Analisi 2: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

1Formule e metodi

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Successioni e serie

Successione aritmetica
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Successione geometrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Serie geometrica infinita
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Serie armonica generalizzata
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Criterio del rapporto
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Raggio di convergenza
R = lim |ck/ck+1|
Polinomio di Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Serie di Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Maggiorazione di Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Metodo

  1. Individua il tipo: aritmetica (differenza costante), geometrica (ragione costante), una serie notevole, una serie di potenze o un polinomio di Taylor.
  2. Per le somme usa Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), oppure S = a₁/(1 − r) quando |r| < 1, con a₁ il primo termine della somma.
  3. Per la convergenza: prima il criterio del termine n-esimo, poi confronta con Σ1/kᵖ o con una serie geometrica, e usa il criterio del rapporto o della radice per fattoriali e potenze k-esime.
  4. Per i polinomi di Taylor elenca f(a), f′(a), f″(a), …, dividi la derivata k-esima per k!, e maggiora l’errore con M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Calcolo multivariabile

Derivate parziali
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiente
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Derivata direzionale
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Piano tangente
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Regola della catena
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test delle derivate seconde
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Integrale doppio
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordinate polari
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Metodo

  1. Per una derivata parziale, tratta l’altra variabile come una costante e usa le regole a una variabile.
  2. Per le domande sul gradiente calcola ∇f = (fx, fy) nel punto; usa |∇f| per la pendenza massima e ∇f·u con un versore u per una derivata direzionale.
  3. Per gli estremi risolvi insieme fx = 0 e fy = 0, poi classifica ogni punto con D = fxx·fyy − fxy².
  4. Per un integrale doppio disegna la regione, scegli l’ordine (o le coordinate polari per i dischi) in modo che gli estremi interni siano le curve di contorno, e integra prima all’interno.

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Esercizi

1.IntegraliMedia
xyπ/2y = x·sin x

Calcola I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x in radianti).

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
2.IntegraliDifficile
xyy = x2​y = 3x

Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
3.Successioni e serieMedia
AΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.

A: Σ (1/2)ᵏB: Σ k!/2ᵏC: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ 5ᵏ/k!
  1. 1A: Σ (1/2)ᵏ
  2. 2B: Σ k!/2ᵏ
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ 5ᵏ/k!
4.Successioni e serieDifficile

f(x) = cos x è approssimata dal suo polinomio di Maclaurin di grado 3 in x = −0,5. Usa la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = 1 per trovare il massimo errore possibile |R₃|.

f(x) = cos xn = 3x = −0,5M = 1
|R₃| =
5.Calcolo multivariabileMedia

z = 4xy³ + 2x³ − 3y³ + 3xy con x = t e y = t² − 1. Usa la regola della catena per trovare dz/dt in t = 0.

z = 4xy³ + 2x³ − 3y³ + 3xyx = ty = t² − 1t = 0
dz/dt =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−505−4−202(3, −1)(−3, −1)

f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 2y ha un punto critico in (3, −1). Calcola lì il discriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −x³ + 27x − y² − 2yP = (3, −1)
D =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)18Ta​27 °C

Una tazza di caffè a 82 °C viene lasciata in una stanza a 20 °C. Dopo 18 min la sua temperatura è 27 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.

T0 = 82 °CTa = 20 °CT(18) = 27 °C
k = min⁻¹
8.Equazioni differenzialiDifficile
t (min)m (kg)10 minm = ?

Un serbatoio contiene 100 L di acqua pura. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 10 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Quanto sale m c’è nel serbatoio dopo 10 min?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 10 L/min
m = kg

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 1

Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.

Scegli 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

Limiti

(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

Risposta

I = 1
2.Integrali

Risposta: A = 4,5

Integrali definiti: ∫ₐᵇ f(x) dx è l'area con segno tra il grafico e l'asse x da a a b. Trova una primitiva F (con F′ = f) e calcola F(b) − F(a). Regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'area tra due curve è ∫(superiore − inferiore) dx.

Punti di intersezione

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Integra superiore meno inferiore

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Risposta

A = 4,5
3.Successioni e serie

Risposta: B: Σ k!/2ᵏ

Convergenza: se i termini non tendono a 0 la serie diverge (criterio del termine n-esimo). Σ1/kᵖ converge solo per p > 1, e Σrᵏ solo per |r| < 1. Confronta una serie con una di queste quando i suoi termini si comportano come loro per k grande. Criterio del rapporto: L = lim |ak+1/ak|; criterio della radice: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 non decide nulla. Una serie di potenze Σck(x − x₀)ᵏ converge per |x − x₀| < R con R = lim |ck/ck+1|; una serie a segni alterni con termini decrescenti a 0 converge.

Verifica ogni serie

A: Σ (1/2)ᵏ → Geometrica con r = 1/2, |r| < 1: converge.
B: Σ k!/2ᵏ → Criterio del rapporto: L = lim (k + 1)/2 = ∞, diverge.
C: Σ (−1)ᵏ/k → A segni alterni, con 1/k decrescente a 0: converge (condizionatamente).
D: Σ 5ᵏ/k! → Criterio del rapporto: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, converge.

La risposta

B: Σ k!/2ᵏ

Risposta

B: Σ k!/2ᵏ
4.Successioni e serie

Risposta: |R₃| = 0,002604

Polinomi di Taylor: vicino a x = a una funzione regolare è approssimata da Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; per a = 0 questo è il polinomio di Maclaurin. Serie notevoli: 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. Maggiorazione del resto di Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, dove M è il massimo valore di |f⁽ⁿ⁺¹⁾| tra a e x.

Maggiorazione della derivata

M = 1

Maggiorazione di Lagrange

|R₃| ≤ 1·0,5⁴/4! = 0,002604

Risposta

|R₃| = 0,002604

L’errore vero è minore: |f(−0,5) − P₃(−0,5)| = 0,002583.

5.Calcolo multivariabile

Risposta: dz/dt = −7

Gradiente: ∇f = (fx, fy) punta nella direzione di massima crescita, e |∇f| è la massima velocità di variazione. La derivata direzionale lungo una direzione v è Duf = ∇f·u con il versore u = v/|v|. Il piano tangente in (a, b) è z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); dà l’approssimazione lineare di f vicino a quel punto. Regola della catena: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Punto e velocità di variazione

x(0) = 0, y(0) = −1
dx/dt = 1, dy/dt = 2t = 0

Derivate parziali

fx = 4y³ + 6x² + 3y = −7
fy = 12xy² − 9y² + 3x = −9

Regola della catena

dz/dt = (−7)·1 + (−9)·0 = −7

Risposta

dz/dt = −7
6.Calcolo multivariabile

Risposta: D = 36

Punti critici e integrali doppi: un punto critico ha fx = fy = 0. Test delle derivate seconde con D = fxxfyy − fxy²: D > 0 e fxx > 0 è un minimo locale, D > 0 e fxx < 0 un massimo locale, D < 0 un punto di sella, e D = 0 non decide nulla. Per un integrale doppio su una regione generica, prendi come estremi interni le curve che delimitano la regione; per dischi e settori usa le coordinate polari, x = r cos θ, y = r sin θ e dA = r dr dθ (non dimenticare il fattore r).

Derivate seconde

fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0

Discriminante

D = (−18)·(−2) − 0² = 36
→ massimo locale

Risposta

D = 36
7.Equazioni differenziali

Risposta: k = 0,1212 min⁻¹

Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.

Rapporto delle differenze di temperatura

e−18k = 7/62

Risolvi per k

k = ln(62/7)/18 = 0,1212 min⁻¹

Risposta

k = 0,1212 min⁻¹
8.Equazioni differenziali

Risposta: m = 3,161 kg

Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.

Imposta l’equazione

dm/dt = 10·0,05 − (10/100)·m = 0,5 − 0,1·m

Risolvi

Il fattore integrante è ert/V; la soluzione tende all’equilibrio c·V.

m(t) = 5 + (−5)·e−t/10

Sostituisci t

m(10) = 5 + (−5)·0,3679 = 3,161 kg

Risposta

m = 3,161 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2