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: lim_x→∞ (1 + a/x)^bx = e^ab
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

式の構造を見分けます：和、積、商、または合成関数。
x の各累乗にべき乗の微分法を適用します。
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。
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: ∫_a^b 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: ∫_a^b (f − g) dx

解き方

できれば被積分関数を簡単な項の和に書き直します。
べき乗の積分公式を適用します：∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。e^x、1/x、sin、cos には基本の積分公式を使います。
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。
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

極限 L = lim_x→∞ (−5x² − 6x − 9)/(2x² + 5x + 6) を求めなさい。

f(x) = (−5x² − 6x − 9)/(2x² + 5x + 6)x → ∞

L =

2.極限むずかしい

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

f(x) = (1 − cos 3x)/(4x²)x → 0

L =

3.微分ふつう

f(x) = x³·e^x とします。f′(0.5) を求めなさい。

f(x) = x³·e^xx = 0.5

f′(0.5) =

4.微分むずかしい

f(x) = x³ − 3x + 3 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x³ − 3x + 3

x =

5.最適化ふつう

ふたと底のある円柱形の缶に 330 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。表面積の最小値 A を求めなさい。

V = 330 cm³

A = cm²

6.最適化むずかしい

ある劇場では 1 公演あたり 1000 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）。売上高が最大になるチケット価格 p を求めなさい。

1000 × €1250 / €1

p = €

7.積分ふつう

I = ∫₀² 2x·(x² + 1)² dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 2]

I =

8.積分むずかしい

放物線 y = 9 − x² と x 軸で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 9 − x²

A =

3溶液

1.極限

答え: L = −2.5

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）。

最高次の累乗で割る

(−5 + (−6)/x + (−9)/x²)/(2 + 5/x + 6/x²)

x → ∞ とする

L = −5/2 = −2.5

答え

L = −2.5

次数が等しければ、極限は最高次の係数の比になります。

2.極限

答え: L = 1.125

1 回目の適用

3·sin 3x/(8x) → 0/0

2 回目の適用

9·cos 3x/8

x = 0 を代入する

L = 9/8 = 1.125

答え

L = 1.125

3.微分

答え: f′(0.5) = 1.443

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

f′(x) = u′v + uv′ = e^x·(3x² + 1·x³)

代入する

f′(0.5) = 1.649·(0.75 + 0.125) = 1.443

答え

f′(0.5) = 1.443

4.微分

答え: x = −1

導関数

f′(x) = 3x² − 3 = 3·(x² − 1)

f′(x) = 0 を解く

x = −1 または x = 1

どちらがどちらか

f″(x) = 6x：極大では負、極小では正。

f″(−1) = −6, f″(1) = 6

x = −1

答え

x = −1

5.最適化

答え: A = 264.4 cm²

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 = 330/(πr²)

A(r) = 2πr² + 660/r

導関数をゼロとおく

A″(r) = 4π + 1320/r³ > 0 なので、これは最小です。

4πr − 660/r² = 0 → r = ∛(330/(2π)) = 3.745 cm

高さと面積

h = 330/(π·3.745²) = 2r = 7.49 cm

A = 2π·3.745² + 660/3.745 = 264.4 cm²

答え

A = 264.4 cm²

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: p = 16 €

価格の関数としての売上高

n(p) = 1600 − 50p

R(p) = 1600p − 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 = 1600/100 = €16

最大売上高

n = 1600 − 50·16 = 800

R = 16·800 = €12800

答え

p = €16

7.積分

答え: I = 41.33

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。

置換積分

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁⁵ u² du

積分して代入する

I = [u³/3]₁⁵ = (125 − 1)/3 = 41.33

答え

I = 41.33

8.積分

答え: A = 36

零点

9 − x² = 0 → x = ±3

積分する

A = [9x − x³/3]₋₃³ = 18 − (−18) = 36

答え

A = 36

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