Resumo
Esta aula deriva a derivada. A derivada de uma função é outra função, que por sua vez pode ser derivada: assim se obtêm a segunda derivada, a terceira e, em geral, a derivada de ordem , que para as potências, a exponencial, o seno e o cosseno tem uma fórmula fechada, demonstrada por indução. A derivada de ordem de um produto segue a mesma lei que a potência de um binômio: é a regra de Leibniz. A segunda metade da aula dá sentido, separadamente, aos sinais e da notação de Leibniz: a diferencial é a parte linear do incremento da função, a única que difere dele por uma quantidade desprezível em relação ao incremento da variável. Com ela se aproximam valores e se estima como se propaga o erro de uma medição, sem pretender ainda limitar o erro da aproximação.
Objetivos de aprendizagem
- Definir as derivadas sucessivas, com o seu domínio, e obter por indução a derivada de ordem das potências, da exponencial, do seno, do cosseno e dos polinômios.
- Demonstrar a regra de Leibniz para a derivada de ordem de um produto e aplicá-la quando um dos fatores é um polinômio.
- Definir a diferencial e demonstrar que é a parte principal do incremento, distinguindo de .
- Aproximar valores e estimar erros relativos com a diferencial, sabendo o que a aproximação afirma e o que não afirma.
Derivadas de ordem superior
A derivada de uma função é outra função, e nada impede derivá-la de novo. A derivada de é , e a de é ; a de é , e a de é . Se é a posição de um móvel no instante , a sua derivada é a velocidade, e a derivada da velocidade, que mede com que rapidez muda a própria velocidade, é a aceleração; a aula sobre as taxas de variação estudará essa leitura. Como na aula sobre a derivada como limite, convém fixar com precisão onde está definida cada derivada.
Seja uma função definida em . As derivadas sucessivas de definem-se por recursão: a derivada de ordem é a própria função, e a derivada de ordem é a função derivada da de ordem :
Pela definição de função derivada, o domínio da derivada de ordem é o conjunto dos pontos do domínio de em que é derivável. Diz-se que é vezes derivável num ponto se pertence ao domínio de ; num conjunto , se o é em cada ponto de ; e infinitamente derivável em , se o é para todo . As primeiras escrevem-se com linhas, (a segunda derivada) e ; a partir da ordem quatro, com a ordem entre parênteses, como , para não a confundir com uma potência. Se , na notação de Leibniz escreve-se e , e a operação de derivar vezes, .
Na notação de Leibniz, o expoente do numerador indica quantas vezes se aplica a operação , e o do denominador afeta todo o símbolo , não a variável ; o sinal completo lê-se como um todo. Se é vezes derivável num ponto, cada derivada de ordem menor que é derivável nele e, pelo teorema da aula sobre a derivada como limite segundo o qual derivável implica contínua, é contínua nele. A segunda derivada pode faltar ainda que exista a primeira: a aula sobre as regras de derivação mostrou que é derivável em todo , com derivada , e o valor absoluto não é derivável em , pela proposição da continuidade sem derivada. Donde é derivável uma vez em e duas vezes só em , onde a sua segunda derivada vale à direita de e à esquerda.
Para não repetir hipóteses sobre o domínio, as funções dos enunciados gerais consideram-se definidas num intervalo aberto , cujos pontos são todos pontos de acumulação de . Nada se perde: pela segunda afirmação do lema do caráter local da derivada, da aula sobre as regras de derivação, num ponto de um intervalo aberto contido no domínio a derivada de uma função é a da sua restrição ao intervalo, e, por indução, o mesmo ocorre com as derivadas sucessivas. Assim, estuda-se em e em .
Sejam e funções definidas num intervalo aberto e vezes deriváveis em , e seja um número real. Então é vezes derivável em , e em . Aplica-se vezes o teorema da derivada de uma combinação linear, da aula sobre as regras de derivação.
Demonstração
Para é o teorema da derivada de uma combinação linear, em cada ponto de .
Se a igualdade vale para , e e são vezes deriváveis em , a função é combinação linear de duas funções deriváveis em ; pelo mesmo teorema, é derivável em . Pelo princípio de indução, a igualdade vale para todo .
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