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
xyy = 2x2​y = 2x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = 2x2 e y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ k/(k + 1)k = 1 … ∞BΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞CΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞DΣ 5/k⁴k = 1 … ∞

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

A: Σ k/(k + 1)B: Σ 3ᵏ/k³C: Σ (k + 5)/k²D: Σ 5/k⁴
  1. 1A: Σ k/(k + 1)
  2. 2B: Σ 3ᵏ/k³
  3. 3C: Σ (k + 5)/k²
  4. 4D: Σ 5/k⁴
4.Sucesiones y seriesDifícil

Reconoce la serie y halla su suma: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·22k/(2k)!
S =
5.Cálculo multivariableMedia
xy−11P

Usa el plano tangente de f(x, y) = −3x²y³ − 4x³ + y³ − 4xy en (−1, 1) para aproximar f(−1,2, 0,9). Da la aproximación lineal L.

f(x, y) = −3x²y³ − 4x³ + y³ − 4xy(a, b) = (−1, 1)(x, y) = (−1,2, 0,9)
L =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy−505−2024(3, 3)(−3, 3)

f(x, y) = x³ − 27x + y² − 6y tiene un punto crítico en (3, 3). Calcula allí el discriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ − 27x + y² − 6yP = (3, 3)
D =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)12Ta​38 °C

Una taza de café a 82 °C se deja en una habitación a 22 °C. Al cabo de 12 min su temperatura es 38 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.

T0 = 82 °CTa = 22 °CT(12) = 38 °C
k = min⁻¹
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 1y(1,5) = ?

Un sistema obedece y″ + 4y′ + 13y = 13 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(1,5); ángulos en radianes.

y″ + 4y′ + 13y = 13y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =

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 = 0,3333

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

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Respuesta

A = 0,3333
3.Sucesiones y series

Respuesta: D: Σ 5/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 k/(k + 1) → Los términos tienden a 1, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
B: Σ 3ᵏ/k³ → Criterio del cociente: L = 3 > 1, diverge.
C: Σ (k + 5)/k² → Se comporta como 1/k para k grande: diverge por comparación con la serie armónica.
D: Σ 5/k⁴ → Serie p con p = 4 > 1: converge.

La respuesta

D: Σ 5/k⁴

Respuesta

D: Σ 5/k⁴
4.Sucesiones y series

Respuesta: S = −0,4161

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)ᵏx2k/(2k)! = cos x

Sustituir

x = 2
S = cos 2 = −0,4161

Respuesta

S = −0,4161
5.Cálculo multivariable

Respuesta: L = 8,2

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(−1, 1) = 6
fx = −6xy³ − 12x² − 4y → fx(−1, 1) = −10
fy = −9x²y² + 3y² − 4x → fy(−1, 1) = −2

Plano tangente

z = 6 − 10(x + 1) − 2(y − 1)
z = −10x − 2y − 2

Aproximación lineal

L = 6 + (−10)·(−0,2) + (−2)·(−0,1) = 8,2

Respuesta

L = 8,2

El valor exacto es f = 8,81172; el plano se aproxima bien porque el incremento es pequeño.

6.Cálculo multivariable

Respuesta: D = 36

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 = 18, fyy = 2, fxy = 0

Discriminante

D = 18·2 − 0² = 36
→ mínimo local

Respuesta

D = 36
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: k = 0,1101 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−12k = 16/60

Despeja k

k = ln(60/16)/12 = 0,1101 min⁻¹

Respuesta

k = 0,1101 min⁻¹
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 1,043

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 = 1, r = −2 ± 3j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −0,6667

Evalúa

y(1,5) = 1·(1 − e−3(cos 4,5 + 0,6667·sin 4,5)) = 1,043

Respuesta

y(1,5) = 1,043

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