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Cálculo I

2 Derivadas

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2.9 Derivação implícita

Seja y=y(x) definida implicitamente por

g(y(x))=0. (2.531)

A derivada dy/dx pode ser calculada via regra da cadeia

ddxg(y(x))=d0dx (2.532)
g(y(x))dydx=0. (2.533)
Exemplo 2.9.1.

Considere a equação da circunferência unitária

x2+y2=1. (2.534)

Aqui, vamos calcular dy/dx de duas maneiras diferentes.

Refer to caption
Figura 2.11: Esboço do gráfico da circunferência unitária x2+y2=1.
  1. a)

    Por derivação direta. Isolando y em (2.534), temos

    y=±1x2 (2.535)

    o que está bem definido para 1x1. Calculando a derivada, obtemos

    dydx=ddx(±1x2) (2.536)
    =±2x21x2 (2.537)
    =xy (2.538)

    Ou seja, para y<0, temos y=x/y e, para y>0, temos y=x/y. Logo, concluímos que

    dydx=xy. (2.539)
  2. b)

    Por derivação implícita. Derivamos ambos os lados da (2.534) em relação a x

    ddx(x2+y2)=d1dx (2.540)
    ddx(x2)+ddx(y2(x))=0 (2.541)
    2x+dy2dydydx=0 (2.542)
    2x+2ydydx=0 (2.543)
    dydx=xy. (2.544)
Observação 2.9.1 (Derivadas de potências racionais de x).

Vamos mostrar que

ddxxr=rxr1, (2.545)

para qualquer número racional r0. Denotando r=m/n, m,n, temos

y=xm/n (2.546)
(2.547)
yn=xm (2.548)

Da derivação de função potência com exponente inteiro, temos

ddxyn=ddxxm (2.549)
nyn1dydx=mxm1 (2.550)
dydx=mnxm1y1n (2.551)
dydx=mnxm1(xmn)1n (2.552)
dydx=mnxm1xmn(1n) (2.553)
dydx=mnxm1+mn(1n) (2.554)
dydx=mnxmn1. (2.555)

Logo, segue o resultados que queríamos demonstrar.

Exemplo 2.9.2.

Vamos calcular d2ydx2 para

x2+y2=1. (2.556)

Primeiramente, precisamos calcular dy/dx. Isso foi feito no Exemplo 2.9.1, onde obtivemos

dydx=xy. (2.557)

Antes de derivarmos novamente, vamos reescrever essa última expressão da seguinte forma

ydydx=x (2.558)

Derivando

ddx[ydydx]=ddx[x] (2.559)
1dydxdydx+ddxdydx=1 (2.560)
(dydx)2+d2ydx2=1 (2.561)
d2ydx2=x2y21. (2.562)

2.9.1 Exercícios resolvidos

ER 2.9.1.

Calcule dy/dx para a lemniscata de Bernoulli2020endnote: 20Jacob Bernoulli, 1655 - 1705, matemático suíço. Fonte: Wikipédia.

(x2+y2)2=x2y2. (2.563)
Refer to caption
Figura 2.12: Esboço da lemniscata de Bernoulli (x2+y2)2=x2y2.
Solução.
ddx[(x2+y2)2]=ddx[x2y2] (2.564)
2(x2+y2)(2x+2ydydx)=2x2ydydx (2.565)

Rearranjando os termos, obtemos

2(y+2x2y+2y2)dydx=2x4xy24x3 (2.566)

ou ainda

dydx=x2x32xy2y+2x2y+2y3 (2.567)
ER 2.9.2.

Calcule a equação da reta tangente ao gráfico da circunferência unitária

x2+y2=1 (2.568)

no ponto (22,22).

Solução.

A equação da reta tangente ao gráfico de uma função y=y(x) no ponto (x0,y(x0)) é dada por

y=y(x0)(xx0)+y(x0) (2.569)

onde, nesse caso, x0=22, y(x0)=22

y(x0)=dydx|x=x0. (2.570)

Calculamos dy/dx como segue

ddx(x2+y2)=d1dx (2.571)
ddx(x2)+ddx(y2(x))=0 (2.572)
2x+dy2dydydx=0 (2.573)
2x+2ydydx=0 (2.574)
dydx=xy. (2.575)

Com isso, temos

y(x0)=x0y(x0) (2.576)
=2222 (2.577)
=1. (2.578)

Concluímos que a equação da reta tangente é

y=1(x22)+22 (2.579)
y=x+2. (2.580)

2.9.2 Exercícios

E. 2.9.1.

Calcule dy/dx para:

  1. a)

    x+2xyx3=3

  2. b)

    x2+y2=xy

Resposta.

a) dydx=3x22y12x b) dydx=y2x2yx

E. 2.9.2.

Calcule d2y/dx2 para

x2+y2=xy (2.581)
Resposta.

d2ydx2=x+y2x2

E. 2.9.3.

Encontre o ponto de interseção das retas tangentes ao gráfico de

y2=x1 (2.582)

nos pontos (2,1) e (2,1).

Resposta.

(0, 0)

E. 2.9.4.

Encontre a equação da reta tangente ao gráfico da circunferência de centro C=(1,1) e raio r=2 que passa pela origem O=(0,0).

Resposta.

y=x

E. 2.9.5.

Seja c a circunferência de raio r>0

x2+y2=r2. (2.583)

Mostra que a reta tangente ao gráfico de c em qualquer ponto arbitrário P=(x0,y0)c é perpendicular a reta OP¯, i.e. a reta que passa pela origem O=(0,0) e pelo ponto P.


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2.9 Derivação implícita

Seja y=y(x) definida implicitamente por

g(y(x))=0. (2.531)

A derivada dy/dx pode ser calculada via regra da cadeia

ddxg(y(x))=d0dx (2.532)
g(y(x))dydx=0. (2.533)
Exemplo 2.9.1.

Considere a equação da circunferência unitária

x2+y2=1. (2.534)

Aqui, vamos calcular dy/dx de duas maneiras diferentes.

Refer to caption
Figura 2.11: Esboço do gráfico da circunferência unitária x2+y2=1.
  1. a)

    Por derivação direta. Isolando y em (2.534), temos

    y=±1x2 (2.535)

    o que está bem definido para 1x1. Calculando a derivada, obtemos

    dydx=ddx(±1x2) (2.536)
    =±2x21x2 (2.537)
    =xy (2.538)

    Ou seja, para y<0, temos y=x/y e, para y>0, temos y=x/y. Logo, concluímos que

    dydx=xy. (2.539)
  2. b)

    Por derivação implícita. Derivamos ambos os lados da (2.534) em relação a x

    ddx(x2+y2)=d1dx (2.540)
    ddx(x2)+ddx(y2(x))=0 (2.541)
    2x+dy2dydydx=0 (2.542)
    2x+2ydydx=0 (2.543)
    dydx=xy. (2.544)
Observação 2.9.1 (Derivadas de potências racionais de x).

Vamos mostrar que

ddxxr=rxr1, (2.545)

para qualquer número racional r0. Denotando r=m/n, m,n, temos

y=xm/n (2.546)
(2.547)
yn=xm (2.548)

Da derivação de função potência com exponente inteiro, temos

ddxyn=ddxxm (2.549)
nyn1dydx=mxm1 (2.550)
dydx=mnxm1y1n (2.551)
dydx=mnxm1(xmn)1n (2.552)
dydx=mnxm1xmn(1n) (2.553)
dydx=mnxm1+mn(1n) (2.554)
dydx=mnxmn1. (2.555)

Logo, segue o resultados que queríamos demonstrar.

Exemplo 2.9.2.

Vamos calcular d2ydx2 para

x2+y2=1. (2.556)

Primeiramente, precisamos calcular dy/dx. Isso foi feito no Exemplo 2.9.1, onde obtivemos

dydx=xy. (2.557)

Antes de derivarmos novamente, vamos reescrever essa última expressão da seguinte forma

ydydx=x (2.558)

Derivando

ddx[ydydx]=ddx[x] (2.559)
1dydxdydx+ddxdydx=1 (2.560)
(dydx)2+d2ydx2=1 (2.561)
d2ydx2=x2y21. (2.562)

2.9.1 Exercícios resolvidos

ER 2.9.1.

Calcule dy/dx para a lemniscata de Bernoulli2020endnote: 20Jacob Bernoulli, 1655 - 1705, matemático suíço. Fonte: Wikipédia.

(x2+y2)2=x2y2. (2.563)
Refer to caption
Figura 2.12: Esboço da lemniscata de Bernoulli (x2+y2)2=x2y2.
Solução.
ddx[(x2+y2)2]=ddx[x2y2] (2.564)
2(x2+y2)(2x+2ydydx)=2x2ydydx (2.565)

Rearranjando os termos, obtemos

2(y+2x2y+2y2)dydx=2x4xy24x3 (2.566)

ou ainda

dydx=x2x32xy2y+2x2y+2y3 (2.567)
ER 2.9.2.

Calcule a equação da reta tangente ao gráfico da circunferência unitária

x2+y2=1 (2.568)

no ponto (22,22).

Solução.

A equação da reta tangente ao gráfico de uma função y=y(x) no ponto (x0,y(x0)) é dada por

y=y(x0)(xx0)+y(x0) (2.569)

onde, nesse caso, x0=22, y(x0)=22

y(x0)=dydx|x=x0. (2.570)

Calculamos dy/dx como segue

ddx(x2+y2)=d1dx (2.571)
ddx(x2)+ddx(y2(x))=0 (2.572)
2x+dy2dydydx=0 (2.573)
2x+2ydydx=0 (2.574)
dydx=xy. (2.575)

Com isso, temos

y(x0)=x0y(x0) (2.576)
=2222 (2.577)
=1. (2.578)

Concluímos que a equação da reta tangente é

y=1(x22)+22 (2.579)
y=x+2. (2.580)

2.9.2 Exercícios

E. 2.9.1.

Calcule dy/dx para:

  1. a)

    x+2xyx3=3

  2. b)

    x2+y2=xy

Resposta.

a) dydx=3x22y12x b) dydx=y2x2yx

E. 2.9.2.

Calcule d2y/dx2 para

x2+y2=xy (2.581)
Resposta.

d2ydx2=x+y2x2

E. 2.9.3.

Encontre o ponto de interseção das retas tangentes ao gráfico de

y2=x1 (2.582)

nos pontos (2,1) e (2,1).

Resposta.

(0, 0)

E. 2.9.4.

Encontre a equação da reta tangente ao gráfico da circunferência de centro C=(1,1) e raio r=2 que passa pela origem O=(0,0).

Resposta.

y=x

E. 2.9.5.

Seja c a circunferência de raio r>0

x2+y2=r2. (2.583)

Mostra que a reta tangente ao gráfico de c em qualquer ponto arbitrário P=(x0,y0)c é perpendicular a reta OP¯, i.e. a reta que passa pela origem O=(0,0) e pelo ponto P.


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Pedro H A Konzen
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