Cálculo 2: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

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).

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)!.

Cálculo multivariable

Derivadas parciales
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiente
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Derivada direccional
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Plano tangente
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Regla de la cadena
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Criterio de la segunda derivada
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Integral doble
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordenadas polares
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Método

  1. En una derivada parcial, trata la otra variable como una constante y usa las reglas de una variable.
  2. En las preguntas de gradiente calcula ∇f = (fx, fy) en el punto; usa |∇f| para la pendiente máxima y ∇f·u con un vector unitario u para una derivada direccional.
  3. Para los extremos resuelve fx = 0 y fy = 0 a la vez y luego clasifica cada punto con D = fxx·fyy − fxy².
  4. En una integral doble dibuja la región, elige el orden (o coordenadas polares para los discos) de modo que los límites interiores sean las curvas que la acotan, e integra primero la interior.

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

2Problemas de práctica

1.IntegralesMedia
xy4y = 3x

La región bajo y = 3x desde x = 0 hasta x = 4 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un cono).

y = 3x0 ≤ x ≤ 4
V =
2.IntegralesDifícil
xy−11

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.

y = 1 − x²
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 1/k³k = 1 … ∞BΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞

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

A: Σ 1/k³B: Σ (5/4)ᵏC: Σ 1/(2ᵏ + k)D: Σ (3/5)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/k³
  2. 2B: Σ (5/4)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(2ᵏ + k)
  4. 4D: Σ (3/5)ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil

Halla el coeficiente c₂ de (x − 2)² en la serie de Taylor de f(x) = e3x alrededor de a = 2.

f(x) = e3xa = 2k = 2
c₂ =
5.Cálculo multivariableMedia
xy20,5∇fP

Para f(x, y) = y·exy, halla la máxima tasa de variación de f en el punto (2, 0,5), es decir, |∇f|.

f(x, y) = y·exyP = (2, 0,5)
|∇f| =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy−202−202AB

Los puntos marcados son los puntos críticos de f(x, y) = x³ − 12x + y² − 2y. Haz clic en el mínimo local.

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 2y
  1. 1A (2, 1)
  2. 2B (−2, 1)
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)11Ta​40 °C

Una taza de café a 91 °C se deja en una habitación a 19 °C. Al cabo de 11 min su temperatura es 40 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.

T0 = 91 °CTa = 19 °CT(11) = 40 °C
k = min⁻¹
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
ty2y(2) = ?

Resuelve y′ + y = 4e−3t con y(0) = 0. Halla y(2).

y′ + y = 4e−3ty(0) = 0
y(2) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: V = 603,2

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.

Método de los discos

V = π∫₀4 9x² dx

Integrar

V = π·9·4³/3 = 603,2

Respuesta

V = 603,2

Comprobación: un cono de radio 12 y altura 4 tiene (1/3)πr²h = 603,2.

2.Integrales

Respuesta: A = 1,333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrar

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Respuesta

A = 1,333
3.Sucesiones y series

Respuesta: B: Σ (5/4)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 1/k³ → Serie p con p = 3 > 1: converge.
B: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica con r = 5/4 > 1: los términos crecen, así que diverge.
C: Σ 1/(2ᵏ + k) → Menor que (1/2)ᵏ, una serie geométrica convergente: converge por comparación.
D: Σ (3/5)ᵏ → Geométrica con r = 3/5, |r| < 1: converge.

La respuesta

B: Σ (5/4)ᵏ

Respuesta

B: Σ (5/4)ᵏ
4.Sucesiones y series

Respuesta: c₂ = 1815

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 3²·e3x

Coeficiente

c₂ = 3²·e6/2! = 1815
c₂ = 1815

Respuesta

c₂ = 1815
5.Cálculo multivariable

Respuesta: |∇f| = 5,479

Gradiente: ∇f = (fx, fy) apunta en la dirección de máximo crecimiento, y |∇f| es la mayor tasa de variación. La derivada direccional a lo largo de una dirección v es Duf = ∇f·u con el vector unitario u = v/|v|. El plano tangente en (a, b) es z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); da la aproximación lineal de f cerca de ese punto. Regla de la cadena: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Derivadas parciales

fx = y²exy → fx(2, 0,5) = 0,6796
fy = exy(1 + xy) → fy(2, 0,5) = 5,437

Longitud del gradiente

|∇f| = √(0,6796² + 5,437²) = 5,479

Respuesta

|∇f| = 5,479
6.Cálculo multivariable

Respuesta: A (2, 1)

Puntos críticos e integrales dobles: un punto crítico cumple fx = fy = 0. Criterio de la segunda derivada con D = fxxfyy − fxy²: D > 0 y fxx > 0 es un mínimo local, D > 0 y fxx < 0 un máximo local, D < 0 un punto de silla, y D = 0 no decide nada. En una integral doble sobre una región general, los límites interiores son las curvas que acotan la región; para discos y sectores usa coordenadas polares, x = r cos θ, y = r sin θ y dA = r dr dθ (no olvides el factor r).

Puntos críticos

Resuelve fx = 0 y fy = 0 a la vez.

fx = (3x² − 12) = 0
fy = (2y − 2) = 0
(2, 1), (−2, 1)

Criterio de la segunda derivada

(2, 1): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → mínimo local
(−2, 1): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → punto de silla

El punto

A (2, 1): mínimo local

Respuesta

A (2, 1)
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: k = 0,112 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−11k = 21/72

Despeja k

k = ln(72/21)/11 = 0,112 min⁻¹

Respuesta

k = 0,112 min⁻¹
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 0,2657

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.

Factor integrante

μ = et
(ety)′ = 4e−2t

Solución general

y = 4/(−2)·e−3t + C·e−t = −2·e−3t + C·e−t

Condición inicial

0 = −2 + C → C = 2

Evalúa

y(2) = −2·0,002479 + 2·0,1353 = 0,2657

Respuesta

y(2) = 0,2657

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