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
xy02

Calcule I = ∫02 ex dx.

f(x) = ex[0, 2]
I =
2.IntegraisDifícil
xy3y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
3.Sequências e sériesMédia
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Aplique o teste da raiz a Σk=1∞ ((1k + 4)/(3k + 2))ᵏ. Encontre L = lim |ak|1/k.

ak = ((1k + 4)/(3k + 2))ᵏ
L =
4.Sequências e sériesDifícil

f(x) = eˣ é aproximada em x = 0,5 pelo seu polinômio de Maclaurin de grau n. Com a cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 2, encontre o menor grau n que garante um erro abaixo de 0,0005.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,0005
n =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy024−4−202PQ

Para f(x, y) = 3 ln(x² + 2y²), encontre a derivada direcional Duf em P(0,5, 0,5) na direção de Q(3,5, −3,5).

f(x, y) = 3 ln(x² + 2y²)P = (0,5, 0,5)Q = (3,5, −3,5)
Duf =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−505−2024(3, 3)(−3, 3)

Encontre os pontos críticos de f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 6y, classifique-os e dê o valor fmax de f no seu máximo local.

f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 6y
fmax =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Resolva y″ + 8y′ + 15y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = -2. Encontre y(0,5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(0.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 1y(1) = ?

Um sistema obedece a y″ + y′ + 16,25y = 16,25 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(1); ângulos em radianos.

y″ + y′ + 16,25y = 16,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 6,389

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.

Primitiva

F(x) = ex/1

Avaliar nos limites

I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389

Resposta

I = 6,389
2.Integrais

Resposta: I = 98,43

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

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Resposta

I = 98,43
3.Sequências e séries

Resposta: L = 0,3333

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.

Raiz dos termos

|ak|1/k = (1k + 4)/(3k + 2) → 1/3

Conclusão

L = 0,3333 < 1

Resposta

L = 0,3333

L < 1, então a série converge.

4.Sequências e séries

Resposta: n = 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.

n(n + 1)!cota011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵

Cotas para n crescente

n = 4: 0,0005208 ≥ 0,0005
n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ < 0,0005

Menor grau

n = 5

Resposta

n = 5
5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: Duf = −4

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.

Gradiente no ponto

fx = 6x/(x² + 2y²) → fx(0,5, 0,5) = 4
fy = 12y/(x² + 2y²) → fy(0,5, 0,5) = 8

Vetor unitário

|v| = √(3² + (−4)²) = 5
u = (0,6, −0,8)

Produto escalar

Duf = 4·0,6 + 8·(−0,8) = −4

Resposta

Duf = −4
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: fmax = 63

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).

Pontos críticos

Resolva fx = 0 e fy = 0 juntos.

fx = −(3x² − 27) = 0
fy = −(2y − 6) = 0
(3, 3), (−3, 3)

Teste da segunda derivada

(3, 3): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → máximo local
(−3, 3): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → ponto de sela

Valor no extremo

f(3, 3) = 63

Resposta

fmax = 63
7.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 2,032

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.

Raízes características

(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Constantes a partir dos valores iniciais

A + B = 5, −3A − 5B = -2
A = 11,5, B = −6,5

Calcular

y(0,5) = 11,5·e−1,5 + (−6,5)·e−2,5 = 2,032

Resposta

y(0,5) = 2,032
8.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 1,454

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.

Valor estacionário e raízes

yss = 1, r = −0,5 ± 4j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,125

Calcular

y(1) = 1·(1 − e−0,5(cos 4 + 0,125·sin 4)) = 1,454

Resposta

y(1) = 1,454

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