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1 Cálculo Diferencial Integral I Ao final desta unidade, o aluno estará familiarizado com as principais regras operatórias envolvendo a derivada, bem como, estará apto a caracterizar derivadas de funções de forma mais simples. Unidade V – Regras Operatórias Envolvendo a Derivada Objetivos da Unidade V 2 Cálculo Diferencial Integral I Unidade V 5.1. Regras Operatórias das Derivadas É interessante observarmos mais uma vez que através da definição formal de derivada, a caracterização das mesmas constitui uma tarefa árdua e com muitos cálculos. Desta forma, estaremos discutindo aqui as principais regras operatórias para o cálculo envolvendo derivadas de funções elementares. Tal aparato é importante porque se caracterizará como um procedimento facilitador na descrição das derivadas de funções y = f(x), bem como, será o alicerce para a resolução de aplicações específicas nas áreas do conhecimento que estaremos trabalhando mais a frente. Logo, estaremos apresentando a aritmética envolvendo as derivadas, ou seja, estaremos interessados em descrever as principais regras operatórias das derivadas, tais como, a derivada de uma constante, a derivada de uma soma, de um produto, etc. Salientamos que não é de nosso interesse apresentar as provas envolvendo tais regras, para tais provas você pode encontrar em qualquer uma das referências bibliográficas descritas ao final da unidade. Proposição 1 (Derivada de Uma Constante) (Boulos 2006): Se c é uma constante e f(x) = c para todo x, então f ’(x) = 0, ou seja, a derivada de uma função constante é zero. Em símbolos, temos que: Se f(x) = c f ’(x) = 0. Exemplo 1: Desta forma, temos que: a) Se f(x) = 2 então f ’(x) = 0. b) Se f(x) = – 4 então dy dx = 0. c) Se f(x) = e (constante de Euler) então f ’(x) = 0. d) Se f(x) = π então dy dx = 0. e) Se f(x) = 17 então f ’(x) = 0. f) Se f(x) = – 12 então f ’(x) = 0. A derivada de uma função constante é zero, ou seja, se temos f(x) = c (constante) então f ’(x) = 0. 3 Cálculo Diferencial Integral I Proposição 2 (Regra da Potência) (Boulos 2006): Se n é um número inteiro positivo (n > 0) e f(x) = x n então f ’(x) = n. x 1n . Exemplo 2: Desta forma, temos que: a) Se f(x) = x então f ’(x) = 1.x1-1 = 1.1 = 1. b) Se f(x) = x² então dy dx = 2.x2-1 = 2.x c) Se f(x) = x³ então f ’(x) = 3.x3-1 = 3.x² d) Se y = x 5 então dy dx = 5.x 4 . e) Se f(x) = 21 ² x x então f ’(x) = – 2.x-2-1 = – 2. x-3 = 3 ²x f) Se f(x) = 12x então f ’(x) = 1 11 2 2 1 1 1 1 1 . . . 2 2 2 2 x x x x . Proposição 3 (Derivada do Produto de uma Constante por uma Função) (Boulos 2006): Consideremos f(x) uma função, c uma constante e g a função definida por g(x) = c.f(x). Se f ’(x) existe então g’(x) = c.f ’(x). Exemplo 3: Desta forma, temos que: a) Se f(x) =8x então f ’(x) = 8.(1) = 8. b) Se f(x) = 3x² então dy dx = 3.(2x) = 6.x c) Se f(x) = 8.x 2 então f ’(x) = 8.(2x) = 16x. d) Se f(x) = 3x então f ’(x) = 3.(1) = 3. e) Se y(t) = 3t 5 então dy dt = 3.(5t 4 ) = 15.t 4 . f) Se g(z) = 2z 6 então dy dz = 2.(6.x 5 )= 12x 5 . Proposição 4 (Derivada de Uma Soma) (Boulos 2006): Consideremos f(x) e g(x) duas funções e h(x) a função definida por h(x) = f(x) + g(x). Se f ’(x) e g’(x) existem, então h’(x) = f ’(x) + g’(x). Salientamos que a Proposição 4 se aplica a um número finito de funções, isto é, a derivada de uma soma de um número finito de funções é igual à soma de suas derivadas, se estas existirem. 4 Cálculo Diferencial Integral I Exemplo 4: Desta forma, temos que: a) Se f(x) = 3x – 4 então f ’(x) = 3.(1) – 0 = 3. b) Se f(x) = 3x 4 + 8x + 5 então f ’(x) = 3.(4x 3 ) + 8.(1) + 0 = 12x3 + 8. c) Se g(y) = 9y 5 – 4y2 + 2y + 7 então g ’(y) = 9.(5y 4 ) – 4.(2y) + 2.(1) + 0 = 45y 4 – 8y + 2. Proposição 5 (Derivada de Um Produto) (Boulos 2006): Consideremos f(x) e g(x) duas funções e h(x) a função definida por h(x) = f(x).g(x). Se f ’(x) e g’(x) existem, então: h’(x) = f(x).g’(x) + f ’(x).g(x). Exemplo 5: Desta forma, temos que: a) Seja f(x) = (2x – 1).(x + 3) então: f ’(x) = (2x – 1).(1) + (2).(x + 3) = 2x – 1 + 2x + 6 = 4x + 5 b) Seja f(x) = (4x + 7).(5x + 2) então: f ’(x) = (4x + 7).(5) + (4).(5x + 2) = 20x + 35 + 20x + 8 = 40x + 43 Proposição 6 (Derivada de Um Quociente) (Boulos 2006): Consideremos f(x) e g(x) duas funções e h(x) a função definida por h(x) = )( )( xg xf , onde g(x) ≠ 0. Se f ’(x) e g’(x) existem, então h’(x) = 2 '( ). ( ) '( ). ( ) [ ( )] f x g x g x f x g x . Exemplo 6: Desta forma, temos que: 5 Cálculo Diferencial Integral I a) Seja f(x) = 1 3 2 x x então: h’(x) = 2 '( ). ( ) '( ). ( ) [ ( )] f x g x g x f x g x = 2 1.(3 2) (3).( 1) (3 2) x x x h’(x) = 2 3 2 3 3 (3 2) x x x = 2 5 (3 2)x b) Seja f(x) = 4 2 5 3 x x então: h’(x) = 2)]([ )().(')().(' xg xfxgxgxf = 2)35( )24).(5()35).(4( x xx h’(x) = 2)35( 10201220 x xx = 2)35( 2 x c) Seja f(x) = 35 32 2 4 xx x então: h’(x) = 2)]([ )().(')().(' xg xfxgxgxf = 2)( 1).1()).(0( x x = 2 1 x d) Seja h(x) = 2 1 x então: 6 Cálculo Diferencial Integral I h’(x) = 2)]([ )().(')().(' xg xfxgxgxf = 22 2 )( 1).2()).(0( x xx = 4 2 x x = 3 2 x Proposição 7 (Boulos 2006): Se f(x) = x n onde n é um número inteiro positivo (n > 0) e x ≠ 0, então f ’(x) = – n. x 1n . Exemplo 7: Desta forma, temos que: a) Seja f(x) = 3 1 x = x 3 então f’(x) = – 3.x 13 = – 3.x 4 . b) Seja f(x) = 10 1 x = x 10 então f’(x) = – 10.x 110 = – 10.x 11 . Vejamos mais um problema resolvido envolvendo todas as regras operatórias descritas anteriormente. 5.2. A Derivada da Função Composta: A Regra da Cadeia Em diversas situações nos deparamos com uma função que se escreve como uma composição de outras funções, desta maneira, é necessário a determinação da derivada de tal função. Sendo assim, neste momento estaremos interessados em descrever a regra que caracteriza o cálculo da derivada de uma função composta. Tal regra é conhecida como a Regra da Cadeia. Ou seja, as regras já apresentadas permitem derivar funções que podem ser representadas por expressões com termos simples, o que ocorre com funções conhecidas, mas tais regras não se aplicam a funções mais complexas, como por exemplo f(x)=(4x+1)100 , pois é praticamente impossível derivar um produto com 100 termos pela regra usual. No entanto, podemos expressar esta função como a composta de duas funções mais simples, motivo pelo qual, aprenderemos a derivar qualquer função formada pela composição de funções com derivadas conhecidas. A seguir, apresentamos a Regra da Cadeia, que nos dá a derivada da função composta. 7 Cálculo Diferencial Integral I Teorema 1 (Regra da Cadeia) (Boulos 2006): Sejam f e g funções deriváveis e h a função composta definida por h(x) = (f g)(x) = f(g(x)). Se u = g(x) é derivável no ponto x e se y = f(u) é derivável no ponto u = g(x), então a função composta h é derivável no pontox e a sua derivada é dada por: h'(x) = (f g)’(x) = [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) Exemplo 8: Desta forma, exemplificamos que: a) h(x) = (2x + 1) 3 b) h(x) = (x + 4) 10 Solução: Neste caso, temos que: a) h(x) = (2x + 1) 3 : notemos que para h(x) = (2x + 1) 3 , temos que g(x) = 2x + 1 e f(x) = x 3 , ou seja, a função h(x) é a composta das funções f(x) e g(x), ou ainda, h(x) = f(g(x)), portanto devemos utilizar a regra da cadeia para encontrarmos a derivada da função h(x). Logo: [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) = f’(2x+1).g’(x) = 3.(2x+1) 2 .(2) = 6.(2x+1) 2 b) h(x) = (x + 4) 10 : notemos que para h(x) = (x + 4) 10 , temos que g(x) = x + 4 e f(x) = x 10 , ou seja, a função h(x) é a composta das funções f(x) e g(x), ou ainda, h(x) = f(g(x)), portanto devemos utilizar a regra da cadeia para encontrarmos a derivada da função h(x). Logo: [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) = f’(x+4).g’(x) = 10.(x+4) 9 .(1) = 10.(x+4) 9 O Teorema 1 (Regra da Cadeia) nos diz que a derivada de uma função composta é igual à derivada da função de fora aplicada na função de dentro, vezes a derivada da função de dentro. 8 Cálculo Diferencial Integral I Exemplo 9: Utilizando a Regra da Cadeia, vamos encontrar a derivada da seguinte função h(x) = (3x + 2) 2 . Solução: Neste caso, notemos que para h(x) = (3x + 2) 2 , temos que g(x) = 3x + 2 e f(x) = x 2 , ou seja, a função h(x) é a composta das funções f(x) e g(x), ou ainda, h(x) = f(g(x)), portanto devemos utilizar a regra da cadeia para encontrarmos a derivada da função h(x). Logo: [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) = f’(3x+2).g’(x) = 2.(3x+2).3 = 6.(3x + 2) = 18x + 12 Notemos que aqui, f ’(x) = 2x e g’(x) = 3. Exemplo 10: Utilizando a Regra da Cadeia, vamos encontrar a derivada da seguinte função h(x) = (x 2 + 5x + 2) 7 . Solução: Neste caso, notemos que para h(x) = (x 2 + 5x + 2) 7 , temos que g(x) = x 2 + 5x + 2 e f(x) = x 7 , ou seja, a função h(x) é a composta das funções f(x) e g(x), ou ainda, h(x) = f(g(x)), portanto devemos utilizar a regra da cadeia para encontrarmos a derivada da função h(x). Logo: [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) = f’(x 2 + 5x + 2).g’(x) = 7.( x2 + 5x + 2) 6 .(2x+ 5) Exemplo 11: Considerando a função y = h(x) = 5 12 23 x x , vamos encontrar dx dy . Solução: Neste caso, podemos observar que a função h(x) é a composta envolvendo as funções g(x) = 12 23 x x e f(x) = 5x , logo devemos utilizar a regra da cadeia para encontrarmos a derivada dx dy . Além disso, devemos notar que quando ao determinarmos a derivada g’(x) na regra da cadeia, devemos utilizar a regra do quociente. Daí: 9 Cálculo Diferencial Integral I dx dy = h’(x) = [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) = 5. 4 12 23 x x . )(' 2)12( )23.(2)12.(3 xg x xx dx dy = h’(x) = 5. 4 12 23 x x . 2)12( 1 x Exemplo 12: Considerando a função y = (3x2 + 1) 3 . (x – x2 ) 2 , vamos encontrar dx dy . Solução: Neste caso, podemos observar que devemos aplicar a regra do quociente, bem como a regra da cadeia para encontrarmos dx dy , como segue: y' = dx dy = 3.( 3x 2 + 1) 2 .(6x).(x – x 2 ) 2 + 2.( x – x2 ).(1 – 2x). (3x 2 + 1) 3 Proposição 8 (Boulos 2006): Se u = g(x) é uma função derivável e n é um número inteiro não-nulo, então: nxg dx d )( = n.[g(x)] 1n .g’(x) Exemplo 13: Dada a função f(x) = 3.5 2 x , vamos calcular f ’(x). Solução: Notemos primeiramente que podemos escrever a função f(x) como segue, f(x) = 2 1 2 )3.(5 x Desta forma, f '(x) = )2.()3.( 2 1 .5 2 1 2 xx 10 Cálculo Diferencial Integral I Ou seja, f '(x) = 3 5 2 x x Exemplo 14: Dada a função g(t) = 3 3 2 1t t , vamos calcular g ’(t). Solução: Vamos escrever a função g(t) dada como um produto, ou seja, vamos escrever a função g(t) da seguinte maneira, g(t) = 3 1 32 )1.( tt Desta forma, g '(t) = )2.()1()3.()1).( 3 1 .( 3 1 32 1 3 1 32 ttttt Ou seja, g '(t) = 3 1 33 4 34 )1).(2()1.( tttt Abaixo, listamos as regras operatórias envolvendo as derivadas no Quadro 1 a seguir. Quadro 1: Principais regras operatórias das derivadas. Função f(x) Derivada f ’(x) f(x) = c (função constante) f ’(x) = 0, para todo x f(x) = x n (função potência) f ’(x) = n. x 1n , para todo x f(x) = k.g(x) f ’(x) = k.g’(x) para todo x 11 Cálculo Diferencial Integral I f(x) = u(x) + v(x) f ’(x) = u’(x) + v’(x) para todo x f(x) = u(x) – v(x) f ’(x) = u’(x) – v’(x) para todo x f(x) = u(x).v(x) f ’(x) = u’(x).v(x) + v’(x).u(x) para todo x (x) = )( )( xv xu f ’(x) = )( )().(')().(' 2 xv xuxvxvxu , com v(x) ≠ 0 h(x) = f(g(x)) (Derivada da Função Composta) [f(g(x)]’ = f ’(g(x)).g’(x) u = g(x) nxgdx d )( = n.[g(x)] 1n .g’(x) Fonte: Principais regras operatórias das derivadas. 5.3. Interpretando a Derivada da Função Inversa Aqui estaremos interessados em discutir o cálculo da derivada de uma função inversa, ou seja, a partir da derivada de uma função y = f(x) é nosso objetivo encontrar a derivada de sua função inversa a partir do conhecimento de f ’(x). Para tal, temos o conhecido Teorema Derivada da Função Inversa que é descrito abaixo. Teorema 2 (Derivada da Função Inveersa) (Guidorizzi 2003): Seja y = f(x) uma função definida em um intervalo aberto (a, b). Suponhamos que f(x) admita uma função inversa x = g(y) contínua. Se f’(x) existe e é diferente de zero (f’(x)≠ 0) para qualquer x (a,b), então g = f 1 é derivável e é determinada pela expressão: g'(y) = )(' 1 xf = ))((' 1 ygf Este resultado será muito importante para determinarmos a derivada de funções elementares que é a função inversa de outras funções, por exemplo, para 12 Cálculo Diferencial Integral I encontrarmos a derivada da função logarítmica usaremos o fato da mesma ser a função inversa da função exponencial. Tais derivadas de funções elementares serão discutidas na a posteriori. Exemplo 15: Consideremos a função y = f(x) = 4x – 3. Vamos calcular a derivada da sua inversa. Solução: Temos que a função inversa de f(x) é: x = g(y) = 4 1 .(y + 3) Além disso, f’(x) = 4 e desta forma pelo Teorema da Derivada da Função Inversa segue que: g'(y) = )(' 1 xf = 4 1 Exemplo 16: Consideremos a função y = f(x) = 8.x 3 . Vamos encontrar a derivada de sua função inversa. Solução: Temos que a função inversa de f(x) é: x = g(y) = 3. 2 1 y Além disso, f’(x) = 24.x 2 e como f’(x) = 24.x 2 é maior que zero para todo x ≠ 0, e desta forma pelo Teorema da Derivada da Função Inversa, segue que: g'(y) = )(' 1 xf = 224 1 x = 3 2 3 .6 1 2 1 24 1 yy Na Figura 1 a seguir, apresentamos os gráficos referentes as funções f(x) = x 2 + 1 definida em [0, + ∞ ) e g(x) = 1x definida para o intervalo x [1,+∞ ). Pela 13 Cálculo Diferencial Integral I simetria com a bissetriz dos quadrantes ímpares (reta y = x), podemos afirmar que f(x) e g(x) são funções inversas uma da outra. Propriedade esta relacionada a funções inversas, ou seja, duas funçõesinversas possuem os gráficos simétricos com relação a reta y = x. A equação da reta tangente à curva f(x) = x 2 + 1 no ponto (2, 5) é y = 4x – 3 e a equação da reta tangente à curva g(x) = 1x no ponto (5, 2) é dada por y = 4 1 x – ¾. Podemos notar que as declividades são inversas uma da outra, que vem casado de acordo com o Teorema 2 anterior. Figura 1: A interpretação geométrica do exemplo. Fonte: Principais regras operatórias das derivadas. 5.4. Caracterizando a Derivada de Funções Elementares Agora é de nosso interesse apresentar as derivadas relacionadas as principais funções da Matemática, o que denominamos de funções elementares, que aparecem em diversas situações do Cálculo Diferencial e Integral. Sendo assim, por exemplo, 14 Cálculo Diferencial Integral I podemos citar como funções elementares: a função exponencial, a função logarítmica, funções trigonométricas (seno, cosseno, tangente, etc.), etc. Ressaltamos, que as regras apresentadas aqui serão utilizadas ao longo de todo o estudo do Cálculo Diferencial e Integral, sendo ele de uma variável real ou de várias variáveis. Todas as demonstrações dos resultados que apresentaremos a seguir, podem ser encontradas em qualquer uma das referências citadas ao final desta unidade. Teorema 3 (Derivada da Função Exponencial) (Guidorizzi 2003): Consideremos a função exponencial de base a, f(x) = a x (a > 0 e a ≠ 1) então a sua derivada é dada por: f ’(x) = a x .lna, (a > 0 e a ≠ 1) Exemplo 17: Desta forma, se considerarmos f(x) = 2 x (a função exponencial de base 2) então de acordo com a Proposição 09, temos que a sua derivada é dada por: f ’(x) = 2 x .ln2. Exemplo 18: Se considerarmos f(x) = 3 x (a função exponencial de base 3) então de acordo com a Proposição 09, temos que a sua derivada é dada por: f ’(x) = 3 x .ln3. Exemplo 19: Se considerarmos f(x) = 5 x (a função exponencial de base 5) então de acordo com a Proposição 09, temos que a sua derivada é dada por: f ’(x) = 5 x .ln5. Teorema 4 (Derivada da Função Logarítmica) (Guidorizzi 2003): Consideremos a função logarítmica f(x) = xalog (a > 0 e a ≠ 1) então a sua derivada é dada por: f ’(x) = x 1 . ealog , (a > 0 e a ≠ 1) Exemplo 20: Se considerarmos a função logarítmica f(x) = x2log , então de acordo com o Teorema 4, temos que a sua derivada é dada por:f ’(x) = x 1 . e2log 15 Cálculo Diferencial Integral I Exemplo 21: Se considerarmos a função logarítmica f(x) = x3log , então de acordo com o Teorema 4, temos que a sua derivada é dada por: f ’(x) = x 1 . e3log Exemplo 22: Se considerarmos a função logarítmica f(x) = x5log , então de acordo com o Teorema 4, temos que a sua derivada é dada por: f ’(x) = x 1 . e5log Teorema 5 (Derivada da Função Exponencial Composta) (Guidorizzi 2003): Se y = u v , onde u = u(x) e v = v(x) são funções de x, deriváveis num intervalo I e u(x) > 0, Ix , então: y’ = v.u 1v .u’ + u v . v'. lnu Salientamos que se u(x) é uma função derivável, aplicando a Regra da Cadeia podemos generalizar os Teoremas 3, 4 e 5 descritos anteriormente. Abaixo listamos estas generalizações no Quadro 2. Quadro 2: Regras derivadas dos Teoremas 3, 4 e 5. Função f(x) Derivada f ’(x) y = a u y ’ = au .lna. u’ y = e u y ’ = eu . u’ y = ualog y ’ = u u ' . ealog y = lnu y ’ = u u ' y = u v y ’ = v.u 1v .u’ + u v . v'. lnu, u > 0 Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 16 Cálculo Diferencial Integral I Exemplo 23: Vamos calcular as derivadas das funções descritas a seguir. a) y = 3 132 2 xx b) y = x 2 1 c) y = 1 1 x x e d) y = xxe ln. e) y = )173(log 22 xx f) y = ln 1x e x y = (x 2 + 1) 12 x Solução: Neste caso, temos que: a) Vamos fazer u = 2.x 2 + 3x – 1, daí temos que y = 3 u , donde concluímos que: y' = 3 u .ln3. u’ y' = 3 132 2 xx .ln3. (4x + 3) b) Temos y = u 2 1 , onde u = x . Desta maneira: y' = u 2 1 .ln 2 1 . u’ y' = u 2 1 .ln 2 1 . x2 1 c) Neste caso, vamos tomar y = ue com u = 1 1 x x , donde segue que: 17 Cálculo Diferencial Integral I y' = ue . u’ y' = 1 1 x x e . 2)1( 1).1(1).1( x xx y' = 1 1 x x e . 2)1( 2 x d) Fazendo y = y = ue com u = x.lnx, donde segue que: y' = ue . u’ y' = xxe ln. . (x.lnx)’ y' = xxe ln. . (x. x 1 + lnx. 1) y' = xxe ln. . (1 + lnx) e) Vamos fazer y = u2log onde u = 173 2 xx . Logo: y ’ = u u ' . e2log y ’ = 173 )76( 2 xx x . e2log f) Temos que y = lnu, com u = 1x e x . Logo: y ’ = u u ' y ’ = 1 )1( 1.).1( 2 x e x eex x xx 18 Cálculo Diferencial Integral I y ’ = 1x x g) Aqui, vamos fazer y = uv , onde u = x2 + 1 > 0 e v = 2x – 1. Desta forma: y ’ = v.u 1v .u’ + u v . v'. lnu y ’ = (2x – 1).( x2 + 1) 112 x .(x 2 + 1)’ + (x 2 + 1) 1 -2x . (2x – 1)'. ln(x 2 + 1) y ’ = (2x – 1).( x2 + 1) 22 x .(2x) + (x 2 + 1) 1 -2x . (2). ln(x 2 + 1) Agora, vamos trabalhar com a apresentação das derivadas das principais funções trigonométricas. Teorema 6 (Derivada da Função Seno) (Boulos 2006): Se y = senx, então y’ = cosx. Ou seja, se y = senx então y’ = cosx. Teorema 7 (Derivada da Função Cosseno) (Boulos 2006): Se y = cosx, então y’ = – senx. Ou seja, se y = cosx então y’ = – senx. Além disso, para as demais funções trigonométricas que são obviamente definidas a partir das funções seno e cosseno, temos as seguintes regras referentes a derivação, que são de fácil entendimento; tais regras são apresentadas no Quadro 3 a seguir. Quadro 3: Derivadas das demais funções trigonométricas. Função f(x) Derivada f ’(x) y = tgx = x senx cos y ’ = sec 2 x = x2cos 1 y = cotgx = senx xcos y ’ = – cosec2 x = xsen 2 1 19 Cálculo Diferencial Integral I y = secx = xcos 1 y ’ = secx.tgx y = cosecx = senx 1 y ’ = – cosecx.cotgx Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Por outro lado, levando em consideração a Regra da Cadeia obtemos as fórmulas gerais referentes a derivação de funções trigonométricas, como listadas no Quadro 4 abaixo. Quadro 4: Fórmulas Gerais de Derivadas das funções trigonométricas. Função f(x) Derivada f ’(x) y = senu y' = cosu.(u’) y = cosu y' = – senu.(u’) y = tgu y ’ = sec 2 u.(u’) y = cotgu y ’ = – cosec2 u.(u’) y = secu y ’ = secu.tgu .(u’) y = cosecu y ’ = – cosecu.cotgu.(u’) Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Em alguns casos, as identidades trigonométricas são frequentemente usadas quando calculamos derivadas envolvendo funções trigonométricas. As dez identidades fundamentais abaixo são de fundamental importância. o senx . cosecx = 1 20 Cálculo Diferencial Integral I o cosx . secx = 1 o tgx . cotgx = 1 o tgx = x x cos sen o cotgx = x x sen cos o secx = xcos 1 o cosecx = xsen 1 o sen 2 x + cos 2 x = 1 (Relação Trigonométrica Fundamental) o 1 + tg 2 x = sec 2 x o 1 + cotg 2 x = cosec 2 x Vejamos alguns exemplos que ilustram o cálculo dederivadas envolvendo as funções trigonométricas. Exemplo 24: Considerando f(x) = sen(3x) vamos determinar f ’(x). Solução: Neste caso, além de utilizarmos a derivada da função seno de x é necessário aplicarmos a Regra da Cadeia, como segue: fazendo u = 3x segue que u’ = 3, daí: f(x) = senu f ’(x) = cosu.(u’) = 3.cos(3x) Ou seja, concluímos que f ’(x) = 3.cos(3x). Exemplo 25: Considerando f(x) = cos(5x) vamos determinar f ’(x). Solução: Neste caso, além de utilizarmos a derivada da função cosseno de x é necessário aplicarmos a Regra da Cadeia, como segue: fazendo u = 5x segue que u’ = 5, daí: f(x) = senu f ’(x) = – cosu.(u’) = – 5.cos(5x) Ou seja, concluímos que f ’(x) = – 5.cos(5x). 21 Cálculo Diferencial Integral I Exemplo 26: Considerando f(x) = sen 2 x + cos 2 x vamos determinar f ’(x). Solução: Neste caso, notemos que f(x) nada mais é do que a relação trigonométrica fundamental (i.e., sabemos que sen 2 x + cos 2 x = 1), donde concluímos que f ’(x) = 0. Podemos averiguar tal fato também como segue: f(x) = sen 2 x + cos 2 x f ’(x) = [sen 2 x] ’ + [cos 2 x] ’ Ou seja, f ’(x) = 2.senx.[senx] ’ + 2.cosx.[cosx] ’ f ’(x) = 2.senx.cosx + 2.cosx.( – senx) f ’(x) = 2.senx.cosx – 2.cosx.senx f ’(x) = 0 Exemplo 27: Vamos calcular a derivada das seguintes funções: a) y = sen(x 2 ) b) y = cos( x 1 ) c) y = 3.tg( x ) + cotg(3x) d) y = gx x cot1 cos e) y = sec(x 2 + 3x + 7) y = cosec( 1 1 x x ) Solução: Neste caso, temos que: a) y = sen(x 2 ): Fazendo u = x 2 temos que y = senu, logo y’ = senu.(u’), ou seja, y’ = (cosu).(u’) = [cos(x 2 )].(2x) = 2x.cos(x 2 ) Portanto, y’ = 2x.cos(x 2 ) 22 Cálculo Diferencial Integral I b) y = cos( x 1 ): Fazendo u = x 1 temos que y = cosu, logo y’ = cosu.(u’), ou seja, y’ = (senu).(u’) = [ – sen( x 1 )].( 2 1 x ) = 2 1 x .sen( x 1 ) Portanto, y’ = 2 1 x .sen( x 1 ) c) y = 3.tg( x ) + cotg(3x) logo: y’ = [3.tg( x )]’ + [cotg(3x)]’ = 3.sec 2 ( x ).( x )’ + [– cosec 2 (3x)].(3x)’ = 3.sec 2 ( x ).( x2 1 ) – 3.cosec 2 (3x) Portanto, y’ = 3.sec 2 ( x ).( x2 1 ) – 3.cosec 2 (3x) d) y = gx x cot1 cos logo utilizando a regra do quociente, segue que: y’ = 2)cot1( )'cot1.(cos)').(coscot1( gx gxxxgx y’ = 2 2 )cot1( )cos.(cos)).(cot1( gx xecxsenxgx y’ = 2 2 )cot1( cos.coscot. gx xecxgxsenxsenx e) y = sec(x 2 + 3x + 7): Fazendo u = x 2 +3x + 7, temos que y = secu, logo: y’ = secu.tgu.(u’) = [sec(x 2 + 3x + 7).( tg(x2 + 3x + 7)].(2x + 3) y’ = (2x + 3). sec(x 2 + 3x + 7).tg(x 2 + 3x + 7) 23 Cálculo Diferencial Integral I f) y = cosec( 1 1 x x )): Fazendo u = 1 1 x x , temos que y = cosecu, logo: y’ = – cosecu.cotgu.(u’) = [– cosec( 1 1 x x ).cotg( 1 1 x x )].( 2)1( 2 x ) y’ = 2)1( 2 x . cosec( 1 1 x x ).cotg( 1 1 x x ) 5.6. A Derivada das Funções Trigonométricas Inversas Agora é de nosso objetivo apresentar as derivadas relacionadas as principais funções trigonométricas inversas. Inicialmente, devemos salientar para não deixar dúvidas, que as funções trigonométricas, sendo periódicas, não são funções bijetoras e, portanto, suas relações inversas não são funções; entretanto, restringindo o domínio das funções, podemos obter relações inversas que são funções. Antes de caracterizarmos as primitivas imediatas que resultam nas funções trigonométricas inversas, vamos fazer uma breve revisão sobre tais funções. Em verdade, é de nosso interesse calcularmos as derivadas da função arco seno, da função arco cosseno e da função arco tangente, que são as funções inversas da função seno, cosseno e tangente, respectivamente. Obviamente, vamos trabalhar em intervalos padronizados para a existência de tais inversas. 5.6.1. A Função Arco Seno de x (arcsenx) Sabemos que a função seno é definida do seguinte modo: f: ]1,1[ Temos as seguintes notações equivalentes: o arcsenx sen 1 x função inversa da função senx; o arccosx cos 1 x função inversa da função cosx; o arctgx tg x função inversa da função tgx. 24 Cálculo Diferencial Integral I x y = senx Observemos, no gráfico de y = senx, que existem infinitos valores x 1 , x 2 , x3 , ... tais que y 1 = y 2 = y 3 , ..., donde concluímos então que a função seno, assim definida, não é uma função bijetora (injetora e sobrejetora). Logo, sua relação inversa não é função. Figura 2: Gráfico da função y = senx. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. No gráfico de y = senx, notamos ainda que a função y = senx é bijetora nos intervalos em que é crescente ou decrescente. Desta forma, para que a função seno seja invertível (i.e., admita função inversa), restringimos seu domínio a um desses intervalos. Figura 3: Intervalos em que a função seno é crescente ou decrescente. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. 25 Cálculo Diferencial Integral I Vamos adotar o intervalo 2 , 2 para domínio, a definição da função seno será dada por: f: 2 , 2 ]1,1[ x y = senx E o gráfico da função assim definida está representado na Figura 4 abaixo. Figura 4: Gráfico da função y = senx com domínio 2 , 2 . Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Temos então que a função seno definida no intervalo 2 , 2 é bijetora. Portanto, podemos definir sua inversa, que chamaremos de função arco seno, do seguinte modo: f 1 : [-1, 1] 2 , 2 y = arcsenx seny = x 26 Cálculo Diferencial Integral I Para a construção do gráfico da função arco seno, lembramos que o gráfico da função inversa é simétrico ao gráfico da função direta em relação à reta y = x (bissetriz dos quadrantes ímpares). Desta maneira, o gráfico da função arcsenx é apresentado na Figura 5 abaixo. Figura 5: Gráfico da função y = arcsenx – função inversa de senx. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Vejamos alguns exemplos que serão úteis para nos familiarizarmos com a função arcsenx. Exemplo 28: Vamos determinar o valor das seguintes expressões: a) y = arcsen 1 b) y = arcsen (-1) Temos que: i) Da definição da função arco seno, temos: Domínio: D = {x / 11 x } Imagem: I = {y / 22 y } ii) Gráfico 27 Cálculo Diferencial Integral I c) y = arcsen(1/2) Solução: Neste caso, temos que: a) y = arcsen1 membrososambosaseno funçãoaaplicando seny = 1 e y 2 , 2 y = 2 . b) y = arcsen(-1) membrososambosaseno funçãoaaplicando seny = -1 e y 2 , 2 y = - 2 . c) y = arcsen(1/2) membrososambosaseno funçãoaaplicando seny = ½ e y 2 , 2 y = 6 . Exemplo 29: Vamos caracterizar o domínio da função y = arcsen2x. Solução: Temos que, y = arcsen(2x) membrososambosaseno funçãoaaplicando seny = 2.x. Agora, sabemos que -1 seny 1, logo: -1 2.x 1 -½ x ½ Ou seja, temos que: D = {x / 2/12/1 x } Exemplo 30:Vamos calcular y = cos 3 1 arcsen . 28 Cálculo Diferencial Integral I Solução: Seja y = cos 3 1 arcsen . Daí, vamos chamar = arcsen(1/3) logo sen = 1/3 e obviamente pertence ao primeiro quadrante da circunferência trigonométrica. Assim, y = cos e através da relação trigonométrica fundamental, segue que: y = cos = 21 sen = 3 22 9 1 1 Portanto y = 3 22 . 2.3 A Derivada da Função Arco Seno de x Sabemos que a função y = arcsenx, definida no intervalo I = [-1, 1] com imagens em 2 , 2 é a função inversa de x = seny. Desta forma, temos a seguinte relação: y = arcsenx x = seny Além disso, a pouco tempo acabamos de averiguar a derivada da função seno de x, ou seja: x = seny então x’ = cosy ( a derivada de seno é cosseno) Logo, empregando a Regra da Derivada da Função Inversa, vem que: 29 Cálculo Diferencial Integral I y' = ycos 1 x´ 1 lfundamenta ricatrigonométrelação ysen 21 1 senyx 21 1 x Ou seja, a derivada da função y = arcsenx é dada por y’= 21 1 x . Portanto, temos que: Se y = arcsenx então y’ = 21 1 x 5.6.2. A Função Arco Cosseno de x (arccosx) A função cosseno definida da seguinte forma: f: ]1,1[ x y = cosx é uma função periódica, portanto sua relação inversa não é função. Porém, observando o gráfico de y = cosx, notamos que a função é bijetora nos intervalos em que é crescente ou decrescente. Assim, para que a função cosseno seja invertível (i.e. admita inversa), restringimos seu domínio a um desses intervalos. 30 Cálculo Diferencial Integral I Figura 6: Gráfico da função cosseno com os intervalos em que a função é crescente e decrescente. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Adotando o intervalo [0, ] para domínio, a definição da função cosseno será: f: [0, ] ]1,1[ x y = cosx E o gráfico da função assim definida está representado na Figura 7 abaixo. Figura 7: Gráfico da função y = cosx com domínio [0, ]. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Temos então que a função cosseno definida no intervalo [0, ] é bijetora. Portanto, podemos definir sua inversa, que chamaremos função arco cosseno, do seguinte modo: f 1 : [-1, 1] [0, ] 31 Cálculo Diferencial Integral I y = arccosx cosy = x Além disso, ressaltamos que: i) Da definição da função arco cosseno, temos: Domínio: D = {x / 11 x } Imagem: I = {y / y0 } ii) Gráfico Lembrando que o gráfico da função inversa é simétrico ao da função direta em relação à reta y = x (bissetriz dos quadrantes ímpares), na Figura 22 apresentamos o gráfico da função arco cosseno de x. Figura 8: Gráfico da função inversa arccosx – função inversa de cosx. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Vejamos alguns exemplos que serão úteis para nos familiarizarmos com a função arccosx. Exemplo 31: Vamos determinar o valor das seguintes expressões: a) y = arccos1 b) y = arccos (0) c) y = arccos(-1/2) 32 Cálculo Diferencial Integral I Solução: Neste caso, temos que: a) y = arccos1 membrososambosaeno funçãoaaplicandocos cosy = 1 e y [0, ] y = 0. b) y = arccos(0) membrososambosaeno funçãoaaplicandocos cosy = 0 e y [0, ] y = 2 . c) y = arcsen(-1/2) membrososambosaeno funçãoaaplicandocos cosy = -½ e y [0, ] y = 3 2 . Exemplo 32: Vamos determinar o domínio de y = arccos4x. Solução: y = arccos(4x) membrososambosaeno funçãoaaplicandocos cosy = 4.x. Agora, sabemos que -1 cosy 1, logo: -1 4.x 1 -¼ x ¼ Ou seja, temos que: D = {x / -¼ x ¼ } Exemplo 33: Calcular y = sen ) 3 1 arccos(.2 . Solução: Seja y = sen ) 3 1 arccos(.2 . Daí, vamos chamar = arccos(-1/3) logo cos = – 1/3 e obviamente pertence ao segundo quadrante da circunferência trigonométrica. Assim, y = sen(2 )= 2.sen .cos (Fórmula do seno do arco duplo). Vamos obter o valor de sen . Assim: 33 Cálculo Diferencial Integral I sen = 2cos1 = 3 22 9 1 1 Portanto, y = 2.sen .cos = 2. 3 22 .(-1/3) = 9 24 . 5.6.2 A Derivada da Função Arco Cosseno de x Sabemos que a função y = arccosx, definida no intervalo I = [-1, 1] com imagens em [0, ] é a função inversa de x = cosy. Desta forma, temos a seguinte relação: y = arccosx x = cosy Acabamos de averiguar na Unidade que: x = cosy então x’ = – seny ( a derivada de cosseno é menos seno) Logo, empregando a Regra da Derivada da Função Inversa, vem que: y’ = seny 1 x' 1 lfundamenta ricatrigonométrelação ysen 21 1 yx cos 21 1 x Ou seja, a derivada da função y = arccosx é dada por y’ = 21 1 x . Portanto, temos que: Se y = arccosx então y’ = 21 1 x 5.6.3. A Função Arco Tangente de x (arc tgx) A função tangente definida por: 34 Cálculo Diferencial Integral I f: / . , 2 x x h h Z x y = tgx é uma função periódica, portanto sua relação inversa não é função. Porém, observando o gráfico de y = tgx, notamos que a função é bijetora nos intervalos em que é crescente. Assim, para que a função tangente seja invertível (isto é, admita inversa), restringimos seu domínio a um destes intervalos. Figura 9: Gráfico da função y = tgx. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Adotando o intervalo 2 , 2 para domínio, a definição da função tangente será: f: 2 , 2 35 Cálculo Diferencial Integral I x y = tgx E o gráfico da função assim definida está representado na Figura 10 abaixo. Figura 10: Gráfico da função y = tgx com domínio 2 , 2 . Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Temos, então, que a função tangente definida no intervalo 2 , 2 é bijetora. Portanto, podemos definir sua inversa, que chamaremos função arco tangente, do seguinte modo: 36 Cálculo Diferencial Integral I f 1 : 2 , 2 y = arctgx tgy = x Desta maneira, temos que: i) Da definição da função arco tangente, temos: Domínio: D = Imagem: I = {y / 22 y } ii) Gráfico Lembrando que o gráfico da função inversa é simétrico ao da função direta em relação à reta y = x (bissetriz dos quadrantes ímpares), na Figura 25 apresentamos o gráfico da função arco tangente de x. 37 Cálculo Diferencial Integral I Figura 11: Gráfico da função inversa arctgx. Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Vejamos alguns exemplos que serão úteis para nos familiarizarmos com a função arctgx. Exemplo 34: Vamos determinar o valor das seguintes expressões: a) y = arctgx(1) b) y = arctg(0) c) y = arctg(- 3 ) Solução: Neste caso, temos que: a) y = arctg(1) membrososambosagente funçãoaaplicandotan tgy = 1 e y 2 , 2 y = 4 . 38 Cálculo Diferencial Integral I b) y= arctg(0) membrososambosagente funçãoaaplicandotan tgy = 0 e y 2 , 2 y = 0. c) y = arctg(- 3 ) membrososambosagente funçãoaaplicandotan tgy = - 3 e y 2 , 2 y = - 3 . Exemplo 35: Vamos determinar y = tg )3(.2 arctg . Solução: Seja y = tg[2.arctg(3)]. Daí, vamos chamar = arctg(3), logo, tg = 3 e obviamente pertence ao primeiro quadrante da circunferência trigonométrica. Assim, devemos calcular y = tg(2 ) duplo arcodogentetan 21 .2 tg tg . Substituindo, obtemos: y = 231 3.2 = 8 6 = 4 3 Portanto, y = 4 3 . 5.6.4. A Derivada da Função Arco Tangente de x Dada a função y = arctgx, de em 2 , 2 , sabemos que: y = arctgx x = tgy. Daí, vem que: x = tgx então x’ = sec 2 y ( a derivada de tangente é secante ao quadrado) 39 Cálculo Diferencial Integral I Logo, empregando a Regra da Derivada da Função Inversa, vem que: y’ = y2sec 1 x' 1 ricatrigonométrelação ytg 21 1 tgyx 21 1 x Ou seja, a derivada da função y = arctgx é dada por y’= 21 1 x . Portanto, temos que: Se y = arctgx y’ = 21 1 x Abaixo no Quadro 5 acrescentamos a interpretação da Regra da Cadeia para o cálculo envolvendo derivadas das principais funções trigonométricas inversas. Quadro 5: A Regra da Cadeia aplicada as principais funções trigonométricas inversas. Função Derivada Nomenclatura y = arc sen u y ’ = 21 ' u u Derivada da função arco seno de u y = arc cos u y ’ = 21 ' u u Derivada da função arco cosseno de u y = arc tg u y ’ = 21 ' u u Derivada da função arco tangente de u Fonte: Elaborado pelo próprio autor. Exemplo 36: Vamos determinar as derivadas das seguintes funções: a) y = arc sen(x + 1) b) y = arc cos(2x + 1) c) y = arc tg( 2 2 1 1 x x ) 40 Cálculo Diferencial Integral I Solução: Neste caso, temos que: a) y = arc sen(x + 1): aqui temos y = arc sen u, com u = x + 1 e u’ = 1, logo: y ’ = 21 ' u u = 2)1(1 1 x a) y = arc cos(2x + 1): aqui temos y = arc cos u, com u = 2x + 1 e u’ = 2, logo: y ’ = 21 ' u u = 2)12(1 2 x a) y = arc tg( 2 2 1 1 x x ):): aqui temos y = arc tg u, com u = 2 2 1 1 x x e, desta forma pela regra do quociente u’ = 22 22 )1( )2).(1()1).(2( x xxxx , logo: y ’ = 2 2 2 22 22 1 1 1 )1( )2).(1()1).(2( x x x xxxx = 41 2 x x Conclusão da Unidade Nesta quinta unidade, trabalhamos com a descrição e aplicação das principais regras operatórias envolvendo o cálculo das derivadas de funções elementares, que se torna uma ferramenta importante para a simplificação do cálculo das mesmas. Grosso modo, o que fizemos aqui foi a caracterização da álgebra das derivadas. Especificamente falando, iniciamos com as regras introdutórias e básicas, envolvendo a função constante, derivada da função potência, derivada da soma e 41 Cálculo Diferencial Integral I diferença, derivada do produto e derivada do quociente. Essas na verdade, talvez são as mais usuais em um primeiro momento. A seguir, discutimos a regra da cadeia, que propriamente falando descreve o procedimento de determinação da derivada de funções compostas, bem como, apresentamos o teorema que nos dá o cálculo para a derivada envolvendo funções inversas. Ressaltamos ainda, que aqui foi discutido a determinação da derivada envolvendo as funções exponenciais e logarítmicas. Na sequência, descrevemos nas entrelinhas o cálculo envolvendo as funções trigonométricas, seno, cosseno e tangente, bem como, com relação as suas inversas, funções arc senx, arc cosx e arc tgx, respectivamente. É interessante chamarmos mais uma vez a atenção, para as diversas relações trigonométricas citadas que são importantes para a simplificação de cálculos diversos. Lembremos também que todo esse contexto envolvendo as regras operatórias é uma poderosa ferramenta para as diversas resoluções que estaremos resolvendo nas mais diversas áreas do conhecimento a posteriori, desde problemas relacionando o movimento, reações químicas, cálculo de áreas e volumes, razão de produção, máximos e mínimos e cálculos estruturais. Assim sendo, a partir do momento em que apresentamos as várias regras operatórias envolvendo a determinação das derivadas de funções elementares, na próxima unidade estaremos interessados na descrição das derivadas sucessivas (de ordem superior), derivação implícita e diferencial, que também constituem aspectos teóricos pertinentes para a resolução de aplicações sobre a derivada.
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