Resumo
Esta aula define a derivada de uma função num ponto como um limite: o dos coeficientes angulares das retas secantes, que é o coeficiente angular da reta tangente, e o das velocidades médias, que é a velocidade instantânea. Precisa em que pontos a definição tem sentido, introduz as derivadas laterais, as retas tangente e normal, a função derivada e a notação de Leibniz, e demonstra que a derivada admite três formulações equivalentes: o limite da razão incremental, a aproximação por uma reta com um erro desprezível e a fatoração de Carathéodory. Desta última segue-se que toda função derivável é contínua; o valor absoluto e a raiz cúbica mostram que a recíproca é falsa.
Objetivos de aprendizagem
- Definir a derivada de uma função num ponto como o limite da razão incremental, e interpretá-la como o coeficiente angular da reta tangente e como uma velocidade instantânea.
- Calcular derivadas laterais e decidir com elas se uma função é derivável num ponto.
- Demonstrar a equivalência entre a razão incremental, a aproximação linear e a caracterização de Carathéodory.
- Demonstrar que toda função derivável num ponto é contínua nele, e reconhecer funções contínuas que não são deriváveis.
A tangente e a velocidade
Na aula sobre as parábolas, uma reta é tangente à curva num ponto quando a toca só nele sem atravessá-la. Essa ideia basta para as cônicas, mas não para qualquer curva. Na origem, a curva fica abaixo do eixo horizontal à esquerda e acima dele à direita: toda reta que passa pela origem a atravessa, e as retas com a tocam só nela, porque exige ou . Nenhuma reta cumpre a condição, e no entanto o eixo horizontal é, à vista, a reta que melhor acompanha a curva perto da origem. Convém, portanto, outra definição, que não dependa da forma global da curva, mas só do que acontece perto do ponto.
A ideia é antiga: a tangente é a posição limite das retas secantes. Consideremos uma função e um ponto do seu gráfico. Para , a reta secante que passa por e por tem coeficiente angular
Quando se aproxima de , o segundo ponto se aproxima do primeiro, e, se os coeficientes angulares têm um limite, a reta que passa por com esse coeficiente angular é a candidata a tangente.
Sejam e . Calculamos os coeficientes angulares de algumas secantes pelo ponto e depois o seu limite. A figura mostra cada secante e, no final, a tangente.
Demonstração
Com , a secante passa por e .
Com , o segundo ponto é e o coeficiente angular diminui.
Em geral, para todo , positivo ou negativo, o coeficiente angular se simplifica; com vale .
Quando tende a , o coeficiente angular tende a . A reta que passa por com coeficiente angular é a tangente; é a mesma que deu o lema da tangente da aula sobre as parábolas, com .
O mesmo limite aparece ao estudar um movimento. Se é a posição, no instante , de um ponto que se move sobre uma reta, o quociente é a sua velocidade média entre os instantes e : o deslocamento dividido pelo tempo decorrido. A velocidade no instante , a que marcaria um velocímetro, é o limite das velocidades médias quando tende a . Por exemplo, se , a velocidade média entre e é , que tende a : no instante , o ponto se move para a esquerda à razão de duas unidades de comprimento por unidade de tempo. As duas perguntas, a da tangente e a da velocidade, conduzem ao mesmo limite, e é esse limite que se define a seguir.
A derivada num ponto
Como na aula sobre o limite de uma função, é preciso primeiro precisar onde o limite tem sentido. O quociente precisa do valor , de modo que deve pertencer ao domínio; e o limite quando tende a exige que seja ponto de acumulação do domínio.
Sejam uma função real definida num conjunto de números reais, e um elemento de que é ponto de acumulação de . A razão incremental de em é a função , definida para os de distintos de . Diz-se que é derivável em se a razão incremental tem um limite real quando tende a ; esse número é a derivada de em , e escreve-se :
A razão está definida em , e é ponto de acumulação desse conjunto, porque a definição de ponto de acumulação só olha os elementos distintos de . Pela unicidade do limite, a derivada, se existe, é única. Num ponto isolado do domínio a derivada não se define, embora toda função seja contínua ali. E, se a razão tende a ou a , a função não é derivável em : a derivada é um número real. A definição escreve-se muitas vezes com o incremento em lugar do ponto , como no exemplo.
Com as hipóteses da definição, e considerando só onde está definida:
É a mudança de variável , que a proposição de translação e reflexão da aula sobre os limites laterais fez para um lado, agora para os dois ao mesmo tempo.
Demonstração
Seja a razão incremental. A função , para os com em , tende a , não assume o valor , e os seus valores estão no domínio de . Pelo teorema da composição da aula sobre a álgebra dos limites, se tende a em , também tende a em .
Reciprocamente, a função , para os de distintos de , tende a e não assume o valor ; composta com , dá a razão , que tende ao mesmo limite.
As primeiras derivadas calculam-se diretamente. Se , a razão incremental vale para todo , e o seu limite é : a derivada de uma função afim é o seu coeficiente angular em todo ponto, e a sua reta tangente é a própria reta. Em particular, a derivada de uma constante é e a da identidade é . Para , o cálculo do exemplo, com em lugar de , dá , e a derivada é .
Derivadas laterais
Nos extremos de um intervalo, ou num ponto onde a função muda de fórmula, convém olhar a razão incremental de cada lado separadamente.
Seja um elemento de que é ponto de acumulação de . Diz-se que é derivável à direita em se a razão incremental tem limite real à direita em ; esse limite é a derivada à direita, :
Do mesmo modo, se é ponto de acumulação de , a derivada à esquerda, , é o limite à esquerda da razão incremental, com a condição .
Seja um elemento de .
- Se é ponto de acumulação de e de , então é derivável em se e somente se as duas derivadas laterais existem e são iguais; nesse caso, .
- Se é ponto de acumulação dos pontos de de um só lado, então é derivável em se e somente se é derivável por esse lado, e a derivada é a derivada lateral.
Não é preciso nenhum argumento novo: as derivadas laterais são os limites laterais da razão incremental, e a aula sobre os limites laterais já os relacionou com o limite.
Demonstração
No primeiro caso, o teorema do limite e dos limites laterais, aplicado à razão incremental, dá a equivalência.
No segundo, a mesma aula observou que, quando é ponto de acumulação dos pontos do domínio de um só lado, o limite e o limite lateral desse lado coincidem: existe um tal que todos os de com estão desse lado.
Por exemplo, o valor absoluto tem em a razão incremental , que vale se e se : as suas derivadas laterais são e , distintas, e não é derivável em . Em contrapartida, se uma função está definida em , a sua derivada em é a sua derivada à direita, e em , a sua derivada à esquerda: a definição já trata os extremos do domínio como lados únicos. Por exemplo, restrita a é derivável em , com .
Retas tangente e normal
Com a derivada, a tangente deixa de ser uma figura que se reconhece à vista e passa a ser uma reta que se calcula.
Seja derivável em . A reta tangente ao gráfico de no ponto é a reta que passa por ele com coeficiente angular :
A reta normal no mesmo ponto é a perpendicular à tangente que passa por ele: se , é a reta , e, se , é a reta vertical .
O coeficiente angular da normal sai do teorema das retas perpendiculares da aula sobre a equação da reta: duas retas não verticais são perpendiculares se e somente se o produto dos seus coeficientes angulares é . Voltando à curva , a sua razão incremental em é , que tende a : a tangente na origem é o eixo horizontal, embora atravesse a curva. Quando é contínua em e a razão incremental tende a ou a , as secantes se aproximam da vertical; diz-se então que o gráfico tem em uma tangente vertical, a reta , embora não seja derivável em .
Do mesmo modo, se é a posição de um ponto que se move sobre uma reta, a sua velocidade no instante é , se existe. O seu sinal indica o sentido do movimento, e o seu valor absoluto, a rapidez. A aula sobre as taxas de variação desenvolverá esta leitura.
A função derivada e a notação de Leibniz
Cada ponto em que é derivável fornece um número, a sua derivada nele. Com todos eles forma-se uma nova função.
Seja uma função definida em . A função derivada de é a função que associa a cada ponto de em que é derivável o número ; o seu domínio é o conjunto desses pontos. Se é derivável em todos os pontos de um conjunto contido em , diz-se que é derivável em ; e, se o é em todo o seu domínio, simplesmente que é derivável.
Por exemplo, a derivada de é a função , definida em todo ; a do valor absoluto vale em e em , e o seu domínio não contém o . A notação , com a linha, deve-se a Lagrange. A outra notação habitual deve-se a Leibniz: se , a derivada escreve-se , ou , e a operação de derivar em relação a escreve-se diante da expressão que se deriva:
A notação lembra de onde vem a derivada. Se é o incremento da variável e o incremento correspondente da função, a razão incremental é , e a derivada é o seu limite:
Convém insistir em que, por ora, é um único símbolo e não um quociente: e ainda não têm sentido separadamente; terão na aula sobre as derivadas sucessivas e a diferencial. A notação torna explícita a variável em relação à qual se deriva: se a posição depende do tempo, a velocidade escreve-se ou .
Três caracterizações da derivada
A definição diz que a razão incremental tende a . Há outras duas maneiras de dizer o mesmo, cada uma útil para um fim distinto: a segunda compara a função com a sua reta tangente; a terceira evita dividir.
Sejam uma função definida em , um elemento de que é ponto de acumulação de , e um número real. As três afirmações abaixo são equivalentes:
- Razão incremental. é derivável em e .
- Aproximação linear. quando tende a ; isto é, o resto cumpre .
- Carathéodory. Existe uma função , contínua em , com , tal que para todo de .
O pequeno é o da aula sobre infinitésimos e infinitamente grandes equivalentes, com considerada só onde está definida. A função é o coeficiente angular da secante, completado em com a derivada. A figura mostra, com e , o resto entre a curva e a tangente, uma secante e, no final, o gráfico de , que neste caso é a reta .
Demonstração
Primeira e segunda: o quociente do resto por é a razão incremental menos . Pelo lema do limite como distância que tende a zero, da aula sobre a álgebra dos limites, tende a se e somente se a razão incremental tende a , e, pela forma incremental, isso equivale a .
Da primeira para a terceira: define-se como a razão incremental fora de e como em . A igualdade cumpre-se em todo pela definição, e em porque os seus dois membros valem . Como é ponto de acumulação de e o limite de em é , a proposição de continuidade e limite da aula sobre limite e continuidade dá a continuidade de em .
Da terceira para a primeira: se , divide-se por , e a razão incremental é a restrição de a . Como é contínua em , pela mesma proposição tende a , e, pelo lema da restrição, da aula sobre a álgebra dos limites, também a razão.
A função da terceira caracterização, quando existe, é única: fora de é a razão incremental, e em o seu valor é o limite dessa razão. A segunda caracterização explica em que sentido a tangente é a reta que melhor acompanha a curva. Se se substitui por , com um coeficiente angular distinto de , o erro é , cujo quociente por tende a : é da mesma ordem que . Só com o coeficiente angular o erro é desprezível em relação a . A terceira caracterização tem uma vantagem técnica: é uma igualdade entre produtos, sem divisões. As aulas sobre as regras de derivação e sobre a regra da cadeia a usarão para não dividir por quantidades que podem anular-se. A primeira consequência é imediata.
Se é derivável em , então é contínua em . A fatoração de Carathéodory escreve com operações entre funções contínuas em .
Demonstração
Pelo teorema das caracterizações, existe , contínua em , tal que para todo de .
A constante e o polinômio são contínuos em , e também. Pelo teorema das operações com funções contínuas, da aula sobre limite e continuidade, a soma da constante com o produto é contínua em .
A recíproca é falsa. A continuidade pede que tenda a ; a derivabilidade pede mais: que o seu quociente por tenha limite, isto é, que tenda a pelo menos tão depressa quanto e sem oscilar entre coeficientes angulares distintos.
O valor absoluto e a raiz cúbica são contínuos em e não são deriváveis em : o primeiro tem derivadas laterais distintas, e a razão incremental da segunda tende a , de modo que o seu gráfico tem na origem uma tangente vertical. Os dois são contínuos pelo corolário das funções contínuas conhecidas, da aula sobre limite e continuidade. A figura mostra, no valor absoluto, os dois coeficientes angulares laterais e, na raiz cúbica, secantes cada vez mais íngremes.
Demonstração
A razão incremental do valor absoluto em vale à direita e à esquerda. As derivadas laterais são distintas e, pela proposição da derivada e das derivadas laterais, não é derivável em .
A razão incremental da raiz cúbica em é o inverso de , que é positivo se e tende a pela continuidade da raiz. Pelo lema do inverso, da aula sobre os limites infinitos, a razão tende a , e não tem limite real.
As duas funções falham num só ponto, mas há funções contínuas em toda a reta que não são deriváveis em nenhum ponto; Weierstrass apresentou em 1872 o exemplo mais célebre, cuja construção excede este curso.
Problemas resolvidos
Os problemas avançam em dificuldade: o primeiro calcula uma derivada que deixa de existir na borda do domínio; o segundo usa a tangente para descobrir uma propriedade da hipérbole; o terceiro mostra que as derivadas laterais podem não existir; o quarto, que uma função pode ser derivável num só ponto; e o último combina a fatoração de Carathéodory com as derivadas laterais.
Estudar a derivabilidade de , definida em , e achar a reta tangente no ponto de abscissa .
Solução
Se , a razão incremental é uma forma ; multiplica-se e divide-se pela expressão conjugada.
Pela continuidade da raiz, o denominador tende a , e, pelo teorema do limite do inverso, da aula sobre a álgebra dos limites, o quociente tende a . Em , a derivada é e a tangente passa por .
Em só há pontos do domínio à direita, e, pela proposição da derivada e das derivadas laterais, a derivada é a derivada à direita. O quociente é , e, como é positivo e tende a , o lema do inverso dá .
Portanto, é derivável em e não o é em , onde é contínua e o seu gráfico tem a tangente vertical . A função derivada tem um domínio menor que o da função.
Demonstrar que a reta tangente a num ponto , com , forma com os eixos um triângulo de área , qualquer que seja , e que o ponto de tangência é o ponto médio do segmento que os eixos cortam nela.
Solução
A razão incremental se simplifica ao subtrair as frações; pelo teorema do limite do inverso, o seu limite é .
A tangente passa por com esse coeficiente angular.
Com obtém-se a interseção com o eixo horizontal, e com , a interseção com o vertical. O ponto médio entre ambas é o ponto de tangência.
O triângulo tem catetos e sobre os eixos. A sua área não depende de : a figura mostra dois desses triângulos, de formas distintas e com a mesma área.
Sejam e para , e . Demonstrar que é contínua em e não tem em nem derivada nem derivadas laterais, e que é derivável em , com .
Solução
Pelo problema resolvido 3 da aula sobre limite e continuidade, é contínua em . A sua razão incremental em é .
O problema proposto 3 da aula sobre o limite demonstrou que não tem limite em com duas famílias de pontos positivos, nos quais vale e . O mesmo argumento nega o limite à direita; com os pontos opostos, nos quais vale e , nega-se o da esquerda.
Em contrapartida, a razão incremental de é , produto de uma função limitada por outra que tende a ; pelo teorema da aula sobre o teorema do confronto, tende a .
As duas funções oscilam infinitas vezes perto de . A oscilação de está limitada por , que é da mesma ordem que o denominador , e o quociente continua oscilando; a de está limitada por , que é desprezível em relação a , e o quociente se apaga.
Seja a função que vale se é racional e se é irracional. Demonstrar que é derivável em , com , e que não é derivável em nenhum outro ponto.
Solução
Seja a função do problema resolvido 5 da aula sobre limite e continuidade, que vale nos racionais e nos irracionais. Então para todo , nos dois casos.
Em , a razão incremental é , que tende a porque esse problema demonstrou que é contínua em .
Seja . Se fosse contínua em , também o seria , pela regra do quociente das operações com funções contínuas, com denominador não nulo em ; mas o mesmo problema demonstrou que é descontínua em . Portanto, é descontínua em , e, pelo teorema de que derivável implica contínua, não é derivável em .
Seja uma função definida num intervalo aberto que contém , derivável em e com . Demonstrar que tem em as derivadas laterais e , de modo que é derivável em se e somente se . Aplicá-lo a e a em .
Solução
Pela caracterização de Carathéodory, , com contínua em e . Ao tomar valores absolutos, o fator é à direita e à esquerda.
A função é contínua em , pela composição de funções contínuas, e tende a . Pela proposição da derivada e das derivadas laterais, é derivável em se e somente se as duas derivadas laterais coincidem, isto é, se .
O seno cumpre , e a sua razão incremental em é , que tende a pelo limite trigonométrico fundamental: tem em derivadas laterais e , e não é derivável. O cubo tem em a razão , que tende a : é derivável em , com derivada .
Problemas propostos
Os problemas avançam em dificuldade: o primeiro lê uma derivada na geometria do círculo e da esfera; o segundo procura retas normais que passam por um ponto dado; o terceiro mostra que uma derivada lateral pode existir onde a função salta; o quarto compara a tangente da derivada com a da circunferência; e o último estuda um quociente que se parece com a derivada sem sê-lo. Cada um tem uma dica, que convém abrir só depois de tê-lo tentado.
Sejam a área do círculo de raio e o volume da esfera de raio . Calcular, pela definição, e , e reconhecer cada resultado.
Dica
Desenvolva e e simplifique a razão incremental antes de tomar o limite. O incremento da área é a área de uma coroa circular de largura .
Resposta
São o perímetro da circunferência e a área da superfície esférica.
Achar todos os pontos da parábola cuja reta normal passa pelo ponto , e escrever essas normais.
Dica
A normal em tem coeficiente angular se ; imponha que passe por . Não se esqueça do caso , em que a derivada se anula e a normal é vertical.
Resposta
Três pontos: , com normal , e , com normais .
Demonstrar que a parte inteira, , é derivável em todo real não inteiro, com derivada , e que em cada inteiro tem derivada à direita, , mas não derivada à esquerda. Isto contradiz o teorema de que derivável implica contínua?
Dica
Num inteiro , à direita a função vale , e à esquerda, : a razão incremental é à direita e à esquerda. Para a última pergunta, compare a hipótese do teorema com o que acontece em .
Resposta
Não há contradição: a função não é derivável em ; a derivada à direita só dá a continuidade à direita (o teorema, aplicado à restrição de a ), que se cumpre.
Seja , a semicircunferência superior de centro e raio . Calcular para , demonstrar que a tangente é perpendicular ao raio que une a origem a , como na aula sobre a circunferência, e estudar o que acontece em .
Dica
Multiplique e divida a razão incremental por . Se , o raio tem coeficiente angular ; se , é vertical. Em só há pontos do domínio à esquerda.
Resposta
Em , a tangente é horizontal e o raio vertical. Em o quociente tende a , e em , a : não é derivável em , e o seu gráfico tem ali tangentes verticais.
Seja definida num intervalo aberto que contém . Demonstrar que, se é derivável em , então . Demonstrar com em que esse limite pode existir sem que seja derivável.
Dica
Escreva a aproximação linear para e para e subtraia-as: os restos dão . Para o valor absoluto, o numerador é .
Resposta
O valor absoluto tem quociente simétrico em , e não é derivável ali.
Solução desenvolvida
Solução
Pela aproximação linear, com , o resto cumpre . Ao trocar por , pelo teorema da composição, também .
Subtraem-se as duas igualdades e divide-se por ; pelo teorema do limite de uma combinação linear, os dois quocientes dos restos dão .
Para o valor absoluto em , o numerador é nulo para todo , e o quociente simétrico tende a ; no entanto, as derivadas laterais são e . O quociente simétrico faz a média dos dois coeficientes angulares laterais e oculta o ponto anguloso.