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
xy26

Calcola I = ∫26 3/x dx.

f(x) = 3/x[2, 6]
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 k/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ k/3ᵏk = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ 1/kk = 1 … ∞

Esattamente una delle quattro serie converge. Cliccala.

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

Trova il coefficiente c₄ di (x − 2)⁴ nella serie di Taylor di f(x) = 1/x attorno ad a = 2.

f(x) = 1/xa = 2k = 4
c₄ =
5.Calcolo multivariabileMedia

z = 5 sin(−x + 2y) con x = 3t − 1 e y = −2t². Usa la regola della catena per trovare dz/dt in t = 0.

z = 5 sin(−x + 2y)x = 3t − 1y = −2t²t = 0
dz/dt =
6.Calcolo multivariabileDifficile
xy2

Usa le coordinate polari per calcolare I = ∬R √(x² + y²) dA, dove R è la metà superiore del disco x² + y² ≤ 4 (y ≥ 0).

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π
I =
7.Equazioni differenzialiMedia
tyy(0) = 5y(1) = ?

Risolvi y″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 1. Trova y(1).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(1) =
8.Equazioni differenzialiDifficile
xy12(1, 5)y(2) = ?

Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 2y/x = 4x per x > 0, con y(1) = 5. Trova y(2).

y′ + 2y/x = 4xy(1) = 5
y(2) =

3Soluzioni

1.Integrali

Risposta: I = 3,296

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 6 − ln 2) = 3·ln 3 = 3,296

Risposta

I = 3,296
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 k/3ᵏ

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 k/(k + 2) → I termini tendono a 1, non a 0: diverge per il criterio del termine n-esimo.
B: Σ k/3ᵏ → Criterio del rapporto: L = 1/3 < 1, converge.
C: Σ ln k / k → Maggiore di 1/k per k ≥ 3: diverge per confronto con la serie armonica.
D: Σ 1/k → Un multiplo della serie armonica (p = 1): diverge.

La risposta

B: Σ k/3ᵏ

Risposta

B: Σ k/3ᵏ
4.Successioni e serie

Risposta: c₄ = 0,03125

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.

Derivata f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = 24/x⁵

Coefficiente

c₄ = 24/(2⁵·24) = 0,03125
c₄ = 0,03125

Risposta

c₄ = 0,03125
5.Calcolo multivariabile

Risposta: dz/dt = −8,105

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.

Punto e velocità di variazione

x(0) = −1, y(0) = 0
dx/dt = 3, dy/dt = −4t = 0

Derivate parziali

fx = −5 cos(−x + 2y) = −2,702
fy = 10 cos(−x + 2y) = 5,403

Regola della catena

dz/dt = (−2,702)·3 + 5,403·0 = −8,105

Risposta

dz/dt = −8,105
6.Calcolo multivariabile

Risposta: I = 8,378

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).

Forma polare

I = ∫0π ∫02 r·r dr dθ

Integra

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 8,378

Risposta

I = 8,378
7.Equazioni differenziali

Risposta: y(1) = 0,7525

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 caratteristiche

(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Costanti dai valori iniziali

A + B = 5, −3A − 4B = 1
A = 21, B = −16

Calcola

y(1) = 21·e−3 + (−16)·e−4 = 0,7525

Risposta

y(1) = 0,7525
8.Equazioni differenziali

Risposta: y(2) = 5

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)′ = 4x3 → x2y = 4x4/4 + C

Condizione iniziale

5 = 4/4 + C → C = 4

Calcola

y(2) = (4·24/4 + 4)/22 = 5

Risposta

y(2) = 5

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