Cálculo (Volume 1)/Aplicações das derivadas: diferenças entre revisões

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<math> T= \frac{x}{n}</math>
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A taxa é uma relação linear, que pessupõe o comportamento de dependência direta entre os termos; se tivéssemos que representar esta taxa em um gráfico, onde variássemos a quantidade de recipientes ''"n"'' e calculássemos o valor de ''"x"'', mantendo ''"T"'' constante, teríamos uma reta. É plausível pensar que a taxa ''"T"'' é constante, porém na natureza e no nosso cotidiano encontramos situações que raramente mostram a constância que observamos nesta equação, o mais comum é que tenhamos uma taxa diferente para cada situação em que nos deparamos.
A taxa é uma relação linear, que pressupõe o comportamento de dependência direta entre os termos; se tivéssemos que representar esta taxa em um gráfico, onde variássemos a quantidade de recipientes ''"n"'' e calculássemos o valor de ''"x"'', mantendo ''"T"'' constante, teríamos uma reta. É plausível pensar que a taxa ''"T"'' é constante, porém na natureza e no nosso cotidiano encontramos situações que raramente mostram a constância que observamos nesta equação, o mais comum é que tenhamos uma taxa diferente para cada situação em que nos deparamos.


Um caso típico, é a medida de velocidade de um corpo em movimento, se imaginarmos um carro andando pelas ruas de uma cidade, é impossível visualizar uma situação em que o carro tenha que se manter em velocidade constante por todo tempo que se mova a fim de chegar a seu destino. Uma vez que temos um ponto inicial <math>S_i</math> e um final <math>S_f</math>, além de um instante inicial <math>t_i</math>e um final <math>t_f</math>, também podemos calcular a velocidade média desenvolvida pelo veículo neste trajeto, que é:
Um caso típico, é a medida de velocidade de um corpo em movimento, se imaginarmos um carro andando pelas ruas de uma cidade, é impossível visualizar uma situação em que o carro tenha que se manter em velocidade constante por todo tempo que se mova a fim de chegar a seu destino. Uma vez que temos um ponto inicial <math>S_i</math> e um final <math>S_f</math>, além de um instante inicial <math>t_i</math>e um final <math>t_f</math>, também podemos calcular a velocidade média desenvolvida pelo veículo neste trajeto, que é:

Revisão das 10h56min de 19 de agosto de 2005

Aplicações das derivadas

Vamos começar a colocar em prática esses conceitos que aprendemos até então, a derivada de uma função é utilizada para diversas finalidades, algumas delas vamos explorar neste capítulo, porém não é possível generalizar as aplicações que podemos atribuir às derivadas, muitos recursos podem ser criados a partir dos seus conceitos, bastando para isto que a criatividade de cada mente possa se manifestar.

A derivada é a medida da declividade de uma reta tangente a cada ponto da função de onde surgiu, ela também é uma função que fornece valores relativos de muita utilidade, podemos também lembrar que o ângulo da reta tangente ao ponto da curva inicial pode ser encontrado através da derivada, pois a derivada fornece o valor da tangente deste ângulo.

Enfim, temos muito o que extrair das derivadas, elas nos fornecem vários artifícios para manipular os números em uma função, possibilitando diversas maneiras de extrair informações, elas trazem um novo meio, capaz de nos trazer novas formas de analisar dados numéricos, vejamos o que podemos aproveitar de imediato...

Taxas

A maneira genérica de representar uma quantidade fracionada, o que nos leva a uma quantidade dentro de diversos conteúdos é a taxa ou relação; de maneira efetiva temos um total "x" de porções "T" em "n" recipientes, esta simples representação mostra como uma taxa é estabelecida:

A taxa é uma relação linear, que pressupõe o comportamento de dependência direta entre os termos; se tivéssemos que representar esta taxa em um gráfico, onde variássemos a quantidade de recipientes "n" e calculássemos o valor de "x", mantendo "T" constante, teríamos uma reta. É plausível pensar que a taxa "T" é constante, porém na natureza e no nosso cotidiano encontramos situações que raramente mostram a constância que observamos nesta equação, o mais comum é que tenhamos uma taxa diferente para cada situação em que nos deparamos.

Um caso típico, é a medida de velocidade de um corpo em movimento, se imaginarmos um carro andando pelas ruas de uma cidade, é impossível visualizar uma situação em que o carro tenha que se manter em velocidade constante por todo tempo que se mova a fim de chegar a seu destino. Uma vez que temos um ponto inicial e um final , além de um instante inicial e um final , também podemos calcular a velocidade média desenvolvida pelo veículo neste trajeto, que é:

ou

Agora imagine que tenhamos que medir tempos e distâncias cada vez menores, o que nos levaria a medir quase que instantaneamente os valores, então teríamos uma medida instantânea da velocidade, isto é equivalente a fazer com que o valor de se aproxime de zero:

Isto não nos lembra algo conhecido? Exatamente, uma derivada; a velocidade medida a cada instante é uma taxa tomada quando os tempos de medição se aproximam do limite entre um e outro, então teremos o valor da velocidade para cada instante, tal qual teríamos se estivéssemos observando o velocímetro do carro...

A constatação acima nos fornece um meio de calcular, a partir de valores sugeridos, o valor da velocidade instantânea, precisamos apenas da função "s" em função do tempo, depois podemos obter a derivada de "s" com relação a "t" e teremos:

 

Que é a velocidade instantânea de qualquer corpo que tenha seu deslocamento expresso pela função , todos os movimentos que um corpo físico pode desenvolver podem ser expressos sob este método de cálculo, uma vez que qualquer curva de deslocamento pode ser lançada na fórmula da derivada, podendo ser calculada em seguida.

Podemos ainda fazer o cálculo da aceleração do mesmo corpo:

O que nos dá a aceleração instantãnea:

ou


Note que ao derivarmos a função duas vezes estamos criando uma derivação dupla, que podemos simbolizar desta forma:


Esta expressão também é conhecida como "derivada segunda da função", o termo "segunda" designa o que chamamos de ordem da derivada, que indica quantas vezes a primeira função foi derivada, portanto temos o termo ordinal sempre indicando quantas vezes foi calculada a derivada.

Note que a derivação subseqüente de funções puramente algébricas sempre leva a zero, isto ocorre porque o grau do polinômio decresce até que reste apenas uma constante, a qual resulta em zero no último cálculo diferencial subseqüente.

Máximo, mínimo e médio

Considerando que uma função não constante deve ter um valor máximo e outro mínimo em um segmento de seu domínio, quais são as possibilidades de análise que teríamos com as suas derivadas, visto que estas expressam tendências da declividade da função?

Vejamos o que podemos extrair das derivadas de uma função, que são expressões da declividade da curva que a representa e nos intui a possibilidade de antever o curso dos valores da função ao longo do domínio.

Extremos de um intervalo

Seja a função cujo domínio limitamos em , a menos que seja constante,

 (1) Há um numero  cujo seu correspondente na imagem  é menor que todos os outros no domínio.
 (2) Há um numero  cujo seu correspondente na imagem  é maior que todos os outros no domínio.
T15 - Valor extremo

Considere agora que existe um número c, de forma que , que é domínio da função , podemos provar que:

Se 

ou

Se 

então 

Quando temos um número, dentro do intervalo, que obedece as condições acima, dizemos que é um "número crítico"; todas as vezes que uma função contínua tem um número cujo valor correspondente na imagem é maior ou menor que os valores dos outros, temos um máximo ou um mínimo no intervalo, intuitivamente, se a função é contínua e há um valor maior ou menor que os outros no mesmo intervalo é fácil concluir que a função terá que variar sua curva, variando a declividade de um valor positivo para outro negativo, o que nos leva a conclusão que, no limite entre os dois, ela terá que ser zero, fica claro então que quando há um extremo no intervalo, o valor numérico de sua derivada é nulo.

Vejamos a demonstração algébrica do teorema:

Seja os números , onde c é um número crítico do intervalo considerado, inicialmente, observando a derivada de , quando este valor é o maior no intervalo:

e da mesma forma:

O que nos leva a concluir que:

  

Por outro lado se é o menor valor do intervalo:

e da mesma forma:

O que nos leva a concluir que:


Logo em ambos os casos o limite que nos dá a derivada da função em c é nulo.

Portanto sempre que temos um valor de uma função que é extremo em um intervalo, seja maior ou menor, este terá sua derivada nula.

T16 - Teorema de Rolle

Este teorema serve de base para outras demonstrações e observações, também sendo importante para conclusões ao longo do estudo.

Considerando uma função e um intervalo fechado , obedecendo as seguintes condições:

I -  é contínua em ;

II -  é derivável em ;

III - 

Então é possível provar que existe pelo menos um número c no intervalo tal que:


Em decorrência do fato que a função tem dois valores iguais para a e b, além de ser derivável, isto implica na existência de um número crítico c, entre estes dois pontos, visto que o teorema T15 demonstra este fato, além de afirmar que este extremo tem derivada nula, provamos que o teorema é valido para . Por outro lado se a derivada de também é nula, visto que até mesmo antes do limite ser alcançado, portanto:

T17 - Teorema do valor médio para derivadas

Tomemos dois números em um intervalo fechado , quando uma função é contínua neste intervalo temos temos pelo menos um número c, o qual projeta sobre a imagem da função um valor de forma que a sua derivada é igual ao valor da declividade da reta entre os pontos .

A explicação deste fato é facilmente observada no gráfico de qualquer função contínua em um dado intervalo, uma vez que a curva não apresenta rupturas ao longo de seu traçado e entre os pontos há pelo menos uma sinuosidade simples ou uma reta, haverá uma progressão continuada da declividade de um ponto em direção à declividade do outro, neste caso a curva terá sempre que reproduzir valores de declividade de um extremo a outro, de forma que teremos inevitavelmente um ponto cuja reta tangente será paralela a reta definida pelos dois pontos citados.

Algebricamente:

Queremos concluir que onde m é o coeficiente angular da reta determinada pelos valores e seus conseqüentes na imagem da função: .

teremos:

Análises de declive e concavidade

Teste da derivada primeira

Teste da derivada segunda

Pontos de inflexão

Esboço de gráficos