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Análise Matemática – Cálculo Diferencial I

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— 7. Cálculo Diferencial —

Definição 37

Seja { {D\subset\mathbb{R}}}, { {f:D\rightarrow\mathbb{R}}} e { {c\in D\cap D'}}. { {f}} diz-se diferenciável no ponto { {c}} se o seguinte limite existe

\displaystyle   \displaystyle \lim_{x\rightarrow c}\frac{f(x)-f(c)}{x-c} \ \ \ \ \ (53)

Este limite é representado por { {f'(x)}} e diz-se que é a derivada de { {f}} em { {c}}.

Geometricamente podemos interpretar o valor da derivada no ponto {c} como sendo igual ao declive da recta tangente à curva que passa pelo ponto {c}.

Pensando em termos cinemáticos sabemos que podemos representar a evolução da posição de uma partícula pela função { {x=f(t)}}. Deste modo podemos definir a velocidade média da partícula no intervalo { {[t_0,t]}} por

\displaystyle  v_m(t_0,t)=\frac{f(t)-f(t_0)}{t-t_0}

Se quisermos determinar a velocidade da partícula num dado instante de tempo temos que partir da definição anterior e fazer com que o intervalo de tempo seja o mais pequeno e próximo possível do instante para o qual queremos saber a velocidade. Se { {f}} é uma função bem comportada o limite existe e podemos defini-lo como sendo o valor da velocidade no instante (velocidade instantânea):

\displaystyle  v(t_0)=\lim_{t\rightarrow t_0}v_a(t_0,t)=\lim_{t\rightarrow t_0}\frac{f(t)-f(t_0)}{t-t_0}=f'(t_0)

Assim o conceito de derivada serve para unificar dois conceitos que à partida eram distintos:

  • O conceito de recta tangente a uma curva, que é um conceito puramente geométrico.
  • O conceito de velocidade instantânea, que é um conceito puramente cinemático.

O facto de dois conceitos aparentemente díspares serem unificados por um objecto matemático é uma indicação da importância e profundidade do conceito de derivação.

Definição 38

Seja { {f:D\rightarrow\mathbb{R}}}. Se { {c\in D\cap D_{c^+}'}}, podemos definir a derivada à direita de {f} em { {c}} por

\displaystyle   f_+'(c)=\lim_{x\rightarrow c^+}\frac{f(x)-f(c)}{x-c} \ \ \ \ \ (54)

Definição 39

Seja { {f:D\rightarrow\mathbb{R}}}. Se { {c\in D\cap D_{c^-}'}}, podemos definir a derivada à esquerda de {f} em { {c}} por

\displaystyle   f_-'(c)=\lim_{x\rightarrow c^-}\frac{f(x)-f(c)}{x-c} \ \ \ \ \ (55)

Definição 40

Se { {c\in D_{c^+}\cap D_{c^-}}}, dizemos que { {f'(c)}} existe sse { {f_+'(c)}} e { {f_-'(c)}} existem e são iguais.

Definição 41

Seja { {f:D\rightarrow\mathbb{R}}} diferenciável em { {D}}. A função { {x \in D \rightarrow f'(x)\in\mathbb{R}}} é chamada de função derivada de { {f}} e é representada por { {f'}}.

Definição 42

Fazendo a mudança de variável { {h=x-c}} na Definição 37 podemos definir a derivada de uma função num ponto através da expressão:

\displaystyle   f'(x)=\lim_{h\rightarrow 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} \ \ \ \ \ (56)

Finalmente vamos introduzir a notação de Leibniz para denotar a derivada de {f}:

  • { {\Delta x}} representa o incremento em { {x}}.
  • { {\Delta f = f(x+h)-f(x)}} representa o incremento em { {y}}.

Se os incremento são infinitamente pequenos, ou seja, se os incrementos são infinitesimais podemos representa-los por

  • { {dx}} é o acréscimo infinitesimal em { {x}}.
  • { {df}} é o acréscimo infinitesimal em { {y}}.

Assim podemos escrever a derivada como

\displaystyle  f'(x)=\frac{df}{dx}

Como exemplo vamos calcular a derivada da função { {f(x)=e^x}}.

{ {\begin{aligned} f'(x)&=\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac{e^{x+h}-e^x}{h}\\ &=e^x\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac{e^h-1}{h}\\ &=e^x \end{aligned}}}

Para { {x\in\mathbb{R}}}.

Como outro exemplo vamos agora calcular a derivada de { {f(x)=\log x}}

{ {\begin{aligned} f'(x)&=\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac{\log (x+h)-\log x}{h}\\ &=\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac{\log \left(x(1+h/x)\right)-\log x}{h}\\ &=\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac{\log (1+h/x)}{h}\\ &=\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac{h/x}{h}\\ &=1/x \end{aligned}}}

Para { {x\in\mathbb{R}}}.

Fica como um exercício para o leitor demonstrar as seguintes igualdades:

  • { {(\sin x)'=\cos x}}.
  • { {(\cos x)'=-\sin x}}.
Teorema 57 Seja { {D\subset\mathbb{R}}}, { {f:D\rightarrow\mathbb{R}}} e { {c\in D\cap D'}}. Se { {f}} é diferenciável em { {c}}, existe uma função contínua { {\varphi:D\rightarrow\mathbb{R}}} com um zero em { {c}} tal que:

\displaystyle   f(x)=f(c)+\left( \left( f'(c)+\varphi(x) \right) (x-c) \right)\quad x\in D \ \ \ \ \ (57)

Demonstração:

Definindo { {\varphi (x)}} por:

{ \displaystyle f(x) = \begin{cases} \dfrac{f(x)-f(c)}{x-c}-f'(c) \quad \mathrm{se}\quad x \in D\setminus \{c\}\\ 0 \quad \mathrm{se}\quad x =c \end{cases}}

Uma vez que { {\displaystyle \lim_{x\rightarrow c}\varphi (x)=\lim_{x\rightarrow c} \left(\dfrac{f(x)-f(c)}{x-c}-f'(c)\right)=(f'(c)-f'(c)=0 }}, vem que { {\varphi}} é contínua em { {c}}.

Para completar a nossa demonstração o leitor terá que mostrar que a nossa construção de { {\varphi}} faz com que a igualdade do teorema seja válida. \Box

Corolário 58

Seja { {f=D\rightarrow\mathbb{R}}} diferenciável em { {c}}. Então é { {f(x)=f(c)+f'(c)(x-c)+o(x-c)}} quando { {x\rightarrow c}}

Demonstração:

Seja { {r(x)=\varphi (x)(x-c)}}. Utilizando o Teorema 57 vem que

\displaystyle  f(x)=f(c)+f'(c)(x-c)+r(x)

Uma vez que { {\lim_{x\to c}\varphi (x)=\varphi (c)=0}} vem que { {r(x)=o(x-c)}} quando { {x\rightarrow c}}. \Box

Corolário 59

Seja { {f}} diferenciável em { {c}}. Então { {f}} é contínua em { {c}}

Demonstração:

Do Teorema 57 é

{ {\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow c} f(x)&=\lim_{x\rightarrow c}(f(c)+(f'(c)+\varphi (x))(x-c))\\ &=f(c) \end{aligned}}} \Box

Do Corolário 59 segue que todas as funções diferenciáveis são necessariamente contínuas. Será que o recíproco deste Corolário também é uma proposição válida?

A resposta a esta questão é: Não! Como um simples contraexemplo temos a função módulo.

Que é uma função contínua mas não é diferenciável pois no ponto {0} a derivada não existe. Uma maneira simples de ver que a derivada em {0} não existe é notar {f'_+=1} enquanto que {f'_-=-1}.

Dito de uma forma informal vemos que a derivada de uma função num dado ponto não existe sempre que a função tenha forma de um bico nesse ponto.

Um exemplo mais extremo de uma função que é contínua mas não é diferenciável é a função de Weierstrass:

\displaystyle  \sum_{n=0}^\infty a^n\cos\left( b^n\pi x \right)

com { {0<a<1}}, { {b}} um número ímpar positivo, e { {ab>1+3/2\pi}}.

Esta função é contínua em todos os pontos do seu domínio e no entanto não é diferenciável em nenhum ponto do seu domínio. Na nossa linguagem informal, que corresponde a uma intuição geométrica ingénua, podemos dizer que a função de Weierstrass tem bicos em todos os pontos do seu domínio, algo que não é fácil de visualizar.

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