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/2y = x·sin x

Calcola I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x in radianti).

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
2.IntegraliDifficile
xyy = 2x2​y = 4x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
3.Successioni e serieMedia
AΣ 1/(k(k + 2))k = 1 … ∞BΣ 1/k⁴k = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.

A: Σ 1/(k(k + 2))B: Σ 1/k⁴C: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 2))
  2. 2B: Σ 1/k⁴
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Successioni e serieDifficile

Riconosci la serie e trova la sua somma: S = Σk=1∞ (−1)k+1/k.

ak = (−1)k+1/k
S =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy10,5P

Usa il piano tangente di f(x, y) = ln(x² + 3y²) in (1, 0,5) per approssimare f(1,2, 0,4). Dai l’approssimazione lineare L.

f(x, y) = ln(x² + 3y²)(a, b) = (1, 0,5)(x, y) = (1,2, 0,4)
L =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xyy = 1,5y = x1,51,5

L’integrale I = ∫01,5 ∫x1,5 cos(y²) dy dx non si può calcolare in questo ordine. Inverti l’ordine di integrazione e calcolalo.

f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,5
I =
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)11Ta​245 °C

Un pezzo d’acciaio forgiato a 300 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 24 °C. Dopo 11 min la sua temperatura è 245 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.

T0 = 300 °CTa = 24 °CT(11) = 245 °C
k = min⁻¹
8.Equazioni differenzialiDifficile
xy12(1, 3)y(2) = ?

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

y′ + 2y/x = xy(1) = 3
y(2) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 1

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

(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

Risposta

I = 1
2.Integrali

Risposta: A = 2,667

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 = 4x → x = 0, x = 2

Integra superiore meno inferiore

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Risposta

A = 2,667
3.Successioni e serie

Risposta: D: 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 1/(k(k + 2)) → Minore di 1/k²: converge per confronto.
B: Σ 1/k⁴ → Serie armonica generalizzata con p = 4 > 1: converge.
C: Σ (−1)ᵏ/k → A segni alterni, con 1/k decrescente a 0: converge (condizionatamente).
D: Σ ln k / k → Maggiore di 1/k per k ≥ 3: diverge per confronto con la serie armonica.

La risposta

D: Σ ln k / k

Risposta

D: Σ ln k / k
4.Successioni e serie

Risposta: S = 0,6931

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 (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Sostituisci

x = 1
S = ln 2 = 0,6931

Risposta

S = 0,6931
5.Calcolo multivariabile

Risposta: L = 0,6168

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, 0,5) = 0,5596
fx = 2x/(x² + 3y²) → fx(1, 0,5) = 1,143
fy = 6y/(x² + 3y²) → fy(1, 0,5) = 1,714

Piano tangente

z = 0,5596 + 1,143(x − 1) + 1,714(y − 0,5)
z = 1,143x + 1,714y − 1,44

Approssimazione lineare

L = 0,5596 + 1,143·0,2 + 1,714·(−0,1) = 0,6168

Risposta

L = 0,6168

Il valore esatto è f = 0,652325; il piano è vicino perché l’incremento è piccolo.

6.Calcolo multivariabile

Risposta: I = 0,389

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).

Regione

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,5

Ordine invertito

I = ∫01,5 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01,5 y·cos(y²) dy

Sostituzione u = y²

I = [sin(y²)/2]01,5 = 0,389

Risposta

I = 0,389
7.Equazioni differenziali

Risposta: k = 0,0202 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−11k = 221/276

Risolvi per k

k = ln(276/221)/11 = 0,0202 min⁻¹

Risposta

k = 0,0202 min⁻¹
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(2) = 1,688

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∫2/x dx = x2

Integra

(x2y)′ = x3 → x2y = 1x4/4 + C

Condizione iniziale

3 = 1/4 + C → C = 2,75

Calcola

y(2) = (1·24/4 + 2,75)/22 = 1,688

Risposta

y(2) = 1,688

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