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→∞ (√(4x2 + 5x) − 2x) を求めなさい。

f(x) = √(4x2 + 5x) − 2xx → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 ln(1 + 2x)/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 + 2x)/sin(4x)x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 2

f(x) = ln(2x2 + 4) とします。f′(2) を求めなさい。

f(x) = ln(2x2 + 4)x = 2
f′(2) =
4.微分むずかしい
xyx = 3

f(x) = 3x2 + 5x − 1 の x = 3 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 + 5x − 1x = 3
b =
5.最適化ふつう
道路側: €25/m€12/myyx

200 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 €25、ほかの 3 辺は 1 m あたり €12 かかります。 総費用の最小値 C を求めなさい。

A = 200 m²€25/m€12/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 = 170 − 0.5q ユーロ、費用は C(q) = 2400 + 60q 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 = 170 − 0.5qC = 2400 + 60q
q = 個
7.積分ふつう
xy1y = x·cos x

I = ∫₀1 x·cos x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀1 x·cos x dx
I =
8.積分むずかしい
xyy = 0.5x2​y = x

y = 0.5x2 と y = x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 0.5x2y = x
A =

3溶液

1.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)。

共役な式を掛ける

f(x) = 5x/(√(4x2 + 5x) + 2x)

x で割る

f(x) = 5/(√(4 + 5/x) + 2)

x → ∞ とする

L = 5/(2 + 2) = 1.25

答え

L = 1.25
2.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)。

ロピタルの定理

L = limx→0 [2/(1 + 2x)]/[4·cos 4x]

x = 0 を代入する

L = 2/4 = 0.5

答え

L = 0.5
3.微分

答え: f′(2) = 0.6667

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。

対数の連鎖律

f′(x) = 4x/(2x2 + 4)

代入する

f′(2) = 8/12 = 0.6667

答え

f′(2) = 0.6667
4.微分

答え: b = −28

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(3) = 41
f′(x) = 6x + 5 → f′(3) = 23

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 41 − 23·3 = −28

答え

b = −28
5.最適化

答え: C = 842.9 €

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) = 37x + 4800/x

導関数をゼロとおく

C″(x) = 9600/x³ > 0 なので、これは最小です。

x = √(4800/37) = 11.39 m
y = 200/11.39 = 17.56 m

最小費用

C = 37·11.39 + 4800/11.39 = €842.9

答え

C = €842.9
6.最適化

答え: q = 110 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) = (170 − 0.5q)·q − (2400 + 60q) = −0.5q2 + 110q − 2400

導関数をゼロとおく

P″(q) = −1 < 0 なので、これは最大です。

q = 110/1 = 110

価格と利益

p = 170 − 0.5·110 = €115
P = 110·110 − 0.5·110² − 2400 = €3650

答え

q = 110
7.積分

答え: I = 0.3818

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

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0.3818

答え

I = 0.3818
8.積分

答え: A = 0.6667

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。

交点

0.5x2 = x → x = 0, x = 2

上から下を引いて積分する

A = [0.5x2 − 0.1667x3]02 = 0.6667

答え

A = 0.6667

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