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
xy210

Calcula I = ∫210 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 10]
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 (3/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞CΣ 5/k²k = 1 … ∞DΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞

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

A: Σ (3/5)ᵏB: Σ 1/(k(k + 3))C: Σ 5/k²D: Σ (5/3)ᵏ
  1. 1A: Σ (3/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(k(k + 3))
  3. 3C: Σ 5/k²
  4. 4D: Σ (5/3)ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil
xyfP₃0,5

Usa el polinomio de Maclaurin de grado 3 de f(x) = ln(1 − x) para aproximar f(0,5). Da P₃(0,5).

f(x) = ln(1 − x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
5.Cálculo multivariableMedia
xy11∇fP

Para f(x, y) = 2x³y² + 3y³ − xy, halla la dirección de máximo crecimiento en (1, 1) como el ángulo θ desde el eje x positivo, en grados entre −180° y 180°.

f(x, y) = 2x³y² + 3y³ − xyP = (1, 1)
θ = °
6.Cálculo multivariableDifícil
xy−505−2024(3, 1)(−3, 1)

f(x, y) = x³ − 27x + y² − 2y tiene un punto crítico en (−3, 1). Calcula allí el discriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ − 27x + y² − 2yP = (−3, 1)
D =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 5y(1) = ?

Resuelve y″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 2. Halla y(1).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Resuelve y″ + 2y′ + 17y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(1,5); ángulos en radianes.

y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =

3Disoluciones

1.Integrales

Respuesta: I = 3,219

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 10 − ln 2) = 2·ln 5 = 3,219

Respuesta

I = 3,219
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: D: Σ (5/3)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 (3/5)ᵏ → Geométrica con r = 3/5, |r| < 1: converge.
B: Σ 1/(k(k + 3)) → Menor que 1/k²: converge por comparación.
C: Σ 5/k² → Serie p con p = 2 > 1: converge.
D: Σ (5/3)ᵏ → Geométrica con r = 5/3 > 1: los términos crecen, así que diverge.

La respuesta

D: Σ (5/3)ᵏ

Respuesta

D: Σ (5/3)ᵏ
4.Sucesiones y series

Respuesta: P₃(0.5) = −0,6667

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) = −x − 0,5x² − 0,3333x³

Sustituir

P₃(0,5) = −0,5 − 0,125 − 0,0416667 = −0,6667

Respuesta

P₃(0,5) = −0,6667

El valor exacto es f(0,5) = −0,693147; el error −0,0264805 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.

5.Cálculo multivariable

Respuesta: θ = 67,38 °

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.

Derivadas parciales

fx = 6x²y² − y → fx(1, 1) = 5
fy = 4x³y + 9y² − x → fy(1, 1) = 12

Dirección

θ = atan2(12, 5) = 67,38°

Respuesta

θ = 67,38°
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
→ punto de silla

Respuesta

D = −36
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 0,7839

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 + 4) = 0 → r = −3, −4

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 5, −3A − 4B = 2
A = 22, B = −17

Evalúa

y(1) = 22·e−3 + (−17)·e−4 = 0,7839

Respuesta

y(1) = 0,7839
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 0,9933

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 complejas

r = −1 ± 4j

Constantes

A = 5, B = 1·5/4 = 1,25

Evalúa

y(1,5) = e−1,5(5·cos 6 + 1,25·sin 6) = 0,9933

Respuesta

y(1,5) = 0,9933

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