Teorema do Valor Médio (TVM): enunciado, gráfico e exemplos
Teorema do Valor Médio: uma função suave em [a, b] tem um ponto onde a inclinação da tangente é igual à inclinação média. Enunciado, gráfico e exemplos.
Teoremas do cálculo diferencial Atualizado 4 min de leitura
Visão geral
- Hipóteses
- f contínua em [a, b] e diferenciável em (a, b)
- Conclusão
- Algum c em (a, b) satisfaz f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}
- Significado geométrico
- Alguma reta tangente é paralela à reta secante que passa pelas extremidades
- Significado físico
- Em algum instante, a velocidade instantânea é igual à velocidade média
- Caso particular
- O teorema de Rolle, quando f(a) = f(b)
- Disciplina
- Cálculo 1
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O Teorema do Valor Médio (TVM), também chamado de teorema de Lagrange, diz que, para uma função suave, a taxa de variação média em um intervalo é atingida como taxa de variação instantânea em algum ponto dentro dele. Geometricamente, alguma reta tangente é paralela à reta secante que liga as extremidades.
Enunciado do Teorema do Valor Médio
Suponha que f satisfaz as duas hipóteses:
- f é contínua no intervalo fechado [a, b];
- f é diferenciável no intervalo aberto (a, b).
Então existe pelo menos um número c em (a, b) tal que
De forma equivalente, f(b) - f(a) = f'(c)(b - a). Essa segunda forma é a usada em demonstrações: ela converte informação sobre a derivada em informação sobre a função.
O que o TVM significa
A fração \frac{f(b) - f(a)}{b - a} é a inclinação da reta secante, a taxa de variação média. f'(c) é a inclinação da tangente, uma taxa de variação instantânea. O TVM diz que as duas coincidem em algum ponto. Se a sua velocidade média em uma viagem foi de 60 km/h, em algum instante você estava a exatamente 60 km/h.
Por que cada hipótese importa
Diferenciabilidade. Tome f(x) = |x| em [-1, 2]. Ela é contínua, e a inclinação da secante é \frac{2 - 1}{2 - (-1)} = \frac{1}{3}. Mas f'(x) vale -1 para x < 0 e 1 para x > 0, nunca \frac{1}{3}. O culpado é o bico em 0.
Continuidade. Tome f(x) = \frac{1}{x} em [-1, 1]. A inclinação da secante é \frac{1 - (-1)}{2} = 1, mas f'(x) = -\frac{1}{x^2} é sempre negativa. A função não é contínua em 0, então o TVM não se aplica.
Exemplos resolvidos
Exemplo 1: encontre c para f(x) = x^3 em [0, 2].
Passo 1. f é um polinômio, então as duas hipóteses valem.
Passo 2. Inclinação média: \frac{f(2) - f(0)}{2 - 0} = \frac{8}{2} = 4.
Passo 3. Resolva f'(c) = 3c^2 = 4, o que dá c = \pm\frac{2}{\sqrt{3}}. Só c = \frac{2}{\sqrt{3}} \approx 1.155 está em (0, 2).
Exemplo 2: encontre c para f(x) = \sqrt{x} em [1, 4].
f é contínua em [1, 4] e diferenciável em (1, 4). A inclinação média é \frac{2 - 1}{4 - 1} = \frac{1}{3}. Resolva
e \frac{9}{4} = 2.25 está em (1, 4).
Exemplo 3: limitando uma função. Suponha que f(0) = 1 e f'(x) \le 3 para todo x. Qual o maior valor possível de f(2)?
Pelo TVM em [0, 2], f(2) - f(0) = f'(c) \cdot 2 para algum c. Como f'(c) \le 3,
Você descobre algo sobre f(2) sem conhecer a função. É assim que o TVM é usado em demonstrações e em estimativas de erro da aproximação linear.
Consequências importantes
- Derivada nula significa função constante. Se f'(x) = 0 em um intervalo, então para quaisquer dois pontos f(x_2) - f(x_1) = 0 \cdot (x_2 - x_1) = 0, logo f é constante.
- Mesma derivada significa diferença constante. Se f' = g', então f - g é constante. É por isso que toda primitiva tem um + C.
- O sinal de f' dá a monotonicidade. Se f' > 0 em um intervalo, f é crescente ali, que é a base do teste da derivada primeira.
Erros comuns
- Responder com um c fora de (a, b). Resolva f'(c) = \text{slope} e depois descarte as raízes que não estão no intervalo aberto.
- Pular a verificação das hipóteses. Para funções com raízes, valores absolutos ou frações, verifique primeiro a continuidade e a diferenciabilidade.
- Achar que o TVM localiza c. Ele só garante que esse ponto existe. Em muitas aplicações, como no Exemplo 3, você nunca chega a encontrar c.
Teoremas relacionados
O TVM é demonstrado a partir do teorema de Rolle subtraindo a reta secante de f. Seu irmão para integrais é o Teorema do Valor Médio para integrais, e o teorema de Taylor é uma versão de ordem superior. Para mais aplicações e prática, leia o guia completo do Teorema do Valor Médio.
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