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1Fórmulas e métodos
Integrais
Regra da potência
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrais comuns
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx
Método
Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
Para uma integral definida, calcule F(b) − F(a).
Sequências e séries
Sequência aritmética
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Sequência geométrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Série geométrica infinita
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Série-p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Teste da razão
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Raio de convergência
R = lim |ck/ck+1|
Polinômio de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Série de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Cota de erro de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
Método
Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
Para somas use Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), ou S = a₁/(1 − r) quando |r| < 1, com a₁ o primeiro termo da soma.
Para a convergência: primeiro o teste do n-ésimo termo, depois compare com Σ1/kᵖ ou com uma série geométrica, e use o teste da razão ou da raiz para fatoriais e potências k-ésimas.
Para polinômios de Taylor liste f(a), f′(a), f″(a), …, divida a k-ésima derivada por k! e limite o erro com M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Cálculo de várias variáveis
Derivadas parciais
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiente
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Derivada direcional
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Plano tangente
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Regra da cadeia
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Teste da segunda derivada
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Integral dupla
∬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
Para uma derivada parcial, trate a outra variável como constante e use as regras de uma variável.
Para questões de gradiente calcule ∇f = (fx, fy) no ponto; use |∇f| para a maior inclinação e ∇f·u com um vetor unitário u para uma derivada direcional.
Para extremos resolva fx = 0 e fy = 0 juntos e depois classifique cada ponto com D = fxx·fyy − fxy².
Para uma integral dupla esboce a região, escolha a ordem (ou coordenadas polares para discos) de modo que os limites internos sejam as curvas de contorno, e integre primeiro por dentro.
Equações diferenciais
Crescimento/decaimento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Meia-vida
k = ln 2 / t½
Lei de resfriamento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fator integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tanque de mistura
dm/dt = r·c − (r/V)·m
2Exercícios
1.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀π x·cos x dx (x em radianos).
∫₀π x·cos x dx
I =
2.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
3.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.
A: Σ 3/k⁴B: Σ (3/2)ᵏC: Σ 1/(3ᵏ + k)D: Σ k²/5ᵏ
1A: Σ 3/k⁴
2B: Σ (3/2)ᵏ
3C: Σ 1/(3ᵏ + k)
4D: Σ k²/5ᵏ
4.Sequências e sériesDifícil
Use o polinômio de Maclaurin de grau 3 de f(x) = sin x para aproximar f(−1,5). Dê P₃(−1,5).
f(x) = sin xn = 3x = −1,5
P₃(−1.5) =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
O plano tangente a z = 3 sin(−3x − 3y) no ponto onde (x, y) = (−1, 2) pode ser escrito como z = px + qy + c. Encontre c.
f(x, y) = 3 sin(−3x − 3y)(a, b) = (−1, 2)
c =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
Calcule I = ∬R x dA, em que R é a região entre a parábola y = x² e a reta y = 3x.
y = x²y = 3xf = x
I =
7.Equações diferenciaisMédia
Uma lata de refrigerante a 6 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 27 °C. Após 21 min sua temperatura é 23 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 6 °CTa = 27 °CT(21) = 23 °C
k = min⁻¹
8.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 200 L de água pura. Salmoura com 0,05 kg de sal por litro entra a 5 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Quanto sal m há no tanque após 10 min?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3Soluções
1.Integrais
Resposta: I = −2
Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.
Escolha u e dv
u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limites
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Resposta
I = −2
2.Integrais
Resposta: I = 12,78
Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.
Primeira rodada
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda rodada
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limites
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Resposta
I = 12,78
3.Sequências e séries
Resposta: B: Σ (3/2)ᵏ
Convergência: se os termos não tendem a 0, a série diverge (teste do n-ésimo termo). Σ1/kᵖ converge somente para p > 1, e Σrᵏ somente para |r| < 1. Compare uma série com uma dessas quando seus termos se comportam como elas para k grande. Teste da razão: L = lim |ak+1/ak|; teste da raiz: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 não decide nada. Uma série de potências Σck(x − x₀)ᵏ converge para |x − x₀| < R com R = lim |ck/ck+1|; uma série alternada com termos decrescentes a 0 converge.
Teste cada série
A: Σ 3/k⁴ → Série-p com p = 4 > 1: converge.
B: Σ (3/2)ᵏ → Geométrica com r = 3/2 > 1: os termos crescem, então diverge.
C: Σ 1/(3ᵏ + k) → Menor que (1/3)ᵏ, uma série geométrica convergente: converge por comparação.
D: Σ k²/5ᵏ → Teste da razão: L = 1/5 < 1, converge.
A resposta
B: Σ (3/2)ᵏ
Resposta
B: Σ (3/2)ᵏ
4.Sequências e séries
Resposta: P₃(−1.5) = −0,9375
Polinômios de Taylor: perto de x = a, uma função suave é aproximada 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 este é o polinômio de Maclaurin. Séries padrão: 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 de erro de Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, em que M é o maior valor de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a e x.
Polinômio de Maclaurin
P₃(x) = x − 0,1667x³
Substituir
P₃(−1,5) = −1,5 + 0,5625 = −0,9375
Resposta
P₃(−1,5) = −0,9375
O valor exato é f(−1,5) = −0,997495; o erro −0,059995 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.
5.Cálculo de várias variáveis
Resposta: c = −9,333
Gradiente: ∇f = (fx, fy) aponta na direção de maior crescimento, e |∇f| é a maior taxa de variação. A derivada direcional ao longo de uma direção v é Duf = ∇f·u com o vetor unitário u = v/|v|. O plano tangente em (a, b) é z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); ele dá a aproximação linear de f perto desse ponto. Regra da cadeia: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Valor e inclinações no ponto
f(−1, 2) = −0,4234
fx = −9 cos(−3x − 3y) → fx(−1, 2) = 8,91
fy = −9 cos(−3x − 3y) → fy(−1, 2) = 8,91
Plano tangente
z = −0,4234 + 8,91(x + 1) + 8,91(y − 2)
z = 8,91x + 8,91y − 9,333
Termo constante
c = −9,333
Resposta
c = −9,333
6.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 6,75
Pontos críticos e integrais duplas: um ponto crítico tem fx = fy = 0. Teste da segunda derivada com D = fxxfyy − fxy²: D > 0 e fxx > 0 é um mínimo local, D > 0 e fxx < 0 um máximo local, D < 0 um ponto de sela, e D = 0 não decide nada. Para uma integral dupla sobre uma região geral, faça dos limites internos as curvas que delimitam a região; para discos e setores use coordenadas polares, x = r cos θ, y = r sin θ e dA = r dr dθ (não esqueça o fator r).
Interseções
x² = 3x → x = 0, x = 3
Integral interna
∫x²3x x dy = x(3x − x²) = 3x² − x³
Integral externa
I = ∫03 (3x² − x³) dx = 6,75
Resposta
I = 6,75
7.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,07896 min⁻¹
Equações diferenciais de primeira ordem: dy/dt = k·y tem a solução y = y₀·ekt (crescimento para k > 0, decaimento para k < 0); uma meia-vida T dá k = ln 2/T. A lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dá T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Uma equação linear y′ + p(x)·y = q(x) é resolvida com o fator integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, então μy = ∫μq dx + C.
Razão das diferenças de temperatura
e−21k = -4/-21
Resolver para k
k = ln(-21/-4)/21 = 0,07896 min⁻¹
Resposta
k = 0,07896 min⁻¹
8.Equações diferenciais
Resposta: m = 2,212 kg
Equações diferenciais de primeira ordem: dy/dt = k·y tem a solução y = y₀·ekt (crescimento para k > 0, decaimento para k < 0); uma meia-vida T dá k = ln 2/T. A lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dá T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Uma equação linear y′ + p(x)·y = q(x) é resolvida com o fator integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, então μy = ∫μq dx + C.
Montar a equação
dm/dt = 5·0,05 − (5/200)·m = 0,25 − 0,025·m
Resolva
O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.