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
xy01

Calcola I = ∫01 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
2.IntegraliDifficile
xyy = 2x2​y = 2x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
3.Successioni e serieMedia
AΣ (4k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ 1/(4k + 1)k = 1 … ∞CΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)B: Σ 1/(4k + 1)C: Σ k!/3ᵏD: Σ (−1)ᵏ/k
  1. 1A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ 1/(4k + 1)
  3. 3C: Σ k!/3ᵏ
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/k
4.Successioni e serieDifficile

f(x) = cos x è approssimata dal suo polinomio di Maclaurin di grado 3 in x = 0,8. Usa la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = 1 per trovare il massimo errore possibile |R₃|.

f(x) = cos xn = 3x = 0,8M = 1
|R₃| =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy33P

Il piano tangente a z = −x²y² + 3x³ − 5y³ + 2xy nel punto in cui (x, y) = (3, 3) si può scrivere come z = px + qy + c. Trova c.

f(x, y) = −x²y² + 3x³ − 5y³ + 2xy(a, b) = (3, 3)
c =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xyy = 3xy = x²39

Calcola I = ∬R x dA, dove R è la regione compresa tra la parabola y = x² e la retta y = 3x.

y = x²y = 3xf = x
I =
7.Equazioni differenzialiMedia
tyy(0) = 4y(1) = ?

Risolvi y″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 4. Trova y(1).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(1) =
8.Equazioni differenzialiDifficile
xy13(1, 2)y(3) = ?

Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 3y/x = 4x2 per x > 0, con y(1) = 2. Trova y(3).

y′ + 3y/x = 4x2y(1) = 2
y(3) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 1,297

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) = e0,5x/0,5

Valuta agli estremi

I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297

Risposta

I = 1,297
2.Integrali

Risposta: A = 0,3333

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

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Integra superiore meno inferiore

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Risposta

A = 0,3333
3.Successioni e serie

Risposta: D: Σ (−1)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 (4k + 1)/(k + 2) → I termini tendono a 4, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
B: Σ 1/(4k + 1) → Si comporta come 1/(4k) per k grande; confrontata con la serie armonica, diverge.
C: Σ k!/3ᵏ → Criterio del rapporto: L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
D: Σ (−1)ᵏ/k → A segni alterni, con 1/k decrescente a 0: converge (condizionatamente).

La risposta

D: Σ (−1)ᵏ/k

Risposta

D: Σ (−1)ᵏ/k
4.Successioni e serie

Risposta: |R₃| = 0,01707

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.

Maggiorazione della derivata

M = 1

Maggiorazione di Lagrange

|R₃| ≤ 1·0,8⁴/4! = 0,01707

Risposta

|R₃| = 0,01707

L’errore vero è minore: |f(0,8) − P₃(0,8)| = 0,01671.

5.Calcolo multivariabile

Risposta: c = 333

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(3, 3) = −117
fx = −2xy² + 9x² + 2y → fx(3, 3) = 33
fy = −2x²y − 15y² + 2x → fy(3, 3) = −183

Piano tangente

z = −117 + 33(x − 3) − 183(y − 3)
z = 33x − 183y + 333

Termine costante

c = 333

Risposta

c = 333
6.Calcolo multivariabile

Risposta: I = 6,75

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).

Intersezioni

x² = 3x → x = 0, x = 3

Integrale interno

∫x²3x x dy = x(3x − x²) = 3x² − x³

Integrale esterno

I = ∫03 (3x² − x³) dx = 6,75

Risposta

I = 6,75
7.Equazioni differenziali

Risposta: y(1) = 1,056

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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Costanti dai valori iniziali

A + B = 4, −2A − 5B = 4
A = 8, B = −4

Calcola

y(1) = 8·e−2 + (−4)·e−5 = 1,056

Risposta

y(1) = 1,056
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(3) = 18,05

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)′ = 4x5 → x3y = 4x6/6 + C

Condizione iniziale

2 = 4/6 + C → C = 1,333

Calcola

y(3) = (4·36/6 + 1,333)/33 = 18,05

Risposta

y(3) = 18,05

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