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Derivadas

Definição de derivada por limite, passo a passo

Aprenda a definição de derivada por limite: o quociente de diferenças, retas secantes virando tangentes e exemplos resolvidos para x², 1/x e √x.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura

Nesta página
  1. O que é a derivada? A definição em linguagem simples
  2. Das retas secantes à reta tangente
  3. Como usar a definição por limite: o método geral
  4. Exemplo resolvido 1: a derivada de x²
  5. Exemplo resolvido 2: a derivada de 1/x
  6. Exemplo resolvido 3: a derivada de √x
  7. Exemplo resolvido 4: a forma alternativa num ponto
  8. O que a derivada diz
  9. Quando a derivada não existe
  10. Erros comuns com a definição por limite
  11. Resumo rápido
  12. A prática constrói a álgebra

Inclinação é fácil numa reta: variação vertical sobre variação horizontal. Mas uma curva como y = x^2 fica mais íngreme conforme você anda para a direita, então o que significa "a inclinação em x = 1"? A definição de derivada por limite responde isso com precisão, e é a base sobre a qual toda regra de derivação é construída.

O que é a derivada? A definição em linguagem simples

A derivada de uma função num ponto é a inclinação da reta tangente ali: a taxa de variação instantânea. Nós a encontramos calculando a inclinação entre dois pontos da curva e deixando o segundo ponto deslizar em direção ao primeiro.

Formalmente, a derivada de f é

f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}

sempre que esse limite existir. A fração dentro do limite se chama quociente de diferenças.

Num ponto específico x = a, a mesma definição costuma ser escrita numa forma alternativa equivalente:

f'(a) = \lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a}

Das retas secantes à reta tangente

Uma reta secante passa por dois pontos de uma curva. Tome os pontos (x, f(x)) e (x + h, f(x + h)). A variação vertical é f(x+h) - f(x) e a horizontal é h, então a inclinação da reta secante é exatamente o quociente de diferenças:

\text{inclinação da secante} = \frac{f(x+h) - f(x)}{h}

Agora diminua h. O segundo ponto desliza pela curva em direção ao primeiro, e a reta secante gira. No limite, os dois pontos se fundem e a reta secante se torna a reta tangente. Sua inclinação é a derivada.

Veja f(x) = x^2 em x = 1:

h Segundo ponto Inclinação da secante \frac{(1+h)^2 - 1}{h}
1 (2, 4) 3
0.5 (1.5, 2.25) 2.5
0.1 (1.1, 1.21) 2.1
0.01 (1.01, 1.0201) 2.01

As inclinações se aproximam de 2. Então a inclinação da reta tangente a y = x^2 em x = 1 é 2.

Retas secantes de y = x² por (1, 1) se aproximando da reta tangente y = 2x − 1
As retas secantes com h = 1 (inclinação 3) e h = 0.5 (inclinação 2.5) giram em direção à reta tangente em x = 1, que tem inclinação 2.

Como usar a definição por limite: o método geral

Todo problema com a definição por limite segue os mesmos quatro passos.

  1. Escreva f(x + h) trocando cada x da fórmula por (x + h).
  2. Monte o quociente de diferenças \frac{f(x+h) - f(x)}{h}.
  3. Simplifique até o h do denominador se cancelar. (Substituir h = 0 logo de cara sempre dá \frac{0}{0}.)
  4. Faça h \to 0 substituindo h = 0 no que sobrou.

A álgebra do passo 3 depende da função. São as mesmas técnicas usadas para calcular limites:

Tipo de função Técnica de simplificação
Polinômio Expandir e cancelar
Fração (como \frac{1}{x}) Juntar num denominador comum
Raiz quadrada Multiplicar pelo conjugado

Exemplo resolvido 1: a derivada de x²

Encontre f'(x) para f(x) = x^2 usando a definição por limite.

Passo 1. Escreva f(x + h).

f(x + h) = (x + h)^2 = x^2 + 2xh + h^2

Passo 2. Monte o quociente de diferenças.

\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{x^2 + 2xh + h^2 - x^2}{h} = \frac{2xh + h^2}{h}

Passo 3. Coloque h em evidência e cancele.

\frac{h(2x + h)}{h} = 2x + h \quad (h \neq 0)

Passo 4. Faça h \to 0.

f'(x) = \lim_{h \to 0} (2x + h) = 2x

Em x = 1 isso dá f'(1) = 2, como na tabela. A reta tangente ali é y - 1 = 2(x - 1), ou seja, y = 2x - 1.

Exemplo resolvido 2: a derivada de 1/x

Encontre f'(x) para f(x) = \frac{1}{x}.

Passo 1. Escreva f(x + h). f(x + h) = \frac{1}{x + h}.

Passo 2. Monte o quociente de diferenças.

\frac{\frac{1}{x+h} - \frac{1}{x}}{h}

Passo 3. Junte o numerador num denominador comum.

\frac{1}{x+h} - \frac{1}{x} = \frac{x - (x + h)}{x(x + h)} = \frac{-h}{x(x + h)}

Dividir por h o cancela:

\frac{-h}{x(x+h)} \cdot \frac{1}{h} = \frac{-1}{x(x + h)}

Passo 4. Faça h \to 0.

f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{-1}{x(x+h)} = -\frac{1}{x^2}

A derivada é negativa para todo x \neq 0, o que combina com o gráfico de \frac{1}{x}: ele desce nos dois ramos. Em x = 1 a inclinação é -1, então a reta tangente é y = -x + 2.

Gráfico de y = 1/x com sua reta tangente y = −x + 2 no ponto (1, 1)
Pela definição por limite, a derivada de \frac{1}{x} é -\frac{1}{x^2}, então a inclinação em x = 1 é -1.

Exemplo resolvido 3: a derivada de √x

Encontre f'(x) para f(x) = \sqrt{x}.

Passo 1. Escreva o quociente de diferenças.

\frac{\sqrt{x + h} - \sqrt{x}}{h}

Substituir h = 0 dá \frac{0}{0}, e não há nada para expandir. Uma diferença de raízes quadradas pede o conjugado.

Passo 2. Multiplique pelo conjugado sobre ele mesmo.

\frac{\sqrt{x + h} - \sqrt{x}}{h} \cdot \frac{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}}{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}} = \frac{(x + h) - x}{h\left(\sqrt{x + h} + \sqrt{x}\right)}

Passo 3. Simplifique e cancele. O numerador é apenas h:

\frac{h}{h\left(\sqrt{x + h} + \sqrt{x}\right)} = \frac{1}{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}}

Passo 4. Faça h \to 0.

f'(x) = \frac{1}{\sqrt{x} + \sqrt{x}} = \frac{1}{2\sqrt{x}}

Isso vale para x > 0. Em x = 0 a inclinação explode: o gráfico de \sqrt{x} começa com uma tangente vertical. Em x = 4, f'(4) = \frac{1}{2 \cdot 2} = \frac{1}{4}, então a reta tangente ali é y = \frac{1}{4}x + 1.

Exemplo resolvido 4: a forma alternativa num ponto

Encontre f'(3) para f(x) = x^2 - 4x usando f'(a) = \lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a}.

Passo 1. Calcule f(3). f(3) = 9 - 12 = -3.

Passo 2. Monte o limite.

f'(3) = \lim_{x \to 3} \frac{x^2 - 4x - (-3)}{x - 3} = \lim_{x \to 3} \frac{x^2 - 4x + 3}{x - 3}

Passo 3. Fatore e cancele. x^2 - 4x + 3 = (x - 3)(x - 1), então o limite vira \lim_{x \to 3} (x - 1).

Passo 4. Substitua. f'(3) = 3 - 1 = 2.

Confira com a regra da potência: f'(x) = 2x - 4, e f'(3) = 2.

O que a derivada diz

Depois que você tem f'(x), ela faz mais do que dar a inclinação num ponto. É uma nova função que informa a inclinação em cada ponto, e essa inclinação tem significado no contexto.

  • Inclinação da reta tangente. f'(a) é a inclinação da reta que apenas toca o gráfico em x = a. A reta tangente é y = f(a) + f'(a)(x - a).
  • Taxa de variação instantânea. Se s(t) é a posição no instante t, o quociente de diferenças é uma velocidade média num intervalo de tempo de comprimento h. Seu limite, s'(t), é a velocidade no instante t.
  • Crescente ou decrescente. Onde f'(x) > 0 o gráfico sobe; onde f'(x) < 0 ele desce. Para f(x) = x^2, f'(x) = 2x é negativa para x < 0 e positiva para x > 0, que é exatamente o formato da parábola.

A notação varia de livro para livro, mas todas estas significam a mesma coisa:

f'(x) \qquad \frac{dy}{dx} \qquad \frac{d}{dx} f(x) \qquad y'

A forma de Leibniz \frac{dy}{dx} lembra de onde a derivada vem: uma pequena variação em y dividida por uma pequena variação em x, no limite.

Quando a derivada não existe

O limite da definição pode falhar. Para f(x) = |x| em x = 0, o quociente de diferenças é \frac{|h|}{h}, que vale 1 para h > 0 e -1 para h < 0. Os limites laterais não coincidem, então f'(0) não existe. Graficamente, o bico na origem não tem uma única reta tangente. Funções também deixam de ser diferenciáveis em saltos, buracos e tangentes verticais, então uma função precisa ser contínua para ter derivada.

Erros comuns com a definição por limite

  1. Escrever f(x) + h em vez de f(x + h). Para f(x) = x^2, f(x + h) é (x + h)^2, não x^2 + h.
  2. Expandir (x + h)^2 como x^2 + h^2. O termo do meio, 2xh, é a derivada inteira. Nunca o descarte.
  3. Substituir h = 0 cedo demais. Se ainda houver um h sozinho num denominador, continue simplificando.
  4. Perder o sinal de menos em f(x+h) - f(x). Coloque f(x) entre parênteses: -(x^2 - 4x) se distribui pelos dois termos.
  5. Deixar de escrever o \lim. Escreva \lim_{h \to 0} em todas as linhas até realmente fazer h \to 0.

Resumo rápido

f(x) Passo algébrico principal f'(x)
x^2 Expandir (x+h)^2 2x
x^3 Expandir (x+h)^3 3x^2
\frac{1}{x} Denominador comum -\frac{1}{x^2}
\sqrt{x} Conjugado \frac{1}{2\sqrt{x}}
mx + b Cancelar direto m

A prática constrói a álgebra

A definição por limite é, em grande parte, álgebra cuidadosa: expandir, juntar frações e multiplicar pelo conjugado sem perder nenhum termo. A lição interativa abaixo conduz você pelos quocientes de diferenças um passo de cada vez, confere cada linha na hora e mostra exatamente onde um sinal ou um 2xh se perdeu. Quando a ideia fizer sentido, as regras práticas vão ficar completamente claras.

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A definição por limite

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Perguntas frequentes

O que é a definição de derivada por limite?

A derivada de f em x é f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}. É o limite das inclinações das retas secantes que passam por (x, f(x)) e por um ponto próximo, o que dá a inclinação da reta tangente.

O que é o quociente de diferenças?

O quociente de diferenças é \frac{f(x+h) - f(x)}{h}. É a inclinação da reta que passa por dois pontos do gráfico separados por uma distância horizontal h, então mede a taxa de variação média nesse intervalo.

Por que precisamos da definição por limite se existem regras de derivação?

As regras, como a regra da potência, são demonstradas a partir da definição por limite. Aprendê-la mostra por que as regras são verdadeiras, e alguns cursos e provas pedem que você calcule uma derivada "pela definição" para mostrar que entende o que é uma derivada.

Qual é a forma alternativa da definição de derivada?

Num ponto específico a, você pode escrever f'(a) = \lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a}. É a mesma ideia, com o segundo ponto escrito como x em vez de a + h.

Por que substituir h = 0 não funciona?

Porque o numerador e o denominador viram 0, o que dá a forma indeterminada \frac{0}{0}. O limite pergunta o que acontece quando h se aproxima de 0, então você simplifica algebricamente até o fator h se cancelar e só então faz h \to 0.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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