Problemas de práctica de AP Calculus: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Límites

Sustitución directa
prueba primero x = a; 0/0 significa que hay que simplificar
Factorizar y simplificar
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
Conjugado
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
Límites en el infinito
divide entre la mayor potencia de x; con grados iguales se obtiene el cociente de los coeficientes principales
Límite notable
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
Regla de L'Hôpital
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

Derivadas

Regla de la potencia
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regla del producto
(uv)′ = u′v + uv′
Regla del cociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regla de la cadena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas habituales
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifica la estructura: suma, producto, cociente o composición.
  2. Aplica la regla de la potencia a cada potencia de x.
  3. Usa la regla del producto, del cociente o de la cadena donde haga falta.
  4. Simplifica y, si se pide, evalúa en el punto.

Optimización

Método
escribe Q(x) con una sola variable, resuelve Q′(x) = 0 y comprueba Q″ o los extremos del intervalo
Máximo
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
Mínimo
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
Cilindro cerrado
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
Beneficio
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

Integrales

Regla de la potencia
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrales habituales
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescribe el integrando como suma de términos sencillos siempre que puedas.
  2. Aplica la regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), y las integrales inmediatas de ex, 1/x, sin y cos.
  3. Usa un cambio de variable cuando veas una función junto con su derivada.
  4. En una integral definida, calcula F(b) − F(a).

Ecuaciones diferenciales

Crecimiento/decrecimiento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Periodo de semidesintegración
k = ln 2 / t½
Ley de enfriamiento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Factor integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Depósito de mezcla
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Sucesiones y series

Sucesión aritmética
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Sucesión geométrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Series geométricas infinitas
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Serie p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Criterio del cociente
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Radio de convergencia
R = lim |ck/ck+1|
Polinomio de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Serie de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Cota del error de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Método

  1. Identifica el tipo: aritmética (diferencia constante), geométrica (razón constante), una serie estándar, una serie de potencias o un polinomio de Taylor.
  2. Para las sumas usa Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), o S = a₁/(1 − r) cuando |r| < 1, con a₁ el primer término de la suma.
  3. Para la convergencia: primero el criterio del término n-ésimo, luego compara con Σ1/kᵖ o con una serie geométrica, y usa el criterio del cociente o de la raíz para factoriales y potencias k-ésimas.
  4. Para los polinomios de Taylor enumera f(a), f′(a), f″(a), …, divide la derivada k-ésima entre k! y acota el error con M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

2Problemas de práctica

1.LímitesMedia
xyy = L

Halla el límite L = limx→∞ (3x2 + 6x − 4)/(3x2 + 2x + 4).

f(x) = (3x2 + 6x − 4)/(3x2 + 2x + 4)x → ∞
L =
2.LímitesDifícil
xyx = 0

Halla el límite L = limx→0 (1 − cos 5x)/(x²), con x en radianes.

f(x) = (1 − cos 5x)/(x²)x → 0
L =
3.DerivadasMedia
xyx = 1

Sea f(x) = (3x − 1)5. Calcula f′(1).

f(x) = (3x − 1)5x = 1
f′(1) =
4.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 + 6x2 + 9x + 4. Calcula la coordenada x x del máximo local.

f(x) = x3 + 6x2 + 9x + 4
x =
5.OptimizaciónMedia
rh

Una lata cilíndrica cerrada (con tapa y fondo) debe contener 355 cm³. El metal utilizado es proporcional a la superficie total. Halla la altura h de la lata que usa menos material.

V = 355 cm³
h = cm
6.OptimizaciónDifícil
qP(q)máximo

Una empresa vende q unidades por semana. El precio al que puede venderlas es p = 180 − 0,1q euros por unidad, y el coste es C(q) = 9600 + 100q euros. Halla la producción semanal q que maximiza el beneficio.

p = 180 − 0,1qC = 9600 + 100q
q = unidades
7.IntegralesMedia
xy02

Calcula I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
8.IntegralesDifícil
xy1,667y = 5xy = 3x²

La región entre la recta y = 5x y la parábola y = 3x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.

y = 5xy = 3x²
V =
9.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)37Ta​91 °C

Una pieza de acero forjado a 320 °C se deja enfriar en un taller a 24 °C. Al cabo de 37 min su temperatura es 91 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.

T0 = 320 °CTa = 24 °CT(37) = 91 °C
k = min⁻¹
10.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)t = ?20 kg

Un depósito contiene 200 L de agua pura. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 10 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 20 kg de sal?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
t = min
11.Sucesiones y seriesMedia
kSn​12345678910

Halla la suma S = Σk=130 6/(k(k + 1)).

ak = 6/(k(k + 1))n = 30
S =
12.Sucesiones y seriesDifícil

f(x) = cos x se aproxima en x = 1 por su polinomio de Maclaurin de grado n. Con la cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! y M = 1, halla el menor grado n que garantiza un error inferior a 0,0005.

f(x) = cos xx = 1M = 1ε = 0,0005
n =

3Disoluciones

1.Límites

Respuesta: L = 1

Límites: prueba primero la sustitución directa. Si da 0/0, simplifica antes: factoriza y cancela el factor común, o multiplica por el conjugado. Cuando x → ∞, divide numerador y denominador entre la mayor potencia de x. Regla de L'Hôpital: si f/g da 0/0 o ∞/∞, entonces lim f/g = lim f′/g′, derivando el numerador y el denominador por separado (no con la regla del cociente).

Divide entre la mayor potencia

(3 + 6/x + (−4)/x2)/(3 + 2/x + 4/x2)

Haz x → ∞

L = 3/3 = 1

Respuesta

L = 1

Con grados iguales el límite es el cociente de los coeficientes principales.

2.Límites

Respuesta: L = 12,5

Límites: prueba primero la sustitución directa. Si da 0/0, simplifica antes: factoriza y cancela el factor común, o multiplica por el conjugado. Cuando x → ∞, divide numerador y denominador entre la mayor potencia de x. Regla de L'Hôpital: si f/g da 0/0 o ∞/∞, entonces lim f/g = lim f′/g′, derivando el numerador y el denominador por separado (no con la regla del cociente).

Primera aplicación

5·sin 5x/(2x) → 0/0

Segunda aplicación

25·cos 5x/2

Sustituye x = 0

L = 25/2 = 12,5

Respuesta

L = 12,5
3.Derivadas

Respuesta: f′(1) = 240

Derivación: la derivada f′(x) es la pendiente de la gráfica en x. Regla de la potencia: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regla del producto: (uv)′ = u′v + uv′. Regla de la cadena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Donde f′(x) = 0 la gráfica tiene tangente horizontal: un máximo, un mínimo o un punto de silla.

Regla de la cadena

f′(x) = 5·(3x − 1)4·3

Sustituir

f′(1) = 5·24·3 = 240

Respuesta

f′(1) = 240
4.Derivadas

Respuesta: x = −3

Derivación: la derivada f′(x) es la pendiente de la gráfica en x. Regla de la potencia: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regla del producto: (uv)′ = u′v + uv′. Regla de la cadena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Donde f′(x) = 0 la gráfica tiene tangente horizontal: un máximo, un mínimo o un punto de silla.

Derivada

f′(x) = 3x2 + 12x + 9 = 3·(x2 + 4x + 3)

Resolver f′(x) = 0

x = −3 o x = −1

Cuál es cuál

f″(x) = 6x + 12: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.

f″(−3) = −6, f″(−1) = 6
x = −3

Respuesta

x = −3
5.Optimización

Respuesta: h = 7,674 cm

Optimización: escribe la magnitud que quieres optimizar como función de una sola variable, usando la restricción para eliminar la otra. Iguala la derivada a cero y resuelve. Comprueba que el punto crítico es un máximo o un mínimo (segunda derivada o cambio de signo de la primera) y que está dentro del intervalo permitido; un extremo como una longitud de lado nula no es la respuesta.

Área en función de r

h = 355/(πr²)
A(r) = 2πr² + 710/r

Igualar la derivada a cero

A″(r) = 4π + 1420/r³ > 0, así que es un mínimo.

4πr − 710/r² = 0 → r = ∛(355/(2π)) = 3,837 cm

Altura y área

h = 355/(π·3,837²) = 2r = 7,674 cm
A = 2π·3,837² + 710/3,837 = 277,5 cm²

Respuesta

h = 7,674 cm

La lata cerrada más económica es tan alta como ancha: h = 2r.

6.Optimización

Respuesta: q = 400 unidades

Optimización: escribe la magnitud que quieres optimizar como función de una sola variable, usando la restricción para eliminar la otra. Iguala la derivada a cero y resuelve. Comprueba que el punto crítico es un máximo o un mínimo (segunda derivada o cambio de signo de la primera) y que está dentro del intervalo permitido; un extremo como una longitud de lado nula no es la respuesta.

Función de beneficio

P(q) = (180 − 0,1q)·q − (9600 + 100q) = −0,1q2 + 80q − 9600

Igualar la derivada a cero

P″(q) = −0,2 < 0, así que es un máximo.

q = 80/0,2 = 400

Precio y beneficio

p = 180 − 0,1·400 = €140
P = 80·400 − 0,1·400² − 9600 = €6400

Respuesta

q = 400
7.Integrales

Respuesta: I = 12

Integrales definidas: ∫ₐᵇ f(x) dx es el área con signo entre la gráfica y el eje x de a a b. Busca una primitiva F (con F′ = f) y calcula F(b) − F(a). Regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). El área entre dos curvas es ∫(superior − inferior) dx.

Sustitución

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du

Integrar y evaluar

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

Respuesta

I = 12
8.Integrales

Respuesta: V = 48,48

Volúmenes de revolución: al girar alrededor del eje x la región bajo y = f(x) desde x = a hasta x = b se obtiene un sólido cuya sección transversal en x es un disco de radio f(x). Sumando los discos se obtiene V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Cuando la región está entre una curva exterior R(x) y una curva interior r(x), cada rebanada es una arandela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva los radios al cuadrado antes de restarlos.

Puntos de corte

5x = 3x² → x = 0, x = 1,667

Método de las arandelas

V = π∫₀1,667 ((5x)² − (3x²)²) dx

Integrar

V = π(25·1,667³/3 − 9·1,667⁵/5) = π·15,43 = 48,48

Respuesta

V = 48,48
9.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: k = 0,04015 min⁻¹

Ecuaciones diferenciales de primer orden: dy/dt = k·y tiene la solución y = y₀·ekt (crecimiento para k > 0, decrecimiento para k < 0); un periodo de semidesintegración T da k = ln 2/T. La ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), da T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Una ecuación lineal y′ + p(x)·y = q(x) se resuelve con el factor integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, así que μy = ∫μq dx + C.

Cociente de diferencias de temperatura

e−37k = 67/296

Despeja k

k = ln(296/67)/37 = 0,04015 min⁻¹

Respuesta

k = 0,04015 min⁻¹
10.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 10,22 min

Ecuaciones diferenciales de primer orden: dy/dt = k·y tiene la solución y = y₀·ekt (crecimiento para k > 0, decrecimiento para k < 0); un periodo de semidesintegración T da k = ln 2/T. La ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), da T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Una ecuación lineal y′ + p(x)·y = q(x) se resuelve con el factor integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, así que μy = ∫μq dx + C.

Resultado

m(t) = 50 + (−50)·e−t/20

Despeja t

e−t/20 = (50 − 20)/(50 − 0) = 0,6
t = 20·ln(1,667) = 10,22 min

Respuesta

t = 10,22 min
11.Sucesiones y series

Respuesta: S = 5,806

Convergencia: si los términos no tienden a 0, la serie diverge (criterio del término n-ésimo). Σ1/kᵖ converge solo para p > 1, y Σrᵏ solo para |r| < 1. Compara una serie con una de estas cuando sus términos se comporten como ellas para k grande. Criterio del cociente: L = lim |ak+1/ak|; criterio de la raíz: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 no decide nada. Una serie de potencias Σck(x − x₀)ᵏ converge para |x − x₀| < R con R = lim |ck/ck+1|; una serie alternada con términos decrecientes hacia 0 converge.

Fracciones parciales

6/(k(k + 1)) = 6·(1/k − 1/(k + 1))

Cancelar

S = 6·(1 − 1/31) = 5,806

Respuesta

S = 5,806
12.Sucesiones y series

Respuesta: n = 6

Polinomios de Taylor: cerca de x = a una función suave se aproxima por Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; para a = 0 es el polinomio de Maclaurin. Series estándar: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Cota del error de Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, donde M es el mayor valor de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a y x.

n(n + 1)!cota011120,5260,16673240,0416741200,00833357200,001389650400,0001984

Cotas para n creciente

n = 5: 0,001389 ≥ 0,0005
n = 6: 0,0001984 < 0,0005

Menor grado

n = 6

Respuesta

n = 6

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