Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.
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 peça de aço forjado a 380 °C é deixada esfriando em uma oficina a 22 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,02 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 16 min.
T0 = 380 °CTa = 22 °Ck = 0,02 min⁻¹t = 16 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 1000 L de água na qual estão dissolvidos 20 kg de sal. Salmoura com 0,25 kg de sal por litro entra a 10 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Quanto sal m há no tanque após 85 min?
V = 1000 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.Matrizes e determinantesMédia
Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c21 (linha 2, coluna 1).
A = [4 −3; 4 −3]B = [−5 2; −2 5]
c21 =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Resolva o sistema x − 2y = 10 e 5x + 5y = −10. Calcule x.
x − 2y = 105x + 5y = −10
x =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre o ângulo θ entre os vetores a = (2, 1, −1) e b = (2, 5, −3), em graus.
a = (2, 1, −1)b = (2, 5, −3)
θ = °
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Encontre a área A do paralelogramo formado por a = (−4, −3, −2) e b = (6, 1, −5).
a = (−4, −3, −2)b = (6, 1, −5)
A =
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
8.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
z = 2y·e−xy com x = −t e y = t² + 2. Use a regra da cadeia para encontrar dz/dt em t = 0.
z = 2y·e−xyx = −ty = t² + 2t = 0
dz/dt =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
f(x, y) = 2x² + 3xy + y² + 10x + 7y + 2 tem um ponto crítico em (−1, −2). Calcule ali o discriminante D = fxxfyy − fxy².
Encontre o raio de convergência R da série de potências Σk=1∞ 3ᵏ·(x − 1)ᵏ/(k + 1).
Σ 3ᵏ·(x − 1)ᵏ/(k + 1)x₀ = 1
R =
12.Sequências e sériesDifícil
Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,25ᵏ/k.
ak = (−1)k+1·0,25ᵏ/k
S =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (5s + 36)/(s² + 2s + 37) completando o quadrado e calcule f(0,3).
F(s) = (5s + 36)/(s² + 2s + 37)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t), com y(0) = 5 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 1. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,5).
O pulso x(t) = 1 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com h(t) = e−4tu(t). Encontre a saída y(3,5) em t = 3,5 s, depois que o pulso terminou.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−4tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Um sistema obedece a y′(t) + 10·y(t) = 5·x(t). Encontre sua resposta ao impulso em t = 0,25 s, h(0,25).
y′ + 10y = 5xt = 0,25 s
h(0.25) =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 282 °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) = 22 + 358·e−0,02t
Substituir t
T(16) = 22 + 358·0,7261 = 282 °C
Resposta
T = 282 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: m = 151,7 kg
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.
Montar a equação
dm/dt = 10·0,25 − (10/1000)·m = 2,5 − 0,01·m
Resolva
O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.
m(t) = 250 + (−230)·e−t/100
Substituir t
m(85) = 250 + (−230)·0,4274 = 151,7 kg
Resposta
m = 151,7 kg
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 = 4·(−5) + (−3)·(−2) = −14
Resposta
c21 = −14
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 = 1·5 − (−2)·5 = 15
Substituir a coluna de x
det Aₓ = 10·5 − (−2)·(−10) = 30
x = 30/15 = 2
Resposta
x = 2
y = −4
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: θ = 37,37 °
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 = 2·2 + 1·5 + (−1)·(−3) = 12
Módulos
|a| = √(2² + 1² + (−1)²) = 2,449
|b| = √(2² + 5² + (−3)²) = 6,164
Ângulo
cos θ = 12/(2,449·6,164) = 0,7947
θ = arccos(0,7947) = 37,37°
Resposta
θ = 37,37°
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: A = 38,85
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.
Produto vetorial
(a × b)x = aybz − azby = (−3)·(−5) − (−2)·1 = 17
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·6 − (−4)·(−5) = −32
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·1 − (−3)·6 = 14
Área
A = |a × b| = √(17² + (−32)² + 14²) = 38,85
Resposta
A = 38,85
7.Integrais
Resposta: I = 0,6363
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 = 5,333
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
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Integrar superior menos inferior
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Resposta
A = 5,333
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: dz/dt = 8
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(0) = 0, y(0) = 2
dx/dt = −1, dy/dt = 2t = 0
Derivadas parciais
fx = −2y²e−xy = −8
fy = 2e−xy(1 − xy) = 2
Regra da cadeia
dz/dt = (−8)·(−1) + 2·0 = 8
Resposta
dz/dt = 8
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: D = −1
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 = 4, fyy = 2, fxy = 3
Discriminante
D = 4·2 − 3² = −1
→ ponto de sela
Resposta
D = −1
11.Sequências e séries
Resposta: R = 0,3333
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.
Coeficientes
ck/ck+1 = (1/3)·(k + 2)/(k + 1) → 0,3333
Raio
R = 0,3333
Resposta
R = 0,3333
O teste da razão nada diz nos dois extremos; eles precisam ser verificados separadamente.
12.Sequências e séries
Resposta: S = 0,2231
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 = 0,25
S = ln 1,25 = 0,2231
Resposta
S = 0,2231
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.3) = 2,886
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).
Transforme a equação
(s² + 6s + 8)·Y(s) = 5s + 30 + 32/s
Y(s) = (5s² + 30s + 32)/(s(s + 2)(s + 4))
Frações parciais
A = 32/(2·4) = 4
B = −8/((−2)·2) = 2
C = −8/((−4)·(−2)) = −1
Resultado
y(t) = 4 + 2·e−2t − e−4t
y(0,5) = 4,6
Resposta
y(0,5) = 4,6
Verificação: y(0) = A + B + C = 5.
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: y(3.5) = 0,0006195
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).
Saída no fim do pulso
y(2) = (1/4)(1 − e−8) = 0,2499
Decaimento depois do pulso
y(3,5) = 0,2499·e−4·1,5 = 0,0006195
Resposta
y(3,5) = 0,0006195
16.Convolução e sistemas LIT
Resposta: h(0.25) = 0,4104
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)|.