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1Fórmulas e métodos
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
Matrizes e determinantes
determinante 2×2
det = ad − bc
Inversa 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produto
(AB)ij = Σk AikBkj
Valores próprios
det(A − λI) = 0
Regra de Cramer
xi = det(Ai)/det(A)
Vetores: produto escalar e vetorial
Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vetor unitário
û = a/|a|
Componentes a partir de um ângulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Produto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Projeção escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabalho
W = F·d
Produto vetorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triângulo ½|a × b|
Momento em relação a O
MO = r × F, r = A − O
Volume de um paralelepípedo
V = |a·(b × c)|
Método
Escreva todo vetor em componentes; para uma força dada por um módulo e um ângulo, use F·cos θ e F·sin θ.
Para comprimentos e direções use o módulo √(x² + y² + z²) e o vetor unitário a/|a|.
Use o produto escalar para ângulos, projeções, perpendicularidade e trabalho: a·b = |a||b|cos θ.
Use o produto vetorial para vetores perpendiculares, áreas e momentos: escreva as três componentes com cuidado, mantendo a ordem a × b.
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
Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
Para uma integral definida, calcule F(b) − F(a).
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
Para uma derivada parcial, trate a outra variável como constante e use as regras de uma variável.
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.
Para extremos resolva fx = 0 e fy = 0 juntos e depois classifique cada ponto com D = fxx·fyy − fxy².
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.
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
Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
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.
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.
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)!.
Convolução e sistemas LIT
Convolução discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolução contínua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Comprimento e soma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Início, fim e área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Degrau em e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primeira ordem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursão de primeira ordem
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Senoide por h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes da série de Fourier
quadrada ±A: 4A/(kπ), k ímpar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k ímpar; trem de pulsos: A·D e (2A/(kπ))|sen kπD|
Método
Esboce os dois sinais e marque onde cada um é não nulo.
Inverta h e deslize-a: para cada instante de saída, encontre a faixa em que os dois sinais se sobrepõem.
Multiplique e some (discreto) ou multiplique e integre (contínuo) somente sobre essa sobreposição.
Confira o resultado: a saída começa na soma dos instantes iniciais, termina na soma dos instantes finais, e sua área ou soma é o produto das áreas ou somas das entradas.
2Exercícios
1.Equações diferenciaisMédia
Uma xícara de café a 82 °C é deixada em uma sala a 21 °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 7 min.
T0 = 82 °CTa = 21 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 7 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 4y′ + 29y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,75); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.
A = [−5 −3 −2; 3 3 −5; 0 4 4]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Resolva o sistema −2x − y = 5 e −x + y = −1. Calcule x.
−2x − y = 5−x + y = −1
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre o ângulo θ entre os vetores a = (−6, 4, −6) e b = (−4, 0, −6), em graus.
a = (−6, 4, −6)b = (−4, 0, −6)
θ = °
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Uma força F = (30, 60, −60) N atua no ponto A(−2, 0, 0). As coordenadas estão em metros. Encontre a componente x Mx do momento da força em relação a o ponto O(−3, −1, −3).
F = (30, 60, −60) NA(−2, 0, 0) mO(−3, −1, −3) m
Mx = N·m
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
8.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 9 − x² e o eixo x.
y = 9 − x²
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
Para f(x, y) = 3x²y² − x³ − 4xy, encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (2, 3), isto é, |∇f|.
f(x, y) = 3x²y² − x³ − 4xyP = (2, 3)
|∇f| =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
Encontre os pontos críticos de f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 6y, classifique-os e dê o valor fmax de f no seu máximo local.
f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 6y
fmax =
11.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.
Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·22k/(2k)!
S =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 1) e calcule f(0,6).
F(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 1)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 5y′ + 6y = 9·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 2 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,6).
O pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 4 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 2 em t = 0 até 0 em t = 1 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 2, h(1) = 0
Ay =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Uma onda quadrada comuta entre +3 e −3 com período T = 1 ms (meio período em cada nível). Encontre a amplitude c3 da sua componente de Fourier em 3000 Hz.
±3T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 67,1 °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) = 21 + 61·e−0,04t
Substituir t
T(7) = 21 + 61·0,7558 = 67,1 °C
Resposta
T = 67,1 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.75) = −0,2341
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.
Matrizes: o determinante de uma matriz 2×2 é ad − bc. Numa 3×3, desenvolva por uma linha: cada elemento vezes o determinante da 2×2 que resta ao tirar a sua linha e coluna, com sinais alternados + − +. Os valores próprios λ resolvem det(A − λI) = 0; numa 2×2 é λ² − (traço)·λ + det = 0.
Menores 2×2 da primeira linha
M₁₁ = 32, M₁₂ = 12, M₁₃ = 12
Desenvolvimento por cofatores
det A = (−5)·32 − (−3)·12 + (−2)·12 = −148
Resposta
det A = −148
4.Matrizes e determinantes
Resposta: x = −1,333
Matrizes: o determinante de uma matriz 2×2 é ad − bc. Numa 3×3, desenvolva por uma linha: cada elemento vezes o determinante da 2×2 que resta ao tirar a sua linha e coluna, com sinais alternados + − +. Os valores próprios λ resolvem det(A − λI) = 0; numa 2×2 é λ² − (traço)·λ + det = 0.
Determinante da matriz dos coeficientes
det A = (−2)·1 − (−1)·(−1) = −3
Substituir a coluna de x
det Aₓ = 5·1 − (−1)·(−1) = 4
x = 4/(−3) = −1,333
Resposta
x = −1,333
y = −2,333
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: θ = 27,51 °
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
Produto escalar
a·b = (−6)·(−4) + 4·0 + (−6)·(−6) = 60
Módulos
|a| = √((−6)² + 4² + (−6)²) = 9,381
|b| = √((−4)² + 0² + (−6)²) = 7,211
Ângulo
cos θ = 60/(9,381·7,211) = 0,887
θ = arccos(0,887) = 27,51°
Resposta
θ = 27,51°
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: Mx = −240 N·m
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
Vetor de posição de O a A
r = A − O = (−2, 0, 0) − (−3, −1, −3) = (1, 1, 3) m
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
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Resposta
I = 0,6363
8.Integrais
Resposta: A = 36
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.
Zeros
9 − x² = 0 → x = ±3
Integrar
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Resposta
A = 36
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: |∇f| = 105,6
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 − 3x² − 4y → fx(2, 3) = 84
fy = 6x²y − 4x → fy(2, 3) = 64
Comprimento do gradiente
|∇f| = √(84² + 64²) = 105,6
Resposta
|∇f| = 105,6
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: fmax = 11
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).
Pontos críticos
Resolva fx = 0 e fy = 0 juntos.
fx = −(3x² − 3) = 0
fy = −(2y − 6) = 0
(1, 3), (−1, 3)
Teste da segunda derivada
(1, 3): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → máximo local
(−1, 3): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → ponto de sela
Valor no extremo
f(1, 3) = 11
Resposta
fmax = 11
11.Sequências e séries
Resposta: B: Σ (k + 3)/k²
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 3ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, converge.
B: Σ (k + 3)/k² → Comporta-se como 1/k para k grande: diverge por comparação com a série harmônica.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternada, com 1/k decrescendo a 0: converge (condicionalmente).
D: Σ 1/(2ᵏ + k) → Menor que (1/2)ᵏ, uma série geométrica convergente: converge por comparação.
A resposta
B: Σ (k + 3)/k²
Resposta
B: Σ (k + 3)/k²
12.Sequências e séries
Resposta: S = −0,4161
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.
Séries padrão
Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x
Substituir
x = 2
S = cos 2 = −0,4161
Resposta
S = −0,4161
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.6) = 2,964
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Fatore o denominador
s² + 2s + 1 = (s + 1)²
Frações parciais
3s + 7 = 3(s + 1) + 4
F(s) = 3/(s + 1) + 4/(s + 1)²
Transformada inversa
f(t) = 3·e−t + 4·t·e−t
f(0,6) = (3 + 4·0,6)·e−0,6 = 2,964
Resposta
f(0,6) = 2,964
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.6) = 1,281
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transforme a equação
Y(s) = 18/(s(s + 2)(s + 3))
Frações parciais
A = 18/(2·3) = 3
B = 18/((−2)·1) = −9
C = 18/((−3)·(−1)) = 6
Saídas
y(t) = 3 − 9·e−2t + 6·e−3t
y(0,6) = 1,281
Resposta
y(0,6) = 1,281
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ay = 20
Convolução contínua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Inverta h, deslize-a até a posição t e integre o produto das partes sobrepostas. Para sinais causais a integral vai de 0 a t. Resultados úteis: a área de y é a área de x vezes a área de h; se x dura de t₁ a t₂ e h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) e um degrau de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Áreas das entradas
∫x dt = 5·4 = 20
∫h dt = ½·1·2 = 1
Área da saída
Ay = 20·1 = 20
Resposta
Ay = 20
16.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c3 = 1,273
Resposta ao impulso e série de Fourier: a resposta ao impulso h(t) descreve completamente um sistema LIT: para y′ + a·y = b·x ela é h(t) = b·e−atu(t), e para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ela é h[n] = b·aⁿu[n]. Uma senoide cos ωt passa com ganho |H(jω)| e fase ∠H(jω), onde H é a transformada de Fourier de h. Um sinal periódico é uma soma de harmônicos em k/T: uma onda quadrada de ±A tem apenas harmônicos ímpares com amplitudes 4A/(kπ), uma onda triangular de pico A tem 8A/(π²k²), e um trem de pulsos de altura A e ciclo de trabalho D tem a média A·D e os harmônicos (2A/(kπ))·|sen(kπD)|.