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Lição 6 — Derivadas Direcionais e Gradiente

Derivada direcional como taxa de variação em direção arbitrária; gradiente como vetor das derivadas parciais; direção de máximo crescimento; gradiente e superfícies de nível.

Used in: Cálculo 3 — Unidade 1 · USP MAT0216 · ITA MA-013

Duf(a)=f(a)u;f=(fx,fy,fz);maxDuf=fD_{\mathbf{u}}f(\mathbf{a}) = \nabla f(\mathbf{a})\cdot\mathbf{u};\quad \nabla f = \left(\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z}\right);\quad \max D_{\mathbf{u}}f = \|\nabla f\|

A derivada direcional em direção unitária u\mathbf{u} é o produto interno do gradiente com u\mathbf{u}. O gradiente aponta na direção de máximo crescimento e é perpendicular às superfícies de nível.

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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Definição e propriedades do gradiente

Derivada direcional

Para u=(u1,u2,u3)\mathbf{u} = (u_1, u_2, u_3) unitário (u=1\|\mathbf{u}\|=1):

Duf(a)=limh0f(a+hu)f(a)hD_\mathbf{u}f(\mathbf{a}) = \lim_{h\to 0}\frac{f(\mathbf{a}+h\mathbf{u})-f(\mathbf{a})}{h}

Se ff é diferenciável: Duf(a)=f(a)u=fxu1+fyu2+fzu3D_\mathbf{u}f(\mathbf{a}) = \nabla f(\mathbf{a})\cdot\mathbf{u} = f_x u_1 + f_y u_2 + f_z u_3.

Gradiente

f=(fx,fy,fz)\nabla f = \left(\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z}\right)

Propriedades:

  • (f+g)=f+g\nabla(f+g) = \nabla f + \nabla g (linearidade)
  • (fg)=fg+gf\nabla(fg) = f\nabla g + g\nabla f (produto)
  • (f/g)=(gffg)/g2\nabla(f/g) = (g\nabla f - f\nabla g)/g^2

Direção de máximo/mínimo crescimento

Duf=fcosθD_\mathbf{u}f = \|\nabla f\|\cos\theta (onde θ\theta é o ângulo entre f\nabla f e u\mathbf{u}).

  • Máximo: Duf=fD_\mathbf{u}f = \|\nabla f\| quando u=f/f\mathbf{u} = \nabla f/\|\nabla f\| (direção do gradiente).
  • Mínimo: Duf=fD_\mathbf{u}f = -\|\nabla f\| quando u=f/f\mathbf{u} = -\nabla f/\|\nabla f\| (anti-gradiente).
  • Zero: quando uf\mathbf{u}\perp\nabla f (tangente à superfície de nível).

Gradiente ⊥ superfície de nível

f(a)\nabla f(\mathbf{a}) é perpendicular à superfície de nível f=cf = c que passa por a\mathbf{a}.

Plano tangente à superfície F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 em (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0): Fx(xx0)+Fy(yy0)+Fz(zz0)=0F_x(x-x_0) + F_y(y-y_0) + F_z(z-z_0) = 0

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Gradiente e derivada direcional

Bloco B — Plano tangente e ângulo

Bloco C — Nível ITA/USP

To continue

  • Stewart, J. — Cálculo, vol. 2, §14.6 — Cengage, 8ª ed.
  • Guidorizzi, H.L. — Um Curso de Cálculo, vol. 2, §3.3–3.5 — LTC, 5ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 2, §6.16–6.17 — Wiley, 2ª ed.
  • Thomas, G.B. — Cálculo, vol. 2, §14.5 — Pearson, 14ª ed.
  • Marsden, J. & Tromba, A.Vector Calculus, §2.3 — Freeman, 6ª ed.

Updated on 2026-05-28 · Author(s): Clube da Matemática

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