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
xyπy = x·cos x

Calcule I = ∫₀π x·cos x dx (x em radianos).

∫₀π x·cos x dx
I =
2.IntegraisDifícil
xy0,5y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

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

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

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

f(x) = ln(1 + x) é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 2 em x = 0,2. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = 2! = 2 para encontrar o maior erro possível |R₂|.

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = 0,2M = 2
|R₂| =
5.Cálculo de várias variáveisMédia
xy−23∇fP

Para f(x, y) = 3x²y² + 4x³ + y², encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (−2, 3), isto é, |∇f|.

f(x, y) = 3x²y² + 4x³ + y²P = (−2, 3)
|∇f| =
6.Cálculo de várias variáveisDifícil
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy tem um ponto crítico em (0, 0). Calcule ali o discriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xyP = (0, 0)
D =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 5y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 2. Encontre y(1,5).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
ty1y(1) = ?

Resolva y′ + 0,5y = 4e−3t com y(0) = 4. Encontre y(1).

y′ + 0,5y = 4e−3ty(0) = 4
y(1) =

3Soluções

1.Integrais

Resposta: I = −2

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Primitiva

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limites

(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2

Resposta

I = −2
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: D: 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 ln k / k → Maior que 1/k para k ≥ 3: diverge por comparação com a série harmônica.
B: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica com r = 5/4 > 1: os termos crescem, então diverge.
C: Σ 1/√k → Série-p com p = 1/2 ≤ 1: diverge.
D: Σ 2ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.

A resposta

D: Σ 2ᵏ/k!

Resposta

D: Σ 2ᵏ/k!
4.Sequências e séries

Resposta: |R₂| = 0,002667

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 = 2! = 2

Cota de Lagrange

|R₂| ≤ 2·0,2³/3! = 0,002667

Resposta

|R₂| = 0,002667

O erro verdadeiro é menor: |f(0,2) − P₂(0,2)| = 0,002322.

5.Cálculo de várias variáveis

Resposta: |∇f| = 98,41

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 + 12x² → fx(−2, 3) = −60
fy = 6x²y + 2y → fy(−2, 3) = 78

Comprimento do gradiente

|∇f| = √((−60)² + 78²) = 98,41

Resposta

|∇f| = 98,41
6.Cálculo de várias variáveis

Resposta: D = −256

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).

Derivadas segundas

fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16

Discriminante

D = 0·0 − (−16)² = −256
→ ponto de sela

Resposta

D = −256
7.Equações diferenciais

Resposta: y(1.5) = 1,505

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 = 5, −1A − 5B = 2
A = 6,75, B = −1,75

Calcular

y(1,5) = 6,75·e−1,5 + (−1,75)·e−7,5 = 1,505

Resposta

y(1,5) = 1,505
8.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 3,317

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 4e−2,5t

Solução geral

y = 4/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −1,6·e−3t + C·e−0,5t

Condição inicial

4 = −1,6 + C → C = 5,6

Calcular

y(1) = −1,6·0,04979 + 5,6·0,6065 = 3,317

Resposta

y(1) = 3,317

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