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
xy13

Calcula I = ∫13 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 3]
I =
2.IntegralesDifícil
xy−11

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.

y = 1 − x²
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 1/(2k + 2)k = 1 … ∞BΣ (k + 4)/k²k = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞

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

A: Σ 1/(2k + 2)B: Σ (k + 4)/k²C: Σ 1/(k(k + 4))D: Σ 3ᵏ/k³
  1. 1A: Σ 1/(2k + 2)
  2. 2B: Σ (k + 4)/k²
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 4))
  4. 4D: Σ 3ᵏ/k³
4.Sucesiones y seriesDifícil
xyfP₅2

Usa el polinomio de Maclaurin de grado 5 de f(x) = sin(−x) para aproximar f(2). Da P₅(2).

f(x) = sin(−x)n = 5x = 2
P₅(2) =
5.Cálculo multivariableMedia

z = 5x³y − 3x² − y³ con x = t − 2 e y = t². Usa la regla de la cadena para hallar dz/dt en t = −1.

z = 5x³y − 3x² − y³x = t − 2y = t²t = −1
dz/dt =
6.Cálculo multivariableDifícil
xyx = 2y = x2

La integral I = ∫02 ∫y2 cos(x²) dx dy no se puede calcular en este orden. Invierte el orden de integración y calcúlala.

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 2
I =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 3y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = -2. Halla y(0,5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(0.5) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 1ymax​ = ?

Un sistema obedece y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.

y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 2,197

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) = 2·ln x

Evaluar en los límites

I = 2·(ln 3 − ln 1) = 2·ln 3 = 2,197

Respuesta

I = 2,197
2.Integrales

Respuesta: A = 1,333

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.

Ceros

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrar

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Respuesta

A = 1,333
3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ 1/(k(k + 4))

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 1/(2k + 2) → Se comporta como 1/(2k) para k grande; comparada con la serie armónica, diverge.
B: Σ (k + 4)/k² → Se comporta como 1/k para k grande: diverge por comparación con la serie armónica.
C: Σ 1/(k(k + 4)) → Menor que 1/k²: converge por comparación.
D: Σ 3ᵏ/k³ → Criterio del cociente: L = 3 > 1, diverge.

La respuesta

C: Σ 1/(k(k + 4))

Respuesta

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

Respuesta: P₅(2) = −0,9333

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

P₅(x) = −x + 0,1667x³ − 0,008333x⁵

Sustituir

P₅(2) = −2 + 1,333333 − 0,266667 = −0,9333

Respuesta

P₅(2) = −0,9333

El valor exacto es f(2) = −0,909297; el error 0,0240359 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.

5.Cálculo multivariable

Respuesta: dz/dt = 429

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.

Punto y tasas de variación

x(−1) = −3, y(−1) = 1
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = −2

Derivadas parciales

fx = 15x²y − 6x = 153
fy = 5x³ − 3y² = −138

Regla de la cadena

dz/dt = 153·1 + (−138)·(−2) = 429

Respuesta

dz/dt = 429
6.Cálculo multivariable

Respuesta: I = −0,3784

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 ≤ 2

Orden invertido

I = ∫02 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫02 x·cos(x²) dx

Sustitución u = x²

I = [sin(x²)/2]02 = −0,3784

Respuesta

I = −0,3784
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 1,163

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 3, −3A − 5B = -2
A = 6,5, B = −3,5

Evalúa

y(0,5) = 6,5·e−1,5 + (−3,5)·e−2,5 = 1,163

Respuesta

y(0,5) = 1,163
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: ymax = 1,39

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 = −1,5 ± 5j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,3

Pico

t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/5) = 1,39

Respuesta

ymax = 1,39

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