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
xyπ/3y = x·cos x

Calcola I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x in radianti).

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
2.IntegraliDifficile
xyy = 0,5x2​y = 3x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 3x.

y = 0,5x2y = 3x
A =
3.Successioni e serieMedia
AΣ ln k / kk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ 3/kk = 1 … ∞DΣ k/(k + 2)k = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

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

f(x) = sin x è approssimata in x = 0,5 dal suo polinomio di Maclaurin di grado n. Con la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 1, trova il grado minimo n che garantisce un errore inferiore a 0,0005.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy0505vP

Per f(x, y) = 3x³y³ − 5x² + 5y³, trova la derivata direzionale Duf in (1, 3) nella direzione di v = (−3, 4).

f(x, y) = 3x³y³ − 5x² + 5y³P = (1, 3)v = (−3, 4)
Duf =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−202−202AB

I punti segnati sono i punti critici di f(x, y) = x³ − 12x + y² + 2y. Clicca il minimo locale.

f(x, y) = x³ − 12x + y² + 2y
  1. 1A (−2, −1)
  2. 2B (2, −1)
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)40Ta​T = ?

Un pezzo d’acciaio forgiato a 480 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 20 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,05 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 40 min.

T0 = 480 °CTa = 20 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 40 min
T = °C
8.Equazioni differenzialiDifficile
ty0,5y(0,5) = ?

Risolvi y′ + 3y = 7e−0,5t con y(0) = 1. Trova y(0,5).

y′ + 3y = 7e−0,5ty(0) = 1
y(0.5) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 0,4069

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 = cos x dx, v = sin x

Primitiva

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limiti

(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069

Risposta

I = 0,4069
2.Integrali

Risposta: A = 18

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 = 3x → x = 0, x = 6

Integra superiore meno inferiore

A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18

Risposta

A = 18
3.Successioni e serie

Risposta: B: 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 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 3/k → Un multiplo della serie armonica (p = 1): diverge.
D: Σ k/(k + 2) → I termini tendono a 1, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.

La risposta

B: Σ (−1)ᵏ/√k

Risposta

B: Σ (−1)ᵏ/√k
4.Successioni e serie

Risposta: n = 4

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.

n(n + 1)!maggiorazione010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

Maggiorazioni al crescere di n

n = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005

Grado minimo

n = 4

Risposta

n = 4
5.Calcolo multivariabile

Risposta: Duf = 33

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.

Gradiente nel punto

fx = 9x²y³ − 10x → fx(1, 3) = 233
fy = 9x³y² + 15y² → fy(1, 3) = 216

Versore

|v| = √((−3)² + 4²) = 5
u = (−0,6, 0,8)

Prodotto scalare

Duf = 233·(−0,6) + 216·0,8 = 33

Risposta

Duf = 33
6.Calcolo multivariabile

Risposta: B (2, −1)

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 − 12) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(2, −1), (−2, −1)

Test delle derivate seconde

(2, −1): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → minimo locale
(−2, −1): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → punto di sella

Il punto

B (2, −1): minimo locale

Risposta

B (2, −1)
7.Equazioni differenziali

Risposta: T = 82,25 °C

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.

Soluzione della legge di raffreddamento

T(t) = 20 + 460·e−0,05t

Sostituisci t

T(40) = 20 + 460·0,1353 = 82,25 °C

Risposta

T = 82,25 °C
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.5) = 1,779

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 = e3t
(e3ty)′ = 7e2,5t

Soluzione generale

y = 7/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 2,8·e−0,5t + C·e−3t

Condizione iniziale

1 = 2,8 + C → C = −1,8

Calcola

y(0,5) = 2,8·0,7788 + (−1,8)·0,2231 = 1,779

Risposta

y(0,5) = 1,779

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