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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 = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
2.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
3.Sequências e sériesMédia
Encontre o raio de convergência R da série de potências Σk=1∞ xᵏ/4ᵏ.
Σ xᵏ/4ᵏx₀ = 0
R =
4.Sequências e sériesDifícil
f(x) = eˣ é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 4 em x = 0,3. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = e0,3 = 1,35 para encontrar o maior erro possível |R₄|.
f(x) = eˣn = 4x = 0,3M = 1,35
|R₄| =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
O plano tangente a z = x³y + 2x² + y³ no ponto onde (x, y) = (1, 3) pode ser escrito como z = px + qy + c. Encontre c.
f(x, y) = x³y + 2x² + y³(a, b) = (1, 3)
c =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
A integral I = ∫01,2 ∫y1,2 1/(1 + x²)² dx dy não pode ser calculada nesta ordem. Inverta a ordem de integração e calcule-a.
f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1,2
I =
7.Equações diferenciaisMédia
Resolva y″ + 6y′ + 9y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = -1. Encontre y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(0.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 500 L de água na qual estão dissolvidos 20 kg de sal. Salmoura com 0,2 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 100 min?
V = 500 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3Soluções
1.Integrais
Resposta: I = 41,33
Integrais definidos: ∫ₐᵇ f(x) dx é a área com sinal entre o gráfico e o eixo x de a a b. Encontre uma primitiva F (com F′ = f) e calcule F(b) − F(a). Regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). A área entre duas curvas é ∫(superior − inferior) dx.
Substituição
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du
Integrar e avaliar
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Resposta
I = 41,33
2.Integrais
Resposta: A = 18
Integrais definidos: ∫ₐᵇ f(x) dx é a área com sinal entre o gráfico e o eixo x de a a b. Encontre uma primitiva F (com F′ = f) e calcule F(b) − F(a). Regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). A área entre duas curvas é ∫(superior − inferior) dx.
Pontos de interseção
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Resposta
A = 18
3.Sequências e séries
Resposta: R = 4
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.
Coeficientes
ck/ck+1 = 4
Raio
R = 4
Resposta
R = 4
O teste da razão nada diz nos dois extremos; eles precisam ser verificados separadamente.
4.Sequências e séries
Resposta: |R₄| = 2,733 × 10⁻⁵
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.
Cota para a derivada
M = e0,3 = 1,35
Cota de Lagrange
|R₄| ≤ 1,35·0,3⁵/5! = 2,733 × 10⁻⁵
Resposta
|R₄| = 2,733 × 10⁻⁵
O erro verdadeiro é menor: |f(0,3) − P₄(0,3)| = 2,131 × 10⁻⁵.
5.Cálculo de várias variáveis
Resposta: c = −65
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, 3) = 32
fx = 3x²y + 4x → fx(1, 3) = 13
fy = x³ + 3y² → fy(1, 3) = 28
Plano tangente
z = 32 + 13(x − 1) + 28(y − 3)
z = 13x + 28y − 65
Termo constante
c = −65
Resposta
c = −65
6.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 0,2951
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).
Região
0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1,2
Ordem invertida
I = ∫01,2 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01,2 x·1/(1 + x²)² dx
Substituição u = x²
I = [−1/(2(1 + x²))]01,2 = 0,2951
Resposta
I = 0,2951
7.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 0,4463
Equações lineares de segunda ordem: para y″ + b·y′ + c·y = 0, tente y = ert: isso dá a equação característica r² + b·r + c = 0. Duas raízes reais r₁ ≠ r₂ dão y = A·er₁t + B·er₂t (superamortecido); uma raiz dupla r dá y = (A + Bt)·ert (amortecimento crítico); raízes complexas −α ± jω dão y = e−αt(A cos ωt + B sen ωt) (subamortecido, oscilante). Os valores iniciais y(0) e y′(0) determinam A e B. Escrita como y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn é a frequência natural e ζ o coeficiente de amortecimento: ζ < 1 oscila. Com uma entrada constante, y″ + by′ + cy = c·K, a solução é o valor estacionário K mais a resposta livre.
Raiz dupla
(r + 3)² = 0 → r = −3
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 3 = 2
Calcular
y(0,5) = (1 + 2·0,5)·e−1,5 = 0,4463
Resposta
y(0,5) = 0,4463
8.Equações diferenciais
Resposta: m = 70,57 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 = 5·0,2 − (5/500)·m = 1 − 0,01·m
Resolva
O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.