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
xy13

Calcule I = ∫13 3/x dx.

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

Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞BΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞CΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ 3ᵏ/k³B: Σ (k + 3)/k²C: Σ (1 + 1/k)ᵏD: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ 3ᵏ/k³
  2. 2B: Σ (k + 3)/k²
  3. 3C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
4.Sequências e sériesDifícil

f(x) = eˣ é aproximada em x = 2 pelo seu polinômio de Maclaurin de grau n. Com a cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 8, encontre o menor grau n que garante um erro abaixo de 0,0001.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,0001
n =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy0,50,5∇fP

Para f(x, y) = xe−y, encontre a direção de maior crescimento em (0,5, 0,5) como o ângulo θ a partir do eixo x positivo, em graus entre −180° e 180°.

f(x, y) = xe−yP = (0,5, 0,5)
θ = °
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyx = 4y = 3x412

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

f = 2x + 3y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 3x
I =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 3y(0,5) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 8y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = -2. Encontre y(0,5).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(0.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Resolva y″ + 2y′ + 26y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,5); ângulos em radianos.

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 3,296

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) = 3·ln x

Avaliar nos limites

I = 3·(ln 3 − ln 1) = 3·ln 3 = 3,296

Resposta

I = 3,296
2.Integrais

Resposta: A = 5,333

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

0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Resposta

A = 5,333
3.Sequências e séries

Resposta: D: Σ (1/3)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 3ᵏ/k³ → Teste da razão: L = 3 > 1, diverge.
B: Σ (k + 3)/k² → Comporta-se como 1/k para k grande: diverge por comparação com a série harmônica.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Os termos tendem a e, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
D: Σ (1/3)ᵏ → Geométrica com r = 1/3, |r| < 1: converge.

A resposta

D: Σ (1/3)ᵏ

Resposta

D: Σ (1/3)ᵏ
4.Sequências e séries

Resposta: n = 11

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)!cota011612162610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105114790016006,841 × 10⁻⁵

Cotas para n crescente

n = 10: 0,0004105 ≥ 0,0001
n = 11: 6,841 × 10⁻⁵ < 0,0001

Menor grau

n = 11

Resposta

n = 11
5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: θ = −26,57 °

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 = 1·e−y → fx(0,5, 0,5) = 0,6065
fy = −xe−y → fy(0,5, 0,5) = −0,3033

Direção

θ = atan2(−0,3033, 0,6065) = −26,57°

Resposta

θ = −26,57°
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 416

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 ≤ 4, 0 ≤ y ≤ 3x

Integral interna

∫03x (2x + 3y) dy = 2x·3x + 3·(3x)²/2 = 19,5x²

Integral externa

I = 19,5·4³/3 = 416

Resposta

I = 416
7.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 1,569

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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Constantes a partir dos valores iniciais

A + B = 3, −2A − 4B = -2
A = 5, B = −2

Calcular

y(0,5) = 5·e−1 + (−2)·e−2 = 1,569

Resposta

y(0,5) = 1,569
8.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = −2,067

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 complexas

r = −1 ± 5j

Constantes

A = 5, B = 1·5/5 = 1

Calcular

y(0,5) = e−0,5(5·cos 2,5 + 1·sin 2,5) = −2,067

Resposta

y(0,5) = −2,067

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