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
xy1y = x·sin x

Calcola I = ∫₀1 x·sin x dx (x in radianti).

∫₀1 x·sin x dx
I =
2.IntegraliDifficile
xy2,5y = x²eˣ

Calcola I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
3.Successioni e serieMedia
AΣ ln k / kk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ k²/2ᵏk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.

A: Σ ln k / kB: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 1/(3ᵏ + k)D: Σ k²/2ᵏ
  1. 1A: Σ ln k / k
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 1/(3ᵏ + k)
  4. 4D: Σ k²/2ᵏ
4.Successioni e serieDifficile

Riconosci la serie e trova la sua somma: S = Σk=0∞ 1,5ᵏ/k!.

ak = 1,5ᵏ/k!
S =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy0,51∇fP

Per f(x, y) = 2x³ey, trova la massima velocità di variazione di f nel punto (0,5, 1), cioè |∇f|.

f(x, y) = 2x³eyP = (0,5, 1)
|∇f| =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−20−20(0, 0)(−2, −2)

Trova i punti critici di f(x, y) = x³ + y³ + 6xy, classificali e dai il valore fmax di f nel suo massimo locale.

f(x, y) = x³ + y³ + 6xy
fmax =
7.Equazioni differenzialiMedia
tyy(0) = 2y(2) = ?

Risolvi y″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = -2. Trova y(2).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(2) =
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 1y(0,75) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 17y = 17 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,75); angoli in radianti.

y″ + 2y′ + 17y = 17y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 0,3012

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

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

Risposta

I = 0,3012
2.Integrali

Risposta: I = 37,59

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

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Risposta

I = 37,59
3.Successioni e serie

Risposta: A: Σ ln k / k

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 ln k / k → Maggiore di 1/k per k ≥ 3: diverge per confronto con la serie armonica.
B: Σ (−1)ᵏ/k → A segni alterni, con 1/k decrescente a 0: converge (condizionatamente).
C: Σ 1/(3ᵏ + k) → Minore di (1/3)ᵏ, una serie geometrica convergente: converge per confronto.
D: Σ k²/2ᵏ → Criterio del rapporto: L = 1/2 < 1, converge.

La risposta

A: Σ ln k / k

Risposta

A: Σ ln k / k
4.Successioni e serie

Risposta: S = 4,482

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.

Serie notevoli

Σ xᵏ/k! = eˣ

Sostituisci

x = 1,5
S = e1,5 = 4,482

Risposta

S = 4,482
5.Calcolo multivariabile

Risposta: |∇f| = 4,134

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.

Derivate parziali

fx = 6x²ey → fx(0,5, 1) = 4,077
fy = 2x³ey → fy(0,5, 1) = 0,6796

Lunghezza del gradiente

|∇f| = √(4,077² + 0,6796²) = 4,134

Risposta

|∇f| = 4,134
6.Calcolo multivariabile

Risposta: fmax = 8

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 = 3x² + 6y = 0
fy = 3y² + 6x = 0
(0, 0), (−2, −2)

Test delle derivate seconde

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 6, D = −36 → punto di sella
(−2, −2): fxx = −12, fyy = −12, fxy = 6, D = 108 → massimo locale

Valore nell’estremo

f(−2, −2) = 8

Risposta

fmax = 8
7.Equazioni differenziali

Risposta: y(2) = 0,01353

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 + 4) = 0 → r = −3, −4

Costanti dai valori iniziali

A + B = 2, −3A − 4B = -2
A = 6, B = −4

Calcola

y(2) = 6·e−6 + (−4)·e−8 = 0,01353

Risposta

y(2) = 0,01353
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.75) = 1,451

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.

Valore a regime e radici

yss = 1, r = −1 ± 4j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −0,25

Calcola

y(0,75) = 1·(1 − e−0,75(cos 3 + 0,25·sin 3)) = 1,451

Risposta

y(0,75) = 1,451

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