Resumo
Esta aula encerra a unidade sobre as aplicações das derivadas e, com ela, o curso. Reúne numa só cadeia dedutiva o que as nove aulas da unidade demonstraram: o teorema de Weierstrass, obtido do axioma da completude como o de Bolzano, e o teorema de Fermat, obtido do sinal da derivada em um ponto, dão o teorema de Rolle; deste saem os teoremas do valor médio de Lagrange e de Cauchy, e deles a regra de L’Hôpital, a monotonia pelo sinal da derivada, os testes para os extremos, a convexidade, a otimização e a cota do erro do método de Newton-Raphson. Explica como a unidade se apoia nas duas precedentes e em Álgebra e Geometria, e o que deixa ao curso posterior: a integral, as sequências e as séries, e o polinômio de Taylor. Termina com uma avaliação de saída, paralela à de entrada, e com dez desafios, mais difíceis que os problemas das aulas, cada um dos quais combina resultados de várias delas e das unidades precedentes.
Objetivos de aprendizagem
- Expor em ordem lógica os teoremas principais da unidade, indicando de que resultados precedentes depende cada um e em que demonstrações se reutilizam o teorema de Weierstrass, o teorema do valor médio e a monotonia pelo sinal da derivada.
- Distinguir o que a unidade admite do que demonstra, reconhecer as hipóteses de cada resultado e assinalar onde intervém o axioma da completude.
- Relacionar os resultados da unidade com as unidades sobre os limites e as derivadas, com Álgebra e Geometria e com o que estuda Cálculo II.
- Resolver problemas não rotineiros que combinam a existência de extremos, o valor médio, a regra de L’Hôpital, a monotonia, a convexidade, a curvatura, a otimização e o método de Newton-Raphson.
O que a unidade alcançou
As duas unidades precedentes trabalharam em um ponto: o limite em um ponto, a continuidade em um ponto, a derivada em um ponto. Esta unidade passou do pontual ao global, e a ponte foi o axioma da completude. O teorema de Weierstrass, demonstrado com o supremo como o de Bolzano, assegura que uma função contínua em um intervalo fechado e limitado atinge seu máximo e seu mínimo; o teorema de Fermat, que sai do sinal da derivada em um ponto, diz onde podem estar os extremos interiores; e juntos dão o teorema de Rolle, do qual se seguem os dois teoremas do valor médio. O de Lagrange escreve-se assim:
Essa igualdade converte uma informação sobre a derivada em todos os pontos de um intervalo numa informação sobre os valores da função, e quase todo o resto da unidade é uma leitura dela: a monotonia, os testes para os extremos, a convexidade, a regra de L’Hôpital, pela versão de Cauchy, e a cota do erro do método de Newton-Raphson. As demonstrações citam esses teoremas em vez de refazer o argumento.
A existência e o valor médio
A aula sobre o teorema de Weierstrass demonstrou primeiro o teorema da limitação, tomando o supremo dos pontos até os quais a função é limitada e avançando além dele com a limitação local que a continuidade dá; depois, que o supremo dos valores é atingido, porque, se não fosse atingido, o inverso da distância dos valores a ele seria contínuo e ilimitado. Mostrou com contraexemplos que nenhuma hipótese sobra (um intervalo aberto, um ilimitado, uma função descontínua e os racionais, onde falta a completude), deduziu com o teorema do valor intermediário que a imagem de um intervalo fechado e limitado é outro intervalo do mesmo tipo, e que uma função com valores iguais nos extremos de um intervalo atinge um extremo em seu interior. A aula sobre os teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy definiu os extremos locais como enunciados quantificados, demonstrou com o sinal da derivada em um ponto que a derivada se anula em um extremo local interior, e obteve em sucessão os teoremas de Rolle, do valor médio de Lagrange e do valor médio de Cauchy, mostrando a necessidade de suas hipóteses. Seus corolários foram as primeiras conclusões globais: uma função com derivada nula em um intervalo é constante, duas funções com a mesma derivada diferem por uma constante, uma cota da derivada limita os incrementos, entre duas raízes de uma função há uma raiz de sua derivada, e o limite da derivada, se existe, é a derivada. A aula sobre a regra de L’Hôpital demonstrou-a com o teorema de Cauchy, para a forma e, com mais cuidado, para a forma , de um lado de um ponto, no ponto e no infinito; reduziu a elas as formas , , , e , mostrou que a regra não decide quando o quociente das derivadas não tem limite, advertiu que não serve para os limites com que se calcularam as derivadas, e obteve dela o corolário das derivadas nulas em um ponto, que compara o incremento de uma função com uma potência de .
A monotonia, os extremos e a forma do gráfico
A aula sobre a monotonia demonstrou, com o teorema do valor médio, que uma derivada não negativa em um intervalo dá uma função crescente, e uma positiva, estritamente crescente, e caracterizou a monotonia estrita com derivada não negativa: a derivada não deve anular-se em todo um intervalo. Assim se cumpriram as promessas da unidade sobre as derivadas, como a de que uma derivada positiva em um intervalo basta para que a inversa exista e seja derivável. Definiu os pontos críticos, demonstrou o teste da primeira derivada e o teorema de Darboux, segundo o qual uma derivada assume todos os valores intermediários ainda que não seja contínua, de modo que não tem descontinuidades de salto, e deduziu que uma derivada sem zeros em um intervalo não muda de sinal. A aula sobre os máximos e mínimos definiu os extremos absolutos e estritos; demonstrou o teste da segunda derivada e, com a regra de L’Hôpital e sem o polinômio de Taylor, o das derivadas sucessivas, que decide pela paridade da primeira ordem com derivada não nula; e buscou os extremos absolutos em um intervalo fechado e limitado entre os extremos do intervalo e os pontos críticos, e em um intervalo aberto ou ilimitado com os limites nos extremos do intervalo e com a monotonia, que dá também que um extremo local no único ponto crítico é absoluto. A aula sobre a concavidade e a convexidade definiu a convexidade pela posição do gráfico em relação a suas cordas, com a convenção da unidade (convexa, abaixo de suas cordas), e demonstrou que, para uma função derivável, ser convexa equivale a ter derivada crescente e a que o gráfico fique acima de suas tangentes, e, para uma duas vezes derivável, a que a segunda derivada não seja negativa; definiu os pontos de inflexão, decidiu-os pela mudança de sinal da segunda derivada ou pela terceira derivada, mostrou com que uma segunda derivada nula não basta, e obteve a desigualdade de Jensen e a das médias geométrica e aritmética. A aula sobre a curvatura definiu a circunferência osculadora como a que tem no ponto o mesmo valor, a mesma derivada e a mesma segunda derivada que a função; demonstrou com a derivação implícita que ela existe e é única quando a segunda derivada não se anula, com raio e centro na normal, do lado para o qual o gráfico se curva, e mostrou que esse centro é o limite das interseções de normais próximas.
A otimização e a aproximação
A aula sobre os problemas de otimização fixou um método em cinco etapas (a variável, a função, o domínio, os extremos absolutos com sua justificação e a conclusão), cujo ponto decisivo é justificar que o extremo encontrado é absoluto: com o teorema de Weierstrass se o domínio é fechado e limitado, e, se não, com o sinal da derivada, a convexidade ou os limites nos extremos do intervalo. Demonstrou que uma função e sua composição com uma função estritamente crescente atingem seus extremos nos mesmos pontos, que o ponto de um gráfico mais próximo de um ponto dado existe e está em uma normal, e deduziu do tempo mínimo as leis da refração e da reflexão. A aula sobre o método de Newton-Raphson substituiu o gráfico por sua tangente para aproximar uma raiz; tratou as iterações como uma função definida nos naturais, com a definição do limite no infinito e sem a teoria das sequências; demonstrou com a convexidade e o ínfimo das iterações que, a partir do lado certo, elas se aproximam da raiz sem ultrapassá-la e convergem para ela, e que a partir do lado errado a primeira iteração salta para o lado certo; limitou o erro com o teorema do valor médio, mostrou as falhas do método (uma derivada nula, um ciclo, iterações que escapam) e comparou-o com a bisseção, que ganha um algarismo binário a cada iteração, enquanto o método de Newton-Raphson, perto de uma raiz simples, duplica nos exemplos o número de algarismos corretos.
O que se admite, o que se demonstra e o que fica
O balanço da unidade pode resumir-se assim:
- Admitem-se o axioma da completude, que a unidade usa diretamente no teorema da limitação, no de Weierstrass e na convergência das iterações de Newton-Raphson; os teoremas das unidades sobre os limites e sobre as derivadas, em particular o teorema de Bolzano, a conservação do sinal, o caráter local da derivada e o sinal da derivada em um ponto; e resultados de Álgebra e Geometria, como as fórmulas trigonométricas, a desigualdade e as leis dos expoentes e dos logaritmos.
- Demonstram-se fatos que a unidade sobre as derivadas tinha anunciado sem poder demonstrá-los: que uma derivada positiva em um intervalo dá uma função crescente, que uma função com derivada nula em um intervalo é constante e que o erro da aproximação pela diferencial pode ser limitado; e a tangente passa a ser um instrumento para aproximar raízes, para comparar o gráfico consigo mesmo e para medir quanto ele se curva.
- Reutilizam-se três instrumentos em vez de repetir argumentos: o teorema de Weierstrass, que dá os extremos; o teorema do valor médio, que traduz o sinal da derivada em informação sobre os valores; e a monotonia pelo sinal da derivada, que sustenta os testes para os extremos e a convexidade.
- Fica para Cálculo II o que exige mais que a derivada: a integral, o comprimento de arco, com o qual a curvatura se lê como a taxa com que gira a tangente, a continuidade uniforme, as sequências e as séries, e o polinômio de Taylor; e para Cálculo III, os extremos das funções de várias variáveis e a curvatura das curvas paramétricas.
A figura abaixo reúne os três trechos numa só cadeia. Cada nó da coluna é uma definição ou um teorema, numerado segundo a ordem lógica e unido por um arco aos elos precedentes que sua demonstração usa; ao redor flutuam os apoios, isto é, os princípios e os instrumentos a que a cadeia recorre repetidas vezes, cada um unido por um traço contínuo aos elos que nele se apoiam e por um traço pontilhado ao elo onde se estabelece, exceto os que provêm das unidades precedentes ou de Álgebra e Geometria, que são desenhados como anéis. Ao clicar em um apoio, destacam-se todos os elos que o usam, e cada elo remete à aula em que é demonstrado.
Apoios da cadeia
- AAxioma da completude. Admite-se, desde Álgebra e Geometria I, que os reais formam um corpo ordenado completo: todo conjunto não vazio de reais limitado superiormente tem supremo, e todo conjunto não vazio limitado inferiormente tem ínfimo. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- BHerança da unidade 1. Resultados demonstrados na unidade sobre os limites e a continuidade: a álgebra de limites; os limites laterais, no infinito e infinitos; a conservação das desigualdades; a continuidade das operações e da composição; a limitação local e a conservação do sinal, para os limites e para as funções contínuas; e os limites notáveis. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- CHerança da unidade 2. Resultados demonstrados na unidade sobre as derivadas: a definição de derivada e as derivadas laterais, que derivável implica contínua, o caráter local da derivada, as regras de derivação e a regra da cadeia, as derivadas das funções elementares, a derivada da função inversa e a derivação implícita, e as derivadas sucessivas. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- DValor intermediário. Demonstrado com o supremo na unidade sobre as derivadas: se é contínua em e e têm sinais opostos, se anula em algum ponto de , que é o teorema de Bolzano; e a imagem de um intervalo por uma função contínua é um intervalo. Admitido sem demonstração nesta unidade.
- ESinal da derivada em um ponto. Demonstrado na unidade sobre as derivadas: se está definida em um intervalo aberto e , existe tal que se , e se ; não se segue que seja crescente perto de . Admitido sem demonstração nesta unidade.
- FExtremos atingidos. Uma função contínua em um intervalo fechado e limitado atinge nele seu máximo e seu mínimo: o instrumento que dá existência aos extremos e aos pontos intermediários dos teoremas subsequentes. Estabelecido em: 2. Teorema de Weierstrass.
- GValor médio. Se é contínua em e derivável em cada ponto de , existe em com : uma informação sobre a derivada em todos os pontos converte-se numa informação sobre os valores. Estabelecido em: 7. Teorema do valor médio de Lagrange.
- HMonotonia pela derivada. Em um intervalo, uma derivada não negativa dá uma função crescente, e uma positiva, estritamente crescente: o instrumento com que se decidem os extremos e a convexidade. Estabelecido em: 12. Monotonia pelo sinal da derivada.
Trecho 1 A existência e o valor médio
- Demonstrar com o supremo que uma função contínua em um intervalo fechado e limitado é limitada e atinge seu máximo e seu mínimo, e mostrar que nenhuma hipótese sobra.
- Localizar os extremos locais interiores com o teorema de Fermat e deduzir dele e do teorema de Weierstrass os teoremas de Rolle, de Lagrange e de Cauchy.
- Obter do valor médio que uma derivada nula dá uma função constante, limitar incrementos e contar raízes.
- Demonstrar com o teorema de Cauchy a regra de L’Hôpital, reduzir a ela as demais formas indeterminadas e não usá-la para os limites com que se calcularam as derivadas.
Teorema da limitação. Se é contínua em um intervalo fechado e limitado , existe um número tal que para todo de .
Apoia-se em: A (Axioma da completude), B (Herança da unidade 1). Demonstrado em: Teorema de Weierstrass dos valores extremos.
Teorema de Weierstrass. Se é contínua em um intervalo fechado e limitado , existem e em tais que para todo de ; nenhuma das hipóteses pode ser omitida.
Usa: 1. Teorema da limitação. Apoia-se em: A (Axioma da completude), B (Herança da unidade 1). Demonstrado em: Teorema de Weierstrass dos valores extremos.
A imagem de um intervalo fechado e limitado. Se é contínua em , e e são seus valores mínimo e máximo nele, a imagem de é o intervalo .
Usa: 2. Teorema de Weierstrass. Apoia-se em: F (Extremos atingidos), D (Valor intermediário). Demonstrado em: Teorema de Weierstrass dos valores extremos.
Um extremo no interior. Se é contínua em , com e , atinge seu máximo ou seu mínimo em algum ponto de .
Usa: 2. Teorema de Weierstrass. Apoia-se em: F (Extremos atingidos). Demonstrado em: Teorema de Weierstrass dos valores extremos.
Teorema de Fermat. Se , definida em , atinge um extremo local em um ponto interior de , isto é, se existe tal que para todos os de com , ou para todos eles, e é derivável em , então .
Apoia-se em: E (Sinal da derivada em um ponto), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy.
Teorema de Rolle. Se é contínua em , com , derivável em cada ponto de e , existe em com .
Usa: 4. Um extremo no interior, 5. Teorema de Fermat. Apoia-se em: F (Extremos atingidos), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy.
Teorema do valor médio de Lagrange. Se é contínua em , com , e derivável em cada ponto de , existe em com : alguma tangente é paralela à corda.
Usa: 6. Teorema de Rolle. Apoia-se em: B (Herança da unidade 1), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy.
Teorema do valor médio de Cauchy. Se e são contínuas em , com , e deriváveis em cada ponto de , existe em com ; se, além disso, não se anula em , então e .
Usa: 6. Teorema de Rolle. Apoia-se em: B (Herança da unidade 1), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy.
Consequências do teorema do valor médio. Seja contínua em um intervalo e derivável em cada ponto interior. Se se anula neles, é constante; duas funções com a mesma derivada diferem por uma constante; se neles, para todos os , de ; e se é derivável em e tem raízes distintas nele, tem pelo menos .
Usa: 6. Teorema de Rolle, 7. Teorema do valor médio de Lagrange. Apoia-se em: G (Valor médio), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Teoremas de Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy.
Regra de L’Hôpital. Se e são deriváveis em , com nele, se e tendem a , ou tende a ou a , quando , e se tende a , real, ou , então tende a ; o mesmo vale pela esquerda, dos dois lados de um ponto e no infinito.
Usa: 8. Teorema do valor médio de Cauchy. Apoia-se em: B (Herança da unidade 1), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Regra de L’Hôpital.
Derivadas nulas em um ponto. Sejam um natural, um intervalo aberto, um ponto de e uma função vezes derivável em e vezes derivável em , com . Então tende a quando .
Usa: 10. Regra de L’Hôpital. Apoia-se em: C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Regra de L’Hôpital.
Trecho 2 A monotonia, os extremos e a forma do gráfico
- Decidir a monotonia pelo sinal da derivada, caracterizar a monotonia estrita e demonstrar o teorema de Darboux.
- Classificar os pontos críticos com os testes da primeira e da segunda derivada e das derivadas sucessivas, e encontrar os extremos absolutos em intervalos fechados, abertos ou ilimitados.
- Caracterizar a convexidade pelas cordas, pela derivada crescente, pelas tangentes e pela segunda derivada, e reconhecer os pontos de inflexão.
- Medir a curvatura de um gráfico com a circunferência osculadora.
Monotonia pelo sinal da derivada. Seja contínua em um intervalo e derivável em cada ponto interior. Se neles, é crescente em , e se , estritamente crescente; com ou , decrescente ou estritamente decrescente. Reciprocamente, se é crescente em e derivável em um ponto interior , então .
Usa: 7. Teorema do valor médio de Lagrange. Apoia-se em: E (Sinal da derivada em um ponto), G (Valor médio), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Monotonia e teste da primeira derivada.
Monotonia estrita com derivada não negativa. Se é contínua em um intervalo e em cada ponto interior, é estritamente crescente em se e somente se não se anula em todos os pontos de nenhum intervalo contido em ; em particular, se só se anula em um número finito de pontos.
Usa: 9. Consequências do teorema do valor médio, 12. Monotonia pelo sinal da derivada. Apoia-se em: H (Monotonia pela derivada), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Monotonia e teste da primeira derivada.
Teste da primeira derivada. Se é contínua em e derivável em cada ponto distinto de , com à esquerda de e à direita, atinge em um máximo local, estrito se as desigualdades o são; com as desigualdades invertidas, um mínimo local; e se é positiva dos dois lados, ou negativa dos dois lados, não há extremo em .
Usa: 12. Monotonia pelo sinal da derivada. Apoia-se em: H (Monotonia pela derivada). Demonstrado em: Monotonia e teste da primeira derivada.
Teorema de Darboux. Se é derivável em um intervalo aberto e são pontos de , assume em todo valor compreendido estritamente entre e ; em consequência, não tem em descontinuidades removíveis nem de salto.
Usa: 2. Teorema de Weierstrass, 5. Teorema de Fermat. Apoia-se em: E (Sinal da derivada em um ponto), F (Extremos atingidos), B (Herança da unidade 1), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Monotonia e teste da primeira derivada.
Derivada sem zeros. Se é contínua em um intervalo com mais de um ponto e derivável em cada ponto interior, com em cada um, tem o mesmo sinal em todos eles e é estritamente monótona em .
Usa: 12. Monotonia pelo sinal da derivada, 15. Teorema de Darboux. Apoia-se em: H (Monotonia pela derivada). Demonstrado em: Monotonia e teste da primeira derivada.
Teste da segunda derivada. Se é derivável em um intervalo aberto e duas vezes derivável em um ponto de , com , atinge em um mínimo local estrito se , e um máximo local estrito se .
Usa: 14. Teste da primeira derivada. Apoia-se em: E (Sinal da derivada em um ponto), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Máximos e mínimos de uma função.
Teste das derivadas sucessivas. Se é vezes derivável em um intervalo aberto e vezes derivável em um ponto de , com , e , então, se é par, atinge em um mínimo local estrito se , e um máximo local estrito se ; e se é ímpar, não atinge em nenhum extremo local.
Usa: 11. Derivadas nulas em um ponto. Apoia-se em: B (Herança da unidade 1). Demonstrado em: Máximos e mínimos de uma função.
Extremos absolutos em um intervalo. Se é contínua em , atinge seus máximo e mínimo absolutos, e cada ponto em que os atinge é , ou um ponto crítico de ; se é contínua em um intervalo aberto, limitado ou não, e algum valor supera seus limites nos dois extremos do intervalo, atinge seu máximo absoluto, em pontos críticos.
Usa: 2. Teorema de Weierstrass, 5. Teorema de Fermat. Apoia-se em: F (Extremos atingidos), B (Herança da unidade 1). Demonstrado em: Máximos e mínimos de uma função.
Extremos absolutos pela monotonia. Se é contínua em um intervalo , é um ponto interior, nos pontos interiores menores que e nos maiores, atinge em seu máximo absoluto em ; e se é o único ponto crítico de em e atinge nele um extremo local, esse extremo é absoluto e estrito em .
Usa: 12. Monotonia pelo sinal da derivada, 16. Derivada sem zeros. Apoia-se em: H (Monotonia pela derivada). Demonstrado em: Máximos e mínimos de uma função.
Convexidade e derivada crescente. Uma função é convexa em um intervalo se para todos os , de e todo de . Se é contínua em e derivável em cada ponto interior, é convexa se e somente se é crescente nos pontos interiores, e estritamente convexa se e somente se é estritamente crescente neles.
Usa: 7. Teorema do valor médio de Lagrange. Apoia-se em: G (Valor médio), B (Herança da unidade 1), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Concavidade, convexidade e pontos de inflexão.
O gráfico acima de suas tangentes. Se é contínua em um intervalo com mais de um ponto e derivável em cada ponto interior, é convexa se e somente se para todo ponto interior e todo de ; em particular, se é convexa e , atinge em seu mínimo absoluto em .
Usa: 21. Convexidade e derivada crescente. Demonstrado em: Concavidade, convexidade e pontos de inflexão.
Convexidade e segunda derivada. Se é contínua em um intervalo com mais de um ponto e duas vezes derivável em cada ponto interior, é convexa se e somente se neles, e é estritamente convexa se, além disso, não se anula em todos os pontos de nenhum intervalo aberto contido em .
Usa: 12. Monotonia pelo sinal da derivada, 13. Monotonia estrita com derivada não negativa, 21. Convexidade e derivada crescente. Apoia-se em: H (Monotonia pela derivada), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Concavidade, convexidade e pontos de inflexão.
Pontos de inflexão. Se é contínua perto de , derivável em e muda de sinal em , o ponto é de inflexão; em um ponto de inflexão em que é duas vezes derivável, , mas isso não basta, como mostra em ; e se e , é um ponto de inflexão e o gráfico atravessa sua tangente.
Usa: 5. Teorema de Fermat, 18. Teste das derivadas sucessivas, 21. Convexidade e derivada crescente, 23. Convexidade e segunda derivada. Apoia-se em: E (Sinal da derivada em um ponto), B (Herança da unidade 1). Demonstrado em: Concavidade, convexidade e pontos de inflexão.
Desigualdade de Jensen. Se é contínua e convexa em um intervalo e derivável em cada ponto interior, então para pontos de e pesos de soma ; com o logaritmo, côncavo, a média geométrica de números positivos não supera a aritmética.
Usa: 22. O gráfico acima de suas tangentes, 23. Convexidade e segunda derivada. Apoia-se em: C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Concavidade, convexidade e pontos de inflexão.
Circunferência osculadora. Se é derivável em um intervalo aberto e duas vezes derivável em um ponto , com e , há exatamente uma circunferência que tem em o mesmo valor, a mesma derivada e a mesma segunda derivada que ; seu raio é , o inverso da curvatura , e seu centro está na normal, acima do ponto se e abaixo dele se .
Apoia-se em: C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Curvatura e raio de curvatura.
Trecho 3 A otimização e a aproximação
- Traduzir um problema geométrico ou físico na busca do extremo absoluto de uma função, em um domínio fixado com precisão, e justificar que o extremo encontrado é absoluto.
- Encontrar o ponto de um gráfico mais próximo de um ponto dado e deduzir do tempo mínimo as leis da reflexão e da refração.
- Aproximar raízes com o método de Newton-Raphson, assegurar sua convergência com a convexidade e limitar o erro com o valor médio.
A distância de um ponto a um gráfico. Se é contínua em um intervalo com mais de um ponto que contém seus extremos, se os tem, algum ponto de seu gráfico está a distância mínima de um ponto ; se a abscissa desse ponto é interior e é derivável nela, está na normal: .
Usa: 2. Teorema de Weierstrass, 5. Teorema de Fermat. Apoia-se em: F (Extremos atingidos), B (Herança da unidade 1), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Problemas de otimização.
A lei de Snell. A duração do caminho que vai de a com rapidez e dali a com rapidez atinge seu mínimo absoluto estrito em um único ponto, onde ; daí, o caminho mais curto entre dois pontos que toca uma reta forma ângulos iguais com a perpendicular a ela, que é a lei da reflexão.
Usa: 22. O gráfico acima de suas tangentes, 23. Convexidade e segunda derivada. Apoia-se em: D (Valor intermediário), C (Herança da unidade 2). Demonstrado em: Problemas de otimização.
Convergência de Newton-Raphson. Se é derivável e convexa em um intervalo aberto , com em todo , e , as iterações a partir de um de com aproximam-se de de forma monótona, sem ultrapassá-la, e convergem para ; a partir de um com , se está em , a primeira iteração leva ao lado certo.
Usa: 16. Derivada sem zeros, 21. Convexidade e derivada crescente, 22. O gráfico acima de suas tangentes. Apoia-se em: A (Axioma da completude), B (Herança da unidade 1). Demonstrado em: O método de Newton-Raphson.
Cota do erro. Se é contínua em um intervalo e derivável em cada ponto interior, com neles, e para um de , então para todo de .
Usa: 7. Teorema do valor médio de Lagrange. Apoia-se em: G (Valor médio). Demonstrado em: O método de Newton-Raphson.
Rumo a Cálculo II. A cadeia detém-se onde termina o curso. Em Cálculo II, o corolário segundo o qual duas funções com a mesma derivada diferem por uma constante fundamenta as primitivas, e a integral une-se à derivada no teorema fundamental do cálculo; com o comprimento de arco, que é uma integral, a curvatura se lê como a taxa com que gira a tangente. As sequências, das quais as iterações de Newton-Raphson foram um primeiro exemplo, e as séries dão às funções definidas nos naturais uma teoria própria. E o polinômio de Taylor, cujo resto se limita com os teoremas de Rolle e de Cauchy, prolonga a reta tangente com as derivadas sucessivas, generaliza o teste das derivadas sucessivas e demonstra, sob hipóteses sobre a segunda derivada, a convergência quadrática do método de Newton-Raphson, que esta unidade só observou em exemplos.
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