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Fórmulas, condições e decisões para rever todo o percurso de AM II.

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Desenha o domínio. Confere regularidade, orientação e jacobiano antes de calcular.

Curvas

Para r(t)\mathbf r(t) de classe C2C^2 e regular, com r′≠0\mathbf r'\ne0: v=∥r′∥v=\|\mathbf r'\|, T=r′/v\mathbf T=\mathbf r'/v, L=∫abv(t) dtL=\int_a^bv(t)\,dt, s(t)=∫atv(u) dus(t)=\int_a^tv(u)\,du.

GrandezaFórmula e condição
Normal e binormalSe T′≠0\mathbf T'\ne0: N=T′/∥T′∥\mathbf N=\mathbf T'/\|\mathbf T'\|, B=T×N\mathbf B=\mathbf T\times\mathbf N
Curvaturaκ=∥T′∥/v=∥r′×r′′∥/v3\kappa=\|\mathbf T'\|/v=\|\mathbf r'\times\mathbf r''\|/v^3
Curva planaκ=∣x′y′′−y′x′′∣/v3\kappa=\lvert x'y''-y'x''\rvert/v^3
Gráfico y=f(x)y=f(x)κ=∣f′′∣/(1+f′2)3/2\kappa=\lvert f''\rvert/(1+f'^2)^{3/2}
CentroSe κ>0\kappa>0: ρ=1/κ\rho=1/\kappa, C=P+ρNC=P+\rho\mathbf N
Aceleraçãoa=v′T+v2κN\mathbf a=v'\mathbf T+v^2\kappa\mathbf N, com v′=r′⋅r′′/vv'=\mathbf r'\cdot\mathbf r''/v
vv variávelRetira v′Tv'\mathbf T de r′′\mathbf r'' antes de normalizar para N\mathbf N

Planos por PP com normal n\mathbf n: n⋅((x,y,z)−P)=0\mathbf n\cdot((x,y,z)-P)=0. Normal usa T\mathbf T, osculador usa B\mathbf B, retificador usa N\mathbf N. Curvatura e planos.

Limites e diferenciabilidade

  • Dois caminhos com limites diferentes refutam o limite. Concordância em retas ou iterados não prova.
  • Para provar: estimativa ∣f−L∣≤C∥x−a∥α|f-L|\le C\|x-a\|^\alpha, α>0\alpha>0, válida em todas as direções. Em polares, controla o ângulo uniformemente.
  • Continuidade em ponto de acumulação: limite igual ao valor definido.

Se ff é diferenciável: f(a+h)=f(a)+∇f⋅h+o(∥h∥)f(a+h)=f(a)+\nabla f\cdot h+o(\|h\|). Parciais contínuas perto do ponto chegam; parciais só no ponto não chegam.

  • Direcional com ∥u∥=1\|u\|=1: Duf=∇f⋅uD_uf=\nabla f\cdot u. Maior aumento ∥∇f∥\|\nabla f\| na direção do gradiente não nulo.
  • Campo F:Rn→RmF:\mathbb R^n\to\mathbb R^m: JFJ_F tem m×nm\times n entradas, DuF=JFuD_uF=J_Fu.
  • Plano tangente a z=f(x,y)z=f(x,y): z=f(a,b)+fx(a,b)(x−a)+fy(a,b)(y−b)z=f(a,b)+f_x(a,b)(x-a)+f_y(a,b)(y-b). Nível regular F=cF=c: normal ∇F≠0\nabla F\ne0. Limites · Gradiente.

Cadeia e implícitas

ddtf(x(t),y(t))=fxx′+fyy′,JF∘g(a)=JF(g(a))Jg(a).\frac d{dt}f(x(t),y(t))=f_xx'+f_yy',\qquad J_{F\circ g}(a)=J_F(g(a))J_g(a).
  • F(x,y)=0F(x,y)=0 com F∈C1F\in C^1 e Fy≠0F_y\ne0: y′=−Fx/Fyy'=-F_x/F_y.
  • F(x,y,z(x,y))=0F(x,y,z(x,y))=0 com Fz≠0F_z\ne0: zx=−Fx/Fzz_x=-F_x/F_z, zy=−Fy/Fzz_y=-F_y/F_z.
  • Sistemas: deriva todas as equações e resolve nas derivadas das variáveis dependentes. Determinante não nulo garante a representação local.
  • Nunca dividas por uma expressão sem tratar o caso zero. Cadeia.

Taylor e extremos

Com h=x−ah=x-a, k=y−bk=y-b, derivadas no centro:

P2=f+fxh+fyk+12(fxxh2+2fxyhk+fyyk2).P_2=f+f_xh+f_yk+\tfrac12(f_{xx}h^2+2f_{xy}hk+f_{yy}k^2).

Para f∈C2f\in C^2, o resto é o(h2+k2)o(h^2+k^2). Num candidato interior diferenciável, ∇f=0\nabla f=0.

CondiçãoResultado local
D>0D>0, fxx>0f_{xx}>0Mínimo estrito
D>0D>0, fxx<0f_{xx}<0Máximo estrito
D<0D<0Sela
D=0D=0Inconclusivo

com D=fxxfyy−fxy2D=f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2.

  • Absolutos: junta interior, fronteira e pontos não diferenciáveis; compara valores. Contínua em compacto atinge extremos.
  • Lagrange sobre g=0g=0 regular, f,g∈C1f,g\in C^1: ∇f=λ∇g\nabla f=\lambda\nabla g mais a restrição. Verifica pontos com ∇g=0\nabla g=0 e o comportamento no infinito em conjuntos ilimitados. Extremos.

Integrais múltiplos

  • Faixa vertical: ∫ab∫g1(x)g2(x)f dy dx\int_a^b\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}f\,dy\,dx. Trocar a ordem exige redescrever a região; parte-a onde a fronteira muda.
  • Em três variáveis: projeta o sólido e limita a terceira coordenada entre superfícies.
CoordenadasElemento
PolaresdA=r dr dθdA=r\,dr\,d\theta, r≥0r\ge0
CilíndricasdV=r dr dθ dzdV=r\,dr\,d\theta\,dz
Esféricas (φ\varphi desde zz positivo)dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθdV=\rho^2\sin\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta, ρ≥0\rho\ge0, 0≤φ≤π0\le\varphi\le\pi

Mudança C1C^1 injetiva no interior com jacobiano não nulo: usa ∣det⁡JT∣|\det J_T| e transforma também a região. Duplos · Esféricas.

  • Massa: integral da densidade; centro de massa divide por M>0M>0. Simetria exige domínio e integrando completo simétricos.
  • Inércia: Ix=∬y2σ dAI_x=\iint y^2\sigma\,dA, Iy=∬x2σ dAI_y=\iint x^2\sigma\,dA; momento polar usa x2+y2x^2+y^2.

Linha e Green

∫Cf ds=∫abf(r(t))∥r′(t)∥ dt,∫CF⋅dr=∫abF(r(t))⋅r′(t) dt.\int_C f\,ds=\int_a^bf(r(t))\|r'(t)\|\,dt,\qquad \int_C F\cdot dr=\int_a^bF(r(t))\cdot r'(t)\,dt.

Inverter o sentido conserva o escalar e troca o sinal do vetorial.

  • Conservativo F=∇ϕF=\nabla\phi: trabalho ϕ(B)−ϕ(A)\phi(B)-\phi(A). Com C1C^1 em aberto simplesmente conexo, Py=QxP_y=Q_x (plano) ou rotacional nulo (espaço) chegam. Um buraco no domínio pode impedir a conclusão.
  • Green, fronteira positiva (região à esquerda), campo C1C^1 numa vizinhança da região:
∮∂DP dx+Q dy=∬D(Qx−Py) dA.\oint_{\partial D}P\,dx+Q\,dy=\iint_D(Q_x-P_y)\,dA.
  • Área: 12∮(x dy−y dx)=∮x dy=−∮y dx\tfrac12\oint(x\,dy-y\,dx)=\oint x\,dy=-\oint y\,dx, sempre em orientação positiva.
  • Fluxo plano exterior: ∮P dy−Q dx=∬(Px+Qy) dA\oint P\,dy-Q\,dx=\iint(P_x+Q_y)\,dA. Fronteira interior de buraco em sentido horário. Green.

Superfície, divergência e Stokes

  • Parametrização regular: N=ru×rvN=r_u\times r_v, dS=∥N∥ du dvdS=\|N\|\,du\,dv. Escalar usa a norma; fluxo usa F(r)⋅NF(r)\cdot N para o lado pedido.
  • Gráfico z=f(x,y)z=f(x,y) para cima: normal (−fx,−fy,1)(-f_x,-f_y,1).
div⁡F=Px+Qy+Rz,rot⁡F=(Ry−Qz,Pz−Rx,Qx−Py).\operatorname{div}F=P_x+Q_y+R_z,\qquad \operatorname{rot}F=(R_y-Q_z,P_z-R_x,Q_x-P_y).
PedidoMétodoCondição a conferir
Fluxo por superfície fechadaDivergênciaNormal exterior, sem singularidades no sólido
Fluxo por superfície abertaDireto, ou fechar e subtrair tampasOrientação de cada parte
Circulação espacialStokesBordo e normal compatíveis (mão direita)
Circulação planaGreenCampo definido em toda a região

Stokes em superfície fechada: fluxo do rotacional é zero. Fluxo e teoremas.

EDP básicas

  • Linear: uu e derivadas à primeira potência, sem produtos; coeficientes nas variáveis independentes. Integrar ux=f(x,y)u_x=f(x,y) introduz função arbitrária de yy.
  • Transporte ut+cux=0u_t+cu_x=0, u(x,0)=gu(x,0)=g: u(x,t)=g(x−ct)u(x,t)=g(x-ct).
  • Classificação Auxx+Buxy+CuyyAu_{xx}+Bu_{xy}+Cu_{yy}: Δ=B2−4AC\Delta=B^2-4AC; Δ>0\Delta>0 hiperbólica, =0=0 parabólica, <0<0 elíptica. BB é o coeficiente completo de uxyu_{xy}.

Calor em (0,L)(0,L):

FronteiraModosComportamento
Dirichlet u=0u=0SenosTodos os modos decaem à taxa k(nπ/L)2k(n\pi/L)^2
Neumann ux=0u_x=0Cossenos com modo constanteConstante conserva a média; restantes decaem

Onda com fronteiras nulas: u=∑sin⁡(nπx/L)(Ancos⁡ωnt+Bnsin⁡ωnt)u=\sum\sin(n\pi x/L)(A_n\cos\omega_nt+B_n\sin\omega_nt), com ωn=nπc/L\omega_n=n\pi c/L. Usa os dois dados: AnA_n do deslocamento, BnB_n da velocidade dividida por ωn\omega_n.

Laplace no retângulo: um lado com dados usa sinh⁡\sinh normalizado; dois lados somam as duas contribuições; Neumann na base troca sinh⁡\sinh por cosh⁡\cosh; lados verticais isolados admitem cossenos e modo constante; Robin exige conferir o sinal da normal exterior. Verifica equação, dados e domínio separadamente. EDP · Fronteira.

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