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→∞ (5x2 − 2x + 4)/(x2 + 5x + 7).

f(x) = (5x2 − 2x + 4)/(x2 + 5x + 7)x → ∞
L =
2.LímitesDifícil
xyx = 0

Halla el límite L = limx→0 (1 − cos 2x)/(2x²), con x en radianes.

f(x) = (1 − cos 2x)/(2x²)x → 0
L =
3.DerivadasMedia
xyx = 1,5

Sea f(x) = x·e2x. Calcula f′(1,5).

f(x) = x·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
4.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 3x − 6. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 − 3x − 6
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 superficie mínima posible A.

V = 355 cm³
A = cm²
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) = 4200 + 105q euros. Halla el beneficio semanal máximo P.

p = 180 − 0,1qC = 4200 + 105q
P = €
7.IntegralesMedia
xy12,5y = x ln x

Calcula I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
8.IntegralesDifícil
xy−22

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 4 − x² y el eje x.

y = 4 − x²
A =
9.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 2. Halla y(1,5).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(1.5) =
10.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 2y(0,75) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 8y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,75); ángulos en radianes.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =
11.Sucesiones y seriesMedia
AΣ k/(k + 4)k = 1 … ∞BΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(5k + 1)k = 1 … ∞

Exactamente una de las cuatro series converge. Haz clic en ella.

A: Σ k/(k + 4)B: Σ (2/5)ᵏC: Σ (5/4)ᵏD: Σ 1/(5k + 1)
  1. 1A: Σ k/(k + 4)
  2. 2B: Σ (2/5)ᵏ
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(5k + 1)
12.Sucesiones y seriesDifícil

Halla el coeficiente c₃ de (x − 4)³ en la serie de Taylor de f(x) = ln x alrededor de a = 4.

f(x) = ln xa = 4k = 3
c₃ =

3Disoluciones

1.Límites

Respuesta: L = 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).

Divide entre la mayor potencia

(5 + (−2)/x + 4/x2)/(1 + 5/x + 7/x2)

Haz x → ∞

L = 5/1 = 5

Respuesta

L = 5

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

2.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).

Primera aplicación

2·sin 2x/(4x) → 0/0

Segunda aplicación

4·cos 2x/4

Sustituye x = 0

L = 4/4 = 1

Respuesta

L = 1
3.Derivadas

Respuesta: f′(1.5) = 80,34

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 del producto

f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(1 + 2·x)

Sustituir

f′(1,5) = 20,09·(1 + 3) = 80,34

Respuesta

f′(1,5) = 80,34
4.Derivadas

Respuesta: x = 1

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 − 3 = 3·(x2 − 1)

Resolver f′(x) = 0

x = −1 o x = 1

Cuál es cuál

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

f″(−1) = −6, f″(1) = 6
x = 1

Respuesta

x = 1
5.Optimización

Respuesta: A = 277,5 cm²

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

A = 277,5 cm²

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

6.Optimización

Respuesta: P = 9863 €

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 − (4200 + 105q) = −0,1q2 + 75q − 4200

Igualar la derivada a cero

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

q = 75/0,2 = 375

Precio y beneficio

p = 180 − 0,1·375 = €142,5
P = 75·375 − 0,1·375² − 4200 = €9863

Respuesta

P = €9863
7.Integrales

Respuesta: I = 1,551

Integración por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir de la regla del producto. Elige como u el factor que se simplifica al derivarlo (una potencia de x, o ln x), y como dv el factor que sabes integrar (eˣ, sin x, cos x, o x cuando u = ln x). En una integral definida, evalúa u·v en ambos límites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un factor x² necesita dos vueltas.

Elige u y dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Límites

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Respuesta

I = 1,551
8.Integrales

Respuesta: A = 10,67

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.

Ceros

4 − x² = 0 → x = ±2

Integrar

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Respuesta

A = 10,67
9.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 0,1444

Ecuaciones lineales de segundo orden: para y″ + b·y′ + c·y = 0 prueba y = ert: esto da la ecuación característica r² + b·r + c = 0. Dos raíces reales r₁ ≠ r₂ dan y = A·er₁t + B·er₂t (sobreamortiguado); una raíz doble r da y = (A + Bt)·ert (amortiguamiento crítico); las raíces complejas −α ± jω dan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (subamortiguado, oscilante). Los valores iniciales y(0) e y′(0) fijan A y B. Escrita como y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn es la frecuencia natural y ζ el factor de amortiguamiento: con ζ < 1 hay oscilación. Con una entrada constante, y″ + by′ + cy = c·K, la solución es el valor estacionario K más la respuesta libre.

Raíces características

(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 1, −2A − 4B = 2
A = 3, B = −2

Evalúa

y(1,5) = 3·e−3 + (−2)·e−6 = 0,1444

Respuesta

y(1,5) = 0,1444
10.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.75) = 0,4767

Ecuaciones lineales de segundo orden: para y″ + b·y′ + c·y = 0 prueba y = ert: esto da la ecuación característica r² + b·r + c = 0. Dos raíces reales r₁ ≠ r₂ dan y = A·er₁t + B·er₂t (sobreamortiguado); una raíz doble r da y = (A + Bt)·ert (amortiguamiento crítico); las raíces complejas −α ± jω dan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (subamortiguado, oscilante). Los valores iniciales y(0) e y′(0) fijan A y B. Escrita como y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn es la frecuencia natural y ζ el factor de amortiguamiento: con ζ < 1 hay oscilación. Con una entrada constante, y″ + by′ + cy = c·K, la solución es el valor estacionario K más la respuesta libre.

Raíces complejas

r = −2 ± 2j

Constantes

A = 2, B = 2·2/2 = 2

Evalúa

y(0,75) = e−1,5(2·cos 1,5 + 2·sin 1,5) = 0,4767

Respuesta

y(0,75) = 0,4767
11.Sucesiones y series

Respuesta: B: Σ (2/5)ᵏ

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.

Prueba cada serie

A: Σ k/(k + 4) → Los términos tienden a 1, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
B: Σ (2/5)ᵏ → Geométrica con r = 2/5, |r| < 1: converge.
C: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica con r = 5/4 > 1: los términos crecen, así que diverge.
D: Σ 1/(5k + 1) → Se comporta como 1/(5k) para k grande; comparada con la serie armónica, diverge.

La respuesta

B: Σ (2/5)ᵏ

Respuesta

B: Σ (2/5)ᵏ
12.Sucesiones y series

Respuesta: c₃ = 0,005208

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.

Derivada f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 2/x³

Coeficiente

c₃ = f⁽³⁾(4)/3! = 2/(4³·6) = 0,005208
c₃ = 0,005208

Respuesta

c₃ = 0,005208

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