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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 lata de refrigerante a 5 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 26 °C. Após 9 min sua temperatura é 14 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 22 °C?
T0 = 5 °CTa = 26 °CT(9) = 14 °CT = 22 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + y′ + 9,25y = 0 com y(0) = 10 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,75); ângulos em radianos.
y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c22 (linha 2, coluna 2).
A = [2 5; 1 2]B = [0 6; −4 2]
c22 =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Resolva o sistema x + 5y = 7 e −2x + 3y = −1. Calcule x.
x + 5y = 7−2x + 3y = −1
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre a projeção escalar compb a de a = (−7, 5, 0) sobre b = (1, 6, 0), isto é, a componente de a na direção de b.
a = (−7, 5, 0)b = (1, 6, 0)
compb a =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Uma força F = (−40, −30, −40) N atua no ponto A(3, 1, −3). As coordenadas estão em metros. Encontre a componente z Mz do momento da força em relação a a origem O(0, 0, 0).
F = (−40, −30, −40) NA(3, 1, −3) mO(0, 0, 0) m
Mz = N·m
7.IntegraisMédia
A região sob y = √(4x), de x = 0 até x = 4, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um paraboloide).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 4
V =
8.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = x2 e y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
z = 3 ln(x² + y²) com x = t − 2 e y = −2t² − 2. Use a regra da cadeia para encontrar dz/dt em t = 1.
z = 3 ln(x² + y²)x = t − 2y = −2t² − 2t = 1
dz/dt =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
Use coordenadas polares para calcular I = ∬R √(x² + y²) dA, em que R é o disco x² + y² ≤ 1.
f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.Sequências e sériesMédia
Encontre a soma S = Σk=1∞ 3/(k(k + 3)).
ak = 3/(k(k + 3))
S =
12.Sequências e sériesDifícil
Use o polinômio de Maclaurin de grau 2 de f(x) = ln(1 − x) para aproximar f(0,4). Dê P₂(0,4).
f(x) = ln(1 − x)n = 2x = 0,4
P₂(0.4) =
13.Transformadas de LaplaceMédia
F(s) = (s + 4)/(s² + 7s + 10). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−2t + B·e−5t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.
F(s) = (s + 4)/(s² + 7s + 10)
A =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 6y′ + 5y = 0 com y(0) = 7 e y′(0) = −11 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,5).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 7y′(0) = −11t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
A entrada x(t) = 2·e−2tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−1tu(t). Encontre a saída y(0,5) em t = 0,5 s.
x(t) = 2·e−2tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
A entrada x(t) = 10·cos(7,5t) é aplicada a um sistema com h(t) = 10·e−5tu(t). Encontre a fase φ da saída em regime permanente em relação à entrada, em graus.
h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 10cos(7,5t)
φ = °
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 26,67 min
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.
Constante de resfriamento
k = ln(-21/-12)/9 = 0,06218 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(-21/(−4))/0,06218 = 26,67 min
Resposta
t = 26,67 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.75) = −3,426
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.
Linha vezes coluna
c22 = 1·6 + 2·2 = 10
Resposta
c22 = 10
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 = 1·3 − 5·(−2) = 13
Substituir a coluna de x
det Aₓ = 7·3 − 5·(−1) = 26
x = 26/13 = 2
Resposta
x = 2
y = 1
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: compb a = 3,781
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 = (−7)·1 + 5·6 + 0·0 = 23
Comprimento de b
|b| = √(1² + 6² + 0²) = 6,083
Projeção escalar
compb a = a·b/|b| = 23/6,083 = 3,781
Resposta
compb a = 3,781
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: Mz = −50 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.
Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.
Método dos discos
V = π∫₀4 4x dx
Integrar
V = π·4·4²/2 = 100,5
Resposta
V = 100,5
8.Integrais
Resposta: A = 1,333
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.
Pontos de interseção
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Resposta
A = 1,333
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: dz/dt = 5,294
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(1) = −1, y(1) = −4
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = −4
Derivadas parciais
fx = 6x/(x² + y²) = −0,3529
fy = 6y/(x² + y²) = −1,412
Regra da cadeia
dz/dt = (−0,3529)·1 + (−1,412)·(−4) = 5,294
Resposta
dz/dt = 5,294
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 2,094
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).
Forma polar
I = ∫02π ∫01 r·r dr dθ
Integrar
∫ r·r dr = [r³/3]
I = 2,094
Resposta
I = 2,094
11.Sequências e séries
Resposta: S = 1,833
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.
Frações parciais
3/(k(k + 3)) = (3/3)·(1/k − 1/(k + 3))
Cancelar
S = (3/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 1,833
Resposta
S = 1,833
12.Sequências e séries
Resposta: P₂(0.4) = −0,48
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.
Polinômio de Maclaurin
P₂(x) = −x − 0,5x²
Substituir
P₂(0,4) = −0,4 − 0,08 = −0,48
Resposta
P₂(0,4) = −0,48
O valor exato é f(0,4) = −0,510826; o erro −0,0308256 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.
13.Transformadas de Laplace
Resposta: A = 0,6667
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 + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)
Regra de cobertura
Multiplique por (s + 2) e faça s = −2: o termo em B desaparece.
A = (s + 4)/(s + 5) |s = −2 = 2/3 = 0,6667
Resposta
A = 0,6667
(B = 0,3333, então f(t) = 0,6667·e−2t + 0,3333·e−5t)
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.5) = 3,721
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
s²Y − 7s − (−11) + 6(sY − 7) + 5Y = 0
Y(s) = (7s + 31)/((s + 1)(s + 5))
Frações parciais
A = 24/4 = 6
B = −4/(−4) = 1
Resultado
y(t) = 6·e−t + e−5t
y(0,5) = 3,721
Resposta
y(0,5) = 3,721
Verificação: y(0) = A + B = 7.
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: y(0.5) = 0,4773
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)|.