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
xy01

Calcule I = ∫01 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 1]
I =
2.IntegraisDifícil
xy0,5y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ 5/kk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

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

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

f(x) = sin xn = 3x = 0,3M = 1
|R₃| =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy−202−4−202PQ

Para f(x, y) = ln(x² + y²), encontre a derivada direcional Duf em P(0,5, 0,5) na direção de Q(−2,5, −3,5).

f(x, y) = ln(x² + y²)P = (0,5, 0,5)Q = (−2,5, −3,5)
Duf =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyy = 0,8y = x0,80,8

A integral I = ∫00,8 ∫x0,8 cos(y²) dy dx não pode ser calculada nesta ordem. Inverta a ordem de integração e calcule-a.

f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)21Ta​T = ?

Uma lata de refrigerante a 4 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 25 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,05 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 21 min.

T0 = 4 °CTa = 25 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 21 min
T = °C
8.Equações diferenciaisDifícil
xy12(1, −1)y(2) = ?

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

y′ + 3y/x = 2y(1) = −1
y(2) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 0,7869

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) = e−0,5x/(−0,5)

Avaliar nos limites

I = (e−0,5 − 1)/(−0,5) = (0,6065 − 1)/(−0,5) = 0,7869

Resposta

I = 0,7869
2.Integrais

Resposta: I = 0,0609

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

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Resposta

I = 0,0609
3.Sequências e séries

Resposta: C: Σ 2ᵏ/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 (4/3)ᵏ → Geométrica com r = 4/3 > 1: os termos crescem, então 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 2ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ 5/k → Um múltiplo da série harmônica (p = 1): diverge.

A resposta

C: Σ 2ᵏ/k!

Resposta

C: Σ 2ᵏ/k!
4.Sequências e séries

Resposta: |R₃| = 0,0003375

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

|R₃| ≤ 1·0,3⁴/4! = 0,0003375

Resposta

|R₃| = 0,0003375

O erro verdadeiro é menor: |f(0,3) − P₃(0,3)| = 2,021 × 10⁻⁵.

5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: Duf = −2,8

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 = 2x/(x² + y²) → fx(0,5, 0,5) = 2
fy = 2y/(x² + y²) → fy(0,5, 0,5) = 2

Vetor unitário

|v| = √((−3)² + (−4)²) = 5
u = (−0,6, −0,8)

Produto escalar

Duf = 2·(−0,6) + 2·(−0,8) = −2,8

Resposta

Duf = −2,8
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 0,2986

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).

Região

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 0,8

Ordem invertida

I = ∫00,8 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫00,8 y·cos(y²) dy

Substituição u = y²

I = [sin(y²)/2]00,8 = 0,2986

Resposta

I = 0,2986
7.Equações diferenciais

Resposta: T = 17,65 °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) = 25 + (−21)·e−0,05t

Substituir t

T(21) = 25 + (−21)·0,3499 = 17,65 °C

Resposta

T = 17,65 °C
8.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 0,8125

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∫3/x dx = x3

Integrar

(x3y)′ = 2x3 → x3y = 2x4/4 + C

Condição inicial

−1 = 2/4 + C → C = −1,5

Calcular

y(2) = (2·24/4 + (−1,5))/23 = 0,8125

Resposta

y(2) = 0,8125

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