 4 ) z = APLICAÇÕES DAS DERIVADAS PARCIAIS 1 ) Equação de Laplace Seja z = f(x,y) uma função de duas variáveis e , suas “parciais” de segunda ordem, chamamos de EQUAÇÃO DE LAPLACE, a seguinte expressão : Analogamente, para w = f(x,y,z) temos a EQUAÇÃO DE LAPLACE : Nestes casos, dizemos que z e w ( Respectivamente ) satisfazem a Equação de Laplace. Obs. : Chamamos de LAPLACIANO a expressão devido a sua similaridade com a Equação de Laplace . Exemplos : ● Verifique se as funções dadas satisfazem a Equação de Laplace. a ) w = x² -2y² +z² Resolução : ☺ ☺ ☺ Logo w satisfaz à “Laplace”. b ) Idem para z = ex.seny Resolução : ☺ ☺ ; logo z satisfaz à “Laplace”. Exercício : ● Idem para w = 2 ) Diferencial Total ( ou Derivada Total ) Seja z = f(x,y) uma função de duas variáveis e , as “ parciais “ de z = f(x,y), chamamos de Diferencial ( ou Derivada) Total a seguinte expressão : OU Analogamente, para w = f(x,y,z) temos : OU Exemplos : ● Calcule a expressão do Diferencial Total de : 1 ) z = 3x²y + ln ( x²y³ ) Resolução : ◙ = 6xy + = 6xy + = ◙ = 3x² + = 3x² + = = = . 2 ) Idem para z = Resolução : ◙ = ◙ = . Exercícios : 1 ) Idem para z = x³.e3x + 4y² 2 ) Idem para z = 3x²y.sen ( 2x + 3y ) 3 ) Idem para z = sec ( x² + 2xy³ ) 3 ) Vetor Gradiente Seja z = f(x, y) uma função de duas variáveis e , as “ parciais “ de z = f(x, y). Seja P0 (x0, y0), um ponto do plano xy; a projeção de “z” no plano dada por curvas de nível e , as derivadas calculadas no ponto Po, plano R2 chamamos de Vetor Gradiente ao seguinte vetor : = O Vetor Gradiente é ortogonal à reta tangente a uma curva de nível pelo ponto P0 (x0, y0). Graficamente ... Analogamente, quando temos w = f(x, y, z), o Vetor Gradiente será ortogonal ao plano tangente à uma superfície de nível por um ponto P (x0, y0, z0) do espaço R3, daí : = Exemplos : ● Determine o vetor gradiente das funções abaixo no ponto Po plano R2. 1 ) z = ln ( x² + y² ) em Po ( 0, 1 ). Resolução : ◙ = = ( 0, 2 ) ◙ = 2 ) z = x.sen y em Po ( 1, ). Resolução : ◙ = = ( 1, 0 ) ◙ = Exercícios : 1 ) Idem para z = 3.x²y³.e2xy em Po ( 1, -1 ) . 2 ) Idem para z = em Po ( -1, 1 ) . DERIVADA DIRECIONAL ( Inclinação ) Se z = f(x,y) é uma função diferenciável de x e y com u = u1i + u2j um vetor unitário, então a derivada direcional de z na direção de u é denotada por : Duz = .u1 + .u2 ( I ) Seja o vetor gradiente temos que a derivada direcional é a direção assumida pelo vetor gradiente quando “aplicado” no vetor unitário u, logo, para calcularmos a derivada direcional temos o vetor decomposto em e combinado com a equação ( I ) chegamos em : Duz = .u Produto Escalar Exemplos : 1 ) Ache a derivada direcional de f(x,y) = 3x²y no ponto P0 ( 1, 2 ) na direção a = 3i + 4j. Resolução : Como a não é vetor unitário, temos que normaliza-lo, daí : ( u = Logo : Portanto : Duz = .u = Duz = 2 ) Ache a derivada direcional de f(x,y) = x³y² no ponto P0 ( -1, 2 ) na direção a = 4i - 3j. Resolução : Como a não é vetor unitário, temos que normaliza-lo, daí : ( u = Logo : Portanto : Duz = .u = Duz = 12 Exercícios : 1 ) Ache a derivada direcional de f(x,y) = e2xy , P0 ( 4, 0 ) e u = . 2 ) Idem para z = x² - 5xy + 3y² , P0 ( 3, -1 ) e u = . 3 ) Idem para f(x,y) = , P0 ( 3, -2 ) e a = i + 5j . 4 ) Idem para f(x,y) = xcos²y , P0 ( 2, ) , a = < 5, 1 > . 5 ) Idem para f(x,y) = arctg , P0 ( 4, -4 ) , a = 2i – 3j . 6 ) Idem para f(x,y) = 4x3y2, P0 ( 2, 1 ) , a = 3i – 4j . MÁXIMOS E MÍNIMOS DE FUNÇÕES DE DUAS VARIÁVEIS TEOREMA DO VALOR EXTREMO Da mesma forma estudada no Cálculo II, vamos citar o Teorema do Valor Extremo para funções de duas variáveis. Seja f(x,y) uma função contínua em um conjunto fechado e limitado R, então f possui tanto máximo quanto mínimo absolutos em R . EXTREMOS No curso de Cálculo II aprendemos a determinar MÁXIMOS e mínimos de funções de uma variável. Hoje vamos, utilizando técnicas análogas, começar a aprender a determina-los a partir de funções de DUAS variáveis. Analisando um gráfico de uma função f de duas variáveis, podemos notar pontos altos e baixos em suas vizinhanças imediatas. Tais pontos são chamados de máximos e mínimos relativos de f, respectivamente. O mais alto máximo dentro do domínio de f é chamado de máximo absoluto. O mais profundo mínimo dentro do domínio de f é chamado de mínimo absoluto. Vamos defini-los, portanto, da seguinte maneira : (Seja a função f(x,y), dizemos que ela possui máximo relativo em um ponto P0 ( x0, y0 ) se existe um círculo centrado em P0 de modo que f(x0,y0) f(x,y) para todo ponto ( x, y ) do domínio de f no interior do círculo, analogamente, ela possui um máximo absoluto em P0 se f(x0,y0) f(x,y) para todos os pontos ( x, y ) do domínio de f. (Seja a função f(x,y), dizemos que ela possui mínimo relativo em um ponto P0 ( x0, y0 ) se existe um círculo centrado em P0 de modo que f(x0,y0) f(x,y) para todo ponto ( x, y ) do domínio de f no interior do círculo, analogamente, ela possui um mínimo absoluto em P0 se f(x0,y0) f(x,y) para todos os pontos ( x, y ) do domínio de f. Obs. : Complementando o que já foi definido, se a função possui máximo ou mínimo relativo, dizemos que ela possui extremo relativo no ponto, e se ela possui máximo ou mínimo absoluto, diz-se que ela possui extremo absoluto no ponto. DETERMINAÇÃO DOS EXTREMOS RELATIVOS Para determinarmos os extremos relativos, verificamos que a função f tem derivadas parciais de primeira ordem contínuas em ( x0, y0 ) e que f( x0, y0 ) é extremo relativo de f, daí tem-se o plano tangente ao gráfico de z = f ( x, y ) em ( x0, y0, z0 ) paralelo ao plano xy com equação z = z0. Os pontos críticos de f são aqueles onde as “parciais” de primeira ordem são zero ou f não é diferenciável, daí temos a definição : ( Seja f uma função de duas variáveis, o ponto ( x0, y0 ) é chamado de crítico se e ou se uma ou ambas derivadas parciais de primeira ordem não existirem em ( x0, y0 ). Exemplo : ( Seja f (x,y) = 1 + x² + y², com x² + y² 4. Ache os extremos de f . Resolução : Temos x² + y² 4 o disco fechado R de raio 2 e centro ( 0, 0 ) no plano xy. Daí, pela última definição : 2x = 0 ( x, y ) = ( 0, 0 ) , logo f(x,y) = f (0,0) = 1 2y = 0 Veja o gráfico : PONTO DE SELA Um ponto P ( x0, y0, f(x0,yo) ) é chamado de Ponto de Sela se �� EMBED Equation.3 , mas porém, a função não possui nem mínimo nem máximo relativo no ponto, pois numa direção ele se comporta como máximo e noutra como mínimo. Veja o gráfico abaixo da função z = y² - x² no ponto P0 ( 0, 0 ) temos f ( 0, 0 ) = 0 comportando-se como máximo na direção de x e como mínimo na direção de y e note o formato do gráfico que lembra uma sela. TESTE DA SEGUNDA DERIVADA ( Para extremos relativos ou locais ) ◙ Seja f uma função de duas variáveis dotada de derivadas parciais de segunda ordem contínuas em um círculo centrado em um ponto crítico ( x0,y0 ) , temos o discriminante D ... D = Se ... ♦ D > 0 e > 0 então, f tem mínimo relativo em ( x0, y0 ) . ♠ D > 0 e < 0 então, f tem máximo relativo em ( x0, y0 ) . ♥ D < 0 então, f tem ponto de sela em ( x0, y0 ) . ♣ D = 0 então, nada podemos concluir .Exemplos : 1 ) Determine todos os pontos extremos e pontos de sela da função f(x,y) = 3x² -2xy + y² - 8y. Resolução : ● . ● . ● Substituindo x da primeira derivada na segunda ... . ● Substituindo y em x da primeira derivada ... , portanto temos P0 ( x0, y0 ) = P0 ( 2, 6 ) Único Ponto Crítico no plano . ● �� EMBED Equation.3 . ● �� EMBED Equation.3 . ● �� EMBED Equation.3 . D = D = 8 . D = 8 > 0 ● Temos portanto Mínimo Relativo . = 6 > 0 ● Logo f ( 2, 6 ) = -24 então o ponto P ( 2, 6, -24 ) é Ponto de Mínimo Relativo de f. 2 ) Idem para z = 4xy – x4 – y4 . Resolução : ● . ● . ● Substituindo y da primeira derivada na segunda ... . ● Logo, temos, para ... x = -1 x = 0 x = 1 y = x3 y = x3 y = x3 y = (-1)3 y = (0)3 y = (1)3 y = -1 y = 0 y = 1 P0 ( -1, -1 ) Por tanto, temos os pontos críticos : Q0 ( 0, 0 ) S 0 ( 1, 1 ) ● �� EMBED Equation.3 . ● �� EMBED Equation.3 . ● �� EMBED Equation.3 . ● Como temos mais do que um ponto crítico, vamos montar uma tabela ... Ponto Crítico no plano ( x0, y0 ) D = �� EMBED Equation.3 �� EMBED Equation.3 Conclusão P0 ( -1, -1 ) -12 < 0 -12 4 -12 . (-12) - 4² = 128 > 0 Máximo Relativo Q0 ( 0, 0 ) 0 0 4 0 . 0 . – 4² = -16 < 0 Ponto de Sela S0 ( 1, 1 ) -12 < 0 -12 4 -12 . (-12) - 4² = 128 > 0 Máximo Relativo P ( -1, -1, 2 ) Ponto de Máximo Relativo . ● Aplicando os pontos críticos na função f (x,y) temos : Q ( 0, 0, 0 ) Ponto de Sela . S ( 1, 1, 2 ) Ponto de Máximo Relativo . NOTA : Vimos nos Exemplos 1 e 2 que ao determinarmos os pontos de máximo e mínimo relativos encontrávamos um ponto P0 R² ( Plano Cartesiano ). Na verdade o que ocorre é que para este P0 ( x0, y0 ) vamos associar um ponto P ( x0, y0, f ( x0, y0 ) ) onde f ( x0, y0 ) é o verdadeiro extremo máximo ou mínimo. Daí : f (x, y ) = 3x² - 2xy + y² - 8y ◙ No exemplo 1, temos : MÍNIMO RELATIVO = z0 = f ( x0, y0 ) = f ( 2, 6 ) = -24 em P0 ( 2, 6 ) . PONTO DE MÍNIMO RELATIVO de f : P ( x0, y0, f ( x0, y0 ) ) = P ( 2, 6, -24 ). z = 4xy - x4 – y4 ◙ No exemplo 2, temos : Máximo Relativo em P0 ( -1, -1 ) Sela em Q0 ( 0, 0 ) Máximo Relativo em S0 ( 1, 1 ) Logo : ◙ Para P0 ( -1, -1 ) temos z0 = 4. (-1).(-1) – (-1)4 – (-1)4 = 4 – 1 – 1 z0 = 2 . P ( -1, -1, 2 ) é PONTO DE MÀXIMO RELATIVO de f . ◙ Para Q0 ( 0, 0 ) temos z0 = 4. (0).(0) – (0)4 – (0)4 = 0 – 0 – 0 z0 = 0 . Q ( 0, 0, 0 ) é PONTO DE SELA . ◙ Para S0 ( 1, 1 ) temos z0 = 4. (1).(1) – (1)4 – (1)4 = 4 – 1 – 1 z0 = 2 . S ( 1, 1, 2 ) é PONTO DE MÀXIMO RELATIVO de f . EXERCÍCIOS : Baseando-se nestas adaptações, vamos fazer os exercícios seguintes . . . 1 ) Localize todos os pontos máximos e mínimos relativos de sela das funções : a ) f ( x, y ) = ( x – 2 )2 + ( y + 1 )2. b ) f ( x, y ) = - x2 – y2 – 1. c ) f ( x, y ) = x + 2y – 5. 2 ) Idem para f ( x, y ) = x2 + y2 – 6x + 4y + 13. 3 ) Idem para f ( x, y ) = x2 + 2y2 – x2y. EXERCÍCIOS EXTRAS : RESPOSTAS : 1 ) Idem para f ( x, y ) = 3x2 + 2xy + y2 . P ( 0, 0, 0 ) Pto. Mín. Rel. 2 ) Idem para f ( x, y ) = y2 + xy + 3y + 2x + 3 . P ( 1, -2, 1 ) Pto. De Sela 3 ) Idem para f ( x, y ) = x2 + xy + y2 - 3x . P ( 2, -1, -3 ) Pto. Mín. Rel. 4 ) Idem para f ( x, y ) = x2 + y2 + 2.x-1.y-1. P ( -1, -1, 4 ) e Q ( 1, 1, 4 ) Ptos. Mín. Rel. 5 ) Idem para f ( x, y ) = x2 + y - ey . P ( 0, 0, -1 ) Pto. Sela 6 ) Idem para f ( x, y ) = ex.seny . Não existe Máx. ou Mín. Rel. 7 ) Idem para f ( x, y ) = e-(x²+y²+2x) . P ( -1, 0, e ) Pto. Máx. Rel. DETERMINAÇÃO DOS EXTREMOS ABSOLUTOS EM CONJUNTOS FECHADOS E LIMITADOS ● Seja f uma função contínua de duas variáveis em um conjunto fechado e limitado R, então f possuí extremo máximo absoluto e mínimo absoluto para algum ponto de R . Teorema do Valor Extremo para funções de duas variáveis Os pontos extremos absolutos de uma função, como mencionada no teorema acima, ocorrem em pontos críticos da função que se localizam no interior do conjunto ( Região ) R, ou em pontos na fronteira de R . Vamos indicar, a seguir, um método para determinar os máximos e mínimos absolutos em conjuntos fechados e limitados R . . . I ) Determine os valores de f nos pontos críticos de f em R. II ) Determine todos os valores extremos de fronteira de R. III ) O maior valor encontrado resultante de I e II é o valor máximo absoluto; o menor valor encontrado resultante de I e II é o valor mínimo absoluto. Exemplos : 1 ) Determine os valores de máximo e mínimo absoluto de f ( x, y ) = 3xy – 6x – 3y + 7 sobre a região triangular R R2 ( Plano Cartesiano ) com vértices A0 ( 0, 0 ) , B0 ( 3, 0 ) e C0 ( 0, 5 ). Veja a figura : Resolução : ● 3y –6 = 0 y0 = 2 D0 (x0, y0 ) = D0 ( 1, 2 ) é Único Ponto Crítico no interior de R. ● 3x – 3 = 0 x0 = 1 ● Vamos determinar os pontos de fronteira de R onde poderá ocorrer valores extremos : Analisando cada segmento de reta limitado pelos vértices ... ◙ Para o segmento ( 0, 0 ) até ( 3, 0 ) temos y0 = 0 para . u ( x ) = f ( x, 0 ) = 3.x.0 – 6x – 3.0 + 7 = -6x + 7. u’ ( x ) = -6 0 portanto não há ponto crítico em u ( x ) , além dos vértices A0 ( 0, 0 ) e B0 ( 3, 0 ). ◙ Para o segmento ( 0, 0 ) até ( 0, 5 ) temos x0 = 0 para . v ( y ) = f ( 0, y ) = 3.0.y – 6.0 – 3.y + 7 = -3y + 7. v’ ( y ) = -3 0 portanto não há ponto crítico em v ( y ) , além dos vértices A0 ( 0, 0 ) e C0 ( 0, 5 ). ◙ Para o segmento ( 3, 0 ) até ( 0, 5 ) no plano xy uma das equações é ; . w ( x ) = . w’ ( x ) = -10x + 14 =0 x0 = , substituindo em temos y0 = , logo temos o ponto crítico E0 , além dos vértices B0 ( 3, 0 ) e C0 ( 0, 5 ). . ◘ O último procedimento agora é montar uma tabela para indicarmos os Extremos Absolutos ... Aplicando, na função f ( x, y ) = 3xy – 6x – 3y + 7, os pontos críticosencontrados no plano, obtemos . . . Ponto Crítico no Plano A0 B0 C0 D0 E0 ( x0, y0 ) ( 0, 0 ) ( 3, 0 ) ( 0, 5 ) ( 1, 2 ) z0 = f ( x0, y0 ) 7 -11 -8 1 Conclusão Máx. Abs. Mín. Abs. --o-- --o-- --o-- z0 = 7 : Valor ( ou Extremo ) Máximo Absoluto . ☺ Daí temos ... z0 = -11 : Valor ( ou Extremo ) Mínimo Absoluto . Ponto de Máximo Absoluto A ( 0, 0, 7 ) ☺☺ Finalmente temos os pontos no espaço como resposta... Ponto de Mínimo Absoluto B ( 3, 0, -11 ) EXERCÍCIOS : 1 ) Idem para f (x,y) = xy – x – 3y sobre a região R triangular com vértices ( 0, 0 ) , ( 5, 0 ) e ( 0, 4 ) . 2 ) Idem para f(x,y) = x2 – 3y2 - 2x + 6y sobre a região R quadrada com vértices ( 0, 0 ) , ( 2, 0 ) , ( 0, 2 ) e ( 2, 2 ) . 3 ) Idem para f (x,y) = -3x + 4y + 5 sobre a região R triangular com vértices ( 0, 0 ) , ( 4, 0 ) e ( 4, 5 ) . EXERCÍCIOS COMPLEMENTARES : 1 ) Determine as dimensões de uma caixa retangular aberta no topo, cuja área total é de 12 m² para que ela possua um volume máximo. 2 ) Determine as dimensões de uma caixa retangular aberta no topo, com um volume de 32 cm3 e que sabendo-se que será utilizada a mínima quantidade de material para sua construção. 3 ) Qual a área máxima que um retângulo pode ter se seu perímetro é de 20 cm ? REGRA DA CADEIA Derivada total Sejam a Derivada Total de z é dada por : Exemplos : 1 ) determine Resolução : ● ●● ● ●● Portanto ... 2 ) determine Resolução : ● ●● ● ●● Portanto ... . Exercícios : ● Dê a expressão da Derivada Total das funções : a ) d ) b ) e ) c ) PLANO TANGENTE e RETA NORMAL Dada a a função z = f(x,y), o Plano Tangente ao gráfico desta função passando pelo ponto P ( x0, y0, z0 ) com z diferenciável em ( x0, y0 ) é dado pela equação : onde z0 = f( x0, y0 ). Tal plano é perpendicular ao vetor e considerando a reta r que passa pelo ponto P e é paralela ao vetor temos que r é denominada Reta Normal ao gráfico de z = f(x,y) e tem como equação : r : ( x, y, z ) = ( x0, y0, z0 ) + . ; R Graficamente ... z Reta Normal z0 P y0 y x0 x Exemplos : 1 ) Dê a equação do plano tangente e da reta normal à superfície no ponto P ( 2, -1, z0 ) . Resolução : ● z0 = f (x0, y0 ) = z0 = 1. ●● . ●●● . Portanto ... ●●●● ( Eq. do plano tangente ) ●●●●● r : ( x, y, z ) = ( x0, y0, z0 ) + . ; R r : ( x, y, z ) = ( 2, -1, 1 ) + . ; R r : ( x, y, z ) = ( 2, -1, 1 ) + .( 2, 2, -1 ); R ( Eq. da reta normal ) 2 ) Dê a equação do plano tangente e da reta normal à superfície z = 2x2 – 3y2 no ponto P ( 1, 1, z0 ) . Resolução : ● z0 = f (x0, y0 ) = 2.(1)2 – 3.(1)2 z0 = -1. ●● . ●●● . Portanto ... ●●●● ( Eq. do plano tangente ) ●●●●● r : ( x, y, z ) = ( x0, y0, z0 ) + . ; R r : ( x, y, z ) = ( 1, 1, -1 ) + . ; R r : ( x, y, z ) = ( 1, 1, -1 ) + .( 4, -6, -1 ); R ( Eq. da reta normal ) Exercícios : 1 ) Idem para z = xy em P ( 1, 1, z0 ) . 2 ) Idem para z = 4x2 + 9y2 em P ( -2, -1, z0 ) . 3 ) Idem para z = ln(xy) em P ( , 2, z0 ) . CAPÍTULO 21 Regra da cadeia CAPÍTULO 22 y y(t) b a 0 x x(t) t t em função de x y 0 x y 0 � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� x � EMBED Equation.3 ��� CAPÍTULO 23 � EMBED Equation.3 ��� V V P h r T n Gráfico da função. Gráfico do Domínio da função. 8 HEMISFÉRIO SUPERIOR 8 8 4 ◙ Nota-se que o gráfico da função seria quadridimensional, não podendo, portanto, ser esboçado. 4 4 y = x y = - x CAPÍTULO 24 x constante y constante Efetivamente, ao derivarmos parcialmente uma função, deriva-se em relação a uma variável, considerando-se as demais, constantes !!! CAPÍTULO 25 � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� CAPÍTULO 26 Po 20 40 70 100 120 z = f(x, y) Curvas de Nível 150 y0 z y x x0 ( Reta Tangente � EMBED Equation.3 ��� O Vetor Gradiente aponta para onde z = f(x,y) tem maior velocidade. Obs : Em Geometria Analítica, o Vetor Gradiente recebe o nome de Vetor Normal. CAPÍTULO 27 CAPÍTULO 28 Único Extremo Relativo z = 1 + x2 + y2 z y x 2 2 -2 -2 R 1 y x z z = y² - x² P ( CAPÍTULO 29 x y 3 5 R 0 P ● ** ** CAPÍTULO 30 Com as condições iniciais : x (t) = t + 1 y (t) = t + 4 Plano Tangente z = f (x,y) ● ● ● ● _1065512099.unknown _1066605701.unknown _1066607324.unknown _1088932156.unknown _1103788353.unknown _1159646760.unknown _1159649438.unknown _1162375926.unknown _1162376147.unknown _1162376271.unknown _1312023584.unknown _1162376044.unknown _1162371948.unknown _1162372146.unknown _1162369102.unknown _1162371829.unknown _1162367342.unknown _1162367361.unknown _1159649085.unknown _1159649217.unknown _1159646840.unknown _1153954048.unknown _1154152913.unknown _1154156883.unknown _1154156927.unknown _1154158080.unknown _1154156776.unknown _1153954137.unknown _1153960467.unknown _1153960481.unknown _1153954118.unknown _1103788750.unknown _1153948606.unknown _1153948618.unknown _1103788762.unknown _1103788557.unknown _1103788578.unknown _1088934645.unknown _1088934762.unknown _1088935037.unknown _1095403154.unknown _1095403431.unknown _1095403537.unknown _1095405195.unknown _1095403178.unknown _1088934821.unknown _1088932190.unknown _1088931392.unknown _1088932111.unknown _1066611029.unknown _1066611861.unknown _1066612265.unknown _1066612392.unknown _1066612479.unknown _1066612802.unknown _1066612415.unknown _1066612307.unknown _1066611926.unknown _1066611343.unknown _1066611736.unknown _1066611204.unknown _1066607512.unknown _1066607579.unknown _1066607397.unknown _1066606458.unknown _1066606535.unknown _1066606975.unknown _1066607201.unknown _1066606849.unknown _1066606493.unknown _1066606520.unknown _1066606477.unknown _1066605853.unknown _1066606253.unknown _1066606389.unknown _1066606239.unknown _1066605752.unknown _1066605817.unknown _1066051598.unknown _1066053989.unknown _1066055727.unknown _1066605278.unknown _1066605527.unknown _1066605619.unknown_1066605179.unknown _1066054465.unknown _1066055513.unknown _1066054115.unknown _1066053501.unknown _1066053935.unknown _1066053968.unknown _1066052367.unknown _1066052801.unknown _1066053464.unknown _1066052113.unknown _1065565106.unknown _1066051381.unknown _1066051525.unknown _1066051549.unknown _1066051483.unknown _1066042606.unknown _1066043413.unknown _1066041758.unknown _1065512638.unknown _1065513003.unknown _1065513110.unknown _1065512979.unknown _1065512521.unknown _1065512616.unknown _1065512431.unknown _1063576805.unknown _1065449141.unknown _1065509732.unknown _1065510020.unknown _1065511002.unknown _1065512059.unknown _1065510065.unknown _1065509846.unknown _1065509917.unknown _1065509837.unknown _1065508984.unknown _1065509466.unknown _1065509535.unknown _1065509088.unknown _1065481925.unknown _1065482316.unknown _1065480493.unknown _1063793531.unknown _1065362023.unknown _1065448718.unknown _1065449015.unknown _1065448415.unknown _1065448501.unknown _1065362068.unknown _1063793786.unknown _1065360462.unknown _1065361215.unknown _1063793963.unknown _1063793684.unknown _1063793727.unknown _1063793600.unknown _1063625135.unknown _1063627117.unknown _1063793404.unknown _1063793476.unknown _1063627465.unknown _1063793338.unknown _1063627394.unknown _1063626062.unknown _1063626085.unknown _1063627015.unknown _1063625245.unknown _1063577662.unknown _1063623202.unknown _1063624324.unknown _1063623166.unknown _1063577311.unknown _1063577661.unknown _1063577290.unknown _1060161306.unknown _1062853086.unknown _1062920281.unknown _1063576497.unknown _1063576663.unknown _1063576736.unknown _1063576630.unknown _1062921421.unknown _1063575706.unknown _1063575996.unknown _1063576459.unknown _1063575897.unknown _1062928489.unknown _1062929343.unknown _1062929462.unknown _1062930157.unknown _1062929319.unknown _1062928784.unknown _1062928888.unknown _1062921950.unknown _1062922898.unknown _1062921769.unknown _1062921080.unknown _1062921146.unknown _1062921351.unknown _1062921115.unknown _1062920957.unknown _1062921040.unknown _1062920901.unknown _1062919237.unknown _1062919480.unknown _1062919782.unknown _1062919913.unknown _1062920221.unknown _1062919435.unknown _1062893198.unknown _1062894689.unknown _1062894698.unknown _1062893410.unknown _1062892275.unknown _1062892325.unknown _1062853123.unknown _1061717176.unknown _1061727172.unknown _1062851189.unknown _1062852492.unknown _1062852635.unknown _1062852726.unknown _1062852136.unknown _1061727961.unknown _1062850645.unknown _1062850944.unknown _1062851076.unknown _1062850878.unknown _1061932528.unknown _1061727462.unknown _1061717923.unknown _1061726977.unknown _1061727137.unknown _1061718456.unknown _1061717471.unknown _1061717818.unknown _1060431763.unknown _1061715886.unknown _1061716660.unknown _1061717092.unknown _1061717135.unknown _1061717043.unknown _1061716453.unknown _1061712500.unknown _1061713684.unknown _1061712332.unknown _1060431461.unknown _1060431740.unknown _1060424460.unknown _1059567644.unknown _1059828480.unknown _1060153665.unknown _1060160359.unknown _1060161230.unknown _1060159626.unknown _1060155557.unknown _1059828871.unknown _1060152571.unknown _1060152631.unknown _1059829151.unknown _1059828521.unknown _1059828325.unknown _1059828364.unknown _1059568228.unknown _1059568242.unknown _1059828107.unknown _1059568185.unknown _1059565932.unknown _1059566977.unknown _1059567491.unknown _1059567538.unknown _1059566011.unknown _1059566759.unknown _1059566804.unknown _1059565968.unknown _1059564853.unknown _1059565353.unknown _1059565362.unknown _1059565294.unknown _1059565027.unknown _1059565243.unknown _1059564984.unknown _1059563865.unknown _1059564743.unknown _1059303591.unknown _1059555985.unknown _1059557487.unknown _1059560629.unknown _1059556202.unknown _1059556240.unknown _1059556020.unknown _1059304051.unknown _1059480070.unknown _1059303810.unknown _1059301988.unknown _1059302555.unknown _1059302663.unknown _1059302161.unknown _1059299940.unknown _1059300230.unknown _1059297015.unknown
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