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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 6 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 23 °C. Após 14 min sua temperatura é 19 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 6 °CTa = 23 °CT(14) = 19 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 2y/x = 6x2 para x > 0, com y(1) = 4. Encontre y(2).
y′ + 2y/x = 6x2y(1) = 4
y(2) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.
A = [1 5 1; −3 5 2; −3 0 −4]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.
A = [−2 2; −5 5]
λ =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre o produto escalar a·b de a = (−2, −1, 5) e b = (−1, 2, 4).
a = (−2, −1, 5)b = (−1, 2, 4)
a·b =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
O vetor unitário n̂ é perpendicular a a = (4, 0, −1) e a b = (2, −5, 3) e tem componente z positiva. Encontre sua componente x n̂x.
a = (4, 0, −1)b = (2, −5, 3)n̂z > 0
n̂x =
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 = 2x2 e y = x.
y = 2x2y = x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
z = sin(3x + 2y) com x = −3t − 1 e y = t² − 2. Use a regra da cadeia para encontrar dz/dt em t = 2.
z = sin(3x + 2y)x = −3t − 1y = t² − 2t = 2
dz/dt =
10.Cálculo de várias variáveisDifícil
Calcule I = ∬R xy dA, em que R é a região entre a parábola y = x² e a reta y = 3x.
y = x²y = 3xf = xy
I =
11.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.
f(x) = sin x é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 3 em x = 0,8. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = 1 para encontrar o maior erro possível |R₃|.
f(x) = sin xn = 3x = 0,8M = 1
|R₃| =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5)) por frações parciais e calcule f(0,25).
F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 11y′ + 30y = 0 com y(0) = 9 e y′(0) = 0 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).
y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 9y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Convolução e sistemas LITMédia
O sinal x(t) é não nulo apenas entre t = −2 s e t = 0 s, e h(t) apenas entre t = 2 s e t = 6 s. Encontre a duração D de y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −2 … 0 sh: 2 … 6 s
D = s
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Um trem de pulsos tem altura 1, largura de pulso 0,6 ms e período 2 ms. Encontre sua componente CC (valor médio) c0.
A = 1τ = 0,6 msT = 2 ms
c0 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,1034 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−14k = -4/-17
Resolver para k
k = ln(-17/-4)/14 = 0,1034 min⁻¹
Resposta
k = 0,1034 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 10,3
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∫2/x dx = x2
Integrar
(x2y)′ = 6x4 → x2y = 6x5/5 + C
Condição inicial
4 = 6/5 + C → C = 2,8
Calcular
y(2) = (6·25/5 + 2,8)/22 = 10,3
Resposta
y(2) = 10,3
3.Matrizes e determinantes
Resposta: det A = −95
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 = −20, M₁₂ = 18, M₁₃ = 15
Desenvolvimento por cofatores
det A = 1·(−20) − 5·18 + 1·15 = −95
Resposta
det A = −95
4.Matrizes e determinantes
Resposta: λ = 3
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 − (3)λ + (0) = 0
Resolva
λ = (3 ± √(9))/2 → λ = 0, 3
λ = 3
Resposta
λ = 3
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: a·b = 20
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.
Positivo: o ângulo entre os vetores é menor que 90°.
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: n̂x = 0,2006
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 = 0·3 − (−1)·(−5) = −5
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·2 − 4·3 = −14
(a × b)z = axby − aybx = 4·(−5) − 0·2 = −20
Normalize
A componente z de a × b é negativa, então use −(a × b).
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 = 0,04167
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
2x2 = x → x = 0, x = 0,5
Integrar superior menos inferior
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Resposta
A = 0,04167
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: dz/dt = 0,2752
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(2) = −7, y(2) = 2
dx/dt = −3, dy/dt = 2t = 4
Derivadas parciais
fx = 3 cos(3x + 2y) = −0,8255
fy = 2 cos(3x + 2y) = −0,5503
Regra da cadeia
dz/dt = (−0,8255)·(−3) + (−0,5503)·4 = 0,2752
Resposta
dz/dt = 0,2752
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 30,38
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).
Interseções
x² = 3x → x = 0, x = 3
Integral interna
∫x²3x xy dy = x·(9x² − x⁴)/2
Integral externa
I = ∫03 (9x³ − x⁵)/2 dx = 30,38
Resposta
I = 30,38
11.Sequências e séries
Resposta: D: Σ (−1)ᵏ/√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 (k + 2)/k² → Comporta-se como 1/k para k grande: diverge por comparação com a série harmônica.
B: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica com r = 5/4 > 1: os termos crescem, então diverge.
C: Σ (5k + 1)/(k + 2) → Os termos tendem a 5, e não a 0: diverge pelo teste do n-ésimo termo.
D: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternada, com 1/√k decrescendo a 0: converge (condicionalmente).
A resposta
D: Σ (−1)ᵏ/√k
Resposta
D: Σ (−1)ᵏ/√k
12.Sequências e séries
Resposta: |R₃| = 0,01707
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 = 1
Cota de Lagrange
|R₃| ≤ 1·0,8⁴/4! = 0,01707
Resposta
|R₃| = 0,01707
O erro verdadeiro é menor: |f(0,8) − P₃(0,8)| = 0,002689.
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.25) = 0,4977
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).
Frações parciais
F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 30/(3·5) = 2
B = 30/((−3)·2) = −5
C = 30/((−5)·(−2)) = 3
Transformada inversa
f(t) = 2 − 5·e−3t + 3·e−5t
Calcular
f(0,25) = 2 − 5·e−3·0,25 + 3·e−5·0,25 = 0,4977
Resposta
f(0,25) = 0,4977
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.1) = 8,056
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 − 9s − 0 + 11(sY − 9) + 30Y = 0
Y(s) = (9s + 99)/((s + 5)(s + 6))
Frações parciais
A = 54/1 = 54
B = 45/(−1) = −45
Resultado
y(t) = 54·e−5t − 45·e−6t
y(0,1) = 8,056
Resposta
y(0,1) = 8,056
Verificação: y(0) = A + B = 9.
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: D = 6 s
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).
Início e fim
tstart = −2 + 2 = 0 s
tend = 0 + 6 = 6 s
Resposta
D = 6 s
Resposta
D = 6 s
16.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c0 = 0,3
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)|.