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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 90 °C é deixada em uma sala a 18 °C. Após 8 min sua temperatura é 53 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 68 °C?
T0 = 90 °CTa = 18 °CT(8) = 53 °CT = 68 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 4 para x > 0, com y(1) = −1. Encontre y(2).
y′ + y/x = 4y(1) = −1
y(2) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c21 (linha 2, coluna 1).
A = [0 −1; −6 4]B = [1 −1; 5 0]
c21 =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Resolva o sistema −3x + 3y = 1 e 6x − 3y = −11. Calcule x.
−3x + 3y = 16x − 3y = −11
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre a projeção escalar compb a de a = (0, −7, −6) sobre b = (3, −5, 5), isto é, a componente de a na direção de b.
a = (0, −7, −6)b = (3, −5, 5)
compb a =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Uma força F = (20, −20, −40) N atua no ponto A(−4, −2, −4). As coordenadas estão em metros. Encontre a componente z Mz do momento da força em relação a a origem O(0, 0, 0).
F = (20, −20, −40) NA(−4, −2, −4) mO(0, 0, 0) m
Mz = N·m
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 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) = 3y·e−xy, encontre a taxa máxima de variação de f no ponto (−1, 1), isto é, |∇f|.
f(x, y) = 3y·e−xyP = (−1, 1)
|∇f| =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
Encontre os pontos críticos de f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy, classifique-os e dê o valor fmin de f no seu mínimo local.
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
11.Sequências e sériesMédia
Encontre a soma S = Σk=1∞ 3/(k(k + 2)).
ak = 3/(k(k + 2))
S =
12.Sequências e sériesDifícil
Encontre o coeficiente c₃ de (x − 2)³ na série de Taylor de f(x) = ln x em torno de a = 2.
f(x) = ln xa = 2k = 3
c₃ =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (3s + 23)/(s² + 8s + 16) e calcule f(0,5).
F(s) = (3s + 23)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t), com y(0) = 5 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 4. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,25).
A entrada x(t) = 4·e−5tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−2tu(t). Encontre a saída y(1) em t = 1 s.
x(t) = 4·e−5tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Um trem de pulsos tem altura 4, largura de pulso 6 ms e período 20 ms. Encontre a amplitude c3 do harmônico de número 3, em 150 Hz.
A = 4τ = 6 msT = 20 ms
c3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 4,044 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(72/35)/8 = 0,09016 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(72/50)/0,09016 = 4,044 min
Resposta
t = 4,044 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 2,5
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∫1/x dx = x1
Integrar
(x1y)′ = 4x → x1y = 4x2/2 + C
Condição inicial
−1 = 4/2 + C → C = −3
Calcular
y(2) = (4·22/2 + (−3))/21 = 2,5
Resposta
y(2) = 2,5
3.Matrizes e determinantes
Resposta: c21 = 14
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
c21 = (−6)·1 + 4·5 = 14
Resposta
c21 = 14
4.Matrizes e determinantes
Resposta: x = −3,333
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 = (−3)·(−3) − 3·6 = −9
Substituir a coluna de x
det Aₓ = 1·(−3) − 3·(−11) = 30
x = 30/(−9) = −3,333
Resposta
x = −3,333
y = −3
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: compb a = 0,6509
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 = 0·3 + (−7)·(−5) + (−6)·5 = 5
Comprimento de b
|b| = √(3² + (−5)² + 5²) = 7,681
Projeção escalar
compb a = a·b/|b| = 5/7,681 = 0,6509
Resposta
compb a = 0,6509
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: Mz = 120 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 = (−4, −2, −4) − (0, 0, 0) = (−4, −2, −4) 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
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Resposta
I = 1,551
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| = 18,23
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 = −3y²e−xy → fx(−1, 1) = −8,155
fy = 3e−xy(1 − xy) → fy(−1, 1) = 16,31
Comprimento do gradiente
|∇f| = √((−8,155)² + 16,31²) = 18,23
Resposta
|∇f| = 18,23
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: fmin = −32
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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)
Teste da segunda derivada
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → ponto de sela
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → mínimo local
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → mínimo local
Valor no extremo
f(−2, −2) = −32
Resposta
fmin = −32
11.Sequências e séries
Resposta: S = 2,25
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 + 2)) = (3/2)·(1/k − 1/(k + 2))
Cancelar
S = (3/2)·(1 + 1/2) = 2,25
Resposta
S = 2,25
12.Sequências e séries
Resposta: c₃ = 0,04167
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⁾(2)/3! = 2/(2³·6) = 0,04167
c₃ = 0,04167
Resposta
c₃ = 0,04167
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.5) = 1,15
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
Frações parciais
3s + 23 = 3(s + 4) + 11
F(s) = 3/(s + 4) + 11/(s + 4)²
Transformada inversa
f(t) = 3·e−4t + 11·t·e−4t
f(0,5) = (3 + 11·0,5)·e−4·0,5 = 1,15
Resposta
f(0,5) = 1,15
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.25) = 8,373
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
(s² + 9s + 20)·Y(s) = 5s + 45 + 320/s
Y(s) = (5s² + 45s + 320)/(s(s + 4)(s + 5))
Frações parciais
A = 320/(4·5) = 16
B = 220/((−4)·1) = −55
C = 220/((−5)·(−1)) = 44
Resultado
y(t) = 16 − 55·e−4t + 44·e−5t
y(0,25) = 8,373
Resposta
y(0,25) = 8,373
Verificação: y(0) = A + B + C = 5.
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: y(1) = 0,1715
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)|.