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Derivada: Interpretac¸a˜o Geome´trica, Definic¸a˜o e Alguns Exemplos Objetivo: Esta sessa˜o inicia fazendo uam interpretac¸a˜o geoma´trica da Derivda. Em seguida apresenta a definc¸a˜o formal de Derivada, e tambe´m, alguns exemplos de como manipular e definic¸a˜o de derivada. Coeficiente Angular de Reta Considere a reta y = ax+ b, com a, b ∈ R, e a 6= 0. Neste caso, a recebe o nome de Coeficiente Angular, e b de Coeficiente Linear. Para entender melhor o nome que e´ atribuido ao nu´mero a, basta basear-se na figura a seguir, que descreve o gra´fico de uma func¸a˜o, chamar de θ o aˆngulo formado entre o eixo x e a reta, medido no sentido anti-hora´rio. O nu´mero a e´ a tangente do aˆngulo θ, ou seja, a = tg(θ). Para calcular tg(θ), deve-se escolher dois pontos distintos sobre a reta, como na figura, e contruir o triaˆngulo retaˆngulo CAB, em seguida, considerar o aˆngulo α. Observando a figura verifica-se que θ = α. Logo, a = tg(α). Neste caso, a = CB CA , ou seja, a = Cat. Oposto Cat. Adjac. Interpretac¸a˜o Geome´trica da Derivada Dada a func¸a˜o f , como ilsutra a figura a seguir, o objetivo e´ determinar o Coeficiente Angular da Reta rT , Tangente ao Gra´fico de f no ponto A = (a, f(a)). 1 Uma das maneiras de determinar o Coeficiente Angular desejado consiste em escolher um ponto B sobre a curva que representa o Gra´fio de f , com B 6= A, construir a Reta Secante, rAB, passando pelos pontos A e B. Observe que conforme o ponto B ‘caminha sobre a curva que representa o gra´fico de f’ em direc¸a˜o ao ponto A, a reta secante, rAB, se ‘aproxima’ da reta tangente rT . (Ver animac¸a˜o: Interpretac¸a˜o- Geometrica-Derivada) Desta forma, o coeficiente angular da reta secante rAB se tornara´ o coeficiente angular da reta rangente rT . Para calcular o coeficiente angular da reta secante rAB, basta utilizar a fo´rmula mAB = f(x)− f(a) x− a . Fazer o ponto B ‘caminhar sobre a curva que representa o gra´fico de f’ em direc¸a˜o ao ponto A equivale a fazer x se aproximar de a, ou seja, x→ a. Mas, observe que na˜o podemos fazer x = a na fo´rmula de mAB. Chamando o coeficiente angular da reta tangente, rT , de mT , temos que mT = lim B→A mAB = lim x→a f(x)− f(a) x− a ⇒ mT = limx→a f(x)− f(a) x− a Uma outra forma de encarar o lite anteriror consiste em tomar a abscissa do ponto B na forma x = a+ h, em que h e´ um nu´mero real na˜o nulo (Comenta´rio meu: Este h e´ o tal ‘peteleco’ que eu comentei um dia destes em sala de aula, oriundo das ideias de Einstein. Lembram disso?). Neste caso, x−a = (a+h)−a = h (Neste caso, devemos encarar h com func¸a˜o de x. Mais especificamente, h = h(x) = x - a) e f(x) − f(a) = f(a + h) − f(a). Desta forma, a fo´rmula para mAB torna-se mAB = f(a+ h)− f(a) h . Note que esta nova expressa˜o para mAB e´ uma func¸a˜o da varia´vel h. E mais, lim x→a h(x) = lim x→a (x− a) = 0⇒ h→ 0, quando x→ a. Apo´s estas considerac¸o˜es, reescrevemos a fo´rmula para mT como a seguir mT = lim h→0 f(a+ h)− f(a) h Exemplo 1 Considere a func¸a˜o f(x) = 3 √ x− 4. (a) Encontre a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, f(a)) ∈ Gr(f). (b) Investigue o que ocorre com a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0). (c) Com base nas informac¸o˜es obtidas no item anterior, fac¸a algum tipo de comenta´rio sobre o comporta- mento do gra´fico da func¸a˜o f no ponto A = (4, 0). Soluc¸a˜o: (a) A equac¸a˜o de uma reta e´ dada pela equac¸a˜o y − y0 = mT (x − x0). Neste caso, basta fazer- mos x0 = a e y0 = f(a), enta˜o, teremos que a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f e´ da forma y − f(a) = mT (x− a), em que mT e´ o Coeficiente Angular da Reta Tangente ao gra´fico de f no ponto A, ou seja, mT = lim x→a f(x)− f(a) x− a . Nos resta, enta˜o, calcular lim x→a f(x)− f(a) x− a . 2 Temos que, lim x→a f(x)− f(a) x− a = limx→a 3 √ x− 4− 3√a− 4 x− a Multp. dividir por A (Ver Janela de Pensamentos) ===================== = lim x→a 3 √ x− 4− 3√a− 4 x− a [ (x− 4)2/3 + (x− 4)1/3(a− 4)1/3 + (a− 4)2/3 (x− 4)2/3 + (x− 4)1/3(a− 4)1/3 + (a− 4)2/3 ] = lim x→a ( 3 √ x− 4− 3√a− 4)((x− 4)2/3 + (x− 4)1/3(a− 4)1/3 + (a− 4)2/3)) x− a [ 1 A ] = Fazer a conta no denominador olhando para a fo´rmula ====================== lim x→a (x− 4)− (a− 4) x− a [ 1 A ] = lim x→a x− 4− a+ 4 x− a [ 1 A ] = = lim x→a x− a x− a [ 1 A ] Usar que A=(x−4)2/3+(x−4)1/3(a−4)1/3+(a−4)2/3 ====================== lim x→a 1 (x− 4)2/3 + (x− 4)1/3(a− 4)1/3 + (a− 4)2/3 = = 1 (a− 4)2/3 + (a− 4)1/3(a− 4)1/3 + (a− 4)2/3 = 1 (a− 4)2/3 + (a− 4)2/3 + (a− 4)2/3 = 1 3 (a− 4)2/3 = 1 3 3 √ (a− 4)2 . Portanto, lim x→a 3 √ x− 4− 3√a− 4 x− a = 1 3 3 √ (a− 4)2 ⇒ mT = 1 3 3 √ (a− 4)2 OBSERVE QUE o Limite anterior esta´ bem definido para todo nu´mero real a, com a diferente de 4 . Enta˜o, nos parece bem interessante olhar com bastante cuidado o que esta´ acontecendo com a reta tangente e com o gra´fico da func¸a˜o f em uma vizinhanc¸a do ponto a = 4, ou seja, no ponto A = (4, 0). 3 Janela de Pensamentos Note que o Limite lim x→a 3 √ x− 4− 3√a− 4 x− a gera uma ideterminac¸a˜o do tipo 0 0 . De fato, lim x→a 3 √ x− 4− 3√a− 4 x− a = limx→a( 3 √ x− 4− 3√a− 4) limx→a(x− a) = 3 √ limx→a(x− 4)− 3 √ a− 4 limx→a(x− a) = 3 √ a− 4− 3√a− 4 a− a = 0 0 Como o Limite anterior envolve uma raiz cu´bida, deve-se aplicar a fo´rmula u− v = ( 3√v − 3√v) (u2/3 + u1/3v1/3 + v2/3) com u = x− 4 e v = a− 4. Desta forma, sendo A = ((x− 4)2/3 + (x− 4)1/3(a− 4)1/3 + (a− 4)2/3), para efetivar o ca´lculo do Limite em questa˜o, deve-se comec¸ar por multiplicar e dividir por A. Assim, a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, 3 √ a− 4) e´ dada por y − 3√a− 4 = 1 3 3 √ (a− 4)2 (x− a) Partindo da equac¸a˜o anterior, vamos realizar alguns ca´lculos para tentar ober uma equac¸a˜o em um formato mais ‘enxuto’. Temos que, y − 3√a− 4 = 1 3 3 √ (a− 4)2 (x− a)⇒ ⇒ y − 3√a− 4 = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 ⇒ ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 + 3 √ a− 4⇒ ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 + 3 √ a− 4 [ 3 3 √ (a− 4)2 3 3 √ (a− 4)2 ] ⇒ ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 + [ 3 3 √ a− 4 3√(a− 4)2 3 3 √ (a− 4)2 ] ⇒ ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 + [ 3 3 √ (a− 4) (a− 4)2 3 3 √ (a− 4)2 ] ⇒ 4 ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 + [ 3 3 √ (a− 4)3 3 3 √ (a− 4)2 ] ⇒ ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2x− a 3 3 √ (a− 4)2 + [ 3 (a− 4) 3 3 √ (a− 4)2 ] ⇒ ⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2 (x− a+ 3a− 12)⇒ y = 1 3 3 √ (a− 4)2 (x+ 2a− 12) Portanto, a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, f(a)) e´ dada por y = 1 3 3 √ (a− 4)2 (x+ 2a− 12) Por exemplo, para a = 12, temos que 3 3 √ (a− 4)2 = 3 3√(12− 4)2 = 3 3√82 = 3 3√64 = 3.4 = 12. Assim, a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (12, 2) e´ dada por y = 1 12 (x+ 2.12− 12) = 1 12 (x+ 24− 12) = 1 12 (x+ 12) = x 12 + 1⇒ y = x 12 + 1 Mostrar Animac¸a˜o-Exemp-1-Derivada (b) Para investigar o que ocorre com a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0), basta entender a = 4 nas concluso˜es obtidas no item anterior. Mas, observe que na˜o se pode fazer a = 4 na fo´rmula de mT , pois a = 4 anula o denominador da expressa˜o que representa mT . Enta˜o, uma sa´ıda e´ fazer a → 4 e verificar o que ocorre com o Limite, quando a se aproxima arbitrariamente de 4. Temos que, • lim a→4− mT = lim a→4− 1 3 3 √ (a− 4)2 Ver Janela de Pensamentos =========== +∞ • lim a→4+mT = lim a→4+ 1 3 3 √ (a− 4)2 Ver Janela de Pensamentos =========== +∞ Enta˜o na˜o existe reta tangente ao gra´fico de f no ponto em que A = (4, 0)? NA˜O A conclusa˜o e´ que na˜o existe reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0). Mas, graficamente verifica- se que a reta vertical x = 4 e´ tangente ao gra´fico de f . E enta˜o? O que ocorreu? E´ isso mesmo. O coeficiente angular da reta tangente ao gra´fico de f tende ao infinito significa que a reta tangente ao gra´fico de f naquele ponto e´ uma reta vertical, que no caso em discussa˜o, e´ a reta vertical x = 4. De fato, o coeficiente angular de uma reta (na˜o importa que estamos falando de reta tangente ao gra´fico de uma func¸a˜o ou na˜o) representa a tangente do aˆngulo que a reta forma com o eixo x. No caso de 5 a = 4 temos que mT → +∞, ou seja, a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0) forma um aˆngulo θ com o eixo x de tal forma que tg(θ)→ +∞, isto e´, θ = pi 2 . Isso mesmo, a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0) forma um aˆngulo θ = pi 2 com o eixo x, ou seja, e´ vertical. (Muito massa isso!!!) (c) O fato de a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0) ser vertical, significa que o gra´fico de f e´ ‘quase vertical’ em uma vizinhanc¸a do ponto x = 4. Janela de Pensamentos Para o ca´lculo do Limite lim a→4− 1 3 3 √ (a− 4)2 basta relembrar os ca´lculos desenvolvidos para Limites do tipo lim x→x−0 f(x) = ±∞ ou lim x→x+0 f(x) = ±∞ Temos que, lim a→4− 1 3 3 √ (a− 4)2 Jogar constante (1/3) p/ fora do Limite ================ ( 1 3 ) lim a→4− 1 3 √ (a− 4)2 = Usar subst. u= 3 √ (a−4)2. Como a→4−⇒a<4⇒a−4<0⇒(a−4)2>0⇒ 3 √ (a−4)2>0⇒u→0+ ====================================== = ( 1 3 ) lim u→0+ 1 u Pelo Teorema ====== +∞ Seguindo ideias totalmente ana´logas a`s anteriores, conclui-se que lim a→4+ 1 3 3 √ (a− 4)2 = +∞ (Pense sobre isso!) Pode-se notar na animac¸a˜o feita no GeoGebra que e´ exatamente isso que ele nos informa. Muito interessante o software representar algo que no´s conclu´ımos por meio das contas! O que poderia acontecer, tambe´m, e´ utlizar o software e perceber que o coeficiente angular da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (4, 0) tende ao infinito, e depois sair em busca da formalizac¸a˜o matema´tica para este fato. Pergunta que na˜o quer calar: Qual e´ a relac¸a˜o desta discussa˜o toda sobre coeficiente angular de reta tangente ao gra´fico de uma func¸a˜o f em um ponto A = (a, f(a)) ∈ Gr(f) com Derivada? Definic¸a˜o: Sefa f(x) uma func¸a˜o bem definida em qulaquer intervalo aberto I, contendo o ponto a (Neste caso, incluindo o ponto a). A Derivada da func¸a˜o f no ponto a, denotada por f ′(a), ou df dx (a), e´ dada por 6 f ′(a) = lim x→a f(x)− f(a) x− a , caso o Limite exista Ou, equivalentemente, f ′(a) = lim h→0 f(a+ h)− f(a) h , caso o Limite exista Observac¸a˜o: A definic¸a˜o de derivada e´ exatamente a fo´rmula utilizada para calcular o coeficiente angular da reta tangente ao gra´fico da func¸a˜o f(x) no ponto A = (a, f(a)), ou seja, no ponto x = a. (kkk!! Massa!!) Conclusa˜o: Enta˜o, a derivada da func¸a˜o f no ponto x = a, f ′(a), representa o coeficiente angular da reta tangente ao gra´fico da func¸a˜o f(x) no ponto A = (a, f(a)). Equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de f em um ponto A = (a, f(a)) Como dito anteriormente, a equac¸a˜o da reta que passa pelo ponto (x0, y0) e dada por y − y0 = m (x− x0), em que m representa coeficiente angular da reta. No caso de uma func¸a˜o f , e de um ponto A = (a, f(a)) ∈ Gr(f), temos que a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de uma func¸a˜o f , no ponto e´ dada por y − f(a) = mT (x− a). Pela definic¸a˜o de derivada, temos que mT = f ′(a). Assim a equac¸a˜o da reta tangente ao gra´fico de uma func¸a˜o f , no ponto A = (a, f(a)) ∈ Gr(f) torma-se y − f(a) = f ′(a) (x− a). Voltando ao caso da func¸a˜of(x) = 3 √ x− 4 No caso da func¸a˜o f(x) = 3 √ x− 4 concluiu-se que o coeficiente angular da reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, 3 √ a− 4) e´ dado por mT = 1 3 3 √ (a− 4)2 , ou seja, f ′(a) = 1 3 3 √ (a− 4)2 . Mas, como ja´ discutido no caso de a = 4 temos que mT → +∞⇒ f ′(4)→ +∞, ou seja, f ′(4) = lim x→4 f(x)− f(4) x− 4 = +∞, isto e´, NA˜O EXISTE f ′(4). Neste caso dizemos que a func¸a˜o NA˜O E´ DIFERENCIA´VEL EM x = 4. Se na˜o existe o limite que representa a derivada da func¸a˜o f no ponto x = a, ou seja, se na˜o existe lim x→a f(x)− f(a) x− a , podemos afirmar que a func¸a˜o f na˜o e´ diferencia´vel em x = a. Em que casos a func¸a˜o f na˜o e´ diferencia´vel? Temos o caso em que lim x→a f(x)− f(a) x− a = ±∞, como no caso da func¸a˜o anterior, e que significa grafica- mente que a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, f(a)) e´ vertical, mais especificamente, a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, f(a)) e´ a reta vertical x = a, e, enta˜o, o gra´fico de f e´ ‘quase vertical’ em uma vizinhanc¸a do ponto x = a. 7 O outro caso e´ quando lim x→a− f(x)− f(a) x− a 6= limx→a+ f(x)− f(a) x− a , o que implica que na˜o existe o limite bila- teral lim x→a− f(x)− f(a) x− a . Mas, o que sa˜o estes limites laterais? Se o limite bilateral lim x→a f(x)− f(a) x− a e´ a derivada da func¸a˜o f no ponto x = a, enta˜o os limites laterais sa˜o as Derivadas Laterias. Isso mesmo.(Que massa!! KKK) Definic¸a˜o: • A Derivada Lateral pela Esquerda da Func¸a˜o f, no ponto a, denotda por f ′−(a), e´ dada por f ′−(a) = lim x→a− f(x)− f(a) x− a , caso o limite exista. • A Derivada Lateral pela Direita da Func¸a˜o f, no ponto a, denotda por f ′+(a), e´ dada por f ′+(a) = lim x→a+ f(x)− f(a) x− a , caso o limite exista. Exemplo 2 Considere a func¸a˜o f(x) = |x2 − 4|. Calcule a derivada da func¸a˜o f em todos os pontos do seu domı´nio. Verifique qual e´ o comportamento do gra´fico de f em torno dos pontos a ∈ Dom(f), para os quais na˜o existe f ′(a). Soluc¸a˜o: Ja´ que a func¸a˜o f envolve um mo´dulo, o primeiro passo e´ fazer uma releitura da func¸a˜o f . Temos que |x2 − 4| = { −(x2 − 4) , se x2 − 4 < 0 (x2 − 4) , se x2 − 4 ≥ 0 . Estudando o sinal da Para´bola y = x2 − 4 (Fac¸am isso em casa), temos que |x2 − 4| = { −(x2 − 4) , se −2 < x < 2 (x2 − 4) , se x ≤ −2 ou x ≥ 2 . Note que ocorre uma mudanc¸a na lei de formac¸a˜o da func¸a˜o f nos pontos x = −2 e x = 2. Isto levanta um questionamento: Sera´ que f e´ diferencia´vel em x = −2 ou em x = 2? Vamos responder isso posteriormente. Vamos analisar a derivada da func¸a˜o f em dois casos. Caso 1: x < −2 ou x > 2⇒ f(x) = x2 − 4. Seja a ∈ (−∞, −2) ∪ (2, +∞). Enta˜o, f ′(a) = lim x→a f(x)− f(a) x− a a∈(−∞,−2)∪(2,+∞)⇒x∈(−∞,−2)∪(2,+∞) ==================== lim x→a (x2 − 4)− (a2 − 4) x− a = limx→a x2 − 4− a2 + 4 x− a = = lim x→a x2 − a2 x− a Decompor x2−a2=(x−a)(x+a) =========== lim x→a (x− a)(x+ a) x− a x→a⇒x 6=a⇒x−a6=0⇒Posso cancelar x−a ================== = lim x→a (x+ a) = a+ a = 2a⇒ f ′(a) = 2a, para todo a ∈ (−∞, −2) ∪ (2, +∞) 8 Caso 2: −2 < x < 2⇒ f(x) = −(x2 − 4) = 4− x2. Seja a ∈ (−2, 2). Enta˜o, f ′(a) = lim x→a f(x)− f(a) x− a a∈(−2, 2)⇒x∈(−2, 2) ========== lim x→a (4− x2)− (4− a2) x− a = limx→a 4− x2 − 4 + a2 x− a = = lim x→a a2 − x2 x− a Decompor a2−x2=(a−x)(a+x) ============== lim x→a (a− x)(a+ x) x− a = limx→a −(x− a)(a+ x) x− a = x→a⇒x 6=a⇒x−a6=0⇒Posso cancelar x−a ================== lim x→a −(a+ x) = −(a+ a) = −2a⇒ f ′(a) = −2a, para todo a ∈ (−2, 2) Temos que fazer uma ana´lise mais detalhada para a = −2 e a = 2. Temos que, •f ′−(2) = lim x→2− f(x)− f(2) x− 2 x→2−⇒x<2⇒f(x)=4−x2, f(2)=0 =============== lim x→2− 4− x2 x− 2 Decompor 4−x2=−(x−2)(2+x)============== = lim x→2− −(x− 2)(2 + x) x− 2 x→2−⇒x 6=2⇒x−26=0⇒Posso cancelar x−2 =================== − lim x→2− (2 + x) = −(2 + 2) = −4⇒ f ′−(2) = −4 E mais, •f ′+(2) = lim x→2+ f(x)− f(2) x− 2 x→2+⇒x>2⇒f(x)=x2−4, f(2)=0 =============== lim x→2+ x2 − 4 x− 2 Decompor x2−4=(x−2)(x+2) ============== = lim x→2+ (x− 2)(x+ 2) x− 2 x→2+⇒x 6=2⇒x−26=0⇒Posso cancelar x−2 =================== − lim x→2+ (x+ 2) = (2 + 2) = 4⇒ f ′+(2) = 4 Portanto, f ′−(2) 6= f ′+(2)⇒ na˜o existe f ′(2)⇒ f na˜o e´ dieferencia´vel em x = 2 Utilizando argumentos, racioc´ınios e ideias totalmente ana´logas a`s anteriores, verifica-se que f ′−(−2) = −4, f ′+(−2) = 4⇒ f ′−(−2) 6= f ′+(−2)⇒ na˜o existe f ′(−2)⇒ f na˜o e´ dieferencia´vel em x = −2 A figura a seguir representa o compotamento do gra´fico da func¸a˜o f(x) = |x2 − 4|. Observe que nos pontos x = −2 e x = 2, o gra´fico da func¸a˜o apresenta um comportamento bem peculiar. (Em palavras informais: Apresenta um Bico) 9 Mas, o que estas na˜o diferenciabilidades representam em termos de gra´fico? • No caso em que existe ou na˜o f ′−(a) (pois, podemos ter f ′−(a) → ±∞), existe ou na˜o f ′+(a) (pois, podemos ter f ′+(a) → ±∞), o importante e´ que f ′−(a) 6= f ′+(a) (Podemos ter, por exemplo, que f ′−(a)→ +∞ e f ′+(a)→ −∞⇒ f ′−(a) 6= f ′+(a)), enta˜o na˜o existe f ′(a), ou seja, f na˜o e´ diferencia´vel em x = a , e, neste caso, o ponto A = (a, f(a)) e´ um ponto anguloso, uma cu´spide, ou, como eu costumo dizer, um ‘BICO’, como ilustra a figura a seguir. • No caso em que f ′−(a) → ±∞, ou f ′+(a) → ±∞ (Neste caso, e´ importante que as derivadas laterais estourem ambas para −∞, ou ambas para +∞, ou seja, na˜o pode acontecer de uma derivada lateral estourar para −∞, e a outra para +∞, por exemplo), enta˜o na˜o existe f ′(a), ou seja, f na˜o e´ diferencia´vel em x = a , e, neste caso, a reta tangente ao gra´fico de f no ponto 10 A = (a, f(a)) e´ vertical, mais especificamente, a reta tangente ao gra´fico de f no ponto A = (a, f(a)) e´ a reta vertical x = a, e enta˜o, o gra´fico de f e´ ‘quase vertical’ em uma vizinhanc¸a do ponto x = a, como ilustra a figura a seguir. Bons Estudos! 11
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