Estudaremos aplicações sobre propriedades de derivação, obtendo novas propriedades que nos permitiram estudar a variação de uma função determinando intervalos de crescimento o decrescimento, pontos de extremo, intervalos de concavidade e pontos de inflexão.
6.2.1 Função: Crescente ou Decrescente.
Definição 6.4
Seja f: R R uma função, e I D(f).
a) Diz-se que f(x) é não decrescente em I , quando x1 , x2 I com x1 < x2 tem-se que f(x1) f(x2).
b) Diz-se que f(x) é não crescente em I, quando x1, x2 I com x1 < x2 tem-se que f(x1) f(x2).
c) Diz-se que f(x) é crescente em I, quando x1 , x2 I com x1 < x2 tem-se que f(x1) < f(x2).
d) Diz-se que f(x) é decrescente em I, quando x1 , x2 I com x1 < x2 tem-se que f(x1) > f(x2).
Propriedade 6.1
Suponha f: [a, b] R seja uma função contínua em [a, b] e com derivada em (a, b) ; tem-se:
a) Se f'(x) > 0, x (a, b) ; então, f é crescente em [a, b].
b) Se f'(x) < 0, x (a, b) ; então, f é decrescente em [a, b].
Demonstração (a)
Sejam x1, x2 [a, b] com x1 < x2 . As condições a) e b) da Propriedade (5.21) são verificadas no subintervalo [x1, x2] de [a, b] ; logo, pelo T.V.M. Existe c (x1, x2) tal que f(x2) - f(x1) = (x2 - x1).f'(c) .
Como c (x1, x2) , então c (a, b) ; logo, pela hipótese f'(c)>0 , e como x1 - x_2 > 0 , segue que f(x2) - f(x1) = (x2 - x1).f'(c) > 0 .
Logo, x1, x2 [a, b] com x1 < x2 tem-se f(x1) < f(x2) e f é crescente em [a, b].
Demonstração (b)
Exercício para o leitor.
Propriedade 6.2 Condição suficiente de extremo com a derivada 1a .
Seja y = f(x) uma função definida numa vizinhança B(c, ) do ponto x = c , contínua em B(c, ) e com derivada em B(c, ) , exceto possivelmente em x = c então:
a) Se f'(x) > 0, x (c-, c) e f'(x) < 0, x (c, c + ) , então f(c) é ponto de máximo local de f .
b) Se f'(x) < 0, x (c - , c) e f'(x) > 0, x (c, c + ) , então f(c) é ponto de mínimo local de f .
Demonstração (a)
Das hipóteses e da Propriedade (6.1), segue que f é crescente em (c-, c) e decrescente em (c, c+) ; logo f(x) f(c) x B(c, ) e deduz-se da Definição (5.12) que f(c) é um máximo local de f .
Demonstração (b)
Exercício para o leitor.
Propriedade 6.3 Condição suficiente de extremo com a derivada 2a
Seja y = f(x) uma função com derivada de segunda ordem contínua em uma vizinhança B(c, ) de x = c , de modo que f'(c) = 0 e f'(c) 0 então:
a) Se f''(c) > 0 , então f(c) é ponto de mínimo local de f .
b) Se f''(c) < 0 , então f(c) é ponto de máximo local de f .
Demonstração (a)
Da definição de derivada,
f''(c) = =
pois f'(c) = 0 .
Por hipótese f''(x) é contínua em x = c e f''(c) > 0 , então > 0 , logo tem-se para h > 0 (suficientemente pequeno) que, f'(x)> 0, x (c, c+) .
De modo análogo, para h < 0 (suficientemente pequeno) temos f'(c+h) < 0 o que implica f'(x) < 0, x (c - , c) ; aplicando a Propriedade (6.2) para a função f'(x) resulta que f(c) é um mínimo local de f.
Demonstração (b)
Exercício para o leitor.
Observação 6.1 Critério da derivada 1ª.
A Propriedade (6.1) permite estabelecer o seguinte critério para determinar os máximos ou mínimos relativos de uma função contínua.
1o Determinar os pontos críticos de f .
2o Se c é um ponto crítico, deve-se determinar o sinal de f'(x) , primeiro para valores próximos à esquerda de c e logo para valores próximos depois de c .
3o Se o sinal muda de + para - , então f(c) é mínimo relativo; e se o sinal muda de - para + ; então f(c) é ponto de máximo relativo.
4o Se não existe mudança de sinal, então não existe nem máximo nem mínimo relativo em x = c .
Observação 6.2 Critério da derivada 2a .
A Propriedade (6.2) permite estabelecer o seguinte critério para determinar os máximos ou mínimos relativos de uma função contínua.
1o Determinar os pontos críticos de f .
2o Determinar a derivada segunda de f .
3º. Para cada ponto x = c crítico determinar f''(c) .
4º. Se f''(c) é positivo, então f(c) é ponto de máximo relativo.
5º. Se f''(c) é negativo, então f(c) é ponto de mínimo relativo.
Figura 6.3:
6º. Se f''(c) é zero ou não existe, o critério é inconsistente.
Exemplo 6.7
Determine os intervalos de crescimento e os extremos relativos da função f(x) = x3 - 3x2 .
Solução
Tem-se que f'(x) = 3x(x - 2); quando f'(x) = 0 resulta x =0 e x = 2 assim, 0 e 2 são pontos críticos.
Aplicando a Propriedade (6.1) construímos a seguinte tabela.
Intervalos Sinal de f'(x) Comportamento Extremos
(-, 0) + crescente f(0) = 0 máx. relat
f(2) = -4 mín.. relat
(0, 2) - decrescente
(2, +) + crescente
O gráfico da função é mostrada na Figura (6.3).
Exemplo 6.8
Determine os intervalos de crescimento e os extremos relativos da função f(x) = x3 - 3x2 - 9x + 2.
Solução
Observe que f'(x) = 3x2 - 6x - 9 = 3(x - 3)(x + 1) , em virtude da \textit{Propriedade \eqref{pro076}} f'(x) = 0 implica x = 3 e x = -1 , e segundo a seguinte tabela:
Intervalos Sinal de f'(x) Comportamento Extremos
(-, -1) + crescente f(-1= 7 máx. relat
f(3) = -25 mín.. relat
(-1, 3) - decrescente
(3, + ) + crescente
Exemplo 6.9
Determine os intervalos de crescimento e os extremos relativos de g(x) = + .
Solução
Tem-se que o D(g) = R- {0}, g'(x) = quando g'(x) = 0 obtém-se os pontos críticos x = 6 e x = -6 ; o ponto x = 0 não é ponto crítico por não pertencer ao domínio D(g) ; porém deve-se considerar este ponto por ser ponto de descontinuidade.
Considere-se a seguinte tabela:
Intervalos Sinal de f'(x) Comportamento Extremos
(-, -6) + crescente f(-6) = -2 máx. relat.
(-6, 0) - decrescente
(0, 6) - decrescente f(6) = 2 mín. relat.
(0, + ) + crescente
Exemplo 6.10
Seja a função f(x) = , determine os pontos de extremos relativos.
Solução
O domínio D(f) = R , e f'(x) = , quando f'(x) = 0 temos que os pontos críticos são: 0,-2 e -3 . Observe que em x = -3 e x = 0 a derivada não existe (é infinita). Aplicando a Propriedade (6.1), para o cálculo dos intervalos de crescimento ou decrescimento, segundo a seguinte tabela, tem-se:
Considere-se a seguinte tabela:
Intervalos Sinal de f'(x) Comportamento Extremos
(-, -3) + crescente
(-3, -2) + decrescente f(-2)= máx. relat
f(0)=0 min. Rela.
(-2, 0) - crescente
(0, + ) + crescente
Exemplo 6.11
Uma empresa apurou que sua receita total (em reais) com a venda de um produto admite como modelo R = -x3 + 450x2 + 52.500x, onde x é o número de unidades produzidas. Qual o nível de produção que gera a receita máxima?
Solução
Temos que R = -x3 + 450x2 + 52.500x , logo R' = - 3x2 + 900x +52500 ; resolvendo R'(x) = -3x2 + 900x + 52500 = 0 -3(x2 - 300x - 17500) = 0 -3(x - 350)(x + 50) = 0 x = 350 ou x = -50 .
Observe que R''(x) = - 6x + 900 R''(350) < 0 , assim quando x = 350 o nível de produção gera a receita máxima.
Exemplo 6.12
Seja a função f(x) = determine os extremos relativos.
Solução
Tem-se que D(f) = R - {2}, f'(x) = o único ponto crítico é x = 2 . Logo:
Intervalos Sinal de f'(x) Comportamento Extremos
(-, 0) - decrescente f(0) = 0 mín.. relat
(0, 2) + decrescente
(2, + ) - crescente
Figura 6.4:
A reta x = 2 é assíntota vertical da curva como mostra a Figura (6.4).
Exemplo 6.13
Seja a > 0, mostre que o máximo absoluto da função:
f(x) = - é
Solução
Se g(x) = | x | , então: g'(x) = ;
logo tem-se que:
f'(x) = . - .
o que implica que a derivada não existe em x = 0 e em x = a .
Quando f'(x) = 0 então . = . onde x = ; assim os pontos críticos são 0, e a
Intervalos Sinal de f'(x) Comportamento Extremos
(-, 0) + crescente
(0, )
- decrescente Máx. local em f(0)
Mín. local em f( )
Máx. local em f(a)
( , a)
+ crescente
(a, + ) - decrescente
Tem-se que f(0) = 1 + = ; f( ) = e f(a) = , considerando que f é contínua e do fato f( ) < f(0) = f(a) concluímos que o máximo absoluto de f(x) é f(a) = .
Exemplo 6.14
Determine os valores de a, b e c de modo que a função f(x) = ax4 + bx2 + c tenha extremo relativo em x = , e que a equação da tangente no ponto de abscissa x = -1 seja 2x - y + 4 = 0 .
Solução
A derivada f'(x) = 4ax3 + 2bx como x = é ponto crítico tem-se f'( ) = 4a( )3 + 2b( ) = 0 assim + b = 0 .
Por outro lado, m = 2 é o coeficiente angular da reta tangente quando x = -1 , então f'(-1) = -4a - 2b = 2 .
Na reta tangente, quando x = -1 tem-se y = 2 e na função, f(-1) = a + b + c = 2.
Resolvendo as três igualdades: + b = 0 , -4a - 2b = 2 e a + b + c = 2 segue que a = - , b = e c =
Portanto, f(x) = - x4 + x2 +
Observação 6.3 Critério para os extremos absolutos de uma função contínua num intervalo fechado.
Se f é uma função contínua no intervalo [a, b] , pela Propriedade (4.6) (Teorema de Weierstrass), f apresenta extremos absolutos. Para o cálculo de seus extremos, considerando que estes podem estar nos extremos do intervalo, é suficiente adicionar os pontos a e b aos pontos críticos de f , logo comparar os valores que f assume em cada um destes postos críticos, o maior é o máximo absoluto e o menor o mínimo absoluto.
Exemplo 6.15
Determine os valores máximos e mínimos absolutos da função f(x) = x3 + 3x2 - 24x -10 em [0, 4].
Solução
Observe que f(x) é contínua no intervalo [0, 4] , e f'(x) = 3(x - 2)(x +4) ;logo seus pontos críticos são 0, 2 e 4 . Por outro lado, f(0) = -10, f(2)= -32 e f(4) = 6 .
Portanto, f(4) = 6 e f(2) = -32 são máximo é e o mínimo absoluto respectivamente.
Exemplo 6.16
Se g(x) = , determine os valores máximos e mínimos absolutos.
Solução
Tem-se g(x) contínua em [-4, 2] e g'(x) = os pontos críticos são -4, -1, 0, 1 e 2 .
Por outro lado, f(-4) = , f(-1) = -2, f(0) = 0, f(1) = -2 e f(2) = - .
Portanto, o valor máximo absoluto é 0 = f(0), e o valor mínimo absoluto é -2 = f(-1) = f(1) .
Exemplo 6.17
Determine o valor máximo da função y = sen x sen 2x .\\
Solução
Desde que sen 2x = 2 sen x cos x , temos que y = sen x sen 2x = 2cos x sen2x = 2cos x(1 - cos2x) . Considere z = cos x , logo -1 z 1 . A função g(z) = z - z3 = z(1-z2) assume valores negativos no intervalo -1 z < 0 , é igual a zero se z = 0 , e assume valores positivos no intervalo 0 < z 1 .
Quando g(z) = z(z-z2) então g'(z) = 1 - 3z2 , fazendo g'(z) = 0 segue que z = são pontos críticos; g(z) tem valor máximo relativo em z = .
Logo a função y = sen x sen 2x alcança seu valor máximo nos pontos nos quais z = cos x = este valor acontece quando x = 0,777 .
Exemplo 6.18
Mostre que a função f(x) = x - ax alcança seu valor mínimo igual a (1- ) , no ponto x = , sempre que a > 0, > 1, x > 0 .
Solução
Da função f(x) = x- ax segue que f'(x) = x - 1 - a , quando f'(x) = 0 , então x = . Por outro lado, a derivada segunda de f(x) é f''(x) = ( - 1)x - 2 > 0 pela hipótese de .
O critério da derivada segunda permite afirmar que f(x) atinge seu valor mínimo igual a (1- ) , no ponto x = .
Propriedade 6.4 Desigualdade de Holder.
Se p > 1, + = 1, x > 0 e y >0 , tem-se que xy + .
Demonstração
Pelo Exemplo (6.18), se > 1, a > 0 e x > 0 , para a função f(x) = x - ax temos que f(x) f( ) , isto é
x - ax > (1- ) (6.2)
Considerando nesta desigualdade = p e a = py , encontramos em (6.2) xp - (py)x > (1- p) .
Como + = 1 resulta = 1 - = q = , p - 1 = , então xp - pyx - yq de onde xy + .
Exemplo 6.19
Seja a > 0, mostre que o valor máximo da função f(x) = - atinge quando x = .
Solução
Temos f(x) = de onde
f’(x) =
Observe que f(x) cresce no intervalo (- , 0) e ecresce no intervalo [a, + ) , logo o máximo de f(x) acontece no intervalo [0, a] .
Quando f'(x) = 0 , para x (0, a) então (1+x)2-(1-x+a)2= 0 x = . Como f( ) = < = f(0) = f(a) , o máximo é .
Exemplo 6.20
Um comerciante vende 2.000 unidades por mês ao preço de R$ 10 cada. Ele pode vender mais 250 unidades por mês para cada R$ 0,25 da redução no preço. Que preço unitário maximizará a receita?.
Solução
Seja q o número de unidades vendidas em um mês, consideremos p o preço unitário, e R a receita mensal, supondo em condições de livre concorrência a receita é dada por R = qp ; quando p preço p = 10 temos que q = 2.000 ; e, quando p = 10,0, - 0,25 = 9,75 temos que q = 2.250 .
Com esta informação podemos obter o coeficiente angular da reta que passa pelos pontos (10, 2.000) e (9,75 ; 2250) onde m = = ; logo p = -0,001q + 12 ; considerando esta última igualdade na equação da receita obtemos R = q(-0,00q + 12) R '= 12 - 0,002q q = 6.000 ; observe que R '' = - 0,002 < 0 .
Figura 6.5:
Quando q = 6.000 o nível de produção proporciona receita máxima; neste caso p = 12 - 0.001(6.000) = 6 reais.