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
xy01

Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
2.IntegralesDifícil
xy−22

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 4 − x² y el eje x.

y = 4 − x²
A =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(2k + 2)k = 1 … ∞DΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞

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

A: Σ 2ᵏ/k!B: Σ k!/10ᵏC: Σ 1/(2k + 2)D: Σ (k + 5)/k²
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k!
  2. 2B: Σ k!/10ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(2k + 2)
  4. 4D: Σ (k + 5)/k²
4.Sucesiones y seriesDifícil

Halla el coeficiente c₂ de (x − 4)² en la serie de Taylor de f(x) = ln x alrededor de a = 4.

f(x) = ln xa = 4k = 2
c₂ =
5.Cálculo multivariableMedia

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

z = 2 ln(x² + y²)x = 2ty = −2t² + 2t = 1
dz/dt =
6.Cálculo multivariableDifícil
xyx = 1y = 0,5x10,5

Calcula I = ∬T (4x + 3y) dA sobre el triángulo T limitado por y = 0, x = 1 e y = 0,5x.

f = 4x + 3y0 ≤ x ≤ 10 ≤ y ≤ 0,5x
I =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)45Ta​146 °C88 °C

Una pieza de acero forjado a 480 °C se deja enfriar en un taller a 29 °C. Al cabo de 45 min su temperatura es 146 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 88 °C?

T0 = 480 °CTa = 29 °CT(45) = 146 °CT = 88 °C
t = min
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 5y(0,25) = ?

Un sistema obedece y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,25); ángulos en radianes.

y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 3,75

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 = ∫12 u3 du

Integrar y evaluar

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75

Respuesta

I = 3,75
2.Integrales

Respuesta: A = 10,67

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

4 − x² = 0 → x = ±2

Integrar

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Respuesta

A = 10,67
3.Sucesiones y series

Respuesta: A: Σ 2ᵏ/k!

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 2ᵏ/k! → Criterio del cociente: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.
B: Σ k!/10ᵏ → Criterio del cociente: L = lim (k + 1)/10 = ∞, diverge.
C: Σ 1/(2k + 2) → Se comporta como 1/(2k) para k grande; comparada con la serie armónica, diverge.
D: Σ (k + 5)/k² → Se comporta como 1/k para k grande: diverge por comparación con la serie armónica.

La respuesta

A: Σ 2ᵏ/k!

Respuesta

A: Σ 2ᵏ/k!
4.Sucesiones y series

Respuesta: c₂ = −0,03125

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −1/x²

Coeficiente

c₂ = f⁽²⁾(4)/2! = −1/(4²·2) = −0,03125
c₂ = −0,03125

Respuesta

c₂ = −0,03125
5.Cálculo multivariable

Respuesta: dz/dt = 4

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) = 2, y(1) = 0
dx/dt = 2, dy/dt = −4t = −4

Derivadas parciales

fx = 4x/(x² + y²) = 2
fy = 4y/(x² + y²) = 0

Regla de la cadena

dz/dt = 2·2 + 0·(−4) = 4

Respuesta

dz/dt = 4
6.Cálculo multivariable

Respuesta: I = 0,7917

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).

Límites

0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,5x

Integral interior

∫00,5x (4x + 3y) dy = 4x·0,5x + 3·(0,5x)²/2 = 2,375x²

Integral exterior

I = 2,375·1³/3 = 0,7917

Respuesta

I = 0,7917
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 67,83 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(451/117)/45 = 0,02998 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(451/59)/0,02998 = 67,83 min

Respuesta

t = 67,83 min
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.25) = 2,938

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 = 5, r = −1,5 ± 5j

Constantes a partir de los valores iniciales

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

Evalúa

y(0,25) = 5·(1 − e−0,375(cos 1,25 + 0,3·sin 1,25)) = 2,938

Respuesta

y(0,25) = 2,938

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