Um Curso de Cálculo, Volume 1

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 55 de 111

Páginas do PDF

Um Curso de Cálculo, Volume 1

9.4 Regras de L’Hospital

a) Mostre que, para todo x em I, f′′(x)existe e que f′′ é contínua em I

 

b) Mostre que existe r > 0 tal que f′(x) > 0 e f′′(x) > 0 em ]1 − r, 1 + r[

c) Esboce o gráfico de y = f(x), x ∈ ]1 − r, 1 + r[

 

11. Seja f definida e derivável no intervalo ]−r, r[(r > 0). Suponha que

 

a) Mostre que 0 é ponto de inflexão horizontal

b) Mostre que f′(x) > 0 para x ≠ 0

c) Estude f com relação à concavidade

d) Mostre que f(x) > para 0 < x < r

e) Faça um esboço do gráfico de f

 

9.4 Regras de L’Hospital

As regras de L’Hospital, que vamos enunciar a seguir e cujas demonstrações são deixadas para o final da seção, aplicam-se a cálculos de limites que apresentam indeterminações dos tipos

1 a REGRA DE L’HOSPITAL. Sejam f e g deriváveis em ]p − r, p[ e em ]p, p + r[(r > 0), com g′(x) ≠ 0 para 0 <|x – p | < r. Nestas condições, se

 

Observamos que a 1 a regra de L’Hospital continua válida se substituirmos

“ + – x → p ” por “ x → p ” ou por “ x → p ” ou por “x → ±∞”.

2 a REGRA DE L’HOSPITAL. Sejam f e g deriváveis em ]m, p[, com g′(x) ≠ 0 em ]m, p[. Nestas condições, se

Observamos que a 2 a – regra continua válida se substituirmos “ x → p ” por

 

“ + x → p ” ou por “x → p” ou por “x → ±∞”. A regra permanece válida se substituirmos um dos símbolos +∞, ou ambos, por −∞.

Exemplo 1

Calcule

 

Solução

Assim,

 

c) que é uma indeterminação que poderá ser

colocada na forma ou É mais interessante aqui passá-la para a

forma que nos permitirá eliminar o ln x.

Ou seja,

 

Como vimos, as regras de L’Hospital aplicam-se às indeterminações da

forma Os próximos exemplos mostram como as outras formas de

indeterminação (0 · ∞, ∞ − ∞, 0 0 0 ∞ , ∞ e 1 ) podem ser reduzidas a estas. (Observamos que 0 0 0 ∞ 0 , ∞ e 1 são indeterminações do tipo 0 · ∞. Veja: 0 = e 0 ln 0 0 · (−∞) 0 0 ln ∞ 0 · ∞ ∞ ∞ ln 1 ∞ · 0 = e ; ∞ = e = e e 1 = e = e .)

Exemplo 2

Calcule

 

Solução

Fazendo somos levados a uma indeterminação da forma

Então

 

e o último limite é igual a

 

Bonito! Em vez de simplificar, complicou!! Vamos, então, mudar a nossa

estratégia. Façamos a mudança de variável está pedindo

a mudança de variável Temos, então

 

Pela 2 a regra de L’Hospital,

 

desde que o último limite exista. Ainda, pela 2 a regra de L’Hospital,

Verifique e generalize.)

 

e

 

Segue que

 

ou seja,

(Observação. Se

proceda como acima no cálculo de

 

Portanto,

 

Exemplo 3

 

Calcule

 

Solução

e

 

L’Hospital resulta

 

Para facilitar as coisas, observamos:

Exemplo 4

Calcule

 

Solução

O último limite é igual a

 

Logo,

 

(Observação. Outro modo para calcular este limite é:

 

Exemplo 5

Calcule

 

Solução

 

O último limite é igual a

 

Assim

(Este limite poderia, também, ter sido calculado da seguinte forma:

fazendo a mudança de

 

Exemplo 6

Calcule

 

Solução

 

que não é indeterminação. Veja

 

e

Assim

 

Vimos anteriormente (Exemplo 8 da Seção 7.2) que se f for derivável em p

então

 

ou seja, o erro E(x) = f(x)− T(x), em que T(x) = f(p) + f′(p) (x − p), tende a zero mais rapidamente do que x − p, quando x tende a p, o que significa

 

com Assim, T (x)é um valor aproximado para f(x)e o erro que se comete nesta aproximação tende a zero mais rapidamente do que x − p, quando x tende a p. A seguir, estamos interessados em determinar a de modo que

P 2 ( x ) = f ( p ) + f ′( p )( x − p ) + a ( x − p )

2

seja um valor aproximado para f(x)com erro tendendo a zero mais rapidamente que ( 2 x − p ) , quando x tende a p.

Exemplo 7

Suponha f derivável no intervalo ]p − r, p + r[, r > 0, e que a derivada de

2 a ordem de f exista em p. Mostre que se

então

Solução

Vamos, então, calcular o limite

 

Pela 1 a regra de L’Hospital, tal limite é igual a

 

Observação. Seja

 

Do que vimos acima resulta

com Ou seja, o polinômio P (x)é um valor aproximado de f(x)com erro E(x) = φ 2

( 2 2 x )( x − p ) tendendo a zero mais rapidamente do que ( x − p ) , quando x tende a p. O polinômio

P (x)é denominado polinômio de Taylor de ordem 2 de f em x = p. 2

 

Exemplo 8

Suponha a f derivável até a 2 ordem no intervalo ]p − r, p + r[, r > 0, e

que a derivada de 3 a ordem de f exista em p. Mostre que se

 

então,

Solução

Pela 1 a regra de L’Hospital, o limite acima é igual a

 

Da hipótese, segue

O polinômio

 

denomina-se polinômio de Taylor de ordem 3 de f em x = p. Segue, do que vimos acima, que P (x) é um valor aproximado de f(x) com erro E (x) = f(x) − 3

P 3 ( x ) tendendo a zero mais rapidamente do que ( x − p ) , para x tendendo a

3

p. Generalize. O polinômio de Taylor de uma função é uma das ferramentas poderosas do cálculo numérico. No Cap. 15, voltaremos ao polinômio de Taylor.

Para encerrar a seção, vamos provar as regras de L’Hospital. Para provar

tais regras, vamos substituir a hipótese a g ′( x ) ≠ 0 em ] p , p + r [, na 1 regra, e g′ ( a x ) ≠ 0 em ] m , p [, na 2 regra, por g′(x) > 0 nestes intervalos. (Este fato não restringe em nada as nossas regras, pois o teorema de Darboux (veja Exercício 8 da Seção 9.7) nos diz exatamente o seguinte: g′(x) ≠ 0 no intervalo aberto I ⇒ g′(x) mantém o mesmo sinal neste intervalo.)

 

Demonstração da 1 a regra de L’Hospital

Suponhamos

 

Segue que, dado ε > 0 existe δ > 0, δ < r, tal que, para p < x < p + δ, tem-se

 

Do Exemplo 8 da Seção 9.2, segue que, para p < x < p + δ, tem-se, também,

Fica para o aluno provar, como exercício, a 1 a regra nos casos:

 

 

De modo análogo, demonstra-se que

 

Demonstração da 2 a regra de L’Hospital

Suponhamos

 

Pela definição de limite, dado ε > 0 existe δ > 0, com p − δ > m, tal que, 1 1 para p − δ < x < p, 1

 

Do Exemplo 9 da Seção 9.2, segue que existem constantes M, N e s, com s ∈ ] p − δ , p[, tal que, para s < x < p, 1

 

Por outro lado, de

existe δ > 0, com p − δ > s, tal que

 

 

para p − δ < x < p. Daí e de ① resulta, para p − δ < x < p,

 

Fica para o aluno provar, como exercício, a 2 a regra no caso

De modo análogo, demonstra-se que

 

Exercícios 9.4

 

1. Calcule

2. a Sejam f e g deriváveis até a 2 ordem em ] p, b[, com g′′(x) ≠ 0 em ] p, b[.

Suponha que

 

Prove que, se existir (finito ou infinito), então existirá

e Generalize tal resultado.

 

3. Calcule