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
xy4y = 4xy = x²

A região entre a reta y = 4x e a parábola y = x² gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido.

y = 4xy = x²
V =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞BΣ 5/k⁴k = 1 … ∞CΣ 1/√kk = 1 … ∞DΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ 2ᵏ/k²B: Σ 5/k⁴C: Σ 1/√kD: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k²
  2. 2B: Σ 5/k⁴
  3. 3C: Σ 1/√k
  4. 4D: Σ (2k + 1)/(k + 2)
4.Sequências e sériesDifícil

f(x) = eˣ é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 4 em x = −0,5. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = 1 para encontrar o maior erro possível |R₄|.

f(x) = eˣn = 4x = −0,5M = 1
|R₄| =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy3−2∇fP

Para f(x, y) = 2xy² + 5x² + y² + 4xy, encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (3, −2), isto é, |∇f|.

f(x, y) = 2xy² + 5x² + y² + 4xyP = (3, −2)
|∇f| =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy1

Use coordenadas polares para calcular I = ∬R √(x² + y²) dA, em que R é o disco x² + y² ≤ 1.

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ 2π
I =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 5y(1) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 9y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 2. Encontre y(1).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1) =
8.Equações diferenciaisDifícil
xy13(1, 2)y(3) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 4x para x > 0, com y(1) = 2. Encontre y(3).

y′ + y/x = 4xy(1) = 2
y(3) =

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: V = 428,9

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

4x = 1x² → x = 0, x = 4

Método das arruelas

V = π∫₀4 ((4x)² − (1x²)²) dx

Integrar

V = π(16·4³/3 − 1·4⁵/5) = π·136,5 = 428,9

Resposta

V = 428,9
3.Sequências e séries

Resposta: B: Σ 5/k⁴

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 2ᵏ/k² → Teste da razão: L = 2 > 1, diverge.
B: Σ 5/k⁴ → Série-p com p = 4 > 1: converge.
C: Σ 1/√k → Série-p com p = 1/2 ≤ 1: diverge.
D: Σ (2k + 1)/(k + 2) → Os termos tendem a 2, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.

A resposta

B: Σ 5/k⁴

Resposta

B: Σ 5/k⁴
4.Sequências e séries

Resposta: |R₄| = 0,0002604

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.

Cota para a derivada

M = 1

Cota de Lagrange

|R₄| ≤ 1·0,5⁵/5! = 0,0002604

Resposta

|R₄| = 0,0002604

O erro verdadeiro é menor: |f(−0,5) − P₄(−0,5)| = 0,0002402.

5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: |∇f| = 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.

Derivadas parciais

fx = 2y² + 10x + 4y → fx(3, −2) = 30
fy = 4xy + 2y + 4x → fy(3, −2) = −16

Comprimento do gradiente

|∇f| = √(30² + (−16)²) = 34

Resposta

|∇f| = 34
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 2,094

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).

Forma polar

I = ∫02π ∫01 r·r dr dθ

Integrar

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 2,094

Resposta

I = 2,094
7.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 1,095

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 + 3)² = 0 → r = −3

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 15 = 17

Calcular

y(1) = (5 + 17·1)·e−3 = 1,095

Resposta

y(1) = 1,095
8.Equações diferenciais

Resposta: y(3) = 12,22

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.

Fator integrante

μ = e∫1/x dx = x1

Integrar

(x1y)′ = 4x2 → x1y = 4x3/3 + C

Condição inicial

2 = 4/3 + C → C = 0,6667

Calcular

y(3) = (4·33/3 + 0,6667)/31 = 12,22

Resposta

y(3) = 12,22

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