Derivadas de Ordem Superior

 Vamos tentar verificar o efeito de repetir várias vezes a operação de derivar uma função (veja o conceito de uma função). Começamos com um caso concreto.

Seja \(y = x^5\). \[\begin{align} &\text{Primeira derivada, } &&5x^4. && \\ &\text{Segunda derivada, } &&5 \times 4x^3 &&= 20x^3. \\ &\text{Terceira derivada, } &&5 \times 4 \times 3x^2 &&= 60x^2. \\ &\text{Quarta derivada, } &&5 \times 4 \times 3 \times 2x &&= 120x. \\ &\text{Quinta derivada, } &&5 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1 &&= 120. \\ &\text{Sexta derivada, } && &&= 0. \end{align}\]

Há uma certa notação, que já conhecemos, usada por alguns autores, muito conveniente. Trata-se de empregar o símbolo geral \(f(x)\) para qualquer função de \(x\). Aqui o símbolo \(f(~)\) é lido como "função de," sem indicar qual função particular se trata. Assim, a afirmação \(y=f(x)\) apenas nos diz que \(y\) é uma função de \(x\), pode ser \(x^2\) ou \(ax^n\), ou \(\cos x\) ou qualquer outra função complicada de \(x\).

O símbolo correspondente para a derivada é \(f^{\prime}(x)\), que é mais simples de escrever que \(\dfrac{dy}{dx}\). Isso é chamado a derivada de \(\boldsymbol{y}\) em relação a \(\boldsymbol{x}\), a derivada da função \(\boldsymbol{f}\), ou simplesmente a função derivada. Em vez de \(\dfrac{dy}{dx}\) ou \(f^\prime(x)\), às vezes escrevemos apenas \(y^\prime\).

Suponha que derivamos novamente, obteremos a segunda derivada de \(\boldsymbol{f}\) ou a segunda derivada de \(\boldsymbol{y}\) em relação a \(\boldsymbol{x}\), que é denotada por \(f^{\prime\prime}(x)\) ou \(y^{\prime\prime}\); e assim por diante.

Agora vamos generalizar.

Seja \(y = f(x) = x^n\). \[\begin{align} &\text{Primeira derivada,} &&y^\prime=f^\prime(x) = nx^{n-1}. \\ &\text{Segunda derivada,} &&y^{\prime\prime}=f^{\prime\prime}(x) = n(n-1)x^{n-2}. \\ &\text{Terceira derivada,} &&y^{\prime\prime\prime}=f^{\prime\prime\prime}(x) = n(n-1)(n-2)x^{n-3}. \\ &\text{Quarta derivada,} &&y^{\prime\prime\prime\prime}=f^{\prime\prime\prime\prime}(x) = n(n-1)(n-2)(n-3)x^{n-4}. \\ &&\vdots \end{align}\]

Em geral, depois de derivar a função original \(n\) vezes, obtemos a \(n\)-ésima derivada de \(f\) ou \(y\) em relação a \(x\), também conhecida como a derivada de ordem \(n\). Quando a ordem de derivação atinge quatro ou mais, em vez de usar repetidamente acentos (também chamados linhas), uma abordagem mais conveniente é frequentemente adotada. A ordem de derivação é denotada usando parênteses, com a ordem de derivação apresentada como sobrescrito a \(f\) ou \(y\). Essa notação não é apenas mais clara, mas também ajuda a reduzir o risco de contar mal o número de linhas. Por exemplo, frequentemente escrevemos \(y^{(4)}\) ou \(f^{(4)}(x)\) em vez de \(y^{\prime\prime\prime\prime}\) e \(f^{\prime\prime\prime\prime}(x)\).

Há outra forma de indicar derivações sucessivas. Pois, \[\begin{align} &\text{se a função original é } &&y = f(x); \\ &\text{derivando uma vez, obtemos } &&\frac{dy}{dx} = f^{\prime}(x); \\ &\text{derivando duas vezes, obtemos } &&\frac{d\left(\dfrac{dy}{dx}\right)}{dx} = f^{\prime\prime}(x); \end{align}\] e isso é mais convenientemente escrito como \(\dfrac{d^2y}{(dx)^2}\), ou mais usualmente \(\dfrac{d^2y}{dx^2}\). Analogamente, podemos escrever como resultado de derivar três vezes, \(\dfrac{d^3y}{dx^3} = f^{\prime\prime\prime}(x)\).

Como Ler os Símbolos das Derivadas

\(f^\prime(x)\)efe linha de xis
\(f^{\prime\prime} (x)\)efe duas linhas de xis
\(f^{\prime\prime\prime}(x)\)efe três linhas de xis
\(f^{(n)}(x)\)efe sobrescrito n de xis (ou a n-ésima derivada de efe de xis)
\(y^\prime\)ípsilon linha
\(y^{\prime\prime}\)ípsilon duas linhas
\(y^{\prime\prime\prime}\)ípsilon três linhas
\(y^{(n)}\)ípsilon sobrescrito n (ou a n-ésima derivada de ípsilon)
\(\dfrac{dy}{dx}\)dê ípsilon sobre dê xis
\(\dfrac{d^2 y}{dx^2}\)dê quadrado de ípsilon sobre dê xis ao quadrado

Exemplos

Agora vamos tentar \(y = f(x) = 7x^4 + 3.5x^3 - \frac{1}{2}x^2 + x - 2\). \[\begin{align} \frac{dy}{dx} &= f^{\prime}(x) = 28x^3 + 10.5x^2 - x + 1, \\ \frac{d^2y}{dx^2} &= f^{\prime\prime}(x) = 84x^2 + 21x - 1, \\ \frac{d^3y}{dx^3} &= f^{\prime\prime\prime}(x) = 168x + 21, \\ \frac{d^4y}{dx^4} &= f^{(4)}(x) = 168, \\ \frac{d^5y}{dx^5} &= f^{(5)}(x) = 0. \end{align}\]

De forma semelhante, se \(y = \phi(x) = 3x(x^2 - 4)\), \[\begin{align} \phi^\prime(x) &= \frac{dy}{dx} = 3\bigl[x \times 2x + (x^2 - 4) \times 1\bigr] = 3(3x^2 - 4), \\ \phi^{\prime\prime}(x) &= \frac{d^2y}{dx^2} = 3 \times 6x = 18x, \\ \phi^{\prime\prime\prime}(x) &= \frac{d^3y}{dx^3} = 18, \\ \phi^{(4)}(x) &= \frac{d^4y}{dx^4} = 0. \end{align}\]

Exercícios

Encontre \(\dfrac{dy}{dx}\) e \(\dfrac{d^2y}{dx^2}\) para as seguintes expressões:

Exercise 1.

Exercício 7.1. \(y = 17x + 12x^2\).

 

Resposta

\(17 + 24x\);\(24\).

 

 

Solução

 

\[\begin{align} &y=17 x+12 x^{2} \\ &\frac{d y}{d x}=17+24 x \\ &\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=24 \end{align}\]

 

Exercise 2.

Exercício 7.2. \(y = \dfrac{x^2 + a}{x + a}\).

 

Resposta

\(\dfrac{x^2 + 2ax - a}{(x + a)^2}\);\(\dfrac{2a(a + 1)}{(x + a)^3}\).

 

 

Solução

 

\[y=\frac{x^{2}+a}{x+a}\] Usando a Regra do Quociente

\[\begin{align} \frac{d y}{d x} &=\frac{2 x(x+a)-\left(x^{2}+a\right)}{(x+a)^{2}} \\ &=\frac{x^{2}+2 a x-a}{(x+a)^{2}} \end{align}\]

Para encontrar \(\frac{d^{2} y}{d x^{2}}\), usamos a Regra do Quociente novamente.

\[\begin{align} \frac{d^{2} y}{d x^{2}}&=\frac{(2 x+2 a)(x+a)^{2}-\frac{d\left(x^{2}+2 a x+a\right)^{2}}{d x}\left(x^{2}+2 a x-a\right)}{(x+a)^{4}}\\ &=\frac{2(x+a)^{3}-(2 x+2 a)\left(x^{2}+2 a x-a\right)}{(x+a)^{4}} \\ &=\frac{2(x+a)\left[(x+a)^{2}-\left(x^{2}+2 a x-a\right)\right]}{(x+a)^{4}}\\ &=\frac{2\left[x^{2}+2 a x+a^{2}-x^{2}-2 a x+a\right]}{(x+a)^{3}} \\ &=\frac{2\left(a^{2}+a\right)}{(x+a)^{3}} \\ &=\frac{2 a(a+1)}{(x+a)^{3}} \end{align}\]

 

Exercise 3.

Exercício 7.3. \(y = 1 + \dfrac{x}{1} + \dfrac{x^2}{1\times2} + \dfrac{x^3}{1\times2\times3} + \dfrac{x^4}{1\times2\times3\times4}\).

 

Resposta

\(1 + x + \dfrac{x^2}{1 \times 2} + \dfrac{x^3}{1 \times 2 \times 3}\);\(1 + x + \dfrac{x^2}{1 \times 2}\).

 

 

Solução

 

\[\begin{align} y &=1+\frac{x}{1}+\frac{x^{2}}{1 \times 2}+\frac{x^{3}}{1 \times 2 \times 3}+\frac{x^{4}}{1 \times 2 \times 3 \times 4}. \\ \frac{d y}{d x} &=1+\frac{x}{1}+\frac{x^{2}}{1 \times 2}+\frac{x^{3}}{1 \times 2 \times 3}. \\ \frac{d^{2} y}{d x} &=1+\frac{x}{1}+\frac{x^{2}}{1 \times 2}. \end{align}\]

 

Exercise 4.

Exercício 7.4. Encontre a 2ª e 3ª derivadas nos Exercícios do Capítulo 6, nº 1 a nº 7:

Expressões:

  1. Primeiro Exercício:
    1. \(u = 1 + x + \dfrac{x^2}{1 \times 2} + \dfrac{x^3}{1 \times 2 \times 3} + \dotsb\).
    2. \(y = ax^2 + bx + c\).
    3. \(y = (x + a)^2\).
    4. \(y = (x + a)^3\).
  2. \(w = at - \frac{1}{2}bt^2\).
  3. \(y = (x + \sqrt{-1}) \times (x - \sqrt{-1}).\)
  4. \(y = (197x - 34x^2) \times (7 + 22x - 83x^3).\)
  5. \(x = (y + 3) \times (y + 5)\).
  6. \(y = 1.3709x \times (112.6 + 45.202x^2)\).
  7. \(y = \dfrac{2x + 3}{3x + 2}\).

e nos Exemplos 6.4 a 6.10:

Exemplo 6.4: \(y = \dfrac{a}{b^2} x^3 - \dfrac{a^2}{b} x + \dfrac{a^2}{b^2}\).

Exemplo 6.5: \(y = 2a\sqrt{bx^3} - \dfrac{3b \sqrt[3]{a}}{x} - 2\sqrt{ab}\)

Exemplo 6.6: \(z = 1.8 \sqrt[3]{\dfrac{1}{\theta^2}} - \dfrac{4.4}{\sqrt[5]{\theta}} - 27\).

Exemplo 6.7: \(v = (3 t^2 - 1.2 t + 1)^3\)

Exemplo 6.8: \(y = (2x - 3)(x + 1)^2\).

Exemplo 6.9: \(y = 0.5 x^3(x-3)\).

Exemplo 6.10: \(w = \left(\theta + \dfrac{1}{\theta}\right) \left(\sqrt{\theta} + \dfrac{1}{\sqrt{\theta}}\right)\).

 

Resposta

(Exercícios do Capítulo 6):

 

(1) \(\dfrac{d^2 y}{dx^2} = \dfrac{d^3 y}{dx^3} = 1 + x + \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{6} x^3 + \ldots\).
(2) \(2a\), \(0\).
(3) \(2\), \(0\).
(4) \(6x + 6a\), \(6\).

\(-b\), \(0\).

\(2\), \(0\).

\(\begin{gathered}[t] 56440x^3 - 196212x^2 - 4488x + 8192. \\ 169320x^2 - 392424x - 4488. \end{gathered}\)

\(2\), \(0\).

\(371.80453x\), \(371.80453\).

\(\dfrac{30}{(3x + 2)^3}\),\(-\dfrac{270}{(3x + 2)^4}\).

Exemplo 6.4: \(\dfrac{6a}{b^2} x\),\(\dfrac{6a}{b^2}\).

Exemplo 6.5: \(\dfrac{3a \sqrt{b}} {2 \sqrt{x}} - \dfrac{6b \sqrt[3]{a}}{x^3}\), \(\dfrac{18b \sqrt[3]{a}}{x^4} - \dfrac{3a \sqrt{b}}{4 \sqrt{x^3}}\).

Exemplo 6.6: \(\dfrac{2}{\sqrt[3]{\theta^8}} - \dfrac{1.056}{\sqrt[5]{\theta^{11}}}\), \(\dfrac{2.3232}{\sqrt[5]{\theta^{16}}} - \dfrac{16}{3 \sqrt[3]{\theta^{11}}}\).

Exemplo 6.7: \(810t^4 - 648t^3 + 479.52t^2 - 139.968t + 26.64.\), \(3240t^3 - 1944t^2 + 959.04t - 139.968.\)

Exemplo 6.8: \(12x + 2\), \(12\).

Exemplo 6.9: \(6x^2 - 9x\),\(12x - 9\).

Exemplo 6.10: \[\begin{align} &\dfrac{3}{4} \left(\dfrac{1}{\sqrt{\theta}} + \dfrac{1}{\sqrt{\theta^5}}\right) +\dfrac{1}{4} \left(\dfrac{15}{\sqrt{\theta^7}} - \dfrac{1}{\sqrt{\theta^3}}\right). \\ &\dfrac{3}{8} \left(\dfrac{1}{\sqrt{\theta^5}} - \dfrac{1}{\sqrt{\theta^3}}\right) -\dfrac{15}{8}\left(\dfrac{7}{\sqrt{\theta^9}} + \dfrac{1}{\sqrt{\theta^7}}\right). \end{align}\]

 

 

 

Solução

(1)

 

(a) Aprendemos que

\[\frac{d u}{d x}=u\]

Portanto,

\[\frac{d^{2} u}{d x^{2}}=\frac{d\left(\frac{d u}{d x}\right)}{d x}=\frac{d u}{d x}=u\]

e

\[\frac{d^{3} u}{d x^{3}}=\frac{d\left(\frac{d^{2} u}{d x^{2}}\right)}{d x}=\frac{d u}{d x}=u .\]

(b) Como \[\frac{d y}{d x}=2 a x+b\] então \[\begin{align} &\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=2 a \\ &\frac{d^{3} y}{d x^{3}}=0 \end{align}\]

(c) Como \(\frac{d y}{d x}=2(x+a)=2 x+2 a\)

\[\begin{align} &\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=2 \\ &\frac{d^{3} y}{d x^{3}}=0 \end{align}\]

(d) Como

\[\begin{align} &\frac{d y}{d x}=3(x+a)^{2}=3\left(x^{2}+2 a x+a^{2}\right) \\ &\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=6 x+6 a=6(x+a) \\ &\frac{d^{3} y}{d x^{3}}=6 \end{align}\]

(2) Como \(\frac{d w}{d t}=a-b t\)

\[\begin{align} &\frac{d^{2} w}{d t^{2}}=-b \\ &\frac{d^{3} w}{d t^{3}}=0 \end{align}\]

(3) Como \[\frac{d y}{d x}=2 x,\] \[\begin{align} &\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=2 \quad \text { e } \quad \frac{d^{3} y}{d x^{3}}=0 \end{align}\]

(4) Como \(\frac{d y}{d x}=14110 x^{4}-65404 x^{3}-22404 x^{2}+8192 x+1379\),

\[\begin{align} \frac{d^{2} y}{d x^{2}} &=56440 x^{3}-196212 x^{2}-44808 x+8192 \\ \frac{d^{3} y}{d x^{3}} &=3 \times 56440 x^{2}-2 \times 196212 x-44808 \\ &=169320 x^{2}-392424 x-44808 \end{align}\]

(5) Como \(\frac{d x}{d y}=2 y+5\)

\[ \frac{d^2 x}{d y^{2}}=2 \quad \text { e }\quad \frac{d^{3} x}{d y^{3}}=0 \]

(6) Como \(\dfrac{d y}{d x}=185.9022654 x^2+154.36334\)

\[\begin{align} &\frac{d^2 y}{d x^2}=2 \times 185.9022654 x=371.8045308 x \\ &\frac{d^3 y}{d x^3}=371.8045308 \end{align}\]

(7) Como \(\dfrac{d y}{d x}=-\dfrac{5}{(3 x+2)^{2}}\), \[\begin{align} \frac{d^{2} y}{d x^{2}} &=-\frac{0 \times(3 x+2)^{2}-5 \frac{d\left[(3 x+2)^{2}\right]}{d x}}{(3 x+2)^{4}} \\ &=\frac{5 \frac{d\left[9 x^{2}+12 x+4\right]}{d x}}{(3 x+2)^{4}} \\ &=\frac{5(18 x+12)}{(3 x+2)^{4}} \\ &=\frac{30(3 x+2)}{(3 x+2)^{4}} \\ &=\frac{30}{(3 x+2)^{3}} \\ \frac{d^{3} y}{d x^{3}} &=\frac{-30 \frac{d\left[(3 x+2)^{3}\right]}{d x}}{(3 x+2)^{6}} \\ &=-\frac{30 \frac{d\left(27 x^{3}+54 x^{2}+36 x+8\right)}{d x}}{(3 x+2)^{6}} \\ &=\frac{30\left(81 x^{2}+108 x+36\right)}{(3 x+2)^{6}} \end{align}\]

\[\begin{align} &=\frac{30 \times 9\left(9 x^{2}+12 x+4\right)}{(3 x+2)^{6}} \\ &=\frac{270(3 x+2)^{2}}{(3 x+2)^{6}} \\ &=\frac{270}{(3 x+2)^{5}} \end{align}\]

Exemplo 19. Como \(\dfrac{d y}{d x}=\dfrac{3 a}{b^{2}} x^{2}-\dfrac{a^{2}}{b}\)

\[\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=\frac{6 a}{b^{2}} x \text { e } \frac{d^{3} y}{d x^{3}}=\frac{6 a}{b^{2}}\]

Exemplo 20. Como \(\dfrac{d y}{d x}=3 a \sqrt{b x}+\dfrac{3 b \sqrt[3]{a}}{x^{2}}\). Podemos reescrever como \[\frac{d y}{d x}=3 a \sqrt{b} x^{\frac{1}{2}}+3 b \sqrt[3]{a} x^{-2}\] Portanto \[\begin{align} \frac{d^2 y}{d x^2} &=\frac{1}{2} 3 a \sqrt{b} x^{-\frac{1}{2}}-6 b \sqrt[3]{a} x^{-3} \\ &=\frac{3}{2} a \sqrt{\frac{b}{x}}-\frac{6 b \sqrt[3]{a}}{x^3} \end{align}\] e

\[\begin{align} \frac{d^{3} y}{d x^{3}} &=-\frac{1}{4} 3 a \sqrt{b} x^{-\frac{3}{2}}+18 b \sqrt[3]{a} x^{-4} \\ &=-\frac{3 a \sqrt{b}}{4 \sqrt{x^{3}}}+\frac{18 b \sqrt[4]{a}}{x^{4}} \end{align}\]

Exemplo 21. Como \(\dfrac{d z}{d \theta}=-1.2 \theta^{-\frac{5}{3}}+0.88 \theta^{-\frac{6}{5}}\)

\[\begin{align} \frac{d^{2} z}{d \theta^{2}} &=2 \theta^{-\frac{8}{3}}-1.056 \theta^{-\frac{11}{5}} \\ &=\frac{2}{\sqrt[3]{\theta^{8}}}-\frac{1.056}{\sqrt[5]{\theta^{11}}} \\ \frac{d^{3} z}{d \theta^{3}} &=-\frac{16}{3} \theta^{-\frac{11}{3}}+2.3232 \theta^{-\frac{16}{5}} \\ &=-\frac{16}{\sqrt[3]{\theta^{11}}}+\frac{2.3232}{\sqrt[5]{\theta^{16}}} \end{align}\]

Exemplo 22. Como \(\dfrac{d v}{d t}=162 t^{5}-162 t^{4}+159.84 t^{3}-69.984 t^{2}+26.64 t\)

\[\begin{align} &\frac{d^{2} v}{d t^{2}}=810 t^{4}-648 t^{3}+479.52 t^{2}-139.968 t+26.64 \\ &\frac{d^{3} v}{d t^{3}}=3240 t^{3}-1944 t^{2}+959.04 t-139.968 \end{align}\]

Exemplo 23. Como \(\frac{d y}{d x}=2(x+1)(3 x-2)\)

\[\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=2(3 x-2)+6(x+1)=12 x+2\]

\[\frac{d^{3} y}{d x^{3}}=12\]

Exemplo 24. Como \(\frac{d y}{d x}=2 x^{3}-4.5 x^{2}\)

\[\begin{align} &\frac{d^{2} y}{d x^{2}}=6 x^{2}-9 x \\ &\frac{d^{3} y}{d x^{3}}=12 x-9 \end{align}\]

Exemplo 25. Como \(\dfrac{d \omega}{d \theta}=\frac{3}{2}\left(\sqrt{\theta}-\frac{1}{\sqrt{\theta^{5}}}\right)+\frac{1}{2}\left(\frac{1}{\sqrt{\theta}}-\frac{1}{\sqrt{\theta^{3}}}\right)\), podemos reescrever como

\[\frac{d w}{d \theta}=\frac{3}{2}\left(\theta^{\frac{1}{2}}-\theta^{-\frac{5}{2}}\right)+\frac{1}{2}\left(\theta^{-\frac{1}{2}}-\theta^{-\frac{3}{2}}\right)\] Portanto

\[\begin{align} \frac{d^{2} w}{d \theta^{2}} &=\frac{3}{2}\left(\frac{1}{2} \theta^{-\frac{1}{2}}+\frac{5}{2} \theta^{-\frac{7}{2}}\right)+\frac{1}{2}\left(-\frac{1}{2} \theta^{-\frac{3}{2}}+\frac{3}{2} \theta^{-\frac{5}{2}}\right) \\ &=\frac{3}{4} \theta^{-\frac{1}{2}}+\frac{15}{4} \theta^{-\frac{7}{2}}-\frac{1}{4} \theta^{-\frac{3}{2}}+\frac{3}{4} \theta^{-\frac{5}{2}} \\ &=\frac{3}{4}\left(\theta^{-\frac{1}{2}}+\theta^{-\frac{5}{2}}\right)+\frac{1}{4}\left(15 \theta^{-\frac{7}{2}}-\theta^{-\frac{3}{2}}\right) \\ &=\frac{3}{4}\left(\frac{1}{\sqrt{\theta}}+\frac{1}{\sqrt{\theta^{5}}}\right)+\frac{1}{4}\left(\frac{15}{\sqrt{\theta^{7}}}-\frac{1}{\sqrt{\theta^{3}}}\right) \end{align}\]

\[\begin{align} \frac{d^{3} w}{d \theta^{3}} &=\frac{3}{4}\left(-\frac{1}{2} \theta^{\frac{2}{2}}-\frac{5}{2} \theta^{2}\right)+\frac{1}{4}\left(-\frac{105}{2} \theta^{-\frac{2}{2}}+\frac{3}{2} \theta^{-\frac{1}{2}}\right) \\ &=\frac{3}{8}\left(\theta^{-\frac{5}{2}}-\theta^{-\frac{3}{2}}\right)-\frac{15}{8}\left(7 \theta^{-\frac{9}{2}}+\theta^{-\frac{7}{2}}\right) \\ &=\frac{3}{8}\left(\frac{1}{\sqrt{\theta^{5}}}-\frac{1}{\sqrt{\theta^{3}}}\right)-\frac{15}{8}\left(\frac{7}{\sqrt{\theta^{9}}}+\frac{1}{\sqrt{\theta^{7}}}\right) \end{align}\]