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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
Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
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
Individua il tipo: aritmetica (differenza costante), geometrica (ragione costante), una serie notevole, una serie di potenze o un polinomio di Taylor.
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.
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.
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
Per una derivata parziale, tratta l’altra variabile come una costante e usa le regole a una variabile.
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.
Per gli estremi risolvi insieme fx = 0 e fy = 0, poi classifica ogni punto con D = fxx·fyy − fxy².
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
La regione sotto y = √(4x) da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un paraboloide).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 2
V =
2.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
3.Successioni e serieMedia
Trova il raggio di convergenza R della serie di potenze Σk=1∞ k²·5ᵏ·xᵏ.
Σ k²·5ᵏ·xᵏx₀ = 0
R =
4.Successioni e serieDifficile
f(x) = ln(1 + x) è approssimata dal suo polinomio di Maclaurin di grado 3 in x = 0,1. Usa la maggiorazione di Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = 3! = 6 per trovare il massimo errore possibile |R₃|.
f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0,1M = 6
|R₃| =
5.Calcolo multivariabileMedia
Il piano tangente a z = −xy − 2x³ + 4y² nel punto in cui (x, y) = (−1, 3) si può scrivere come z = px + qy + c. Trova c.
f(x, y) = −xy − 2x³ + 4y²(a, b) = (−1, 3)
c =
6.Calcolo multivariabileDifficile
I punti segnati sono i punti critici di f(x, y) = x³ + y³ + 3xy. Clicca il massimo locale.
f(x, y) = x³ + y³ + 3xy
1A (0, 0)
2B (−1, −1)
7.Equazioni differenzialiMedia
Una lattina di bibita a 3 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 29 °C. Dopo 6 min la sua temperatura è 12 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 7 °C?
T0 = 3 °CTa = 29 °CT(6) = 12 °CT = 7 °C
t = min
8.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 3y/x = 4x2 per x > 0, con y(1) = −1. Trova y(2).
y′ + 3y/x = 4x2y(1) = −1
y(2) =
3Soluzioni
1.Integrali
Risposta: V = 25,13
Volumi di rotazione: ruotando attorno all’asse x la regione sotto y = f(x) da x = a a x = b si ottiene un solido la cui sezione in x è un disco di raggio f(x). Sommando i dischi si ha V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando la regione sta tra una curva esterna R(x) e una interna r(x), ogni fetta è una rondella: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva al quadrato i raggi prima di sottrarli.
Metodo dei dischi
V = π∫₀2 4x dx
Integra
V = π·4·2²/2 = 25,13
Risposta
V = 25,13
2.Integrali
Risposta: I = 3,602
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.
Primo passaggio
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Secondo passaggio
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limiti
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Risposta
I = 3,602
3.Successioni e serie
Risposta: R = 0,2
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/ck+1 = (1/5)·(k/(k + 1))² → 1/5
Raggio
R = 0,2
Risposta
R = 0,2
Il criterio del rapporto non dice nulla nei due estremi; vanno verificati separatamente.
4.Successioni e serie
Risposta: |R₃| = 2,5 × 10⁻⁵
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 = 3! = 6
Maggiorazione di Lagrange
|R₃| ≤ 6·0,1⁴/4! = 2,5 × 10⁻⁵
Risposta
|R₃| = 2,5 × 10⁻⁵
L’errore vero è minore: |f(0,1) − P₃(0,1)| = 2,315 × 10⁻⁵.
5.Calcolo multivariabile
Risposta: c = −43
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, 3) = 41
fx = −y − 6x² → fx(−1, 3) = −9
fy = −x + 8y → fy(−1, 3) = 25
Piano tangente
z = 41 − 9(x + 1) + 25(y − 3)
z = −9x + 25y − 43
Termine costante
c = −43
Risposta
c = −43
6.Calcolo multivariabile
Risposta: B (−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 + 3y = 0
fy = 3y² + 3x = 0
(0, 0), (−1, −1)
Test delle derivate seconde
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 3, D = −9 → punto di sella
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(-26/-17)/6 = 0,07081 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(-26/(−22))/0,07081 = 2,359 min
Risposta
t = 2,359 min
8.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 5,125
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.