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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
Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
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
Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
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.
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.
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
Para uma derivada parcial, trate a outra variável como constante e use as regras de uma variável.
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.
Para extremos resolva fx = 0 e fy = 0 juntos e depois classifique cada ponto com D = fxx·fyy − fxy².
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
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
2.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
3.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.
A: Σ k!/3ᵏB: Σ (1 + 1/k)ᵏC: Σ ln k / kD: Σ 3/k⁴
1A: Σ k!/3ᵏ
2B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
3C: Σ ln k / k
4D: Σ 3/k⁴
4.Sequências e sériesDifícil
Use o polinômio de Maclaurin de grau 4 de f(x) = cos x para aproximar f(1,5). Dê P₄(1,5).
f(x) = cos xn = 4x = 1,5
P₄(1.5) =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
Para f(x, y) = −3x²y² − 5x² + 5y², encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (−1, −2), isto é, |∇f|.
f(x, y) = −3x²y² − 5x² + 5y²P = (−1, −2)
|∇f| =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
Calcule I = ∬T (4x + 2y) dA sobre o triângulo T limitado por y = 0, x = 2 e y = x.
f = 4x + 2y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ x
I =
7.Equações diferenciaisMédia
Resolva y″ + 6y′ + 5y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 0. Encontre y(1,5).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 2y′ + 17y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1,5); ângulos em radianos.
y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3Soluções
1.Integrais
Resposta: I = 12
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.
Substituição
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
Integrar e avaliar
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Resposta
I = 12
2.Integrais
Resposta: A = 1,125
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
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Resposta
A = 1,125
3.Sequências e séries
Resposta: D: Σ 3/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 k!/3ᵏ → Teste da razão: L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
B: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Os termos tendem a e, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
C: Σ ln k / k → Maior que 1/k para k ≥ 3: diverge por comparação com a série harmônica.
D: Σ 3/k⁴ → Série-p com p = 4 > 1: converge.
A resposta
D: Σ 3/k⁴
Resposta
D: Σ 3/k⁴
4.Sequências e séries
Resposta: P₄(1.5) = 0,08594
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 − 0,5x² + 0,04167x⁴
Substituir
P₄(1,5) = 1 − 1,125 + 0,210938 = 0,08594
Resposta
P₄(1,5) = 0,08594
O valor exato é f(1,5) = 0,0707372; o erro −0,0152003 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.
5.Cálculo de várias variáveis
Resposta: |∇f| = 34,93
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 = −6xy² − 10x → fx(−1, −2) = 34
fy = −6x²y + 10y → fy(−1, −2) = −8
Comprimento do gradiente
|∇f| = √(34² + (−8)²) = 34,93
Resposta
|∇f| = 34,93
6.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 13,33
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 ≤ 2, 0 ≤ y ≤ x
Integral interna
∫0x (4x + 2y) dy = 4x·x + 2·(x)²/2 = 5x²
Integral externa
I = 5·2³/3 = 13,33
Resposta
I = 13,33
7.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 0,5575
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 + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 2, −1A − 5B = 0
A = 2,5, B = −0,5
Calcular
y(1,5) = 2,5·e−1,5 + (−0,5)·e−7,5 = 0,5575
Resposta
y(1,5) = 0,5575
8.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 0,596
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.