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Derivadas exponenciais e logarítmicas

Derivada de xˣ: fórmula, demonstração e exemplos

A derivada de xˣ é xˣ(ln x + 1). Aprenda dois métodos, a derivação logarítmica e a reescrita como e^(x ln x), além do gráfico e de exemplos.

Derivadas exponenciais e logarítmicas Atualizado 2 min de leitura

Visão geral

\frac{d}{dx}\,x^x = x^x(\ln x + 1)
Derivada
x^x(\ln x + 1) para x > 0
Reescrita-chave
x^x = e^{x\ln x}
Método
derivação logarítmica
Mínimo
x = \frac{1}{e}, valor e^{-1/e} \approx 0.692
Forma geral
\dfrac{d}{dx}f^g = f^g\left(g'\ln f + \dfrac{gf'}{f}\right)
Nesta página
  1. Por que as regras usuais falham
  2. Método 1: derivação logarítmica
  3. Método 2: reescrever na base e
  4. Gráfico de xˣ e de sua derivada
  5. Exemplos resolvidos
  6. Erros comuns

A derivada de x^x é x^x(\ln x + 1). É o exemplo clássico de função que precisa de derivação logarítmica.

\frac{d}{dx}\,x^x = x^x(\ln x + 1), \qquad x > 0

Por que as regras usuais falham

Função Base Expoente Regra Derivada
x^3 variável constante regra da potência 3x^2
3^x constante variável regra da exponencial 3^x\ln 3
x^x variável variável nenhuma sozinha x^x(\ln x + 1)

Aplicar a regra da potência dá x\cdot x^{x-1} = x^x, e aplicar a regra da exponencial dá x^x\ln x. As duas estão erradas. Curiosamente, a resposta correta é a soma delas.

Método 1: derivação logarítmica

Seja y = x^x. Aplique o logaritmo natural dos dois lados para descer o expoente:

\ln y = x\ln x

Derive os dois lados. O lado esquerdo precisa de derivação implícita, e o lado direito precisa da regra do produto (é a derivada de x ln x):

\frac{1}{y}\cdot\frac{dy}{dx} = \ln x + 1

Multiplique por y = x^x:

\frac{dy}{dx} = x^x(\ln x + 1)

Método 2: reescrever na base e

Como x = e^{\ln x}, temos x^x = e^{x\ln x}. Agora use a regra da cadeia com função de fora e^u:

\frac{d}{dx}e^{x\ln x} = e^{x\ln x}\cdot\frac{d}{dx}(x\ln x) = x^x(\ln x + 1)

Os dois métodos são, no fundo, a mesma ideia. Use o que parecer mais natural.

Gráfico de xˣ e de sua derivada

Gráfico de y = xˣ e de sua derivada
A curva desce até seu menor valor, cerca de 0.692, em x = \frac{1}{e}, e depois cresce muito rápido. Em x = 1 tanto o valor quanto a inclinação são iguais a 1.

Como x^x > 0, o sinal da derivada depende só de \ln x + 1. Ele é negativo para x < \frac{1}{e} e positivo depois, então o mínimo está em x = \frac{1}{e}. Seu valor é \left(e^{-1}\right)^{1/e} = e^{-1/e} \approx 0.692.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: inclinação em x = 2. \frac{d}{dx}x^x\big|_{x = 2} = 2^2(\ln 2 + 1) = 4(1.693) \approx 6.77.

Exemplo 2: x elevado a sen x. Seja y = x^{\sin x}. Então \ln y = \sin x\ln x, e

\frac{y'}{y} = \cos x\ln x + \frac{\sin x}{x} \quad\Longrightarrow\quad y' = x^{\sin x}\left(\cos x\ln x + \frac{\sin x}{x}\right)

Exemplo 3: x elevado a 1/x. Seja y = x^{1/x}. Então \ln y = \frac{\ln x}{x}, e a regra do quociente dá

\frac{y'}{y} = \frac{1 - \ln x}{x^2} \quad\Longrightarrow\quad y' = x^{1/x}\cdot\frac{1 - \ln x}{x^2}

Isso se anula em x = e, então x^{1/x} é máxima em x = e, com valor e^{1/e} \approx 1.445.

Exemplo 4: x elevado a x ao quadrado. Para y = x^{x^2}, \ln y = x^2\ln x, então y' = x^{x^2}(2x\ln x + x).

Erros comuns

  1. Regra da potência: x\cdot x^{x-1} = x^x. Errado, porque o expoente não é constante.
  2. Regra da exponencial: x^x\ln x. Errado, porque a base não é constante.
  3. Esquecer de multiplicar por y no final da derivação logarítmica, deixando só \ln x + 1.

Para mais sobre esse método, veja os exercícios de derivação implícita e a derivada de 2ˣ e aˣ.

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Perguntas frequentes

Qual é a derivada de x^x?

A derivada de x^x é x^x(\ln x + 1), para x > 0.

Por que não posso usar a regra da potência em x^x?

A regra da potência exige expoente constante, e a regra da exponencial exige base constante. Em x^x os dois variam, então você precisa usar derivação logarítmica ou reescrever como e^{x\ln x}.

Qual é a derivada de x^(sen x)?

Com derivação logarítmica: x^{\sin x}\left(\cos x\ln x + \frac{\sin x}{x}\right).

Onde está o mínimo de x^x?

Em x = \frac{1}{e} \approx 0.368, onde a derivada é zero. O valor mínimo é \left(\frac{1}{e}\right)^{1/e} = e^{-1/e} \approx 0.692.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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