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1. Estudo da variação das funções 2. Funções inversas. 3. Integrais indefinidas e métodos de integração. 4.Integrais definidas e aplicações
Tipologia: Notas de aula
1 / 46
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UNISO
2018
Responsabilidade é saber que cada um de meus atos vai me construindo, vai me definindo, vai me
inventando. Ao escolher o que quero fazer vou me transformando pouco a pouco.
(Savater, 1998, p. 111).
Plano de Ensino
Ementa
4.Integrais definidas e aplicações.
.
Objetivos
Criar habilidades matemáticas para utilização na vida profissional. Obter conceitos matemáticos e
raciocínio lógico para situações do dia a dia. Aprender a usar noções de Cálculo Diferencial como
forte ferramenta de trabalho.
Ao final do componente curricular o aluno deve ser capaz de:
-construir e interpretar gráficos de funções utilizando os conceitos de cálculo desenvolvidos.
-calcular integrais utilizando as técnicas desenvolvidas.
-aplicar os conceitos na resolução de problemas.
-calcular área de regiões planas e volumes de sólidos pelos métodos desenvolvidos.
Sistema de avaliação
-Serão realizadas 3 avaliações individuais (P1, P2, P3), de acordo com calendário pré-
estabelecido com os alunos, cuja nota será de 0 a 10.
as aulas, e terá peso 1 na média final.
-Além disso, haverá prova substitutiva, cuja nota substituirá a menor nota entre as 3 provas, com o
conteúdo da avaliação que obteve a menor nota.
-Assim, a média final (MF) será obtida pela equação:
MF = 10
Se MF for maior ou igual do que 6,0 e frequência mínima de 75%, o aluno está aprovado.
Bibliografia
ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.
Harbra. 1994, v.2.
b) x
x x x x x
x 1 .
4 5 45 1 5
4
c)
2 3 2 32 232 72 7 x. x x. x x x x
d) x x x x x
x
x
x
x
2 ^322 ^3212
2
3
2
3
2
.
e) (^233 )
3
2 3 15 3
5
3 3 5 5
x^ x
xx x x
x
x
x
x
f)
x x x
x x x x
x
x
x
x
2
1 2
1
2
1 2 25 2
5 2
2
5
2
5
2
g) 4 9
7
x
x j) x^3 .x^7 m) x
x
h) x. x k)
5 (^2) x. x n) 3 x. x
i) 5
7
x
x l)
5 6 x. x o) 6
7
x
x p) 7 5
x
DERIVADA DE UMA FUNÇÃO REAL
quociente
b a
f b f a
(1)
Geometricamente,
b a
f b f a
(1)
Esta taxa de variação é o coeficiente angular da reta que passa pelos pontos (a,f(a))e (b,f(b)). Esta
reta recebe o nome de reta secante ao gráfico de f(x) pelos pontos (a,f(a)) e (b,f(b)). O ideal é
valores de a e b. Quando “a” e “b” estiverem suficientemente próximos temos a Taxa Instantânea
de Variação que é matematicamente definida como:
b a
f b f a
b a
lim ,
e como b a (b tende para a) temos a taxa instantânea de variação da função f(x) no instante x =
a.
Graficamente:
A derivada da função no ponto x = a, é a inclinação da reta tangente ao gráfico f(x) no ponto (a,f(a))
h
f x h f x f x h
' ( ) lim 0
A derivada f ’(x) pode ser denotada também dx
df .
Observe que quando calculamos f `(x), a derivada da função f(x) em um instante qualquer x, temos
uma nova função f(x), ou seja, derivada de uma função é também uma função.
Exemplo: Seja f(x) = x². Determine a equação da reta tangente ao gráfico da função f(x) para x =1.
Y=f(x)=f(1)=1²=1. Ponto (1, 1)
A equação da reta tangente ao gráfico de f(x) no ponto (1,1) é:
y=f(a)x+b, ou seja,y=f(1)+b=2x+b y=2x+b
Como a reta é tangente ao gráfico de f(x) no ponto (1,1), temos que este ponto pertence a esta
reta. Assim, de y =2x+b obtemos:1=2 +b ou b=-
Logo, a equação procurada é y =2x-1.
Observe que nesta regra, dependendo do valor de n, podemos ter restrições sobre x. Por exemplo,
se n =
2
então x x x
n 2
1
, daí
1 2
1 2
1
. 2
x x ou seja^2
1 2
1
. 2
x x x.
Logo (x 2
1
)`=
2
1
2
x
,isto é, ( x )`= 2 x
e assim devemos exigir que x>0.
Também, se n=
3
então 3 3
1
x x x
n
Daí
3
2
3
2 1 3
1 3
1
x
x x x
, isto é, 3
3
3 ²
x
x .
Uma vez que
j j^ i
i
x x. Observe que neste caso devemos exigir x 0.
Uma aplicação da derivada
Sabemos que a velocidade média é dada pelo quociente: vm = variaçãodotempo
variaçãodaposição , que é uma
taxa média de variação. Se a posição é dada em função do tempo t por y = f(t) temos que a
velocidade média entre os instantes t 0 e t 1 é determinada por vm = t
y
= 1 0
t t
f t f t
=
t
f t t f t
.
Agora, para calcular a velocidade em cada instante t (velocidade instantânea), devemos observar
intervalos cada vez menores de tempos, ou seja, devemos calcular o limite da velocidade média,
quando t se aproxima de zero:
v(t) = t
f t t f t
t (^)
lim 0
= f ’(t)
Exemplo: Um móvel tem a posição (em km) dada em função do tempo (em h) por f(t) = 20t 2 , então
a sua velocidade no instante t é dada por v(t) = f’(t) = 40t. Logo no instante t = 3h a velocidade
será v(3) = 40.3 =120km/h.
Exercícios resolvidos
a) y=6x b) y=-7x+8 c) y=-3x+x²-1 d) y=-2x
10
y’=6 y’=- 7 y’=2x- 3 y’=-20x
9
e) y=x 5
1
+x²-3x
y’= 2 3
5
5 4 5
4
5
4 1 5
1
x x
x
x
x x x x
f) y=. x 2 x 3
1
y’= 2 21
7 6 7
6
7
6 1 7
1
x x
x x
interprete geometricamente.
Para x=2 temos f(x)=0. Logo o ponto de tangência no gráfico de f(x) é o ponto (2,0) pertence ao
gráfico de f(x) e a reta tangente
f(x)=x²-5x+6 f ’(x)=2x- 5
f `(2)=2.2-5=-1 (^) inclinação da reta tangente procurada
Portanto a equação desta é: y =-1x+b
Como (2,0) está nesta reta temos: 0=-1.2+b e b=2.
E a equação é y = -x+2.
a) y=3x²-
x y’=6x-ln(5). 5
x
b) y=
x
. ³ 2 e 3
x y’=x²
x 2 e
3
x e x
x
x
^
. Calcule f `(x).
x
f x x e
x
x 1 7 ln( 5 ). 3
.( 4 ). ln 5
5
5 x senx x
x
` 15 7 ln( 3 ). 3 2 cos() 4 ( )
4 y x x senx
x
Derivadas - resumo das regras
(k)’ = 0
(kx)’ = k
(x n )’ = n.x n- 1
(u n )’=n.u n- 1 .u’
(e
x )’ =e
x
(e
u )’ = u’.e
u
(a x )’= a x .ln(a)
(a u )’= u’. a u .ln(a)
(lnx)’ = x
(ln(u))’= u
u '
(u.v)’ = u’.v + u.v’
(sen(x))’=cos(x)
(cos(x))’=-sen(x)
(tg(x))’ = sec²(x) (sen (u))’ = u’.cos (u) (cos(u))’= - u’.sen (u) (tg(u))’=u’.sec²(u)
(loga(x))’= x ln a
(loga(u))’= u a
u
. ln
v
u ’= 2 ( )
v
u v uv
REGRA DA CADEIA
Se f(u) e por sua vez u=g(x) então( f ( u ))'( f ( g ( x )))' f '( g ( x )). g '( x )
Exemplos: Calcule a derivada das seguintes funções:
3 2 x 5 x =(x²-5x) 1/ y’ = 1/3 (x²-5x) -2/ .(2x-5) = 3 3 ( ² 5 )²
x x
x
1/ y’ = ½ (3x+9)
-1/ .3 = 2 3 9
3
2 ( 3 9 )
3 1 / 2
x x
2xy+x²y’+1y²+x2yy’=
(x²+2xy)y’ = -y²-2xy
y’ = -y²-2xy/x²+2xy
Exercício: Use a derivação implícita para determinar dy/dx:
a) x²y + x³y²= x f) ln(y-x)=ln(y+x) b) 2xy + y² = x+ y g) (x²-y²)² = y²+x² c) y. sen(y) = 1 – x h) y³ = (x-y)/(x+y) d) sen(y) = xy i) ln(yx) = e xy
e) ey^ = x+y j) x³+y³=
Quando temos vários tipos de funções envolvidas no cálculo da derivada, devemos aplicar
o logaritmo natural e a derivação implícita.
Exemplos:
aplicar logaritmo dos 2 lados ln y = ln xx usar a regra do expoente ln y = x.ln x derivar dos 2 lados (ln y) ‘ = (x.ln x)’ y’/y =1lnx+x.1/x isolar y’ y’ = (lnx+1).y substituir y y’ = (lnx+1).x x
ln y = ln xcos(x) ln y = cos(x).ln(x) y’/y = -sen(x).ln(x)+cos(x).1/x y’ = (-sen(x).ln(x)+cos(x)/x).y y’ = (-sen(x).ln(x)+cos(x)/x).xcos(x)
x e x
ln y =ln
x e x
ln y = e x .ln x
derivando
y’/y = e x .lnx+e x .1/x
y’= e x (lnx+1/x).y
y’ = e x (lnx+1/x)
ex x
Em geral :
Se y=
() ( )
gx f x então ' ( ) .( ( ).ln( ( )))'
( ) y f x g x f x
gx
Exercício: Usando a derivada de logaritmo, calcule y’.
a) Y=
x 2 ^ x e) y=
2 ln( )
x x
b) Y =
ln( x ) x f) y =(x²) x
c) Y =
x ( sen ( x )) g) y = x2x+
d) Y =
sen ( x ) x h)Y = x 2/x
DERIVADAS DE ORDEM SUPERIOR
Observando as regras de derivação, percebemos, que a derivada de uma função f(x), isto é, f ’(x)
ou dx
df , é também uma função. Assim sendo, podemos derivá-la também, obtendo a 2ª derivada
de f(x), que denotaremos por f ’’(x) ou
²
dx
d f .
Da mesma maneira f ' '( x )também é uma função e assim podemos, derivá-la para obter f ' ''( x )
ou
³
dx
d f .
De maneira geral, à partir de uma função f(x) podemos obter a n-ésima derivada de f(x), denotada
por ( )
( ) f x
n ou n
n
dx
d f ,onde n 1 , n (^) .
A derivada de segunda ordem de f é a derivada da derivada de f, a derivada de terceira ordem de f
é a derivada da derivada de segunda ordem, e assim sucessivamente.
y = f(x) função y’ = f ’(x) 1ª derivada y’’= f ’’(x) 2ª derivada y’’’= f ’’’(x) 3ª derivada y(4)^ = f (4)(x) 4ª derivada y (n) = f (n) (x) n-ésima derivada.
Exemplos:
f(x) = x 4 +x 3 +x 2 +x+ f ’(x) = 4x 3 +3x 2 +2x+ f ’’(x) = 12x 2 +6x+ f ‘’’(x) = 24 x+ f (4) (x) = 24 f (5) (x) = 0 (e todas as demais derivadas também)
f(x) = ln x f ’(x) = 1/x f ’’(x) = -1/x 2
f ’’’(x) = 1/x 3 ...
3)f(x) = e -x
f’(x) = -e -x
f”(x) = e -x
f ”’(x) = -e -x ...
Conclusão
Vemos que a derivação é uma técnica matemática de grande poder e versatilidade. É um
dos conceitos centrais do Cálculo, e tem diversas aplicações: Traçado de curvas, Otimização de
funções, Análise de taxas de variação, Cálculo de velocidade e aceleração.
Para cada tipo de função existe uma regra para encontrarmos a derivada. Precisamos
conhecer cada função para aplicar a regra correta. Devemos observar qual é a variável
(geralmente x) e quais são constantes (n, c, k, a, e que representam números fixos). Veja:
3 2 x e
1.1 Função inversível: definição, teoremas e construção de gráficos
Se y =f(x) é uma função estritamente crescente ou estritamente decrescente no intervalo I, então
existe uma função x = f
f
f
Para obter a expressão de f
variáveis.
Exemplos:
(1) y = f(x) = x + 4 é estritamente crescente, então
y = x + 4 - x = - y + 4 x = y – 4 x = f –^1 (y) = y – 4 y = x-4 é a inversa.
(2) y = f(x) = 2x é estritamente crescente, então
y =2x x= y/2 x = f
(3) y = f(x) = ex^ é estritamente crescente, então existe a inversa de f, que é dada por
f
Ou seja, as funções exponencial e logarítmica são inversas uma da outra.
(4) y = f(x) = x 2 não é estritamente crescente (ou decrescente) em |R, por isso devemos tomar um
intervalo de crescimento ou decrescimento. Por exemplo, considerando a função y = f(x) = x 2
definida no intervalo I =(0,+) (estritamente crescente) temos
y =x 2 x = f
decrescente I =(-,0) teríamos y = x 2 x = f
1.2 Funções Trigonométricas Inversas
Como as funções trigonométricas não são estritamente crescentes ou decrescentes, elas
não têm funções inversas. Mas podemos restringir o seu domínio de forma a torná-las crescentes
ou estritamente decrescentes.
Inversa da função seno
Devemos restringir o domínio da função y = sen (x) em -/2 x /2. A inversa da função
seno restrita é denotada por y = arcsen (x) ou y = sen-1(x). ( note que sen-^1 (x) 1/sen(x)).
arcsen(x) = y sen(y) = x e - /2 y /
Assim, se _1 x 1, arcsen(x) é o número entre -/2 y /2 cujo seno é x.A inversa da função
seno, y =arcsen(x) tem domínio [-1,1] e variação [-/2, /2].
Exemplos : 1) arcsen(1/2) = /6. 2) arcsen( 2 /2) = /
Inversa da função co-seno
Devemos restringir o domínio da função y = cos (x) em 0 x . A inversa da função co-seno
restrita é denotada por y = arccos (x) ou y = cos
Assim, se _1 x 1, arccos(x) é o número entre 0 y cujo co-seno é x.
1.3 Derivadas das funções trigonométricas
1) f(x) = sen (x) f ’(x) =cos (x)
Dem.: f ’(x) = h
f x h f x
h
lim 0
= h
x h x
h
sen( ) sen( ) lim 0
=
h
x h x h x
h
sen( ).cos() cos( ).sen( ) sen( ) lim 0
=
(^) h
h x h
h x h
sen( ) cos().
cos( ) 1 limsen( ) 0
h
h x h h
cos( ) 1 lim sen( )lim 0 0
+limcos() 0
x h
(^) h
h
h
sen( ) lim 0
= sen(x).0 + cos(x).1 = cos(x).
2) f(x) = cos(x) f ’(x) = -sen(x)
Demonstração: Exercício
3) f(x) = tg(x) f ’(x) = sec^2 (x)
Demonstração:
f(x) = tg(x) =
cos()
sen( )
x
x
f ’(x) = 2 (cos( ))
cos().cos( ) sen( ).( sen( ))
x
cos( )
cos ( ) sen ( ) 2
2 2
x
cos( )
2 x
= sec^2 (x)
4)(f(x) = cotg(x) f ’(x) = -cossec 2 (x)
Demonstração: Exercício.
5) f(x) = sec(x) f ’(x) = sec(x).tg(x)
Demonstração:
f(x) = sec(x) = cos( )
x
f ’(x) = cos( )
cos ( )
sen( ) 2 x
cos().cos()
sen( )
x x
cos()
sen( ) . cos()
x
x
x
=sec(x) .tg(x).
6) f(x) = cossec(x) f ’(x) = - cossec(x).cotg(x)
Demonstração: Exercício.
2.4 Derivadas das funções trigonométricas inversas
Seja f uma função inversível, com inversa g, temos que f(g(x))=x, para todo xDg. Deste modo,
para todo x Dg [f(g(x))]’ = x’
f ’(g(x)).g’(x) = 1
g’(x) = '( ( ))
f g x
Agora, podemos estabelecer a derivada das funções trigonométricas inversas:
g(x) = arcsen(x) g’(x) = 2 1
x
, -1< x <
Demonstração: Lembre-se que sen (arcsen(x)) = x, pois g(x) =arcsen (x) é inversa de f(x)=sen(x).
g(x) = arcsen(x) g ’(x) = '(arcsen())
f x
= cos(arcsen( ))
x
=
2 1
x
.
cos(arcsen(x)) =
2 1 x , pois arcsen(x) [-/2, /2].
g(x) = arccos(x) g’(x) = - 2 1
x
, -1< x <
Demonstração: Exercício.
g(x) = arctg(x) g’(x) = 2 1
x
Demonstração: Exercício.
Lista de exercícios
d) F(x) = (tg(2x)) 5 n) f(x) = sen( x )
e) F(x) =arcsen(x²) o) f(x) = sec²(x) f) f(x) = cotg(x) p) f(x) = sec(x²)
g) F(x) = cossec(3-x) q) f(x) =
h) F(x) = sen(x).tg(x) r)f(x) = (cos(2x)) 4
i) F(x) = s) f(x) = 5.sen(x²-2)
j) F(x) = tg(x+5)
2. ESTUDO DA VARIAÇÃO DAS FUNÇÕES
Através dos conceitos de diferenciabilidade e de continuidade de uma função num intervalo
contido em seu domínio, vamos descobrir que é possível estudar sua variação e, portanto,
construir o seu gráfico. Para tanto, precisamos estabelecer alguns conceitos e alguns resultados,
como, por exemplo, determinar os intervalos de crescimento e decrescimento, a concavidade, o
ponto de inflexão. Um resultado que é muito importante e estabelece um dos resultados centrais
do Cálculo Diferencial, com consequências fundamentais para o estudo de uma função, a partir de
informações sobre sua derivada num determinado intervalo é o Teorema do Valor Médio.
2.1. Intervalos de crescimento e decrescimento
Seja f uma função definida em um intervalo I.
f é crescente em I se para todos pontos x 1 , x 2 I temos x 1 < x 2 f ( x 1 ) < f ( x 2 ). f é decrescente em I se para todos pontos x 1 , x 2 I temos x 1 < x 2 f ( x 1 ) > f ( x 2 ).
Se y = f(x) é derivável no intervalo J. Então temos:
Se f ’(x) > 0 para todo x interior a J, f(x) será crescente em J. Se f ’(x) < 0 para todo x interior a J, f(x) será decrescente em J.
Se f ’(p) = 0, então p é dito ponto crítico.
Exemplos:
a). f(x) = x 3
b). f(x) = x 2 +3x f ’(x) = 2x+ f ’’(x) = 2> 0 para todo x. Logo f tem concavidade para cima em todo seu domínio. Não há pontos de inflexão.
2.3. Teorema do valor médio
Antes de enunciar o teorema do Valor médio, vamos analisar alguns resultados. O teorema
abaixo garante a existência de pontos extremos (máximo e mínimo) de uma função, sem a
hipótese de que a função seja derivável.
Teorema (Weierstrass): Seja f : [a, b] → R contínua. Então existem x 1 e x 2 em [a, b] tais que:
f(x 1 ) ≤ f(x) ≤ f(x 2 ), para todo x [a, b].
FIGURA 1
Teorema (Rolle): Seja f : [a, b] → R contínua, derivável em (a, b) e tal que f(a) = f(b). Então, existe
pelo menos um c (a, b) tal que f′(c) = 0.
FIGURA 2
A importância do próximo teorema deve-se ao fato dele estabelecer uma relação
importante entre a função e sua derivada.
Teorema do valor Médio: Seja f uma função contínua em [a,b] e derivável em (a,b) então existe c
pertencente a (a,b) tal que
b a
f b f a f c
Em outras palavras, existe pelo menos um ponto no gráfico de f, onde a reta tangente
nesse ponto é paralela à reta secante que liga (a, f(a)) e (b, f(b)), ou seja, a reta tangente ao
gráfico de f traçada pelo ponto (c,f(c)) é paralela à reta que passa por (a,f(a)) e (b,f(b)).
(b,f(b)) (c,f(c))
(a, f(a)) (c,f(c))
FIGURA 3
É preciso observar que o TVM não garante a unicidade do ponto c. Na figura acima, existem dois
desses pontos.
Na figura abaixo apenas um: x 0.