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
xy26

Calcula I = ∫26 5/x dx.

f(x) = 5/x[2, 6]
I =
2.IntegralesDifícil
xyy = 0,5x2​y = x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = 0,5x2 e y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Aplica el criterio del cociente a Σk=1∞ kᵏ/(3ᵏ·k!). Halla L = lim |ak+1/ak|.

ak = kᵏ/(3ᵏ·k!)
L =
4.Sucesiones y seriesDifícil
xyfP₂−0,3

Usa el polinomio de Maclaurin de grado 2 de f(x) = 1/(1 − x) para aproximar f(−0,3). Da P₂(−0,3).

f(x) = 1/(1 − x)n = 2x = −0,3
P₂(−0.3) =
5.Cálculo multivariableMedia
xy0505PQ

Para f(x, y) = −3x³y² + 3x³ − 5y³ − 2xy, halla la derivada direccional Duf en P(3, 1) en la dirección hacia Q(4, 5).

f(x, y) = −3x³y² + 3x³ − 5y³ − 2xyP = (3, 1)Q = (4, 5)
Duf =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy−505−2024AB

Los puntos marcados son los puntos críticos de f(x, y) = x³ − 27x + y² − 4y. Haz clic en el mínimo local.

f(x, y) = x³ − 27x + y² − 4y
  1. 1A (3, 2)
  2. 2B (−3, 2)
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 2y(1,5) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 2. Halla y(1,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1.5) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
xy12(1, −3)y(2) = ?

Resuelve el problema de valor inicial y′ + 2y/x = 6x para x > 0, con y(1) = −3. Halla y(2).

y′ + 2y/x = 6xy(1) = −3
y(2) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 5,493

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.

Primitiva

F(x) = 5·ln x

Evaluar en los límites

I = 5·(ln 6 − ln 2) = 5·ln 3 = 5,493

Respuesta

I = 5,493
2.Integrales

Respuesta: A = 0,6667

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

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Respuesta

A = 0,6667
3.Sucesiones y series

Respuesta: L = 0,9061

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.

Cociente de términos consecutivos

|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/3 → e/3

Conclusión

L = 0,9061 < 1

Respuesta

L = 0,9061

L < 1, así que la serie converge.

4.Sucesiones y series

Respuesta: P₂(−0.3) = 0,79

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.

Polinomio de Maclaurin

P₂(x) = 1 + x + x²

Sustituir

P₂(−0,3) = 1 − 0,3 + 0,09 = 0,79

Respuesta

P₂(−0,3) = 0,79

El valor exacto es f(−0,3) = 0,769231; el error −0,0207692 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.

5.Cálculo multivariable

Respuesta: Duf = −178

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 = −9x²y² + 9x² − 2y → fx(3, 1) = −2
fy = −6x³y − 15y² − 2x → fy(3, 1) = −183

Vector unitario

|v| = √(1² + 4²) = 4,123
u = (0,2425, 0,9701)

Producto escalar

Duf = (−2)·0,2425 + (−183)·0,9701 = −178

Respuesta

Duf = −178
6.Cálculo multivariable

Respuesta: A (3, 2)

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 − 27) = 0
fy = (2y − 4) = 0
(3, 2), (−3, 2)

Criterio de la segunda derivada

(3, 2): fxx = 18, fyy = 2, fxy = 0, D = 36 → mínimo local
(−3, 2): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → punto de silla

El punto

A (3, 2): mínimo local

Respuesta

A (3, 2)
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 0,5477

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.

Raíz doble

(r + 2)² = 0 → r = −2

Constantes

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 4 = 6

Evalúa

y(1,5) = (2 + 6·1,5)·e−3 = 0,5477

Respuesta

y(1,5) = 0,5477
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 4,875

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 = e∫2/x dx = x2

Integrar

(x2y)′ = 6x3 → x2y = 6x4/4 + C

Condición inicial

−3 = 6/4 + C → C = −4,5

Evalúa

y(2) = (6·24/4 + (−4,5))/22 = 4,875

Respuesta

y(2) = 4,875

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