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
xy12,5y = x ln x

Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
2.IntegraliDifficile
xy2y = x²eˣ

Calcola I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
3.Successioni e serieMedia
AΣ k/(k + 3)k = 1 … ∞BΣ 5/k⁴k = 1 … ∞CΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 8)k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.

A: Σ k/(k + 3)B: Σ 5/k⁴C: Σ 10ᵏ/k!D: Σ 1/(k² + 8)
  1. 1A: Σ k/(k + 3)
  2. 2B: Σ 5/k⁴
  3. 3C: Σ 10ᵏ/k!
  4. 4D: Σ 1/(k² + 8)
4.Successioni e serieDifficile

Trova il coefficiente c₂ di (x − 16)² nella serie di Taylor di f(x) = √x attorno ad a = 16.

f(x) = √xa = 16k = 2
c₂ =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy−11P

Il piano tangente a z = −2x³y − 4x² − 2y² + 3xy nel punto in cui (x, y) = (−1, 1) si può scrivere come z = px + qy + c. Trova c.

f(x, y) = −2x³y − 4x² − 2y² + 3xy(a, b) = (−1, 1)
c =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xyx = 2y = x22

Calcola I = ∬T (3x + 3y) dA sul triangolo T delimitato da y = 0, x = 2 e y = x.

f = 3x + 3y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ x
I =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)13Ta​21 °C16 °C

Una lattina di bibita a 4 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 27 °C. Dopo 13 min la sua temperatura è 21 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 16 °C?

T0 = 4 °CTa = 27 °CT(13) = 21 °CT = 16 °C
t = min
8.Equazioni differenzialiDifficile
xy13(1, 0)y(3) = ?

Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 3y/x = 5x2 per x > 0, con y(1) = 0. Trova y(3).

y′ + 3y/x = 5x2y(1) = 0
y(3) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 1,551

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limiti

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Risposta

I = 1,551
2.Integrali

Risposta: I = 12,78

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

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Risposta

I = 12,78
3.Successioni e serie

Risposta: A: Σ k/(k + 3)

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 k/(k + 3) → I termini tendono a 1, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
B: Σ 5/k⁴ → Serie armonica generalizzata con p = 4 > 1: converge.
C: Σ 10ᵏ/k! → Criterio del rapporto: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ 1/(k² + 8) → Minore di 1/k², una serie armonica generalizzata convergente: converge per confronto.

La risposta

A: Σ k/(k + 3)

Risposta

A: Σ k/(k + 3)
4.Successioni e serie

Risposta: c₂ = −0,001953

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.

Derivata f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2

Coefficiente

c₂ = −0,25·161/2 − 2/2! = −0,001953
c₂ = −0,001953

Risposta

c₂ = −0,001953
5.Calcolo multivariabile

Risposta: c = 3

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) = −7
fx = −6x²y − 8x + 3y → fx(−1, 1) = 5
fy = −2x³ − 4y + 3x → fy(−1, 1) = −5

Piano tangente

z = −7 + 5(x + 1) − 5(y − 1)
z = 5x − 5y + 3

Termine costante

c = 3

Risposta

c = 3
6.Calcolo multivariabile

Risposta: I = 12

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).

Limiti

0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ x

Integrale interno

∫0x (3x + 3y) dy = 3x·x + 3·(x)²/2 = 4,5x²

Integrale esterno

I = 4,5·2³/3 = 12

Risposta

I = 12
7.Equazioni differenziali

Risposta: t = 7,136 min

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.

Costante di raffreddamento

k = ln(-23/-6)/13 = 0,1034 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(-23/(−11))/0,1034 = 7,136 min

Risposta

t = 7,136 min
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(3) = 22,47

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 = e∫3/x dx = x3

Integra

(x3y)′ = 5x5 → x3y = 5x6/6 + C

Condizione iniziale

0 = 5/6 + C → C = −0,8333

Calcola

y(3) = (5·36/6 + (−0,8333))/33 = 22,47

Risposta

y(3) = 22,47

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