Cálculo 2: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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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

  1. Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
  2. Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
  3. Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
  4. 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

  1. Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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

  1. Para uma derivada parcial, trate a outra variável como constante e use as regras de uma variável.
  2. 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.
  3. Para extremos resolva fx = 0 e fy = 0 juntos e depois classifique cada ponto com D = fxx·fyy − fxy².
  4. 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
xy1y = x·sin x

Calcule I = ∫₀1 x·sin x dx (x em radianos).

∫₀1 x·sin x dx
I =
2.IntegraisDifícil
xyy = 2x2​y = 4x

Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞CΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ (2k + 1)/(k + 2)B: Σ (k + 5)/k²C: Σ (4/3)ᵏD: Σ (3/4)ᵏ
  1. 1A: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ (k + 5)/k²
  3. 3C: Σ (4/3)ᵏ
  4. 4D: Σ (3/4)ᵏ
4.Sequências e sériesDifícil

Encontre o coeficiente c₂ de (x − 4)² na série de Taylor de f(x) = √x em torno de a = 4.

f(x) = √xa = 4k = 2
c₂ =
5.Cálculo de várias variáveisMédia

z = 3x³y + x³ − y³ − 2xy com x = −3t − 1 e y = −2t². Use a regra da cadeia para encontrar dz/dt em t = 1.

z = 3x³y + x³ − y³ − 2xyx = −3t − 1y = −2t²t = 1
dz/dt =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyx = 2y = 3x26

Calcule I = ∬T (2x + 4y) dA sobre o triângulo T limitado por y = 0, x = 2 e y = 3x.

f = 2x + 4y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ 3x
I =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)5Ta​62 °C69 °C

Uma xícara de café a 80 °C é deixada em uma sala a 24 °C. Após 5 min sua temperatura é 62 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 69 °C?

T0 = 80 °CTa = 24 °CT(5) = 62 °CT = 69 °C
t = min
8.Equações diferenciaisDifícil
xy12(1, 4)y(2) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 5x2 para x > 0, com y(1) = 4. Encontre y(2).

y′ + y/x = 5x2y(1) = 4
y(2) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 0,3012

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 = sin x dx, v = −cos x

Primitiva

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Limites

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Resposta

I = 0,3012
2.Integrais

Resposta: A = 2,667

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

2x2 = 4x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Resposta

A = 2,667
3.Sequências e séries

Resposta: D: Σ (3/4)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 (2k + 1)/(k + 2) → Os termos tendem a 2, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
B: Σ (k + 5)/k² → Comporta-se como 1/k para k grande: diverge por comparação com a série harmônica.
C: Σ (4/3)ᵏ → Geométrica com r = 4/3 > 1: os termos crescem, então diverge.
D: Σ (3/4)ᵏ → Geométrica com r = 3/4, |r| < 1: converge.

A resposta

D: Σ (3/4)ᵏ

Resposta

D: Σ (3/4)ᵏ
4.Sequências e séries

Resposta: c₂ = −0,01563

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.

Derivada f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2

Coeficiente

c₂ = −0,25·41/2 − 2/2! = −0,01563
c₂ = −0,01563

Resposta

c₂ = −0,01563
5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: dz/dt = 1492

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.

Ponto e taxas

x(1) = −4, y(1) = −2
dx/dt = −3, dy/dt = −4t = −4

Derivadas parciais

fx = 9x²y + 3x² − 2y = −236
fy = 3x³ − 3y² − 2x = −196

Regra da cadeia

dz/dt = (−236)·(−3) + (−196)·(−4) = 1492

Resposta

dz/dt = 1492
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 64

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).

Limites

0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 3x

Integral interna

∫03x (2x + 4y) dy = 2x·3x + 4·(3x)²/2 = 24x²

Integral externa

I = 24·2³/3 = 64

Resposta

I = 64
7.Equações diferenciais

Resposta: t = 2,82 min

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.

Constante de resfriamento

k = ln(56/38)/5 = 0,07755 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(56/45)/0,07755 = 2,82 min

Resposta

t = 2,82 min
8.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 11,38

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.

Fator integrante

μ = e∫1/x dx = x1

Integrar

(x1y)′ = 5x3 → x1y = 5x4/4 + C

Condição inicial

4 = 5/4 + C → C = 2,75

Calcular

y(2) = (5·24/4 + 2,75)/21 = 11,38

Resposta

y(2) = 11,38

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