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
xy14

Calcule I = ∫14 4/x dx.

f(x) = 4/x[1, 4]
I =
2.IntegraisDifícil
xyy = x2​y = 2x

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

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

Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.

A: Σ 1/(3ᵏ + k)B: Σ (2/3)ᵏC: Σ 2ᵏ/k!D: Σ 1/√k
  1. 1A: Σ 1/(3ᵏ + k)
  2. 2B: Σ (2/3)ᵏ
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k!
  4. 4D: Σ 1/√k
4.Sequências e sériesDifícil
xyfP₄0,25

Use o polinômio de Maclaurin de grau 4 de f(x) = 1/(1 − 2x) para aproximar f(0,25). Dê P₄(0,25).

f(x) = 1/(1 − 2x)n = 4x = 0,25
P₄(0.25) =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy31∇fP

Para f(x, y) = −4x³y − x² − 3y² − 3xy, encontre a direção de maior crescimento em (3, 1) como o ângulo θ a partir do eixo x positivo, em graus entre −180° e 180°.

f(x, y) = −4x³y − x² − 3y² − 3xyP = (3, 1)
θ = °
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
t (min)T (°C)5Ta​71 °C

Uma xícara de café a 82 °C é deixada em uma sala a 23 °C. Após 5 min sua temperatura é 71 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.

T0 = 82 °CTa = 23 °CT(5) = 71 °C
k = min⁻¹
8.Equações diferenciaisDifícil
t (min)m (kg)105 minm = ?

Um tanque contém 1000 L de água pura. Salmoura com 0,2 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 105 min?

V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 4 L/min
m = kg

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 5,545

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) = 4·ln x

Avaliar nos limites

I = 4·(ln 4 − ln 1) = 4·ln 4 = 5,545

Resposta

I = 5,545
2.Integrais

Resposta: A = 1,333

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

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Resposta

A = 1,333
3.Sequências e séries

Resposta: D: Σ 1/√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/(3ᵏ + k) → Menor que (1/3)ᵏ, uma série geométrica convergente: converge por comparação.
B: Σ (2/3)ᵏ → Geométrica com r = 2/3, |r| < 1: converge.
C: Σ 2ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ 1/√k → Série-p com p = 1/2 ≤ 1: diverge.

A resposta

D: Σ 1/√k

Resposta

D: Σ 1/√k
4.Sequências e séries

Resposta: P₄(0.25) = 1,938

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

P₄(x) = 1 + 2x + 4x² + 8x³ + 16x⁴

Substituir

P₄(0,25) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938

Resposta

P₄(0,25) = 1,938

O valor exato é f(0,25) = 2; o erro 0,0625 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.

5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: θ = −133,6 °

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 = −12x²y − 2x − 3y → fx(3, 1) = −117
fy = −4x³ − 6y − 3x → fy(3, 1) = −123

Direção

θ = atan2(−123, −117) = −133,6°

Resposta

θ = −133,6°
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: k = 0,04127 min⁻¹

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.

Razão das diferenças de temperatura

e−5k = 48/59

Resolver para k

k = ln(59/48)/5 = 0,04127 min⁻¹

Resposta

k = 0,04127 min⁻¹
8.Equações diferenciais

Resposta: m = 68,59 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 = 4·0,2 − (4/1000)·m = 0,8 − 0,004·m

Resolva

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

m(t) = 200 + (−200)·e−t/250

Substituir t

m(105) = 200 + (−200)·0,657 = 68,59 kg

Resposta

m = 68,59 kg

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