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107 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Unidade III DERIVADAS, SUAS APLICAÇÕES E APLICAÇÕES GERAIS 7 DERIVADAS Inicialmente, veremos a interpretação geométrica da derivada. Consideremos uma função f e dois pontos A (x, y) e B (x + ∆x, y + ∆y) do seu gráfico. Por esses pontos, temos uma reta r1 secante ao gráfico de f (isto é, corta o gráfico em dois pontos). O coeficiente angular da reta r1 é a y x = ∆ ∆ e a sua equação é y = a x + b. y x r1 ƒ(x) ∆y A B ∆x x + ∆x y + ∆y x y Observe a figura abaixo. Quando diminuímos o acréscimo ∆x, o ponto B se aproxima de A e as retas secantes r1, r2, r3, [...]. se aproximam da reta t, tangente ao gráfico de f, no ponto A: y x r1 ƒ(x) ∆y1 A B1 ∆x1 x + ∆x1 y + ∆y x y r2 r3 t 1 B2 B3 O coeficiente angular da reta r1 tende para um número que chamamos de derivada de f e escrevemos f ’(x), assim: 108 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 ∆ ∆ ∆x y x f x → = 0 lim ’( ) Podemos também utilizar h para indicar o acréscimo dado em x, no lugar da notação de ∆x, nesse caso, temos a definição de derivada dada pelo limite: h f x h f x h f x → + − = 0 lim ( ) ( ) ’( ) Lembrete Você pode usar qualquer uma das formas, trabalhe com a que se adaptou melhor. Reta tangente ao gráfico de f: A equação da reta tangente ao gráfico de f no ponto A = (x0, y0) tem equação: y – y0 = f ‘(x0) (x – x0). Observação Note que você vai primeiro calcular a derivada em x e só depois substituir o valor x0. Nem sempre será possível determinar a reta tangente ao gráfico de uma função em qualquer ponto, veja os gráficos a seguir: P R P R Observando os dois gráficos, temos que em ambos não é possível encontrar a reta tangente ao gráfico no ponto P, nesse ponto, o gráfico apresenta um “bico” e então teríamos duas tangentes. Porém, é possível encontrar a reta tangente no ponto R e nesses exemplos existe a reta tangente em todos os outros pontos também. 109 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 7.1 Notações de derivada Dada uma função y = f(x), podemos escrever a sua derivada em um ponto qualquer: y ou f’ ’(x) ou dy dx ou df(x) dx Quando queremos escrever a derivada da função em um ponto particular x0, escrevemos: y x ou f’( )0 ’(x ) ou dy dx (x ) ou df(x ) dx0 0 0 Exemplos: 1) Sendo f(x) = x2, calcular pela definição: a) f ’(x) b) f ’(0) c) f ’(1) a) Para calcular a derivada da função pela definição, você deve, inicialmente, encontrar ∆y. Para isso, vamos substituir f(x) por y e determinar y + ∆y, assim: y+∆y=(x+∆x)2 e como y = x2, temos: x2+∆y=(x+∆x)2 ⇒ ∆y=x2+2x ∆x+(∆x)2–x2 ⇒ ∆y=2x ∆x+(∆x)2 Substituindo no limite da definição de derivada, ficamos com: f x y x x x xx x ’( ) lim lim= = + ( ) → →∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆0 0 22x Note que o limite, quando ∆x → 0, é uma indeterminação, logo, para resolver, você deve eliminar a indeterminação. Nesse caso, basta colocar ∆x em evidência, simplificar e calcular o limite da expressão que sobrou, assim: f x x x x x x xx x ’( ) ( ) lim lim= + ( ) = + = → →∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆0 2 0 2 2x x ∆∆ ∆ x x x → +( ) = 0 2 2lim x Logo, f ’(x) = 2x. b) Para determinar o valor da derivada em x = 0, você deve substituir o valor de x por 0 na expressão da derivada, isto é, f ’ (0) = 2. 0 = 0. Logo, f ‘(2) = 0. 110 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 c) O mesmo deve ser feito agora em x = 1, assim, substituindo x por 1 na expressão da derivada, encontramos f ’ (1) = 2. 1 = 2. Logo, f ’(1) = 2. 2) Sendo f(x) = 3x, calcular pela definição: a) f ’ (x) b) f ’ (–1) c) f ’ (2) a) Para calcular a derivada pela definição, inicialmente encontre ∆y, para isso, vamos substituir f(x) por y e determinar y + ∆y, assim: y+∆y–3(x+∆x), como y = 3x, temos: 3x+∆y=3(x+∆x) ∆y – 3x+∆x – 3x ∆y=3∆x Substituindo no limite da definição de derivada, temos: f x y x x xx x ’( ) lim lim= = → →∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆0 0 3 Note que, se você calcular o limite da função tal como ela está, você encontrará uma indeterminação. Antes de calcular o limite, simplifique a fração. Teremos: f x y x x xx x x ’( ) lim lim lim= = = = → → →∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆0 0 0 3 3 3 Logo, f ’ (x) = 3. b) Para calcular a derivada em x = –1, substitua o valor de x na expressão da derivada, assim, você encontrará f ’ (–1) = 3. c) Faça o mesmo agora para x = 2, assim, f ’ (2) = 3. 3) Queremos agora encontrar a equação da reta tangente ao gráfico da função f(x) = x2 em x0 = –2. Como vimos no exemplo 1, a derivada da função f(x) = x2 é f ’ (x) = 2x, assim, temos que o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico de f em x0 = –2 é dado por a = f ’ (–2) = (–2) 2 = 4. 111 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Sabemos também que a reta tangente passa pelo ponto de tangência, (x0, y0), isto é, passa pelo ponto de coordenadas (–2, f(–2)) = (–2, 4). A equação da reta tangente é: y – y0 = a (x – x0), isto é: y – 4 = – 4 (x – (–2)) Logo, y = – 4x – 4 representa a reta tangente. Para entender melhor, vamos representar graficamente a função e sua reta tangente: -2 y x0 2 4 f(x)=x2 O gráfico da função f(x) = x2 é uma parábola com concavidade para cima, com vértice no ponto (0, 0). A reta tangente tem equação y = –4x – 4 e passa por T(–2, 4), ponto de tangência. Precisamos encontrar mais um ponto da reta, por exemplo: -2 y x0 2 t 4 -1 f(x)=–4x –4 x y 2 4 –1 0 112 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Unindo os dois gráficos, temos: -2 y x0 2 4 f(x)=x2 t Nem sempre será possível calcular a derivada da função em qualquer ponto, vejamos o próximo exemplo: 4) A função f(x) = |x – 1| não é derivável em x = 1. Para verificar esta informação, vamos calcular a derivada pela definição, assim: f x f x h f x h x h x hh h ’( ) ( ) ( ) | | | | lim lim= + + = − + − − → → 0 0 1 1 A derivada no ponto x = 1 é igual a: f h h h hh h ’( ) | | | | | | lim lim1 1 1 1 1 0 0 = − + − − = → → , quando h tende para zero, temos uma indeterminação. Vamos observar o gráfico da função para decidir qual o valor do limite. Utilizando a definição de módulo, temos g(x) = | | , , h h h h h h = ≥ − < se h 0 se h 0 , isto é, | | , , h h = ≥ − < 1 1 se h 0 se h 0 O gráfico deverá ser feito em duas partes, assim: 113 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel g 1 1 h Calculando os limites laterais, notamos que: f x h h h h ’( ) | | lim lim= = = → + → + 0 0 1 1 f x h h h h ’( ) | | lim lim= = − = − → − → − 0 0 1 1 Como os limites laterais são diferentes, temosque não existe o limite e, portanto, a função não é derivável em x = 1. 4) Do mesmo modo que o exemplo anterior f(x) = |x| não é derivável em x = 0, porém é derivável em qualquer outro valor de x. Observe o gráfico da função f(x) = |x|, em x = 0 tem um “bico”, assim não é derivável em x = 0, porém, no restante do gráfico, não temos problemas e a função será derivável em todos os outros pontos: y 1 1 x 114 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Observação Algumas funções são deriváveis em todos os pontos e outras podem não ser deriváveis em determinados pontos. Saiba mais Para exemplos de taxa de variação, acesse: <http://wwwp.fc.unesp.br/~arbalbo/arquivos/derivadasaplicacoes.pdf> 7.2 Regras de derivação Não é prático calcular derivadas utilizando a definição. Para agilizar o cálculo, usaremos as regras de derivação, a seguir, veremos algumas1: 1) y=c ⇒ y’ =0, c é constante Exemplos: a) y=4 ⇒ y’=0 b) f(x) = a + 1 Note que f é função de x, então (a + 1) é constante e a derivada de f(x) = a + 1 deve ser calcula pela regra 1: f ’ (x) = 0 2) y=x ⇒ y’=1 y=kx ⇒ y’=k Exemplos: a) y = 2x A função é formada por uma constante multiplicada pela variável, assim, a sua derivada será igual a constante, logo: y ’ = 2 1 Outras regras são encontradas nas tabelas gerais nos livros indicados na bibliografia. 115 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel b) y = –4x Novamente, a função é formada por uma constante multiplicada pela variável, assim, a sua derivada será igual a constante, logo: y’ = –4 c) y = 2x A função é formada por uma constante multiplicada pela variável, assim, a sua derivada será igual a constante, logo: y ’ = 1 2 3) y=c xn ⇒ y’=c.n.xn–1, c é constante Exemplos: a) y=x2 ⇒ y’=2x2–1=2.x b) y=–3x4 ⇒ y’=–3.4.x4–1=–12x3 c) y=5x–3 ⇒ y’=5.(–3).x–3–1=–15x–4 d) f(x)=(a–2)x3 Note que f é função de x, então o termo (a – 2) é constante e deverá ser considerado como o c da regra 3, assim, a derivada de f(x) = (a – 2) x3 será f ‘(x) = (a – 2). 3. x3 – 1 = 3 (a – 2) x2. Observação Esta regra, muitas vezes, é chamada de regra do tombo, pois “derrubamos o expoente”. 4) y=ex ⇒ y’=ex y=c ex ⇒ y’=c ex, c constante y=ax, a ≠ 0 ⇒ y’=ax In a 116 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Exemplos: a) y=3ex A função é formada por uma constante e pela exponencial, teremos, então, que sua derivada será igual a: y’ = 3. (ex)’ = 3 . ex b) y = 2x Temos agora a derivada de uma função exponencial e como a base não é igual a e, você deve utilizar a 2ª regra da exponencial, assim, a derivada da função será igual a: y’= 2x. ln 2 c) y = 2. 3x Novamente, a função é uma exponencial como base diferente de e, agora multiplicada por uma constante. Vamos utilizar a 2ª regra da exponencial, assim, a derivada será a constante multiplicada pela derivada da exponencial, isto é: y’= 2. (3x)’ = 2 . 3x . ln 3 5) y y x = ⇒ =ln x ’ 1 Exemplos: a) y = 3 ln x A função é formada por uma constante multiplicada pelo ln x, assim, a derivada da função será a constante multiplicada pela derivada do ln x, isto é: y’ 3.(ln x)’ 3. 1 x = = b) y = –5 ln x A função é formada por uma constante multiplicada pelo ln x, assim, a derivada da função será a constante multiplicada pela derivada do ln x, isto é: y x ’ 5.(ln x)’ 5. 1 x = = = −5 117 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 6) derivada da soma e da diferença y=f(x)+g(x) ⇒ y’=f’(x)+g(x) y=f(x)–g(x) ⇒ y’=f’(x)–g’(x) Observação Esta regra pode ser generalizada para um número qualquer de parcelas, bastando calcular a derivada de cada parcela e depois efetuar a soma ou subtração dos resultados. Exemplos: a) y=x2+5x A função é formada pela soma de duas outras, f(x) = x2 e g(x) = 5x. Você vai encontrar a derivada de y utilizando a regra apropriada para cada parcela. Em nosso exemplo, a regra 3) para f(x) e a regra 2) para g(x). Assim: y’=(x2)’+(5x)’=2x+5 b) y=–3x4+7x–2–ex A função é formada pela soma de 3 outras: f(x)=–3x4, g(x)=7x–2 e h(x)=–ex. Você vai encontrar a derivada de y utilizando a regra apropriada para cada parcela. Nesse exemplo usaremos a regra 3) para f(x) e g(x) e a regra 4) para h(x). Assim: y‘=–3x4+7x–2–ex y‘=–3.4x4 – 1+7.(–2)x–2–1–ex y‘=–12x3–14x–3–ex c) y=4x2+x–1 Novamente temos a função formada pela soma de outras duas, f(x) = 4x2 e g(x) = x –1, utilizando a regra 3) para f e g, temos: 118 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 y‘=(4x2)’+(x–1)’ y‘=4.2.x2–1+(–1)x–1–1 y‘=8.x–x–2 7) derivada do produto y=f(x).g(x) ⇒ y’=f’(x).g(x)+f(x).g’(x) ou y=u.v ⇒ y’=u’.v+u.v’ Exemplos: a) y=(x+3x2).(2x–4) Queremos calcular a derivada do produto das funções: u (x) = (x + 3x2) e v (x) = (2x – 4). Para isso, vamos calcular as derivadas separadamente e depois substituímos na regra 7). Calculando a derivada das funções u e v, temos: u’(x)=1+3.2.x=1+6x v‘(x)=2–0=2 Substituindo na regra, temos: y u x x x x y ’ .v)’ u’.v u. v’ ) .(2x-4) ).(2x-4)’= = + = + + + = + ( ( ’ ( ’ ( 3 3 1 2 2 66x) ).(2x-4) (x 3x .(2)2+ + Utilizando a propriedade distributiva, temos: y‘=18x2–20x– 4 b) y=(3x+5x2).(x+2) Queremos calcular a derivada do produto das funções u(x)=(3x+5x2) e v(x)=(x+2). Para isso, vamos calcular as derivadas separadamente e depois substituímos na regra 7). Calculando a derivada das funções u e v, temos: u‘(x)=3+5.2.x=3+10x v‘(x)=1+0=1 Substituindo na regra, temos: y u x x x x y ’ .v)’ u’.v u.v’ ) .(x 2) ).(x 2)’= = + = + + + + + = + ( ( ’ ( ’ ( 3 5 3 5 3 1 2 2 00x) ).(x 2) (3x 5 x .(1)2+ + + 119 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Utilizando a propriedade distributiva, temos: y‘=15x2+26x+6 8) derivada do quociente y f x g x y f f= ⇒ = − ( ) ( ) ( ) . . ’ ’(x) g(x) (x) g’(x) g(x) 2 Exemplos: a) y x x x = + 2 3- ( 2) A nossa função é o quociente de duas funções: u(x)=x2–3x e v(x)=x+2. Podemos calcular as derivadas de u e v separadamente e depois substituir na regra do quociente, assim: u(x)=x2–3x ⇒ u‘(x)=2x–3 v(x)=x+2 ⇒ v‘(x)=1+0=1 Substituindo na regra, temos: y u u x ’ ’ v v’ v .(x 2) (x 3x).1 (x 2) 2 2= − ( ) = − + − − + . . ( ) 2 2 3 b) y x x x x = − + − 3 2 2 2 1( ) A nossa função é o quociente de duas funções: u(x)=x3–2x2+x e v(x)=x2–1. Vamos calcular as derivadas de u e v separadamente e depois substituir na regra do quociente, assim: u(x)=x3–2x2+x ⇒ u‘(x)=3x2–2x+1 v(x)=x2–1 ⇒ v‘(x)=2x–1 Substituindo na regra, temos: y u u x x x ’ ’ v v’ v .(x 1) (x 2x ).(2x 1) (x 1 2 3 2 2= − ( ) = − + − − − + − − . . ( ) 2 23 2 1 ))2 120 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Utilizando a propriedade distributiva, temos: y x x ’ 6x 3x (x 1) 2 2 2= + − + − − 4 33 1 9) derivada da função composta (ou regra da cadeia) h f(y), y g(x) e h f(g(x)) h’ f’(g(x)).g’(x)= = = ⇒ = Exemplos:a) y (2x 5) y’ 3(2x 5) .(2x 5)’ 3(2x 5) .2 6(2x 5) 3 2 2 2 = + = + + = + = + b) y y’ (x (2x) x 2 x2 x2= ⇒ = =e e e. )’ .2 c) y 4x 1 ou y (4x 1) y’ 1 2 (4x 1) .(4x 1)’ 1 2 (4x 1) . 1 2 -1 2 -1 2 = − = − = − − = − =4 22(4x 1) -1 2− 7.3 Derivadas de ordem superior Temos várias aplicações na qual precisamos derivar a função mais de uma vez, isto é, precisamos calcular as derivadas de ordem superior. Em Física, temos o conceito de velocidade instantânea, que é a taxa de variação do espaço pelo tempo, isto é, a velocidade instantânea é calculada pela derivada da função espaço. Temos também a aceleração instantânea, que é a taxa de variação da velocidade pelo tempo, logo, a aceleração é dada pela derivada da velocidade. Mas se a velocidade é a derivada do espaço, podemos dizer que a aceleração é a derivada de 2ª ordem do espaço. Quando falamos em derivadas de ordem superior ou derivadas sucessivas, estamos nos referindo a derivar a função mais de uma vez; as notações mais comuns para indicar estas derivadas são: f ’, f ”, f ’’’, f iv,.... ou df dx d f dx d f dx , , .... , 2 2 3 3 Vejamos alguns exemplos de derivadas sucessivas. 121 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Exemplos: 1) Determinar as derivadas de 1ª, 2ª e 3ª ordens das funções: a) f(x)=3x5+2x3–10x2+6x Resolução: Calculando a derivada de 1ª ordem: f’(x)=3.5.x4+2.3.2–10.2.x+6 f’(x)=15x4+6x2–20x+6 Para calcular a derivada de 2ª ordem, devemos derivar f‘(x), assim: f”(x)=15.4x3+6.2x–20 f”(x)=60x3+12x–20 Agora devemos derivar f”(x) para determinar f’”(x), logo: f’”(x)=60.3x2+12 f’”(x)=180x2+12 Observação O polinômio com expoentes positivos, quando derivado muitas vezes, em algum momento será constante e, daí para frente, suas próximas derivadas serão nulas. b) f(x)=x3+cos x Resolução: Calculando a derivada de 1ª ordem: f’(x)=3.x2–sen x f’(x)=3x2–sen x 122 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Para calcular a derivada de 2ª ordem, devemos derivar f‘(x), assim: f”(x)=6x–cos x f”(x)=6x–cos x Agora devemos derivar f”(x) para determinar f’”(x), logo: f’”(x)=6+sen x f’”(x)=6+sen x Observação Com a função trigonométrica podemos calcular as derivadas sucessivas indefinidamente, sem que fique constante. c) f(x)=3Lnx Resolução: Calculando a derivada de 1ª ordem: f’(x)=3.1/xouf’(x)=3.x–1 f’(x)=3.x–1 Para calcular a derivada de 2ª ordem, devemos derivar f‘(x) utilizando a expressão com expoente negativo, a derivada é mais simples, do contrário, você deve utilizar a regra do quociente, assim: f”(x)=3(–1)x–2 f”(x)=–3x–2 Agora devemos derivar f”(x) para determinar f’”(x), logo: f’”(x)=(–3).(–2)x–3 f’”(x)=6x–3 123 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Lembrete Nesse caso, o expoente é negativo e também podemos calcular as derivadas sucessivas indefinidamente, sem que o resultado seja igual a zero. 2) Um móvel tem equação horária dada por S(t)=16t2–2t+10, com S em metros e t em segundos, determine: a) A velocidade instantânea em função do tempo. b) A velocidade instantânea para t=2s. c) A aceleração instantânea. d) A aceleração instantânea para t=2s. Resolução: a) Para encontrar a velocidade instantânea, vamos calcular a derivada de S, assim: S‘(t)=16.2.t–2 Logo, V (t) = S ‘ (t) = 32t – 2 b) Como queremos a velocidade no instante t = 2, vamos substituir o valor de t na expressão de V(t). Temos: V(2)=32.2–2=64–2=62m/s A aceleração instantânea é calculada pela derivada da velocidade, assim: a(t)=V’(t)=32 d) Como a função é constante, o valor será o mesmo para qualquer valor de t, assim: a(t)=32m/s2 7.4 Alguns teoremas A seguir, teremos alguns teoremas sobre continuidade e derivadas. As demonstrações podem ser encontradas nos textos indicados na bibliografia. 124 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 • Teorema de Bolzano “f é uma função contínua em [a, b] e f(a) e f(b) têm sinais diferentes, então existe, pelo menos, um ponto c de ]a, b[, tal que f(c) = 0.” a b Observando o exemplo, notamos que f(a) > 0 e f(b) < 0, (sinais diferentes) e existem valores em ]a, b[, no qual f(c) = 0. Exemplo: A velocidade de um móvel é dada por v(t)=t3–3t–1. Mostre que no intervalo [0, 2] existe um instante em que a velocidade é nula. Vamos calcular o valor da função nos extremos t=0 e t=2: v(0)=03–3.0–1=–1<0 v(2)=23–3.2–1=8–6–1=1>0 Assim, pelo teorema de Bolzano, existe um valor entre 0 e 2, para o qual a velocidade é zero. • Teorema de Weierstras “f é contínua em [a, b], então f tem máximo e mínimo em [a, b].” Observe agora os gráficos de algumas funções contínuas em [a, b]: y a b f(a)=Vmáx f(b)=Vmin x y a b Vmáx Vmin x Xmin Xmáx 125 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Nesses dois exemplos, temos funções contínuas no intervalo fechado e temos valores máximos e mínimos da função. Lembrete Caso a função não seja contínua ou o intervalo não seja fechado, poderemos ter ou não a existência de máximo e mínimo, isto é, se a hipótese do teorema não vale, não podemos garantir a existência dos valores extremos. • Teorema do valor médio ou teorema de Lagrange “f é contínua em [a, b] e derivável em ]a, b[, então existe c em ]a, b[, tal que f’(c) f(b) f(a) b-a = : f(x) f(b) f(a) 0 b x • Teorema de Rolle “f é contínua em [a, b], derivável em ]a, b[ e f(a)=f(b) ⇒ existe c em ]a, b[, tal que f’(c)=0.” f(x) 0 b xa c f(a)=f(b) Lembrete Esse teorema é um caso particular do teorema do valor médio. A partir desses teoremas, podemos concluir vários resultados úteis em nossos estudos, como os critérios da derivada para crescimento da função e para a concavidade da função que estudaremos mais adiante. Temos também outras aplicações que não veremos nesse texto, por exemplo, a fórmula do valor médio de Cauchy e a fórmula de Taylor, com resto de Lagrange. 126 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 A seguir, resumimos as principais regras de derivação: Tabela de derivada: 1) y c y’=0,= ⇒ 2) y x y’=1 y kx y’ k = ⇒ = ⇒ = 3) y cx y’ c.n.x n n-1= ⇒ = c é constante 4) y e y y c e y y a y x x x = ⇒ = = ⇒ = = ≠ ⇒ = ’ e ’ c e a 0 ’ a ln a x x x , , c constante 5) y y x = ⇒ =ln x ’ 1 6) derivada da soma e da diferença y f x g x y f y f x g x y f = + ⇒ = + = ⇒ = ( ) ( ) ( ) ( ) ’ ’(x) g’(x) ’ ’(x) g’(x) 7) derivada do produto y f x g x y f f= ⇒ = + = ⇒ + ( ). ( ) . .’ ’(x) g(x) (x) g’(x) ou y u.v y’= u’.v u.v’ 8) derivada do quociente y f x g x y f f= ⇒ = − ( ) ( ) ( ) . . ’ ’(x) g(x) (x) g’(x) g(x) 2 9) derivada da função composta (ou regra da cadeia) h f(y), y g(x) e h f(g(x)) h’ f’(g(x)).g’(x)= = = ⇒ = Lembrete Você encontrará nos livros indicados na bibliografia tabelas completas com outras regras de derivação. 127 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o -06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Vamos agora reescrever a nossa tabela de derivadas, utilizando a notação de função composta para facilitar a derivada destas funções. Tabela de derivadas utilizando a regra da cadeia, considerando u (x) função composta: 1) y k.u y’ k.n.u .u’ n n - 1= ⇒ = 2) y e y y c e y u u = ⇒ = = ⇒ = ’ u’.e ’ c.u’.e u u, c constante 7.5 Ampliando seu leque de exemplos 1) Determinar a equação da reta tangente ao gráfico de f(x)=x4–x3+3x, no ponto xo=1 Resolução: A equação da reta tangente ao gráfico da função f no ponto xo é dada por y–yo=f‘(xo)(x–xo). Devemos então calcular a derivada da função e substituir o valor de x0, assim: f(x)=x4–x3+3x f‘(x)=4x3–3x2+3 Então, f‘(1)=4.13–3.12+3=4–3+3=4 Falta, ainda, determinar o valor de f(1) substituindo x=1 na expressão que define a função: yo=f(1)=1 4–13+3.1=1–1+3=3 yo=3 Substituindo os dados na equação da reta, temos: y–yo=f‘(xo)(x–xo) y–3=4(x–1) y=4x–1 é a equação da reta tangente ao gráfico de f no ponto xo=1. 2) Calcular a derivada da função y=2x –3+x2 128 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Resolução: Para calcular a derivada da função, devemos observar que temos a soma de duas funções e será necessário verificar qual a regra conveniente para cada caso. Assim: y=2x–3+x2 y‘=(2x–3)‘+(x2)‘=2.(–3)x–4+2x Logo, y‘=–6x–4+2x. 3) Calcular a derivada da função y x x x = + − 3 5 2 2 2 Resolução: Nesse caso, temos que utilizar a regra do quociente para encontrar a derivada da função. Assim: y x x x = + − 3 5 2 2 2 y x x x x x x x ’ ’ . ) . ) ( ) = +( ) − − +( ) − − 3 5 2 3 5 2 2 2 2 2 2 2 ( ( ’ 2 y x x x x x x ’ . . = +( ) −( ) − +( ) ( ) −( ) 6 5 2 3 5 2 2 2 2 2 2 y x x x x x x ’ . . = +( ) −( ) − +( ) ( ) −( ) 6 5 2 3 5 2 2 2 2 2 2 Simplificando, temos: y x x x ’ = − − − −( ) 5 12 10 2 2 2 2 129 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 4) Calcular a derivada da função y e= +3 x 2 5xcos Resolução: Temos agora a soma de duas funções, uma exponencial e outra trigonométrica. Devemos, então, utilizar as regras apropriadas. Note que ambas são funções compostas. Assim: y e= +3 x 2 5xcos y e x’ ’ ( 5x)’ 2 = +( ) cos3 y’ 6xe 5( sen 5x)3x 2 = +( ) Logo: y’ x e 5 sen 5x3 x 2 = −6 5) Calcular a derivada da função y = Ln (x4 + 3x2) Resolução: Temos, novamente, uma função composta, portanto, a derivada será: y=Ln(x4+3x2) y’=(Ln(x4+3x2))’ y x x’ x x4 3= + +1 3 4 62 .( ) Simplificando, temos: y x x x ’ x x(x x (x 2 3 2 3= + + = + + 2 2 3 3 2 2 3 3 ( ) ) .( ) ) 130 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Logo: y x ’ x (x 2 3= + + 2 2 3 3 .( ) ) 8 APLICAÇÕES A seguir, veremos algumas aplicações dos assuntos tratados nos módulos anteriores. Dependendo da área de interesse de seus educandos, você pode se aprofundar mais nos assuntos relacionados a ela. A utilização de aplicações facilita o entendimento do assunto e reduz os questionamentos do tipo “onde uso isso?”, “para que estou aprendendo esse assunto?”. 8.1 Variação aproximada – diferencial Sabemos que derivada é uma taxa de variação, baseado nisso, vamos utilizar derivadas para determinação de valores aproximados. Observe a figura: a ay xx+∆xx t y+∆y ∆y A B D f dy y Notamos que no triângulo ADC, temos tg dy x = ∆ , isto é, f’(x) dy x = ∆ . O acréscimo dy é uma aproximação para ∆y quando ∆x→0. Assim: f x x f x f x( )0 0 0+ ≅ ( ) + ( )∆ ∆’ . x 131 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Lembrete Inicialmente, os valores de dy e de ∆y são distantes, porém, quando fazemos ∆x se aproximar de zero, os valores de dy e ∆y vão ficando cada vez mais próximos. Exemplo: Calcular o valor aproximado de 13 , utilizando diferencial: A função do exercício é f(x) = x , o ponto x0 é um valor conhecido da função próximo ao que se quer calcular. Podemos utilizar x0=16oux0=9, para encontrar a melhor aproximação, devemos escolher para x0 o valor mais próximo de 13. Logo, x0 = 16 e ∆x = −3 . Assim: f x f(x) x ’(x) 1 2 x x -1/2= = ⇒ = =1 2 1 2 / f f f (x ) f(16) 16 ’(x ) ’(16) 16 .4 0 0 = = = = = = = 4 1 2 1 2 1 8 Substituindo na expressão: f x x f x f x( )0 0 0+ ≅ ( ) + ( )∆ ∆’ . x 13 16 16≅ ( ) + ( ) ( )f f’ . -3 13 4 1 8 4 0 375 3 625≅ + = = − =. 3) 4 3 8 ( , , 13 3 625≅ , 132 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Na calculadora, encontramos o resultado: 13 3 605551275= , . Comparando com o valor encontrado no exemplo, temos um erro de 0,019 que pode ser considerado aceitável. Observação Refaça o exemplo, agora, tomando x0 = 9 e compare com os resultados obtidos no exemplo. Quem forneceu a melhor aproximação, isto é, quem chegou mais próximo do resultado obtido pela calculadora? 8.2 Sinais da 1ª derivada – crescimento da função Seja f uma função real definida num domínio D e derivável em D. Por meio do sinal da 1ª derivada de f, podemos saber em qual lugar a função é crescente ou decrescente. Vejamos o quadro a seguir: f’(x) > 0, em um intervalo ⇒ f é crescente neste intervalo f’(x) < 0, em um intervalo ⇒ f é decrescente neste intervalo Os pontos nos quais f ’(x) = 0 são possíveis pontos de máximo ou de mínimo, dependendo do sinal da derivada antes e depois do ponto. Esses pontos são chamados pontos críticos: f’(x) > 0 f’(x)=0 f’(x) < 0 crescente decrescente ponto máximo f’(x) < 0 f’(x) = 0 f’(x) > 0 crescentedecrescente ponto mínimo Se f’ não muda de sinal antes e depois do ponto crítico, então f não tem ponto de máximo ou de mínimo. Exemplos: 1) Determinar os pontos críticos da função, identificando se são de máximo ou mínimo: a) f(x) = x2 –2x Calculando a derivada de f, temos f’(x) = 2x – 2. Igualando a zero e resolvendo a equação f’(x) = 0 133 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 2x–2=0 ⇒ x=1. Logo, x = 1 é o ponto crítico da função, fazendo o estudo de sinal, temos: O ponto (1,12–2.1)=(1,–1) é ponto de mínimo local da função. 1 crescentedecrescente ponto mínimo 1 b) f(x)=x3–12x Você deve inicialmente determinar a derivada da função, então: f(x)=x3–12x ⇒ f‘(x)=3x2–12 Igualando a derivada a zero, você vai determinar os possíveis pontos de máximo ou mínimo da função: f’(x)=0 ⇔ 3x2–12=0 ⇔ x= ±2 (pontos críticos): crescente decrescente ponto máximo ponto mínimo 2 crescente–2 2–2 Então: Para x = –2, temos f(x)=(–2)3–12.(–2)=–8+24=16, isto é, (–2, 16) é ponto de máximo local. Para x = 2, temos f(x)=(2)3–12.(2)=8–24=–16, isto é, (2, –16) é ponto de mínimo local. 2) Dona Cotinha comprou um sítio e deseja fazer uma horta, para isso ela quer separar uma parte do terreno que faz divisa com o Sr. Totó. 134 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Figura 1 Ela tem 52m de tela para cercar a área retangular ondeserá a sua horta. Sabendo que ela que aproveitar um dos lados com a cerca do Sr. Totó, determine as dimensões da região a ser cercada para que a área seja a maior possível. Modelo matemático y x x Figura 2 Resolução: Dona Cotinha tem 52m de tela para cercar os três lados do terreno, como no modelo matemático, temos 2x + y = 52. Como queremos a maior área possível, devemos determinar o ponto de máximo da função área usando, para isso, a derivada da função. A área da região é dada por A = x. y. Assim: 2 52x y A x y A x + = ⇒ = = ⇒ = = y 52-2x .(52-2x) 52 x 2x2. 135 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Calculando a derivada da função área, temos: A‘(x)=52–4x Igualando a zero: 52–4x=0 ⇒ x=13 Estudando o sinal da derivada, vem: sinal de A’ 13 crescimento de A’ Logo, teremos a área máxima para x = 13m e y = 26m. 8.3 Concavidade da função – sinais da 2ª derivada Seja f uma função real definida num domínio D e derivável em D. Por meio do sinal da 2ª derivada de f, podemos saber a concavidade da função, para cima ou para baixo. Vejamos o quadro a seguir: f”(x) > 0, em um intervalo ⇒ f tem concavidade para cima, neste intervalo f”(x) < 0, em um intervalo ⇒ f tem concavidade para baixo, neste intervalo Os pontos nos quais f ”(x) = 0 são os possíveis pontos de inflexão, dependendo de o sinal da derivada ser diferente antes e depois do ponto. Ponto de inflexão é o ponto em que a curva muda de concavidade. ponto de inflexão f”(x) < 0 f”(x)= 0 f”(x) > 0 ponto de inflexão f”(x) > 0 f”(x)= 0 f”(x) < 0 Notemos que se f não muda de concavidade, então não teremos ponto de inflexão. Exemplos: Determinar os pontos de inflexão e a concavidade das funções: a) f(x)=x3–12x 136 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Calculando as derivadas de 1ª e de 2ª ordem de f, temos: f(x)=x3–12x ⇒ f’(x)=3x2–12 ⇒ f”(x)=6x. Igualando a zero e resolvendo a equação f ”(x) = 0, temos: 6x=0 ⇒ x=0. Logo, x = 0 é um possível ponto de inflexão da função. Fazendo o estudo de sinal, temos: ponto de inflexão f”(x) < 0 0 f”(x) > 0 Ponto de inflexão (0, 0). b) f(x)=x4+x3 Calculando as derivadas de 1ª e de 2ª ordem de f, temos: f(x)=x4+x3 ⇒ f’(x)=4x3+3x2 ⇒ f”(x)=12x2+6x. Igualando a zero e resolvendo a equação f ”(x) = 0: 12 6 0 6 1 2 2x x x x + = ⇒ + = ⇒ = + = ⇒ = = − .(2x 1) 0 x 0 2x 1 0 x 0 Logo, x = 0 e x = –1/2 são possíveis pontos de inflexão da função, fazendo o estudo de sinal, temos: sinal de f” ponto de inflexão –1/2 concavidade de f 0 –1/2 0 ponto de inflexão Pontos de inflexão (0, 0) e (–1/2, –1/16). 137 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel c) y = x Calculando as derivadas de 1ª e de 2ª ordem de y, temos: y = x4 ⇒ f ’(x) = 4x3 ⇒ f ”(x) = 12x2. Igualando a zero e resolvendo a equação f ”(x) = 0, temos: 12 x2 = 0 ⇒ x = 0 Logo, x = 0 é um possível ponto de inflexão da função, fazendo o estudo de sinal, temos: Como a 2ª derivada não muda de sinal, x = 0 não é ponto de inflexão, então: sinal de f” concavidade de f 0 8.4 Construção de gráficos Sempre podemos construir gráficos de funções utilizando tabela de pontos, porém, nem sempre esse é o meio mais rápido e mais preciso de se fazer um gráfico. Podemos também utilizar softwares matemáticos para essas construções. Nesse item, faremos gráficos baseados na teoria estudada até agora. Para isso, vamos seguir o seguinte roteiro: a) Determinar o domínio da função. b) Cortes nos eixos (ou interceptos). c) Calcular a 1ª derivada para determinar pontos críticos e crescimento. d) Calcular a 2ª derivada para determinar os pontos de inflexão e concavidade. e) Calcular os limites: limx y → + ∞ e lim x y → − ∞ , para verificar o comportamento da função para valores muito grandes (x → + ∞) e muito pequenos (x → – ∞). Exemplo: Construir o gráfico de y = x3 – 9x 138 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Vamos seguir os itens do roteiro: a) Dom f = IR. b) Corte nos eixos: — eixo y: vamos verificar qual o valor de y quando x = 0 x = 0 ⇒ y = 0 — eixo x: vamos verificar qual o valor de x quando y = 0 y 0 x x 3 ou x3= ⇒ − = ⇒ = = = −9 0 0 3x x ou c) Pontos críticos (máximo e mínimo): devemos calcular a derivada da função e igualar a zero, para determinar os pontos críticos: y x y’ 3x y’ 3x 0 3 2 2 = − ⇒ = − = ⇒ − = ⇒ = ± 9 9 0 9 3 x x Estudando o sinal da derivada e o crescimento de f, temos: crescente decrescente ponto máximo ponto mínimo crescente 3– 3 sinal de f’ crescimento de f Assim: Ponto de máximo (–1.73, 10.39). Ponto de mínimo (1.73, –10.39). d) Pontos de inflexão: devemos agora calcular a derivada de 2ª ordem de f e igualar a zero para determinar os possíveis pontos de inflexão: y x y’ 3 x y" 6 x 0 3 2= − ⇒ = − ⇒ = = ⇒ = ⇒ = 9 9 6 0 0 x y x x " 139 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Estudando o sinal da 2ª derivada, temos: sinal de f” concavidade de f 0 ponto de inflexão Assim, o ponto de inflexão será (0, 0). e) Calculando os limites: para x → + ∞ e para x → – ∞, temos: x x x x x x → + ∞ → + ∞ −( ) = − = +∞lim lim3 3 29 1 9 x x x x x x → − ∞ → − ∞ −( ) = − = −∞lim lim3 3 29 1 9 Notamos, então, que quanto maior o valor de x maior será o valor de f(x) e quanto menor o valor de x menor será o valor de f(x). Substituindo todos os valores encontrados em nosso roteiro, encontramos o gráfico de f: 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 –10 – 9 –8 –7 –6 -5 -4 -3 -2 -1 -1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x y 10,39 –10,39 1,73 –1,73 140 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 8.4.1 Assíntota horizontal Na construção do gráfico de uma função, devemos verificar se ele possui assíntotas. Para isso, vamos calcular o limite da função, quando x tende a +∞ e a –∞. Se x f x b → + ∞ = lim ( ) e x f x b → ∞ = - lim ( ) , então a reta y = b é assíntota horizontal de f(x). Exemplos: a) Vamos determinar se a função racional f x x x x ( ) = + − 2 2 5 tem assíntota horizontal. Para isso, devemos calcular os limites para infinito. Calculando os limites, temos: x x x x→ + ∞ + − = lim 2 2 5 1e x x x x→ − ∞ + − = lim 2 2 5 1 Logo, a reta y = 1 é assíntota de f(x). Se você construir o gráfico da função, encontrará a seguinte representação: 6 5 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 -5 –10 – 9 –8 –7 –6 -5 -4 -3 -2 -1 -1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x y assíntota horizontal Observação Nesse caso, a função tem assíntota horizontal em y = 1 e duas assíntotas verticais em x = 5 e em x = − 5 . b) Verificar se f(x) = x3 – 27x tem assíntota horizontal. Calculando os limites para infinito, temos: x→ + ∞ − = +∞ 3x 27 xlim x→ − ∞ − = −∞ 3x 27xlim 141 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eção : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Logo, f(x) não tem assíntota horizontal. Esboçando o gráfico de f, temos: -50 x 5,2 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 50 3 –5,2 –3 -10-20 2010 y Observando o gráfico, notamos que não existem assíntotas, a função tem máximo em x = –3 e tem mínimo em x = 3. 8.5 Regras de L’Hospital São regras utilizando derivadas que facilitam o cálculo de limites indeterminados, do tipo 0 0 e ∞ ∞ . Tomemos duas funções f e g deriváveis em um intervalo aberto I, podendo ser não deriváveis em um ponto a desse intervalo. Suponhamos que g(x) ≠ 0 para todo x ≠ a. x a x a x a x f x g x f x g x L → → → → = = = ⇒ e ’ ’lim lim lim( ) ( ) ( ) ( ) 0 aa x a x a x a f x g x f x g x L f x g lim lim lim lim ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ’ ’ = = = → → → xx f x g x L f x g xx a x a x a ) ( ) ( ) ( ) ( )lim lim l= ∞ = ⇒ =→ → → e ’ ’ iim ( ) ( ) f x g x L ’ ’ = 142 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Saiba mais Você pode saber um pouco mais sobre Bernoulli e a regra de L´Hospital, acessando: <http://ecalculo.if.usp.br/ferramentas/limites/regras_lhospital/ regras_lhospital.htm>. Exemplos: Calcular os limites: a) x x x 3 lim → − − 2 9 3 O limite é do tipo 0/0, assim, aplicando a regra de L’Hospital, temos: x x x x x 3 3 lim lim .3 6 → → − − = = = 2 9 3 2 1 2 b) x x x x x lim → ∞ − − + 5 2 10 3 2 4 3 O limite é do tipo ∞ ∞ assim, aplicando a regra de L’Hospital, temos: x x x x x x x x x lim lim → ∞ → ∞ − − + = − + 5 2 10 3 10 2 4 9 2 4 3 3 2 Como o limite continua do mesmo tipo, ∞ ∞ , aplicamos a regra novamente: x x x x x x x→∞ →∞ − + = + =lim lim 2 10 2 4 9 10 1 18 03 2 2 Problemas envolvendo aplicações gerais. 8.6 Logaritmo e exponencial Encontramos exemplos de aplicações de funções logarítmicas e exponenciais em várias áreas, veremos a seguir algumas delas. 143 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 1) Capitalização Sabemos que a expressão que indica a capitalização constante de um certo capital inicial (C0), com taxa anual i e tempo (n) em anos, é dada pela expressão: Cn = C0. e i n. Se você investir R$ 1.500,00 com juros de 9% ao ano, após quanto tempo terá triplicado o seu investimento? Resolução: Como C0 = 1.500 e i = 0,09, teremos Ct = 1.500. e 0,09. n. Como queremos triplicar o valor investido, teremos Ct = 3. 1.500 = 4.500, então 4.500 = 1.500. e 0,09.t. Para calcular o valor de t,vamos dividir a expressão por 1.500. Assim: 3 = e 0,09.t. Utilizando o logaritmo natural (Ln) na expressão, encontramos Ln 3 = Ln(e0,09t). Pelas propriedades de logaritmo, podemos escrever Ln 3 = 0,09t, então: t Ln= = 0,09 anos 3 12 20, Portanto, após 12,20 anos, seu investimento terá triplicado. 2) Taxa de crescimento Em uma determinada cidade, a taxa de crescimento populacional é de 2% ao ano, aproximadamente. Em quantos anos a população desta cidade irá triplicar, se a taxa de crescimento continuar a mesma? Resolução: População do ano-base: Po População após um ano: P1 = Po. (1,02) População após dois anos: P2 = Po. (1,02) 2 População após x anos: Px = Po. (1,02) x 144 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Vamos supor que a população triplicará em relação ao ano-base após x anos, sendo assim, temos: Px = 3. Po, e daí: Po. (1,02) x = 3. Po, Dividindo ambos os lados por Po, encontramos: 1,02 x = 3. Aplicando logaritmo (base 10) em ambos os lados da igualdade: log 1,02x = log 3. Pelas propriedades de logaritmo, temos: x. log 1,02 = log3, usamos uma calculadora para obtermos os resultados dos logaritmos na base 10 e encontramos x. 0,0086 ≅ 0,4771, logo: x ≅ =0 4771 55 4781, , 0,0086 anos . A população triplicará em aproximadamente 55,4781 anos. 3) Taxa de decaimento Determine o tempo que leva para que 2.000g de certa substância radioativa, que se desintegra à taxa de 1% ao ano, se reduza a 100g. Utilize a expressão: Q = Q0 * e –rt: • Q é a massa da substância; • Q0 é a massa inicial; • r é a taxa; • t é o tempo em anos. Resolução: Substituindo os valores do problema na expressão Q = Q0 * e –r t, temos: 100 = 2000 * e–0,01t e− =0 01 100, t 2000 Logo: e–0,01t = 0,05 (aplicando Ln nos dois lados da igualdade). 145 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Temos: Ln(e)–0,01t = Ln0,05 da propriedade do expoente de um logaritmo e de Ln e = 1: –0,01t = Ln 0,05 Usamos uma calculadora para calcular ln 0,05, encontramos –0,01t = – 2,99573, multiplicando por (–1) e dividindo por 0,01, vem: t = ≅2 99573 299 573, , 0,01 anos A substância levará 299,573 anos para se reduzir a 100g. 4) Taxa de decaimento e assíntotas Certa substância radioativa decai exponencialmente. Sabendo que inicialmente temos 600g e que, após 40 anos, temos 200g, se pede: a) Expressão que mostra a quantidade após t anos. b) Gráfico da função encontrada no item a). Utilize a expressão: Q = Q0 * e –rt, • Q é a massa da substância; • Q0 é a massa inicial; • r é a taxa; • t é o tempo em anos. Figura 3 146 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Resolução: a) Inicialmente, devemos determinar o valor da constante r para esta substância. Pelo enunciado, temos: Q = 200, Q0 = 600 e t = 40, substituindo os dados do problema na expressão Q = Q0 * e –rt, temos: 200 = 600 * e– 40 r Calculando o valor de r, temos: e e− −= ⇔ =40 200 1 r 40 r 600 3 (aplicando Ln nos dois lados da igualdade) Ln(e)–40 r = Ln0,33, da propriedade do expoente de um logaritmo e de Ln e = 1. Temos: – 40 r = Ln 0,33. Usamos uma calculadora para calcular ln 0,33 e encontramos: – 40 r = –1,099, multiplicando por (–1) e dividindo por 40, vem: r = 0,027 A constante para esta substância é r = 0,027. Logo, a expressão que relaciona as quantidades é: Q = 600 * e– 0,027 t Encontrar o gráfico da função Q = 600 * e– 0,027 t t (anos) Q (quantidade) 0 600 40 203,75 100 40,32 200 2,71 147 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Q 600 200 40 2,71 0 40 100 200 t(anos) Note que os valores de Q tendem a zero, assíntota da função, porém, não teremos Q = 0. 5) Capitalização Em certo país, a taxa mensal de correção do fundo de garantia dos trabalhadores é igual em todos os meses, mas no final de um ano se verificou que os saldos dobraram. Qual é a taxa mensal de correção do fundo de garantia nesse país? Figura 4 Resolução: Seja i a taxa mensal de correção do fundo de garantia (FGTS) e x o saldo atual do FGTS, assim: • saldo inicial: x; • após 1 mês o saldo será: x(1+i); • após dois meses o saldo será: x(1+i)2, e assim sucessivamente; • no final de 12 meses, esse saldo será: x(1+i)12. Como o saldo em doze meses será o dobro do saldo inicial, temos: x(1+i)12 = 2x ou (1+i)12 = 2 148 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Diag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Para calcular o valor da taxa mensal (i) de correção do FGTS, aplicamos o logaritmo aos dois lados da igualdade. Assim: log(1+i)12 = log2 ou 12log(1+i) = 0,301, pois log2 é aproximadamente 0,301; log(1+i) = 0,301/12 ⇒ log(1+i) = 0,025, aplicando a base 10 (antilogaritmo) em ambos os lados da igualdade, temos: 10log(1+i) = 100,0251 ⇒ 1+i = 1,0595 ⇒ i = 0,0595, ou seja, aproximadamente 6%. 6) Datação por carbono Podemos determinar a idade de fósseis e artefatos utilizando vários métodos, dentre eles, temos a datação por carbono. Essa técnica, descoberta por W. L. Libby, prêmio Nobel de 1960, utiliza a razão entre as massas do isótopo radioativo carbono 14 (14C) e do isótopo estável carbono 12 (12C). Figura 5 Todas as plantas absorvem dióxido de carbono presente no ar, que contém 14C e 12C, assim, a razão entre as massas de carbono 14 e 12 das plantas e dos animais que se alimentem delas será a mesma que do ar. Com a morte da planta ou do animal, não há mais absorção de dióxido de carbono, a massa de 12C continua a mesma, porém a massa de 14C diminui exponencialmente (decaimento radioativo), assim a razão entre estas massas diminui. A razão entre as massas de carbono em uma amostra é dada pela função: Rt = R0 e –k t • R0 é a razão das massas de carbono no ar; • Rt é a razão das massas na amostra; • t é a idade da amostra; • k constante positiva que mede a taxa de decaimento do material radioativo. 149 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Comparando os valores de Rt e R0, se pode estimar a idade da amostra. Baseado nisso, determine a idade aproximada de uma amostra encontrada para a qual a razão entre as massas de 14C e 12C seja ¼ da razão observada no ar, sabendo-se que o valor da constante k para o carbono 14 é 0,000121. Resolução: Devemos determinar o valor de t tal que Rt = ¼ R0, isto é, ¼ R0 = R0 e –k t. Dividindo por R0, temos: 1 4 = −e k t Calculando o logaritmo natural nos dois lados: Ln Ln e Ln kk 1 4 1 4 = ⇔ = − ⇔ = ⇔ = ⇔ =− t t -Ln 1/4 k t Ln 4 k t Ln 4 0,0001 t . 221 ≅ 11 457. Assim, a idade aproximada da amostra é de 11.450 anos. 8.7 Derivadas 1) Usando o fato de que a velocidade escalar é uma taxa de variação (derivada), determine a velocidade no instante t de uma bola que é jogada para cima, a partir do solo, sendo sua altura dada por S(t) = – t2 + 6 t. Altura em metros e o tempo em segundos. Qual a sua velocidade no instante t = 1 s? Resolução: Devemos calcular a derivada de S para determinar a velocidade, assim: V(t) = ds dt = s’(t) = – 2 t + 6 (m/s) V(1) = – 2 (1) + 6 = 4 (m/s) 150 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 2) Em economia, se define custo marginal como a variação do custo para uma pequena variação na quantidade produzida, isto é, é aproximadamente o custo de produção de uma unidade adicional e se determina o custo marginal, calculando a derivada da função custo total. Determine o custo marginal de um produto, sabendo que a sua função custo total é dada por: Ct(x)=x 2+2x+3. Resolução: Assim, para se calcular o custo marginal de um produto, se deve derivar a função custo total. Derivando a função custo total, temos: Cmg(x) = dC x dx t( ) = Cmg’(x)=2x+2 3) Uma bola é jogada para cima, a partir do solo e sua altura é dada pela função S(t)=–t2+10t. Determine: a) Velocidade da bola no instante t. b) A altura máxima atingida pela bola. c) A sua velocidade no instante em que a bola atinge a altura máxima. Resolução: a) Para encontrar a velocidade, devemos calcular a derivada da função S, assim: V(t) = dS dt ⇒ S’(t) = – 2 t + 10 (m/s) b) Para determinar a altura máxima, devemos calcular o vértice da parábola ou o ponto de máximo da função, isto é, o valor de t, no qual a derivada é igual a zero. –2t+10=0⇒–2t=–10⇒t=5s Para t=5s, temos a altura S(5)=–52+10.5=–25+50=25m c) No instante t=5s, temos V(5)=–2.5+10=0, isto é, V(5)=0m/s. 4) (Enade 2008 – com adaptações) A concentração de certo fármaco no sangue, t horas após sua administração, é dada pela fórmula: 151 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel y t t t ( ) ( ) ,= + >10 1 02 y Se uma pessoa tomou esse remédio às 8 horas, determinar a que horas terá o máximo de concentração do produto no sangue. Resolução: Devemos determinar o crescimento da função e seu ponto de máximo. Vamos calcular a derivada de y: y t t t t t ’( ) ( ) [ .( )] ( ) = + − + + = + + + =10 1 10 2 1 1 2 4 10(t 1) [t 1-2t] (t 1) 1 4 00(t 1) [-t 1] (t 1) 10[-t 1] (t 1)4 3 + + + = + + Devemos agora igualar a função a zero para determinar os pontos críticos. Como o denominador não pode ser zero, vamos igualar somente o numerador a zero. Temos –10t+10=0, isto é,t=1. Estudando o sinal da derivada e o crescimento da função, encontramos: sinal de y’ 1 crescimento de y 1 Máx. Assim, o valor máximo ocorre para t=1. Logo, se a pessoa tomou o remédio às 8 horas, o máximo de concentração do produto no sangue ocorrerá às 9 horas, isto é, 1 hora após a ingestão do produto. 5) Uma epidemia atinge uma cidade e as autoridades sanitárias estimam que o número aproximado de pessoas atingidas depois de t dias, a partir do primeiro dia da epidemia, seja dado pela função f(t)=30t–t3. Baseado nisso, se pede: a) Qual é a taxa da expansão da epidemia, após 3 dias? b) Qual é o número de pessoas atingidas, durante o 3º dia? 152 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Resolução: a) Para determinar a taxa de expansão da epidemia, devemos calcular a taxa de variação da função f, em relação ao tempo. Assim: f’(t)=30–3t2 Após 3 dias, isto é, para t = 3, temos: f’(3)=30–3.32=30–27=3 Logo, a epidemia se alastrará a uma taxa de 3 pessoas por dia. b) Para determinar o número de pessoas atingidas durante o 3º dia, devemos calcular f(3) – f(2). Então, calculando f(2) e f(3), teremos: f(2) = 30 . 2 – 23 = 52 f(3) = 30 . 3 – 33 = 90 – 27 = 63 Logo, 63 – 52 = 11 pessoas atingidas pela epidemia durante o 3º dia. 6) Determinar dois números positivos, tais que sua soma seja 30 e o seu produto o maior possível. Resolução: Sejam x e y os números positivos, segundo o enunciado, temos que x + y = 30. Queremos o maior produto possível, devemos, então, determinar o ponto de máximo da função P(x), função produto. Temos as condições: x + y = 30 P = x . y Da primeira condição vem y = 30 – x Substituindo na expressão de P, teremos, P(x) = x . y = x . (30 – x) Logo, P(x) = 30x – x2 153 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Derivando a função vem P‘ (x) = 30 – 2x, igualando a zero encontramos x = 15. Devemos estudar o sinal da função para confirmar se esse ponto é de máximo, assim: sinal de P’ 15 crescimento de P 1 Máx. 7) Uma empresa deseja embalar seus produtos em caixas de forma cilíndrica. Para saber o custo da embalagem, encomendou um orçamento para a sua fornecedora de embalagens. A empresa avisou que o material utilizado na confecção da lateral custa R$ 0,05 o cm2 e o material da base custa R$ 0,20 o cm2. Determine as dimensões que tornammínimo o custo do material, se a embalagem deve ter a capacidade de 200π. Determine o valor do custo mínimo. Resolução: Inicialmente, vamos fazer a planificação da embalagem. O cilindro sem tampa é formado por um retângulo e por um círculo, conforme a figura abaixo: h 2πr Alateral=2πrh r Afundo=πr 2 Para determinar o custo mínimo do material, precisamos montar a função custo, que será formada pelo custo da lateral mais o custo do fundo. Assim: C(r)=Alateral.0,05+Afundo.0,20. Como o volume deve ser igual a 200π, temos: Vcilindro=πr 2h=200π, isolando h, vem h r = 2002 . 154 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Substituindo na área lateral, temos: A . .r. 200 r lateral 2= 2 π A 400. r lateral = π Substituindo na função custo, vem: C(r) A .0,05 A . 0,20 lateral fundo= + C(r) 400. r .0,05 r .0,202= +π π C(r) 20. r r .0,202= +π π ou C(r) 20. r r .0,20 -1 2= +π π. Derivando a função para determinar o ponto de mínimo, temos: C’(r) 20. r 2 r.0,202= − +π π.( )1 C’(r) 20. r r.0,402= + π π Igualando a zero, vem: –20. r r.0,40 02 π π+ = –20. r .0,403π π+ = r2 0 –20. r .0,403π π+ = 0 π πr .0,40 20.3 = r 20. 0,40 3 = π π. 155 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel r 20 0,40 3 = = 50 r 20 0,40 3 50= = Logo, as dimensões, para o mínimo custo, serão: r ,68cm e h 200 3,68 cm2= = =3 14 77, O mínimo custo será: C(r) 20. r r .0,20 20. 3,68 3,68 .0,202 2= + = +π π π π C(r) 20. 3,68 3,68 .0,20 25,582= + =π π reais. 8.8 Ampliando seu leque de exemplos 1) Utilizando a regra da 1ª derivada, determine o intervalo no qual a função: f:IR→IR,f(x)=x3–3x é decrescente. Resolução: Pelo critério da 1ª derivada, devemos calcular a derivada da função, igualar a zero e estudar o sinal da derivada. Calculando a derivada da função, temos: f(x)=x3–3x f‘(x)=3x2–3 Igualando a zero: 3x2–3=0⇒2=1⇒x=±1 Estudando os sinais da derivada e o crescimento da função, temos: –1 sinal de f’ crescimento de f1 156 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Observando o crescimento da função, temos que f é decrescente no intervalo [–1, 1]. 2) Usando diferencial, determinar o valor aproximado de 42 . Resolução: A função do exercício é f(x) = x , o ponto x0 é um valor conhecido da função próximo ao que se quer calcular. Assim, podemos utilizar x0 = 49 ou x0 = 36 para encontrar a melhor aproximação, devemos escolher para x0 o valor mais próximo de 42. Logo, x0 = 36 e ∆x=6. Então: f x f( /x) x ’(x) 1 2 x x -1/2= = ⇒ = =1 2 1 2 f f f (x ) f(36) 36 ’(x ) ’(36) 36 .6 0 0 = = = = = = = 6 1 2 1 2 1 12 Substituindo na expressão: f x x f x f x( )0 0 0+ ≅ ( ) + ( )∆ ∆’ . x 42 36 36≅ ( ) + ( ) ( )f f’ . 6 42 6 1 12 6 5≅ + = + =. 6) 6 1 2 ( , 42 6 5≅ , Na calculadora, encontramos o resultado: 42 6 480740698= , , temos uma boa aproximação utilizando diferencial. 3) Utilizando a derivada da função, determine o ponto críticos da função: y=2x3+3x2–12x. 157 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Resolução: Para determinar os pontos de máximo ou de mínimo, devemos calcular a derivada da função, igualar a zero para determinar os pontos críticos, estudar o sinal da derivada e o crescimento da função. Derivando, temos: y=2x3+3x2–12x y‘=2.3.x2+3.2x–12 y‘=6.x2+6x–12 Igualando a zero: 6.x2+6x–12=0, as raízes de f ‘ serão x1=–2ex2=1 Estudando o sinal da derivada e o crescimento de f, temos: –2 sinal de f’ crescimento de f1 ponto máximo ponto mínimo Assim, as coordenadas dos pontos críticos serão: Ponto de máximo (–2, 20). Ponto de mínimo (1, –7). 4) Utilizando a regra da 2ª derivada, determinar o ponto de inflexão da função y=2x3+3x2–12x. Resolução: Devemos determinar a derivada de 2ª ordem da função e estudar o seu sinal, para encontrarmos os possíveis pontos de inflexão. Calculando as derivadas: y=2x3+3x2–12x y‘=6.x2+6x–12 158 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 y”=12.x+6 Igualando a zero, temos: 12 x + 6 = 0, daí a raíz de f “ será x = –1/2 Estudando o sinal da 2ª derivada e a concavidade de f, temos: sinal de f” concavidade de f ponto de inflexão 1/2 Assim, as coordenadas do ponto de inflexão serão: Ponto de inflexão (–1/2, 6.5). Lembrete Para determinar as coordenadas do ponto de inflexão, você deve substituir o valor de x na função f e não em suas derivadas. 5) Um corpo se movimenta sobre uma trajetória retilínea, obedecendo a função horária S(t)=3t2+2t+1, S em metros e t em segundos. Lembrando que v(t)=s’(t), determinar a velocidade do corpo no instante t = 4s. Resolução: Como já sabemos, para determinar a velocidade precisamos derivar a função, assim: S(t)=3t2+2t+1 S‘(t)=3.2.t+2 Como queremos a velocidade no instante t = 4 s, devemos substituir o valor de t na expressão da derivada, então: S‘(4) = 3 . 2 . 4 + 2 = 24 + 2 = 26 Logo, V(4) = 26m/s. 159 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel 6) Determinar os números cuja soma é 20 e o produto é o maior possível. Resolução: Para determinar o maior produto possível, vamos utilizar derivada para encontrar o ponto de máximo. Devemos montar as equações relacionadas ao problema, sejam x e y os números procurados. A primeira informação do enunciado é que a soma dos números é 20, isto é, x + y = 20. Como queremos o maior produto possível, devemos utilizar a função P = x . y. Temos o sistema: x y P x y y x P x + = = ⇒ = − = 20 20 . .(20 x) Derivando a função P, temos: P(x) = 20x – x2 P‘(x) = 20 – 2x Igualando a zero, temos: 20 – 2x = 0 x = 10 (ponto crítico) Devemos conferir se o ponto é de máximo estudando o sinal da derivada. Temos: –2 sinal de f’ crescimento de f1 ponto máximo Logo, o produto é máximo para x = y = 10. 7) Estudando os limites da função para x tendendo a+∞ e a–∞, verificar o comportamento da função y x x = − − 4 3 160 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 Resolução: Calculando os limites da função, temos: lim x x x 1 → +∞ − − =4 3 lim x x x 1 → − ∞ − − =4 3 Assim, a função tem assíntota horizontal em y = –1. 8) Determine a concavidade da função y = x2 – 3x. Resolução: Para determinar a concavidade da função, vamos utilizar a 2ª derivada. Assim: y = x2 – 3x y‘ = 2 . x–3 y“ = 6 daí, y“≠0, para todo x Logo, não tem ponto de inflexão. 9) Estudando o domínio da função, determine a assíntota vertical de y x = + 1 10 Resolução: Para determinar o domínio da função, devemos observar se há alguma restrição para os valores de x. Como temos x no denominador, devemos ter x+10 ≠ 0 e daí x ≠ –10. A função terá, então, assíntota vertical em x = –10. 10) Usando a regra de L’Hospital, determinar o valor do limite lim . x xe x 0→ − 2 2 161 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L uiza / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Resolução: Para usar a regra de L´Hospital, devemos derivar o numerador e o denominador sem utilizar a regra do quociente: lim . lim . . x x x xe x e e 0 0→ → − = = =2 2 2 1 2 20 Resumo Nessa unidade, estudamos o conceito de derivadas e suas aplicações. Vamos listas alguns itens importantes sobre derivadas. Definição: ∆ ∆ ∆x y x f x → = 0 lim ’( ) ou h f x h f x h f x → + − = 0 lim ( ) ( ) ’( ) Equação da reta tangente: y–y0=f‘(x0)(x–x0) Algumas regras de derivação: y c y’ 0,= ⇒ = c é constante 2) y x y’ 1 y=kx y’=k = ⇒ = ⇒ 3) y cx y’ c.n.xn n-1= ⇒ = , c é constante 4) y e y y c e y y a y x x x = ⇒ = = ⇒ = = ≠ ⇒ ’ e ’ c e a 0 ’= a ln a x x x , , c é constante 5) y y x = ⇒ =ln x ’ 1 162 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 6) devivada da soma e da diferença y f x g x y f y f x g x y f = + ⇒ = + = ⇒ = ( ) ( ) ( ) ( ) ’ ’(x) g’(x) ’ ’(x) g’(x) 7) derivada do produto y f x g x y f f= ⇒ = + = ⇒ = + ( ). ( ) . .’ ’(x) g(x) (x) g’(x) ou y u.v y’ u’.v u.v’ 8) derivada do quociente y f x g x y f f= ⇒ = − ( ) ( ) ( ) . . ’ ’(x) g(x) (x) g’(x) g(x) 2 9) derivada da função composta (ou regra da cadeia) h f(y), y g(x) e h f(g(x)) h’ ’(g(x)).g’(x)= = = ⇒ = f Para facilitar a derivada de funções compostas, as regras anteriores serão reescritas: 1) y k.u y’ k.n.u .u’ n n 1= ⇒ = 2) y e y y c e y u u = ⇒ = = ⇒ = ’ u’.e ’ c.u’.e u u, c é constante 3) y y u u = ⇒ =ln ’ u ’ 4) y sen y u u= ⇒ = u ’ ’ .cos 5) y y u sen u= ⇒ = −cos ’. u ’ Vimos também aplicações de derivadas em várias áreas, vamos destacar algumas: Diferencial – utilizado para aproximações: f x x f x f x( )0 0 0+ ≅ ( ) + ( )∆ ∆’ . x 163 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel Sinal da 1ª derivada: f’(x) > 0, em um intervalo ⇒ f é crescente neste intervalo f’(x) < 0, em um intervalo ⇒ f é decrescente neste intervalo f’(x) > 0 f’(x)=0 f’(x) < 0 crescente decrescente ponto máximo f’(x) < 0 f’(x) = 0 f’(x) > 0 crescentedecrescente ponto mínimo Sinal da 2ª derivada: f”(x) > 0, em um intervalo ⇒ f tem concavidade para cima, neste intervalo f”(x) < 0, em um intervalo ⇒ f tem concavidade para baixo, neste intervalo ponto de inflexão f”(x) < 0 f”(x)= 0 f”(x) > 0 ponto de inflexão f”(x) > 0 f”(x)= 0 f”(x) < 0 Regras de L’Hospital: x a x a x a x a f x g x f x g x L f x g→ → → → = = = ⇒lim lim lim lim( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 e ’ ’ (( ) ( ) ( ) ( ) ( ) lim lim lim lim x f x g x L f x g x f x a x a x a x a = = = = ∞ → → → → ’ ’ e ’(( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )lim lim x g x L f x g x f x g x L x a x a’ ’ ’ = ⇒ = = → → Exercícios Questão 1 Um balão de borracha de forma esférica é cheio de ar, de modo que seu raio aumenta à razão de 0,2 cm/s. Então, a taxa de variação do volume desse balão em relação ao tempo, no instante em que o raio for igual a 10 cm é, em cm3/s, de: 164 Unidade III Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 (A) 20 (B) 40 (C) 80 (D) 40π (E) 80π Resposta correta: Alternativa (E) Análise das alternativas: Como o balão tem uma forma esférica, devemos utilizar o volume da esfera que é dado por: V Resfera = 4 3 3π Sabendo-se que dR dt = 0 2, cm/s e considerando-se o volume da esfera, podemos aplicar a derivada em relação ao tempo, em ambos os lados da igualdade. Assim, V R dV dt R dR dt dV dt dV dt = ⇒ = ⇒ = ⇒ =4 3 4 3 3 4 3 310 0 2 803 2 2π π π π( ) ( ) , cm3/s Então, a taxa de variação do volume desse balão em relação ao tempo, no instante em que o raio for igual a 10 cm, é dV dt = 80π cm3/s. Assim: (A) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (B) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (C) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. 165 Re vi sã o: A na L ui za / Di ag ra m aç ão : M ár ci o - 17 /0 6/ 11 / / 2ª R ev isã o: A na L ui za / Co rr eç ão : M ár ci o - 06 /0 7/ 11 CálCulo DiferenCial De uma VariáVel (D) Alternativa Incorreta. Justificativa: de acordo com os cálculos. (E) Alternativa Correta. Justificativa: de acordo com os cálculos. Questão 2 No projeto de aviões, uma característica importante é chamada “fator de arraste”, isto é, a força de frenagem exercida pelo ar sobre o avião. Um modelo que mede a força de arraste pode ser representado pela função: F v Av B v ( ) = +2 2 , sendo A (em N mph( )2 ) e B (em N.(mph)2) constantes positivas, F a força de arraste (em N) e v a velocidade em mph (milhas por hora). Considerando-se que a força de arraste éminimizada quando v=160mph, o valor da razão B A em (mph)4 é: (A) 1 (B) 0,5 (C) (160)3 (D) (160)4 (E) (160)5 Resolução desta questão na plataforma. 166 APÊNDICE Aplicativo computacional – Maxima Software Livre Fundação Software Livre América Latina3 Entendemos que um software seja livre quando ele for licenciado, por meio de termos que respeitem as seguintes liberdades de seus usuários: • A liberdade de executar o programa, para qualquer propósito (liberdade nº 0). • A liberdade de estudar como o programa funciona e adaptá‑lo às suas necessidades (liberdade nº 1). Acesso ao código fonte é um pré-requisito para esta liberdade. • A liberdade de redistribuir cópias, de modo que você possa ajudar o seu próximo (liberdade nº 2). • A liberdade de aperfeiçoar o programa e distribuir os seus aperfeiçoamentos, de modo que toda a comunidade se beneficie (liberdade nº 3). Acesso ao código fonte é um pré-requisito para esta liberdade (AUSLA, 2011). Saiba mais Você pode saber mais sobre software livre, acessando: <http://www.fsfla.org/svnwiki/about/what-is-free-software.pt.html> A.1 Maxima: o software, a instalação e os recursos básicos A.1.1 Origens e potencialidades do Maxima Nós, professores de Matemática, durante nossa carreira profissional utilizamos alguns softwares computacionais, seja no auxílio à preparação de aulas, na resolução de problemas e exercícios, elaboração de projetos e preparação de atividades ou aulas a serem desenvolvidas com nossos alunos. Aqui, em nosso curso de Matemática da UNIP, oferecemos uma introdução a alguns softwares livres ou gratuitos (Winplot, Maxima, Mupad) para que no desenvolvimento de suas funções profissionais você, já sendo possuidor de alguma familiaridade com pacotes computacionais, possa fazer uso e aprofundar seus conhecimentos conforme suas necessidades ou seus interesses. 3 Alexandre Oliva e Pedro Antonio Dourado de Rezende – Fundação Software Livre América Latina. Disponível em: <http://www.fsfla.org/svnwiki/texto/pref–const–br–swl.pt>. 167 Nesta disciplina, apresentaremos a você o Maxima, que é um software livre e gratuito. O Maxima é um pacote computacional para cálculos matemáticos, semelhante aos softwares MatLab, Mathematica e Maple, que não são livres nem gratuitos e representam alto custo aos usuários. O Maxima é um sistema de álgebra computacional para trabalharmos com expressões numéricas e simbólicas. O pacote pode ser baixado no seguinte endereço: <http://Maxima.sourceforge.net>; também encontra-se postado em nosso Blackboard. O Maxima tem sua origem no sistema Macsyma (1968–1982), desenvolvido noInstituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). O MIT, em 1982, remanejou uma cópia/versão do código fonte do Macsyma ao departamento de energia; essa versão é conhecida com Macsyma DOE (Departamento de Energia). O professor William F. Schelter (2001†) obteve, em 1998, permissão para liberar o código fonte sob a GNU General Public License (GPL). A sobrevivência e a abertura do código fonte do Maxima se deveram aos esforços e às habilidades de muitas pessoas, em especial do professor Schelter. Um grupo cada vez maior de colaboradores e usuários deram forma e disponibilizaram o Maxima a todos os que se interessassem. Para que você tenha noção da abrangência do Maxima, saiba que ele inclui: limites, diferenciação, integração, gráficos 2D e 3D, curvas de nível, séries de Taylor, transformações de Laplace, equações diferenciais ordinárias, sistemas de equações lineares, séries, listas, conjuntos, números complexos, vetores, matrizes, determinantes, autovalores e autovetores, raízes de polinômios, polinômio característico, entre outras. A.1.2 Baixando e instalando o Maxima A versão que iremos usar do Maxima ficará disponível para você baixar dentro do site da própria UNIP, em nosso curso, junto com o material desta disciplina. Instalação do Maxima Após efetuar o download do software Maxima, dê dois cliques com o botão direito do mouse ou selecione o ícone figura A.1 e pressione a tecla Enter: Figura A.1 – Ícone do instalador do Maxima Após executar o instalador do software, a primeira tela que aparece é para selecionar a língua de instalação do software (figura A.2); como padrão, está a língua inglesa, mas clicando nas opções, se 168 pode escolher a opção Português do Brasil (figura A.3). Após selecionar a língua, basta clicar em ok para prosseguir com a instalação: Figura A.2 – Línguas disponíveis para instalação Figura A.3 – Selecionando a língua portuguesa (Brasil) Atenção: Existem algumas razões para que, mesmo seguindo os passos indicados acima, você não consiga ter a versão em português do Maxima (não entraremos nesse mérito). Apresentamos a imagem em português, uma vez que lhe será mais significativa. Qualquer que seja o idioma em que o pacote for instalado, a posição dos temas, funções ou operações será sempre a mesma. Com essa versão em português, ficará fácil você compreender o que aparece em sua tela, caso sua versão esteja em inglês. Tudo tem um lado positivo, se sua versão ficar instalada em inglês, além de aprender a ser um usuário desse pacote computacional, você também irá agregar aos seus conhecimentos novos termos técnicos em inglês. Desta forma, você poderá e saberá transitar em qualquer versão do Maxima e aumentará o entendimento de termos em outros pacotes computacionais. Voltemos à instalação do Maxima. O próximo passo é o Contrato de Licença de Uso; basta ler os termos, ativar a opção Eu aceito os termos do contrato e clicar em Avançar para continuar. A figura A.4 mostra a tela como é apresentada e a opção Eu aceito os termos de Contrato já selecionada: 169 Figura A. 4 – Licença de contrato de uso Após as configurações iniciais de instalação, é apresentada uma tela de boas-vindas do assistente de instalação (figura A.5); basta clicar em Avançar e prosseguir com a instalação do software: Figura A. 5 – Boas-vindas do instalador A próxima tela apresenta as seguintes informações: • Usuários do sistema operacional MS Windows 9X devem ler a sessão referente à falta de espaço para ambiente no arquivo Readme. • Se a interface do software Maxima não funcionar, ler a sessão referente à firewall no arquivo Readme. 170 A figura A.6 ilustra a parte que contém essas informações; depois de lidas, clique em Avançar para prosseguir com a instalação: Figura A.6 – Informações gerais O passo seguinte da instalação consiste em definir o diretório para instalação do Maxima. A figura A.7 mostra o diretório-padrão escolhido pelo instalador; caso deseje mudar o diretório destino, clique no botão Procurar... e defina o diretório de sua preferência. Após definir o diretório ou aceitar o padrão, clique em Avançar para continuar com a instalação: Figura A.7 – Definição do diretório de instalação do Maxima 171 A tela seguinte do instalador (figura A.8) é referente aos componentes a serem instalados. Por padrão, é definido Full installation ou instalação completa, que consiste em todos os componentes do software Maxima. Existem outras duas opções: • Compact installation ou instalação compacta, que consiste somente no Maxima core with command line interface. • Custom installation ou instalação customizada, na qual o usuário pode definir quais pacotes deseja instalar. Por padrão, deixaremos a opção Full installation; clique no botão Avançar para continuar com a instalação: Figura A.8 – Componentes do Maxima A tela seguinte (figura A.9) confirma o nome da pasta em que serão salvos os atalhos no Menu Iniciar, você pode alterar o nome, clicar em Procurar e definir outro local ou aceitar o padrão, como em nosso caso, clicar em Avançar para prosseguir com a instalação: 172 Figura A.9 – Diretório do menu iniciar A próxima tela define tarefas adicionais (figura A.10) de como adicionar ícones à área de trabalho; por padrão, está definida a criação do ícone do Maxima na área de trabalho, basta clicar em Avançar e continuar com a instalação: Figura A.10 – Tarefas adicionais 173 As próximas telas mostram as definições da instalação; basta clicar em Instalar para efetuar a instalação. Após clicar em Instalar ocorrerá a instalação do software Maxima. Espera-se a barra de progresso para o fim da instalação, conforme a figura A.12: Figura A.11 – Definições de instalação Figura A.12 – Progresso da instalação 174 Após a instalação, é exibida uma tela com informações gerais conforme a figura A.13; basta clicar em Avançar: Figura A.13 – Informações gerais Concluída a instalação, é exibida a tela da figura A.14. Clique em Concluir. O ícone do Maxima pode ser encontrado na área de trabalho, como na figura A.15: Figura A.14 – Instalação concluída Figura A.15 – Ícone do Maxima 175 A.1.3 A interface do Maxima A interface wxMaxima é planejada para facilitar o uso do Maxima. A tela do programa é como está aparecendo abaixo (figura A.16), que é a padrão para está versão; possui 12 botões de atalho na parte inferior da tela abaixo da Entrada. Informo aos “futuros amantes do Maxima” que esta quantidade pode ser aumentada. Figura A.16 – Interface do wxMaxima Caso deseje visualizar ou trabalhar com a versão completa, você deve clicar em Editar e selecionar Configurar no painel de botões; selecione a opção Completo (como ilustrado na figura A.17) e clique em ok. Caso não deseje, tudo bem, não vamos usar esses botões de atalho em nossa excursão pelo Maxima. Figura A.17 – Configuração do wxMaxima 176 Na sequência, você deve fechar o programa e abri-lo novamente. Após seguir os procedimentos acima listados, irá visualizar uma janela semelhante a que apresentamos na figura A.18: Figura A.18 – Interface do wxMaxima com painel de botões completo Nessa imagem, pode-se observar a existência de 20 botões de atalho. Você também tem a opção de ocultar todos os botões de atalho. O Maxima foi desenvolvido em C++ e possui o código fonte aberto, que permite ser modificado e aprimorado por qualquer pessoa que se interesse e desenvolva o conhecimento suficiente para fazê-lo. Caso, no futuro, você queira desenvolver algum trabalho nesse sentido, este poderá ser configurado como um projeto de iniciação científica tanto na Matemática quanto na Computação, que são ciências social e culturalmente construídas. O Maxima também possui potencialidades a serem desenvolvidas e existem características a melhorar. Saiba que é usual aprimorar programas computacionais. Existem pelo mundo pessoas investindo tempo, inteligência e paixão para fazê-lo. Um exemplo desses esforços está na busca por modificações no sentido de aumentar
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