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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 24 °C. Após 26 min sua temperatura é 16 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 21 °C?
T0 = 6 °CTa = 24 °CT(26) = 16 °CT = 21 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 2y′ + 26y = 26 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,75); ângulos em radianos.
y″ + 2y′ + 26y = 26y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.
A = [−5 5 5; 0 1 −2; 1 −1 1]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.
A = [4 −2; 7 −5]
λ =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Uma força constante F = (−15, −20, −25) N atua sobre um objeto enquanto ele se move em linha reta do ponto A(0, −2, −2) ao ponto B(1, −5, −5). As coordenadas estão em metros. Encontre o trabalho W realizado pela força.
F = (−15, −20, −25) NA(0, −2, −2) mB(1, −5, −5) m
W = J
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Para a = (−5, 0, −1) e b = (−6, 0, −3), encontre a componente y (a × b)y do produto vetorial a × b.
a = (−5, 0, −1)b = (−6, 0, −3)
(a × b)y =
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀π x·sin x dx (x em radianos).
∫₀π x·sin x dx
I =
8.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
Para f(x, y) = x²y + 3x³ + 2y³ + 2xy, encontre a derivada direcional Duf em P(1, −2) na direção de Q(5, 2).
Calcule I = ∬T (3x − y) dA sobre o triângulo T limitado por y = 0, x = 4 e y = 3x.
f = 3x − y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 3x
I =
11.Sequências e sériesMédia
Encontre a soma S = Σk=1∞ 1/(k(k + 1)).
ak = 1/(k(k + 1))
S =
12.Sequências e sériesDifícil
Use o polinômio de Maclaurin de grau 4 de f(x) = cos x para aproximar f(−1,5). Dê P₄(−1,5).
f(x) = cos xn = 4x = −1,5
P₄(−1.5) =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (2s + 36)/(s² + 2s + 1) e calcule f(0,4).
F(s) = (2s + 36)/(s² + 2s + 1)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 7y′ + 6y = 9·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 10 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,75).
O sinal x(t) é não nulo apenas entre t = −1 s e t = 2 s, e h(t) apenas entre t = 1 s e t = 3 s. Encontre o instante tend em que y(t) = x(t) ∗ h(t) termina.
x: −1 … 2 sh: 1 … 3 s
tend = s
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Um sistema obedece a y[n] = 0,4·y[n − 1] + 2·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[5] da sua resposta ao impulso.
y[n] = 0,4y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 57,45 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(-18/-8)/26 = 0,03119 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(-18/(−3))/0,03119 = 57,45 min
Resposta
t = 57,45 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.75) = 1,442
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.
Menores 2×2 da primeira linha
M₁₁ = −1, M₁₂ = 2, M₁₃ = −1
Desenvolvimento por cofatores
det A = (−5)·(−1) − 5·2 + 5·(−1) = −10
Resposta
det A = −10
4.Matrizes e determinantes
Resposta: λ = 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.
Equação característica
λ² − (−1)λ + (−6) = 0
Resolva
λ = (−1 ± √(25))/2 → λ = −3, 2
λ = 2
Resposta
λ = 2
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: W = 120 J
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.
Deslocamento
d = B − A = (1, −5, −5) − (0, −2, −2) = (1, −3, −3) 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.
Verificação: a × b é perpendicular aos dois vetores, então o seu produto escalar com a e com b é zero.
7.Integrais
Resposta: I = 3,142
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limites
(−π·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142
Resposta
I = 3,142
8.Integrais
Resposta: A = 42,67
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 = 4x → x = 0, x = 8
Integrar superior menos inferior
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Resposta
A = 42,67
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: Duf = 19,8
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.
Gradiente no ponto
fx = 2xy + 9x² + 2y → fx(1, −2) = 1
fy = x² + 6y² + 2x → fy(1, −2) = 27
Vetor unitário
|v| = √(4² + 4²) = 5,657
u = (0,7071, 0,7071)
Produto escalar
Duf = 1·0,7071 + 27·0,7071 = 19,8
Resposta
Duf = 19,8
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 96
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).
Limites
0 ≤ x ≤ 4, 0 ≤ y ≤ 3x
Integral interna
∫03x (3x − y) dy = 3x·3x − (3x)²/2 = 4,5x²
Integral externa
I = 4,5·4³/3 = 96
Resposta
I = 96
11.Sequências e séries
Resposta: S = 1
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
1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))
Cancelar
S = 1·1 = 1
Resposta
S = 1
12.Sequências e séries
Resposta: P₄(−1.5) = 0,08594
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
P₄(x) = 1 − 0,5x² + 0,04167x⁴
Substituir
P₄(−1,5) = 1 − 1,125 + 0,210938 = 0,08594
Resposta
P₄(−1,5) = 0,08594
O valor exato é f(−1,5) = 0,0707372; o erro −0,0152003 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.4) = 10,46
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 + 2s + 1 = (s + 1)²
Frações parciais
2s + 36 = 2(s + 1) + 34
F(s) = 2/(s + 1) + 34/(s + 1)²
Transformada inversa
f(t) = 2·e−t + 34·t·e−t
f(0,4) = (2 + 34·0,4)·e−0,4 = 10,46
Resposta
f(0,4) = 10,46
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.75) = 6,531
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
Y(s) = 90/(s(s + 1)(s + 6))
Frações parciais
A = 90/(1·6) = 15
B = 90/((−1)·5) = −18
C = 90/((−6)·(−5)) = 3
Saídas
y(t) = 15 − 18·e−t + 3·e−6t
y(0,75) = 6,531
Resposta
y(0,75) = 6,531
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: tend = 5 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 = −1 + 1 = 0 s
tend = 2 + 3 = 5 s
Resposta
tend = 5 s
Resposta
tend = 5 s
16.Convolução e sistemas LIT
Resposta: h[5] = 0,02048
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)|.