Estudo de funções e otimização
Monotonia, extremos, concavidade, assíntotas e otimização com domínio e verificação dos candidatos.
Monotonia e extremos
Num intervalo onde é derivável, implica crescimento estrito e implica decrescimento estrito, por Lagrange. Se , temos crescimento não estrito.
A função mostra que uma função estritamente crescente pode ter derivada zero num ponto. O sinal da derivada classifica a monotonia, mas um zero isolado não a quebra.
Um ponto crítico interior é um ponto do domínio onde ou a derivada não existe. Para o classificar, olha para o sinal de de cada lado:
- De positivo para negativo, há máximo local.
- De negativo para positivo, há mínimo local.
- Sem mudança de sinal, o teste não dá um extremo.
Este teste exige continuidade no candidato, e não precisa de existir nele. A função que vale fora de zero e em zero tem para : negativa à esquerda e positiva à direita, mas zero é um máximo local, não um mínimo. Sem continuidade, a mudança de sinal da derivada não decide.
Quando , a segunda derivada pode classificar: se , há mínimo local; se , há máximo local. Se , este teste não decide. Tanto como têm segunda derivada zero em zero; só a primeira tem extremo aí.
Para encontrar extremos absolutos de uma função contínua em , compara os valores em todos os pontos críticos interiores e nos dois extremos; num intervalo aberto ou ilimitado, porém, a existência de máximo ou mínimo não é garantida.
Concavidade e pontos de inflexão
Se num intervalo, o gráfico tem concavidade voltada para cima; se , voltada para baixo.
Um ponto de inflexão é um ponto do gráfico onde a concavidade muda. Procuramos zeros de e pontos onde não existe, mas confirmamos a mudança. A condição sozinha não chega, como mostra em zero. Um ponto fora do domínio nunca é ponto de inflexão.
Assíntotas
Há assíntota vertical se pelo menos um limite lateral de em é infinito. Há assíntota horizontal numa direção se nessa direção.
Para uma assíntota oblíqua , exige-se
Quando os limites existem, calcula e depois . Trata e separadamente. Uma função pode atravessar uma assíntota horizontal ou oblíqua; a condição descreve o comportamento no infinito.
Função racional com assíntota oblíqua
Considera , de domínio . A função é ímpar e não tem zeros reais, pois daria .
Perto de zero, domina. O limite à esquerda é e à direita é , logo é assíntota vertical. No infinito,
por isso é assíntota oblíqua nas duas direções.
As derivadas são
Como no domínio, o sinal de depende apenas de :
| Intervalo | Variação | |
|---|---|---|
| Cresce | ||
| Decresce | ||
| Decresce | ||
| Cresce |
Há máximo local em e mínimo local em . Cada linha do quadro corresponde a um ramo do desenho: o sinal de diz se esse ramo sobe ou desce, e os limites dizem de onde vem e para onde vai. Nenhum extremo é absoluto em todo o domínio, porque a função é ilimitada nos dois sentidos. No ramo negativo, a concavidade é voltada para baixo; no positivo, para cima. Não há inflexão em zero, porque zero não pertence ao domínio.
O gráfico permite ler também a imagem, , a partir dos extremos de cada ramo e dos respetivos limites.
Otimização
Para maximizar ou minimizar uma grandeza, escolhe uma variável, escreve a grandeza em função dela e encontra o domínio físico. Só depois deriva. No fim, verifica extremos, fronteiras e o significado do resultado.
Um retângulo tem perímetro m. Se um lado mede , o outro mede , com . A área é
O único ponto crítico é . Como antes e depois, a área máxima é m, atingida pelo quadrado de lado m. Nas fronteiras, a área tende para zero, por isso não existe um retângulo não degenerado de área mínima, pois e não pertencem ao domínio; em geral, uma solução algébrica fora do domínio deve ser excluída mesmo que anule a derivada.
Exercícios
Derivar a inversa sem a calcular
Seja . Justifica que tem inversa e calcula . Introduz o valor exato em decimal.
Pista
A fórmula usa a derivada de no ponto que tem imagem .
Mais uma pista
Verifica e o sinal de em todo o real.
Solução
A derivada é positiva. Assim, é estritamente crescente, logo injetiva. Como é contínua e tende para e , a imagem é .
Temos e , portanto .
Erros frequentes
O argumento pertence à inversa. Usar confunde o ponto com a sua imagem. A verificação automática avalia apenas o valor final.
Uma vedação com um lado já fechado
Uma região retangular encosta a uma parede. Há m de vedação para os outros três lados. Quais são as dimensões que dão a maior área?
Pista
Escolhe o comprimento de um lado perpendicular à parede. Há dois lados com esse comprimento.
Mais uma pista
Escreve a área usando a restrição do comprimento total da vedação. Exclui comprimentos nulos e negativos.
Solução
Se cada lado perpendicular mede , o lado paralelo mede . O domínio é e a área é .
A derivada anula-se em . É positiva antes e negativa depois, por isso há máximo. Os lados medem m e m, com área m. Nas fronteiras, a área tende para zero.
Confere a tua resposta:
- Usei x para cada lado perpendicular à parede e 18-2x para o outro lado.
- Indiquei o domínio 0<x<9 e confirmei o máximo pelo sinal da derivada.
- Obtive lados de 4,5 m e 9 m, com área máxima de 40,5 m².
Erros frequentes
Não distribuas a vedação pelos quatro lados: a parede fecha um deles. Um retângulo de maior área não tem de ser quadrado quando a restrição é diferente.
Diagnosticar uma hipótese de Rolle
A função vale fora de zero e em zero, em . Os valores nos extremos coincidem. Podemos concluir que existe com ?
Pista
Verifica as três hipóteses de Rolle uma a uma.
Mais uma pista
O limite em zero é zero, mas o valor é cem. A função é descontínua aí.
Solução
Não. A função não é contínua em zero, por isso Rolle não se aplica. Temos para , sem zeros nesse domínio. O ponto onde se anularia está excluído, e nem existe em zero.
- Aplica-se, porque os valores nos extremos coincidem.. Falta a continuidade no ponto de salto.
- Não se aplica, porque falta continuidade num ponto interior.. Rolle exige continuidade em todo o intervalo fechado.
- Aplica-se, porque a derivada existe em quase todo o lado.. Quase todo o lado não chega para Rolle.
Erros frequentes
Valores iguais nos extremos não chegam. Sem continuidade interior, o teorema nada garante.
Continuidade e derivada numa colagem
Escolhe para que se e se seja derivável em .
Pista
Derivabilidade exige primeiro continuidade.
Mais uma pista
Iguala o limite direito a e depois iguala as derivadas laterais.
Solução
A continuidade exige . Pela esquerda,
Pela direita, usando , o quociente é . Para coincidir com o limite esquerdo, e . A função é derivável e .
Confere a tua resposta:
- Obtive a+b=1 pela continuidade.
- Calculei ou justifiquei as derivadas laterais.
- Concluí a=2, b=-1 e derivada igual a 2.
Erros frequentes
Comparar apenas as derivadas das expressões, sem garantir continuidade no ponto, não justifica a derivabilidade.
Potência de uma função inversa
Deriva usando a convenção . Justifica o domínio.
Pista
A base é positiva. Toma logaritmos.
Mais uma pista
Usa e a regra do produto em .
Solução
A arco-cotangente é positiva em todo o real, logo a potência fica definida por . Temos
Multiplicar pela função original dá a derivada. O domínio é .
Confere a tua resposta:
- Justifiquei a positividade da base e o domínio real.
- Derivei o logaritmo por produto e cadeia.
- Multipliquei o resultado por f.
Erros frequentes
A derivada da arco-cotangente tem sinal negativo. A regra de potência com expoente constante não se aplica.
Caudal num tronco de cone
Um tanque tem altura m, raio inferior m e raio superior m. A água entra a m/min. Calcula a velocidade do nível quando a água tem altura m.
Pista
O raio da secção à altura é linear em .
Mais uma pista
A semelhança dá . Um tronco de cone de altura e raios e tem volume .
Solução
O raio aumenta m em m de altura, logo . Substituindo este raio na fórmula do volume do tronco de cone e desenvolvendo,
Pela cadeia, . Em , , portanto m/min. O sinal positivo indica subida.
Confere a tua resposta:
- Escrevi o raio 1+h/2.
- Relacionei dV/dt com dh/dt antes de substituir h=2.
- Obtive 1 m/min com sinal positivo.
Erros frequentes
Num tronco de cone, o raio não é proporcional a h a partir de zero. Não uses a fórmula de um cone sem retirar o cone ausente.
Uma indeterminação logarítmica
Calcula e justifica o método.
Pista
O domínio perto de zero contém os dois lados, pois .
Mais uma pista
A primeira aplicação de L’Hôpital dá . Simplifica antes de aplicar outra vez.
Solução
Temos , funções deriváveis e denominador derivado na vizinhança perfurada. A razão das derivadas é
O limite desta razão é , por isso o limite original também é .
Confere a tua resposta:
- Confirmei 0/0 e o domínio.
- Justifiquei a aplicação da regra.
- Obtive menos um meio.
Erros frequentes
L’Hôpital deriva numerador e denominador separadamente. Depois de simplificar, não precisas de continuar a derivar.
Esboço de uma função cúbica
Estuda a monotonia, os extremos locais e a concavidade de . Indica os pontos de inflexão.
Pista
Fatora a primeira derivada e estuda a segunda.
Mais uma pista
e .
Solução
O domínio é . A derivada é positiva em e , negativa em . Há máximo local em e mínimo local em .
A segunda derivada é negativa para e positiva para . A concavidade muda na origem, que pertence ao gráfico, logo é ponto de inflexão. Como a função tende para e nas respetivas direções, não tem extremos absolutos em .
Confere a tua resposta:
- Registei os três intervalos de monotonia.
- Calculei os valores dos extremos.
- Justifiquei a inflexão pela mudança de concavidade.
Erros frequentes
O zero de uma derivada é um candidato. Classifica pelo sinal ou por um teste cujas hipóteses se verifiquem.
Diagnosticar a segunda derivada de uma composição
Um aluno afirma que, se , então . Assume que e são duas vezes deriváveis nos intervalos necessários. Deduz a fórmula correta e aplica-a a , usando e . Determina a concavidade e os pontos de inflexão. A fórmula proposta pelo aluno daria a mesma classificação?
Pista
A primeira derivada é um produto. Ao derivar , também aparece um fator .
Solução
De , produto e cadeia dão
Aqui , , e . O argumento do logaritmo é positivo para todo o real. Substituindo,
Com denominador comum,
O denominador é positivo. A concavidade é para cima em e para baixo em e . Há mudança nos dois pontos do gráfico e , que são inflexões.
A fórmula errada daria , sempre negativa. Nem sequer acerta em zero: a segunda derivada correta vale , e a proposta vale . O erro altera a geometria, não apenas um coeficiente.
Confere a tua resposta:
- Derivei f′(u)u′ por produto e cadeia, obtendo duas parcelas.
- Obtive 2(1−x²)/(1+x²)² para a segunda derivada.
- Identifiquei a concavidade e confirmei as inflexões em x=−1 e x=1.