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Limites, Derivadas e Integrais Uma ideia sobre função Usamos funções para representar diferentes informações das mais diferentes fontes; São utilizadas para relacionar um conjunto de dados com outro; A função 𝑓 é uma regra que relaciona os valores de uma variável qualquer 𝑥 com outro conjunto numérico 𝑦 também denotado por 𝑓(𝑥). A relação entre estas duas variáveis pode ser apresentada na forma gráfica no plano carteziano. Cada ponto é representado por um par ordenado (𝑥, 𝑓(𝑥)). O gráfico da função é a linha que passa por todos os pontos (𝑥, 𝑓(𝑥)). O domínio 𝐷 de uma função representa o intervalo do conjunto dos números reais que compõem o conjunto da variável 𝑥. A imagem 𝐼 são os valores respectivos de saída da função, os quais estão ligados as valores do domínio. Exemplo 1: Determinar o Domínio e a imagem da função. Formas de se representar uma função; ] Exemplo 2: descrever Verbalmente a função a seguir que representa a curva de aquecimento de um forno industrial; Exemplo 3: Encontrar o domínio de cada função. O teste da linha vertical; Caso um linhas vertical qualquer passe duas ou mais vezes pelo gráfico, este não representa uma função; Isto é, um único valor para a variável 𝑥 somente pode estar relacionado como um único valor de 𝑓(𝑥). Funções definidas por partes; São funções com definidas por intervalos e fórmulas diferentes. Exemplo 4: Construir o gráfico da função definida por partes a seguir. A função módulo de x ( 𝑥 ) ou valor absoluto de 𝑥. Exemplo 5: Construir o gráfico da função definida por partes a seguir. Funções simétricas: São funções que estão relacionadas entre os valores positivos e os valores negativos da variável 𝑥. Simetria Par: Exemplo 6: Verificar a Simetria par da função 𝑥2. Simetria Impar: Exemplo 7: Verificar a Simetria Impar da função 𝑥3. Exemplo 8: Determine o tipo de simetria presente nas funções a seguir, caso haja. Crescimento e Decrescimento de Funções; Analisamos os intervalos De 𝑥 em que a função 𝑓(𝑥) Aumenta ou diminui de Amplitude. Exemplo 9: Determine os intervalos em que a função 𝑓 𝑥 = 𝑥2 apresenta um crescimento ou decrescimento. Exemplo 10: Tome o gráfico da função 𝑓(𝑥). A) Encontre o valor de 𝑓(−1) B) Estime o valor de 𝑓(2) C) Encontre o valor de 𝑥 para o qual 𝑓 𝑥 = 2 D) Estime o valor de 𝑥 para o qual 𝑓 𝑥 = 0; E) Encontre o domínio e a imagem da função 𝑓 𝑥 F) Diga os intervalos em que há crescimento ou decrescimento. Exemplo 11: Avalie o valor das expressões para cada caso. Exemplo 12: Encontre o domínio para cada caso de função dada e esboce o gráfico da mesma. Exemplo 13: Repita o exemplo 12 para as funções a seguir. Exemplo 14: Estude a simetria das funções a seguir. Principais Tipos de Funções: Função Afim (Função linear): Exemplo 15: determine a função linear que passa pelos pontos (-1,2) e (1,2). Função Polinomial Função quadrática: Função Cúbica: Função Polinomial Função Polinomial Função Potência: Função Racional: Função Recíproca: Função Racional: Funções Trigonométricas: Funções Trigonométricas: Funções Trigonométricas: Função Exponencial: Função Logaritmo: O problema de Calcular a velocidade Instantânea. Dado uma móvel cuja posição no tempo é dada pela expressão: 𝑠 𝑡 = 4,9𝑡2 Vamos tentar determinar sua velocidade quando 𝑡 = 5𝑠. Não é velocidade média é velocidade instantânea. Sabemos que a velocidade é a variação da velocidade sobre a variação do tempo. Vamos pegar um valor de tempo muito próximo ao que desejamos e calcular a velocidade. Podemos aproximar mais ainda os valores de tempo e calcular a velocidade; Podemos notar que Quanto mais próximos De 5s estão os intervalos De tempo, mais próxima de 49 m/s a velocidade Fica. Podemos assim dizer que A velocidade instantânea Tende a assumir exatamente o valor 49 m/s a medida que usamos valores de tempo cada vez mais próximos de 5s. Note que não foi necessário calcular o valor da velocidade exatamente em 5s, bastou analisar a tendência numérica. Esta é a ideia intuitiva de uma analise matemática chamada de Limite. Entendemos por limite de uma função 𝑓(𝑥) a tendência de assumir um determinado valor L, a medida que tomamos valore para a variável 𝑥 cada vez mais próximos de um valor 𝑎, mas nunca chegar exatamente sobre o ponto 𝑎 (𝑥 = 𝑎). Em limite não estamos interessados em conhecer o comportamento da função sobre o ponto 𝑥0 e sim nas suas redondezas. Por exemplo, vamos tentar calcular o valor do limite da função 𝑓 𝑥 = 𝑥2 − 𝑥 + 2 nas proximidades do ponto 𝑥 = 2. Muitas vezes calcular o limite é simples, bastando substituir o valor do ponto na função; No exemplo anterior, bastava para determinar o valor do limite, substituir 2 na função e se obteria o valo do limite 4. Mas em alguns casos, o ponto 𝑎 não pertence ao domínio, não podendo assim simplesmente substituir na função. Exemplo 16: Determinar o limite Exemplo 17: Repetir o Exemplo anterior para a função: Exemplo 18: Estimar o valor do limite: Atenção para os arredondamentos. Exemplo 19: Determinar o limite Exemplo 20: Determinar o limite Exemplo 21: Determinar o limite da função degrau 𝑢 𝑡 ou função de Heaviaside. Limites Laterais São os limites quando nos aproximamos do ponto desejado por valores menores ou maiores; Quando por valores inicialmente maiores, chamamos de limite pela direita; Quando por menores, chamamos limite pela esquerda. 𝑢 𝑡 𝑢 𝑡 𝑢 𝑡 𝑢 𝑡 Limite da função 𝑓(𝑥) quando 𝑥 tende a 𝑎 pela esquerda. Limite da função 𝑓(𝑥) quando 𝑥 tende a 𝑎 pela direita. Usando os limites laterais para redefinir a existência de um limite. Exemplo 22: Tomando a função 𝑔(𝑥) definida de forma gráfica, calcule o que for pedido. Exemplo 23: Determine o valor do limite a seguir, caso ele exista. Definição precisa de LIMITE: Vamos agora abordar o limite de uma forma que nos permite compreender a sua convergência numérica. Estudaremos a distância da função 𝑓(𝑥) ao seu limite L e também do valor de 𝑥 ao ponto de análise 𝑎. Dizemos que o limite da função 𝑓(𝑥) tende a L a medida que 𝑥 tende a 𝑎, como a seguir Se para todo número 𝜀 > 0 existe um número correspondente 𝛿 > 0 de forma que Exemplo 24: Mostrar que Exemplo 25: Mostrar que Exemplo 26: Para um objeto se movendo no ar sua altura em metros é dada pela função horária Determinar a velocidade entre os seguintes intervalos de tempo. Estimar a velocidade a velocidade instantânea em 𝑡 = 1 Exemplo 26: Esboce o gráfico da função a seguir e o use para determinar o limite da função quando 𝑥 → 1. Exemplo 27: Esboce ó gráfico de uma função que satisfaça as seguintes condições. A) B) Exemplo 28: Encontre o valor do limite para os valores de x determinados A) B) C) Exemplo 29: Determine o valor do limite utilizando a estratégia numérica. Exemplo 30: Usando o gráfico da função 𝑓 𝑥 = 1/𝑥, determine um número 𝛿 tal que Exemplo 31: Utilize a definição de limite para provar as igualdades a seguir. Calculo de Limites Vamos agora conhecer algumas propriedades do limite; Seja 𝑐 uma constante e que os seguintes limites existem Então podemos escrever: Exemplo 32: Determine o valor dos limites a seguir utilizando as propriedades de limite. Exemplo 33: Verifique o que há de errado como a expressão: Seria possível dizer que a expressão a seguir é verdadeira? Outras propriedades de Limites Seja 𝑛 um inteiro positivo, então as propriedades a seguir são válidas. Exemplo 34: Determinar o valor dos limites a seguir utilizando as propriedades de limites. Propriedade da substituição direta: Seja 𝑓(𝑥) um função polinomial ou racional e o ponto 𝑥 = 𝑎 pertence ao domínio da função, então a seguinte relação é possível. Exemplo 35: Determinar o valor dos limites a seguir. É possível simplificar a função 𝑓(𝑥) cujo ponto 𝑥 = 𝑎 ∉ 𝐷(𝑓(𝑥)), por outra função 𝑔(𝑥) equivalente que não possui esta limitação. As duas funções têm a mesma tendência a medida que x se aproxima de a: são diferentes apenas quando 𝑥 = 𝑎. Encont ar o valo do limite Avalie o valo de Determine o valo de Exemplo 36: r r Exemplo 37: r Exemplo 38: r Exemplo 39: Mostre que Exemplo 40: Mostre que o limite a seguir não existe. Teorema do Confronto Se duas funções 𝑓 𝑥 𝑒 𝑔(𝑥) obedecem a relação 𝑓 𝑥 ≤ 𝑔(𝑥) nas proximidades de um ponto 𝑎, então podemos escrever. Se três funções 𝑓 𝑥 , 𝑔 𝑥 𝑒 (𝑥) obedecem a relação 𝑓 𝑥 ≤ 𝑔(𝑥) ≤ (𝑥) nas proximidades de um ponto 𝑎; E assim também Podemos escrever Exemplo 40 Mos e que Exemplo 41 Encont e o valo de Exemplo 42 Encont e o valo de : : Exemplo 44: Determine o valor dos limites a seguir. Tomamos como continuidade de uma função a característica de representar o gráfico de uma função sem interrupções. Matematicamente podemos dizer que uma função é contínua no ponto a quando o valor da função neste ponto é igual ao limite da função no mesmo ponto. Podemos organizar o procedimento de verificação da continuidade em três passos; 1. A função 𝑓(𝑥) deve estar definida no ponto 𝑥 = 𝑎, isto é, deve existir um valor para 𝑓(𝑎); 2. O limite da função tendendo para 𝑎 deve existir 3. O valor da função no ponto a deve ser igual ao limite da função tendendo ao ponto a. Se qualquer uma das proposições Não for atendida, dizemos que a Função 𝑓(𝑥) é descontínua no Ponto 𝑎. Exemplo 45: Verifique se a função a seguir pode ser descontínua em algum ponto. Exemplo 46: Verifique se algumas das funções a seguir pode ser descontínua. Dizemos que uma função é contínua pela direita de um determinado ponto a se Dizemos que uma função é contínua pela esquerda de um determinado ponto a se Dizemos que uma função 𝑓(𝑥) é contínua em um intervalo 𝑎 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏 se a função é contínua para todos os pontos dentro deste intervalo. Basicamente verificamos se os limites existem. lim 𝑥→𝑎+ 𝑓(𝑥) = 𝑓 𝑎 𝑒 lim 𝑥→𝑏− 𝑓(𝑥) = 𝑓 𝑏 Exemplo 47: Verifique se a função 𝑓(𝑥) a seguir é contínua no intervalo [−1,1]. O seguinte conjunto de funções é contínuo para todos os valores de x que pertencem ao seu domínio. Polinomiais; Racionais; Funções envolvendo raízes; Funções trigonométricas; Exemplo 48: Determine o intervalo no qual as funções a seguir são contínuas. Exemplo 49: Determine os intervalos em que a função a seguir é contínua. Exemplo 50: Utilize a definição de continuidade para mostrar que as funções a seguir são contínuas em um dado ponto 𝑎. Exemplo 51: Mostre que a função a seguir é contínua no intervalo [−4,4]. Exemplo 52: Explique porque a função 𝑓(𝑥) é descontínua no ponto 𝑥 = 1. Esboce o gráfico. Exemplo 53: Encontre os pontos em que a função a seguir é descontínua. Exemplo 54: Verifique se é possível retirar a descontinuidade da função nos pontos determinados. LIMITES ENVOLVENDO O INFINITO Podemos obter limites envolvendo o infinito basicamente de três forma distintas: Podemos tentar encontrar o limite quando x tende ao infinito (Limites no infinito); Podemos tentar encontrar um limite cujo valor cresce arbitrariamente grande a medida que nos aproximamos de um ponto a (Limites infinitos). Podemos enfrentar o problema de encontrar um limite cujo valor cresce rapidamente a medida que x tende ao infinito (Limites infinitos no infinito); LIMITES INFINITOS Podemos citar como exemplos as funções 𝑓 𝑥 = 1/𝑥2; Podemos encontrar casos em que o valor da função tende a assumir valores negativos de módulo cada vez maiores; Para estes casos dizemos: Como exemplo a função 𝑓 𝑥 = −1/𝑥2; Há funções em que os limites laterais são infinitos, mas tendem a assumirem valores de sinais opostos. Como exemplo os gráficos de funções a seguir. Dizemos que estas funções apresentam Uma assíntota vertical. Exemplo 55: Encontre os limites laterais em relação ao ponto 𝑥 = 3 para a função 𝑓 𝑥 = 2𝑥/(𝑥 − 3); LIMITES NO INFINITO Algumas funções tendem a assumir um valor constante a medida que x tende para mais ou menos infinito. Dizemos então que Estas funções possuem assíntotas horizontais. Exemplo 56: Determine as assíntotas verticais e horizontais da função mostrada a seguir. Exemplo 57: Encontre as assíntotas horizontais da função a seguir e esboce seu gráfico. Exemplo 58: Encontre as assíntotas verticais e horizontais da função 𝑓 𝑥 = 1/𝑥 e esboce seu gráfico. De maneira geral podemos escrever. Exemplo 59 Determine o valor do limite. Exemplo 62: Encontre o valor dos limites: Exemplo 63: Utilizando as informações do gráfico a seguir, determine o que for pedido. Exemplo 64: Esboce o gráfico de uma determinada função 𝑓(𝑥) par que atenda aos seguinte requisitos. Exemplo 65: Esboce o gráfico de uma função que atenda aos seguintes requisitos. Exemplo 66: Tente verificar qual o valor do limite a seguir. Exemplo 67: Encontre o valor dos limites. Exemplo 68: Segundo a teoria da relatividade, a massa de uma partícula com velocidade 𝑣 é: Onde 𝑚0 é a massa da partícula a uma velocidade muito pequena e 𝑐 é a velocidade da luz. O que acontece com a massa da partícula a medida que a sua velocidade 𝑣 → 𝑐− ? O PROBLEMA DE ENCONTRAR A RETA TANGENTE A reta tangente a uma curva no ponto P é uma reta que no ponto mede exatamente 0° em relação a curva. Isto é, possui a mesma direção e mesmo sentido da curva no ponto P. Para solucionar o problema de encontrar a reta tangente a qualquer curva, vamos relembrar como calcular a inclinação 𝑚 de uma reta R. 𝑚 = tan 𝛼 = 𝑦2 − 𝑦1 𝑥2 − 𝑥1 Desta forma podemos tentar Encontrar a inclinação da reta Tangente a função 𝑓 𝑥 = 𝑥2 No ponto 𝑃(1,1). Para isso vamos, tentar encontrar a inclinação 𝑚𝑃𝑄 de uma reta secante qualquer que passa pelo ponto 𝑃(1,1) e por outro ponto qualquer sobre a função 𝑓 𝑥 = 𝑥2 𝑄 𝑥, 𝑓 𝑥 = 𝑄(𝑥, 𝑥2). 𝑚𝑃𝑄 = 𝑥2 − 1 𝑥 − 1 Estamos interessados em Aproximar os ponto P e Q Cada vez mais a tal ponto que Poderemos estimar a inclinação da reta tangente ao ponto P sem nunca precisar chegar ao ponto P. O que na realidade estamos tentando fazer é determinar um limite quando o valor da variável 𝑥 do ponto 𝑄(𝑥, 𝑥2) se aproxima cada vezmais do ponto 𝑥 = 1. Podemos fazer esta aproximação pela direita. 1 1 lim 2 1 x x m x PQ E também podemos fazer esta aproximação pela esquerda. Podemos provar que os limites laterais são iguais, assim o limite propriamente dito existe: A equação da reta tangente ou ponto 𝑃0(𝑥0, 𝑦0) e possui inclinação m é dada na forma 𝑦 − 𝑦0 = 𝑚(𝑥 − 𝑥0) Então temos: 𝑦 − 1 = 2 𝑥 − 1 𝑜𝑢 𝑦 = 2𝑥 − 1 A reta tangente se confunde a curva a medida que tentamos dar zoom na função em torno do ponto P. De uma maneira geral, podemos utilizar este procedimento para calcular a inclinação da reta tangente a qualquer curva 𝑓(𝑥) no ponto 𝑥 = 𝑎 ou 𝑃(𝑎, 𝑓(𝑎)). Assim, fazemos o ponto 𝑄(𝑥, 𝑓(𝑥)) se aproximar cada vez mais do ponto 𝑃(𝑎, 𝑓(𝑎)). Temos então a expressão que determina a inclinação da reta tangente: Também podemos entender este limite em função da distância cada vez menor em relação ao ponto 𝑥 = 𝑎. Exemplo 1: Determinar a equação da reta tangente a curva 𝑓 𝑥 = 3/𝑥 no ponto (3,1). Quando estavamos interes- sados em determinar a velo- cidade instantânea de um Móvel, também utilizamos Destas informação até chemos a conclusão de que a velocidade no tempo 𝑡 = 𝑎 𝑠 é dada pela expressão: O limite que acabamos de utilizar para resolver os problemas anteriores recebe o nome de derivada de uma função 𝒇(𝒙) no ponto 𝒙 = 𝒂. Exemplo 2: Encontre a derivada a função a seguir no ponto 𝑥 = 𝑎. Podemos dizer então que a inclinação da reta tangente á função 𝑦 = 𝑓(𝑥) no ponto (𝑎, 𝑓(𝑎)) é a derivada da 𝑓(𝑥) no ponto a. Exemplo 3: Encontre a equação da reta tangente a parábola dada a seguir no ponto (3, −6). Exemplo 4: Determinar a derivada da função 𝑓 𝑥 = 𝑥 nos pontos 𝑥 = 4, 𝑥 = 8 e 𝑥 = 12. TAXA DE VARIAÇÃO Se uma variável y depende de outra variável x, então podemos dizer y é função de x (𝑦 = 𝑓(𝑥)). Se x muda de uma de 𝑥1 para 𝑥2, então dizemos que houve uma variação de x (Δ𝑥 = 𝑥2 − 𝑥1), o que também gera uma variação em y (Δ𝑦 = 𝑓(𝑥2) − 𝑓(𝑥1)). Chamamos o quociente Δ𝑥/Δ𝑦, dado a seguir, de taxa de variação média de y em relação a x. Para determinar a taxa de variação instantânea de y em relação a x, temos que forçar os pontos (𝑥1, 𝑦1) e (𝑥2, 𝑦2) cada vez mais a medida que a distância Δ𝑥 tende a zero. Podemos então dizer que a derivada também representa a taxa de variação instantânea da função 𝑓(𝑥) no ponto a. As taxas de variações estão presentes em muitas aplicações na ciência e na engenharia: A taxa de variação da posição ou deslocamento de uma móvel é chamada de velocidade: A velocidade 𝑣 é a derivada da função posição 𝑠(𝑡) ou 𝑥(𝑡). A taxa de variação da velocidade é chamada de aceleração: A aceleração 𝑎 é a derivada da velocidade 𝑣(𝑡). Tudo no universo que varia em função de alguma outra variável, pode-se retirar uma taxa de varia, isto é, pode-se retirar uma derivada. Exemplo 3: Determine a equação da reta tangente a curva 𝑦 = 𝑥3 no ponto (−1, −1) utilizando os dois diferentes métodos limites apresentados. Exemplo 4: Encontre a equação da reta tangente a função a seguir no ponto dado. Exemplo 5: O quadro a seguir mostra evolução do percentual da população da Europa que usa celular. Estime a taxa de variação instantânea desta porcentagem no ano 2000. Exemplo 6: Determine a 𝑓′(𝑎) para as funções a seguir. Exemplo 7: Determine quais das expressões a seguir poderia representar a derivada de uma função 𝑓(𝑥) qualquer. Exemplo 8: Uma fábrica produz barcos de uma material com comprimento fixo. O custo de produção de cada metros 𝑥 deste material é dado por 𝐶 = 𝑓(𝑥) reais. A) O que significa a derivada 𝑓′(𝑥)? Qual a sua unidade? B) Na prática, o que significa 𝑓′ 1000 = 9? C) Qual poderia ter o maior valor 𝑓′(50), 𝑓′(500) ou 𝑓′(5000)? Exemplo 9: Vamos tomar a dívida 𝐷(𝑡) dos EUA em bilhões de dólares de 1980 a 2000. Interprete e estime o valor de 𝐷′(1990). Exemplo 10: Esboce um gráfico que a tenda ao seguintes requisitos. Exemplo 11: Esboce o gráfico de uma função 𝑔(𝑥) que atenda aos seguintes requisitos. Exemplo 12: Um tanque com 100.000 litros de água pode ser drenado durante uma hora apertando um botão. Aplicando a Lei de Torricelli temos uma função que determina o volume V de água que ainda resta no tanque. O que significa 𝑉′(𝑡) ? Qual a unidade? Determine 𝑉′(0) , 𝑉′(10), 𝑉′(20), 𝑉′(30), 𝑉′(40), 𝑉′ 50 e 𝑉′(60). A DERIVADA COMO UMA FUNÇÃO 𝒇’(𝒙) Até o momento quando resolvemos o limite Estamos encontrando uma nova função (a função derivada) que depende do número 𝑎. Mas podemos fazer a substituição 𝑥 = 𝑎 para forma o limite O qual definimos como a função derivada. Temos a possibilidade de determinar o valor da derivada para qualquer que seja o valor de 𝑥. Exemplo 13: O gráfico a função 𝑓(𝑥) é dado a seguir, utilize-o para determinar o gráfico da função 𝑓′(𝑥). Exemplo 14: Encontre a equação da função 𝑓′(𝑥) se Exemplo 15: Encontre a equação da função 𝑓′(𝑥) se 𝑓 𝑥 = 𝑥3 − 𝑥. Compare as duas funções graficamente. Exemplo 16: Repita o exemplo anterior para a função 𝑓 𝑥 = 𝑥. Determine ainda o domínio de cada função. OUTRAS NOTAÇÕES DE DERIVADA Notação dos operadores diferenciais: Indica diferenciação sobre uma determinada função 𝑓(𝑥). Podemos obter a simbologia 𝑑𝑦/𝑑𝑥 aceitando que a taxa de variação instantânea de y em relação a x resulta em uma variação infinitesimal 𝑑𝑦 no limite quando Δ𝑥 tende para um valor também infinitesimal 𝑑𝑥. Notação de Leibniz: Aqui substituímos a notação 𝑓′(𝑎) pela notação a seguir. FUNÇÕES DIFERENCIÁVEIS Dizemos que uma função é diferenciável se existe 𝑓′(𝑎). Dizemos que uma função é diferenciável em um intervalo aberto se esta é diferenciável para todos os números deste intervalo. Exemplo 17: Verifique em qual intervalo a função 𝑓 𝑥 = 𝑥 é difenciável. Em geral, dizemos que uma função é diferenciável em um ponto a se esta é contínua neste ponto. Como verificamos existem exceções em que este teorema pode falhar. Vamos assim levantar algumas hipóteses de como uma função pode não ser derivável em um ponto a. 1 - Quando existem uma tendência da função assumir valores infinito tendendo a um ponto a. Ou quando a reta tangente é uma assíntota vertical. 2 – Quando temos uma descontinuidade no ponto a. 3 – Quando Existe um canto na função no ponto a. Os cantos em função não permitem com que a função se confunda com uma reta (reta tangente) medida que dá zoom na função no ponto a. DERIVADAS DE ORDEM SUPERIOR Derivada de Segunda Ordem Representa a derivada da função derivada: 𝑓′′ 𝑥 = 𝑑 𝑓′ 𝑥 𝑑𝑥 Exemplo 17: Determine e interprete o significado da função 𝑓′′(𝑥) sendo 𝑓 𝑥 = 3𝑥2 − 1. Como comentado anteriormente, a velocidade 𝑣(𝑡) é a derivada da posição 𝑠(𝑡): 𝑣 𝑡 = 𝑠′(𝑡); A aceleração 𝑎(𝑡) é a derivada da velocidade 𝑣(𝑡): 𝑎 𝑡 = 𝑣′(𝑡); Desta forma, podemos escrever a aceleração como o resultado da derivada da derivada da posição 𝑠 𝑡 : 𝑎 𝑡 = 𝑠′′(𝑡); A terceira derivada 𝑓′′′(𝑥) representa a taxa de variação da segunda derivada 𝑓′′(𝑥). O processo de derivação continua infinitamente. Existe a derivada de quarta ordem 𝑓′′′′(𝑥) , a qual geralmente é simbolizada por 𝑓 4 (𝑥). Existe a derivada de quinta ordem 𝑓 5 (𝑥). Assim como existe a derivada de ordem n 𝑓 𝑛 (𝑥). Exemplo 18: Encontre a derivada 𝑓 4 𝑥 da função𝑓 𝑥 = 𝑥3 − 𝑥. Exemplo 19: Mostre que a função 𝑓 𝑥 = 𝑥3 é derivável em todo x exceto para 𝑥 = 0. Exemplo 20: Relacione os gráficos a seguir de (a) a (d) com as sua possíveis derivadas de I a IV. Exemplo 21: Plote o gráfico da função 𝑓 𝑥 = 𝑠𝑒𝑛 𝑥 e tente encontrar o gráfico da função derivada 𝑓′ 𝑠 = 𝑑(𝑠𝑒𝑛 𝑥)/𝑑𝑥. Compare este último com o gráfico da função 𝑔 𝑥 = cos 𝑥. Exemplo 22: Utilize o gráfico mostrado a seguir para determinar o que é pedido. A partir desta informações, esboce o gráfico da função 𝑓′(𝑥). Exemplo 23: Esboce o gráfico da Função derivada das funções a seguir. Exemplo 24: O gráfico a seguir mostra a população 𝑃(𝑡) de batérias em função do tempo de cultura. Esboce o gráfico 𝑃′(𝑡). O que significa na prática a função 𝑃′ 𝑡 ? Exemplo 25: Encontre a derivada das funções a seguir utilizando a definição. Exemplo 26: Explique porque as funções a seguir não são deriváveis em todo o seu domínio. Exemplo 27: A seguir são mostradas 3 curvas que são 𝑓 𝑥 , 𝑓′ 𝑥 𝑒 𝑓′′(𝑥) . Identifique cada uma das funções. FÓRMULAS BÁSICAS DE DERIVAÇÃO A derivada de Uma constante. Vamos encontrar a derivada da função 𝑓 𝑥 = 𝑐 , onde 𝑐 uma constante. Desta forma podemos escrever: FÓRMULAS BÁSICAS DE DERIVAÇÃO A derivada da função potência de x: 𝑓 𝑥 = 𝑥𝑛. É possível mostrar que a derivada da função 𝑓 𝑥 = 𝑥 é 1 (n=1). Para a função 𝑓 𝑥 = 𝑥2 𝑒 𝑓 𝑥 = 𝑥3 (n=2 e n=3), temos: Para n=4, isto é, 𝑓 𝑥 = 𝑥4, temos: De forma geral, pode afirmar que a derivada da função 𝑓 𝑥 = 𝑥𝑛 resulta sempre em uma função de potência menor de uma unidade e esta aparece multiplicada pelo valor do expoente original. Assim, temos: Esta equação também é válida para quando 𝑛 é qualquer número real. Exemplo 28: Encontre a deriva das funções a seguir utilizando a regra da derivada da potência. x xf 1 )( x xf 1 )( Derivada de uma função Multiplicada por Uma Constante. Basta então calcular a derivada Da função e depois multiplicar Pela constante 𝑐. Derivada da soma de duas funções (𝑓 𝑥 ± 𝑔(𝑥)). A derivada da soma é a soma das derivadas. Exemplo 28: Determinar os pontos da curva 𝑓 𝑥 = 𝑥4 − 6𝑥2 − 4 em que as retas tangentes são horizontais. Derivada de Senos e Cossenos Exemplo 29: Determinar a derivada das funções 𝑓 𝑥 = sin 𝑥 𝑒 𝑓 𝑥 = cos 𝑥. Utilize os limites a seguir. Assim teremos: Exemplo 30: Determine a derivada da função Exemplo 31: Determine a 27° derivada da função 𝑓 𝑥 = 𝑠𝑒𝑛 𝑥; Exemplo 32: Dada a função a seguir que determina a posição de uma partícula no tempo. Onde 𝑡 é o tempo em segundos e 𝑠 é medido em metros. A) Determine a velocidade no tempo 𝑡. B) Qual a velocidade depois de 2s? E Depois de 4s? C) Em que momento a partícula para? D) Quando a partícula se movimenta no sentido contrário? E) Esboce o diagrama que representa a posição da partícula F) Encontre a distância total percorrida durante até 5s. G) Encontre a aceleração no tempo t e em t=4s. H) Monte o gráfico para velocidade e posição entre 0 e 5s. I) Em que momento a partícula acelera? E em que momento desacelera? Exemplo 33: Encontre a derivada das funções a seguir. Exemplo 34: Encontre a equação da reta tangente às funções no ponto indicado. Exemplo 35: Encontre a segunda e a terceira derivadas das funções. Exemplo 36: Para quais valores de x a função a seguir possui tangente horizontal. Note que sempre que um função possui uma tangente horizontal, existe um máximo ou um mínimo para a função. Exemplo 37: As equações no formato São chamadas de equações diferenciais, pois levam em consideração uma função desconhecida 𝑦 e suas derivadas. A solução de uma equação diferencial é encontrar uma expressão para 𝑦 que atenda a equação. Uma solução típica é 𝑦 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 𝑥 + 𝐵𝑐𝑜𝑠 𝑥 , sendo A e B constantes. Determine os valores de A e B que tornem a expressão solução da equação diferencial. Exemplo 38: Encontre os valores A, B e C que fazem com que a função 𝑦 = 𝐴𝑥2 + 𝐵𝑥 + 𝐶 seja solução da equação diferencial A Derivada do Produto de duas funções 𝐹 𝑥 = 𝑓 𝑥 𝑔(𝑥). Exemplo 39: Determine a derivada das funções. A Derivada do Quociente de duas funções 𝐹 𝑥 = 𝑓 𝑥 /𝑔(𝑥). Exemplo 40: Determine a derivada das funções. Exemplo 41: Determine a derivada da função 𝑓 𝑥 = tan 𝑥. Exemplo 42: Encontre a derivada das demais funções Trigonométricas: sec 𝑥 , 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐 𝑥 𝑒 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛 𝑥. Exemplo 43: Encontre a derivada da função Lista das derivadas de funções trigonométricas. Exemplo 44: Encontre a derivada das funções. Exemplo 45: Encontre a derivada das funções. Exemplo 46: Encontre a equação da reta tangente a curva no ponto dado. A Regra da Cadeia. Utilizada quando se deseja calcular a derivada de funções compostas. Na função anterior, podemos supor existir a função 𝑔 𝑥 = 𝑥2 + 1 e a função 𝑓 𝑥 = 𝑥. A função 𝐹 𝑥 = 𝑓(𝑔(𝑥)) é uma função composta. As quantidades estão variando uma em função da outra, portanto a derivada depende da variação das duas funções. Exemplo 47: Vamos utilizar a regra da cadeira para determinar a derivada das funções Exemplo 48: Vamos utilizar a regra da cadeira para determinar a derivada das funções A Regra da Cadeira também pode ser utilizada para funções triplamente composta, ou composta por quatro, cinco e até n funções. Exemplo 49: Vamos utilizar a regra da cadeira para determinar a derivada das funções Exemplo 50: Represente as funções a seguir através de funções composta e então encontre sua derivada 𝑑𝑦/𝑑𝑥. Exemplo 51: Determine a primeira e a segunda derivada das seguintes funções. DERIVADA IMPLÍCITA Utilizada quando a função 𝑦 não está explicitamente isolada. Exemplo 52: Determinar a derivada das funções implícitas. Exemplo 53: Determine 𝑦′′ para as funções a seguir. Exemplo 54: Use a derivada implícita para encontrar a equação da reta tangente as curvas nos pontos dados. Derivadas de Funções Exponenciais. Exemplo 55: Determinar a derivada das funções exponenciais a seguir. 𝑓 𝑥 = 2𝑥,𝑓 𝑥 = 5𝑥,𝑓 𝑥 = 0,1𝑥,𝑓 𝑥 = (0,5)𝑥,𝑓 𝑥 = 𝜋𝑥 Exemplo 56: Determine um número 𝑒 de forma que 𝑓′ 𝑥 = 𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥; Exemplo 57: Altere a base das funções exponenciais do exemplo 55 e encontre novamente a derivada das funções. Comparações entre funções exponenciais. Exemplo 58: Determine a derivada das funções exponenciais. Derivada de funções trigonométricas Inversas. Exemplo 59: Determinar a derivada da função 𝑦 = 𝑓 𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 𝑥 Exemplo 60: Determinar a derivada da função 𝑦 = 𝑓 𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 𝑥 Exemplo 61:Determinar a derivada das funções a seguir. Exemplo 62: Determinar a derivadas das funções. Exemplo 63: Determinar a derivadas das funções. Exemplo 64: Determinar a derivadas das funções. Exemplo 65: Calcule a derivada usando a derivação implícita. Determinação de Mínimos e Máximos Utilizamos o teste da primeira derivada para identificar quais são os pontos candidatos a máximos e mínimos: Quando a derivada 𝑓′ 𝑥 = 0 é igual a zero. Quando a derivada 𝑓′ 𝑥 < 0 é negativa: Indica decrescimento da função; Quando a derivada 𝑓′ 𝑥 < 0 é positiva: Indica crescimento da função; Utilizamosa segunda derivada para descobrir se a concavidade da curva é voltada para cima ou voltada para baixo em algum intervalo; Se 𝑓′′ 𝑥 < 0 , a concavidade da função em um ponto é voltada para cima. Em um ponto crítico, temos um mínimo da função original. Se 𝑓′′ 𝑥 > 0 , a concavidade da função em um ponto é voltada para baixo. Em um ponto crítico, temos um máximo da função original. Se 𝑓′′ 𝑥 = 0, temos um ponto de inflexão: uma transição entre uma concavidade para cima e para baixo. Exemplo 66: Determinar os ponto em que há máximo e mínimos para as funções: 𝑓 𝑥 = 𝑥4 − 4𝑥3 Exemplo 67: Encontre os valores máximos e mínimos das funções. O PROBLEMA DE CALCULAR A ÁREA Estamos acostumados a determinar a área de figura regulares: Retângulos, Triângulos, círculos, Trapézios e outras figuras que podem ser decompostas nestas mesmas. Como então determinar a área sobre figuras que não se encaixam nesta descrição? Vamos tentar estimar o valor da área sobre a função 𝑦 = 𝑥2 de 𝑥 ∈ [0, 1] aproximando esta área por vários retângulos. Calculando a área para o primeiro método, temos: Pelo segundo método, temos: Vamos aproximar por retângulos menores ainda. Utilizando os dois métodos, temos o seguinte intervalo: Aumentando mais ainda o número de retângulos, temos: Podemos então supor que a medida que a quantidade de retângulos tende ao infinito, a área tende a se aproximar do valor exato 1/3; Vamos agora mostrar que esta suposição é verdadeira. Vamos dividir o intervalo [0,1] em n parte, cada parte terá Δx = 1/n de largura. Os pontos ao longo do intervalo serão: As alturas ao longo do intervalo serão: Então a área de todos os retângulos somados será dado por: Continuando, temos: Utilizando uma propriedade de somatório: Teremos: De forma genérica, podemos calcular a área sobre a curva 𝑓(𝑥) no intervalo [a,b] subdividindo o intervalo em n valores; Calculamos as área dos n retângulos e somamos; A largura do intervalo será Δ𝑥: Os n valores de 𝑥 ao longo do intervalo são dados por: Fazendo o intervalo Δ𝑥 fixo, podemos escrever: Para calcular a altura do retângulo substituímos o valor de x do intervalo na função. Assim, temos: No limite Δ𝑥 → 0 teremos o valor exato da área A. Em notação de somatório, teremos: Exemplo 1: Utilize retângulos para determinar a área sobre a figura a seguir no intervalo de [1 a 10]. Exemplo 2: Utilize retângulos para determinar a área sobre a curva da função 𝑓 𝑥 = 1/𝑥 no intervalo de [1 a 5]. Exemplo 3: Utilize retângulos para determinar a área sobre a curva da função 𝑓 𝑥 = 25 − 𝑥2 no intervalo de [0 a 5]. Exemplo 4: Utilize retângulos para determinar a área sobre a curva da função 𝑓 𝑥 = 𝑥2 + 1 no intervalo de [-1 a 2]. Exemplo 5: Utilize retângulos para determinar a área sobre a curva da função Exemplo 6: Utilize retângulos para determinar a área sobre a curva da função 𝑓 𝑥 = 𝑥3 no intervalo de [0 a 1]. Uma forma numérica de se calcular as áreas que estávamos determinando é escolhendo um ponto no centro do intervalo de cada retângulo, o qual será denotado 𝑥𝑖 ∗. Fazendo a partição do intervalo [a,b], teremos: Uma soma de Riemann é construída pela multiplicação da largura do intervalo 𝑖 pelo valor da função no centro deste intervalor 𝑓(𝑥𝑖 ∗). O somatório destas para todo o intervalo resulta na soma de Riemann, como mostrada a seguir: A interpretação geométrica de uma soma de Riemann é mostrada a seguir. Uma INTEGRAL DEFINIDA DA FUNÇÃO 𝒇(𝒙) NO INTERVALO [a,b] É DADA PELO LIMITE DA SOMA DE RIEMANN a medida que a largura máxima dos retângulos tende a zero. Se este limite existe, dizemos que a função 𝑓(𝑥) é integrável no intervalo [a,b]. 1 – A Expressão resulta em número; O número em baixo a é dito o LIMITE INFERIOR DA INTEGRAL; O número em cima b é dito o LIMITE SUPERIOR DA INTEGRAL; O intervalo [a, b] é o intervalo de integração; 2- O valor da integral não depende de x, por isso podemos reescrever a expressão da integral definida em função de qualquer variável e mesmo assim o valor é o mesmo. 3 – Se 𝑓(𝑥) é contínua no intervalo [a, b] ou se 𝑓(𝑥) possui um numero finito de saltos de descontinuidades no intervalo [a, b], então a função 𝑓(𝑥) é dita integrável no intervalo [a, b]; Isto é, o limite da integral definida existe; AVALIANDO O VALOR DAS INTEGRAIS Para avaliar o valor das integrais, vamos precisar conhecer algumas propriedades de somatório. Exemplo 7: Avalie o valor da integral definida da função 𝑓 𝑥 = 𝑥3 − 6𝑥 no intervalo [0, 3]. Exemplo 8: Determine o valor das integrais a seguir interpretando o resultado como área. PROPRIEDADES DA INTEGRAL DEFINIDA Exemplo 9: Utilize as propriedades da integral definida para calcular o valor da integral a seguir. Exemplo 10: Determine o valor das integrais a seguir. Exemplo 11: Use o gráfico da função 𝑓(𝑥) para determinar o valor das integrais definidas. Exemplo 12: Avalie o valor das integrais a seguir em termos de áreas. Exemplo 13: (Funções área) Desenhe a curva 𝑡 = 2𝑡 + 1: A) Encontre geometricamente a área sobre a curva no intervalo [1,3]; B) Para 𝑥 > 1, encontre uma função que determine a área entre 1 e qualquer valor x entre 1 e 3; Derive a função área A(x). O que você nota? No exemplo anterior ao tentar calcular uma função A(x) que determine a área para qualquer valor dentro do intervalo [a,b], percebemos que a derivada desta função devolvia a expressão original 𝑓(𝑡). Isto é, ao integrarmos uma função 𝑓(𝑡) encontramos outra função 𝐴(𝑥) cuja derivada é exatamente a função original 𝑓(𝑡) antes da integração. Desta forma notamos que a derivada recupera a função após a integração. O que implica em dizer que derivada e integral são operações inversas. Isso é mostrado através do teorema fundamental do calculo. Na realidade, temos uma vantagem em deter minar a relação entre a derivada e a integral; Sabemos como calcular a derivada das mais diversas funções e podemos usar deste conhecimento para encontrar as expressões integrais sempre precisar da convergência limite de um somatório; Na primeira parte do teorema fundamental, vamos definir a função área resultado de uma integral. Esta função nos dá o valor da área sobre o gráfico 𝑓(𝑡) para qualquer ponto dentro do intervalo [a,b] onde 𝑥 < 𝑏. Exemplo 14: Vamos determinar graficamente a função área 𝑔(𝑥) obtida a partir da função 𝑓(𝑡) mostrada no gráfico a seguir. Exemplo 15: Mostrar que Teorema Fundamental do Calculo (Parte I): Se 𝑓(𝑡) é contínua integrável em [a,b], então a função g é definida Sendo 𝑔′ 𝑥 = 𝑓(𝑥), caso 𝑔(𝑥) seja derivável em [a,b]. Exemplo 16: Encontre a derivada da função Exemplo 17: Encontre a derivada da função Teorema Fundamental do Calculo (Parte II): Se 𝑓(𝑥) é contínua no intervalo [a,b] Onde a função 𝐹(𝑥) é a chamada função antiderivada de 𝑓(𝑥) de forma que 𝐹′ 𝑥 = 𝑓(𝑥). Exemplo 18: Avalie o valor da integral Exemplo 19: Encontre a área sobre a parábola 𝑦 = 𝑥2 de 0 até 1. Exemplo 20: Encontre a área sobre a função 𝑦 = cos 𝑥 de 0 até b, onde 0 ≤ 𝑏 ≤ 𝜋/2. Exemplo 21: O que a de errado com o seguinte calculo? Exemplo 22: Exemplo 1: Verifique por meio de derivação que as igualdades são verdadeiras. Exemplo 2: Encontre a integral indefinida. Exemplo 3: Encontre o valor das integrais.
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