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3.2: A derivada como função

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Objetivos de
  • Defina a função derivada de uma determinada função.
  • Faça um gráfico de uma função derivada do gráfico de uma determinada função.
  • Declare a conexão entre derivadas e continuidade.
  • Descreva três condições para quando uma função não tem uma derivada.
  • Explique o significado de uma derivada de ordem superior.

Como vimos, a derivada de uma função em um determinado ponto nos dá a taxa de mudança ou inclinação da reta tangente à função naquele ponto. Se diferenciarmos uma função de posição em um determinado momento, obteremos a velocidade naquele momento. Parece razoável concluir que conhecer a derivada da função em cada ponto produziria informações valiosas sobre o comportamento da função. No entanto, o processo de encontrar a derivada até mesmo em alguns valores usando as técnicas da seção anterior rapidamente se tornaria bastante tedioso. Nesta seção, definimos a função derivada e aprendemos um processo para encontrá-la.

Funções derivadas

A função derivada fornece a derivada de uma função em cada ponto no domínio da função original para a qual a derivada é definida. Podemos definir formalmente uma função derivada da seguinte forma.

Definição: Função derivada

fSeja uma função. A função derivada, denotada porf, é a função cujo domínio consiste nos valores dex tal forma que existe o seguinte limite:

f(x)=limh0f(x+h)f(x)h.

f(x)Diz-se que uma função é diferenciávela sef(a) existir. De forma mais geral, diz-se que uma função é diferenciávelS se for diferenciável em cada ponto de um conjunto abertoS, e uma função diferenciável é aquela em quef(x) existe em seu domínio.

Nos próximos exemplos, usamos a Equação\ ref {derdef} para encontrar a derivada de uma função.

Exemplo3.2.1: Finding the Derivative of a Square-Root Function

Encontre a derivada def(x)=x.

Solução

Comece diretamente com a definição da função derivada.

Substituaf(x+h)=x+h ef(x)=x entref(x)=limh0f(x+h)f(x)h.

f(x)=limh0x+hxh  
=limh0x+hxhx+h+xx+h+x Multiplique o numerador e o denominador porx+h+x sem distribuir no denominador.
=limh0hh(x+h+x) Multiplique os numeradores e simplifique.
=limh01(x+h+x) Canceleh o.
=12x Avalie o limite
Exemplo3.2.2: Finding the Derivative of a Quadratic Function

Encontre a derivada da funçãof(x)=x22x.

Solução

Siga o mesmo procedimento aqui, mas sem precisar multiplicar pelo conjugado.

Substituirf(x+h)=(x+h)22(x+h) ef(x)=x22x entrarf(x)=limh0f(x+h)f(x)h.

f(x)=limh0((x+h)22(x+h))(x22x)h  
=limh0x2+2xh+h22x2hx2+2xh Expandir(x+h)22(x+h).
=limh02xh2h+h2h Simplifique
=limh0h(2x2+h)h Fator ah partir do numerador
=limh0(2x2+h) Cancele o fator comum deh
=2x2 Avalie o limite
Exercício3.2.1

Encontre a derivada def(x)=x2.

Dica

Use a Equação\ ref {derdef} e siga o exemplo.

Responda

f(x)=2x

Usamos uma variedade de notações diferentes para expressar a derivada de uma função. No exemplo,3.2.2 mostramos que sef(x)=x22x, entãof(x)=2x2. Se tivéssemos expressado essa função na formay=x22x, poderíamos ter expressado a derivada comoy=2x2 oudydx=2x2. Poderíamos ter transmitido a mesma informação por escritoddx(x22x)=2x2. Assim, para a funçãoy=f(x), cada uma das seguintes notações representa a derivada def(x):

f(x),dydx,y,ddx(f(x)).

No lugar def(a), também podemos usardydx|x=a. O uso dadydx notação (chamada de notação de Leibniz) é bastante comum em engenharia e física. Para entender melhor essa notação, lembre-se de que a derivada de uma função em um ponto é o limite das inclinações das retas secantes à medida que as linhas secantes se aproximam da reta tangente. As inclinações dessas linhas secantes são frequentemente expressas na forma em\dfrac{Δy}{Δx} queΔy está a diferença nosy valores correspondentes à diferença nosx valores, que são expressos comoΔx (Figura\PageIndex{1}). Assim, a derivada, que pode ser considerada como a taxa instantânea de variação de emy relação ax, é expressa como

\displaystyle \frac{dy}{dx}= \lim_{Δx→0}\frac{Δy}{Δx}.

A função y = f (x) é representada graficamente e aparece como uma curva no primeiro quadrante. O eixo x é marcado com 0, a e a + Δx. O eixo y é marcado com 0, f (a) e f (a) + Δy. Há uma linha reta cruzando y = f (x) em (a, f (a)) e (a + Δx, f (a) + Δy). Do ponto (a, f (a)), uma linha horizontal é desenhada; do ponto (a + Δx, f (a) + Δy), uma linha vertical é desenhada. A distância de (a, f (a)) a (a + Δx, f (a)) é denotada Δx; a distância de (a + Δx, f (a) + Δy) a (a + Δx, f (a)) é denotada Δy.
Figura\PageIndex{1}: A derivada é expressa como\dfrac{dy}{dx}=\displaystyle\lim_{Δx→0}\frac{Δy}{Δx}.

Representação gráfica de uma derivada

Já discutimos como representar graficamente uma função, então, dada a equação de uma função ou a equação de uma função derivada, poderíamos representá-la graficamente. Considerando ambas, esperaríamos ver uma correspondência entre os gráficos dessas duas funções, uma vez quef'(x) fornece a taxa de mudança de uma funçãof(x) (ou inclinação da reta tangente af(x)).

No exemplo\PageIndex{1},, descobrimos que paraf(x)=\sqrt{x},f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{x}}. Se representarmos graficamente essas funções nos mesmos eixos\PageIndex{2}, como na Figura, podemos usar os gráficos para entender a relação entre essas duas funções. Primeiro, notamos quef(x) está aumentando em todo o seu domínio, o que significa que as inclinações de suas retas tangentes em todos os pontos são positivas. Consequentemente, esperamos todosf'(x)>0 os valores de x em seu domínio. Além disso, à medida quex aumenta, as inclinações das retas tangentesf(x) estão diminuindo e esperamos ver uma diminuição correspondente emf'(x). Também observamos quef(0) é indefinido e que\displaystyle \lim_{x→0^+}f'(x)=+∞, correspondendo a uma tangente vertical af(x) at0.

A função f (x) = a raiz quadrada de x é representada graficamente, assim como sua derivada f' (x) = 1/ (2 vezes a raiz quadrada de x).
Figura\PageIndex{2}: A derivadaf'(x) é positiva em todos os lugares porque a funçãof(x) está aumentando.

Em exemplo\PageIndex{2}, descobrimos isso paraf(x)=x^2−2x,\; f'(x)=2x−2. Os gráficos dessas funções são mostrados na Figura\PageIndex{3}. Observe quef(x) está diminuindo parax<1. Para esses mesmos valores dex,f'(x)<0. Para valores dex>1,f(x) está aumentandof'(x)>0 e. Além disso,f(x) tem uma tangente horizontal emx=1f'(1)=0 e.

A função f (x) = x ao quadrado — 2x é representada graficamente, assim como sua derivada f' (x) = 2x − 2.
Figura\PageIndex{3}: A derivadaf'(x)<0 em que a funçãof(x) está diminuindo ef'(x)>0 ondef(x) está aumentando. A derivada é zero onde a função tem uma tangente horizontal
Exemplo\PageIndex{3}: Sketching a Derivative Using a Function

Use o gráfico a seguir def(x) para esboçar um gráfico def'(x).

A função f (x) é aproximadamente sinusoidal, começando em (−4, 3), diminuindo para um mínimo local em (−2, 2), depois aumentando para um máximo local em (3, 6) e sendo cortada em (7, 2).

Solução

A solução é mostrada no gráfico a seguir. Observe quef(x) está aumentando e assimf'(x)>0 por diante(–2,3). Além disso,f(x) está diminuindo(−∞,−2) ef'(x)<0 assim por diante(3,+∞). Observe também quef(x) tem tangentes horizontais em–2 e3,f'(−2)=0 ef'(3)=0 e.

Duas funções são representadas graficamente aqui: f (x) e f' (x). A função f (x) é a mesma do gráfico acima, ou seja, aproximadamente sinusoidal, começando em (−4, 3), diminuindo para um mínimo local em (−2, 2), depois aumentando para um máximo local em (3, 6) e sendo cortada em (7, 2). A função f' (x) é uma parábola voltada para baixo com vértice próximo (0,5, 1,75), intercepto y (0, 1,5) e interceptos x (−1,9, 0) e (3, 0).

Exercício\PageIndex{2}

Esboce o gráfico def(x)=x^2−4. Em que intervalo está o gráficof'(x) acima dox eixo -?

Dica

O gráfico def'(x) é positivo ondef(x) está aumentando.

Responda

(0,+∞)

Derivadas e continuidade

Agora que podemos representar graficamente uma derivada, vamos examinar o comportamento dos gráficos. Primeiro, consideramos a relação entre diferenciabilidade e continuidade. Veremos que se uma função é diferenciável em um ponto, ela deve ser contínua lá; no entanto, uma função que é contínua em um ponto não precisa ser diferenciável nesse ponto. Na verdade, uma função pode ser contínua em um ponto e não ser diferenciável no ponto por uma das várias razões.

Diferenciabilidade implica continuidade

f(x)Seja uma função ea esteja em seu domínio. Sef(x) é diferenciável ema, entãof é contínuo ema.

Prova

Sef(x) é diferenciável ema, entãof'(a) existe e, se deixarmosh = x - a, temos x = a + h , e comoh=x-a\to 0, podemos ver issox\to a.

Então

f'(a) = \lim_{h\to 0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h}\nonumber

pode ser reescrito como

f'(a)=\displaystyle \lim_{x→a}\frac{f(x)−f(a)}{x−a}.

Queremos mostrar quef(x) é uma arte contínua,a mostrando que\displaystyle \lim_{x→a}f(x)=f(a). Assim,

\ (\ begin {align*}\ estilo de exibição\ lim_ {x→a} f (x) &=\ lim_ {x→a}\;\ big (f (x) −f (a) +f (a)\ grande)\ [4pt]
&=\ lim_ {x→a}\ left (\ frac {f (x) −f (a)} {x−a}. (x−a) +f (a)\ right) & &\ text {Multiplique e divida} (f (x) −f (a))\ text {por} x−a.\\ [4pt]
&=\ left (\ lim_ {x→a}\ frac {f (x) −f (a)} {x−a}\ direita) ‣\ esquerda (\ lim_ {x→a}\; (x−a)\ direita) +\ lim_ {x→a} f (a)\\ [4pt]
&=f' (a) ⋅0+f (a)\\ [4pt]
&=f (a). \ end {align*}\)

Portanto, uma vez quef(a) é definido e\displaystyle \lim_{x→a}f(x)=f(a), concluímos quef é contínuo ema.

Acabamos de provar que diferenciabilidade implica continuidade, mas agora consideramos se continuidade implica diferenciabilidade. Para determinar uma resposta a essa pergunta, examinamos a funçãof(x)=|x|. Essa função é contínua em todos os lugares; no entanto,f'(0) é indefinida. Essa observação nos leva a acreditar que continuidade não implica diferenciabilidade. Vamos explorar mais. Paraf(x)=|x|,

f'(0)=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{f(x)−f(0)}{x−0}= \lim_{x→0}\frac{|x|−|0|}{x−0}= \lim_{x→0}\frac{|x|}{x}.

Esse limite não existe porque

\displaystyle \lim_{x→0^−}\frac{|x|}{x}=−1\displaystyle \lim_{x→0^+}\frac{|x|}{x}=1e.

Veja a Figura\PageIndex{4}.

A função f (x) = o valor absoluto de x é representada graficamente. Consiste em dois segmentos de linha reta: o primeiro segue a equação y = −x e termina na origem; o segundo segue a equação y = x e começa na origem.
Figura\PageIndex{4}: A funçãof(x)=|x| é contínua em0, mas não é diferenciável em0.

Vamos considerar algumas situações adicionais nas quais uma função contínua não é diferenciável. Considere a funçãof(x)=\sqrt[3]{x}:

f'(0)=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{\sqrt[3]{x}−0}{x−0}=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{1}{\sqrt[3]{x^2}}=+∞.

Portanto,f'(0) não existe. Uma rápida olhada no gráfico def(x)=\sqrt[3]{x} esclarece a situação. A função tem uma linha tangente vertical em0 (Figura\PageIndex{5}).

A função f (x) = a raiz cúbica de x é representada graficamente. Tem uma tangente vertical em x = 0.
Figura\PageIndex{5}: A funçãof(x)=\sqrt[3]{x} tem uma tangente vertical emx=0. É contínuo em0, mas não é diferenciável em0.

A funçãof(x)=\begin{cases} x\sin\left(\frac{1}{x}\right), & & \text{ if } x≠0\\0, & & \text{ if } x=0\end{cases} também tem uma derivada que exibe um comportamento interessante em0.

Nós vemos isso

f'(0)=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{x\sin\left(1/x\right)−0}{x−0}= \lim_{x→0}\sin\left(\frac{1}{x}\right).

Esse limite não existe, essencialmente porque as inclinações das linhas secantes mudam continuamente de direção à medida que se aproximam de zero (Figura\PageIndex{6}).

A função f (x) = x sin (1/2) se x não for igual a 0 e f (x) = 0 se x = 0 for representada graficamente. Parece uma função senoidal de oscilação rápida com amplitude diminuindo para 0 na origem.
Figura\PageIndex{6}: A função nãof(x)=\begin{cases} x\sin\left(\frac{1}{x}\right), & & \text{ if } x≠0\\0, & & \text{ if } x=0\end{cases} é diferenciável em0.

Em resumo:

  1. Observamos que se uma função não é contínua, ela não pode ser diferenciável, pois toda função diferenciável deve ser contínua. No entanto, se uma função for contínua, ela ainda pode não ser diferenciável.
  2. Vimos que issof(x)=|x| não era diferenciável0 porque o limite das inclinações das retas tangentes à esquerda e à direita não era o mesmo. Visualmente, isso resultou em um canto nítido no gráfico da função em. A0. partir disso, concluímos que, para ser diferenciável em um ponto, uma função deve ser “suave” nesse ponto.
  3. Como vimos no exemplo def(x)=\sqrt[3]{x}, uma função falha em ser diferenciável em um ponto onde há uma reta tangente vertical.
  4. Como vimos,f(x)=\begin{cases}x\sin\left(\frac{1}{x}\right), & & \text{ if } x≠0\\0, & &\text{ if } x=0\end{cases} uma função também pode não ser diferenciável em um ponto de maneiras mais complicadas.
Exemplo\PageIndex{4}: A Piecewise Function that is Continuous and Differentiable

Uma empresa de brinquedos quer projetar uma pista para um carro de brinquedo que começa ao longo de uma curva parabólica e depois se converte em uma linha reta (Figura\PageIndex{7}). A função que descreve a trilha é ter a formaf(x)=\begin{cases}\frac{1}{10}x^2+bx+c, & & \text{ if }x<−10\\−\frac{1}{4}x+\frac{5}{2}, & & \text{ if } x≥−10\end{cases} ondex ef(x) estão em polegadas. Para que o carro se mova suavemente ao longo da pista, a funçãof(x) deve ser contínua e diferenciável em−10. Encontre valores deb ec quef(x) os tornam contínuos e diferenciáveis.

Um carrinho é desenhado em uma linha que se curva entre (−10, 5) até (10, 0) com intercepto y aproximadamente (0, 2).
Figura\PageIndex{7}: Para que o carro se mova suavemente ao longo da pista, a função deve ser contínua e diferenciável.

Solução

Para que a função seja contínua emx=−10,\displaystyle \lim_{x→10^−}f(x)=f(−10). Assim, uma vez que

\displaystyle \lim_{x→−10^−}f(x)=\frac{1}{10}(−10)^2−10b+c=10−10b+c

ef(−10)=5, devemos ter10−10b+c=5. Equivalentemente, nós temosc=10b−5.

Para que a função seja diferenciável em−10,

f'(10)=\displaystyle \lim_{x→−10}\frac{f(x)−f(−10)}{x+10}

deve existir. Comof(x) é definido usando regras diferentes à direita e à esquerda, devemos avaliar esse limite da direita e da esquerda e, em seguida, defini-los iguais entre si:

\ (\ estilo de exibição\ begin {align*}\ lim_ {x→−10^−}\ frac {f (x) −f (−10)} {x+10} &=\ lim_ {x→−10^−}\ frac {\ frac {1} {10} x^2+bx+c−5} {x+10}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^−}\ frac {\ frac {1} {10} x^2+bx+ (10b−5) −5} {x+10} & &\ texto {Substituto} c=10b−5.\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^−}\ frac {x^2−100+10bx+ 100b} {10 (x+10)}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^−}\ frac {(x+10) (x−10+10b)} {10 (x+10)} & &\ text {Fator por agrupamento}\\ [4pt]
&=b−2\ end {align*}\).

Nós também temos

\ (\ estilo de exibição\ begin {align*}\ lim_ {x→−10^+}\ frac {f (x) −f (−10)} {x+10} &=\ lim_ {x→−10^+}\ frac {−\ frac {1} {4} x+\ frac {5} {2} −5} {x+10}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^+}\ frac {− (x+10)} {4 (x+10)}\\ [4pt]
&=−\ frac {1} {4}\ end {align*}\).

Isso nos dáb−2=−\frac{1}{4}. Assimb=\frac{7}{4},c=10(\frac{7}{4})−5=\frac{25}{2} e.

Exercício\PageIndex{3}

Encontre valores de a e b que tornamf(x)=\begin{cases}ax+b, & & \text{ if } x<3\\x^2, & & \text{ if } x≥3\end{cases} ambos contínuos e diferenciáveis em3.

Dica

Use o exemplo\PageIndex{4} como guia.

Responda

a=6eb=−9

Derivados de ordem superior

A derivada de uma função é em si uma função, então podemos encontrar a derivada de uma derivada. Por exemplo, a derivada de uma função de posição é a taxa de mudança de posição ou velocidade. A derivada da velocidade é a taxa de variação da velocidade, que é a aceleração. A nova função obtida pela diferenciação da derivada é chamada de segunda derivada. Além disso, podemos continuar usando derivadas para obter a terceira derivada, a quarta derivada e assim por diante. Coletivamente, eles são chamados de derivativos de ordem superior. A notação para as derivadas de ordem superior dey=f(x) pode ser expressa em qualquer uma das seguintes formas:

f''(x),\; f'''(x),\; f^{(4)}(x),\; …\; ,\; f^{(n)}(x)

y''(x),\; y'''(x),\; y^{(4)}(x),\; …\; ,\; y^{(n)}(x)

\dfrac{d^2y}{dx^2},\;\dfrac{d^3y}{dy^3},\;\dfrac{d^4y}{dy^4},\;…\;,\;\dfrac{d^ny}{dy^n}.

É interessante notar que a notação para\dfrac{d^2y}{dx^2} pode ser vista como uma tentativa de se expressar de forma\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{dy}{dx}\right) mais compacta.

Analogamente,\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)\right)=\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)=\dfrac{d^3y}{dx^3}.

Exemplo\PageIndex{5}: Finding a Second Derivative

Paraf(x)=2x^2−3x+1, encontref''(x).

Solução

Primeira descobertaf'(x).

Substituirf(x)=2x^2−3x+1 ef(x+h)=2(x+h)^2−3(x+h)+1 entrarf'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\dfrac{f(x+h)−f(x)}{h}.

f'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{(2(x+h)^2−3(x+h)+1)−(2x^2−3x+1)}{h}  
=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{4xh+2h^2−3h}{h} Simplifique o numerador.
=\displaystyle \lim_{h→0}(4x+2h−3) Fatize oh no numerador e cancele com oh no denominador.
=4x−3 Pegue o limite.

Em seguida, encontref''(x) usando a derivada def'(x)=4x−3.

f''(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{f'(x+h)−f'(x)}{h} Usef'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{f(x+h)−f(x)}{h} comf ′(x) no lugar def(x).
=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{(4(x+h)−3)−(4x−3)}{h} Substituirf'(x+h)=4(x+h)−3 ef'(x)=4x−3.
=\displaystyle \lim_{h→0}4 Simplifique.
=4 Pegue o limite.
Exercício\PageIndex{4}

Encontref''(x) porf(x)=x^2.

Dica

Encontramosf'(x)=2x em um posto de controle anterior. Use a Equação\ ref {derdef} para encontrar a derivada def'(x)

Responda

f''(x)=2

Exemplo\PageIndex{6}: Finding Acceleration

A posição de uma partícula ao longo de um eixo de coordenadas no tempot (em segundos) é dada pors(t)=3t^2−4t+1 (em metros). Encontre a função que descreve sua aceleração no momentot.

Solução

Desdev(t)=s′(t) ea(t)=v′(t)=s''(t), começamos encontrando a derivada des(t):

\ (\ estilo de exibição\ begin {align*} s′( t) &=\ lim_ {h→0}\ frac {s (t+h) −s (t)} {h}\\ [4pt]
&=\ lim_ {h→0}\ frac {3 (t+h) ^2−4 (t+h) +1− (3t^2−4t+1} {h}\\ [4pt]
&=6t−4. \ end {align*}\)

Em seguida,

\ (\ displaystyle\ begin {align*} s “(t) &=\ lim_ {h→0}\ frac {s′( t+h) −s′s (t)} {h}\\ [4pt]
&=\ lim_ {h→0}\ frac {6 (t+h) −4− (6t−4)} {h}\\ [4pt]
6. \ end {align*}\)

Assim,a=6 \;\text{m/s}^2.

Exercício\PageIndex{5}

Paras(t)=t^3, encontrea(t).

Dica

Use o exemplo\PageIndex{6} como guia.

Responda

a(t)=6t

Conceitos-chave

  • A derivada de uma funçãof(x) é a função cujo valor emx éf'(x).
  • O gráfico de uma derivada de uma funçãof(x) está relacionado ao gráfico def(x). Ondef(x) tem uma reta tangente com inclinação positiva,f'(x)>0. Ondef(x) tem uma reta tangente com inclinação negativa,f'(x)<0. Ondef(x) tem uma linha tangente horizontal,f'(x)=0.
  • Se uma função é diferenciável em um ponto, ela é contínua nesse ponto. Uma função não é diferenciável em um ponto se não for contínua no ponto, se tiver uma linha tangente vertical no ponto ou se o gráfico tiver um canto ou cúspide nítido.
  • Derivadas de ordem superior são derivadas de derivadas, da segunda derivada para an^{\text{th}} derivada.

Equações-chave

  • A função derivada

f'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{f(x+h)−f(x)}{h}

Glossário

função derivada
fornece a derivada de uma função em cada ponto no domínio da função original para a qual a derivada é definida
diferenciável ema
uma função para a qualf'(a) existe é diferenciável ema
diferenciável emS
uma função quef'(x) existe para cada umax no conjunto abertoS é diferenciável emS
função diferenciável
uma função para a qualf'(x) existe é uma função diferenciável
derivada de ordem superior
uma derivada de uma derivada, da segunda derivada para an^{\text{th}} derivada, é chamada de derivada de ordem superior

Contribuidores e atribuições

  • Template:ContribOpenStaxCalc
  • Paul Seeburger (Monroe Community College) added explanation of the alternative definition of the derivative used in the proof of that differentiability implies continuity.