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CÁLCULO I Prof. Edilson Neri Júnior | Prof. André Almeida Aula no 13: Teorema do Valor Médio Objetivos da Aula • Enunciar e utilizar o Teorema do Valor Médio para Derivadas. 1 Teorema do Valor Médio Para enunciarmos o Teorema do Valor do Médio, precisamos do seguinte resultado: Teorema 1 (de Rolle). Seja f uma função contínua que satisfaça as seguintes hipóteses: 1. f é contínua no intervalo fechado [a, b] 2. f é derivável no intervalo aberto (a, b) 3. f(a) = f(b) Então, existe um número c em (a, b) tal que f ′(c) = 0. A figura a seguir mostra o gráfico de três funções que satisfazem o resultado anterior. Em cada um dos casos há pelo menos um ponto (c, f(c)) onde a tangente é horizontal e, portanto, f ′(c) = 0. Exemplo 1. Demonstre que a equação x3 + x− 1 = 0 tem exatamente uma raiz real. Solução: Pelo Teorema do Valor Intermediário existe uma raiz. De fato, f é contínua pois é uma função polinomial, f(0) = −1 e f(1) = 1, logo existe um c entre 0 e 1 tal que f(c) = 0. Para verificar que a equação dada não possui outra raiz real, vamos usar o Teorema de Rolle. Suponha, por contradição, a equação dada tenha duas raízes a e b. Então f(a) = f(b) = 0. Como f é uma função polinomial, então f é derivável em (a, b) e contínua em [a, b]. Assim, pelo Teorema de Rolle, existe um c entre a e b, tal que f ′(c) = 0. Mas, f ′(x) = 3x2 + 1 ≥ 1 ∀ x Veja que 3x2 ≥ 0, portanto, f ′(x) nunca pode ser zero, o que contradiz o Teorema de Rolle. Portanto, a equação não pode ter duas raízes. � Exemplo 2. Dois corredores começam uma disputa de corrida ao mesmo tempo e terminam empatados. Mostre que em algum instante, durante a corrida, eles correram com a mesma velocidade. 1 Cálculo I Aula no 15 Solução: Sejam f(t) e g(t) as funções posições dos corredores 1 e 2, respectivamente. Considere h(t) = f(t)− g(t) e [t1, t2] o intervalo tempo que durou a corrida. Supondo que os competidores não pararam de correr , então as funções f e g são contínuas e deriváveis durante [t1, t2] e também h(t1) = h(t2) = 0, pois eles começam juntos e terminam juntos. Logo, segue do Teorema de Rolle que existem algum instante t∗ tal que h′(t∗) = 0. Logo, h(t) = f(t)− g(t)⇒ h′(t) = f ′(t)− g′(t) Então, para o instante t = t∗, temos que 0 = h′(t∗) = f ′(t∗)− g′(t∗)⇒ f ′(t∗) = g′(t∗) o que evidencia que no instante t∗ os corredores disputavam com a mesma velocidade. � Teorema 2 (do Valor Médio). Seja f uma função que satisfaz as seguintes hipóteses: 1. f é contínua no intervalo fechado [a, b] 2. f é derivável no intervalo aberto (a, b) Então, existe um número c em (a, b) tal que f ′(c) = f(b)− f(a) b− a (1) ou, de maneira equivalente, f(b)− f(a) = f ′(c)(b− a). (2) Geometricamente, temos que, dados dois pontos A(a, f(a)) e B(b, f(b)) sobre o gráfico de uma função derivável. Neste caso, a inclinação da reta secante AB é: mAB = f(b)− f(a) b− a , (3) que é a mesma expressão mostrada no lado direito da Equação 1. Uma vez que f ′(c) é a inclinação da reta tangente no ponto (c, f(c)), o Teorema do Valor Médio, nos garante, pela Equação 1 que há, pelo menos, um ponto P (c, f(c)) sobre o gráfico onde a inclinação da reta tangente é igual à inclinação da reta secante. Em outras palavras, estamos dizendo que a reta tangente no ponto P é paralela à reta secante AB. Observe graficamente: Exemplo 3. Determine c ∈ (0, 4) para o qual a reta tangente ao gráfico da função f(x) = x2 − 5x+ 6 no ponto P (c, f(c)) seja paralela à reta secante que passa pelos pontos A(0, f(0)) e B(4, f(4)). Solução: Como f é uma função polinomial, então é contínua e derivável em todo o seu domínio. O Teorema do Valor Médio garante a existência de c ∈ (0, 4), tal que: f ′(c) = f(b)− f(a) b− a ⇒ 2c− 5 = f(4)− f(0) 4− 0 ⇒ c = 2. � Prof. Edilson Neri | Prof. André Almeida 2 Cálculo I Aula no 15 Exemplo 4. Se um objeto move-se em uma linha reta com uma função posição s(t). Então a velocidade média entre t = a e t = b é: s(b)− s(a) b− a e a velocidade em t = c é s′(c). Assim, o Teorema do Valor Médio nos diz que, em algum instante t = c entre a e b, a velocidade instantânea f ′(c) é igual a velocidade média. Por exemplo, se um carro percorrer 180 km em duas horas, então o velocímetro deve ter passado pela marca dos 90 km/h pelo menos uma vez. � Observação 1. Em geral, o Teorema do Valor Médio pode ser interpretado como se dissesse que existe um número no qual a taxa de variação instantânea é igual a taxa de variação média em um intervalo. Exemplo 5. Suponha que f(0) = 3 e f ′(x) ≤ 5 para todos os valores de x. Quão grande f(2) pode ser? Solução: Pelos dados do problemas, temos que f é derivável (e, portanto, contínua) em toda parte. Em particular, vamos aplicar o Teorema do Valor Médio no intervalo [0, 2]. Então, existe um número c tal que f(2)− f(0) = f ′(c)(2− 0) logo f(2) = f(0) + 2f ′(c) = −2 + 2f ′(c). Sabemos que f ′(c) ≤ 5 para todo x. Assim, multiplicando ambos os membros dessa desigualdade por 2, temos que 2f ′(c) ≤ 10, logo f(2) = −3 + 2f ′(c) ≤ −3 + 10 = 7. Portanto, o maior valor possível para f(2) é 7. � Os resultados a seguir são consequências do Teorema do Valor Médio. Corolário 1. Se f ′(x) = 0 para todo x em um intervalo (a, b), então f é constante em (a, b). Demonstração: Note que se f ′(x) = 0 para todo x ∈ (a, b), então, ao tomar o intervalo (a, x], segue do Teorema do Valor Médio que existe c ∈ (a, x) tal que f(x)− f(a) = f ′(c)(x− a) Como f ′(c) = 0 então f(x) = f(a). Como x ∈ (a, b) é arbitrário, então f(x) é constante. � Corolário 2. Se f ′(x) = g′(x) para todo x em um intervalo (a, b), então f − g é constante em (a, b), isto é, f(x) = g(x) + c, em que c é uma constante. Demonstração: A demonstração desse resultado utiliza o Corolário 1. Se f ′(x) = g′(x) então f ′(x) = g′(x)⇒ (f ′ − g′)(x) = 0⇒ (f − g)′(x) = 0⇒ (f − g)(x) = c⇒ f(x) = g(x) + c � Resumo Quais são as hipóteses dos teoremas de Rolle e do Valor Médio? Como posso utilizar o teorema de Rolle para verificar a unicidade de raízes de uma equação? Quais as interpretações geométrica e cinemática do Teorema do Valor Médio? Aprofundando o conteúdo Leia mais sobre o conteúdo desta aula na seção 4.2 do livro texto. Sugestão de exercícios Resolva os exercícios da seção 4.2 do livro texto. Prof. Edilson Neri | Prof. André Almeida 3
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