微分積分学 I:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

極限

直接代入
まず x = a を代入する。0/0 なら式を簡単にする
因数分解して約分
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
共役な式
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
無限大での極限
x の最高次の累乗で割る。次数が等しければ最高次の係数の比になる
特別な極限
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
ロピタルの定理
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

微分

べき乗の微分
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
積の法則
(uv)′ = u′v + uv′
商の微分法
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
連鎖律
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
主な導関数
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

解き方

  1. 式の構造を見分けます:和、積、商、または合成関数。
  2. x の各累乗にべき乗の微分法を適用します。
  3. 必要に応じて積の微分法、商の微分法、合成関数の微分法を使います。
  4. 整理し、指定があればその点での値を求めます。

最適化

解き方
Q(x) を 1 変数で表し、Q′(x) = 0 を解いて、Q″ または端点を調べる
最大値
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
最小値
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
ふたのある円柱
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
利益
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

積分

べき乗の微分
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定積分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
主な不定積分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲線で囲まれた面積
∫ab (f − g) dx

解き方

  1. できれば被積分関数を簡単な項の和に書き直します。
  2. べき乗の積分公式を適用します:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。ex、1/x、sin、cos には基本の積分公式を使います。
  3. 関数とその導関数が一緒に現れていたら置換積分を使います。
  4. 定積分では F(b) − F(a) を計算します。

2演習問題

1.極限ふつう
xyy = L

極限 L = limx→∞ (√(9x2 + 3x) − 3x) を求めなさい。

f(x) = √(9x2 + 3x) − 3xx → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 (1 − cos 4x)/(3x²) を求めなさい。x の単位はラジアンとします。

f(x) = (1 − cos 4x)/(3x²)x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 1

f(x) = x·sin(3x)(x はラジアン)とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = x·sin(3x)x = 1 rad
f′(1) =
4.微分むずかしい
xyx = 1

f(x) = −x2 − 5x + 6 の x = 1 における接線は、y 軸と y = b で交わります。b を求めなさい。

f(x) = −x2 − 5x + 6x = 1
b =
5.最適化ふつう
rh

ふたと底のある円柱形の缶に 355 cm³ を入れなければなりません。使う金属の量は表面積の合計に比例します。 材料が最も少なくなる半径 r を求めなさい。

V = 355 cm³
r = cm
6.最適化むずかしい
p (€)R(p)12現在

ある劇場では 1 公演あたり 1150 枚のチケットを 1 枚 €12 で販売しています。市場調査によると、チケット価格を €1 上げるごとに販売枚数は 50 枚減ります(€1 下げるごとに 50 枚増えます)。 1 公演あたりの最大売上高 R を求めなさい。

1150 × €1250 / €1
R = €
7.積分ふつう
xy03

I = ∫03 e2x dx を計算しなさい。

f(x) = e2x[0, 3]
I =
8.積分むずかしい
xy1y = x²eˣ

I = ∫₀1 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀1 x²eˣ dx
I =

3溶液

1.極限

答え: L = 0.5

極限:まず直接代入してみます。0/0 になる場合は、先に式を簡単にします:因数分解して共通因数を約分するか、共役な式を掛けます。x → ∞ では、分子と分母を x の最高次の累乗で割ります。ロピタルの定理:f/g が 0/0 または ∞/∞ になるなら、lim f/g = lim f′/g′ です。分子と分母を別々に微分します(商の微分法は使いません)。

共役な式を掛ける

f(x) = 3x/(√(9x2 + 3x) + 3x)

x で割る

f(x) = 3/(√(9 + 3/x) + 3)

x → ∞ とする

L = 3/(3 + 3) = 0.5

答え

L = 0.5
2.極限

答え: L = 2.667

極限:まず直接代入してみます。0/0 になる場合は、先に式を簡単にします:因数分解して共通因数を約分するか、共役な式を掛けます。x → ∞ では、分子と分母を x の最高次の累乗で割ります。ロピタルの定理:f/g が 0/0 または ∞/∞ になるなら、lim f/g = lim f′/g′ です。分子と分母を別々に微分します(商の微分法は使いません)。

1 回目の適用

4·sin 4x/(6x) → 0/0

2 回目の適用

16·cos 4x/6

x = 0 を代入する

L = 16/6 = 2.667

答え

L = 2.667
3.微分

答え: f′(1) = −2.829

微分:導関数 f′(x) は x におけるグラフの傾きです。べき乗の法則:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。積の法則:(uv)′ = u′v + uv′。連鎖律:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。f′(x) = 0 のところではグラフの接線が水平になり、極大・極小・鞍点のいずれかです。

積の法則と連鎖律

f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)

代入する

f′(1) = 0.1411 + 3·(−0.99) = −2.829

答え

f′(1) = −2.829
4.微分

答え: b = 7

微分:導関数 f′(x) は x におけるグラフの傾きです。べき乗の法則:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。積の法則:(uv)′ = u′v + uv′。連鎖律:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。f′(x) = 0 のところではグラフの接線が水平になり、極大・極小・鞍点のいずれかです。

接点と傾き

f(1) = 0
f′(x) = −2x − 5 → f′(1) = −7

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − (−7)·1 = 7

答え

b = 7
5.最適化

答え: r = 3.837 cm

最適化:最適化したい量を、制約条件でもう一方の変数を消去して 1 変数の関数で表します。導関数をゼロとおいて解きます。その臨界点が最大か最小か(2 階導関数、または 1 階導関数の符号の変化)、また許される範囲の内側にあるかを確認します。辺の長さがゼロになるような端点は答えではありません。

r の関数としての面積

h = 355/(πr²)
A(r) = 2πr² + 710/r

導関数をゼロとおく

A″(r) = 4π + 1420/r³ > 0 なので、これは最小です。

4πr − 710/r² = 0 → r = ∛(355/(2π)) = 3.837 cm

高さと面積

h = 355/(π·3.837²) = 2r = 7.674 cm
A = 2π·3.837² + 710/3.837 = 277.5 cm²

答え

r = 3.837 cm

最も経済的なふたつきの缶は、高さと直径が等しくなります:h = 2r。

6.最適化

答え: R = 15313 €

最適化:最適化したい量を、制約条件でもう一方の変数を消去して 1 変数の関数で表します。導関数をゼロとおいて解きます。その臨界点が最大か最小か(2 階導関数、または 1 階導関数の符号の変化)、また許される範囲の内側にあるかを確認します。辺の長さがゼロになるような端点は答えではありません。

価格の関数としての売上高

n(p) = 1750 − 50p
R(p) = 1750p − 50p²

導関数をゼロとおく

R″(p) = −100 < 0 なので、これは最大です。

p = 1750/100 = €17.5

最大売上高

n = 1750 − 50·17.5 = 875
R = 17.5·875 = €15313

答え

R = €15313
7.積分

答え: I = 201.2

定積分:∫ₐᵇ f(x) dx は、a から b までのグラフと x 軸の間の符号付き面積です。原始関数 F(F′ = f)を求め、F(b) − F(a) を計算します。べき乗の法則:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。2 曲線の間の面積は ∫(上 − 下) dx です。

原始関数

F(x) = e2x/2

上端と下端を代入する

I = (e6 − 1)/2 = (403.4 − 1)/2 = 201.2

答え

I = 201.2
8.積分

答え: I = 0.7183

部分積分:∫u·dv = u·v − ∫v·du。積の微分公式から導かれます。u には、微分すると簡単になるほうの因子(x のべき乗や ln x)を選び、dv には、積分できるほうの因子(eˣ、sin x、cos x、または u = ln x のときの x)を選びます。定積分では、u·v を両端で評価します:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。因子 x² があるときは 2 回行います。

1 回目

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

2 回目

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

極限

2.718·(1) − 1·2 = 0.7183

答え

I = 0.7183

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