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Derivadas

Regra da potência para derivadas: regras, exemplos e truques

Domine a regra da potência: como funciona, expoentes negativos e fracionários, como reescrever raízes e frações, e as regras da soma e da constante.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 8 min de leitura

Nesta página
  1. O que é a regra da potência?
  2. Por que a regra da potência funciona
  3. As regras da constante, da constante multiplicativa e da soma
  4. Exemplo resolvido 1: um polinômio
  5. Expoentes negativos: reescrevendo frações
  6. Expoentes fracionários: reescrevendo raízes
  7. Exemplo resolvido 5: simplifique antes de derivar
  8. Juntando tudo
  9. Exemplo resolvido 6: uma reta tangente
  10. Derivadas de ordem superior com a regra da potência
  11. A regra da potência como taxa de variação
  12. Erros comuns com a regra da potência
  13. Resumo rápido
  14. Pratique até ficar automático

Calcular derivadas pela definição por limite significa uma página de álgebra para cada função. A regra da potência substitui tudo isso por um atalho de uma linha e, junto com duas regras companheiras simples, permite derivar qualquer polinômio, raiz ou potência de x em segundos. É a primeira regra que você aprende e a que você mais vai usar.

O que é a regra da potência?

A regra da potência dá a derivada de x elevado a uma potência constante:

\frac{d}{dx}\, x^n = n x^{n-1}

Em palavras: desça o expoente para a frente e depois subtraia um do expoente.

\frac{d}{dx} x^5 = 5x^4 \qquad \frac{d}{dx} x^2 = 2x \qquad \frac{d}{dx} x = 1

A regra vale para qualquer número real n: inteiros positivos, números negativos e frações. A única exigência é que a variável esteja na base e o expoente seja uma constante.

Por que a regra da potência funciona

Para um inteiro positivo n, dá para ver o padrão a partir da definição de derivada por limite. Expandir (x + h)^n dá

(x + h)^n = x^n + n x^{n-1} h + (\text{termos com } h^2 \text{ ou mais})

Então

\frac{(x+h)^n - x^n}{h} = n x^{n-1} + (\text{termos com } h \text{ ou mais})

e, quando h \to 0, tudo some exceto n x^{n-1}. Essa é a regra da potência. Para n = 2, é exatamente a conta conhecida (x+h)^2 = x^2 + 2xh + h^2, que dá 2x. A demonstração para expoentes negativos e fracionários usa outras ferramentas, mas a regra continua a mesma.

As regras da constante, da constante multiplicativa e da soma

A regra da potência raramente aparece sozinha. Três regras companheiras permitem combiná-la com coeficientes e vários termos.

Regra Fórmula Exemplo
Regra da constante \frac{d}{dx} c = 0 \frac{d}{dx} 7 = 0
Regra da constante multiplicativa \frac{d}{dx} [c f(x)] = c f'(x) \frac{d}{dx} 4x^3 = 12x^2
Regra da soma e da diferença \frac{d}{dx} [f \pm g] = f' \pm g' \frac{d}{dx} (x^2 + x) = 2x + 1

A regra da constante diz que uma reta horizontal tem inclinação 0. A regra da constante multiplicativa diz que esticar um gráfico verticalmente por c multiplica todas as inclinações por c. A regra da soma diz que você pode derivar um polinômio um termo de cada vez.

Exemplo resolvido 1: um polinômio

Derive f(x) = 3x^4 - 5x^2 + 7x - 2.

Passo 1. Separe em termos. Pela regra da soma, derive cada termo separadamente.

Passo 2. Aplique a regra da potência com as constantes multiplicativas.

  • 3x^4 \to 3 \cdot 4x^3 = 12x^3
  • -5x^2 \to -5 \cdot 2x = -10x
  • 7x \to 7 \cdot 1 = 7
  • -2 \to 0

Passo 3. Junte tudo.

f'(x) = 12x^3 - 10x + 7

Expoentes negativos: reescrevendo frações

Uma potência de x no denominador é um expoente negativo disfarçado:

\frac{1}{x^n} = x^{-n}

Reescreva primeiro e depois aplique a regra da potência. Preste muita atenção ao subtrair um: o expoente fica mais negativo.

Exemplo resolvido 2: uma fração com coeficiente

Derive y = \frac{4}{x^3}.

Passo 1. Reescreva como potência. y = 4x^{-3}.

Passo 2. Aplique a regra da potência. Desça o -3 e subtraia um: -3 - 1 = -4.

\frac{dy}{dx} = 4 \cdot (-3) x^{-4} = -12x^{-4}

Passo 3. Reescreva sem expoentes negativos (opcional, mas geralmente esperado).

\frac{dy}{dx} = -\frac{12}{x^4}

Vale memorizar um caso especial: \frac{d}{dx} \frac{1}{x} = \frac{d}{dx} x^{-1} = -x^{-2} = -\frac{1}{x^2}, o mesmo resultado que a definição por limite dá.

Dica: repare onde o coeficiente está. \frac{1}{3x^2} é \frac{1}{3}x^{-2}, mas \frac{3}{x^2} é 3x^{-2}. Só a potência de x sobe para o numerador como expoente negativo.

Expoentes fracionários: reescrevendo raízes

Raízes são potências fracionárias:

\sqrt{x} = x^{1/2} \qquad \sqrt[3]{x} = x^{1/3} \qquad \sqrt[n]{x^m} = x^{m/n}

Exemplo resolvido 3: uma raiz quadrada

Derive y = \sqrt{x}.

Passo 1. Reescreva. y = x^{1/2}.

Passo 2. Aplique a regra da potência. \frac{1}{2} - 1 = -\frac{1}{2}, então

\frac{dy}{dx} = \frac{1}{2} x^{-1/2} = \frac{1}{2\sqrt{x}}

Exemplo resolvido 4: a raiz de uma potência

Derive y = \sqrt[3]{x^2}.

Passo 1. Reescreva. y = x^{2/3}.

Passo 2. Aplique a regra da potência. \frac{2}{3} - 1 = -\frac{1}{3}, então

\frac{dy}{dx} = \frac{2}{3} x^{-1/3} = \frac{2}{3\sqrt[3]{x}}

Repare que a derivada não está definida em x = 0. O gráfico de x^{2/3} tem uma cúspide ali.

Exemplo resolvido 5: simplifique antes de derivar

Derive y = \frac{x^2 + 1}{\sqrt{x}}.

Você poderia usar a regra do quociente, mas separar a fração é mais rápido.

Passo 1. Separe em termos.

y = \frac{x^2}{x^{1/2}} + \frac{1}{x^{1/2}}

Passo 2. Subtraia os expoentes. x^{2 - 1/2} = x^{3/2}, então

y = x^{3/2} + x^{-1/2}

Passo 3. Aplique a regra da potência a cada termo.

\frac{dy}{dx} = \frac{3}{2}x^{1/2} - \frac{1}{2}x^{-3/2}

Passo 4. Reescreva com raízes (opcional).

\frac{dy}{dx} = \frac{3\sqrt{x}}{2} - \frac{1}{2x\sqrt{x}}

O mesmo truque funciona com produtos: expanda (2x + 1)^2 = 4x^2 + 4x + 1 e derive para obter 8x + 4.

Juntando tudo

Derive y = 6\sqrt[3]{x^5} - \frac{2}{x} + 9.

Passo 1. Reescreva cada termo como potência de x.

y = 6x^{5/3} - 2x^{-1} + 9

Passo 2. Aplique a regra da potência termo a termo. No primeiro termo, \frac{5}{3} - 1 = \frac{2}{3}. No segundo, -1 - 1 = -2. A constante 9 vira 0.

\frac{dy}{dx} = 6 \cdot \frac{5}{3} x^{2/3} - 2 \cdot (-1) x^{-2} = 10x^{2/3} + 2x^{-2}

Passo 3. Reescreva na forma de raiz e fração.

\frac{dy}{dx} = 10\sqrt[3]{x^2} + \frac{2}{x^2}

Repare como os dois sinais de menos do termo do meio se combinaram num mais. Escorregões de sinal como esse são o principal ponto de atenção depois que você já domina a regra em si.

Exemplo resolvido 6: uma reta tangente

Encontre a equação da reta tangente a y = x^3 em x = 2.

Passo 1. Encontre o ponto. y(2) = 2^3 = 8, então o ponto é (2, 8).

Passo 2. Encontre a inclinação. \frac{dy}{dx} = 3x^2, então a inclinação em x = 2 é 3(2)^2 = 12.

Passo 3. Use a forma ponto-inclinação.

y - 8 = 12(x - 2) \quad \Longrightarrow \quad y = 12x - 16
Gráfico de y = x³ com sua reta tangente y = 12x − 16 no ponto (2, 8)
Pela regra da potência, a inclinação de y = x^3 em x = 2 é 3(2)^2 = 12, o que dá a reta tangente y = 12x - 16.

Derivadas de ordem superior com a regra da potência

Como a derivada de um polinômio é outro polinômio, você pode aplicar a regra da potência de novo e de novo. A segunda derivada f''(x) é a derivada de f'(x) e mede como a própria inclinação está mudando (a concavidade).

Exemplo resolvido 7: primeira, segunda e terceira derivadas

Encontre f', f'' e f''' para f(x) = 2x^5 - x^3 + 4x.

Passo 1. Primeira derivada. Aplique a regra da potência termo a termo:

f'(x) = 10x^4 - 3x^2 + 4

Passo 2. Segunda derivada. Derive f'. A constante 4 desaparece:

f''(x) = 40x^3 - 6x

Passo 3. Terceira derivada.

f'''(x) = 120x^2 - 6

Cada rodada diminui todos os expoentes em um, então um polinômio de grau n vira 0 depois de n + 1 derivadas.

A regra da potência como taxa de variação

Derivadas são taxas, então a regra da potência transforma fórmulas de posição em fórmulas de velocidade na hora. Suponha que a altura de uma bola, em metros, depois de t segundos seja

s(t) = -5t^2 + 20t + 2

A variável é t em vez de x, mas a regra é a mesma. A velocidade é

v(t) = s'(t) = -10t + 20

e a aceleração é a(t) = v'(t) = -10 metros por segundo ao quadrado. Fazer v(t) = 0 dá t = 2, o instante em que a bola para de subir, a uma altura de s(2) = -20 + 40 + 2 = 22 metros. Todas essas respostas vieram da regra da potência e de mais nada.

Erros comuns com a regra da potência

  1. Subtrair um errado com expoentes negativos. \frac{d}{dx} x^{-3} = -3x^{-4}. Ir de -3 para -2 é o erro mais comum.
  2. Derivar uma fração pedaço por pedaço. \frac{d}{dx} \frac{1}{x^3} não é \frac{1}{3x^2}. Reescreva como x^{-3} primeiro.
  3. Esquecer que constantes viram 0. A derivada de -2, \pi^2 ou e^3 é 0, não a própria constante.
  4. Aplicar a regra da potência a exponenciais. \frac{d}{dx} 2^x não é x \cdot 2^{x-1}. A variável está no expoente, então a regra da potência não se aplica.
  5. Usá-la na potência de algo diferente de x. \frac{d}{dx} (3x+1)^5 precisa da regra da cadeia, que acrescenta um fator 3.
  6. Mover um coeficiente junto com a potência. \frac{5}{x^2} = 5x^{-2}, não 5^{-1}x^{-2}.

Resumo rápido

Função Reescreva como Derivada
x^n x^n n x^{n-1}
c (constante) 0
x x^1 1
\frac{1}{x} x^{-1} -\frac{1}{x^2}
\frac{1}{x^2} x^{-2} -\frac{2}{x^3}
\sqrt{x} x^{1/2} \frac{1}{2\sqrt{x}}
\sqrt[3]{x} x^{1/3} \frac{1}{3\sqrt[3]{x^2}}
x\sqrt{x} x^{3/2} \frac{3}{2}\sqrt{x}

Pratique até ficar automático

A regra da potência em si é fácil. A habilidade que exige prática é a de reescrever: transformar raízes e frações em potências e lidar com expoentes negativos e fracionários sem escorregar. A lição interativa abaixo traz um fluxo constante de exercícios, confere cada resposta na hora e mostra exatamente qual expoente saiu errado. Uma sessão curta hoje vai deixar todas as derivadas seguintes mais rápidas.

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A regra da potência

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Perguntas frequentes

O que é a regra da potência em cálculo?

A regra da potência diz que a derivada de x^n é n x^{n-1}. Desça o expoente para a frente como coeficiente e depois diminua o expoente em um. Por exemplo, a derivada de x^5 é 5x^4.

A regra da potência funciona com expoentes negativos?

Sim. Por exemplo, \frac{d}{dx} x^{-3} = -3x^{-4}. Cuidado ao subtrair um de um expoente negativo: -3 - 1 = -4, não -2.

Como usar a regra da potência numa raiz quadrada?

Reescreva a raiz como uma potência fracionária e aplique a regra. \sqrt{x} = x^{1/2}, então sua derivada é \frac{1}{2}x^{-1/2} = \frac{1}{2\sqrt{x}}.

Qual é a derivada de uma constante?

A derivada de qualquer constante é 0, porque uma função constante é uma reta horizontal com inclinação 0. Isso inclui constantes como 7, \pi^2 e e^3.

Dá para usar a regra da potência em e^x ou 2^x?

Não. A regra da potência precisa da variável na base e de uma constante no expoente, como em x^2. Em e^x e 2^x a variável está no expoente, então elas usam as regras das exponenciais: \frac{d}{dx} e^x = e^x e \frac{d}{dx} 2^x = 2^x \ln 2.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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