Saltar para o conteúdo
Topos Uranos

Regra da cadeia para a derivada da composição de funções

Resumo

Esta aula demonstra a regra da cadeia: se gg é derivável em aa e ff o é em g(a)g(a), a composição f∘gf \circ g é derivável em aa, e sua derivada é o produto f′(g(a)) g′(a)f'(g(a)) \, g'(a). A demonstração usa a caracterização de Carathéodory, que não divide por nada; a aula explica por que o argumento que divide por g(x)−g(a)g(x) - g(a) não basta e em que caso funciona. Com a regra, derivam-se em poucas linhas as composições de potências, raízes, funções racionais e trigonométricas, que com as regras já vistas exigiam desenvolvimentos longos ou não estavam ao alcance. A aula cuida também do domínio da composição, que a fórmula da derivada não mostra, e apresenta a regra na notação de Leibniz, onde parece uma simplificação de frações sem o ser.

Objetivos de aprendizagem

  1. Demonstrar a regra da cadeia com a caracterização de Carathéodory, e explicar por que a demonstração que divide por g(x)−g(a)g(x) - g(a) falha quando g′(a)=0g'(a) = 0.
  2. Derivar composições de duas ou mais funções conhecidas, avaliando cada derivada no ponto que lhe corresponde.
  3. Determinar o domínio de uma composição antes de derivá-la, e reconhecer que as hipóteses da regra são suficientes, mas não necessárias.
  4. Escrever e ler a regra da cadeia na notação de Leibniz.

A derivada de uma composição

Com as regras da aula sobre as regras de derivação e as fórmulas da aula sobre as derivadas das funções elementares, pode-se derivar (2x2+1)12\left(2x^2 + 1\right)^{12}, mas só desenvolvendo a potência em um polinômio de grau 2424, ou aplicando repetidas vezes a regra do produto. E ainda não se pode derivar sin⁡(cos⁡x)\sin(\cos x) nem 1+x2\sqrt{1 + x^2}: nenhuma regra diz o que fazer com uma função aplicada a outra. As duas expressões são composições: (2x2+1)12\left(2x^2 + 1\right)^{12} é a potência t12t^{12} avaliada em t=2x2+1t = 2x^2 + 1, e sin⁡(cos⁡x)\sin(\cos x) é o seno avaliado em t=cos⁡xt = \cos x.

Dois casos particulares já são conhecidos. O problema resolvido 2 da aula sobre as funções elementares demonstrou que f(cx+b)f(cx + b) tem em aa a derivada cf′(ca+b)c f'(ca + b): a função interna é linear, de coeficiente angular cc, e a derivada da externa é avaliada no ponto ca+bca + b, não em aa. E o problema proposto 4 da aula sobre as regras de derivação obteve, por indução, que (f(x))n\left(f(x)\right)^n tem em aa a derivada n(f(a))n−1f′(a)n \left(f(a)\right)^{n - 1} f'(a). Nos dois casos a derivada é um produto: a derivada da função externa, avaliada no valor da interna, vezes a derivada da interna. A ideia é a das taxas de variação: se t=g(x)t = g(x) varia g′(a)g'(a) vezes mais rápido que xx, e f(t)f(t) varia f′(g(a))f'(g(a)) vezes mais rápido que tt, então f(g(x))f(g(x)) varia f′(g(a)) g′(a)f'(g(a)) \, g'(a) vezes mais rápido que xx.

TeoremaRegra da cadeia

Sejam gg uma função definida em AA, derivável em um ponto aa de AA que é ponto de acumulação de AA, e ff uma função definida em um conjunto BB que contém os valores de gg, derivável em b=g(a)b = g(a). Então f∘gf \circ g é derivável em aa, e

(f∘g)′(a)=f′(g(a)) g′(a)(f \circ g)'(a) = f'(g(a)) \, g'(a)

Fatoram-se os dois incrementos com a caracterização de Carathéodory e combinam-se: o incremento de ff é avaliado em t=g(x)t = g(x), e o de gg substitui t−bt - b. A figura mostra, com g(x)=x2g(x) = x^2, f(t)=sin⁡tf(t) = \sin t e a=1a = 1, a secante e a tangente de gg, as de ff em b=1b = 1 e, no final, as de sin⁡(x2)\sin\left(x^2\right), cujo coeficiente angular em 11 é o produto cos⁡1⋅2\cos 1 \cdot 2.

Demonstração

  1. g(x)−g(a)=ψ(x)(x−a),x∈A,f(t)−f(b)=φ(t)(t−b),t∈Bg(x) - g(a) = \dato{psi}{\psi(x)(x - a)}, \quad x \in A, \qquad f(t) - f(b) = \dato{fi}{\varphi(t)(t - b)}, \quad t \in B

    Pelo teorema das caracterizações da derivada, da aula sobre a derivada como limite, existem ψ ⁣:A→R\psi \colon A \to \mathbb{R}, contínua em aa com ψ(a)=g′(a)\psi(a) = g'(a), e φ ⁣:B→R\varphi \colon B \to \mathbb{R}, contínua em bb com φ(b)=f′(b)\varphi(b) = f'(b), tais que:

  2. f(g(x))−f(g(a))=φ(g(x))(g(x)−g(a))=φ(g(x)) ψ(x)(x−a)f(g(x)) - f(g(a)) = \varphi(g(x)) \left(g(x) - g(a)\right) = \resaltar{\varphi(g(x)) \, \psi(x)}(x - a)

    Seja xx um elemento de AA. O número t=g(x)t = g(x) pertence a BB, e a segunda igualdade vale para ele, seja ou não igual a bb; depois, t−b=g(x)−g(a)t - b = g(x) - g(a) é substituído pela primeira fatoração.

  3. γ(a)=φ(g(a)) ψ(a)=φ(b) ψ(a)=f′(g(a)) g′(a)\gamma(a) = \varphi(g(a)) \, \psi(a) = \varphi(b) \, \psi(a) = \resaltar{f'(g(a)) \, g'(a)}

    Como gg é derivável em aa, é contínua em aa, pelo teorema de que derivável implica contínua; e φ\varphi é contínua em b=g(a)b = g(a). Pelo teorema da composição de funções contínuas, da aula sobre limite e continuidade, φ∘g\varphi \circ g é contínua em aa, e o fator γ=(φ∘g) ψ\gamma = (\varphi \circ g) \, \psi também o é, pela regra do produto das operações com funções contínuas. Como aa é ponto de acumulação de AA, que é o domínio de f∘gf \circ g, a caracterização de Carathéodory dá a derivada.

Se gg é derivável em todo AA e ff em todo BB, a regra vale em cada ponto de acumulação de AA, e escreve-se como uma igualdade entre funções: (f∘g)′=(f′∘g) g′(f \circ g)' = (f' \circ g) \, g'. A derivada da função externa é avaliada em g(x)g(x), não em xx; é o erro mais frequente ao aplicar a regra. A vantagem da demonstração está no seu segundo momento: a fatoração de ff vale também em t=bt = b, onde seus dois membros são nulos, de modo que não importa se gg repete seu valor g(a)g(a) perto de aa.