1.1. Função seno UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I Chama-se função seno a função definida de ℜ em ℜ por f(x) = sen x. Derivadas das Funções Trigonométricas Inversas Prof.: Rogério Dias Dalla Riva 4 Derivadas das Funções Trigonométricas Inversas 1.1. Função seno 1.Funções trigonométricas 2.Funções circulares inversas Para analisar o comportamento da função seno, imagine que a extremidade P de um arco, partindo da origem, percorra a circunferência trigonométrica no sentido anti-horário. 3.Derivadas das funções trigonométricas inversas 4.Exemplos 5 1.1. Função seno 1. Funções trigonométricas Nesse suposto deslocamento da extremidade do arco, observamos que: Vamos apresentar o comportamento das funções seno, cosseno, tangente, cotangente, secante e cossecante. • De 0 a π/2 o seno cresce de 0 a 1. • De π/2 a π o seno decresce de 1 a 0. • De π a 3π/2 o seno decresce de 0 a -1. • De 3π/2 a 2π o seno cresce de -1 a 0. 3 6 1 1.1. Função seno 1.1. Função seno Supondo que a extremidade P continue se deslocando indefinidamente, a cada nova volta na circunferência trigonométrica o seno assumirá, em idênticas condições, todos os seus valores da primeira volta. Numa linguagem simples, podemos dizer que a função f(x) = sen x repete-se periodicamente de 2π em 2π. 7 1.1. Função seno O menor valor (positivo) de T que satisfaz essa igualdade é chamado período da função. O gráfico de sen(x) é chamado senóide. f ( x ) = sen x ⇒ D(f ) = ℝ Im(f ) = [ −1; 1] 10 1.2. Função cosseno Assim como analisamos função seno, vamos analisar comportamento de f(x) cos(x) para x variando de 0 2π. a o = a • De 0 a π/2 o cosseno decresce de 1 a 0. • De π/2 a π o cosseno decresce de 0 a -1. Na linguagem matemática escrevemos: … = sen ( x − 4π ) = sen ( x − 2π ) = sen ( x ) = sen ( x + 2π ) = sen ( x + 4π ) = … • De π a 3π/2 o cosseno cresce de -1 a 0. ou ainda ∀x ∈ ℝ e ∀k ∈ ℤ, sen x = sen ( x + k ⋅ 2π ) • De 3π/2 a 2π o cosseno 11 cresce de 0 a 1. 8 1.1. Função seno 1.2. Função cosseno Da segunda volta em diante, o cosseno passa a repetir, em idênticas condições, os valores da primeira volta. Isto é, ∀x ∈ ℝ e ∀k ∈ ℤ, cos x = cos ( x + k ⋅ 2π ) Então dizemos que: “A função f(x) = sen (x) é uma função periódica de período igual a 2π”. De um modo geral, uma função f é denominada periódica sempre que existe um número T > 0, tal que, para todo x do domínio de f tem-se: f (x) = f (x + T ) 9 Então dizemos que a função f(x) = cos (x) é uma função periódica de período igual a 2π. 12 2 1.2. Função cosseno 1.3. Função tangente O gráfico da função cosseno é chamado cossenóide. Note, na figura, que a cossenóide nada mais é do que a senóide deslocada de π/2 unidades, na direção horizontal, para a “esquerda”. Essa característica da cossenóide pode 13 ser traduzida assim: 1.2. Função cosseno A função tangente também é periódica. Porém, enquanto as funções seno e cosseno têm períodos iguais a 2π, a função tangente tem período igual a π. 16 1.3. Função tangente π ∀x ∈ ℝ, cos x = sen x + 2 f ( x ) = cos x ⇒ D(f ) = ℝ Im(f ) = [ −1; 1] Isso significa que a cada meia-volta a função tangente repete-se em idênticas condições. Isto é, 14 1.3. Função tangente π ∀x ∈ ℝ e ∀k ∈ ℤ, x ≠ + kπ ⇒ tg x = tg ( x + kπ ) 2 17 1.3. Função tangente • De 0 a π/2 a tangente cresce de 0 a +∞. Chama-se função tangente a função definida por f ( x ) = tg x, x≠ π 2 • De π/2 a π a tangente cresce de -∞ a 0. + kπ , k ∈ ℤ 15 18 3 1.3. Função tangente 1.4. Funções cotangente, secante e cossecante P=π Daí em diante, a cada meia-volta, a tangente comporta-se exatamente como na primeira meia-volta. f ( x ) = cotg x D(f ) = { x ∈ ℝ / x ≠ kπ } Im(f ) = ℝ ⇒ 19 1.3. Função tangente (k ∈ ℤ ) 22 1.4. Funções cotangente, secante e cossecante P = 2π f ( x ) = tg x ⇒ π D(f ) = x ∈ ℝ / x ≠ + kπ 2 Im(f ) = ℝ (k ∈ ℤ ) 20 f ( x ) = sec x ⇒ π D(f ) = x ∈ ℝ / x ≠ 2 + kπ Im(f ) = {y ∈ ℝ / y ≤ −1 ou (k ∈ ℤ ) y ≥ 1} 23 1.4. Funções cotangente, secante e cossecante 1.4. Funções cotangente, secante e cossecante Por serem menos importantes que as demais funções trigonométricas, serão apresentadas de forma resumida, enfatizando-se o domínio e o conjunto-imagem das funções cotangente, secante e cossecante. P = 2π 21 f ( x ) = cossec x ⇒ D(f ) = {x ∈ ℝ / x ≠ k π } (k ∈ ℤ ) Im(f ) = {y ∈ ℝ / y ≤ −1 ou y ≥ 1} 24 4 2. Funções circulares inversas 7.1. Função arco-seno As funções trigonométricas inversas são também conhecidas como funções arco. Nessa notação: sen-1 x = arc sen x cos-1 x = arc cos x tg-1 cotg-1 x = arc cotg x x = arc tg x sec-1 x = arc sec x Definição: π π Para x ∈ [ −1; 1] e y ∈ − ; , a função arco 2 2 seno é definida pela sentença y = arc sen x ⇔ sen y = x cossec-1 x = arc cossec x 25 7.1. Função arco-seno 28 7.1. Função arco-seno A função de domínio ℜ definida por f(x) = sen x não admite função inversa por não ser injetora(*). Veja estes exemplos: π 1 a) b) - 6 π 2 = arc sen 2 π 1 , pois sen = 6 2 π = arc sen(−1), pois sen − = −1 2 Este esquema mostra que a função arcoseno é a inversa da função seno: Nota: Uma função f é chamada injetora se cada elemento de seu conjunto26 imagem é imagem de um único elemento do domínio. 29 7.1. Função arco-seno 7.1. Função arco-seno Porém, restringindo o domínio da função seno ao intervalo [- π/2, π/2] é possível definir sua inversa, que é chamada função arco-seno e é denotada pelo símbolo arc sen. Gráfico de f(x) = arc sen x Por exemplo, a sentença π 6 significa: π 6 = arc sen 1 2 é o arco cujo seno é igual a 1 2 27 30 5 2.1. Função arco-seno 7.2. Função arco-cosseno Se considerarmos a função seno restrita ao intervalo [-π/2, π/2] e com contradomínio [-1, 1], isto é, g: [-π/2, π/2] → [-1, 1] A inversa da função cosseno é chamada função arco-cosseno e é denotada por arc cos. Definição: tal que g(x) = sen x, a função g admitirá inversa e g-1 será denominada função arco-seno. Notemos que g-1 tem domínio [-1, 1], contradomínio [-π/2, π/2] e associa a cada x ∈ [-1, 1] um y ∈ [-π/2, π/2] tal que y é um arco cujo seno é x (indica-se y = arc sen x). Temos, portanto, que: Para x ∈ [ −1; 1] e y ∈ [0; π ], a função arco-cosseno é definida pela sentença y = arc cos x ⇔ cos y = x y = arc sen x ⇔ sen y = x e -π/2 ≤ y ≤ π/2 31 2.1. Função arco-seno 34 7.2. Função arco-cosseno Veja estes exemplos: π 3 3 π , pois cos = 2 6 b ) π = arc cos( −1), pois cos (π ) = −1 a) 6 = arc cos 2 Este esquema mostra que a função arcocosseno é a inversa da função cosseno: 32 7.2. Função arco-cosseno 35 7.2. Função arco-cosseno A exemplo da função seno, a função cosseno não admite inversa quando seu domínio é o conjunto ℜ. Assim, para definir a inversa da função cosseno, vamos restringir o seu domínio ao intervalo [0; π]. 33 Gráfico de f(x) = arc cos x 36 6 2.2. Função arco-cosseno 7.3. Função arco-tangente Se considerarmos a função cosseno restrita ao intervalo [0, π] e com contradomínio [-1, 1], isto é, g: [0, π] → [-1, 1] A inversa da função tangente é chamada função arco-tangente e é denotada por arc tg. Definição: tal que g(x) = cos x, a função g admitirá inversa e g-1 será denominada função arco-cosseno. Notemos que g-1 tem domínio [-1, 1], contradomínio [0, π] e associa a cada x ∈ [-1, 1] um y ∈ [0, π] tal que y é um arco cujo cosseno é x (indica-se y = arc cos x). Temos, portanto, que: π π Para x ∈ ℝ e y ∈ − ; , a função arco-tan 2 2 gente é definida por y = arc tg x ⇔ tg y = x y = arc cos x ⇔ cos y = x e 0 ≤ y ≤ π 37 40 7.3. Função arco-tangente 2.2. Função arco-cosseno Observe estes exemplos: a) π 4 b) - π 3 π = arc tg (1) , pois tg = 1 4 π = arc tg( − 3), pois tg − = − 3 3 41 38 7.3. Função arco-tangente 7.3. Função arco-tangente Para definir o inverso da função tangente, vamos restringir o inverso da mesma ao intervalo (-π/2, π/2). Observe o gráfico seguinte e note que, nesse intervalo, a função tangente é bijetora. 39 Gráfico de f(x) = arc tg x 42 7 2.3. Função arco-tangente 2.4. Quadro resumo Função trigonométrica com domínio modificado Função trigonométrica Se considerarmos a função tangente restrita ao intervalo aberto (-π/2, π/2) e com contradomínio ℜ, isto é, g: (-π/2, π/2) → ℜ tal que g(x) = tg x, a função g admitirá inversa e g-1 será denominada função arco-tangente. Notemos que g-1 tem domínio ℜ, contradomínio (-π/2, π/2) e associa a cada x ∈ ℜ um y ∈ (-π/2, π/2) tal que y é um arco cuja tangente é x (indica-se y = arc tg x). Temos, portanto, que: y = arc tg x ⇔ tg y = x e -π/2 ≤ y ≤ π/2 43 Inversa trigonométrica y = sen x Domínio: (-∞, +∞) Imagem: [-1, 1] y = sen x Domínio: [- π/2, π/2] Imagem: [-1, 1] y = sen-1 x = arc sen x Domínio: [-1, 1] Imagem: [- π/2, π/2] y = cos x Domínio: (-∞, +∞) Imagem: [-1, 1] y = cos x Domínio: [0, π] Imagem: [-1, 1] y = cos-1 x = arc cos x Domínio: [-1, 1] Imagem: [0, π] y = tg x Domínio: {x ∈ ℜ/x ≠ π/2 + k π, k ∈ Z} y = tg x Domínio: (- π/2, π/2) Imagem: (-∞, +∞) y = tg-1 x = arc tg x Domínio: (-∞, +∞) Imagem: (- π/2, π/2) y = cotg x Domínio: (0, π) Imagem: (-∞, +∞) y = cotg-1 x = arc cotg x Domínio: (-∞, +∞) Imagem: (0, π) y = sec x Domínio: [-π, -π/2) U [0, π/2) Imagem: (-∞, 1] U [1, + ∞) y = sec-1 x = arc sec x Domínio: (-∞, 1] U [1, + ∞) Imagem: [-π, -π/2) U [0, π/2) y = cossec x Domínio: (-π, -π/2] U (0, π/2] Imagem: (-∞, 1] U [1, + ∞) y = cossec-1 x = arc cossec x Domínio: (-∞, 1] U [1, + ∞) 46 Imagem: (-π, -π/2] U (0, π/2] Imagem: (-∞, +∞) y = cotg x Domínio: {x ∈ ℜ/x ≠ k π, k ∈ Z} Imagem: (-∞, +∞) y = sec x Domínio: {x ∈ ℜ/x ≠ π/2 + k π, k ∈ Z} Imagem: (-∞, 1] U [1, + ∞) y = cossec x Domínio: {x ∈ ℜ/x ≠ k π, k ∈ Z} Imagem: (-∞, 1] U [1, + ∞) 3. Derivadas das funções trigonométricas inversas 2.3. Função arco-tangente Aqui, usaremos a diferenciação implícita para determinar as derivadas das funções trigonométricas inversas, supondo que essas funções sejam diferenciáveis. 47 44 3.1. Derivada de arc sen x 2.4. Quadro resumo Atenção! Nenhuma função trigonométrica possui inversa, o que fazemos aqui é a modificação do domínio destas funções, criando assim novas funções que sejam inversíveis. Lembre-se que a função inversa da função seno é dada por sen-1 x = arc sen x. y = sen-1 x significa sen y = x e -π/2 ≤ y ≤ π/2 Diferenciando sen y = x implicitamente em relação a x obtemos cos y dy dy 1 =1 ⇒ = dx dx cos y Agora cos y ≥ 0, uma vez que -π/2 ≤ y ≤ π/2, logo: cos y = 1 − sen2 y = 1 − x 2 45 48 8 3.1. Derivada de arc sen x 3.3. Derivada de arc tg x Lembre-se que a função inversa da função tangente é dada por tg-1 x = arc tg x. dy 1 1 = = dx cos y 1− x 2 y = tg-1 x significa tg y = x Portanto ( e -π/2 ≤ y ≤ π/2 Diferenciando tg y = x implicitamente em relação a x obtemos ) d 1 sen−1 x = dx 1− x 2 sec 2 y dy dy 1 =1 ⇒ = dx dx sec 2 y Da identidade sec2 y = 1 + tg2 y, temos sec 2 y = 1 + tg2 y = 1 + x 2 49 3.2. Derivada de arc cos x 52 3.3. Derivada de arc tg x Lembre-se que a função inversa da função cosseno é dada por cos-1 x = arc cos x. y = cos-1 x significa cos y = x e 0≤y≤π dy 1 1 = = dx sec 2 y 1 + x 2 Portanto Diferenciando cos y = x implicitamente em relação a x obtemos ( ) d 1 tg−1 x = dx 1+ x 2 dy dy 1 −sen y =1 ⇒ =− dx dx sen y Agora sen y > 0, uma vez que 0< y< π, logo: sen y = 1 − cos2 y = 1 − x 2 50 3.2. Derivada de arc cos x 53 3.4. Derivada de arc cotg x Lembre-se que a função inversa da função cotangente é dada por cotg-1 x = arc cotg x. dy 1 1 =− =− dx sen y 1− x 2 y = cotg-1 x significa cotg y = x Portanto ( e 0≤y≤π Diferenciando cotg y = x implicitamente em relação a x obtemos ) d 1 cos−1 x = − dx 1− x2 −cossec 2 y dy dy 1 =1 ⇒ =− dx dx cossec 2 y Da identidade cossec2 y = 1 + cotg2 y, temos cos sec 2 y = 1 + cotg 2 y = 1 + x 2 51 54 9 3.4. Derivada de arc cotg x 3.6. Derivada de arc cossec x Lembre-se que a função inversa da função cossecante é dada por cossec-1 x = arc cossec x. dy 1 1 =− =− dx cossec 2 y 1+ x 2 y = cossec-1 x Portanto ( significa cossec y = x e {y ∈ ℜ/ (-π, -π/2] U (0, π/2]} ) d 1 cotg−1 x = − dx 1+ x 2 Diferenciando cossec y = x implicitamente em relação a x obtemos −cossec y cotg y dy dy 1 =1 ⇒ =− dx dx cossec y cotg y Da identidade cotg2 y = cossec2 y - 1, temos cotg y = cossec 2 y − 1 = x 2 − 1 55 3.5. Derivada de arc sec x 58 3.6. Derivada de arc cossec x Lembre-se que a função inversa da função secante é dada por sec-1 x = arc sec x. y = sec-1 x significa sec y = x dy 1 1 =− =− dx cossec y cotg y x x2 − 1 e Portanto {y ∈ ℜ/ [- π, -π/2) U [0, π/2)} ( sec y tg y ) d 1 cossec −1 x = − dx x x2 − 1 Diferenciando sec y = x implicitamente em relação a x obtemos dy dy 1 =1 ⇒ = dx dx sec y tg y Da identidade tg2 y = sec2 y - 1, temos tg y = sec 2 y − 1 = x 2 − 1 56 3.5. Derivada de arc sec x 59 3.7. Resumo Se u for uma função de x, derivável, dy 1 1 = = dx sec y tg y x x 2 − 1 ( ( ) d 1 du sen−1 u = dx 1 − u 2 dx Portanto ) d 1 sec −1 x = dx x x2 − 1 ( ) d 1 du cos −1 u = − dx 1 − u 2 dx ( ) d 1 du tg−1 u = dx 1 + u 2 dx 57 ( ) d 1 du cotg−1 u = − dx 1 + u 2 dx ( ) d 1 du sec −1 u = dx u u 2 − 1 dx ( ) d 1 du cossec −1 u = − dx u u 2 − 1 dx 60 10 4. Exemplos 4. Exemplos x Exemplo 4: Ache dy/dx se ln ( x + y ) = tg−1 y Exemplo 1: Derive y = sen-1 x2. ( ) d 1 du sen−1 u = dx 1 − u 2 dx d 1 sen−1 x 2 = 2x 2 dx 1− x 2 ( ) ( ) 1 dy ⋅ 1+ = x + y dx ( ) d 2x sen−1 x 2 = dx 1− x 4 dy dy 1+ dx ⇒ dx = x+y y ⋅1− x ⋅ ( 4. Exemplos dy dx 1 1 ⋅ ⋅ 2 y2 x2 y2 x 1+ 2 1+ y y dy dy dy dy 2 y−x 1+ y−x 1+ 1 dx dx = dx ⇒ dx = y ⋅ ⋅ 2 y 2 + x2 y 2 + x2 x+y y2 x+y y y2 dy dy 1+ y−x dx = dx ⇒ y 2 + x 2 + y 2 + x 2 ⋅ dy = xy + y 2 − x 2 + xy ⋅ dy 2 x+y y + x2 dx dx dy dy dy y 2 + x2 ⋅ + x 2 + xy ⋅ = xy − x 2 ⇒ 2 x 2 + xy + y 2 ⋅ = xy − x 2 dx dx dx x (y − x) dy xy − x 2 dy = ⇒ = dx 2 x 2 + xy + y 2 dx 2 x 2 + xy + y 2 ( 61 y −x ) ( ) ) ( ( ) ) 64 4. Exemplos Exemplo 2: Derive f ( x ) = tg−1 ( ) d 1 du tg−1 u = = dx 1 + u 2 dx 1 1 1+ x + 1 d −1 1 1 tg = dx x + 1 ( x + 1)2 1 + 2 2 ( x + 1) ( x + 1) d −1 tg dx 2 Exemplo 5: Derive a função f ( x ) = sec −1 ( 3e x ) 1 x +1 1 ⋅− ( x + 1)2 3e x x f ' (x) = 2 −1 ( 3e x ) 2 ( ⋅ 3e x 1 3e x 1 1 1 = ⋅− x + 1 x 2 + 2 x + 1 + 1 ( x + 1)2 2 ( x + 1) 1 =− x 2 + 2x + 2 ( 3e ) f ' (x) = 1 ⋅− ( x + 1)2 2 ( x + 1) d −1 1 1 tg ⋅ − = dx x + 1 x 2 + 2x + 2 ( x + 1)2 1 f ' (x) = −1 ( ) ⋅ 3e x ) 1 9e 2 x − 1 62 4. Exemplos 65 4. Exemplos Exemplo 3: Derive y = x 3 cotg−1 dy = 3 x 2 ⋅ cotg−1 dx dy = 3 x 2 ⋅ cotg−1 dx x 1 + x3 ⋅ − 2 3 1+ x 9 x x3 1 − ⋅ 2 3 9+x 3 9 x 3 Exemplo 6: Derive a função f ( x ) = x cos sec −1 1 ⋅ 3 dy x 9 x3 1 = 3 x 2 ⋅ cotg−1 − ⋅ dx 3 9 + x2 3 dy x 3x 3 = 3 x 2 ⋅ cotg−1 − dx 3 9 + x2 63 f ' ( x ) = cossec −1 1 1 1 + x − ⋅ − 2 2 x x 1 1 −1 x x f ' ( x ) = cossec −1 1 −x2 1 + ⋅ − x 1 − x 2 x 2 x2 f ' ( x ) = cossec −1 1 1 + 2 x 1− x x f ' ( x ) = cossec −1 1 x + x 1− x 2 1 x 66 11 4. Exemplos 4. Exemplos No exemplo a seguir, um observador está olhando um quadro colocado em uma parede. Veja a figura a seguir. Quando o observador está afastado da parede, o ângulo segundo o qual ele vê o quadro é pequeno. À medida que o observador se aproxima da parede, o ângulo irá aumentando, até atingir um valor máximo. Então, se o observador continuar se aproximando, o ângulo diminuirá. Quando o ângulo for máximo, diremos que o observador tem a “melhor visão” do quadro. Vemos, da figura, que: cotg β = x x e cotgα = 3 2 Como 0 < β < π 2 e 0<α < π 2 x x β = cotg−1 e α = cotg−1 3 2 Substituindo esses valores de α e β na relação θ = β - α. θ = cotg-1 x x − cotg-1 3 2 67 70 4. Exemplos 4. Exemplos Derivando com relação a x, teremos: Exemplo 7: Um quadro com 1 m de altura é colocado em uma parede de tal forma que sua base esteja 2 m acima do nível dos olhos de um observador. Quantos metros o observador deverá se afastar da parede, para obter a melhor visão do quadro, isto é, para que o ângulo segundo o qual ele vê o quadro seja o máximo? dθ =− dx 1 1 3 2 3 2 + =− + 2 2 9 + x2 4 + x2 x x 1 + 1+ 3 2 Equacionando dθ = 0 , iremos obter dx 2(9 + x 2 ) − 3(4 + x 2 ) = 0 − x 2 + (18 − 12) = 0 x2 = 6 x ≅ 2,45 71 68 4. Exemplos 4. Exemplos Seja x m a distância do observador até a parede, θ a medida em radianos do ângulo segundo o qual o observador vê o quadro, α a medida do ângulo em radianos, segundo o qual o observador vê a parte da parede acima do nível dos olhos e abaixo do quadro, e β = α + θ. Queremos encontrar o valor de x que irá tornar θ um máximo absoluto. Como x está no intervalo (0, +∞), o valor máximo absoluto de θ será um valor máximo relativo. 69 A solução -2,45 foi rejeitada por não estar no intervalo (0, +∞). Os resultados do teste da derivada primeira estão na tabela abaixo. Como o valor máximo relativo de θ é um valor máximo absoluto, concluímos que o observador deve ficar a aproximadamente 2,45 m da parede. Conclusão 0 < x < 2,45 + x = 2,45 0 (θ tem um valor máximo relativo) 2,45 < x < ∞ 72 12