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
xy12,5y = x ln x

Calcule I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
2.IntegraisDifícil
xy1,5y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ k/5ᵏk = 1 … ∞BΣ k/(k + 1)k = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ k/5ᵏB: Σ k/(k + 1)C: Σ (5/4)ᵏD: Σ 3ᵏ/k³
  1. 1A: Σ k/5ᵏ
  2. 2B: Σ k/(k + 1)
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ 3ᵏ/k³
4.Sequências e sériesDifícil

f(x) = sin x é aproximada em x = 0,5 pelo seu polinômio de Maclaurin de grau n. Com a cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 1, encontre o menor grau n que garante um erro abaixo de 0,001.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,001
n =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy10,5P

O plano tangente a z = ln(x² + 4y²) no ponto onde (x, y) = (1, 0,5) pode ser escrito como z = px + qy + c. Encontre c.

f(x, y) = ln(x² + 4y²)(a, b) = (1, 0,5)
c =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyx = 1y = x11

Calcule I = ∬T (2x − y) dA sobre o triângulo T limitado por y = 0, x = 1 e y = x.

f = 2x − y0 ≤ x ≤ 10 ≤ y ≤ x
I =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)12Ta​19 °C23 °C

Uma lata de refrigerante a 4 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 29 °C. Após 12 min sua temperatura é 19 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 23 °C?

T0 = 4 °CTa = 29 °CT(12) = 19 °CT = 23 °C
t = min
8.Equações diferenciaisDifícil
ty0,5y(0,5) = ?

Resolva y′ + y = 6e−0,5t com y(0) = 2. Encontre y(0,5).

y′ + y = 6e−0,5ty(0) = 2
y(0.5) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 1,551

Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.

Escolha u e dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limites

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Resposta

I = 1,551
2.Integrais

Resposta: I = 3,602

Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.

Primeira rodada

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Segunda rodada

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limites

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Resposta

I = 3,602
3.Sequências e séries

Resposta: A: Σ k/5ᵏ

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/5ᵏ → Teste da razão: L = 1/5 < 1, converge.
B: Σ k/(k + 1) → Os termos tendem a 1, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
C: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica com r = 5/4 > 1: os termos crescem, então diverge.
D: Σ 3ᵏ/k³ → Teste da razão: L = 3 > 1, diverge.

A resposta

A: Σ k/5ᵏ

Resposta

A: Σ k/5ᵏ
4.Sequências e séries

Resposta: n = 4

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)!cota010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

Cotas para n crescente

n = 3: 0,002604 ≥ 0,001
n = 4: 0,0002604 < 0,001

Menor grau

n = 4

Resposta

n = 4
5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: c = −1,307

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.

Valor e inclinações no ponto

f(1, 0,5) = 0,6931
fx = 2x/(x² + 4y²) → fx(1, 0,5) = 1
fy = 8y/(x² + 4y²) → fy(1, 0,5) = 2

Plano tangente

z = 0,6931 + 1(x − 1) + 2(y − 0,5)
z = x + 2y − 1,307

Termo constante

c = −1,307

Resposta

c = −1,307
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 0,5

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 ≤ 1, 0 ≤ y ≤ x

Integral interna

∫0x (2x − y) dy = 2x·x − (x)²/2 = 1,5x²

Integral externa

I = 1,5·1³/3 = 0,5

Resposta

I = 0,5
7.Equações diferenciais

Resposta: t = 18,69 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.

Constante de resfriamento

k = ln(-25/-10)/12 = 0,07636 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(-25/(−6))/0,07636 = 18,69 min

Resposta

t = 18,69 min
8.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 3,28

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 = et
(ety)′ = 6e0,5t

Solução geral

y = 6/0,5·e−0,5t + C·e−t = 12·e−0,5t + C·e−t

Condição inicial

2 = 12 + C → C = −10

Calcular

y(0,5) = 12·0,7788 + (−10)·0,6065 = 3,28

Resposta

y(0,5) = 3,28

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