Cálculo Diferencial · 1.º ano (indicativo)

Como calcular derivadas pela definição?

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Resposta curta

Calcular a derivada pela definição é calcular o limite do quociente incremental: f'(x) = lim [f(x + h) − f(x)]/h quando h → 0. Passos: escreva f(x + h), forme a diferença f(x + h) − f(x), simplifique até poder dividir por h e, no fim, faça h → 0. Num ponto a, usa-se f'(a) = lim [f(a + h) − f(a)]/h.

Quando se aplica

A derivada mede a taxa de variação instantânea de f e é o declive da reta tangente ao gráfico. A definição por limite é a base de todas as regras de derivação. Usa-se diretamente quando o enunciado diz «calcule pela definição» ou «justifique com o limite», quando se quer provar uma regra nova, ou quando a função tem um ponto delicado (valor absoluto, funções definidas por ramos) onde as regras não chegam.

Definição de derivada

f'(a) = lim [f(a + h) − f(a)] / h, quando h → 0 Forma equivalente: f'(a) = lim [f(x) − f(a)] / (x − a), quando x → a

Pré-requisitos

  • Calcular limites com indeterminação 0/0 (fatorização, racionalização).
  • Expandir potências: (x + h)2 = x2 + 2xh + h2; (x + h)3 = x3 + 3x2h + 3xh2 + h3.
  • Operar com frações algébricas.

Método passo a passo

  1. Escreva a definição com a função concreta.
  2. Calcule f(x + h), substituindo x por x + h em toda a expressão.
  3. Forme a diferença f(x + h) − f(x) e simplifique: os termos sem h devem desaparecer.
  4. Coloque h em evidência e divida por h. O quociente já não pode dar 0/0.
  5. Faça h → 0 e obtenha f'(x) (ou f'(a), se for num ponto).
  6. Se for um ponto, escreva também a reta tangente: y − f(a) = f'(a)(x − a).
  7. Verifique com uma regra de derivação conhecida.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Derivada num ponto e reta tangente

Enunciado: Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = x2 no ponto a = 3 e escreva a reta tangente.

Resolução:

  1. f(3 + h) = (3 + h)2 = 9 + 6h + h2, e f(3) = 9.
  2. Diferença: f(3 + h) − f(3) = 6h + h2.
  3. Quociente: (6h + h2)/h = 6 + h.
  4. Limite quando h → 0: 6.
  5. Reta tangente: y − 9 = 6(x − 3), ou seja, y = 6x − 9.

Resposta: f'(3) = 6 e a tangente é y = 6x − 9. Verificação: pela regra, (x2)' = 2x, que em x = 3 dá 6.

Exemplo 2 — Função polinomial em qualquer ponto

Enunciado: Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = 3x2 − 2x.

Resolução:

  1. f(x + h) = 3(x + h)2 − 2(x + h) = 3x2 + 6xh + 3h2 − 2x − 2h.
  2. f(x + h) − f(x) = 6xh + 3h2 − 2h.
  3. Divida por h: 6x + 3h − 2.
  4. Faça h → 0: 6x − 2.

Resposta: f'(x) = 6x − 2. Verificação: (3x2)' = 6x e (2x)' = 2.

Exemplo 3 — Função racional

Enunciado: Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = 1/x, com x ≠ 0.

Resolução:

  1. f(x + h) − f(x) = 1/(x + h) − 1/x.
  2. Reduza ao mesmo denominador: [x − (x + h)]/[x(x + h)] = −h/[x(x + h)].
  3. Divida por h: −1/[x(x + h)].
  4. Faça h → 0: −1/x2.

Resposta: f'(x) = −1/x2. Verificação: em x = 2, o declive é −1/4; a função desce, o que é coerente com 1/x decrescente.

Exemplo 4 — Raiz quadrada (nível de exame)

Enunciado: Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = √x, com x > 0.

Resolução:

  1. O quociente é (√(x + h) − √x)/h, que dá 0/0 quando h → 0.
  2. Multiplique pelo conjugado √(x + h) + √x: o numerador fica (x + h) − x = h.
  3. Fica h / [h(√(x + h) + √x)] = 1/(√(x + h) + √x).
  4. Faça h → 0: 1/(2√x).

Resposta: f'(x) = 1/(2√x), para x > 0. Verificação: em x = 4, f'(4) = 1/4; a regra (x1/2)' = (1/2)x−1/2 dá o mesmo.

Erros frequentes

  • Escrever f(x + h) = f(x) + h. Substitua x por x + h em toda a expressão: (x + h)2 não é x2 + h2.
  • Substituir h = 0 cedo demais, obtendo 0/0. Primeiro simplifique, depois faça h → 0.
  • Esquecer os termos em h2 ou h3 na expansão da potência; desaparecem só depois de dividir por h.
  • Errar nos sinais ao subtrair f(x), sobretudo em frações. Use parênteses.
  • Escrever o limite sem o símbolo lim nos passos intermédios, o que tira clareza à resolução.
  • Dizer que a função é derivável sem verificar os limites laterais, em pontos como |x| em 0.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = 5x + 2.

Ver solução

f(x + h) − f(x) = 5h; dividindo por h dá 5. Logo f'(x) = 5.

2Exercício 2

Calcule, pela definição, f'(2) para f(x) = 2x2 − x + 3.

Ver dica

Calcule f(2 + h) e f(2) separadamente.

Ver solução

f(2) = 8 − 2 + 3 = 9. f(2 + h) = 2(4 + 4h + h2) − 2 − h + 3 = 9 + 7h + 2h2. A diferença é 7h + 2h2; dividindo por h dá 7 + 2h → 7. Logo f'(2) = 7 (confirmação: 4x − 1 em x = 2 dá 7).

3Exercício 3

Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = x3.

Ver solução

(x + h)3 − x3 = 3x2h + 3xh2 + h3. Dividindo por h: 3x2 + 3xh + h2 → 3x2. Logo f'(x) = 3x2.

4Exercício 4

Calcule, pela definição, a derivada de f(x) = 1/(x + 1), com x ≠ −1.

Ver solução

1/(x + h + 1) − 1/(x + 1) = [(x + 1) − (x + h + 1)]/[(x + h + 1)(x + 1)] = −h/[(x + h + 1)(x + 1)]. Dividindo por h e fazendo h → 0: f'(x) = −1/(x + 1)2.

5Exercício 5

Mostre, pela definição, que f(x) = |x| não é derivável em x = 0.

Ver dica

Calcule os limites laterais de f(h)/h quando h → 0.

Ver solução

f'(0) seria lim (|h| − 0)/h. Para h > 0, |h|/h = 1; para h < 0, |h|/h = −1. Os limites laterais são 1 e −1, diferentes, logo o limite não existe e f não é derivável em 0.

Perguntas frequentes

Quando se usa este método?

Quando o enunciado pede expressamente a definição, quando se demonstra uma regra de derivação e em pontos onde a função muda de expressão ou tem um módulo.

Existe um método mais rápido?

Sim, as regras de derivação (potência, soma, produto, quociente, cadeia). Dão o mesmo resultado em segundos, mas só valem depois de a definição as ter justificado.

Porque é que não se pode substituir logo h = 0?

Porque o quociente [f(x + h) − f(x)]/h dá 0/0, uma indeterminação. Só depois de simplificar o fator h se pode fazer h → 0.

Que erros são mais comuns?

Expandir mal (x + h)2, perder sinais ao subtrair f(x) e fazer h = 0 antes de simplificar. Veja «Erros frequentes».

Resumo

  • f'(x) = lim [f(x + h) − f(x)]/h quando h → 0.
  • A derivada é o declive da tangente e a taxa de variação instantânea.
  • O método: expandir, subtrair, simplificar o h e só então fazer o limite.
  • Em raízes, usa-se o conjugado; em frações, o mesmo denominador.
  • Se os limites laterais forem diferentes, a função não é derivável nesse ponto.

Onde aprofundar

  • O manual de Matemática/Análise da sua classe ou curso e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
  • James Stewart, Cálculo (capítulo da derivada e definição).
  • OpenStax, Calculus (volume 1), capítulo «Derivatives».

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