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Matemática · Glossário

O que é derivada?

Definição 14.1 Matemática universitária — Graduação 1 · Capítulo 14 — Derivação

f ⁣:I→Rf \colon I \to \R é derivável em x0∈Ix_0 \in I quando o quociente de diferenças f(x)−f(x0)x−x0\frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} tem limite (finito) quando x→x0x \to x_0; o limite é escrito f′(x0)f'(x_0). Equivalentemente:

f(x0+h)=f(x0)+f′(x0) h+h ε(h),ε(h)→h→00,f(x_0 + h) = f(x_0) + f'(x_0)\,h + h\,\varepsilon(h), \qquad \varepsilon(h) \xrightarrow[h \to 0]{} 0 ,

admitindo então o gráfico a reta tangente y=f(x0)+f′(x0)(x−x0)y = f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0). A derivabilidade em x0x_0 implica a continuidade em x0x_0 (leia a expressão). ff é derivável em II quando o é em todo ponto; ff é de classe C1C^1 quando, além disso, f′f' é contínua, e de classe CkC^k quando ff pode ser derivada kk vezes com f(k)f^{(k)} contínua.

Exemplos

Exemplo 14.2

A recíproca de “derivável ⇒\Rightarrow contínua” falha: ∣ ⋅ ∣\abs{\,\cdot\,} em 00. Mais surpreendentemente, derivável não implica C1C^1: a função f(x)=x2sin⁡1xf(x) = x^2 \sin\frac 1x (f(0)=0f(0) = 0) é derivável em toda parte, com f′(0)=0f'(0) = 0, mas f′(x)=2xsin⁡1x−cos⁡1xf'(x) = 2x \sin\frac1x - \cos\frac 1x não tem limite em 00 (Exercício 14.2).

Exemplo 14.3 (Derivável em exatamente um ponto)

Sejam f(x)=x2f(x) = x^2 para x∈Qx \in \Q e f(x)=0f(x) = 0 para x∉Qx \notin \Q. Em 00: ∣f(h)−0h∣≤∣h∣→0\bigl|\frac{f(h) - 0}{h}\bigr| \leq \abs h \to 0, de modo que ff é derivável em 00, com f′(0)=0f'(0) = 0. Em qualquer x0≠0x_0 \neq 0, ff nem sequer é contínua: sequências racionais e irracionais que convergem a x0x_0 mandam ff a x02≠0x_0^2 \neq 0 e a 00, respectivamente (densidade, Teorema 10.14). Assim, a derivabilidade é uma noção genuinamente pontual: ela pode valer num ponto de R\R e em nenhum outro. A moral para a prática: enunciados como o critério de monotonicidade ou Rolle exigem a derivada num intervalo — possuir f′(x0)f'(x_0) em pontos isolados, por mais numerosos que sejam, não sustenta conclusão global alguma.

Exemplo 14.6 (Derivadas de inversas, duas vezes)

O teorema recalcula as derivadas clássicas sem nenhum trabalho com limites. Para ln⁡=exp⁡−1\ln = \exp^{-1}: em y=exy = \eu^x,

(ln⁡)′(y)=1exp⁡′(x)=1ex=1y,(\ln)'(y) = \frac{1}{\exp'(x)} = \frac{1}{\eu^{x}} = \frac1y ,

válido para todo y>0y > 0, pois exp⁡′=exp⁡\exp' = \exp nunca se anula. Para arctan⁡=tan⁡−1\arctan = \tan^{-1}: em y=tan⁡xy = \tan x,

(arctan⁡)′(y)=11+tan⁡2x=11+y2,(\arctan)'(y) = \frac{1}{1 + \tan^2 x} = \frac{1}{1 + y^2} ,

usando tan⁡′=1+tan⁡2>0\tan' = 1 + \tan^2 > 0. A ideia de fechamento: a fórmula converte conhecimento sobre uma função em conhecimento sobre a sua inversa ao preço de uma substituição — e a substituição (x=ln⁡yx = \ln y, x=arctan⁡yx = \arctan y) é exatamente a afirmação de que as duas variáveis vivem em lados opostos da bijeção.

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