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
xy28

Calcule I = ∫28 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 8]
I =
2.IntegraisDifícil
xyy = 2x2​y = 2x

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

y = 2x2y = 2x
A =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ k/(k + 1)k = 1 … ∞BΣ 2/k⁴k = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 2))k = 1 … ∞DΣ k³/2ᵏk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.

A: Σ k/(k + 1)B: Σ 2/k⁴C: Σ 1/(k(k + 2))D: Σ k³/2ᵏ
  1. 1A: Σ k/(k + 1)
  2. 2B: Σ 2/k⁴
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 2))
  4. 4D: Σ k³/2ᵏ
4.Sequências e sériesDifícil

f(x) = eˣ é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 3 em x = 0,5. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = e0,5 = 1,649 para encontrar o maior erro possível |R₃|.

f(x) = eˣn = 3x = 0,5M = 1,649
|R₃| =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy050246vP

Para f(x, y) = xy + 2x³ + 2y², encontre a derivada direcional Duf em (1, 3) na direção de v = (2, 3).

f(x, y) = xy + 2x³ + 2y²P = (1, 3)v = (2, 3)
Duf =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyy = 2xy = x²24

Calcule I = ∬R xy dA, em que R é a região entre a parábola y = x² e a reta y = 2x.

y = x²y = 2xf = xy
I =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)15Ta​T = ?

Uma peça de aço forjado a 420 °C é deixada esfriando em uma oficina a 26 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,02 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 15 min.

T0 = 420 °CTa = 26 °Ck = 0,02 min⁻¹t = 15 min
T = °C
8.Equações diferenciaisDifícil
t (min)m (kg)t = ?34 kg

Um tanque contém 200 L de água na qual estão dissolvidos 20 kg de sal. Salmoura com 0,2 kg de sal por litro entra a 5 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Após quantos minutos t o tanque contém 34 kg de sal?

V = 200 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
t = min

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 8 − ln 2) = 4·ln 4 = 5,545

Resposta

I = 5,545
2.Integrais

Resposta: A = 0,3333

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 = 2x → x = 0, x = 1

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Resposta

A = 0,3333
3.Sequências e séries

Resposta: A: Σ k/(k + 1)

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/(k + 1) → Os termos tendem a 1, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
B: Σ 2/k⁴ → Série-p com p = 4 > 1: converge.
C: Σ 1/(k(k + 2)) → Menor que 1/k²: converge por comparação.
D: Σ k³/2ᵏ → Teste da razão: L = 1/2 < 1, converge.

A resposta

A: Σ k/(k + 1)

Resposta

A: Σ k/(k + 1)
4.Sequências e séries

Resposta: |R₃| = 0,004294

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 = e0,5 = 1,649

Cota de Lagrange

|R₃| ≤ 1,649·0,5⁴/4! = 0,004294

Resposta

|R₃| = 0,004294

O erro verdadeiro é menor: |f(0,5) − P₃(0,5)| = 0,002888.

5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: Duf = 15,81

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.

Gradiente no ponto

fx = y + 6x² → fx(1, 3) = 9
fy = x + 4y → fy(1, 3) = 13

Vetor unitário

|v| = √(2² + 3²) = 3,606
u = (0,5547, 0,8321)

Produto escalar

Duf = 9·0,5547 + 13·0,8321 = 15,81

Resposta

Duf = 15,81
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 2,667

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).

Interseções

x² = 2x → x = 0, x = 2

Integral interna

∫x²2x xy dy = x·(4x² − x⁴)/2

Integral externa

I = ∫02 (4x³ − x⁵)/2 dx = 2,667

Resposta

I = 2,667
7.Equações diferenciais

Resposta: T = 317,9 °C

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.

Solução da lei de resfriamento

T(t) = 26 + 394·e−0,02t

Substituir t

T(15) = 26 + 394·0,7408 = 317,9 °C

Resposta

T = 317,9 °C
8.Equações diferenciais

Resposta: t = 48,16 min

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.

Resultado

m(t) = 40 + (−20)·e−t/40

Resolver para t

e−t/40 = (40 − 34)/(40 − 20) = 0,3
t = 40·ln(3,333) = 48,16 min

Resposta

t = 48,16 min

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