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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
Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
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
Individua il tipo: aritmetica (differenza costante), geometrica (ragione costante), una serie notevole, una serie di potenze o un polinomio di Taylor.
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.
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.
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
Per una derivata parziale, tratta l’altra variabile come una costante e usa le regole a una variabile.
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.
Per gli estremi risolvi insieme fx = 0 e fy = 0, poi classifica ogni punto con D = fxx·fyy − fxy².
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
La regione sotto y = x da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
2.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = x.
y = x2y = x
A =
3.Successioni e serieMedia
Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.
A: Σ 1/(3ᵏ + k)B: Σ (2/5)ᵏC: Σ k/5ᵏD: Σ k/(k + 2)
1A: Σ 1/(3ᵏ + k)
2B: Σ (2/5)ᵏ
3C: Σ k/5ᵏ
4D: Σ k/(k + 2)
4.Successioni e serieDifficile
Usa il polinomio di Maclaurin di grado 3 di f(x) = sin(−x) per approssimare f(1,5). Dai P₃(1,5).
f(x) = sin(−x)n = 3x = 1,5
P₃(1.5) =
5.Calcolo multivariabileMedia
z = 5x²y³ + 2x² + 3y² + xy con x = −t + 2 e y = t² + 1. Usa la regola della catena per trovare dz/dt in t = 0.
Trova i punti critici di f(x, y) = −x² + 3xy − 3y² − 10x + 18y − 2, classificali e dai il valore fmax di f nel suo massimo locale.
f(x, y) = −x² + 3xy − 3y² − 10x + 18y − 2
fmax =
7.Equazioni differenzialiMedia
Risolvi y″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 6. Trova y(1,5).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = 6
y(1.5) =
8.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y′ + 2y = 2e−0,5t con y(0) = 1. Trova y(1).
y′ + 2y = 2e−0,5ty(0) = 1
y(1) =
3Soluzioni
1.Integrali
Risposta: V = 8,378
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∫₀2 1x² dx
Integra
V = π·1·2³/3 = 8,378
Risposta
V = 8,378
Verifica: un cono di raggio 2 e altezza 2 ha (1/3)πr²h = 8,378.
2.Integrali
Risposta: A = 0,1667
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 = x → x = 0, x = 1
Integra superiore meno inferiore
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Risposta
A = 0,1667
3.Successioni e serie
Risposta: D: Σ k/(k + 2)
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/(3ᵏ + k) → Minore di (1/3)ᵏ, una serie geometrica convergente: converge per confronto.
B: Σ (2/5)ᵏ → Geometrica con r = 2/5, |r| < 1: converge.
C: Σ k/5ᵏ → Criterio del rapporto: L = 1/5 < 1, converge.
D: Σ k/(k + 2) → I termini tendono a 1, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
La risposta
D: Σ k/(k + 2)
Risposta
D: Σ k/(k + 2)
4.Successioni e serie
Risposta: P₃(1.5) = −0,9375
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) = −x + 0,1667x³
Sostituisci
P₃(1,5) = −1,5 + 0,5625 = −0,9375
Risposta
P₃(1,5) = −0,9375
Il valore esatto è f(1,5) = −0,997495; l’errore −0,059995 diminuisce se prendi più termini o un punto più vicino a 0.
5.Calcolo multivariabile
Risposta: dz/dt = −29
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) = 2, y(0) = 1
dx/dt = −1, dy/dt = 2t = 0
Derivate parziali
fx = 10xy³ + 4x + y = 29
fy = 15x²y² + 6y + x = 68
Regola della catena
dz/dt = 29·(−1) + 68·0 = −29
Risposta
dz/dt = −29
6.Calcolo multivariabile
Risposta: fmax = 26
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).
Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.
Radici caratteristiche
(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Costanti dai valori iniziali
A + B = 3, −3A − 5B = 6
A = 10,5, B = −7,5
Calcola
y(1,5) = 10,5·e−4,5 + (−7,5)·e−7,5 = 0,1125
Risposta
y(1,5) = 0,1125
8.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,7636
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.