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Estudo de funções: período, crescimento, extremos, máximo e mínimo em um intervalo

Para estudar uma função, fazemos quatro perguntas. O gráfico se repete (período T com f(x + T) = f(x))? Onde ele sobe ou desce (o sinal da inclinação)? Onde ele vira (inclinação zero, com máximo ou mínimo local)? E, em um intervalo [a, b], qual é o maior e o menor valor (confira as duas pontas e os pontos de virada dentro do intervalo)?

🎬 História passo a passo

  1. A onda se repete. Olhe os dois pontos roxos: depois de uma distância T a altura é exatamente a mesma. T é o período.
  2. Aperte a onda: w vai de 1 para 2. A onda se repete duas vezes mais rápido e o período cai pela metade, de cerca de 6,28 para 3,14.
  3. Nova curva x³ − 3x. As partes verdes sobem, a parte vermelha desce. O ponto muda de cor conforme você desliza.
  4. No alto do morro e no fundo do vale, a reta tangente laranja fica plana. A inclinação ali é 0. Esses são os pontos de virada.
  5. Agora olhe só a faixa azul, o intervalo de −2 a 1.5. O maior valor é 2, em x = −1. O menor é −2, na ponta x = −2.
  6. Brincadeira livre. Mexa em a e b. O máximo e o mínimo podem estar num ponto de virada ou numa ponta. Veja como eles pulam.

Dica: arraste a cena 3D para girar. Use dois dedos para dar zoom.

🤔 Dúvidas comuns, esclarecidas

O que exatamente se repete em uma função periódica?

A figura inteira. Deslize-a T para a direita e ela cai exatamente sobre si mesma.

Por que o período diminui quando w é maior?

Um w maior aperta a onda para os lados, então uma onda completa cabe numa distância menor: T = 2π ÷ w.

Por que a cor muda em −1 e em 1?

Nesses pontos a curva para de ir para um lado e começa a ir para o outro, então o sinal da inclinação muda.

Por que a tangente é plana num ponto de virada?

Um pouco antes do alto o gráfico sobe, um pouco depois ele desce. No meio, a inclinação precisa passar por 0.

Por que o mínimo está na ponta x = −2 e não num ponto de virada?

As pontas também são candidatas. Aqui f(−2) = −2 é igual ao valor do vale f(1) = −2, então os dois são o menor valor.

O máximo pode estar num ponto de virada?

Pode. Deslize a para −1.5 e b para 1: o máximo 2 está no ponto de virada x = −1.

Periodicidade

Uma função f é periódica se existe um número T > 0 tal que f(x + T) = f(x) para todo x. O menor T desse tipo é o período. O gráfico é um pedaço que se repete sem parar.

Uma função como x² não é periódica: seus valores só crescem e nunca se repetem.

Se f tem período T, basta estudar um período e depois copiar.

Monotonia: crescente e decrescente

Uma função é crescente em um intervalo se o gráfico sobe quando x aumenta, e decrescente se ele desce. Juntas, essas duas são chamadas de monótonas (uma só direção).

A inclinação nos diz isso. A inclinação da curva em um ponto se escreve f′(x) (a derivada).

Exemplo: f(x) = x³ − 3x, f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1). É positiva para x < −1 e x > 1 (crescente) e negativa para −1 < x < 1 (decrescente).

Extremos: pontos de virada

Um máximo local é o alto de um morro: a função sobe e depois desce. Um mínimo local é o fundo de um vale: desce e depois sobe. Juntos são os extremos (extremo, no singular).

Num ponto assim a reta tangente é plana, então f′(x) = 0. Para achá-los:

  1. Resolva f′(x) = 0. Esses são os candidatos (pontos críticos).
  2. Veja o sinal de f′ um pouco antes e um pouco depois. Mais e depois menos: máximo. Menos e depois mais: mínimo. Sem mudança: nenhum dos dois (como x³ em 0).

Para x³ − 3x: f′ = 0 em x = ±1. Em x = −1 a inclinação vai de + para −: máximo local, valor 2. Em x = 1 ela vai de − para +: mínimo local, valor −2.

Máximo e mínimo em um intervalo [a, b]

Em um intervalo fechado [a, b], uma função suave tem um valor maior e um valor menor. Eles podem estar num ponto de virada dentro do intervalo ou numa ponta. Então:

  1. Ache os pontos de virada (f′ = 0) que estão dentro de [a, b]. Ignore os que estão fora.
  2. Calcule f nesses pontos e em a e b.
  3. O maior número é o máximo e o menor é o mínimo.

Para f = x³ − 3x em [−2, 1.5]: f(−2) = −2, f(−1) = 2, f(1) = −2, f(1.5) = −1.125. Máximo 2 em x = −1; mínimo −2 em x = −2 e x = 1.

Um máximo local nem sempre é o maior do intervalo: uma ponta pode ser maior.

Experimente: preveja e depois confira

No quadro 3D escolha "Máximo e mínimo em [a, b]". Chute: se a = −1.5 e b = 2, onde está o máximo? Deslize a e b para conferir. Em casa: jogue uma bolinha para cima (de leve!) e observe: ela sobe, para um instante no alto (inclinação 0) e cai. O alto é o ponto de virada. Ou bata palmas num ritmo constante: o tempo entre duas palmas é o período.

Fórmulas e definições principais

Exemplos resolvidos

1. Ache o período de y = sen(3x).

T = 2π ÷ w = 2π ÷ 3 = 2π/3.

2. Ache o período de y = cos(x/2).

Aqui w = 1/2, então T = 2π ÷ (1/2) = 4π. A onda está esticada, por isso se repete mais devagar.

3. A função f(x) = x² é periódica?

Não. Se f(x + T) = f(x) para todo x, então em x = 0: T² = 0, logo T = 0, mas um período precisa ser maior que 0. Portanto x² não é periódica. O gráfico é uma tigela que nunca se repete.

4. Onde f(x) = x² − 4x é crescente e decrescente?

f′(x) = 2x − 4. Vale 0 em x = 2. Para x < 2, f′ < 0: decrescente. Para x > 2, f′ > 0: crescente. Então x = 2 é o mínimo, com f(2) = −4.

5. Ache o máximo e o mínimo locais de f(x) = x³ − 3x.

f′ = 3x² − 3 = 0 dá x = ±1. Em x = −1 a inclinação vai de + para −: máximo local, f(−1) = −1 + 3 = 2. Em x = 1 ela vai de − para +: mínimo local, f(1) = 1 − 3 = −2.

6. Ache o máximo e o mínimo de f(x) = x³ − 3x em [−2, 1.5].

Os pontos de virada ±1 estão os dois dentro. f(−2) = −8 + 6 = −2. f(−1) = 2. f(1) = −2. f(1.5) = 3.375 − 4.5 = −1.125. Maior valor 2 em x = −1, menor valor −2 em x = −2 e x = 1.

7. Ache o máximo e o mínimo de f(x) = x² − 4x + 1 em [0, 5].

f′ = 2x − 4 = 0 dá x = 2 (dentro). f(2) = 4 − 8 + 1 = −3. f(0) = 1. f(5) = 25 − 20 + 1 = 6. Máximo 6 em x = 5 (uma ponta), mínimo −3 em x = 2.

8. Ache o máximo e o mínimo de f(x) = x + 1/x em [1, 4].

f′ = 1 − 1/x². Para x > 1, 1/x² < 1, então f′ > 0: crescente no intervalo todo. Não há ponto de virada dentro (x = 1 é uma ponta). Mínimo f(1) = 2, máximo f(4) = 4 + 0.25 = 4.25.

Erros comuns

Quiz de prática

1. O período de sen x é:
2. O período de sen(2x) é:
3. Se f′(x) < 0 em um intervalo, f é ali:
4. Num máximo local a inclinação é:
5. Em [a, b] o máximo pode estar em:

Prática: responda você mesmo

Digite ou escolha sua resposta e aperte Conferir. Use a dica se travar; a solução completa aparece depois que você responder.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre máximo local e máximo global?

O máximo local é o mais alto na sua vizinhança. O máximo global (absoluto) em um intervalo é o valor mais alto do intervalo inteiro.

Uma função pode ser crescente e decrescente ao mesmo tempo?

No mesmo intervalo não, mas em partes diferentes do gráfico sim, como x³ − 3x.

Preciso de derivadas para estudar uma função?

Elas deixam tudo mais rápido, mas também dá para ler o gráfico ou comparar valores. Esta aula mostra a ideia de inclinação com uma reta tangente em 3D.

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