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
xy3y = x

A região sob y = x, de x = 0 até x = 3, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um cone).

y = x0 ≤ x ≤ 3
V =
2.IntegraisDifícil
xy1y = 2xy = 2x²

A região entre a reta y = 2x e a parábola y = 2x² gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido.

y = 2xy = 2x²
V =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ (5/4)ᵏC: Σ 2ᵏ/k³D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ (5/4)ᵏ
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k³
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Sequências e sériesDifícil
xyfP₃−1,5

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
xy−20−2−10PQ

Para f(x, y) = 2xy − 4x³ + 5y³, encontre a derivada direcional Duf em P(−1, −1) na direção de Q(1, −2).

f(x, y) = 2xy − 4x³ + 5y³P = (−1, −1)Q = (1, −2)
Duf =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyy = 1,2y = x1,21,2

A integral I = ∫01,2 ∫x1,2 1/(1 + y²)² dy dx não pode ser calculada nesta ordem. Inverta a ordem de integração e calcule-a.

f = 1/(1 + y²)²0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2
I =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Resolva y″ + 8y′ + 15y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = -2. Encontre y(1,5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
t (min)m (kg)20 minm = ?

Um tanque contém 100 L de água pura. Salmoura com 0,05 kg de sal por litro entra a 4 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Quanto sal m há no tanque após 20 min?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 4 L/min
m = kg

3Soluções

1.Integrais

Resposta: V = 28,27

Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.

Método dos discos

V = π∫₀3 1x² dx

Integrar

V = π·1·3³/3 = 28,27

Resposta

V = 28,27

Verificação: um cone de raio 3 e altura 3 tem (1/3)πr²h = 28,27.

2.Integrais

Resposta: V = 1,676

Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.

Pontos de interseção

2x = 2x² → x = 0, x = 1

Método das arruelas

V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx

Integrar

V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676

Resposta

V = 1,676
3.Sequências e séries

Resposta: A: Σ (−1)ᵏ/√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 (−1)ᵏ/√k → Alternada, com 1/√k decrescendo a 0: converge (condicionalmente).
B: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica com r = 5/4 > 1: os termos crescem, então diverge.
C: Σ 2ᵏ/k³ → Teste da razão: L = 2 > 1, diverge.
D: Σ ln k / k → Maior que 1/k para k ≥ 3: diverge por comparação com a série harmônica.

A resposta

A: Σ (−1)ᵏ/√k

Resposta

A: Σ (−1)ᵏ/√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: Duf = −18,34

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 = 2y − 12x² → fx(−1, −1) = −14
fy = 2x + 15y² → fy(−1, −1) = 13

Vetor unitário

|v| = √(2² + (−1)²) = 2,236
u = (0,8944, −0,4472)

Produto escalar

Duf = (−14)·0,8944 + 13·(−0,4472) = −18,34

Resposta

Duf = −18,34
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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2

Ordem invertida

I = ∫01,2 ∫0y 1/(1 + y²)² dx dy = ∫01,2 y·1/(1 + y²)² dy

Substituição u = y²

I = [−1/(2(1 + y²))]01,2 = 0,2951

Resposta

I = 0,2951
7.Equações diferenciais

Resposta: y(1.5) = 0,01639

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 = 1, −3A − 5B = -2
A = 1,5, B = −0,5

Calcular

y(1,5) = 1,5·e−4,5 + (−0,5)·e−7,5 = 0,01639

Resposta

y(1,5) = 0,01639
8.Equações diferenciais

Resposta: m = 2,753 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 = 4·0,05 − (4/100)·m = 0,2 − 0,04·m

Resolva

O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.

m(t) = 5 + (−5)·e−t/25

Substituir t

m(20) = 5 + (−5)·0,4493 = 2,753 kg

Resposta

m = 2,753 kg

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