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
xy15

Calcule I = ∫15 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 5]
I =
2.IntegraisDifícil
xyy = 0,5x2​y = 3x

Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 3x.

y = 0,5x2y = 3x
A =
3.Sequências e sériesMédia
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Aplique o teste da raiz a Σk=1∞ ((5k + 3)/(3k + 6))ᵏ. Encontre L = lim |ak|1/k.

ak = ((5k + 3)/(3k + 6))ᵏ
L =
4.Sequências e sériesDifícil

Encontre o coeficiente c₄ de (x + 1)⁴ na série de Taylor de f(x) = e3x em torno de a = −1.

f(x) = e3xa = −1k = 4
c₄ =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy−13∇fP

Para f(x, y) = 5x³y² + 2x³ + 4y³ − xy, encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (−1, 3), isto é, |∇f|.

f(x, y) = 5x³y² + 2x³ + 4y³ − xyP = (−1, 3)
|∇f| =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−20−2−101(0, 0)(−1, −1)

Encontre os pontos críticos de f(x, y) = x³ + y³ + 3xy, classifique-os e dê o valor fmax de f no seu máximo local.

f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
fmax =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 2y(1) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 4y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 4. Encontre y(1).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(1) =
8.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 5y(0,75) = ?

Um sistema obedece a y″ + 2y′ + 5y = 25 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,75); ângulos em radianos.

y″ + 2y′ + 5y = 25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 3,219

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) = 2·ln x

Avaliar nos limites

I = 2·(ln 5 − ln 1) = 2·ln 5 = 3,219

Resposta

I = 3,219
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: L = 1,667

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 = (5k + 3)/(3k + 6) → 5/3

Conclusão

L = 1,667 > 1

Resposta

L = 1,667

L > 1, então a série diverge.

4.Sequências e séries

Resposta: c₄ = 0,168

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⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = 3⁴·e3x

Coeficiente

c₄ = 3⁴·e−3/4! = 0,168
c₄ = 0,168

Resposta

c₄ = 0,168
5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: |∇f| = 159

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.

Derivadas parciais

fx = 15x²y² + 6x² − y → fx(−1, 3) = 138
fy = 10x³y + 12y² − x → fy(−1, 3) = 79

Comprimento do gradiente

|∇f| = √(138² + 79²) = 159

Resposta

|∇f| = 159
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: fmax = 1

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 + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)

Teste da segunda derivada

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → ponto de sela
(−1, −1): fxx = −6, fyy = −6, fxy = 3, D = 27 → máximo local

Valor no extremo

f(−1, −1) = 1

Resposta

fmax = 1
7.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 1,353

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 + 2)² = 0 → r = −2

Constantes

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 4 = 8

Calcular

y(1) = (2 + 8·1)·e−2 = 1,353

Resposta

y(1) = 1,353
8.Equações diferenciais

Resposta: y(0.75) = 3,655

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 = 5, r = −1 ± 2j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −2,5

Calcular

y(0,75) = 5·(1 − e−0,75(cos 1,5 + 0,5·sin 1,5)) = 3,655

Resposta

y(0,75) = 3,655

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