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 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
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 2ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ 1/(k² + 7)k = 1 … ∞CΣ k/(k + 1)k = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie diverge. Cliccala.

A: Σ 2ᵏ/k!B: Σ 1/(k² + 7)C: Σ k/(k + 1)D: Σ (−1)ᵏ/√k
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k!
  2. 2B: Σ 1/(k² + 7)
  3. 3C: Σ k/(k + 1)
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/√k
4.Successioni e serieDifficile

Riconosci la serie e trova la sua somma: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·0,82k+1/(2k + 1)!
S =
5.Calcolo multivariabileMedia
xy024024PQ

Per f(x, y) = 3 sin(−3x + 2y), trova la derivata direzionale Duf in P(2, 2) nella direzione verso Q(−1, 2).

f(x, y) = 3 sin(−3x + 2y)P = (2, 2)Q = (−1, 2)
Duf =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy−202−202ABC

I punti segnati sono i punti critici di f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy. Clicca il punto di sella.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
  1. 1A (2, 2)
  2. 2B (−2, −2)
  3. 3C (0, 0)
7.Equazioni differenzialiMedia
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Risolvi y″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 0. Trova y(1,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
8.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 1y(0,25) = ?

Risolvi y″ + 2y′ + 10y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,25); angoli in radianti.

y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.25) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 2,333

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.

Sostituzione

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Integra e valuta

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Risposta

I = 2,333
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 + 1)

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 2ᵏ/k! → Criterio del rapporto: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.
B: Σ 1/(k² + 7) → Minore di 1/k², una serie armonica generalizzata convergente: converge per confronto.
C: Σ k/(k + 1) → I termini tendono a 1, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
D: Σ (−1)ᵏ/√k → A segni alterni, con 1/√k decrescente a 0: converge (condizionatamente).

La risposta

C: Σ k/(k + 1)

Risposta

C: Σ k/(k + 1)
4.Successioni e serie

Risposta: S = 0,7174

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)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Sostituisci

x = 0,8
S = sin 0,8 = 0,7174

Risposta

S = 0,7174
5.Calcolo multivariabile

Risposta: Duf = −3,745

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 = −9 cos(−3x + 2y) → fx(2, 2) = 3,745
fy = 6 cos(−3x + 2y) → fy(2, 2) = −2,497

Versore

|v| = √((−3)² + 0²) = 3
u = (−1, 0)

Prodotto scalare

Duf = 3,745·(−1) + (−2,497)·0 = −3,745

Risposta

Duf = −3,745
6.Calcolo multivariabile

Risposta: C (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 = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Test delle derivate seconde

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → punto di sella
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimo locale
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimo locale

Il punto

C (0, 0): punto di sella

Risposta

C (0, 0)
7.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 0,1833

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.

Radice doppia

(r + 3)² = 0 → r = −3

Costanti

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 9 = 9

Calcola

y(1,5) = (3 + 9·1,5)·e−4,5 = 0,1833

Risposta

y(1,5) = 0,1833
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.25) = 0,7468

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 = −1 ± 3j

Costanti

A = 1, B = 1·1/3 = 0,3333

Calcola

y(0,25) = e−0,25(1·cos 0,75 + 0,3333·sin 0,75) = 0,7468

Risposta

y(0,25) = 0,7468

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