Demonstrações – Derivadas I : Regra da Soma

CÁLCULO DIFERENCIAL • FUNDAMENTAÇÃO

Demonstrações – Derivadas I

Série de demonstrações matemáticas | Regra da soma

A derivação não é apenas um conjunto de fórmulas que devemos memorizar. Por trás de cada regra existe uma fundamentação matemática, construída a partir do conceito de limite. Nesta publicação, demonstraremos uma das propriedades fundamentais da derivação: a derivada da soma de duas funções.

Nesta publicação

1. A definição de derivada
2. O teorema da derivada da soma
3. Demonstração passo a passo
4. Exemplo resolvido
5. Interpretação geométrica
6. Aplicação prática
7. Exercícios propostos
8. Referências bibliográficas

1. Relembrando a definição de derivada

Antes de demonstrar a propriedade, precisamos recordar a definição de derivada de uma função em um ponto.

Seja \(f\) uma função definida em uma vizinhança de \(x\). A derivada de \(f\) no ponto \(x\), quando existe, é definida por:

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

Nessa expressão:

• \(h\) representa um incremento na variável independente;
• \(f(x+h)-f(x)\) representa a variação da função;
• o quociente representa a taxa média de variação;
• o limite, quando existe, fornece a taxa instantânea de variação.

Geometricamente, a derivada representa o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico da função no ponto considerado.

2. Teorema: derivada da soma

Sejam \(f\) e \(g\) duas funções deriváveis em um ponto \(x\). Definimos uma terceira função:

\[ F(x)=f(x)+g(x) \]

Queremos demonstrar que a derivada dessa soma é igual à soma das derivadas das funções.

TEOREMA DA DERIVADA DA SOMA \[ \boxed{ [f(x)+g(x)]'=f'(x)+g'(x) } \]

Em outras palavras, a derivação é uma operação linear em relação à adição de funções.

3. Demonstração passo a passo

Hipótese: consideremos \(f\) e \(g\) deriváveis no ponto \(x\).

Pela definição de derivada, temos:

1º passo — Aplicar a definição de derivada \[ F'(x)=\lim_{h\to0} \frac{F(x+h)-F(x)}{h} \]

2º passo — Substituir a função pela sua definição Como \(F(x)=f(x)+g(x)\), então: \[ F'(x)=\lim_{h\to0} \frac{f(x+h)+g(x+h)-f(x)-g(x)}{h} \]

3º passo — Agrupar os termos semelhantes Reorganizando o numerador: \[ F'(x)=\lim_{h\to0} \frac{ [f(x+h)-f(x)]+[g(x+h)-g(x)] }{h} \]

4º passo — Separar a soma em dois quocientes Utilizando as propriedades algébricas: \[ F'(x)=\lim_{h\to0} \left[ \frac{f(x+h)-f(x)}{h} + \frac{g(x+h)-g(x)}{h} \right] \]

5º passo — Aplicar a propriedade do limite da soma Como os limites das duas parcelas existem, podemos escrever: \[ F'(x)= \lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} + \lim_{h\to0}\frac{g(x+h)-g(x)}{h} \]

6º passo — Reconhecer as derivadas Pela própria definição de derivada: \[ \lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=f'(x) \] e \[ \lim_{h\to0}\frac{g(x+h)-g(x)}{h}=g'(x) \] Portanto:

CONCLUSÃO DA DEMONSTRAÇÃO \[ \boxed{F'(x)=f'(x)+g'(x)} \]

CQD — Como queríamos demonstrar.

Observe que não utilizamos previamente a regra da derivada da soma. Partimos exclusivamente da definição de derivada e das propriedades dos limites. Assim, a propriedade foi efetivamente demonstrada.

4. Exemplo resolvido

Vamos utilizar o resultado demonstrado para calcular a derivada da função:

\[ F(x)=x^2+3x-5 \]

Podemos separar a função em duas parcelas:

\[ f(x)=x^2 \qquad g(x)=3x-5 \]

Pela regra da soma:

\[ F'(x)=f'(x)+g'(x) \]

Calculando as derivadas:

\[ f'(x)=2x \] \[ g'(x)=3 \]

Logo:

\[ \boxed{F'(x)=2x+3} \]

A regra demonstrada permite derivar cada parcela separadamente, simplificando consideravelmente os cálculos.

5. Uma interpretação geométrica

A derivada representa a taxa instantânea de variação de uma função. Quando somamos duas funções, suas taxas instantâneas de variação também se somam.

Considere:

\[ F(x)=f(x)+g(x) \]

Se, em determinado ponto, temos:

\[ f'(x)=4 \qquad g'(x)=3 \]

então:

\[ F'(x)=4+3=7 \]

Isso significa que, naquele ponto, a taxa instantânea de variação da função resultante é 7.

Uma observação importante A regra da soma não afirma que os valores das funções sejam necessariamente positivos ou crescentes. As derivadas podem ser positivas, negativas ou nulas. A propriedade continua válida desde que as funções sejam deriváveis no ponto considerado.

6. Aplicação: movimento de um corpo

Imagine que a posição de um móvel seja descrita pela função:

\[ s(t)=t^2+3t+5 \]

A posição foi construída pela soma de três parcelas. A velocidade instantânea é dada pela derivada da posição em relação ao tempo:

\[ v(t)=s'(t) \]

Aplicando a regra da soma:

\[ v(t)=2t+3 \]

No instante \(t=2\), temos:

\[ v(2)=2(2)+3=7 \]

Portanto, a velocidade instantânea nesse instante é \(7\) unidades de comprimento por unidade de tempo.

7. Teste seus conhecimentos

Agora é sua vez! Resolva as questões e confira as respostas somente depois de tentar.

Questão 1 — Compreensão do teorema

Se \(F(x)=f(x)+g(x)\), sendo ambas deriváveis, qual expressão representa corretamente a derivada de \(F\)?

A) \(f'(x)\cdot g'(x)\)

B) \(f'(x)+g'(x)\)

C) \(f(x)+g'(x)\)

D) \(f'(x)-g'(x)\)

Ver resposta

Alternativa B. A derivada da soma é a soma das derivadas.

Questão 2 — Aplicação

Determine a derivada da função:

\[ F(x)=x^3+4x^2-2x+7 \]

Ver resolução

\[ F'(x)=3x^2+8x-2 \]

Derivamos cada parcela separadamente e somamos os resultados.

Questão 3 — Raciocínio matemático

Se \(f'(2)=-3\) e \(g'(2)=8\), determine a derivada de \(F(x)=f(x)+g(x)\) no ponto \(x=2\).

Ver resolução

\[ F'(2)=f'(2)+g'(2) \] \[ F'(2)=-3+8 \] \[ \boxed{F'(2)=5} \]

8. Conclusão

A demonstração da derivada da soma é um exemplo de como resultados aparentemente simples do Cálculo Diferencial estão fundamentados em conceitos mais profundos.

Compreender a origem das regras de derivação permite desenvolver uma visão mais consistente do Cálculo, indo além da simples memorização de fórmulas.

Nas próximas publicações desta série, estudaremos outras propriedades, sempre partindo da definição de derivada e construindo as demonstrações com rigor matemático.

PRÓXIMA PUBLICAÇÃO DA SÉRIE

Demonstrações – Derivadas II: A demonstração da regra da diferença e da derivada de uma constante.

9. Referências bibliográficas

1. STEWART, James. Cálculo. Volume 1. Cengage Learning.
2. GUIDORIZZI, Hamilton Luiz. Um Curso de Cálculo. Volume 1. LTC.
3. APOSTOL, Tom M. Calculus: One-Variable Calculus, with an Introduction to Linear Algebra. Volume 1. Wiley.

MATEMÁTICA DO PI

Da Educação Básica ao Ensino Superior: conceitos, demonstrações, desafios e descobertas matemáticas.

Professor Jonas Portal | Publicação revisada e ampliada.