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
xy1y = √(2x)

La región bajo y = √(2x) desde x = 0 hasta x = 1 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un paraboloide).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
2.IntegralesDifícil
xy3y = x²eˣ

Calcula I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
3.Sucesiones y seriesMedia
xx₀ = 0??R

Halla el radio de convergencia R de la serie de potencias Σk=1∞ xᵏ/(k·(1/2)ᵏ).

Σ xᵏ/(k·(1/2)ᵏ)x₀ = 0
R =
4.Sucesiones y seriesDifícil

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

f(x) = eˣa = 2k = 2
c₂ =
5.Cálculo multivariableMedia
xy22P

Usa el plano tangente de f(x, y) = 3 sin(x + y) en (2, 2) para aproximar f(2,2, 2,2). Da la aproximación lineal L.

f(x, y) = 3 sin(x + y)(a, b) = (2, 2)(x, y) = (2,2, 2,2)
L =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy−101−101(0, 0)

Halla los puntos críticos de f(x, y) = −2x² − 2xy − 2y² + 3, clasifícalos y da el valor fmax de f en su máximo local.

f(x, y) = −2x² − 2xy − 2y² + 3
fmax =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)14Ta​22 °C

Una lata de refresco a 4 °C se saca del frigorífico a una habitación a 29 °C. Al cabo de 14 min su temperatura es 22 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.

T0 = 4 °CTa = 29 °CT(14) = 22 °C
k = min⁻¹
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 2y(0,75) = ?

Un sistema obedece y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,75); ángulos en radianes.

y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: V = 3,142

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∫₀1 2x dx

Integrar

V = π·2·1²/2 = 3,142

Respuesta

V = 3,142
2.Integrales

Respuesta: I = 98,43

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.

Primera vuelta

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Segunda vuelta

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Límites

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Respuesta

I = 98,43
3.Sucesiones y series

Respuesta: R = 0,5

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.

Coeficientes

ck/ck+1 = (1/2)·((k + 1)/k) → 0,5

Radio

R = 0,5

Respuesta

R = 0,5

El criterio del cociente no dice nada en los dos extremos; hay que comprobarlos por separado.

4.Sucesiones y series

Respuesta: c₂ = 3,695

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) = eˣ

Coeficiente

c₂ = e2/2! = 3,695
c₂ = 3,695

Respuesta

c₂ = 3,695
5.Cálculo multivariable

Respuesta: L = −3,055

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.

Valor y pendientes en el punto

f(2, 2) = −2,27
fx = 3 cos(x + y) → fx(2, 2) = −1,961
fy = 3 cos(x + y) → fy(2, 2) = −1,961

Plano tangente

z = −2,27 − 1,961(x − 2) − 1,961(y − 2)
z = −1,961x − 1,961y + 5,573

Aproximación lineal

L = −2,27 + (−1,961)·0,2 + (−1,961)·0,2 = −3,055

Respuesta

L = −3,055

El valor exacto es f = −2,854806; el plano se aproxima bien porque el incremento es pequeño.

6.Cálculo multivariable

Respuesta: fmax = 3

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 = −4x − 2y = 0
fy = −2x − 4y = 0
(0, 0)

Criterio de la segunda derivada

(0, 0): fxx = −4, fyy = −4, fxy = −2, D = 12 → máximo local

Valor en el extremo

f(0, 0) = 3

Respuesta

fmax = 3
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: k = 0,09093 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−14k = -7/-25

Despeja k

k = ln(-25/-7)/14 = 0,09093 min⁻¹

Respuesta

k = 0,09093 min⁻¹
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.75) = 2,644

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.

Valor estacionario y raíces

yss = 2, r = −1,5 ± 5j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,6

Evalúa

y(0,75) = 2·(1 − e−1,125(cos 3,75 + 0,3·sin 3,75)) = 2,644

Respuesta

y(0,75) = 2,644

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