Curso Satélite de. Matemática. Sessão n.º 4. Universidade Portucalense

Transcrição

1 Curso Satélite de Matemática Sessão n.º 4 Universidade Portucalense

2 Continuidade de uma função: Seja c um ponto pertencente ao domínio da função f. Dizemos que a função f é contínua em c quando lim f ( x ) f ( c ) lim f ( x ). x c x c Isto quer dizer que o limite da função f à esquerda de c é igual à imagem de f em c que, por sua vez, ainda é igual ao limite da função f à direita de c. Exemplo 1: as funções polinomiais são funções contínuas em todo os x R. Exemplo 2: as funções exponenciais e logarítmicas são funções contínuas em todos os pontos x pertencentes ao seu domínio.

3 Exemplo 1: considere-se a função f de gráfico: Observando o gráfico de f, podemos concluir que: lim f ( x ) lim f ( x ) 1 f (1). x 1 x 1 Então a função f é contínua em 1, bem como nos restantes valores de x R.

4 Exemplo 2: considere-se a função g de gráfico: Observando o gráfico de g, podemos concluir que: lim g ( x ) lim g ( x ) g (1). x 1 x 1 Então a função g não é contínua em 1, mas é contínua nos restantes valores de x R.

5 Propriedades das funções contínuas: Considerem-se duas funções f e g que são contínuas em c. Então f + g, f g, f g e α f, α R, também são funções contínuas em c; se g(c) 0, então f/g também é uma função contínua em c;

6 Derivada de uma função num ponto: Quando se analisa uma função, interessa averiguar quais são os intervalos de números reais onde a função: é crescente: f é crescente no intervalo S se 1 2 é estritamente crescente: f é estritamente crescente em S se é decrescente: f é decrescente em S se x x S x x f x f x ;, x x S x x f x f x ;, x x S x x f x f x ;, é estritamente decrescente: f é estritamente decrescente em S se, x x S x x f x f x 1 2

7 Uma das medidas que permitem caracterizar o comportamento de uma função é a taxa de variação média. A taxa de variação média de f entre dois pontos a e b, é dada por f ( b) f ( a) t. v. m.. b a Tal como o próprio nome indica, esta medida traduz a média de variação da função f no eixo das ordenadas (por cada unidade que se avança no eixo das abcissas), no intervalo entre a e b. Se a taxa de variação média for positiva, então a imagem da função em b é maior do que a imagem da função em a. Se a taxa de variação média for negativa, então a imagem da função em b é menor do que a imagem da função em a.

8 Exemplo: Considere-se a função f(x) = x 2. A t.v.m. entre -1 e 2 é t. v. m. f(2) f( 1) 2 ( 1) Podemos então concluir que, no intervalo de -1 a 2, a função f(x) = x 2 cresce, em média, uma unidade no eixo das ordenadas, por cada unidade que se avança no eixo das abcissas.

9 A taxa de variação média permite-nos averiguar qual é o comportamento médio da função entre a e b, mas não nos permite concluir nada sobre o crescimento ou decrescimento exactos da função em cada ponto concreto do intervalo. Como exemplo, se considerarmos apenas o ponto a do intervalo, a t.v.m. entre a e b não nos permite saber se a função cresce ou decresce nesse ponto. Para tal precisamos de uma taxa de variação instantânea em a e não de uma taxa de variação média. Isso leva-nos a tentar aproximar cada vez mais o ponto b do ponto a, para obter essa taxa de variação instantânea em a.

10

11 Definição de derivada: Seja f uma função real de variável real e a um ponto pertencente ao domínio de f. Chama-se derivada da função f no ponto a, e denota-se por f (a), ao limite f ( b) f ( a) f ( a h) f ( a) lim( t. v. m.) lim que equivale a lim. b a b a b a h 0 h caso o limite exista (podendo ser + ou ). Se uma função admite derivada num ponto dizemos que ela é derivável nesse ponto. Se f (a) é finita, dizemos que f é diferenciável em a. A derivada da função f no ponto a é o declive da recta tangente ao gráfico de f no ponto de coordenadas (a, f(a)).

12 Chamamos função derivada de f e denotamo-la por f à função definida do seginte modo f ': D' x y f '( x), onde D representa o conjunto dos pontos onde f é diferenciável. Seja I D um intervalo de números reais. Então: Se f (x) = 0, para todo o x I, então f é uma função constante em I; Se f (x) > 0, para todo o x I, então f é uma função estritamente crescente em I; Se f (x) < 0, para todo o x I, então f é uma função estritamente decrescente em I.

13 Regras de derivação: Existem algumas regras que facilitam o cálculo das funções derivadas. Seguidamente anunciam-se as mais importantes. Sejam f e g duas funções diferenciáveis em x, e c R. Então: Se f(x) = c, então f (x) = (c) = 0. Exemplo: a derivada de f(x) = 3 é a função f (x) = (3) = 0 (e confirma-se que f é constante porque a sua derivada é zero). Se f(x) = x, então f (x) = 1 (e confirma-se que esta função é estritamente crescente porque a sua derivada é positiva.). Se f(x) = c g(x), então f (x) = (c g(x)) = c g (x). Exemplo: a derivada de f(x) = 3x é a função f (x) = ( 3 x) = 3 (x) = 3 1 = 3 (f é estritamente decrescente).

14 (f + g) (x) = (f(x) + g(x)) = f (x) + g (x). Exemplo: Seja f(x) = 3x e g(x) = 4. A derivada de f + g é a função (f + g) (x) = (f(x) + g(x)) = (3x + 4) = f (x) + g (x) = (3x) + (4) = 3 (f+g é estritamente crescente porque tem derivada positiva) (f g) (x) = (f(x) g(x)) = f (x) g (x). (f g) (x) = (f(x) g(x)) = f (x) g(x) + f(x) g (x). Exemplo: Seja f(x) = x e g(x) = x. A derivada de fg é a função (fg) (x) = (f(x)g(x)) = (x x) = (x) x + x (x) = 1 x + x 1 = 2x (fg é estritamente decrescente de a 0 porque tem derivada negativa nesse intervalo e é estritamente crescente de 0 a + porque tem derivada positiva nesse intervalo). Nota: no exemplo anterior concluímos que a derivada da função f(x) = x 2 é a função f (x) = 2x.

15 f f ( x) g( x) f ( x) g ( x) ( x). g gx ( ) 2 Exemplo: Seja f(x) = 1 e g(x) = x. A derivada de f / g é a função f 1 (1) x 1 ( x) 0 x ( x) g x x x x (como a função derivada é sempre negativa em todos os pontos em que está definida, então f / g é uma função estritamente decrescente em R\{0}). Se f(x) = x n, para qualquer n N, então f (x) = n x n 1. Exemplo: se f(x) = x 5, então f (x) = 5x 4.

16 Se f(x) = a x, então f (x) = a x ln(a), para qualquer a positivo diferente de 1. Exemplo: se f(x) = 5 x, então f (x) = 5 x ln(5). Se f(x) = log a (x), então 1 f ( x), xln( a) para qualquer a positivo diferente de 1. Exemplo: se f(x) = ln(x), então f (x) = 1/x.

17 Extremos de uma função: Seja f uma função de domínio D e a D. a diz-se um maximizante local de f se existir uma vizinhança de a onde, em qualquer x dessa vizinhança, f(a) é maior ou igual do que f(x). Máximo Neste caso, f(a) diz-se um máximo local ou um máximo relativo de f. Maximizante

18 a diz-se um minimizante local de f se existir uma vizinhança de a onde, em qualquer x dessa vizinhança, f(a) é menor ou igual do que f(x). Mínimo Neste caso, f(a) diz-se um mínimo local ou um mínimo relativo de f. Minimizante

19 a diz-se um maximizante global de f se, em qualquer x pertencente ao domínio de f, f(a) é maior ou igual do que f(x). Máximo Neste caso, f(a) diz-se um máximo global ou um máximo absoluto de f. Maximizante

20 a diz-se um minimizante global de f se, em qualquer x pertencente ao domínio de f, f(a) é menor ou igual do que f(x). Mínimo Neste caso, f(a) diz-se um mínimo global ou um mínimo absoluto de f. Minimizante

21 Aos máximos e mínimos locais da função f chamamos extremos locais de f. Aos máximos e mínimos globais da função f chamamos extremos globais de f. Aos maximinantes e minimizantes locais da função f chamamos extremantes locais de f. Aos maximinantes e minimizantes globais da função f chamamos extremantes globais de f. É importante saber determinar os extremos de uma função.

22 Determinação dos extremos de uma função: Seja f uma função de domínio D, contínua em D e diferenciável em D, excepto possivelmente no ponto c D. Então: se f (x) > 0 para todo o x < c, e se f (x) < 0 para todo o x > c, então f(c) é um máximo local de f; se f (x) < 0 para todo o x < c, e se f (x) > 0 para todo o x > c, então f(c) é um mínimo local de f. Se f(c) é um extremo local de f, então f (c) = 0, ou f (c) não está definida. Chamam-se valores críticos aos valores de x que fazem com que f (x) = 0, ou aos valores de x onde f (x) não está definida. Os valores críticos são potenciais extremantes de f.

23 Procedimento para determinar os extremos de uma função: Exemplo: Seja f(x) = x 3 /3 x 2 3x + 2. Pretendemos determinar os extremos da função f. 1. Em primeiro lugar é preciso encontrar a primeira derivada da função f. Usando as regras de derivação: f (x) = x 2 2x Depois de encontrada a derivada de f, devem-se encontrar os valores críticos. Assim f (x) = 0 x 2 2x 3 = 0 x = 1 x = 3. Os valores críticos são o -1 e o 3. Nestes valores de x, podem existir extremos da função f.

24 3. Seguidamente constrói-se um diagrama de sinal para f, onde começamos por marcar os valores críticos: x f (x) 0 0 f(x) 11/3-7 Note-se que também devemos marcar os valores que f e f assumem nos valores críticos. f(-1) = (-1) 3 /3 (-1) 2 3 (-1) + 2 = 11/3; f(3) = 3 3 / = 7; f (-1) = f (3) = 0.

25 Depois averiguamos se f é positiva ou negativa entre os valores críticos. Relembre-se que f positiva implica f estritamente crescente e f negativa implica f estritamente decrescente. f (-2) = (-2) 2 2 (-2) 3 = 5 > 0 (f estritamente crescente); f (0) = = 3 < 0 (f estritamente decrescente); f (4) = = 5 > 0 (f estritamente crescente). Daqui resulta o seguinte diagrama de sinal: X f (x) f(x) 11/3-7

26 Do diagrama de sinal podemos concluir que: f é estritamente crescente no intervalo ]-, -1[; f é estritamente decrescente no intervalo ]-1, 3[; f é estritamente crescente no intervalo ]3, + [. Então: -1 é um maximizante local de f; 11/3 é um máximo local de f; 3 é um minimizante local de f; -7 é um mínimo local de f.

27 4. Usando a informação do diagrama de sinal, é possível fazer um esboço do gráfico da função f.

28 Concavidades e pontos de inflexão de uma função: É possível complementar o estudo do gráfico de uma função f recorrendo à segunda derivada de f: Sejam f e f duas funções diferenciáveis em x. Chamamos segunda derivada de f no ponto x (denotamos por f (x)) à derivada da derivada de f. f permite estudar as concavidades do gráfico de f. Seja f uma função diferenciável em ]a, b[ tal que existe e é finita f (x), para todo o x ]a, b[. Se, para qualquer x ]a, b[: f (x) > 0, então o gráfico de f tem concavidade voltada para cima em ]a, b[; f (x) < 0, então o gráfico de f tem concavidade voltada para baixo em ]a, b[;

29 Procedimento para determinar as concavidades de uma função: Exemplo: Voltando à função f(x) = x 3 /3 x 2 3x + 2, pretendemos determinar as concavidades da função f. 1. Em primeiro lugar é preciso encontrar a primeira derivada da função f. Como vimos atrás f (x) = x 2 2x Seguidamente, temos de encontrar a segunda derivada de f. Assim, a derivada de f é: f (x) = 2x 2 3. Encontramos os pontos onde a segunda derivada é nula: f (x) = 0 2x 2 = 0 x = 1. A segunda derivada anula-se em x = 1. Neste valor de x, a concavidade da função pode ser alterada.

30 4. Seguidamente constrói-se um diagrama de sinal para f, onde começamos por marcar os valores onde a segunda derivada é nula: Note-se que também devemos marcar os valores que f e f assumem em x = 1. f(1) = (1) 3 /3 (1) 2 3 (1) + 2 = -5/3; f (1) = 0. x f (x) 0 f(x) -5/3

31 Depois averiguamos se f é positiva ou negativa nos restantes valores de x. Relembre-se que f positiva implica concavidade do gráfico de f voltada para cima, e f negativa implica concavidade do gráfico de f voltada para baixo. f (0) = = -2 < 0 (concavidade voltada para baixo); f (2) = = 2 > 0 (concavidade voltada para cima). Daqui resulta o seguinte diagrama de sinal: x f (x) 0 + f(x) -5/3

32 Do diagrama de sinal podemos concluir que: f tem concavidade voltada para baixo no intervalo ]-, 1[; f tem concavidade voltada para cima no intervalo ]1, + [. Então: O ponto de coordenadas (1, f(1)) = (1, -5/3) é um ponto onde a concavidade do gráfico da função f é alterada. Os pontos onde a concavidade do gráfico da função se altera denominam-se pontos de inflexão do gráfico da função.

33 5. Usando a informação deste diagrama de sinal, é possível complementar o esboço do gráfico da função f.

34 Problema: Suponha que o lucro diário de uma empresa pode ser traduzido pela função f(x) = x 2 10x 200, onde x representa o número de unidades que a empresa consegue vender nesse dia. Faça um estudo dos intervalos de monotonia e das concavidades do gráfico da função f. Por fim, faça um esboço do gráfico de f. Resolução: Comecemos por estudar os intervalos de monotonia da função f. A primeira derivada de f é a função: f (x) = 2x 10. Os pontos críticos de f são dados por f (x) = 0 2x 10 = 0 x = 5. x = 5 pode ser um extremante de f.

35 Construindo um diagrama de sinal para f, começamos por marcar o valor crítico: Também marcamos os valores que f e f assumem no valor crítico: f(5) = = 225; f (5) = = 0. x f (x) 0 f(x) -225

36 Averiguando se f é positiva ou negativa nos restantes valores de x: f (4) = = 2 < 0 (f estritamente decrescente); f (6) = = 2 > 0 (f estritamente crescente). Daqui resulta o seguinte diagrama de sinal: x f (x) 0 + f(x) -225 f é estritamente decrescente em ]-, 5[ e é estritamente crescente em ]5, + [. Por isso, 5 é um minimizante e -225 é o mínimo global da função f.

37 Estudemos agora as concavidades da função f. A segunda derivada de f é a função: f (x) = 2. Como a segunda derivada de f é positiva em todos os x R, f tem concavidade voltada para cima em R. Obtém-se o seguinte diagrama de sinal para f : x - + f (x) + f(x)

38 Usando a informação obtida anteriormene, é possível fazer um esboço do gráfico da função f.