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·sin x

Calcula I = ∫₀2 x·sin x dx (x en radianes).

∫₀2 x·sin x dx
I =
2.IntegralesDifícil
xyy = 2x2​y = 4x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = 2x2 e y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ (k + 1)/k²k = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞DΣ 3/kk = 1 … ∞

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

A: Σ (4/3)ᵏB: Σ (k + 1)/k²C: Σ 1/(k(k + 1))D: Σ 3/k
  1. 1A: Σ (4/3)ᵏ
  2. 2B: Σ (k + 1)/k²
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 1))
  4. 4D: Σ 3/k
4.Sucesiones y seriesDifícil
xyfP₃2

Usa el polinomio de Maclaurin de grado 3 de f(x) = eˣ para aproximar f(2). Da P₃(2).

f(x) = eˣn = 3x = 2
P₃(2) =
5.Cálculo multivariableMedia
xy−10123−4−20vP

Para f(x, y) = 4x³y² − x² + 2y² − 3xy, halla la derivada direccional Duf en (1, −1) en la dirección de v = (1, −3).

f(x, y) = 4x³y² − x² + 2y² − 3xyP = (1, −1)v = (1, −3)
Duf =
6.Cálculo multivariableDifícil
xyx = 1,5y = x1,5

La integral I = ∫01,5 ∫y1,5 sin(x²) dx dy no se puede calcular en este orden. Invierte el orden de integración y calcúlala.

f = sin(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1,5
I =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)24Ta​288 °C169 °C

Una pieza de acero forjado a 360 °C se deja enfriar en un taller a 24 °C. Al cabo de 24 min su temperatura es 288 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 169 °C?

T0 = 360 °CTa = 24 °CT(24) = 288 °CT = 169 °C
t = min
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
xy13(1, 4)y(3) = ?

Resuelve el problema de valor inicial y′ + 3y/x = 3x2 para x > 0, con y(1) = 4. Halla y(3).

y′ + 3y/x = 3x2y(1) = 4
y(3) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 1,742

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.

Elige u y dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Primitiva

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Límites

(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742

Respuesta

I = 1,742
2.Integrales

Respuesta: A = 2,667

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 = 4x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Respuesta

A = 2,667
3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ 1/(k(k + 1))

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 (4/3)ᵏ → Geométrica con r = 4/3 > 1: los términos crecen, así que diverge.
B: Σ (k + 1)/k² → Se comporta como 1/k para k grande: diverge por comparación con la serie armónica.
C: Σ 1/(k(k + 1)) → Menor que 1/k²: converge por comparación.
D: Σ 3/k → Un múltiplo de la serie armónica (p = 1): diverge.

La respuesta

C: Σ 1/(k(k + 1))

Respuesta

C: Σ 1/(k(k + 1))
4.Sucesiones y series

Respuesta: P₃(2) = 6,333

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

P₃(x) = 1 + x + 0,5x² + 0,1667x³

Sustituir

P₃(2) = 1 + 2 + 2 + 1,333333 = 6,333

Respuesta

P₃(2) = 6,333

El valor exacto es f(2) = 7,389056; el error 1,055723 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.

5.Cálculo multivariable

Respuesta: Duf = 18,34

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 = 12x²y² − 2x − 3y → fx(1, −1) = 13
fy = 8x³y + 4y − 3x → fy(1, −1) = −15

Vector unitario

|v| = √(1² + (−3)²) = 3,162
u = (0,3162, −0,9487)

Producto escalar

Duf = 13·0,3162 + (−15)·(−0,9487) = 18,34

Respuesta

Duf = 18,34
6.Cálculo multivariable

Respuesta: I = 0,8141

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).

Región

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,5

Orden invertido

I = ∫01,5 ∫0x sin(x²) dy dx = ∫01,5 x·sin(x²) dx

Sustitución u = x²

I = [−cos(x²)/2]01,5 = 0,8141

Respuesta

I = 0,8141
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 83,63 min

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.

Constante de enfriamiento

k = ln(336/264)/24 = 0,01005 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(336/145)/0,01005 = 83,63 min

Respuesta

t = 83,63 min
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(3) = 13,63

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∫3/x dx = x3

Integrar

(x3y)′ = 3x5 → x3y = 3x6/6 + C

Condición inicial

4 = 3/6 + C → C = 3,5

Evalúa

y(3) = (3·36/6 + 3,5)/33 = 13,63

Respuesta

y(3) = 13,63

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