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
xy2y = √(x)

La región bajo y = √(x) desde x = 0 hasta x = 2 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un paraboloide).

y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
2.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = 3x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 2/k⁴k = 1 … ∞BΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

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

A: Σ 2/k⁴B: Σ (2k + 1)/(k + 2)C: Σ 2ᵏ/k³D: Σ (3/2)ᵏ
  1. 1A: Σ 2/k⁴
  2. 2B: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k³
  4. 4D: Σ (3/2)ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil

Reconoce la serie y halla su suma: S = Σk=1∞ (−1)k+1/k.

ak = (−1)k+1/k
S =
5.Cálculo multivariableMedia
xy050246PQ

Para f(x, y) = 4x³y³ + 4y² + 4xy, halla la derivada direccional Duf en P(3, 3) en la dirección hacia Q(−1, 3).

f(x, y) = 4x³y³ + 4y² + 4xyP = (3, 3)Q = (−1, 3)
Duf =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy05−2024(0, 0)(3, 3)

Halla los puntos críticos de f(x, y) = x³ + y³ − 9xy, clasifícalos y da el valor fmin de f en su mínimo local.

f(x, y) = x³ + y³ − 9xy
fmin =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 3y(1) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 3y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = -2. Halla y(1).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(1) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)35 minm = ?

Un depósito contiene 500 L de agua pura. Entra salmuera con 0,05 kg de sal por litro a 5 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 35 min?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
m = kg

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: V = 6,283

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∫₀2 x dx

Integrar

V = π·1·2²/2 = 6,283

Respuesta

V = 6,283
2.Integrales

Respuesta: A = 4,5

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.

Puntos de corte

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Integrar superior menos inferior

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Respuesta

A = 4,5
3.Sucesiones y series

Respuesta: A: Σ 2/k⁴

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 2/k⁴ → Serie p con p = 4 > 1: converge.
B: Σ (2k + 1)/(k + 2) → Los términos tienden a 2, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
C: Σ 2ᵏ/k³ → Criterio del cociente: L = 2 > 1, diverge.
D: Σ (3/2)ᵏ → Geométrica con r = 3/2 > 1: los términos crecen, así que diverge.

La respuesta

A: Σ 2/k⁴

Respuesta

A: Σ 2/k⁴
4.Sucesiones y series

Respuesta: S = 0,6931

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.

Series estándar

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Sustituir

x = 1
S = ln 2 = 0,6931

Respuesta

S = 0,6931
5.Cálculo multivariable

Respuesta: Duf = −2928

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.

Gradiente en el punto

fx = 12x²y³ + 4y → fx(3, 3) = 2928
fy = 12x³y² + 8y + 4x → fy(3, 3) = 2952

Vector unitario

|v| = √((−4)² + 0²) = 4
u = (−1, 0)

Producto escalar

Duf = 2928·(−1) + 2952·0 = −2928

Respuesta

Duf = −2928
6.Cálculo multivariable

Respuesta: fmin = −27

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 − 9y = 0
fy = 3y² − 9x = 0
(0, 0), (3, 3)

Criterio de la segunda derivada

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −9, D = −81 → punto de silla
(3, 3): fxx = 18, fyy = 18, fxy = −9, D = 243 → mínimo local

Valor en el extremo

f(3, 3) = −27

Respuesta

fmin = −27
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 1,263

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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 3, −1A − 3B = -2
A = 3,5, B = −0,5

Evalúa

y(1) = 3,5·e−1 + (−0,5)·e−3 = 1,263

Respuesta

y(1) = 1,263
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: m = 7,383 kg

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.

Plantea la ecuación

dm/dt = 5·0,05 − (5/500)·m = 0,25 − 0,01·m

Resuelve

El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.

m(t) = 25 + (−25)·e−t/100

Sustituye t

m(35) = 25 + (−25)·0,7047 = 7,383 kg

Respuesta

m = 7,383 kg

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