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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
Resolva y″ + 8y′ + 16y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 2. Encontre y(2).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 3y/x = 4x para x > 0, com y(1) = 4. Encontre y(2).
y′ + 3y/x = 4xy(1) = 4
y(2) =
3.Matrizes e determinantesMédia
Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.
A = [−1 4 1; 1 3 3; −1 −1 −4]
det A =
4.Matrizes e determinantesDifícil
Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.
A = [2 4; 3 1]
λ =
5.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Encontre o valor de k para o qual os vetores a = (−3, −2, 2) e b = (−6, 3, k) são perpendiculares.
a = (−3, −2, 2)b = (−6, 3, k)
k =
6.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Para a = (6, −3, 4) e b = (−1, −5, 3), encontre a componente z (a × b)z do produto vetorial a × b.
a = (6, −3, 4)b = (−1, −5, 3)
(a × b)z =
7.IntegraisMédia
Calcule I = ∫03 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 3]
I =
8.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
9.Cálculo de várias variáveisMédia
z = 4x³y + 3x² + 5y³ + xy com x = −2t − 2 e y = −2t² − 1. Use a regra da cadeia para encontrar dz/dt em t = 1.
A integral I = ∫00,8 ∫y0,8 cos(x²) dx dy não pode ser calculada nesta ordem. Inverta a ordem de integração e calcule-a.
f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Sequências e sériesMédia
Aplique o teste da razão a Σk=1∞ k!/kᵏ. Encontre L = lim |ak+1/ak|.
ak = k!/kᵏ
L =
12.Sequências e sériesDifícil
Encontre o coeficiente c₂ de (x − 1)² na série de Taylor de f(x) = ln x em torno de a = 1.
f(x) = ln xa = 1k = 2
c₂ =
13.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5)) por frações parciais e calcule f(0,1).
F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t), com y(0) = 6 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 10. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,25).
O pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 1 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 3 em t = 0 até 0 em t = 1 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 3, h(1) = 0
Ay =
16.Convolução e sistemas LITDifícil
Um trem de pulsos tem altura 5, largura de pulso 0,6 ms e período 2 ms. Encontre a amplitude c1 do harmônico de número 1, em 500 Hz.
A = 5τ = 0,6 msT = 2 ms
c1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 0,00738
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.
Raiz dupla
(r + 4)² = 0 → r = −4
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = 2 + 8 = 10
Calcular
y(2) = (2 + 10·2)·e−8 = 0,00738
Resposta
y(2) = 0,00738
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 3,6
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∫3/x dx = x3
Integrar
(x3y)′ = 4x4 → x3y = 4x5/5 + C
Condição inicial
4 = 4/5 + C → C = 3,2
Calcular
y(2) = (4·25/5 + 3,2)/23 = 3,6
Resposta
y(2) = 3,6
3.Matrizes e determinantes
Resposta: det A = 15
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 = −9, M₁₂ = −1, M₁₃ = 2
Desenvolvimento por cofatores
det A = (−1)·(−9) − 4·(−1) + 1·2 = 15
Resposta
det A = 15
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 − (3)λ + (−10) = 0
Resolva
λ = (3 ± √(49))/2 → λ = −2, 5
λ = 5
Resposta
λ = 5
5.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: k = −6
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 igual a zero
a·b = (−3)·(−6) + (−2)·3 + 2·k = 0
12 + 2·k = 0
Resolver para k
k = −12/2 = −6
Resposta
k = −6
6.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: (a × b)z = −33
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, componente por componente
(a × b)x = aybz − azby = (−3)·3 − 4·(−5) = 11
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−1) − 6·3 = −22
(a × b)z = axby − aybx = 6·(−5) − (−3)·(−1) = −33
Componente pedida
(a × b)z = −33
Resposta
(a × b)z = −33
Verificação: a × b é perpendicular aos dois vetores, então o seu produto escalar com a e com b é zero.
7.Integrais
Resposta: I = 201,2
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.
Primitiva
F(x) = e2x/2
Avaliar nos limites
I = (e6 − 1)/2 = (403,4 − 1)/2 = 201,2
Resposta
I = 201,2
8.Integrais
Resposta: A = 0,3333
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 = 2x → x = 0, x = 1
Integrar superior menos inferior
A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333
Resposta
A = 0,3333
9.Cálculo de várias variáveis
Resposta: dz/dt = 1706
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(1) = −4, y(1) = −3
dx/dt = −2, dy/dt = −4t = −4
Derivadas parciais
fx = 12x²y + 6x + y = −603
fy = 4x³ + 15y² + x = −125
Regra da cadeia
dz/dt = (−603)·(−2) + (−125)·(−4) = 1706
Resposta
dz/dt = 1706
10.Cálculo de várias variáveis
Resposta: I = 0,2986
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).
Região
0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0,8
Ordem invertida
I = ∫00,8 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫00,8 x·cos(x²) dx
Substituição u = x²
I = [sin(x²)/2]00,8 = 0,2986
Resposta
I = 0,2986
11.Sequências e séries
Resposta: L = 0,3679
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.
Razão entre termos consecutivos
|ak+1/ak| = (k/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e
Conclusão
L = 0,3679 < 1
Resposta
L = 0,3679
L < 1, então a série converge.
12.Sequências e séries
Resposta: c₂ = −0,5
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⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = −1/x²
Coeficiente
c₂ = f⁽²⁾(1)/2! = −1/(1²·2) = −0,5
c₂ = −0,5
Resposta
c₂ = −0,5
13.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.1) = 0,1863
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 + 4) + C/(s + 5)
A = 50/(4·5) = 2,5
B = 50/((−4)·1) = −12,5
C = 50/((−5)·(−1)) = 10
Transformada inversa
f(t) = 2,5 − 12,5·e−4t + 10·e−5t
Calcular
f(0,1) = 2,5 − 12,5·e−4·0,1 + 10·e−5·0,1 = 0,1863
Resposta
f(0,1) = 0,1863
14.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.25) = 12,86
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 + 8s + 12)·Y(s) = 6s + 48 + 480/s
Y(s) = (6s² + 48s + 480)/(s(s + 2)(s + 6))
Frações parciais
A = 480/(2·6) = 40
B = 408/((−2)·4) = −51
C = 408/((−6)·(−4)) = 17
Resultado
y(t) = 40 − 51·e−2t + 17·e−6t
y(0,25) = 12,86
Resposta
y(0,25) = 12,86
Verificação: y(0) = A + B + C = 6.
15.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ay = 7,5
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).
Áreas das entradas
∫x dt = 5·1 = 5
∫h dt = ½·1·3 = 1,5
Área da saída
Ay = 5·1,5 = 7,5
Resposta
Ay = 7,5
16.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c1 = 2,575
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)|.