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→∞ (x2 − x + 8)/(2x2 + 3x + 7) を求めなさい。

f(x) = (x2 − x + 8)/(2x2 + 3x + 7)x → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

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

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

f(x) = (4x + 1)4 とします。f′(0) を求めなさい。

f(x) = (4x + 1)4x = 0
f′(0) =
4.微分むずかしい
xyx = −1

f(x) = 3x2 − x − 3 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) = 3x2 − x − 3x = −1
b =
5.最適化ふつう
道路側: €40/m€5/myyx

1200 m² の長方形の土地の 4 辺すべてに柵を設けます。道路に面した長さ x の辺は 1 m あたり €40、ほかの 3 辺は 1 m あたり €5 かかります。 総費用の最小値 C を求めなさい。

A = 1200 m²€40/m€5/m
C = €
6.最適化むずかしい
qP(q)最大

ある会社は週に q 個を販売します。販売できる価格は 1 個あたり p = 70 − 0.1q ユーロ、費用は C(q) = 4500 + 10q ユーロです。 利益が最大になる週の生産量 q を求めなさい。

p = 70 − 0.1qC = 4500 + 10q
q = 個
7.積分ふつう
xy1y = √(x)

y = √(x) の下の x = 0 から x = 1 までの領域を x 軸のまわりに回転させます。立体(放物面体)の体積 V を求めなさい。

y = √(x)0 ≤ x ≤ 1
V =
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)。

最高次の累乗で割る

(1 + (−1)/x + 8/x2)/(2 + 3/x + 7/x2)

x → ∞ とする

L = 1/2 = 0.5

答え

L = 0.5

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 = 2

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/(8x) → 0/0

2 回目の適用

16·cos 4x/8

x = 0 を代入する

L = 16/8 = 2

答え

L = 2
3.微分

答え: f′(0) = 16

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。

連鎖律

f′(x) = 4·(4x + 1)3·4

代入する

f′(0) = 4·13·4 = 16

答え

f′(0) = 16
4.微分

答え: b = −6

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) = 1
f′(x) = 6x − 1 → f′(−1) = −7

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − (−7)·(−1) = −6

答え

b = −6
5.最適化

答え: C = 1470 €

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。

x の関数としての費用

C(x) = 45x + 12000/x

導関数をゼロとおく

C″(x) = 24000/x³ > 0 なので、これは最小です。

x = √(12000/45) = 16.33 m
y = 1200/16.33 = 73.48 m

最小費用

C = 45·16.33 + 12000/16.33 = €1470

答え

C = €1470
6.最適化

答え: q = 300 個

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。

利益関数

P(q) = (70 − 0.1q)·q − (4500 + 10q) = −0.1q2 + 60q − 4500

導関数をゼロとおく

P″(q) = −0.2 < 0 なので、これは最大です。

q = 60/0.2 = 300

価格と利益

p = 70 − 0.1·300 = €40
P = 60·300 − 0.1·300² − 4500 = €4500

答え

q = 300
7.積分

答え: V = 1.571

回転体の体積:x = a から x = b までの y = f(x) の下の領域を x 軸のまわりに回転させると、x での断面が半径 f(x) の円板である立体ができます。円板を足し合わせると V = π∫ₐᵇ f(x)² dx になります。領域が外側の曲線 R(x) と内側の曲線 r(x) の間にあるときは、各スライスはワッシャー(円環)で、V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx です。引く前に半径を 2 乗しましょう。

円板法

V = π∫₀1 x dx

積分する

V = π·1·1²/2 = 1.571

答え

V = 1.571
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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