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Derivadas das Funções Trigonométricas

As funções trigonométricas aparecem em diversos problemas da Matemática, da Física e da Engenharia. Elas são utilizadas para descrever fenômenos periódicos, movimentos oscilatórios, ondas e muitos outros comportamentos.

Ao estudar derivadas, precisamos compreender como essas funções variam em relação à variável independente.

Nesta aula, vamos aprender a calcular as derivadas das principais funções trigonométricas e entender de onde vêm suas fórmulas.

1. Derivada da função seno​

Considere a função:

f(x)=sen⁡xf(x)=\operatorname{sen}x

Queremos determinar sua derivada, isto é, a taxa de variação instantânea da função seno em relação a xx.

Utilizando a definição de derivada:

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}

Substituindo f(x)=sen⁡xf(x)=\operatorname{sen}x:

f′(x)=lim⁡h→0sen⁡(x+h)−sen⁡xhf'(x)=\lim_{h\to 0} \frac{\operatorname{sen}(x+h)-\operatorname{sen}x}{h}

Aplicamos a identidade trigonométrica da soma:

sen⁡(x+h)=sen⁡xcos⁡h+cos⁡xsen⁡h\operatorname{sen}(x+h) = \operatorname{sen}x\cos h+ \cos x\operatorname{sen}h

Assim:

f′(x)=lim⁡h→0sen⁡xcos⁡h+cos⁡xsen⁡h−sen⁡xhf'(x)=\lim_{h\to 0} \frac{ \operatorname{sen}x\cos h+ \cos x\operatorname{sen}h- \operatorname{sen}x }{h}

Agrupando os termos:

f′(x)=lim⁡h→0[sen⁡xcos⁡h−1h+cos⁡xsen⁡hh]f'(x)= \lim_{h\to 0} \left[ \operatorname{sen}x\frac{\cos h-1}{h} + \cos x\frac{\operatorname{sen}h}{h} \right]

Como sen⁡x\operatorname{sen}x e cos⁡x\cos x são constantes em relação a hh, podemos utilizar os limites fundamentais:

lim⁡h→0sen⁡hh=1\lim_{h\to 0}\frac{\operatorname{sen}h}{h}=1 lim⁡h→0cos⁡h−1h=0\lim_{h\to 0}\frac{\cos h-1}{h}=0

Portanto:

f′(x)=sen⁡x⋅0+cos⁡x⋅1f'(x)=\operatorname{sen}x\cdot 0+ \cos x\cdot 1

Concluímos que:

ddx(sen⁡x)=cos⁡x\boxed{\frac{d}{dx}(\operatorname{sen}x)=\cos x}

Interpretação: a derivada do seno é o cosseno. Isso significa que a inclinação da reta tangente ao gráfico da função seno em cada ponto é determinada pelo valor do cosseno naquele ponto.

2. Derivada da função cosseno​

Considere agora:

f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x

Pela definição de derivada:

f′(x)=lim⁡h→0cos⁡(x+h)−cos⁡xhf'(x)=\lim_{h\to 0} \frac{\cos(x+h)-\cos x}{h}

Utilizando a identidade do cosseno da soma:

cos⁡(x+h)=cos⁡xcos⁡h−sen⁡xsen⁡h\cos(x+h)=\cos x\cos h-\operatorname{sen}x\operatorname{sen}h

Substituindo:

f′(x)=lim⁡h→0cos⁡xcos⁡h−sen⁡xsen⁡h−cos⁡xhf'(x)= \lim_{h\to 0} \frac{ \cos x\cos h-\operatorname{sen}x\operatorname{sen}h-\cos x }{h}

Agrupando:

f′(x)=lim⁡h→0[cos⁡xcos⁡h−1h−sen⁡xsen⁡hh]f'(x)= \lim_{h\to 0} \left[ \cos x\frac{\cos h-1}{h} - \operatorname{sen}x\frac{\operatorname{sen}h}{h} \right]

Aplicando os limites fundamentais:

f′(x)=cos⁡x⋅0−sen⁡x⋅1f'(x)=\cos x\cdot 0-\operatorname{sen}x\cdot 1

Logo:

ddx(cos⁡x)=−sen⁡x\boxed{\frac{d}{dx}(\cos x)=-\operatorname{sen}x}

Observe que a derivada do cosseno é o seno com sinal negativo.

3. Derivada da função tangente​

Lembrando que:

tan⁡x=sen⁡xcos⁡x\tan x=\frac{\operatorname{sen}x}{\cos x}

Podemos utilizar a regra do quociente:

(fg)′=f′g−fg′g2\left(\frac{f}{g}\right)'= \frac{f'g-fg'}{g^2}

Aplicando à função tangente:

ddx(tan⁡x)=cos⁡x⋅cos⁡x−sen⁡x(−sen⁡x)cos⁡2x\frac{d}{dx}(\tan x)= \frac{ \cos x\cdot\cos x- \operatorname{sen}x(-\operatorname{sen}x) }{\cos^2x}

Simplificando:

ddx(tan⁡x)=cos⁡2x+sen⁡2xcos⁡2x\frac{d}{dx}(\tan x)= \frac{\cos^2x+\operatorname{sen}^2x}{\cos^2x}

Pela identidade fundamental:

sen⁡2x+cos⁡2x=1\operatorname{sen}^2x+\cos^2x=1

Obtemos:

ddx(tan⁡x)=1cos⁡2x\frac{d}{dx}(\tan x)=\frac{1}{\cos^2x}

Portanto:

ddx(tan⁡x)=sec⁡2x\boxed{\frac{d}{dx}(\tan x)=\sec^2x}

Essa derivada é válida nos pontos em que a tangente está definida, isto é, quando cos⁡x≠0\cos x\neq 0.

4. Derivada da função cotangente​

A cotangente pode ser escrita como:

cot⁡x=cos⁡xsen⁡x\cot x=\frac{\cos x}{\operatorname{sen}x}

Aplicando a regra do quociente:

ddx(cot⁡x)=−sen⁡x⋅sen⁡x−cos⁡x⋅cos⁡xsen⁡2x\frac{d}{dx}(\cot x)= \frac{ -\operatorname{sen}x\cdot\operatorname{sen}x -\cos x\cdot\cos x }{ \operatorname{sen}^2x }

Utilizando a identidade fundamental:

ddx(cot⁡x)=−sen⁡2x+cos⁡2xsen⁡2x\frac{d}{dx}(\cot x)= -\frac{\operatorname{sen}^2x+\cos^2x}{\operatorname{sen}^2x}

Assim:

ddx(cot⁡x)=−csc⁡2x\boxed{\frac{d}{dx}(\cot x)=-\csc^2x}

A derivada é válida nos pontos em que sen⁡x≠0\operatorname{sen}x\neq 0.

5. Derivada da função secante​

Sabemos que:

sec⁡x=1cos⁡x\sec x=\frac{1}{\cos x}

Podemos reescrever:

sec⁡x=(cos⁡x)−1\sec x=(\cos x)^{-1}

Aplicando a regra da cadeia:

ddx(sec⁡x)=−1(cos⁡x)−2(−sen⁡x)\frac{d}{dx}(\sec x) = -1(\cos x)^{-2}(-\operatorname{sen}x)

Portanto:

ddx(sec⁡x)=sen⁡xcos⁡2x\frac{d}{dx}(\sec x)= \frac{\operatorname{sen}x}{\cos^2x}

Multiplicando e dividindo por (\cos x):

ddx(sec⁡x)=1cos⁡x⋅sen⁡xcos⁡x\frac{d}{dx}(\sec x)= \frac{1}{\cos x}\cdot \frac{\operatorname{sen}x}{\cos x}

Logo:

ddx(sec⁡x)=sec⁡xtan⁡x\boxed{\frac{d}{dx}(\sec x)=\sec x\tan x}

6. Derivada da função cossecante​

A cossecante é definida por:

csc⁡x=1sen⁡x\csc x=\frac{1}{\operatorname{sen}x}

Reescrevendo:

csc⁡x=(sen⁡x)−1\csc x=(\operatorname{sen}x)^{-1}

Aplicando a regra da cadeia:

ddx(csc⁡x)=−1(sen⁡x)−2cos⁡x\frac{d}{dx}(\csc x) = -1(\operatorname{sen}x)^{-2}\cos x

Assim:

ddx(csc⁡x)=−cos⁡xsen⁡2x\frac{d}{dx}(\csc x)= -\frac{\cos x}{\operatorname{sen}^2x}

Multiplicando e dividindo por sen⁡x\operatorname{sen}x:

ddx(csc⁡x)=−1sen⁡x⋅cos⁡xsen⁡x\frac{d}{dx}(\csc x)= -\frac{1}{\operatorname{sen}x} \cdot \frac{\cos x}{\operatorname{sen}x}

Concluímos:

ddx(csc⁡x)=−csc⁡xcot⁡x\boxed{\frac{d}{dx}(\csc x)=-\csc x\cot x}

7. Resumo das derivadas trigonométricas​

As seis principais derivadas trigonométricas podem ser organizadas na tabela abaixo:

FunçãoDerivada
sen⁡x\operatorname{sen}xcos⁡x\cos x
cos⁡x\cos x−sen⁡x-\operatorname{sen}x
tan⁡x\tan xsec⁡2x\sec^2x
cot⁡x\cot x−csc⁡2x-\csc^2x
sec⁡x\sec xsec⁡xtan⁡x\sec x\tan x
csc⁡x\csc x−csc⁡xcot⁡x-\csc x\cot x

Atenção: as fórmulas apresentadas consideram os ângulos em radianos. Essa condição é importante porque os limites fundamentais utilizados nas demonstrações dependem dessa unidade angular.

8. Exemplos resolvidos​

Exemplo 1 — Derivada do seno​

Determine a derivada da função:

f(x)=5sen⁡xf(x)=5\operatorname{sen}x

Utilizando a regra da multiplicação por constante:

f′(x)=5⋅cos⁡xf'(x)=5\cdot\cos x

Portanto:

f′(x)=5cos⁡x\boxed{f'(x)=5\cos x}

Exemplo 2 — Derivada do cosseno​

Determine a derivada:

f(x)=3cos⁡x−2sen⁡xf(x)=3\cos x-2\operatorname{sen}x

Derivando cada parcela:

f′(x)=3(−sen⁡x)−2cos⁡xf'(x)=3(-\operatorname{sen}x)-2\cos x

Logo:

f′(x)=−3sen⁡x−2cos⁡x\boxed{f'(x)=-3\operatorname{sen}x-2\cos x}

Exemplo 3 — Derivada da tangente​

Determine a derivada:

f(x)=x2+tan⁡xf(x)=x^2+\tan x

Aplicando a regra da soma:

f′(x)=2x+sec⁡2xf'(x)=2x+\sec^2x

Portanto:

f′(x)=2x+sec⁡2x\boxed{f'(x)=2x+\sec^2x}

Exemplo 4 — Derivada envolvendo secante​

Determine a derivada:

f(x)=4sec⁡x−3csc⁡xf(x)=4\sec x-3\csc x

Derivando cada parcela:

f′(x)=4sec⁡xtan⁡x+3csc⁡xcot⁡xf'(x)=4\sec x\tan x +3\csc x\cot x

Assim:

f′(x)=4sec⁡xtan⁡x+3csc⁡xcot⁡x\boxed{ f'(x)=4\sec x\tan x+ 3\csc x\cot x }

Observe que o segundo termo fica positivo porque a derivada da cossecante já possui sinal negativo.

9. Exercícios de fixação​

Agora é sua vez de aplicar as fórmulas estudadas.

🧩 Exercício 1 Fácil

Determine a derivada da função:

f(x)=7sen⁡xf(x)=7\operatorname{sen}x

Utilizamos a regra da multiplicação por constante e a derivada do seno:

ddx(sen⁡x)=cos⁡x\frac{d}{dx}(\operatorname{sen}x)=\cos x

Assim:

f′(x)=7cos⁡xf'(x)=7\cos x

Portanto, a alternativa correta é B.

🧩 Exercício 2 Fácil

A derivada da função

f(x)=4cos⁡xf(x)=4\cos x

é:

Sabemos que:

ddx(cos⁡x)=−sen⁡x\frac{d}{dx}(\cos x)=-\operatorname{sen}x

Aplicando a regra da constante:

f′(x)=4(−sen⁡x)f'(x)=4(-\operatorname{sen}x)

Logo:

f′(x)=−4sen⁡x\boxed{f'(x)=-4\operatorname{sen}x}

A alternativa correta é B.

🧩 Exercício 3 Médio

Seja a função:

f(x)=tan⁡x+cot⁡xf(x)=\tan x+\cot x

Sua derivada é:

Aplicando a regra da soma:

f′(x)=ddx(tan⁡x)+ddx(cot⁡x)f'(x)=\frac{d}{dx}(\tan x)+ \frac{d}{dx}(\cot x)

Utilizando as fórmulas:

f′(x)=sec⁡2x−csc⁡2xf'(x)=\sec^2x-\csc^2x

Portanto, a alternativa correta é B.

🧩 Exercício 4 Médio

Determine a derivada da função:

f(x)=2sec⁡x+3csc⁡xf(x)=2\sec x+3\csc x

Derivando cada parcela:

ddx(2sec⁡x)=2sec⁡xtan⁡x\frac{d}{dx}(2\sec x) = 2\sec x\tan xddx(3csc⁡x)=−3csc⁡xcot⁡x\frac{d}{dx}(3\csc x) = -3\csc x\cot x

Somando os resultados:

f′(x)=2sec⁡xtan⁡x−3csc⁡xcot⁡x\boxed{ f'(x)=2\sec x\tan x- 3\csc x\cot x }

A alternativa correta é B.

🧩 Exercício 5 Médio

Considere a função:

f(x)=sen⁡x+cos⁡xf(x)=\operatorname{sen}x+\cos x

O valor de f′(π4)f'\left(\frac{\pi}{4}\right) é:

Primeiro, derivamos a função:

f′(x)=cos⁡x−sen⁡xf'(x)=\cos x-\operatorname{sen}x

Agora, substituímos x=π4x=\frac{\pi}{4}:

f′(π4)=cos⁡π4−sen⁡π4f'\left(\frac{\pi}{4}\right) = \cos\frac{\pi}{4} - \operatorname{sen}\frac{\pi}{4}

Como:

cos⁡π4=sen⁡π4=22\cos\frac{\pi}{4} = \operatorname{sen}\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2}

Temos:

f′(π4)=22−22=0f'\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}=0

Portanto, a alternativa correta é A.

10. Conclusão​

Nesta aula, estudamos as derivadas das seis principais funções trigonométricas:

  • Seno;
  • Cosseno;
  • Tangente;
  • Cotangente;
  • Secante;
  • Cossecante.

Também vimos como essas fórmulas podem ser demonstradas utilizando a definição de derivada, as identidades trigonométricas e as regras de derivação já estudadas.

É importante memorizar as fórmulas, mas principalmente compreender como aplicá-las em expressões que envolvem somas, diferenças e produtos.

Na próxima aula, vamos combinar essas derivadas com a Regra da Cadeia, aprendendo a derivar funções trigonométricas compostas, como:

f(x)=sen⁡(x2)f(x)=\operatorname{sen}(x^2) g(x)=cos⁡(3x+1)g(x)=\cos(3x+1) h(x)=tan⁡(2x2−5x)h(x)=\tan(2x^2-5x)

Esse será o próximo passo para resolver derivadas trigonométricas mais elaboradas.