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 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 5]
I =
2.IntegraliDifficile
xy−22

Trova l'area A della regione tra la parabola y = 4 − x² e l'asse x.

y = 4 − x²
A =
3.Successioni e serieMedia
xx₀ = 2??R

Trova il raggio di convergenza R della serie di potenze Σk=1∞ (2k)!·(x − 2)ᵏ/(k!)².

Σ (2k)!·(x − 2)ᵏ/(k!)²x₀ = 2
R =
4.Successioni e serieDifficile

f(x) = ln(1 + x) è approssimata dal suo polinomio di Maclaurin di grado 4 in x = 0,1. Usa la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = 4! = 24 per trovare il massimo errore possibile |R₄|.

f(x) = ln(1 + x)n = 4x = 0,1M = 24
|R₄| =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy−500246vP

Per f(x, y) = 4x²y² + 2x² − 4y² + xy, trova la derivata direzionale Duf in (−1, 3) nella direzione di v = (−4, 2).

f(x, y) = 4x²y² + 2x² − 4y² + xyP = (−1, 3)v = (−4, 2)
Duf =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−202−2−101AB

I punti segnati sono i punti critici di f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 2y. Clicca il punto di sella.

f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 2y
  1. 1A (−1, −1)
  2. 2B (1, −1)
7.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)7Ta​56 °C31 °C

Una tazza di caffè a 80 °C viene lasciata in una stanza a 18 °C. Dopo 7 min la sua temperatura è 56 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 31 °C?

T0 = 80 °CTa = 18 °CT(7) = 56 °CT = 31 °C
t = min
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 5y(0,75) = ?

Risolvi y″ + 4y′ + 8y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,75); angoli in radianti.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.75) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 4,828

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) = 3·ln x

Valuta agli estremi

I = 3·(ln 5 − ln 1) = 3·ln 5 = 4,828

Risposta

I = 4,828
2.Integrali

Risposta: A = 10,67

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.

Zeri

4 − x² = 0 → x = ±2

Integra

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Risposta

A = 10,67
3.Successioni e serie

Risposta: R = 0,25

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.

Coefficienti

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, quindi R = 1/4

Raggio

R = 0,25

Risposta

R = 0,25

Il criterio del rapporto non dice nulla nei due estremi; vanno verificati separatamente.

4.Successioni e serie

Risposta: |R₄| = 2 × 10⁻⁶

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 = 4! = 24

Maggiorazione di Lagrange

|R₄| ≤ 24·0,1⁵/5! = 2 × 10⁻⁶

Risposta

|R₄| = 2 × 10⁻⁶

L’errore vero è minore: |f(0,1) − P₄(0,1)| = 1,846 × 10⁻⁶.

5.Calcolo multivariabile

Risposta: Duf = 64,85

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 = 8xy² + 4x + y → fx(−1, 3) = −73
fy = 8x²y − 8y + x → fy(−1, 3) = −1

Versore

|v| = √((−4)² + 2²) = 4,472
u = (−0,8944, 0,4472)

Prodotto scalare

Duf = (−73)·(−0,8944) + (−1)·0,4472 = 64,85

Risposta

Duf = 64,85
6.Calcolo multivariabile

Risposta: A (−1, −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 − 3) = 0
fy = −(2y + 2) = 0
(1, −1), (−1, −1)

Test delle derivate seconde

(1, −1): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → massimo locale
(−1, −1): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → punto di sella

Il punto

A (−1, −1): punto di sella

Risposta

A (−1, −1)
7.Equazioni differenziali

Risposta: t = 22,34 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(62/38)/7 = 0,06994 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(62/13)/0,06994 = 22,34 min

Risposta

t = 22,34 min
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.75) = 1,192

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 complesse

r = −2 ± 2j

Costanti

A = 5, B = 2·5/2 = 5

Calcola

y(0,75) = e−1,5(5·cos 1,5 + 5·sin 1,5) = 1,192

Risposta

y(0,75) = 1,192

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