Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Cálculo Infinitesimal I (M111) 1o Teste (12/10/2010) Turmas TP3 e TP5 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1,5) (1) (1) (1,5) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Calcule a derivada da função f(x) = 3 1 x lnx . 2. Determine se a função g(x) = { x2 − 1 se x ≤ 1 x3 − 1 se x > 1 é ou não derivável em x = 1. 3. Calcule lim n→+∞ cosn n2 . 4. Calcule ∫ sen √ x√ x + 2e3x dx. Resolução ! 1. f ′(x) = ( 3 1 x )′ lnx− 3 1x (lnx)′ ln2 x = ln 3 · 3 1x · (− 1 x2 ) · lnx− 3 1x · 1x ln2 x (x > 0). 2. Uma vez que g′−(1) = lim x→1− g(x) − g(1) x− 1 = limx→1 x2 − 1− 0 x− 1 = limx→1x+ 1 = 2 e g′+(1) = lim x→1+ g(x)− g(1) x− 1 = limx→1 x3 − 1− 0 x− 1 = limx→1x 2 + x+ 1 = 3, tem-se que g′−(1) $= g′+(1) e portanto g não é derivável em x = 1. Em alternativa, notando previamente que g é contínua em x = 1 (caso contrário, poder-se-ia concluir imediatamente que não seria derivável nesse ponto), pois g(1) = 0 = limx→0− x2− 1 = limx→0+ x3− 1 = 0, e tendo em conta que as funções x2− 1 e x3− 1 são deriváveis em x = 1, as derivadas laterais de g podem ser calculadas directamente por g′−(1) = (x 2 − 1)′|x=1 = 2x|x=1 = 2 e g′+(1) = (x3 − 1)′|x=1 = 3x2|x=1 = 3. 3. Sabe-se que, para todo o n ∈ N, −1 ≤ cosn ≤ 1. Logo, ∀n ≥ 1, − 1 n2 ≤ cosn n2 ≤ 1 n2 . Como limn→+∞− 1n2 = limn→+∞ 1n2 = 0, resulta pelo Teorema do Enquadramento de Limites que também limn→+∞ cosnn2 = 0. Em alternativa, um argumento análogo pode ser usado para justificar o valor deste limite pela definição: Seja ε > 0. Tomando um número natural p ≥ 1√ ε , tem-se, para qualquer n > p, que n2 > p2 ≥ 1ε , logo 1n2 < ε e portanto∣∣∣cosn n2 − 0 ∣∣∣ = ∣∣∣cosn n2 ∣∣∣ ≤ ∣∣∣∣ 1n2 ∣∣∣∣ < ε. 4. ∫ sen √ x√ x + 2e3x dx = −2 cos√x+ 2 3 e3x(+c), pois ( −2 cos√x+ 2 3 e3x )′ = −2 cos′√x · (√x)′ + 2 3 ( e3x )′ = −2 · (− sen√x) · 1 2 x− 1 2 + 2 3 · 3 · e3x = sen √ x√ x + 2e3x. Cálculo Infinitesimal I (M111) 1o Teste (12/10/2010) Turmas TP2 e TP4 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1,5) (1) (1) (1,5) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Calcule a derivada da função f(x) = tg(x 4+3x ex ). 2. Determine uma equação da recta normal ao gráfico da função g(x) = ex 2+2x no ponto de abcissa x = 0. 3. Indique e justifique a partir da definição de limite lim n→+∞ 1√ n2 + 2 . 4. Calcule ∫ √ lnx x + cos(2x)dx. Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 1o Teste (11/10/2010) Turma TP1 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1,5) (1) (1) (1,5) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Calcule a derivada da função f(x) = ln(sen2 x). 2. Determine uma equação da recta tangente ao gráfico da função g(x) = (x2 + 1)6 no ponto de abcissa x = 1. 3. Indique e justifique a partir da definição de limite lim n→+∞ 2 1 n . 4. Calcule uma primitiva F (x) da função e x cos2(ex−1) − 3 √ x que satisfaça a condição F (0) = 2. Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 1o Teste (8/11/2010) Alunos da 2a fase Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1,5) (1) (1) (1,5) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Calcule a derivada da função f(x) = ln( tg x x2+1). 2. Determine uma equação da recta tangente ao gráfico da função g(x) = e2 senx no ponto de abcissa x = 0. 3. Indique e justifique a partir da definição de limite lim n→+∞ n 2n−√2 . 4. Calcule ∫ 3 √ senx cos x− 3ex2 dx. Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 2o Teste (3/11/2010) Turma TP1 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2a 2b 3 Total (1) (2) (0,5) (1,5) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Calcule tg(arcsen 13 ). 2. (a) Calcule ∫ e 1 (x2 + 1) ln xdx. (b) Verifique se a função inversa de f(x) = (x2 +1) ln x (definida para x ≥ 1) é derivável. 3. Calcule ∫ x2 − 2x+ 4 x3 + 4x dx. Resolução ! 1. tg(arcsen 1 3 ) = sen(arcsen 13 ) cos(arcsen 13) ∗ = 1 3√ 1− (13)2 = 1 2 √ 2 . (*) Note-se que arcsen 1 3 ∈ [−pi 2 , pi 2 ] e portanto cos(arcsen 1 3 ) ≥ 0. 2. (a) Calcule-se em primeiro lugar uma primitiva de f(x) = (x2+1) lnx usando primitivação por partes:∫ (x2 + 1)︸ ︷︷ ︸ g′(x) lnx︸︷︷︸ h(x) dx = ( x3 3 + x ) ︸ ︷︷ ︸ g(x) lnx︸︷︷︸ h(x) − ∫ ( x3 3 + x ) ︸ ︷︷ ︸ g(x) · 1 x︸︷︷︸ h′(x) dx = ( x3 3 + x ) · lnx− ∫ ( x2 3 + 1 ) dx = ( x3 3 + x ) · lnx− x 3 9 − x Agora, pelo Teorema Fundamental do Cálculo,∫ e 1 (x2 + 1) ln xdxdx = [( x3 3 + x ) · lnx− x 3 9 − x ]e 1 = ( e3 3 + e ) ln e︸︷︷︸ =1 −e 3 9 − e− ( 13 3 + 1 ) ln 1︸︷︷︸ =0 + 13 9 + 1 = 2e3 + 10 9 (b) Uma vez que f(x) = (x2+1) ln x, definida em [1,+∞[, é derivável (e invertível), sabe-se pelo Teorema da Derivação da Função Inversa que f−1 é derivável em y = f(x) se e só se f ′(x) $= 0. Ora, para qualquer x > 1, f ′(x) = 2x︸︷︷︸ >0 lnx︸︷︷︸ ≥0 +(x2 + 1)︸ ︷︷ ︸ >0 1 x︸︷︷︸ >0 > 0. Logo, f−1 é derivável em todos os pontos y = f(x) do seu domínio. 3. Factorizando o polinómio x3+4x em polinómios irredutíveis, obtém-se x3+4x = x(x2+4). Sabe-se então que existem (únicos) A,B,C ∈ R tais que x2 − 2x+ 4 x3 + 4x = A x + Bx+ C x2 + 4 = (A+B)x2 + Cx+ 4A x(x2 + 4) , que são determinados por A+B = 1 C = −2 4A = 4 ⇐⇒ A = 1 B = 0 C = −2 Assim, ∫ x2 − 2x+ 4 x3 + 4x dx = ∫ 1 x − 2 x2 + 4 dx = ∫ 1 x dx− 1 2 ∫ 1( x 2 )2 + 1 dx = ln |x|− arctg (x 2 ) Cálculo Infinitesimal I (M111) 2o Teste (2/11/2010) Turmas TP2 e TP4 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3a 3b Total (1) (1,5) (2) (0,5) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Mostre que f(x) = arctg(x3) + x é crescente, e calcule (f−1)′(pi4 + 1). 2. Calcule ∫ lnx (1 + lnx)x dx. 3. (a) Calcule ∫ 1 0 x− 3 x2 + 2x+ 1 dx. (b) Qual é o valor da área compreendida entre as rectas x = 0, x = 1, y = 0 e o gráfico da função x−3 x2+2x+1? Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 2o Teste (2/11/2010) Turmas TP3 e TP5 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2a 2b 3 Total (1) (0,5) (1,5) (2) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Mostre que f(x) = −x5 − x é decrescente, e calcule (f−1)′(2). 2. (a) Calcule o valor em x = 1√ 2 de f(x) = x2 arcsen(x2). (b) Calcule ∫ x2 arcsen(x2)dx. 3. Determine a área da região compreendida entre as rectas x = 0, x = 1, y = 1 e o gráfico da função 1ex+2 . Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 2o Teste (substituição das perguntas 2b e 3) (8/11/2010) Turmas TP3 e TP5 Duração total: 40 minutos Nome (completo e legível) Curso Cotação 2b 3 (1,5) (2) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 2. (b) Calcule ∫ ln( √ 1 + x2)dx usando primitivação por partes. 3. Determine a área limitada pelo gráfico de f(x) = 2 x2+x e a recta y = 1 entre x = 1 2 e x = 2. Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 3o Teste (22/11/2010) Turmas TP3 e TP5 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1) (1) (1) (2) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Determine se ∫ +∞ 1 1 x lnx dx é ou não convergente e calcule o seu valor em caso afirmativo.2. Mostre que não existe lim x→+∞(sen x+ cos x). 3. Calcule lim x→0+ ( 1 cos x− 1 + 1 x ). 4. Esboce o gráfico da função e x x . Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 3o Teste (22/11/2010) Turmas TP2 e TP4 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1) (1) (2) (1) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Mostre que a equação cos(x2) = senx tem solução. 2. Calcule ddx( ∫ 0 cos x et 2 dt). 3. Esboce o gráfico da função lnxx . 4. Calcule lim x→+∞(x 2 + 1) 1 x . Resolução ! 1. Considere-se a função f(x) = cos(x2)−senx que é contínua em todo o domínio, R. Tem-se f(0) = cos 0− sen 0 = 1; f (pi 2 ) = cos ( pi2 4 ) − sen (pi 2 ) < 0 (pois cos ( pi2 4 ) < 1 = sen (pi 2 ) ) Como f(0) e f ( pi 2 ) têm sinais opostos e f é contínua em todo o intervalo [0, pi2 ], o Teorema de Bolzano garante que existe c ∈]0, pi2 [ tal que f(c) = 0. Um tal c é solução da equação dada. 2. d dx ( ∫ 0 cos x et 2 dt) = − d dx ( ∫ cos x 0 et 2 dt) = −ecos2 x · (cos x)′ = ecos2 x · senx. 4. lim x→+∞(x 2 + 1) 1 x = lim x→+∞ e 1 x ln(x2+1) (∗)= elimx→+∞ 1 x ln(x2+1) (∗∗)= e0 = 1. A igualdade (*) decorre da continuidade da função exponencial. Em (**) usa-se o valor do limx→+∞ 1x ln(x 2+1) que, conduzindo a uma indeterminação do tipo +∞+∞ , pode ser determinado com o auxílio da Regra de L’Hôpital (R.H.): lim x→+∞ ln(x2 + 1) x R.H. = lim x→+∞ (ln(x2 + 1))′ x′ = lim x→+∞ 2x x2 + 1 = 0. 3. Seja f(x) = lnxx . Domínio: domf = {x ∈ R : x ∈ dom(ln) ∧ x $= 0} = R+. Zeros e sinal de f : f(x) = 0 ⇐⇒ lnx = 0 ⇐⇒ x = 1. Além disso, para x > 0, f(x) < 0 ⇐⇒ lnx < 0 ⇐⇒ x < 1. Assímptotas: De limx→0+ f(x) = limx→0+ lnxx = −∞ 0+ = −∞ conclui-se que a recta x = 0 é uma assímptota vertical do gráfico de f (à direita). Como f é contínua e tendo em conta que o domínio é R+, esta é a única possível assímptota vertical. Quanto a assímptotas horizontais, basta analisar o limite de f(x) quando x tende para +∞ (uma vez que o domínio de f é ilimitado superiormente mas não inferiormente). Este limite conduz a uma indeterminação do tipo +∞+∞ e portanto pode-se usar a R.H. para o determinar: limx→+∞ lnxx R.H. = limx→+∞ 1 x 1 = limx→+∞ 1 x = 0. Portanto, a recta y = 0 é a única assímptota horizontal do gráfico de f . Monotonia e extremos locais: Tem-se f ′(x) = 1−lnx x2 , para todo o x ∈ R+. Assim, f ′(x) = 0 ⇐⇒ 1 − lnx = 0 ⇐⇒ x = e; e f ′(x) < 0 ⇐⇒ 1 − lnx < 0 (porque x2 > 0) ⇐⇒ lnx > e. Conclui-se então que f é decrescente no intervalo ]0, e] e crescente em [e,+∞[. Portanto, x = e é um ponto de valor máximo local de f . Concavidades e pontos de inflexão: Tem-se f ′′(x) = 2 lnx−3 x3 , para todo o x ∈ R+. As- sim, f ′′(x) = 0 ⇐⇒ 2 ln x − 3 = 0 ⇐⇒ x = e 32 ; e f ′′(x) < 0 ⇐⇒ 2 lnx − 3 < 0 (porque x3 > 0 para x ∈ R+) ⇐⇒ x < e 32 . O gráfico de f tem então a concavidade voltada para baixo em ]0, e 3 2 ] e voltada para cima a partir de x = e 3 2 ; tem um ponto de inflexão em x = e 3 2 . 0 1 e e 3 2 f ′(x) X X + + 0 - - - - f ′′(x) X X - - - - 0 + + f(x) X X - ↗ # 0 + ↗ # 1e + ↘ # 32e 32 + ↘ $ max local pto inflexão Gráfico: 1 3/2 1/e e e Cálculo Infinitesimal I (M111) 3o Teste (22/11/2010) Turmas TP1 Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1 2 3 4 Total (1) (1,5) (1,5) (1) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Determine se ∫ 1 0 e 1 x x2 dx é ou não convergente e calcule o seu valor em caso afirmativo. 2. Mostre que x+ ln(1 + √ x) ≥ ln(1 + x) para todo x > 0. 3. Mostre que a função 2x+ cotg x− 3 tem exactamente uma raíz no intervalo ]pi4 , 3pi4 [. 4. Calcule lim x→0+ √ x lnx. Resolução ! Cálculo Infinitesimal I (M111) 4o Teste (15/12/2010) Duração total: 1 hora Nome (completo e legível) Curso Cotação 1a 1b 2 3 Total (1) (1) (1) (2) (5) Nota. Todas as respostas devem ser justificadas! 1. Seja f(x) = 11+x3 . (a) Calcule P12,0,f (x). (b) Indique um majorante para o erro |f(x)− P1,0,f (x)| quando x ∈ [0, 10−1]. 2. Determine se a série ∞∑ n=2 1 n(lnn)2 é ou não convergente. 3. Calcule o raio e o intervalo de convergência da série de potências ∞∑ n=0 (x− 3)n 1 + √ n . Resolução ! 1. (a) Sabe-se que, para todo o x ∈ R \ {1} e n ∈ N, 1 + x+ x2 + · · · + xn = 1− x n+1 1− x ou seja, 1 1− x = 1 + x+ x 2 + · · · + xn + x n+1 1− x. Em particular, substituindo x por −x3 (para x $= −1) e considerando n = 4, obtém-se 1 1 + x3 = 1− x3 + x6 − x9 + x12 − x 15 1 + x3 . Pode-se então afirmar que P12,0,f (x) = 1− x3 + x6 − x9 + x12, uma vez que lim x→0 1 1+x3 − (1− x3 + x6 − x9 + x12) x12 = lim x→0 − x151+x3 x12 = lim x→0− x3 1 + x3 = 0. Em alternativa, para obter P12,0,f (x) basta notar que 1 1−x = ∑∞ n=0 x n para |x| < 1 e logo 1 1+x3 = ∑∞ n=0(−1)nx3n para |x| < 1. Em particular, ∑∞ n=0(−1)nx3n é a série de Taylor de 1 1+x3 e daí se tira imediatamente o polinómio de Taylor pretendido eliminando os termos de grau superior a 12. (b) Tal como na alínea anterior, tem-se 11+x3 = 1 − x 3 1+x3 e P1,0,f (x) = 1. Logo, para x ∈ [0, 10−1], |R1,0,f (x)| = |f(x)− P1,0,f (x)| = x 3 1 + x3 (x3≥0) ≤ x3 (x≤10−1) ≤ 1 103 . Em alternativa, determina-se directamente P1,0,f (x) = f(0) + f ′(0)x = 1 (= P0,0,f (x)) e usa-se a fórmula de Lagrange para o resto: R1,0,f (x) = R0,0,f (x) = f ′(c) · x = −3c2(1+c3)2 · x, para algum c ∈ [0, x]. Obtém-se então a majoração |f(x)− P1,0,f (x)| = |R0,0,f (x)| = 3c 2 (1 + c3)2 · x ≤ 3c2x ≤ 3 103 . 2. Considere-se a função f : [2,+∞[→ R+0 dada por f(x) = 1x(lnx)2 , que é decrescente (pois as funções x e lnx são crescentes e positivas neste domínio e a função 1x é decrescente em R +; ou, em alternativa, vê-se que a derivada é negativa) e é integrável (porque é contínua) em todos os sub-intervalos limitados de [2,+∞[. Pelo critério do integral, a série ∑+∞n=2 f(n) converge sse o integral impróprio ∫ +∞ 2 f(x)dx converge. Ora,∫ +∞ 2 f(x)dx = lim M→+∞ ∫ M 2 f(x)dx = lim M→+∞ [ − 1 lnx ]M 2 = lim M→+∞ − 1 lnM + 1 ln 2 = 1 ln 2 . Portanto, ∫ +∞ 2 f(x)dx é convergente e a série ∑∞ n=2 1 n(lnn)2 também o é. 4. Se x = 3, a série ∑∞ n=0 (x−3)n 1+ √ n converge (é nula a partir de n = 1). Se x $= 3, lim n→+∞ |x−3|n+1 1+ √ n+1 |x−3|n 1+ √ n = |x− 3| lim n→+∞ 1 + √ n 1 + √ n+ 1 +∞ +∞ ;R.H. = |x− 3| lim n→+∞ √ n+ 1√ n = |x− 3| lim n→+∞ √ n+ 1 n = |x− 3| √ lim n→+∞(1 + 1 n ) = |x− 3|. Pelo critério da razão, a série ∑∞ n=0 ∣∣∣ (x−3)n1+√n ∣∣∣ converge se |x − 3| < 1 e diverge se |x − 3| > 1. Tendo em conta que a convergência de uma série de potências é absoluta no interior do intervalo de convergência, conclui-se que r = 1 é o raio de convergência da série ∑∞ n=0 (x−3)n 1+ √ n . Para x = 2, i.e., para x − 3 = −1, obtém-se a série ∑+∞n=0 (−1)n1+√n que converge pelo critério de Leibniz (a sucessão ( 1 1+ √ n ) n é decrescente e tem limite 0); para x − 3 = 1, obtém-se a série ∑+∞n=0 11+√n que, pelo critério de comparação, é divergente: para qualquer n ≥ 1, 1 1+ √ n ≥ 1 2 √ n e ∑+∞ n=0 1 2 √ n = 1 2 ∑+∞ n=0 1 n 1 2 diverge. Assim, o intervalo de convergência desta série é [2, 4[. Cálculo Infinitesimal I (M111) Exame (10/01/2011) Duração total: 3 horas Observações: (1) As respostas deverão ser devidamente justificadas e os cálculos relevantes apresentados; (2) A cotação de cada alínea está indicada na margem; (3) As resoluçõesdas partes I e II devem ser apresentadas em folhas diferentes. Parte I 1. Seja f(x) = x2 + senx. a) Mostre que a função f é injectiva na vizinhança de 0 e calcule (f−1)′(0).(1,5) b) Esboce o gráfico de f para x ∈ [−pi,pi].(1,5) 2. Calcule ∫ arcsen(2x)dx.(1,5) 3. Calcule ∫ √ x+ 1 x dx.(2) 4. Verifique se existe limx→+∞ sen(x2) cos(x2) + 2 .(1,5) 5. Calcule a área da região do plano limitada pelas curvas y = x4 e y = 2− x4.(2) Parte II 6. Mostre que a equação cos2 x = √ x tem exactamente uma solução.(2) 7. Calcule lim n→+∞ n √ 1 n .(2) 8. Determine o polinómio de Taylor de ordem 2 no ponto 0 da função esen x.(1,5) 9. a) Calcule a soma da série +∞∑ n=3 (−1)n n .(1) b) Determine o intervalo de convergência I da série de potências +∞∑ n=1 2n n xn.(2) c) Sendo f(x) = +∞∑ n=1 2n n xn, (x ∈ I), determine uma série de potências convergente para f ′,(1,5) bem como uma expressão analítica para f ′(x). Cálculo Infinitesimal I (M111) Exame (31/01/2011) Duração total: 3 horas Observações: (1) As respostas deverão ser devidamente justificadas e os cálculos relevantes apresentados; (2) A cotação de cada alínea está indicada na margem; (3) As resoluções das partes I e II devem ser apresentadas em folhas diferentes. Parte I 1. Determine a primitiva F de f(x) = { 3x2 − 1 se x ≤ 1 2x3 se x > 1 que verifica F (1) = 0.(1,5) 2. Calcule ∫ x2 + 7x+ 8 x3 + 4x2 + 4x dx.(1,5) 3. Esboce o gráfico da função f(x) = e x−1 x .(2) 4. Determine F ′(x) e (F−1)′(0) para F (x) = ∫ √x 1 et 2 dt.(2) 5. a) Mostre que arcsen x > x, para todo o x ∈]0, 1[.(1,5) b) Determine a área limitada entre o gráfico de arcsenx e as rectas y = x e y = pi4 .(2) Parte II 6. Determine se existe lim n→+∞ senn n+ cosn e calcule-o em caso afirmativo.(1,5) 7. Calcule lim x→0+ 1 x2 − senx x3 .(2) 8. a) Determine o polinómio de Taylor de ordem 3 da função f(x) = ex senx no ponto(1,5) x0 = 0. b) Verifique que o erro |f(x)− P3,0,f (x)| não excede 12 quando x ∈ [−1, 1].(1,5) 9. Determine se a série ∞∑ n=1 (−1)n n+ lnn é absolutamente convergente, condicionalmente conver-(1,5) gente ou divergente. 10. Determine o raio de convergência e o intervalo de convergência da série de potências(1,5) ∞∑ n=0 (x+ 2)n (2n)! .
Compartilhar