Teoremas do valor médio, L'Hôpital e diferencial

Rolle, Lagrange, Cauchy, hipóteses de L’Hôpital, aproximação linear e taxas relacionadas.

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Rolle e extremos interiores

A função f(x)=x2−2xf(x)=x^2-2x vale zero em x=0x=0 e em x=2x=2, mas desce e volta a subir entre esses pontos. O mínimo está em x=1x=1, onde a tangente é horizontal. Rolle garante um ponto com derivada zero quando os valores nos extremos coincidem e as hipóteses de regularidade se verificam.

Se uma função tem um máximo ou mínimo local num ponto interior cc e é derivável aí, então f′(c)=0f'(c)=0. É o teorema de Fermat, que não afirma que todo o zero da derivada é um extremo: a função x3x^3 tem derivada zero em 00 e continua a crescer dos dois lados.

O teorema de Rolle diz que, se ff é contínua em [a,b][a,b], derivável em ]a,b[]a,b[ e f(a)=f(b)f(a)=f(b), existe c∈]a,b[c\in]a,b[ com f′(c)=0f'(c)=0.

A continuidade garante máximo e mínimo no intervalo. Se a função não é constante, um deles é interior, porque os valores nos extremos são iguais. Fermat dá então a derivada zero nesse ponto. Numa função constante, qualquer ponto interior serve.

Para f(x)=x2−2xf(x)=x^2-2x em [0,2][0,2], temos f(0)=f(2)=0f(0)=f(2)=0 e f′(x)=2x−2f'(x)=2x-2. O ponto é c=1c=1. Já ∣x∣|x| em [−1,1][-1,1] cumpre a igualdade dos extremos mas não a derivabilidade interior. Não existe ponto com derivada zero.

Teorema de Lagrange

Se ff é contínua em [a,b][a,b] e derivável em ]a,b[]a,b[, existe c∈]a,b[c\in]a,b[ tal que

f′(c)=f(b)−f(a)b−a.f'(c)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}.

A taxa média é atingida como taxa instantânea. Para demonstrar, subtrai a reta secante a ff. A diferença é contínua, derivável no interior e vale zero nos dois extremos, por isso Rolle aplica-se.

Na figura, f(x)=x2f(x)=x^2 em [0,5,2,5][0{,}5,2{,}5]. A taxa média é (6,25−0,25)/2=3(6{,}25-0{,}25)/2=3. Resolvendo 2c=32c=3, obtemos c=1,5c=1{,}5. A secante e a tangente nesse ponto são paralelas, embora sejam retas diferentes.

Se f′=0f'=0 num intervalo, Lagrange dá f(b)−f(a)=0f(b)-f(a)=0 para quaisquer dois pontos, logo ff é constante nesse intervalo. Se ∣f′∣≤M|f'|\le M, obtemos também

∣f(b)−f(a)∣≤M∣b−a∣.|f(b)-f(a)|\le M|b-a|.

Por exemplo, ∣sin⁡b−sin⁡a∣≤∣b−a∣|\sin b-\sin a|\le|b-a|, porque ∣cos⁡c∣≤1|\cos c|\le1. Estas conclusões aplicam-se apenas dentro de cada intervalo: a função 1/x1/x tem derivada negativa em todo o domínio, mas não é decrescente quando comparamos pontos de lados diferentes de zero.

Teorema de Cauchy e regra de L’Hôpital

Se f,gf,g são contínuas em [a,b][a,b] e deriváveis no interior, existe c∈]a,b[c\in]a,b[ com

[f(b)−f(a)]g′(c)=[g(b)−g(a)]f′(c).\begin{gathered} [f(b)-f(a)]g'(c)\\ =[g(b)-g(a)]f'(c). \end{gathered}

Se g′g' nunca se anula, Rolle garante g(b)≠g(a)g(b)\ne g(a) e podemos escrever esta identidade como igualdade de quocientes. Para g(x)=xg(x)=x, recuperamos Lagrange.

Uma consequência é a regra de L’Hôpital. Se f,gf,g são deriváveis numa vizinhança perfurada do ponto, g′≠0g'\ne0 nessa vizinhança, e temos uma indeterminação 0/00/0 ou ∞/∞\infty/\infty, então

lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af′(x)g′(x),\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)} =\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)},

desde que o limite da direita exista, finito ou infinito. Usa a versão lateral quando necessário; o resultado também vale no infinito com hipóteses correspondentes.

Para lim⁡x→0(ex−1−x)/x2\lim_{x\to0}(e^x-1-x)/x^2, a substituição dá 0/00/0, por isso derivamos numerador e denominador separadamente:

lim⁡x→0ex−12x.\lim_{x\to0}\frac{e^x-1}{2x}.

Ainda temos 0/00/0, por isso aplicamos a regra novamente e obtemos lim⁡x→0ex/2=1/2\lim_{x\to0}e^x/2=1/2. A regra não manda derivar o quociente.

A expressão (x+1)/(x+2)(x+1)/(x+2) em x=0x=0 não é indeterminada. O limite é 1/21/2; derivar os dois termos daria 11, uma conclusão falsa.

Para outras indeterminações, transforma primeiro:

  • 0⋅∞0\cdot\infty pode passar a quociente, como xln⁡x=ln⁡x/(1/x)x\ln x=\ln x/(1/x). Para x→0+x\to0^+, esta forma é −∞/∞-\infty/\infty. Derivar dá (1/x)/(−1/x2)=−x→0(1/x)/(-1/x^2)=-x\to0, logo xln⁡x→0x\ln x\to0. A transformação vem antes da regra, e a verificação da indeterminação também.
  • ∞−∞\infty-\infty pode pedir denominador comum ou conjugado.
  • Em 1∞1^\infty, 000^0 ou ∞0\infty^0, toma logaritmos de uma expressão positiva e calcula o limite do logaritmo.

Por exemplo, para x→0+x\to0^+,

ln⁡(xx)=xln⁡x=ln⁡x1/x.\ln(x^x)=x\ln x=\frac{\ln x}{1/x}.

Temos −∞/∞-\infty/\infty. A razão das derivadas é (1/x)/(−1/x2)=−x→0(1/x)/(-1/x^2)=-x\to0. Logo xx=exln⁡x→1x^x=e^{x\ln x}\to1.

Se a razão das derivadas não tem limite, a regra não decide, embora a razão original ainda possa convergir; não confundas uma condição suficiente com uma equivalência.

Por exemplo, lim⁡x→+∞x/(2x+sin⁡x)\lim_{x\to+\infty}x/(2x+\sin x) é uma indeterminação ∞/∞\infty/\infty. Derivar numerador e denominador dá 1/(2+cos⁡x)1/(2+\cos x), que oscila entre 1/31/3 e 11 sem tender para nenhum limite. Aqui o denominador derivado nunca se anula (2+cos⁡x≥12+\cos x\ge1), por isso a única obstrução é a oscilação: a regra nada conclui. No entanto, dividindo por xx,

x2x+sin⁡x=12+(sin⁡x)/x→12,\frac{x}{2x+\sin x}=\frac1{2+(\sin x)/x}\to\frac12,

porque (sin⁡x)/x→0(\sin x)/x\to0. O limite existe e vale 1/21/2, apesar de a regra não o decidir.

Diferencial e aproximação linear

Se ff é derivável em aa, a sua variação satisfaz

f(a+h)−f(a)=f′(a)h+o(h).f(a+h)-f(a)=f'(a)h+o(h).

O símbolo o(h)o(h) significa que o erro dividido por hh tende para zero. Chamamos diferencial à parte linear, dy=f′(a) dxdy=f'(a)\,dx. Se dx=hdx=h, então dydy aproxima Δy=f(a+h)−f(a)\Delta y=f(a+h)-f(a), mas não é geralmente igual a ela.

Para f(x)=xf(x)=\sqrt x perto de a=4a=4, f(4)=2f(4)=2 e f′(4)=1/4f'(4)=1/4. Assim,

4,04≈2+14(0,04)=2,01.\sqrt{4{,}04}\approx2+\frac14(0{,}04)=2{,}01.

O incremento absoluto previsto é 0,010{,}01. Para uma medida xx com pequeno erro Δx\Delta x, estima Δy≈f′(x)Δx\Delta y\approx f'(x)\Delta x. O erro relativo é aproximadamente ∣f′(x)Δx/f(x)∣|f'(x)\Delta x/f(x)|, quando f(x)≠0f(x)\ne0.

Taxas relacionadas

Quando várias grandezas dependem do tempo, escreve primeiro a relação geométrica e só depois deriva em ordem ao tempo. Num cone de altura 66 m e raio superior 33 m, a semelhança de triângulos dá r=h/2r=h/2. O volume de água até à altura hh é

V=π3r2h=π12h3.V=\frac\pi3r^2h=\frac\pi{12}h^3.

Derivando, dV/dt=(πh2/4) dh/dtdV/dt=(\pi h^2/4)\,dh/dt; se entram 22 m3^3/min, quando h=2h=2 m temos

2=πdhdt⟹dhdt=2π m/min.2=\pi\frac{dh}{dt}\quad\Longrightarrow\quad \frac{dh}{dt}=\frac2\pi\ \text{m/min}.

A altura sobe. Se o tanque estivesse a esvaziar com o mesmo caudal, dV/dt=−2dV/dt=-2 e o sinal da velocidade seria negativo. Substituir h=2h=2 antes de derivar apagaria a variável que precisamos de acompanhar.

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