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Disciplina: Análise Matemática para Engenharia I Aula 4: A derivada – parte II Apresentação Na aula 3, começamos a trabalhar a ideia de derivada. Porém, a complementação da ideia de derivada é fundamental, a �m de que possamos usá-la plenamente nas diferentes aplicações que serão vistas nas aulas 5 e 6. Além disso, nesta aula, veremos a abordagem das relações entre quantidades físicas ou matemáticas, que podem ser descritas por meio de grá�cos, fórmulas, dados numéricos ou palavras. Tais relações constituem um dos temas mais importantes da Análise Matemática. Desta forma, vamos continuar nossa jornada avaliando algumas funções particulares e algumas “mais complexas”. Objetivos Determinar a derivada de funções inversas; Aplicar o conceito de derivada em funções logarítmicas; Desenvolver o conceito de derivadas sucessivas de uma função. Famílias de funções As funções e as equações paramétricas são as principais ferramentas para descrever o mundo real em termos matemáticos. É comum que as funções sejam agrupadas em famílias, de acordo com as fórmulas ou características comuns pelas quais as funções são de�nidas. O grá�co de uma função constante f(x) = c é o grá�co da equação y = c, que é a reta horizontal. Se você variar c, obterá um conjunto ou uma família de retas horizontais como ilustra a Figura 1. Figura 1: Gráfico para uma família de curvas gerada pela função f(x) = c. Denomina-se parâmetro a constante que pode ser variada para a produção de uma família de curvas. Exemplo Por exemplo, a função de que representa uma reta é dada por: y = mx + b, onde a inclinação é representada pelo parâmetro m, enquanto b representa o ponto de corte com o eixo y. Nas Figuras 2 e 3, veja o que ocorre quando mantemos um dos parâmetros �xo enquanto o outro varia. Figura 2: Família de curvas para a função f(x) = mx + b. O parâmetro b foi mantido fixo. Figura 3: Família de curvas para a função f(x) = mx + b. O parâmetro m foi mantido fixo. Função potência A função potência é uma função de forma f(x) = xp. Primeiro caso: parâmetro p é um número inteiro e positivo O primeiro caso a ser visto é quando o parâmetro p é um número inteiro e positivo, por exemplo, p = n. Você encontra na Figura 4 o esboço de algumas curvas para a função potência y = xn. Na Figura 4 podem ser observadas funções pares e funções ímpares quando n ≥ 2. Figura 4: Gráficos para as diferentes curvas geradas pela função f(x) = xn. Clique nos botões para ver as informações. Uma função é par se, para todo valor de x no domínio de f, f( - x) = f(x). Isso ocorre quando os valores do parâmetro n são pares. Veri�que ainda na Figura 4 que os grá�cos de f(x) = xn para n pares são simétricos em relação ao eixo y. Função par Uma função f é denominada ímpar se, para todo valor de x no domínio de f, f( - x) = - f(x). Isso ocorre quando os valores do parâmetro n são ímpares. Veri�que na Figura 4 que os grá�cos de f(x) = xn para n ímpares são simétricos em relação à origem. Função ímpar Segundo caso: parâmetro p é um número inteiro e negativo O segundo caso a ser discutido é quando o parâmetro p é um número inteiro, porém, desta vez, negativo. Neste caso, p = - n e a função potência assume a forma f(x) = x - n = 1 xn . O grá�co da função f(x) = 1 x é o grá�co da �gura geométrica conhecida como hipérbole equilátera, uma das cônicas. Novamente, cabe a discussão sobre a simetria dos grá�cos das diferentes funções f(x) = x 1 n . Figura 5: Gráficos para as diferentes curvas geradas pela função f(x) = x 1n . Clique nos botões para ver as informações. Quando o parâmetro n é um número inteiro, negativo e par, as funções f x = 1 ⁄ xn são ditas funções pares, com grá�cos simétricos em relação ao eixo y. Função par ( ) Quando o parâmetro n é um número inteiro, negativo e ímpar, as funções f(x) = 1 xn são ditas ímpares com grá�cos simétricos em relação à origem. Função ímpar Seja par ou seja ímpar, veri�que que os grá�cos das diferentes funções f(x) = 1 xn apresentam sempre uma descontinuidade, pois x ≠ 0 (não é permitido a divisão por zero). Terceiro caso: parâmetro p assume o formato de 1 n , onde n é um inteiro positivo O último caso acontece quando o parâmetro p assume o formato de 1 ⁄ n, onde n é um inteiro positivo. As funções potências f(x) = xp tomam, então, a forma f(x) = x 1 n = n √x. Exemplo f(x) = x1 / 2 = √x; f(x) = x 1 5 = 5 √x etc. Também são possíveis outros expoentes fracionários, por exemplo, f(x) = x 2 7 = 7 √x2, f(x) = x 3 5 = 5 √x3 etc. As funções do tipo f(x) = x 1 n gra�camente se estendem sobre todo o eixo x quando n é ímpar. Contudo, somente sobre o intervalo [0, + ∞) quando n assume valores pares. Funções algébricas Quando um número �nito de operações algébricas (adição, subtração, divisão e multiplicação) é aplicado aos polinômios, uma nova família de funções são criadas: as funções algébricas. Exemplos: f(x) = 3 · √x2 - 25, f(x) = 3√x · (1 - x) etc. Funções trigonométricas Em geometria, um ângulo é de�nido como a união de dois raios chamados de lados, tendo um extremo em comum denominado vértice. Esse breve conceito é o ponto de partida da trigonometria e das funções denominadas de funções trigonométricas. Analisando apenas as funções seno e cosseno, poderíamos representá-las genericamente por: f(x) = A · sin(Bx - C) e g(x) = A · cos(Bx - C) Onde: A, B e C são parâmetros não nulos. O papel do parâmetro A é determinar o fator através do qual os grá�cos y = sinx e y = cosx serão alongados, comprimidos, transladados ou re�etidos. Por sua vez, o parâmetro B também é capaz de fazer o mesmo com os grá�cos y = sinx e y = cosx, porém o faz de forma horizontal. Exemplo Veja os grá�cos das funções y = cosx e y = 2 · cos4x na Figura 6. O grá�co da função y = 2 · cos4x foi obtido através do alongamento vertical, por um fator 2, e da compressão horizontal, por um fator 4, do grá�co de y = cosx . Figura 6: Gráfico da função y = cosx, em vermelho. Gráfico da função y = 2 · cos4x, em azul. Uma característica importante das funções trigonométricas é que as mesmas são periódicas. Uma função f : A → B é periódica se existir um número p > 0 satisfazendo a condição: f(x + p) = f(x), ∀x ∈ A O menor valor de p que satisfaz a condição acima é chamado período de f. A função seno, f(x) = sinx, exibe um período de 2π. Por sua vez, a imagem (amplitude) da função seno é o intervalo [ - 1 ,1 ], isto é, -1 ≤ sinx ≤ 1, ∀x real. A função cosseno, f(x) = cosx, também exibe amplitude no intervalo [ - 1 ,1 ] e período 2π. A função pode ser escrita como: y = 3 · sin 2 · x - - π 4 Onde: A = 3; B = 2; C B = - π 4 Note que o grá�co em verde foi transladado para em esquerda em π ⁄ 4 unidades. Figura 7: Gráfico das funções y = sinx (em vermelho) y = 3 · sin2x (em azul) y = 3 · sin 2x + π 2 (em verde)( ) [ ( ( ))] Funções inversas Uma função é uma regra que associa um único valor de sua imagem (Im) a cada ponto de seu domínio (D). Algumas funções, porém, assumem o mesmo valor em mais de um ponto. Exemplo: y = x2. Neste tópico o objetivo é encontrar a inversa de uma função f(x). Dados os conjuntos A = {0, 1, 2, 3} e B = {1, 2, 3, 4}, considere a função f de A em B de�nida por f(x) = x + 1. Você pode veri�car que a função f é bijetora formadas pelos pares ordenados f = {(0 ,1 ), (1 ,2 ), (2 ,3 ), (3 ,4 )}, onde D(f) = A e Im(f) = B. Uma função f de A em B é bijetora se, e somente se, para qualquer elemento y pertencente a B, existe um único elemento x pertencente a A tal que f(x) = y. A relação f - 1 = {(y, x)|(x, y) ∈ f}, inversa de f, é também um função, pois f é uma bijeção de A em B, isto é, para todo y ∈ B existe um único x ∈ A tal que (y, x) ∈ f - 1. A função f - 1 é formada pelos pares ordenados f - 1 = {(1 ,0 ), (2 ,1 ), (3 ,2 ), (4 ,3 )}, onde D f - 1 = B e Im f - 1 = A. Observe que a função f é de�nida pela sentença y = x + 1, enquanto f - 1 é de�nida pela sentença x=y-1, isto é: f leva cada elemento x ∈ A atéo y ∈ B tal que x = y + 1; f - 1 leva cada elemento y ∈ B até o x ∈ A tal que x = y - 1. ( ) ( ) Teorema: “Seja f :A → B. A relação f - 1 é uma função de B em A se, e somente se, f é bijetora”. Atenção Assim, se f é uma função bijetora de A em B, a relação inversa de f é uma função de B em A que denominamos função inversa de f e indicamos por f - 1. Um procedimento simples que permite a obtenção da função inversa é baseado em dois passos: Na sentença y = f(x), faça uma mudança de variável, isto é, troque x por y e y por x, obtendo x = f(y); Transforme algebricamente a expressão x = f(y), expressando y em função de x para obter y = f - 1 x .( ) Exemplo 1 Seja a função f(x) = 3 √x + 2, encontre a inversa de f(x): Quais são as condições, então, que garantem a existência uma função inversa? 1. Primeiramente, é necessário que a função f seja injetora. Uma função f de A em B é injetora se, e somente se, quaisquer que sejam x1 e x2 de A, se x1 ≠ x2 então f x1 ≠ f x2 . 2. Em segundo lugar, por meio da representação cartesiana da função f, é necessário analisar o número de pontos de intersecção de retas paralelas ao eixo dos x (teste da reta horizontal). Se cada uma dessas retas cortar o grá�co em um só ponto ou não cortar o grá�co, então, a função é injetora e, portanto, há f - 1. ( ) ( ) Figura 9: Teste da reta horizontal para a determinação da existência da função inversa de f. (ANTON et al, 2007). Clique nos botões para ver as informações. A função f : A → B de�nida por y = f(x) é crescente no conjunto A1 ⊂ A se, para dois valores quaisquer x1 e x2 pertencentes a A1, com x1 < x2, tivermos f x1 < f x2 . Em uma linguagem prática, não matemática, a função f é crescente no conjunto A1 se, ao aumentarmos o valor atribuído a x, o valor de y também aumentar. Função crescente ( ) ( ) A função f : A → B de�nida por y = f(x) é decrescente no conjunto A1 ⊂ A se, para dois valores quaisquer x1 e x2 pertencentes a A1, com x1 < x2, tivermos f x1 > f x2 . Em uma linguagem prática, não matemática, a função f é decrescente no conjunto A1 se, ao aumentarmos o valor atribuído a x, o valor de y diminuir. Função decrescente ( ) ( ) Figura 10: Funções crescente e decrescente e o teste da reta horizontal. (ANTON et al., 2007). A Figura 10 ilustra genericamente uma função f crescente e decrescente. Em ambos os casos, f passa no teste da reta horizontal e, portanto, possui uma função inversa. Figura 11: Gráfico de algumas funções f com suas respectivas funções f - 1. Observe a reta y = x e como as funções f e f - 1 são imagens espelhadas. (ANTON et al., 2007). Uma propriedade interessante dos grá�cos cartesianos de f e f - 1 é que os mesmos são simétricos em relação à bissetriz dos quadrantes 1 e 3 do plano cartesiano. Observe a Figura 11. Figura 12: Gráfico das funções f1 x = x2, x ≥ 0 e f2(x) = x2, x ≤ 0. As funções são invertíveis e as respectivas funções f - 1 x são apresentadas. (ANTON et al., 2007).( ) ( ) Em algumas situações, por meio da imposição de restrições adequadas ao domínio de f, torna-se possível a obtenção de f - 1. Um exemplo pode ser visto na Figura 12. Derivada de funções inversas Teorema: Suponha que o domínio de uma função f seja um intervalo aberto I e que f seja diferenciável e injetora nesse intervalo. Então, f - 1 é diferenciável em qualquer ponto da imagem de f no qual f ' f ( - 1 x ≠ 0 e sua derivada é: d dx f - 1 x = 1 f' f - 1 x Outra maneira de se escrever é: dy dx = 1 dx dy ( )( )) [ ( ) ] ( ( ) ) Exemplo 2 Dada a função f(x) = x3 + 1, prove que a suposição de que d dx f - 1 x = 1 f' f - 1 x é verdadeira.[ ( )] ( ( ) ) Funções trigonométricas inversas Quando se consideram as seis funções trigonométricas básicas, tais funções não apresentam inversas, pois seus grá�cos se repetem periodicamente e, desta forma, violam o critério imposto pelo teste da reta horizontal. A �m de de�nir as “funções trigonométricas inversas”, torna-se necessária a imposição de restrições aos domínios das funções trigonométricas. Dessa forma, obtemos funções injetoras e, consequentemente, as inversas dessas funções restritas. As funções inversas obtidas são: arc sen (x) arc cos (x) arc tg (x) arc sec (x) Também podemos representá-las por: sin - 1x cos - 1x tan - 1x sec - 1x Figura 13: Funções sinx, cosx, tanx e secx com as restrições necessárias para a definição das funções inversas sin - 1x, cos - 1x, tan - 1x e sec - 1x. (ANTON et al., 2007). Funções exponenciais e logarítmicas Uma função exponencial de base b é uma função cuja forma é dada por f x = bx, em que b > 0. Exemplos: f x = 2x, f x = 1 ⁄ 4)x, f(x) = πx. As funções exponenciais são de particular importância nas aplicações da Ciência e da Engenharia. ( ) ( ) ( ) ( Atenção Um detalhe importante que você deve lembrar da de�nição da função exponencial é que uma função do tipo f(x) = x3, f(x) = x 3 5 e similares não são classi�cadas como funções exponenciais. A razão disso é que em tais exemplos há uma base variável, enquanto o expoente é uma constante. Propriedades da função exponencial Na função exponencial f(x) = bx, temos: x = 0 ⇒ f(0) = b0 = 1. Isto é, o par ordenado (0,1) pertence à função para todo b ∈ N*+ - {1}. Isso signi�ca que o grá�co cartesiano de toda função exponencial corta o eixo y no ponto de ordenada 1. A função exponencial f x = bx é crescente (decrescente) se, e somente se, b > 1 (0 < b < 1). Portanto, dados os reais x1 e x2, temos: Quando b > 1: x1 < x2 f x1 < f x2 Quando 0 < b < 1: x1 < x2 f x1 > f x2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A função exponencial f(x) = bx, com 0 < b ≠ 1 é injetora, pois dados x1 e x2 tais que x1 ≠ x2 temos: Quando b > 1: x1 < x2 ⇒ f x1 < f x2 Quando 0 < b < 1: x1 < x2 ⇒ f x1 > f x2 e, portanto, nos dois casos f x1 ≠ f x2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Função exponencial natural Figura 14: Gráficos de diversas funções do y = bx, b > 0. Quando b > 0, temos funções crescentes. Por outro lado, quando 0 < b < 1, temos funções decrescentes. Em qualquer caso, a imagem da função exponencial é Im = N*+ Embora tenhamos uma in�nidade de funções exponenciais, sem dúvida, a mais importante em termos de aplicações práticas é a função exponencial de base de�nida pela letra e. O número e, denominado número de Euler, é um número irracional e seu valor, até a sexta casa decimal, é: e = 2 ,718281 A função exponencial cuja base é o número e é denominada função exponencial natural. A representação formal é f(x) = ex ou f(x) = exp(x). Se a é um número qualquer positivo diferente de 1, a função exponencial f(x) = ax de base a é injetora e, portanto, possui uma função inversa. Sua função inversa é denominada função logarítmica de base a. logax (que se lê: “o logaritmo de x na base a”) denota aquele expoente ao qual devemos elevar a para obter x. Assim, por exemplo: log10100 = 2 ou 10 2 = 100 O denominado logaritmo natural é o mais importante em aplicações da Engenharia e das Ciências. O logaritmo natural é a função inversa da função exponencial ex. A notação mais comum é lnx. Figura 15: Gráfico da função y = ex (curva em vermelho). A reta em verde é tangente à curva da função y = ex no ponto (0,1). Observe também que y = ex se encontra entre as curvas y = 2x (em preto) e y = 3x (em laranja). Figura 16: Gráfico da função y = ex (em vermelho), y = lnx (em azul) e y = log10x (em preto). A reta y = x foi desenhada para destacar a função y = ex e a sua inversa y = lnx. Achando a derivada de funções trigonométricas De forma resumida, veja as derivadas das seis funções trigonométricas: d dx sin(x) = cos(x) d dx cos(x) = - sin(x) d dx tg(x) = sec 2 x d dx cosec(x) = - cosec(x)cotg(x) d dx sec(x) = sec(x)tg(x) d dx sec(x) = sec(x)tg(x) ( ) Exemplo 3 Encontre dy dx se y = sin ( x ) 1 + cos ( x ) : Exemplo 4 Encontre dy dx se y = sin √1 + cosx :( ) Achando a derivada das funções exponenciais e logarítmicas As derivadas das funções exponenciais e logarítmicas estão resumidas abaixo:d dx [lnx] = 1 x para x > 0 d dx logbx = 1 x · ln b para x > 0 Se u for uma função diferenciável de x e se u(x) > 0, então, a aplicação da regra da cadeia produz: d dx [lnu] = 1 u · du dx d dx logbu = 1 u · ln b · du dx d dx [ln|x|] = 1 x se x ≠ 0 d dx b x = bx · lnb d dx e x = ex Se u for uma função diferenciável de x, então, tem-se: d dx b u = bu · lnb · du dx d dx e u = eu · du dx [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Exemplo 5 Encontre d dx ln x 2 + 1 :[ ( ) ] Diferenciação logarítmica Você verá agora uma técnica chamada diferenciação (ou derivação) logarítmica, que será muito útil para derivar funções compostas de produtos, quocientes e potências. Veja o exemplo a seguir. Exemplo 6 Calcule a derivada de: y = x2 · 3 √ ( 7x - 14 ) 1 + x2 4( ) Exemplo 7 Use a derivação logarítmica para encontrar d dx x 2 + 1 sin x :[( ) ] Derivadas de potências irracionais de x Você já sabe que d dx x r = r · xr - 1 é válida para valores racionais de r. A diferenciação logarítmica é útil para mostrar que essa fórmula é válida se r for qualquer número real (racional ou irracional). Veja os exemplos: d dx x π = π · xπ - 1; d dx x 2e = 2e · x2e - 1 [ ] [ ] [ ] Derivadas das funções trigonométricas inversas No início desta aula, veri�camos que o grá�co da inversa de uma função f pode ser obtido pela re�exão do grá�co de f na reta y = x. Se combinarmos essa informação com o conceito daquilo que faz uma função ser derivável, é possível entender a derivação de funções inversas de forma mais fácil. Comentário As derivadas das funções trigonométricas inversas são dadas abaixo: Se u é uma função derivável de x, com |u| < 1: d dx (arc sen u) = 1 √1 - u2 · du dx d dx (arc cos u) = - 1 √1 - u2 · du dx d dx (arc tg u) = 1 1 + u2 · du dx d dx (arc cotgu) = - 1 1 + u2 · du dx d dx (arc secu) = 1 | u |√u2 - 1 · du dx d dx (arc cosec u) = - 1 | u |√u2 - 1 · du dx Exemplo 8 Encontre dy dx se y = arc sen x 3( ) Derivadas de ordens superiores 1. A derivada f ' de uma função f é novamente uma função, que pode ter sua própria derivada. 2. Se f ' for derivável, então, sua derivada é denotada por f ' ' e é denominada derivada segunda de f. Enquanto tivermos diferenciabilidade, podemos continuar o processo de derivação para obter as derivadas terceira, quarta, quinta, e até derivadas superiores de f. Essas derivadas são denotadas como: f', f'' = f' ' , f''' = f'' ' , f ( 4 ) = f''' ' , f ( 5 ) = f ( 4 ) ' , … Outras notações comuns: y', y'', y''', y ( 4 ) , y ( 5 ) , … y' = dy dx = d dx [f(x)] y'' = d2y dx2 = d2 dx2 [f(x)] y''' = d3y dx3 = d3 dx3 [f(x)] yn = dny dxn = dn dxn [f(x)] ( ) ( ) ( ) ( ) Exemplo 9 Se f(x) = 3x5 - 10x4 + x3 - 6x2 + 15x - 2, encontre as derivadas de ordens superiores de f: Comentário A importância da derivada segunda e das derivadas superiores será discutida nas próximas aulas sobre derivadas. Atividade 1. A derivada primeira da função f(x) = √x3 - 2x + 5 é corretamente escrita como: a) x2 + 2 2√x3 - 2x + 5 b) 3x2 - 2x √x3 - 2x + 5 c) 3x2 - 2 2√x3 - 2x + 5 d) 3x2 + 2 3√x3 - 2x + 5 e) N.D.A. 2. A primeira derivada da função f(x) = x3 · sin2 5x é corretamente representada por:( ) a) x2 · sin2(5x) + x3 · cos5x b) 3x2 · sin2(5x) - 10x3 · cos5x · sin5x c) x2 · sin2(5x) + 5x3 · cos5x d) 3x2 · sin2(5x) + 10x3 · cos5x · sin5x e) N.D.A. 3. Encontre d dx f(x) da função f(x) = cos 2 3√x :( ) a) - 3 · cos 3√x · sin 3√x √x ( ) ( ) b) 3 · cos 3√x · sin 3√x √x ( ) ( ) c) 3 · cos √x · sin √x 2√x ( ) ( ) d) - 3 · cos 3√x · sin 3√x 2√x ( ) ( ) e) - cos √x · sin 3√x 2√x ( ) ( ) 4. Encontre d dx f(x) da função f(x) = x 3 - 5 35 :( ) 5. A derivada segunda da função y = 1 + x 1 - x é: a) y'' = 4 x3 - 3x2 + 3x - 1 b) y'' = - 4 x3 - 3x2 + 3x - 1 c) y'' = - 4 x3 + 3x2 + 3x + 1 d) y'' = 4 x3 - 3x2 - 3x - 1 e) y'' = - 4 2x3 - 3x2 + x + 1 6. Seja f(x) = 3x + 1 x2 3 . Determine por diferenciação logarítmica a derivada primeira( ) Referências ANTON, H.; BIVENS, I.; DAVIS, S. Cálculo. Volume 1. Porto Alegre: Artmed Editora S.A., 2007. BROCHI, A. Cálculo Diferencial e Integral I. Rio de Janeiro: SESES, 2015. FERNANDES, D. B. Cálculo. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. GUIDORIZZI, H. L. Um Curso de Cálculo. Volume 1. Rio de Janeiro: LTC, 2001. PANONCELI, D. M. Análise Matemática. Curitiba: Intersaberes, 2017. Próxima aula Noção de taxa de variação; Máximos e mínimos; Teorema de Rolle; Teorema do Valor Médio. Explore mais Sugestões de ferramentas de Matemática: O império dos números <https://pt.numberempire.com/> . Sugestões de vídeos: Derivada da função inversa <https://youtu.be/DkuwgStXSz0> ; Derivada da função exponencial <https://youtu.be/nfARXFLUKMc> ; Derivada da função logarítmica <https://youtu.be/ghdUmIqIImI> . https://pt.numberempire.com/ https://youtu.be/DkuwgStXSz0 https://youtu.be/nfARXFLUKMc https://youtu.be/ghdUmIqIImI
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