Unidade 6 Aplicações do estudo das derivadas
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- Moisés Paiva Amarante
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1 Unidade 6 Aplicações do estudo das derivadas Máximos e mínimos de uma função Definição 6.. Dada a função f : I, um ponto x I é chamado de (i) ponto de máximo relativo (ou local) da função quando f ( x) f ( x) para todo x I ; (ii) ponto de mínimo relativo (ou local) da função quando f ( x ) f ( x) para todo x I. O valor f ( x ) é chamado de máximo ou mínimo relativo (ou local) de f e x, f ( x ) são as coordenadas do ponto de máximo ou mínimo relativo (ou local) de ( ) f. Os máximos e mínimos de uma função são também chamados de extremos relativos. Definição 6.. Dada a função f ( x ), um ponto x onde f é derivável em x e f '( x ) = ou f não é derivável em x é chamado de ponto crítico da função f. Exemplo 6.. Seja a função f. =, x. Determinar os pontos críticos de f ( x) x x Resolução: Sabemos que x. f ( x) x x = é uma função polinomial derivável em todo Calculando '( ) f x temos f '( x) = x 6x= x( x ) Agora f '( x ) = implica em da função f ( x) x x =. x 6x Exemplo 6.. Determinar o ponto crítico da função Resolução: Calculando f '( x ), temos =, ou seja, x= e x= são os pontos críticos f ( x) = ( x ), x. ou, f '( x) = ( x ) = ( x ) = ( x ),
2 f '( x) = ( x ). A função dada não derivável em x=, isto é, não existe f '(). Nesse caso, x= é o único ponto crítico de f. Exemplo 6.. Calcular os pontos críticos da função [, ]. f ( x) = x + x x+ no intervalo Resolução: Inicialmente temos se f ( x) = x + x x+ então f '( x) = x + x. Fazendo f ( x ) =, vem x + x =. Resolvendo a equação pela fórmula de Bháskara encontramos as raízes x= e Portanto, x= e x= são os pontos críticos de f ( x) = x + x x+ em [, ]. x=. Definição 6.. Seja f uma função derivável em x. Se f tem um máximo ou mínimo relativo (ou local) em x, então f ( x ) =. Por exemplo, a função f ( x) = x, para x (, ), tem derivada f '( x) = x. Em x=, a função tem um mínimo relativo e f '() =. Vimos no Capítulo, seção.6 que dada uma função f : I, f é crescente no intervalo I quando dados x, x I, quaisquer, com x < x, tem-se f ( x ) < f ( x ) e f é decrescente no intervalo I quando dados x, x I, quaisquer, com x < x, tem-se f ( x ) > f ( x). O teorema a seguir estabelece um critério para determinar onde uma função f é crescente ou decrescente. Teorema 6.. Seja f ( x ) uma função derivável no intervalo ( a, b ), então (a) Se f '( x ) = em ( a, b ), então f (x) é constante em ( a, b ) ; (b) Se f '( x ) > em ( a, b ), então f (x) é crescente em ( a, b ) ; (c) Se f '( x ) < em ( a, b ), então f (x) é decrescente em ( a, b ). Exemplo 6.4. Seja decrescente. f ( x) = x. Determinar os intervalos onde f é crescente e Resolução: Temos f ( x) = x e '( ) f x = x.
3 Agora, f '( x) = x se e somente se x então f ( x ), logo, f é decrescente em (,] e f '( x) = x se e somente se x então f ( x), logo, f é crescente em (,]. Utilizando o sistema de sinais podemos interpretar assim: x f ( x ) Conclusão x< f ( x ) decrescente em (, ] x> + f ( x ) crescente em [, ) Veja a figura abaixo: Figura 6. Exemplo 6.. Determinar os intervalos onde f é crescente e decrescente onde f ( x) = x. Resolução: De f ( x) = x temos f ( x) = x. Agora, todo x e f é crescente em. x então f ( x), para Exemplo 6.6. Seja f ( x) = x 6x + 9x+ definida para todo x real. Determinar os intervalos onde f é crescente e decrescente. Resolução: Temos f ( x) = x 6x + 9x+ então ( ) = + 9. Agora, f x x x fazendo f ( x) =, vem x x+ 9=. Resolvendo esta equação pela regra de Bhaskara, temos as raízes x= e x=. Logo, f ( x) = ( x )( x ). Utilizando o sistema de sinais podemos interpretar assim, x f ( x) Conclusão ponto crítico de f x< + f é crescente < x< f é decrescente x= ponto crítico de f x> + f é crescente
4 Portanto, f ( x ) é crescente em (,] e [, ) e decrescente em [,]. Também x= e x= são extremos da função (pontos críticos). Teste da segunda derivada para extremos relativos Este teste é empregado para pesquisar o(s) ponto(s) de máximo(s) e mínimo(s) relativo de uma dada função e para isto temos a seguinte definição. Definição 6.4. Seja x um ponto crítico de uma função na qual f ( x) = e f existe para todos os valores de x em algum intervalo aberto que contenha o ponto x. Então f ( x ) existe e (i) se f ''( x ) < então f tem um valor máximo relativo em x ; (ii) se f ''( x ) > então f tem um valor mínimo relativo em x. Exemplo 6.7. Pesquisar máximos e mínimos relativos da função pelo critério ou teste da segunda derivada. 4 f ( x) = x + x 4x 4 Resolução: Temos 4 f ( x) x x 4x 4 = + então = +. f ( x) 4x 4x 8x Agora, f ( x) = vem vem 4x 4x 8x + =. Fatorando a expressão 4x + 4x 8x= 4 x( x x ) 4 x( x )( x ) + = + =. A partir desta fatoração fica claro que f '( x ) será igual a zero se, e somente, x=, x= e x=. Logo, x=, x= e x= são pontos críticos da função f. Vamos analisar agora, os pontos críticos obtidos separadamente. Calculando f ''( x ) temos f ( x) = x + 8x 8. Analisando para x=, vem f () = + 8 8= 8<, assim x= é um ponto de máximo relativo da função f e seu valor no ponto x= é 4 4 f () = + 4 = ou f () =. Analisando para x=, vem f () = + 8 8= >, assim x= é um ponto de mínimo relativo da função f e seu valor no ponto é 4
5 f = + = + = ou 4 () f () =. Finalmente analisando para x=, vem f ( ) = ( ) + 8 ( ) 8= 4 6 8= 4>. Assim x= é um ponto de mínimo relativo da função f e seu valor no ponto é f ( ) = ( ) + ( ) 4 ( ) = 6 + ( 8) 4 4=, ou seja, f ( ) =. Portanto, x= é um ponto de máximo relativo da função f, x= é um ponto de mínimo relativo da função f e x= é um ponto de mínimo relativo da função f. Veja a figura abaixo Figura 6. Exemplo 6.8. Encontrar os extremos relativos da função usando o critério da segunda derivada. f x x x x ( ) = Resolução: Temos, f ( x) = 6x. f ( x) = x 6x + 9x+ então ( ) = + 9 e f x x x Agora, para calcular os pontos críticos de f é só igualar f '( x ) a zero, ou seja, f ( x) =, isto é, x x+ 9= fatorando vem ( x )( x ) =. A partir desta fatoração fica claro que f '( x ) será zero se, e somente x= e x=. Logo, x= e x= são pontos críticos de f. Vamos determinar agora os extremos relativos de f.
6 Para x=, temos f () = 6 = 6<, logo x= é um ponto de máximo relativo da função f. Para x=, temos f () = 6 = 6>, logo x= é um ponto de mínimo relativo da função f. Portanto, x= é um ponto de máximo relativo da função f e x= é um ponto de mínimo relativo da função f. Veja a figura abaixo: Exemplos práticos Figura 6. Exemplo 6.9. A função custo mensal de fabricação de um produto é dada por x C( x) = x + x+ e a função de demanda mensal ( p ) do mesmo produto é dada por p( x) = x. Qual o preço x que deve ser cobrado para maximizar o lucro? Resolução: O lucro total é dado por Lucro( L) = Re ceita( R) Custo( C) e a receita será Re ceita= p x, assim R= p x= ( x) x= x x. Logo, x x L= R C= x x x + x+ = x x + x x, ou ainda, x L( x) = + x. Calculando a derivada primeira da função lucro, em relação a x, temos L '( x) x x = + e L ''( x) = x+. Agora, para calcular os pontos críticos de L é só igualar L '( x ) a zero, ou seja, L '( x ) = e vem x + x=. Resolvendo esta equação pela fórmula de Bháskara, temos as raízes x= e x=. Logo, x= e x= são os pontos críticos de L. 6
7 Vamos determinar agora os extremos relativos de L. Para x=, temos L ''() = + = >, logo, é um ponto de mínimo relativo de L. Para x=, temos L ''() = + = <, logo, é um ponto de máximo relativo de L. Portanto, o preço que deve ser cobrado para maximizar o lucro é x=. Exemplo 6.. A empresa Sempre Alerta produz um determinado produto com um custo mensal dado pela função C( x) = x x + x+. Cada unidade deste produto é vendida por R$,. Determinar a quantidade que deve ser produzida e vendida para dar o máximo lucro mensal. Resolução: Seja x a quantidade a ser produzida e vendida para dar o máximo lucro mensal. O lucro mensal é dado assim Lucro( L) = Re ceita( R) Custo( C), ou ainda, L= R C= x x x + x+ = x x + x x = x + x + x L( x) = x + x + x. Calculando a derivada primeira da função lucro, em relação a x, temos L '( x) = x + 4x+ e L ''( x) = x+ 4. Agora, para calcular os pontos críticos de L é só igualar L '( x ) a zero, ou seja, L '( x ) = e vem x + 4x+ =. Resolvendo esta equação pela fórmula de Bháskara, temos as raízes x= e x= 7. Logo, x= e x= 7 são os pontos críticos de L. Vamos determinar agora os extremos relativos de L. Para x=, temos L ''( ) = ( ) ( ) + 4= >, logo, é um ponto de mínimo relativo de L. 7
8 Para x= 7, temos L ''(7) = 7+ 4= <, logo, é um ponto de máximo relativo de L. Portanto, a quantidade a ser produzida e vendida para dar o máximo lucro mensal é x= 7. Exercícios propostos ) Seja f ( x) = x + x x. a) Determine os pontos críticos de f. b) Determine os intervalos onde f é crescente e decrescente. ) Seja f ( x) = x + x 6x+ 8, determine: a) os pontos críticos, b) os intervalos onde f é crescente e decrescente, c) os valores máximos e mínimos de f. 4) O custo total de produção de x aparelhos de certa TV Plasma por dia é R$ x + x+ e o preço unitário que elas podem ser vendidas é 4 R$ x cada. Qual deve ser a produção diária para que o lucro seja máximo? ) A produção de bicicletas da empresa Roda Viva é de x por mês, ao custo x dado por C( x) = + x. Se a equação de demanda por p=, obtenha o número de unidades que devem ser produzidas e vendidas para maximizar o lucro mensal. 6) A equação de demanda de um produto é p= ln x. Determinar: a) a função receita R( x ) ; b) o valor de x que maximiza a receita. Respostas ) a) e. b) f é crescente no intervalo x< ; f é decrescente no intervalo < x< ; f é crescente no intervalo x>. 8
9 ) a) e. b) f é crescente no intervalo x< ; f é decrescente no intervalo < x< ; f é crescente no intervalo x>. c) em x=, f tem ponto de máximo e em x=, f tem ponto de mínimo. 4) aparelhos de TV Plasma por dia. ) bicicletas. 6) a) R( x) = x x ln x ; b) x = e. 9
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