Resumo
Esta aula deduz da caracterização de Carathéodory as regras que permitem derivar sem voltar a cada vez à razão incremental: a derivada de uma combinação linear, de um produto, de um inverso e de um quociente. Cada regra se obtém do mesmo modo: o incremento da nova função se escreve como um produto por , com um fator contínuo em , e o valor desse fator em é a derivada. Com as regras derivam-se as potências de expoente inteiro, os polinômios e as funções racionais. A aula termina com as funções definidas por partes: dentro de cada parte vale a fórmula da parte, e nos pontos de junção decidem as derivadas laterais, que nem sempre são as derivadas das fórmulas.
Objetivos de aprendizagem
- Demonstrar com a caracterização de Carathéodory as regras da combinação linear, do produto, do inverso e do quociente.
- Derivar as potências de expoente inteiro, os polinômios e as funções racionais, e precisar o domínio de cada derivada.
- Decidir se uma função definida por partes é derivável em um ponto de junção, com as derivadas laterais.
- Distinguir as hipóteses suficientes das necessárias nas regras, e reconhecer quando as derivadas das fórmulas das partes não dão a derivada da função.
A derivada depende só do que ocorre perto do ponto
A aula sobre a derivada como limite calculou cada derivada com sua razão incremental. Para uma função como , esse cálculo é longo; convém, em vez disso, saber como a derivada se comporta com as operações. Todas as regras desta aula se apoiam na caracterização de Carathéodory, da mesma aula: é derivável em , com , se e somente se existe uma função , contínua em , com , tal que para todo do domínio. Portanto, para demonstrar que uma função é derivável em basta escrever seu incremento como um produto por com um fator contínuo em ; o valor desse fator em é a derivada. O teorema das operações com funções contínuas, da aula sobre limite e continuidade, encarrega-se da continuidade do fator.
Antes convém resolver uma questão de domínios. Duas funções podem ter domínios distintos, e o quociente só está definido onde não se anula. O lema abaixo diz que a derivada não muda ao reduzir o domínio, desde que o ponto continue sendo ponto de acumulação, e que só depende dos valores próximos do ponto.
Sejam uma função definida em , um elemento de , um subconjunto de que contém , e a restrição de a .
- Se é ponto de acumulação de e é derivável em , então é derivável em , e .
- Se é ponto de acumulação de e existe um tal que todo de com pertence a , então é derivável em se e somente se o é, e nesse caso .
A primeira afirmação é o lema da restrição da álgebra dos limites; a segunda, que a definição do limite só olha os pontos próximos.
Demonstração
A razão incremental de é a restrição a da de . Se é ponto de acumulação de , o lema do limite de uma restrição, da aula sobre a álgebra dos limites, dá o mesmo limite.
No segundo caso, todo ponto de distinto de e a distância menor que está em : como é ponto de acumulação de , também o é de , e a primeira afirmação dá uma implicação. Para a outra, se , sejam e uma resposta para a razão de ; o menor de e é uma resposta para a razão de , porque as duas razões coincidem nos que ele cobre.
Da segunda afirmação segue-se que duas funções definidas em que coincidem nos pontos de próximos de são ambas deriváveis em , com a mesma derivada, ou nenhuma o é: as duas têm a mesma restrição a esses pontos. E da primeira, que se e têm domínios distintos, ambos com o ponto , pode-se trabalhar na interseção dos domínios, desde que seja ponto de acumulação dela. Por isso, no que segue, e supõem-se definidas em um mesmo conjunto .
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