Analisi 2: pacchetto last-minute

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

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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
xy4y = √(x)

La regione sotto y = √(x) da x = 0 a x = 4 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un paraboloide).

y = √(x)0 ≤ x ≤ 4
V =
2.IntegraliDifficile
xy3y = x²eˣ

Calcola I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
3.Successioni e serieMedia
kSn​12345678910S = ?

Trova la somma S = Σk=1∞ 2/(k(k + 4)).

ak = 2/(k(k + 4))
S =
4.Successioni e serieDifficile
xyfP₃0,4

Usa il polinomio di Maclaurin di grado 3 di f(x) = 1/(1 − x) per approssimare f(0,4). Dai P₃(0,4).

f(x) = 1/(1 − x)n = 3x = 0,4
P₃(0.4) =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy1−1P

Il piano tangente a z = x³y² + 3x³ − 2y² − 4xy nel punto in cui (x, y) = (1, −1) si può scrivere come z = px + qy + c. Trova c.

f(x, y) = x³y² + 3x³ − 2y² − 4xy(a, b) = (1, −1)
c =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

Trova i punti critici di f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy, classificali e dai il valore fmin di f nel suo minimo locale.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)13Ta​T = ?

Una tazza di caffè a 93 °C viene lasciata in una stanza a 21 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,04 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 13 min.

T0 = 93 °CTa = 21 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 13 min
T = °C
8.Equazioni differenzialiDifficile
ty1,5y(1,5) = ?

Risolvi y′ + y = 9e−2t con y(0) = 0. Trova y(1,5).

y′ + y = 9e−2ty(0) = 0
y(1.5) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: V = 25,13

Volumi di rotazione: ruotando attorno all’asse x la regione sotto y = f(x) da x = a a x = b si ottiene un solido la cui sezione in x è un disco di raggio f(x). Sommando i dischi si ha V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando la regione sta tra una curva esterna R(x) e una interna r(x), ogni fetta è una rondella: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva al quadrato i raggi prima di sottrarli.

Metodo dei dischi

V = π∫₀4 x dx

Integra

V = π·1·4²/2 = 25,13

Risposta

V = 25,13
2.Integrali

Risposta: I = 98,43

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.

Primo passaggio

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Secondo passaggio

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limiti

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Risposta

I = 98,43
3.Successioni e serie

Risposta: S = 1,042

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.

Fratti semplici

2/(k(k + 4)) = (2/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Annulla

S = (2/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 1,042

Risposta

S = 1,042
4.Successioni e serie

Risposta: P₃(0.4) = 1,624

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.

Polinomio di Maclaurin

P₃(x) = 1 + x + x² + x³

Sostituisci

P₃(0,4) = 1 + 0,4 + 0,16 + 0,064 = 1,624

Risposta

P₃(0,4) = 1,624

Il valore esatto è f(0,4) = 1,666667; l’errore 0,0426667 diminuisce se prendi più termini o un punto più vicino a 0.

5.Calcolo multivariabile

Risposta: c = −12

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.

Valore e pendenze nel punto

f(1, −1) = 6
fx = 3x²y² + 9x² − 4y → fx(1, −1) = 16
fy = 2x³y − 4y − 4x → fy(1, −1) = −2

Piano tangente

z = 6 + 16(x − 1) − 2(y + 1)
z = 16x − 2y − 12

Termine costante

c = −12

Risposta

c = −12
6.Calcolo multivariabile

Risposta: fmin = −32

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).

Punti critici

Risolvi insieme fx = 0 e fy = 0.

fx = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Test delle derivate seconde

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → punto di sella
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimo locale
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimo locale

Valore nell’estremo

f(2, 2) = −32

Risposta

fmin = −32
7.Equazioni differenziali

Risposta: T = 63,81 °C

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.

Soluzione della legge di raffreddamento

T(t) = 21 + 72·e−0,04t

Sostituisci t

T(13) = 21 + 72·0,5945 = 63,81 °C

Risposta

T = 63,81 °C
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 1,56

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.

Fattore integrante

μ = et
(ety)′ = 9e−t

Soluzione generale

y = 9/(−1)·e−2t + C·e−t = −9·e−2t + C·e−t

Condizione iniziale

0 = −9 + C → C = 9

Calcola

y(1,5) = −9·0,04979 + 9·0,2231 = 1,56

Risposta

y(1,5) = 1,56

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