Derivadas de Ordem Superior
Até agora, estudamos como calcular a primeira derivada de uma função. Aprendemos que ela representa a taxa de variação instantânea de uma grandeza em relação a outra.
Mas será que podemos derivar uma função mais de uma vez?
A resposta é sim!
Quando derivamos uma função que já foi derivada, obtemos uma nova função chamada segunda derivada. Se derivarmos novamente, obtemos a terceira derivada, e assim sucessivamente.
Essas derivadas são chamadas de derivadas de ordem superior e possuem diversas aplicações, principalmente no estudo do comportamento das funções e na descrição de fenômenos físicos.
1. Segunda derivada
Considere uma função:
Sua primeira derivada é:
A segunda derivada é obtida derivando novamente a primeira derivada:
Também podemos utilizar a notação:
Observe que o expoente 2 indica que estamos derivando duas vezes. Ele não significa que devemos elevar a derivada ao quadrado.
Exemplo 1
Determine a primeira e a segunda derivadas da função:
Primeira derivada:
Derivando termo a termo:
Segunda derivada:
Derivamos novamente:
Portanto:
Observe que a segunda derivada é simplesmente a derivada da primeira.
2. Terceira derivada
Podemos continuar derivando sucessivamente.
A terceira derivada é obtida derivando a segunda derivada:
Sua notação também pode ser escrita como:
Exemplo 2
Considere novamente a função:
Já encontramos:
Derivando a segunda derivada:
Se derivarmos mais uma vez:
E a quinta derivada será:
Isso acontece porque a derivada de uma constante é zero.
3. Derivadas de ordem n
O processo de derivação pode ser repetido quantas vezes a função permitir.
A derivada de ordem é representada por:
Também podemos utilizar a notação de Leibniz:
As primeiras derivadas podem ser organizadas da seguinte maneira:
| Ordem | Notação de Lagrange | Notação de Leibniz |
|---|---|---|
| Primeira | ||
| Segunda | ||
| Terceira | ||
| Quarta | ||
| Enésima |
A notação com parênteses no expoente é utilizada a partir da quarta derivada para evitar uma quantidade excessiva de apóstrofos.
4. Derivadas sucessivas de diferentes funções
Vamos observar como o processo funciona para outros tipos de funções.
Exemplo 3 — Função exponencial
Determine as três primeiras derivadas da função:
Sabemos que a derivada da função exponencial é ela mesma:
Derivando novamente:
E a terceira derivada:
Portanto, todas as derivadas dessa função são iguais à própria função:
Exemplo 4 — Função trigonométrica
Determine as quatro primeiras derivadas da função:
Primeira derivada:
Segunda derivada:
Terceira derivada:
Quarta derivada:
Observe que as derivadas se repetem em um ciclo de quatro etapas.
| Derivada | Resultado |
|---|---|
Consequentemente:
Exemplo 5 — Função logarítmica
Determine a segunda derivada da função:
A primeira derivada é:
Podemos reescrever:
Derivando novamente:
Logo:
5. Derivadas de funções polinomiais e grau do polinômio
Uma propriedade interessante das funções polinomiais é que suas derivadas sucessivas reduzem o grau do polinômio em uma unidade a cada derivação, até que a função se torne constante e, posteriormente, zero.
Considere:
Suas derivadas sucessivas são:
Observe que, como a função original possui grau 5, sua sexta derivada é identicamente nula.
Se é um polinômio de grau , então sua derivada de ordem é identicamente nula:
6. Interpretação geométrica da segunda derivada
A primeira derivada fornece a inclinação da reta tangente ao gráfico de uma função.
A segunda derivada permite analisar como essa inclinação está variando.
Considere uma função :
- Se em um intervalo, o gráfico apresenta concavidade voltada para cima.
- Se em um intervalo, o gráfico apresenta concavidade voltada para baixo.
Vamos visualizar essas duas situações.
Concavidade voltada para cima
Um exemplo é:
Sua primeira derivada é:
Sua segunda derivada é:
Como:
a função apresenta concavidade voltada para cima em todo o seu domínio.
Concavidade voltada para baixo
Considere:
Sua primeira derivada é:
Sua segunda derivada é:
Como:
a função apresenta concavidade voltada para baixo em todo o seu domínio.
Atenção: para identificar a concavidade em um intervalo, devemos verificar o sinal da segunda derivada em todo esse intervalo, e não apenas em um ponto isolado.
7. Pontos de inflexão
Um ponto de inflexão é um ponto do gráfico no qual ocorre mudança de concavidade.
A segunda derivada é uma ferramenta importante para identificar possíveis pontos de inflexão.
Considere:
Sua primeira derivada é:
Sua segunda derivada é:
Analisando o sinal da segunda derivada:
- Para , temos .
- Para , temos .
Portanto, a concavidade muda ao atravessarmos .
Como:
o ponto de inflexão é:
Observação: encontrar fornece possíveis candidatos a pontos de inflexão, mas não garante que exista mudança de concavidade. É necessário verificar o comportamento da segunda derivada nos dois lados do ponto.
8. Aplicação na Física: posição, velocidade e aceleração
As derivadas de ordem superior possuem uma aplicação muito importante na descrição do movimento de um corpo.
Considere a função horária da posição de um móvel:
A primeira derivada da posição em relação ao tempo fornece a velocidade instantânea:
A segunda derivada da posição fornece a aceleração instantânea:
Portanto:
- Posição: descreve onde o corpo está.
- Velocidade: indica a taxa de variação da posição.
- Aceleração: indica a taxa de variação da velocidade.
Exemplo 6 — Movimento de um corpo
A posição de um móvel, em metros, é dada por:
Determine a velocidade e a aceleração em função do tempo.
1º passo: calcular a velocidade.
Derivando a posição:
2º passo: calcular a aceleração.
Derivando novamente:
3º passo: determinar a velocidade e a aceleração no instante .
Velocidade:
Aceleração:
Portanto, no instante de 2 segundos, o móvel apresenta velocidade de m/s e aceleração nula.
O sinal negativo da velocidade indica que o movimento ocorre no sentido negativo do eixo escolhido.
9. Resumo das principais ideias
| Conceito | Significado |
|---|---|
| Primeira derivada | Taxa de variação instantânea |
| Segunda derivada | Taxa de variação da primeira derivada |
| Terceira derivada | Taxa de variação da segunda derivada |
| Segunda derivada positiva | Concavidade para cima |
| Segunda derivada negativa | Concavidade para baixo |
| Ponto de inflexão | Mudança de concavidade |
| Velocidade | Primeira derivada da posição |
| Aceleração | Segunda derivada da posição |
10. Exercícios de fixação
Considere a função:
A segunda derivada dessa função é:
A terceira derivada da função:
é:
Considere a função:
O valor da segunda derivada no ponto é:
A posição de um móvel é descrita pela função:
A aceleração instantânea no instante é:
Considere a função:
Em qual ponto ocorre a mudança de concavidade do gráfico?
11. Conclusão
Nesta aula, estudamos as derivadas de ordem superior e aprendemos que podemos derivar uma função sucessivamente, obtendo sua segunda, terceira e demais derivadas.
Vimos que:
- A segunda derivada permite analisar a concavidade de uma função.
- A mudança de concavidade pode indicar um ponto de inflexão.
- As derivadas sucessivas de polinômios reduzem progressivamente seu grau.
- Na Física, a primeira derivada da posição representa a velocidade e a segunda representa a aceleração.
Na próxima aula, estudaremos Taxas Relacionadas, um dos primeiros grandes problemas de aplicação das derivadas.
Nesse assunto, aprenderemos a determinar a taxa de variação de uma grandeza quando conhecemos a taxa de variação de outra grandeza relacionada a ela.