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 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
2.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = 2x

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

y = x2y = 2x
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ ln k / kk = 1 … ∞BΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/k²k = 1 … ∞DΣ 1/(4k + 2)k = 1 … ∞

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

A: Σ ln k / kB: Σ k!/10ᵏC: Σ 1/k²D: Σ 1/(4k + 2)
  1. 1A: Σ ln k / k
  2. 2B: Σ k!/10ᵏ
  3. 3C: Σ 1/k²
  4. 4D: Σ 1/(4k + 2)
4.Sucesiones y seriesDifícil

Halla el coeficiente c₄ de (x − 2)⁴ en la serie de Taylor de f(x) = ln x alrededor de a = 2.

f(x) = ln xa = 2k = 4
c₄ =
5.Cálculo multivariableMedia

z = −2x²y² − 2x² + y² − xy con x = t − 1 e y = −2t² − 1. Usa la regla de la cadena para hallar dz/dt en t = 1.

z = −2x²y² − 2x² + y² − xyx = t − 1y = −2t² − 1t = 1
dz/dt =
6.Cálculo multivariableDifícil
xy0−4−202(2, −3)(−2, −3)

Halla los puntos críticos de f(x, y) = x³ − 12x + y² + 6y, clasifícalos y da el valor fmin de f en su mínimo local.

f(x, y) = x³ − 12x + y² + 6y
fmin =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)16Ta​226 °C

Una pieza de acero forjado a 300 °C se deja enfriar en un taller a 29 °C. Al cabo de 16 min su temperatura es 226 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.

T0 = 300 °CTa = 29 °CT(16) = 226 °C
k = min⁻¹
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)t = ?32 kg

Un depósito contiene 200 L de agua en la que hay disueltos 20 kg de sal. Entra salmuera con 0,2 kg de sal por litro a 20 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 32 kg de sal?

V = 200 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
t = min

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 156

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.

Sustitución

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

Integrar y evaluar

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

Respuesta

I = 156
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.

Puntos de corte

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Respuesta

A = 1,333
3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ 1/k²

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 ln k / k → Mayor que 1/k para k ≥ 3: diverge por comparación con la serie armónica.
B: Σ k!/10ᵏ → Criterio del cociente: L = lim (k + 1)/10 = ∞, diverge.
C: Σ 1/k² → Serie p con p = 2 > 1: converge.
D: Σ 1/(4k + 2) → Se comporta como 1/(4k) para k grande; comparada con la serie armónica, diverge.

La respuesta

C: Σ 1/k²

Respuesta

C: Σ 1/k²
4.Sucesiones y series

Respuesta: c₄ = −0,01563

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.

Derivada f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −6/x⁴

Coeficiente

c₄ = f⁽⁴⁾(2)/4! = −6/(2⁴·24) = −0,01563
c₄ = −0,01563

Respuesta

c₄ = −0,01563
5.Cálculo multivariable

Respuesta: dz/dt = 27

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) = 0, y(1) = −3
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = −4

Derivadas parciales

fx = −4xy² − 4x − y = 3
fy = −4x²y + 2y − x = −6

Regla de la cadena

dz/dt = 3·1 + (−6)·(−4) = 27

Respuesta

dz/dt = 27
6.Cálculo multivariable

Respuesta: fmin = −25

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 − 12) = 0
fy = (2y + 6) = 0
(2, −3), (−2, −3)

Criterio de la segunda derivada

(2, −3): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → mínimo local
(−2, −3): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → punto de silla

Valor en el extremo

f(2, −3) = −25

Respuesta

fmin = −25
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: k = 0,01993 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−16k = 197/271

Despeja k

k = ln(271/197)/16 = 0,01993 min⁻¹

Respuesta

k = 0,01993 min⁻¹
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 9,163 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.

Resultado

m(t) = 40 + (−20)·e−t/10

Despeja t

e−t/10 = (40 − 32)/(40 − 20) = 0,4
t = 10·ln(2,5) = 9,163 min

Respuesta

t = 9,163 min

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