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
xy02

Calcula I = ∫02 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
2.IntegralesDifícil
xy2y = 4xy = 2x²

La región entre la recta y = 4x y la parábola y = 2x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.

y = 4xy = 2x²
V =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ k/(k + 9)k = 1 … ∞BΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞CΣ k²/3ᵏk = 1 … ∞DΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞

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

A: Σ k/(k + 9)B: Σ (k + 3)/k²C: Σ k²/3ᵏD: Σ (7/4)ᵏ
  1. 1A: Σ k/(k + 9)
  2. 2B: Σ (k + 3)/k²
  3. 3C: Σ k²/3ᵏ
  4. 4D: Σ (7/4)ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil

Reconoce la serie y halla su suma: S = Σk=0∞ 0,5ᵏ/k!.

ak = 0,5ᵏ/k!
S =
5.Cálculo multivariableMedia
xy−4−202024vP

Para f(x, y) = ln(x² + y²), halla la derivada direccional Duf en (−1, 2) en la dirección de v = (−1, 2).

f(x, y) = ln(x² + y²)P = (−1, 2)v = (−1, 2)
Duf =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy−202−202(0, 0)(1, 1)(−1, −1)

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy tiene un punto crítico en (1, 1). Calcula allí el discriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xyP = (1, 1)
D =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 1y(2) = ?

Resuelve y″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = -2. Halla y(2).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(2) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
xy12(1, −1)y(2) = ?

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

y′ + y/x = 3y(1) = −1
y(2) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 1,264

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) = e−0,5x/(−0,5)

Evaluar en los límites

I = (e−1 − 1)/(−0,5) = (0,3679 − 1)/(−0,5) = 1,264

Respuesta

I = 1,264
2.Integrales

Respuesta: V = 53,62

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.

Puntos de corte

4x = 2x² → x = 0, x = 2

Método de las arandelas

V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx

Integrar

V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62

Respuesta

V = 53,62
3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ k²/3ᵏ

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 + 9) → Los términos tienden a 1, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
B: Σ (k + 3)/k² → Se comporta como 1/k para k grande: diverge por comparación con la serie armónica.
C: Σ k²/3ᵏ → Criterio del cociente: L = 1/3 < 1, converge.
D: Σ (7/4)ᵏ → Geométrica con r = 7/4 > 1: los términos crecen, así que diverge.

La respuesta

C: Σ k²/3ᵏ

Respuesta

C: Σ k²/3ᵏ
4.Sucesiones y series

Respuesta: S = 1,649

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 xᵏ/k! = eˣ

Sustituir

x = 0,5
S = e0,5 = 1,649

Respuesta

S = 1,649
5.Cálculo multivariable

Respuesta: Duf = 0,8944

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 = 2x/(x² + y²) → fx(−1, 2) = −0,4
fy = 2y/(x² + y²) → fy(−1, 2) = 0,8

Vector unitario

|v| = √((−1)² + 2²) = 2,236
u = (−0,4472, 0,8944)

Producto escalar

Duf = (−0,4)·(−0,4472) + 0,8·0,8944 = 0,8944

Respuesta

Duf = 0,8944
6.Cálculo multivariable

Respuesta: D = 128

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).

Derivadas segundas

fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4

Discriminante

D = 12·12 − (−4)² = 128
→ mínimo local

Respuesta

D = 128
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 0,01832

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 + 5) = 0 → r = −2, −5

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 1, −2A − 5B = -2
A = 1, B = 0

Evalúa

y(2) = 1·e−4 + 0·e−10 = 0,01832

Respuesta

y(2) = 0,01832
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 1,75

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∫1/x dx = x1

Integrar

(x1y)′ = 3x → x1y = 3x2/2 + C

Condición inicial

−1 = 3/2 + C → C = −2,5

Evalúa

y(2) = (3·22/2 + (−2,5))/21 = 1,75

Respuesta

y(2) = 1,75

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