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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 84 °C é deixada em uma sala a 21 °C. Após 23 min sua temperatura é 25 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 84 °CTa = 21 °CT(23) = 25 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 3y/x = 5 para x > 0, com y(1) = 2. Encontre y(2).
y′ + 3y/x = 5y(1) = 2
y(2) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.
A = [−5 3 5; −3 0 5; 3 −1 −2]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Resolva o sistema 3x − y = 8 e −x + 2y = −6. Calcule x.
3x − y = 8−x + 2y = −6
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre a projeção escalar compb a de a = (−6, −5, −6) sobre b = (−1, 1, −1), isto é, a componente de a na direção de b.
a = (−6, −5, −6)b = (−1, 1, −1)
compb a =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Uma força F = (−10, −20, 40) N atua no ponto A(−2, −3, 2). As coordenadas estão em metros. Encontre o módulo |M| do momento da força em relação a a origem O(0, 0, 0).
F = (−10, −20, 40) NA(−2, −3, 2) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫01 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 1]
I =
8.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
Para f(x, y) = 2xe0,5y, encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (−1, −1), isto é, |∇f|.
f(x, y) = 2xe0,5yP = (−1, −1)
|∇f| =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
f(x, y) = x³ − 27x + y² + 4y tem um ponto crítico em (3, −2). Calcule ali o discriminante D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ − 27x + y² + 4yP = (3, −2)
D =
11.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.
A: Σ 1/√kB: Σ 3ᵏ/k!C: Σ (1 + 1/k)ᵏD: Σ k!/3ᵏ
1A: Σ 1/√k
2B: Σ 3ᵏ/k!
3C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4D: Σ k!/3ᵏ
12.Sequências e sériesDifícil
Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,2ᵏ/k.
ak = (−1)k+1·0,2ᵏ/k
S =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 6)) por frações parciais e calcule f(0,25).
F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 15u, com entrada u(t) e saída y(t). Encontre sua função de transferência G(s) = Y(s)/U(s) (condições iniciais nulas) e calcule a resposta ao impulso g(t) em t = 0,3 s. Encontre g(0,3).
y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 15ut = 0,3 s
g(0.3) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
A entrada x(t) = 2·e−2tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−5tu(t). Encontre a saída y(2) em t = 2 s.
x(t) = 2·e−2tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
A entrada x(t) = 5·cos(3t) é aplicada a um sistema com h(t) = 2·e−2tu(t). Encontre a amplitude Ym da saída em regime permanente.
h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 5cos(3t)
Ym =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,1199 min⁻¹
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.
Razão das diferenças de temperatura
e−23k = 4/63
Resolver para k
k = ln(63/4)/23 = 0,1199 min⁻¹
Resposta
k = 0,1199 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 2,594
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)′ = 5x3 → x3y = 5x4/4 + C
Condição inicial
2 = 5/4 + C → C = 0,75
Calcular
y(2) = (5·24/4 + 0,75)/23 = 2,594
Resposta
y(2) = 2,594
3.Matrizes e determinantes
Resposta: det A = 17
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 = 5, M₁₂ = −9, M₁₃ = 3
Desenvolvimento por cofatores
det A = (−5)·5 − 3·(−9) + 5·3 = 17
Resposta
det A = 17
4.Matrizes e determinantes
Resposta: x = 2
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 = 3·2 − (−1)·(−1) = 5
Substituir a coluna de x
det Aₓ = 8·2 − (−1)·(−6) = 10
x = 10/5 = 2
Resposta
x = 2
y = −2
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: compb a = 4,041
Produto escalar:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, um escalar. Ele dá o ângulo entre dois vetores, cos θ = a·b/(|a|·|b|), e é nulo quando eles são perpendiculares. A projeção escalar de a sobre b é a·b/|b|, e uma força constante F que atua ao longo de um deslocamento d realiza o trabalho W = F·d.
Produto escalar
a·b = (−6)·(−1) + (−5)·1 + (−6)·(−1) = 7
Comprimento de b
|b| = √((−1)² + 1² + (−1)²) = 1,732
Projeção escalar
compb a = a·b/|b| = 7/1,732 = 4,041
Resposta
compb a = 4,041
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: |M| = 100,5 N·m
Produto vetorial:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) é perpendicular aos dois vetores, e |a × b| = |a|·|b|·sin θ é a área do paralelogramo que eles formam (o triângulo tem metade dela). A ordem importa: b × a = −(a × b). O momento de uma força F aplicada no ponto A em relação ao ponto O é MO = r × F, com r = A − O.
Vetor de posição de O a A
r = A − O = (−2, −3, 2) − (0, 0, 0) = (−2, −3, 2) m
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.
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Resposta
I = 12,78
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: |∇f| = 1,356
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 = 2·e0,5y → fx(−1, −1) = 1,213
fy = xe0,5y → fy(−1, −1) = −0,6065
Comprimento do gradiente
|∇f| = √(1,213² + (−0,6065)²) = 1,356
Resposta
|∇f| = 1,356
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: D = 36
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 = 18, fyy = 2, fxy = 0
Discriminante
D = 18·2 − 0² = 36
→ mínimo local
Resposta
D = 36
11.Sequências e séries
Resposta: B: Σ 3ᵏ/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 1/√k → Série-p com p = 1/2 ≤ 1: diverge.
B: Σ 3ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, converge.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Os termos tendem a e, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
D: Σ k!/3ᵏ → Teste da razão: L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
A resposta
B: Σ 3ᵏ/k!
Resposta
B: Σ 3ᵏ/k!
12.Sequências e séries
Resposta: S = 0,1823
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)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)
Substituir
x = 0,2
S = ln 1,2 = 0,1823
Resposta
S = 0,1823
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.25) = 0,6424
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).
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).
Função de transferência
G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 15)/(s² + 6s + 8)
Frações parciais
s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 4,5, B = −1,5
Resposta ao impulso
g(t) = 4,5·e−2t − 1,5·e−4t
g(0,3) = 2,018
Resposta
g(0,3) = 2,018
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: y(2) = 0,01218
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).
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)|.