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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 95 °C é deixada em uma sala a 23 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,1 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 20 min.
T0 = 95 °CTa = 23 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 20 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 500 L de água na qual estão dissolvidos 20 kg de sal. Salmoura com 0,1 kg de sal por litro entra a 2 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Quanto sal m há no tanque após 20 min?
V = 500 Lm0 = 20 kgc = 0,1 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.Matrizes e determinantesMédia
Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c22 (linha 2, coluna 2).
A = [−1 −5; 0 5]B = [−3 6; 6 −5]
c22 =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.
A = [6 1; −7 −2]
λ =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre a projeção escalar compb a de a = (2, 3, 2) sobre b = (−4, −2, −6), isto é, a componente de a na direção de b.
a = (2, 3, 2)b = (−4, −2, −6)
compb a =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Encontre a área A do triângulo de vértices A(1, 2, 2), B(−1, 0, −1) e C(2, −2, 2). As coordenadas estão em metros.
A(1, 2, 2)B(−1, 0, −1)C(2, −2, 2)
A = m²
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
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
Para f(x, y) = xe2y, encontre a derivada direcional Duf em (1, 0) na direção de v = (4, −3).
f(x, y) = xe2yP = (1, 0)v = (4, −3)
Duf =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
Use coordenadas polares para calcular I = ∬R e−(x² + y²) dA, em que R é o quarto do disco x² + y² ≤ 4 no primeiro quadrante.
f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Sequências e sériesMédia
Encontre a soma S = Σk=1∞ 2/(k(k + 2)).
ak = 2/(k(k + 2))
S =
12.Sequências e sériesDifícil
f(x) = ln(1 + x) é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 2 em x = 0,3. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = 2! = 2 para encontrar o maior erro possível |R₂|.
f(x) = ln(1 + x)n = 2x = 0,3M = 2
|R₂| =
13.Transformadas de LaplaceMédia
F(s) = (2s + 37)/(s² + 12s + 32). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−4t + B·e−8t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.
F(s) = (2s + 37)/(s² + 12s + 32)
A =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 9y′ + 20y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 8 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,25).
y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 1y′(0) = 8t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
O pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 0.5 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com h(t) = e−1tu(t). Encontre a saída y(1,5) em t = 1,5 s, depois que o pulso terminou.
x(t) = 5, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Uma onda quadrada comuta entre 1 e 0 com período T = 1 ms (meio período em cada nível). Encontre a amplitude c1 da sua componente de Fourier em 1000 Hz.
0 … 1T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 32,74 °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) = 23 + 72·e−0,1t
Substituir t
T(20) = 23 + 72·0,1353 = 32,74 °C
Resposta
T = 32,74 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: m = 22,31 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 = 2·0,1 − (2/500)·m = 0,2 − 0,004·m
Resolva
O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.
m(t) = 50 + (−30)·e−t/250
Substituir t
m(20) = 50 + (−30)·0,9231 = 22,31 kg
Resposta
m = 22,31 kg
3.Matrizes e determinantes
Resposta: c22 = −25
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 = 0·6 + 5·(−5) = −25
Resposta
c22 = −25
4.Matrizes e determinantes
Resposta: λ = 5
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.
Equação característica
λ² − (4)λ + (−5) = 0
Resolva
λ = (4 ± √(36))/2 → λ = −1, 5
λ = 5
Resposta
λ = 5
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: compb a = −3,474
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·(−4) + 3·(−2) + 2·(−6) = −26
Comprimento de b
|b| = √((−4)² + (−2)² + (−6)²) = 7,483
Projeção escalar
compb a = a·b/|b| = −26/7,483 = −3,474
Resposta
compb a = −3,474
Negativa: a tem uma componente que aponta contra b.
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: A = 7,953 m²
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.
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.
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: Duf = −0,4
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.
Gradiente no ponto
fx = 1·e2y → fx(1, 0) = 1
fy = 2xe2y → fy(1, 0) = 2
Vetor unitário
|v| = √(4² + (−3)²) = 5
u = (0,8, −0,6)
Produto escalar
Duf = 1·0,8 + 2·(−0,6) = −0,4
Resposta
Duf = −0,4
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 0,771
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 = ∫0π/2 ∫02 e−r²·r dr dθ
Integrar
∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 0,771
Resposta
I = 0,771
11.Sequências e séries
Resposta: S = 1,5
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
2/(k(k + 2)) = (2/2)·(1/k − 1/(k + 2))
Cancelar
S = (2/2)·(1 + 1/2) = 1,5
Resposta
S = 1,5
12.Sequências e séries
Resposta: |R₂| = 0,009
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.
Cota para a derivada
M = 2! = 2
Cota de Lagrange
|R₂| ≤ 2·0,3³/3! = 0,009
Resposta
|R₂| = 0,009
O erro verdadeiro é menor: |f(0,3) − P₂(0,3)| = 0,007364.
13.Transformadas de Laplace
Resposta: A = 7,25
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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)
Regra de cobertura
Multiplique por (s + 4) e faça s = −4: o termo em B desaparece.
A = (2s + 37)/(s + 8) |s = −4 = 29/4 = 7,25
Resposta
A = 7,25
(B = −5,25, então f(t) = 7,25·e−4t − 5,25·e−8t)
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.25) = 1,344
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 − 1s − 8 + 9(sY − 1) + 20Y = 0
Y(s) = (s + 17)/((s + 4)(s + 5))
Frações parciais
A = 13/1 = 13
B = 12/(−1) = −12
Resultado
y(t) = 13·e−4t − 12·e−5t
y(0,25) = 1,344
Resposta
y(0,25) = 1,344
Verificação: y(0) = A + B = 1.
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: y(1.5) = 0,7237
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(0,5) = (5/1)(1 − e−0,5) = 1,967
Decaimento depois do pulso
y(1,5) = 1,967·e−1·1 = 0,7237
Resposta
y(1,5) = 0,7237
16.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c1 = 0,6366
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)|.