Teorema de Darboux

Em análise real, o teorema de Darboux, cujo nome se refere ao matemático francês Gaston Darboux, afirma que as derivadas de funções deriváveis satisfazem a propriedade dos valores intermédios: a imagem de um intervalo é novamente um intervalo.

Enunciado

Seja I um intervalo de R e seja f uma função derivável de I em R. Então f′(I) é um intervalo de R.

Uma maneira equivalente de formular a conclusão do teorema é: se a,b ∈ I e se y ∈ R for tal que y está entre f′(a) e f′(b) (ou seja, f′(a) ≤ y ≤ f′(b) ou f′(a) ≥ y ≥ f′(b)), então existe algum c entre a e b tal que f′(c) = y.

Também se pode centrar o enunciado em f′ e não em f, ficando:

Seja I um intervalo de R e seja f uma função primitivável de I em R. Então f(I) é um intervalo de R.

Vê-se então que este teorema generaliza o teorema dos valores intermédios pois, pelo teorema fundamental do Cálculo, qualquer função contínua é primitivável. Por outro lado, há funções primitiváveis que são descontínuas. É o caso, por exemplo, da derivada da função ${\displaystyle f:\mathbb {R\rightarrow \mathbb {R} } }$ dada por

${\displaystyle f(x)={\begin{cases}x^{2}\sin \left({\frac {1}{x}}\right),&{\text{se }}x\neq 0\ \\0,&{\text{se }}x=0.\end{cases}}}$

Na verdade,

${\displaystyle f'(x)={\begin{cases}2x\sin \left({\frac {1}{x}}\right)-\cos \left({\frac {1}{x}}\right),&{\text{se }}x\neq 0\ \\0,&{\text{se }}x=0,\end{cases}}}$

é descontínua em ${\displaystyle x=0}$ por não existir o limite de ${\displaystyle f'(x)}$ quando ${\displaystyle x}$ tende para 0. Então ${\displaystyle f'}$é primitivável (e, portanto, envia intervalos em intervalos), apesar de ter uma descontinuidade na origem.

Demonstração

Vai-se começar por fazer a demonstração no caso em que y = 0 e em que f′(a) ≥ 0 ≥ f′(b). Quer-se então provar que f′(c) = 0, para algum c entre a e b. Naturalmente, se f′(a) = 0 ou f′(b) = 0 então nada há a provar. Vai-se agora supor que f′(a) > 0 > f′(b).

Resulta de se ter f′(a) > 0 e da definição de derivada que existe algum d entre a e b tal que f(d) > f(a). Pelo mesmo argumento, que existe algum d′ entre a e b tal que f(d′) > f(b). Por outro lado, a restrição a [a,b] da função f tem um máximo em algum ponto c (pelo teorema de Weierstrass) e, pelo que foi visto, c não pode ser igual a a nem a b. Logo f′(c) = 0.

O caso em que y = 0 e em que f′(a) ≤ 0 ≤ f′(b) é análogo.

Finalmente, o caso geral resulta dos casos particulares já demonstrados aplicados à função g definida por g(x) = f(x) − y.x.

Descontinuidades

Seja ${\displaystyle f:I\rightarrow \mathbb {R} }$, em que ${\displaystyle I}$ é um intervalo aberto, a derivada de uma função ${\displaystyle F:I\rightarrow \mathbb {R} }$ diferenciável em ${\displaystyle I}$. Isto é, ${\displaystyle F'(x)=f(x)}$ para cada ${\displaystyle x\in I}$.

Como se viu num exemplo acima, a verificação da propriedade do valor intermédio não impede que ${\displaystyle f}$ admita descontinuidades no intervalo ${\displaystyle I}$. Porém, o teorema de Darboux tem implicações imediatas no tipo de descontinuidades que ${\displaystyle f}$ pode ter.

Notemos que este tipo de questão se põe igualmente, embora de maneira diferente, a propósito do teorema de Lebesgue na integrabilidade de uma função à Riemann num intervalo ${\displaystyle [a,b]}$.

Na verdade, de acordo com Walter Rudin,[1] se ${\displaystyle c\in I}$ for uma descontinuidade de ${\displaystyle f}$ então necessariamente:

• I) ${\displaystyle c}$ não é uma descontinuidade removível;

(isto é, ${\textstyle f(c^{-}),f(c^{+})\in \mathbb {R} }$, e ${\textstyle f(c^{-})=f(c^{+})\neq f(c)}$).

• II) ${\displaystyle c}$ não é uma descontinuidade em salto;

(ou seja, ${\textstyle f(c^{-}),f(c^{+})\in \mathbb {R} }$, mas ${\textstyle f(c^{-})\neq f(c^{+})}$).

Isto significa que ${\displaystyle c}$ tem necessariamente de ser uma descontinuidade essencial segundo a terminologia inserida por John Klippert.[2]

Porém, outras duas situações devem igualmente ser excluídas (ver John Klippert[3]). Deve também ter-se:

• III) ${\displaystyle f(c^{+})\neq \pm \infty }$.
• IV) ${\displaystyle f(c^{-})\neq \pm \infty }$.

Podemos então afirmar que as únicas descontinuidades admissíveis por ${\displaystyle f}$ são as descontinuidades essenciais fundamentais, ou seja, aquelas em que pelo menos um dos limites laterais, ${\displaystyle f(c^{+})}$ ou ${\displaystyle f(c^{-})}$, não existe em ${\displaystyle {\overline {\mathbb {R} }}=\mathbb {R} \{\pm \infty \}}$. Isto significa que se nalgum ponto ${\displaystyle c\in I}$, a função ${\displaystyle f}$ possuir uma descontinuidade que não seja deste tipo, então ${\displaystyle f}$ não é primitivável no intervalo ${\displaystyle I}$.

Referências gerais

• Agudo, F. R. Dias, Análise Real (3 volumes), Lisboa: Escolar Editora, 1994
• Ostrowski, A., Lições de Cálculo Diferencial e Integral (3 volumes), Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 1981

Referências particulares

1. Rudin, Walter. Principles of Mathematical Analysis. [S.l.]: McGraw-Hill,. p. 109, Corollary. 
2. Klippert, John (1989). «Advanced Advanced Calculus: Counting Discontinuities of a Real-Valued Function with interval Domain». Mathematics Magazine (62): 43-48. 
3. Klippert, John (2000). «On a discontinuity of a derivative». International Journal of Mathematical Eduacation in Science and Technology (31:S2): 282-287.