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
xy15

Calcola I = ∫15 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 5]
I =
2.IntegraliDifficile
xyy = 0,5x2​y = x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
3.Successioni e serieMedia
AΣ 2/k²k = 1 … ∞BΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ k/(k + 7)k = 1 … ∞DΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.

A: Σ 2/k²B: Σ (4/5)ᵏC: Σ k/(k + 7)D: Σ 10ᵏ/k!
  1. 1A: Σ 2/k²
  2. 2B: Σ (4/5)ᵏ
  3. 3C: Σ k/(k + 7)
  4. 4D: Σ 10ᵏ/k!
4.Successioni e serieDifficile

Trova il coefficiente c₃ di (x − 1)³ nella serie di Taylor di f(x) = √x attorno ad a = 1.

f(x) = √xa = 1k = 3
c₃ =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy2−2P

Usa il piano tangente di f(x, y) = −3x³y³ + 4x² + 4y³ − 4xy in (2, −2) per approssimare f(2,1, −2,2). Dai l’approssimazione lineare L.

f(x, y) = −3x³y³ + 4x² + 4y³ − 4xy(a, b) = (2, −2)(x, y) = (2,1, −2,2)
L =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−20−20AB

I punti segnati sono i punti critici di f(x, y) = x³ + y³ + 6xy. Clicca il punto di sella.

f(x, y) = x³ + y³ + 6xy
  1. 1A (−2, −2)
  2. 2B (0, 0)
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)8Ta​56 °C

Una tazza di caffè a 95 °C viene lasciata in una stanza a 24 °C. Dopo 8 min la sua temperatura è 56 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.

T0 = 95 °CTa = 24 °CT(8) = 56 °C
k = min⁻¹
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 5ymax​ = ?

Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 9,25y = 46,25 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.

y″ + y′ + 9,25y = 46,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 8,047

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.

Primitiva

F(x) = 5·ln x

Valuta agli estremi

I = 5·(ln 5 − ln 1) = 5·ln 5 = 8,047

Risposta

I = 8,047
2.Integrali

Risposta: A = 0,6667

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

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Integra superiore meno inferiore

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Risposta

A = 0,6667
3.Successioni e serie

Risposta: C: Σ k/(k + 7)

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 2/k² → Serie armonica generalizzata con p = 2 > 1: converge.
B: Σ (4/5)ᵏ → Geometrica con r = 4/5, |r| < 1: converge.
C: Σ k/(k + 7) → I termini tendono a 1, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
D: Σ 10ᵏ/k! → Criterio del rapporto: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, converge.

La risposta

C: Σ k/(k + 7)

Risposta

C: Σ k/(k + 7)
4.Successioni e serie

Risposta: c₃ = 0,0625

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⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 0,375·x1/2 − 3

Coefficiente

c₃ = 0,375·11/2 − 3/3! = 0,0625
c₃ = 0,0625

Risposta

c₃ = 0,0625
5.Calcolo multivariabile

Risposta: L = 272,8

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(2, −2) = 192
fx = −9x²y³ + 8x − 4y → fx(2, −2) = 312
fy = −9x³y² + 12y² − 4x → fy(2, −2) = −248

Piano tangente

z = 192 + 312(x − 2) − 248(y + 2)
z = 312x − 248y − 928

Approssimazione lineare

L = 192 + 312·0,1 + (−248)·(−0,2) = 272,8

Risposta

L = 272,8

Il valore esatto è f = 289,361384; il piano è vicino perché l’incremento è piccolo.

6.Calcolo multivariabile

Risposta: B (0, 0)

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

Il punto

B (0, 0): punto di sella

Risposta

B (0, 0)
7.Equazioni differenziali

Risposta: k = 0,09962 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−8k = 32/71

Risolvi per k

k = ln(71/32)/8 = 0,09962 min⁻¹

Risposta

k = 0,09962 min⁻¹
8.Equazioni differenziali

Risposta: ymax = 7,962

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 = 5, r = −0,5 ± 3j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,8333

Picco

t = π/3 = 1,047
ymax = 5·(1 + e−0,5·π/3) = 7,962

Risposta

ymax = 7,962

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