Matemática · 11.ª–12.ª classe
Como determinar extremos de uma função com a derivada?
Resposta curta
Para determinar os extremos de uma função com a derivada, calcule f'(x), resolva f'(x) = 0 para obter os pontos críticos e estude o sinal de f'. Onde f' passa de positiva a negativa há um máximo local; onde passa de negativa a positiva há um mínimo local. Por fim, calcule f nesses pontos para obter o valor dos extremos.
Quando se aplica
O método serve para funções deriváveis (polinómios, funções racionais, raízes) em que se pergunta onde a função é máxima ou mínima, ou onde muda de crescente para decrescente. Duas ideias são essenciais:
- Se f tem um extremo num ponto interior x0 e é derivável aí, então f'(x0) = 0. Mas o contrário é falso: f'(x0) = 0 diz apenas que x0 é um ponto crítico, isto é, um candidato a extremo.
- Também são candidatos os pontos onde f' não existe, mas onde f está definida.
Num extremo local o valor é o maior (ou o menor) numa vizinhança. Num extremo absoluto (ou global) é o maior (ou o menor) em todo o domínio ou intervalo considerado.
Como o sinal de f' classifica o ponto
| Sinal de f' antes de x0 | Sinal de f' depois de x0 | Conclusão |
|---|---|---|
| positivo | negativo | máximo local em x0 |
| negativo | positivo | mínimo local em x0 |
| igual dos dois lados | igual dos dois lados | sem extremo em x0 |
Critério da segunda derivada (alternativa)
Se f'(x0) = 0 e f''(x0) > 0, há um mínimo local; se f''(x0) < 0, há um máximo local. Se f''(x0) = 0, este critério não decide e deve-se estudar o sinal de f'.
Método passo a passo
- Determine o domínio de f (e o intervalo do problema, se existir).
- Calcule f'(x).
- Resolva f'(x) = 0 e anote também os pontos onde f' não existe.
- Faça o quadro de sinais de f': escolha um valor de teste em cada intervalo entre os pontos críticos e veja o sinal de f'.
- Classifique cada ponto (máximo, mínimo ou nenhum) pela mudança de sinal.
- Calcule f(x0) em cada extremo, para dar a resposta como «o máximo é … e é atingido em x = …».
- Em intervalo fechado [a, b], compare os valores de f nos pontos críticos com f(a) e f(b) para obter os extremos absolutos.
Exemplos resolvidos
Exemplo 1 — Um mínimo
Enunciado: Determine os extremos de f(x) = x2 − 4x + 3.
Resolução:
- Domínio: ℝ.
- f'(x) = 2x − 4.
- f'(x) = 0 quando 2x = 4, isto é, x = 2.
- Quadro: para x = 0, f'(0) = −4 (negativo); para x = 3, f'(3) = 2 (positivo).
| x | até 2 | 2 | a partir de 2 |
|---|---|---|---|
| f' | − | 0 | + |
| f | decrescente | mínimo | crescente |
- Valor do mínimo: f(2) = 4 − 8 + 3 = −1.
Resposta: mínimo −1, atingido em x = 2; não há máximo. Verificação: o vértice de uma parábola y = ax2 + bx + c está em x = −b ÷ (2a) = 4 ÷ 2 = 2, o que confirma.
Exemplo 2 — Máximo e mínimo locais
Enunciado: Determine os extremos locais de f(x) = x3 − 3x.
Resolução:
- f'(x) = 3x2 − 3 = 3(x − 1)(x + 1).
- f'(x) = 0 em x = −1 e x = 1.
- Sinal de f' (testes: f'(−2) = 9; f'(0) = −3; f'(2) = 9):
| x | até −1 | −1 | entre −1 e 1 | 1 | a partir de 1 |
|---|---|---|---|---|---|
| f' | + | 0 | − | 0 | + |
| f | crescente | máximo | decrescente | mínimo | crescente |
- Valores: f(−1) = −1 + 3 = 2 e f(1) = 1 − 3 = −2.
Resposta: máximo local 2 em x = −1; mínimo local −2 em x = 1. Verificação: a função é ímpar, f(−x) = −f(x), por isso os extremos são simétricos: (−1, 2) e (1, −2).
Exemplo 3 — Ponto crítico que não é extremo
Enunciado: Estude os extremos de f(x) = x3.
Resolução:
- f'(x) = 3x2.
- f'(x) = 0 apenas em x = 0, que é o único ponto crítico.
- Mas 3x2 é positivo tanto para x < 0 como para x > 0: f' não muda de sinal.
Resposta: não há extremos; f é sempre crescente. Verificação: f(−1) = −1 < f(0) = 0 < f(1) = 1, logo 0 não é nem máximo nem mínimo. O ponto crítico existe, mas não é extremo.
Exemplo 4 — Nível de exame: extremos absolutos num intervalo
Enunciado: Determine os extremos absolutos de f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 1 no intervalo [0, 5].
Resolução:
- f'(x) = 3x2 − 12x + 9 = 3(x2 − 4x + 3) = 3(x − 1)(x − 3).
- Pontos críticos: x = 1 e x = 3, ambos dentro de [0, 5].
- Sinal de f': positivo antes de 1, negativo entre 1 e 3, positivo depois de 3. Logo há um máximo local em x = 1 e um mínimo local em x = 3.
- Compare os valores nos pontos críticos e nos extremos do intervalo:
- f(0) = 1
- f(1) = 1 − 6 + 9 + 1 = 5
- f(3) = 27 − 54 + 27 + 1 = 1
- f(5) = 125 − 150 + 45 + 1 = 21
Resposta: máximo absoluto 21, em x = 5; mínimo absoluto 1, atingido em x = 0 e em x = 3. Verificação: o máximo local f(1) = 5 não é o maior valor, porque a função volta a crescer e chega a 21 no extremo do intervalo.
Erros frequentes
- Concluir que f'(x) = 0 implica extremo. Em f(x) = x3, f'(0) = 0 e não há extremo. Verifique sempre a mudança de sinal de f'.
- Dar x quando se pede o extremo. O extremo é o valor f(x0); x0 é o ponto onde ele é atingido. Escreva as duas coisas.
- Esquecer os extremos do intervalo num problema com intervalo fechado. O máximo absoluto pode estar num deles.
- Errar o sinal no quadro. Teste um valor concreto em cada intervalo, em vez de adivinhar a alternância de sinais.
- Esquecer o domínio. Em f(x) = x + 1/x só se pode falar de x ≠ 0, e os pontos críticos têm de pertencer ao domínio.
- Usar a segunda derivada quando f''(x0) = 0 e dar uma classificação sem justificação. Nesse caso, estude o sinal de f'.
Exercícios propostos
1Exercício 1
Determine o extremo de f(x) = x2 − 6x + 5 e diga se é máximo ou mínimo.
Ver solução
f'(x) = 2x − 6 = 0 em x = 3. f' é negativa antes de 3 e positiva depois, logo é um mínimo. f(3) = 9 − 18 + 5 = −4, atingido em x = 3.
2Exercício 2
Determine o extremo de f(x) = −x2 + 4x + 1.
Ver dica
Uma parábola com coeficiente de x2 negativo tem a concavidade voltada para baixo.
Ver solução
f'(x) = −2x + 4 = 0 em x = 2. f' é positiva antes de 2 e negativa depois, logo é um máximo. f(2) = −4 + 8 + 1 = 5, atingido em x = 2.
3Exercício 3
Determine os extremos locais de f(x) = 2x3 − 9x2 + 12x.
Ver dica
Fatorize f' e faça o quadro de sinais.
Ver solução
f'(x) = 6x2 − 18x + 12 = 6(x − 1)(x − 2). O sinal de f' é + antes de 1, − entre 1 e 2, + depois de 2. Máximo local em x = 1: f(1) = 2 − 9 + 12 = 5. Mínimo local em x = 2: f(2) = 16 − 36 + 24 = 4.
4Exercício 4
Determine o extremo de f(x) = x + 1/x, para x > 0.
Ver solução
f'(x) = 1 − 1/x2 = (x2 − 1) ÷ x2. Com x > 0, f'(x) = 0 apenas em x = 1. Para 0 < x < 1, f' < 0 (por exemplo, f'(0,5) = −3); para x > 1, f' > 0 (f'(2) = 0,75). Logo há um mínimo em x = 1, de valor f(1) = 2.
5Exercício 5
Determine os extremos absolutos de f(x) = x4 − 2x2 no intervalo [−2, 2].
Ver dica
Os pontos críticos são três; calcule f neles e nos extremos do intervalo.
Ver solução
f'(x) = 4x3 − 4x = 4x(x − 1)(x + 1), com zeros em −1, 0 e 1. Valores: f(−2) = 16 − 8 = 8; f(−1) = 1 − 2 = −1; f(0) = 0; f(1) = −1; f(2) = 8. Máximo absoluto 8 (em x = −2 e x = 2); mínimo absoluto −1 (em x = −1 e x = 1). O ponto x = 0 é só um máximo local.
Perguntas frequentes
Quando se usa este método?
Quando o enunciado pede máximos, mínimos, o valor mais alto ou mais baixo de uma função, ou os intervalos em que ela sobe e desce. É o ponto de partida do estudo completo de uma função e dos problemas de otimização.
Existe um método mais rápido?
Para parábolas, sim: o extremo está no vértice, em x = −b ÷ (2a). Para outras funções, o critério da segunda derivada poupa o quadro de sinais, desde que f''(x0) seja diferente de zero.
Qual é a diferença entre extremo local e extremo absoluto?
Um extremo local é o maior ou o menor valor perto de um ponto; um extremo absoluto é o maior ou o menor valor em todo o intervalo. Uma função pode ter vários extremos locais e, no máximo, um valor máximo e um valor mínimo absolutos (podendo cada um ser atingido em vários pontos).
Que erros são mais comuns?
Esquecer que f'(x) = 0 não chega para garantir um extremo, dar o valor de x em vez do valor da função e ignorar os extremos do intervalo. Veja a secção «Erros frequentes».
Resumo
- Os candidatos a extremo são os pontos onde f'(x) = 0 ou onde f' não existe.
- Se f' passa de + para −, há máximo; de − para +, há mínimo; sem mudança de sinal, não há extremo.
- O extremo é o valor f(x0); x0 é onde ele é atingido.
- Em intervalo fechado, compare f nos pontos críticos com f nos extremos do intervalo para obter os extremos absolutos.
- O critério de f'' ajuda se f''(x0) ≠ 0; se for 0, estude o sinal de f'.
Onde aprofundar
- O manual de Matemática da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor e em que classe o tema aparece. Em Portugal, consulte as Aprendizagens Essenciais da DGE.
- OpenStax, Calculus Volume 1 (em inglês), capítulo sobre aplicações das derivadas, nas secções sobre máximos e mínimos.
- No MeuGuia, veja também o artigo sobre problemas de otimização, que usa este método em situações reais.
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