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→∞ (5x2 + 5x − 5)/(5x2 + 3x + 6) を求めなさい。

f(x) = (5x2 + 5x − 5)/(5x2 + 3x + 6)x → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 ln(1 + 5x)/sin(4x) を求めなさい。x の単位はラジアンとします。

f(x) = ln(1 + 5x)/sin(4x)x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 0.5

f(x) = x2·ex とします。f′(0.5) を求めなさい。

f(x) = x2·exx = 0.5
f′(0.5) =
4.微分むずかしい
xyx = −1

f(x) = x2 − 3x + 4 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 − 3x + 4x = −1
b =
5.最適化ふつう
rh

ふたと底のある円柱形の缶に 750 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 = 750 cm³
A = cm²
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 = 130 − 2q ユーロ、費用は C(q) = 500 + 40q 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 = 130 − 2qC = 500 + 40q
q = 個
7.積分ふつう
xyπy = x·cos x

I = ∫₀π x·cos x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀π x·cos x dx
I =
8.積分むずかしい
xy4y = 4xy = x²

直線 y = 4x と放物線 y = x² の間の領域を x 軸のまわりに回転させます。立体の体積 V を求めなさい。

y = 4xy = x²
V =

3溶液

1.極限

答え: L = 1

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 + 5/x + (−5)/x2)/(5 + 3/x + 6/x2)

x → ∞ とする

L = 5/5 = 1

答え

L = 1

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 = 1.25

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)。

ロピタルの定理

L = limx→0 [5/(1 + 5x)]/[4·cos 4x]

x = 0 を代入する

L = 5/4 = 1.25

答え

L = 1.25
3.微分

答え: f′(0.5) = 2.061

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′ = ex·(2x + 1·x2)

代入する

f′(0.5) = 1.649·(1 + 0.25) = 2.061

答え

f′(0.5) = 2.061
4.微分

答え: b = 3

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) = 8
f′(x) = 2x − 3 → f′(−1) = −5

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 8 − (−5)·(−1) = 3

答え

b = 3
5.最適化

答え: A = 457 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 = 750/(πr²)
A(r) = 2πr² + 1500/r

導関数をゼロとおく

A″(r) = 4π + 3000/r³ > 0 なので、これは最小です。

4πr − 1500/r² = 0 → r = ∛(750/(2π)) = 4.924 cm

高さと面積

h = 750/(π·4.924²) = 2r = 9.847 cm
A = 2π·4.924² + 1500/4.924 = 457 cm²

答え

A = 457 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: q = 22.5 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) = (130 − 2q)·q − (500 + 40q) = −2q2 + 90q − 500

導関数をゼロとおく

P″(q) = −4 < 0 なので、これは最大です。

q = 90/4 = 22.5

価格と利益

p = 130 − 2·22.5 = €85
P = 90·22.5 − 2·22.5² − 500 = €512.5

答え

q = 22.5
7.積分

答え: I = −2

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。

u と dv を選ぶ

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

原始関数

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

極限

(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2

答え

I = −2
8.積分

答え: V = 428.9

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。

交点

4x = 1x² → x = 0, x = 4

ワッシャー法

V = π∫₀4 ((4x)² − (1x²)²) dx

積分する

V = π(16·4³/3 − 1·4⁵/5) = π·136.5 = 428.9

答え

V = 428.9

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