Aqui examinamos o que a segunda derivada nos diz sobre a geometria das
funções.
Até agora, sabemos determinar se uma função é crescente ou decrescente
olhando para o sinal de sua derivada. Se tudo o que sabemos sobre \(f\) é onde ela
cresce e onde decresce, não temos informação suficiente para descrever com
precisão como \(f\) está se comportando. Considere as quatro possibilidades a
seguir:
Nos dois gráficos da coluna da esquerda, \(f\) é decrescente. Nos dois gráficos da coluna
da direita, \(f\) é crescente. Qual é a diferença entre as duas fileiras? A concavidade.
Seja \(f\) uma função derivável em um intervalo aberto \(I\). Dizemos que o gráfico de \(f\) tem concavidade para cima em \(I\) se \(f'\), a derivada de \(f\), é
crescente em \(I\). Dizemos que o gráfico de \(f\) tem concavidade para baixo em \(I\) se \(f'\), a derivada de \(f\), é
decrescente em \(I\).
Isto é, o gráfico de \(f\) tem concavidade para cima se, localmente, ele
fica acima de suas retas tangentes, e tem concavidade para baixo se, localmente, ele
fica abaixo de suas retas tangentes.
Os gráficos de duas funções, \(f\) e \(g\), ambas crescentes no intervalo dado, são apresentados
abaixo.
Abaixo é dado o gráfico de \(y=f(x)\), com domínio \(\left (-\frac {3}{2} , \frac {3}{2} \right )\).
Em quais intervalos \(f\) tem concavidade para cima? Em quais intervalos \(f\) tem
concavidade para baixo?
Vamos desenhar algumas retas tangentes no gráfico.
O gráfico está acima das retas tangentes para \(x\) em \(\left (-\frac {3}{2}, 0\right )\), e abaixo das retas tangentes que
esboçamos em \(\left (0, \frac {3}{2}\right )\).
Portanto, \(f\) tem concavidade para cima em \(\left (\class{xm-answer}{\cssId{xm-answer-1}{\phantom{\rule{7em}{1.5em}}}}, \class{xm-answer}{\cssId{xm-answer-2}{\phantom{\rule{7em}{1.5em}}}}\right )\) e concavidade para baixo em \(\left (\class{xm-answer}{\cssId{xm-answer-3}{\phantom{\rule{7em}{1.5em}}}}, \class{xm-answer}{\cssId{xm-answer-4}{\phantom{\rule{7em}{1.5em}}}}\right )\).
Nesse
exemplo, examine o intervalo em que \(f\) tinha concavidade para cima. No início desse
intervalo, \(f\) era decrescente e, no fim, \(f\) era crescente. As inclinações nesse intervalo
aumentaram de um valor negativo para um valor positivo. No intervalo em que \(f\) tinha
concavidade para baixo, as inclinações começaram positivas e terminaram negativas.
As inclinações nesse intervalo eram decrescentes.
Sabemos que o sinal da derivada nos diz se uma função é crescente ou decrescente em
um certo ponto. Da mesma forma, o sinal da segunda derivada \(f''(x)\) nos diz se \(f'(x)\) é
crescente ou decrescente em \(x\). Vamos usar isso para acrescentar mais detalhes ao
quadro acima.
Se estamos tentando entender a forma do gráfico de uma função, saber onde ele tem
concavidade para cima e onde tem concavidade para baixo nos ajuda a obter
uma imagem mais precisa. Vale a pena resumir o que já vimos em um único
teorema.
Teste de concavidade Seja \(I\) um intervalo aberto.
Se \(f''(x)>0\) para todo \(x\) em \(I\), então o gráfico de \(f\) tem concavidade para cima em \(I\).
Se \(f''(x)<0\) para todo \(x\) em \(I\), então o gráfico de \(f\) tem concavidade para baixo em \(I\).
Vamos começar com informações sobre onde uma função é crescente/decrescente/côncava
para cima/côncava para baixo e ver se conseguimos usá-las para entender o
comportamento da função.
Seja \(f\) uma função contínua e suponha que:
\(f'(x) > 0\) para \(-1< x<1\).
\(f'(x) < 0\) para \(-2< x<-1\) e \(1<x<2\).
\(f''(x) > 0\) para \(-2<x<0\) e \(1<x< 2\).
\(f''(x) < 0\) para \(0<x< 1\).
Esboce um possível gráfico de \(f\).
Comece marcando onde a derivada muda de sinal e
indique os intervalos em que \(f\) é crescente e os intervalos em que \(f\) é decrescente. A
função \(f\) tem derivada negativa de \(-2\) a \(x=\class{xm-given}{-1}\). Isso significa que \(f\) é crescentedecrescente
nesse intervalo. A função \(f\) tem derivada positiva de \(x=\class{xm-given}{-1}\) a \(x=\class{xm-given}{1}\). Isso significa que \(f\) é crescentedecrescente nesse intervalo. Finalmente, a função \(f\) tem derivada
negativa de \(x=\class{xm-given}{1}\) a \(2\). Isso significa que \(f\) é crescentedecrescente nesse intervalo.
Agora devemos esboçar a concavidade: concavidade para cimaconcavidade
para baixo quando a segunda derivada é positiva, concavidade para
cimaconcavidade para baixo quando a segunda derivada é negativa.