Cálculo 2: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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
xy03

Calcule I = ∫03 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 3]
I =
2.IntegraisDifícil
xy3y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 1/k⁴k = 1 … ∞CΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.

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

Encontre o coeficiente c₃ de (x − 4)³ na série de Taylor de f(x) = ln x em torno de a = 4.

f(x) = ln xa = 4k = 3
c₃ =
5.Cálculo de várias variáveisMédia

z = 5x²y² − 5x² + 2y³ + 4xy com x = −3t − 2 e y = −2t² + 1. Use a regra da cadeia para encontrar dz/dt em t = 0.

z = 5x²y² − 5x² + 2y³ + 4xyx = −3t − 2y = −2t² + 1t = 0
dz/dt =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xyy = xy = x²11

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

y = x²y = xf = x
I =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)16Ta​T = ?

Uma peça de aço forjado a 360 °C é deixada esfriando em uma oficina a 29 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,04 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 16 min.

T0 = 360 °CTa = 29 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 16 min
T = °C
8.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 10y(1) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 13y = 0 com y(0) = 10 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1); ângulos em radianos.

y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(1) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = 6,963

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) = e0,5x/0,5

Avaliar nos limites

I = (e1,5 − 1)/0,5 = (4,482 − 1)/0,5 = 6,963

Resposta

I = 6,963
2.Integrais

Resposta: I = 98,43

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

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Resposta

I = 98,43
3.Sequências e séries

Resposta: D: Σ 3ᵏ/k³

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 (−1)ᵏ/√k → Alternada, com 1/√k decrescendo a 0: converge (condicionalmente).
B: Σ 1/k⁴ → Série-p com p = 4 > 1: converge.
C: Σ (1/3)ᵏ → Geométrica com r = 1/3, |r| < 1: converge.
D: Σ 3ᵏ/k³ → Teste da razão: L = 3 > 1, diverge.

A resposta

D: Σ 3ᵏ/k³

Resposta

D: Σ 3ᵏ/k³
4.Sequências e séries

Resposta: c₃ = 0,005208

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.

Derivada f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 2/x³

Coeficiente

c₃ = f⁽³⁾(4)/3! = 2/(4³·6) = 0,005208
c₃ = 0,005208

Resposta

c₃ = 0,005208
5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: dz/dt = −12

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.

Ponto e taxas

x(0) = −2, y(0) = 1
dx/dt = −3, dy/dt = −4t = 0

Derivadas parciais

fx = 10xy² − 10x + 4y = 4
fy = 10x²y + 6y² + 4x = 38

Regra da cadeia

dz/dt = 4·(−3) + 38·0 = −12

Resposta

dz/dt = −12
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: I = 0,08333

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 = x → x = 0, x = 1

Integral interna

∫x²x x dy = x(x − x²) = x² − x³

Integral externa

I = ∫01 (x² − x³) dx = 0,08333

Resposta

I = 0,08333
7.Equações diferenciais

Resposta: T = 203,5 °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) = 29 + 331·e−0,04t

Substituir t

T(16) = 29 + 331·0,5273 = 203,5 °C

Resposta

T = 203,5 °C
8.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = −1,212

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 complexas

r = −2 ± 3j

Constantes

A = 10, B = 2·10/3 = 6,667

Calcular

y(1) = e−2(10·cos 3 + 6,667·sin 3) = −1,212

Resposta

y(1) = −1,212

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2