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→∞ (3x3 − 2x + 8)/(3x3 + 5x + 7) を求めなさい。

f(x) = (3x3 − 2x + 8)/(3x3 + 5x + 7)x → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

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

f(x) = ln(3x2 + 2) とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = ln(3x2 + 2)x = 1
f′(1) =
4.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 + 1.5x2 − 6x + 4 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 + 1.5x2 − 6x + 4
x =
5.最適化ふつう
xhxふたなし

底面が正方形のふたのない箱に 108000 cm³ を入れなければなりません。材料をできるだけ少なく、つまり底面と 4 つの側面の面積の合計を最小にします。 高さ h を求めなさい。

V = 108000 cm³
h = cm
6.最適化むずかしい
qP(q)最大

ある小企業は製品を 1 個あたり €55 の一定の市場価格で販売しています。q 個を生産する費用は C(q) = 100 + 34q + 0.5q² ユーロです。 利益が最大になる生産量 q を求めなさい。

p = €55C = 100 + 34q + 0.5q²
q = 個
7.積分ふつう
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
8.積分むずかしい
xy1.5y = x²eˣ

I = ∫₀1.5 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀1.5 x²eˣ dx
I =

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

(3 + (−2)/x2 + 8/x3)/(3 + 5/x2 + 7/x3)

x → ∞ とする

L = 3/3 = 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 = 0.75

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 [3/(1 + 3x)]/[4·cos 4x]

x = 0 を代入する

L = 3/4 = 0.75

答え

L = 0.75
3.微分

答え: f′(1) = 1.2

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) = 6x/(3x2 + 2)

代入する

f′(1) = 6/5 = 1.2

答え

f′(1) = 1.2
4.微分

答え: x = −2

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。

導関数

f′(x) = 3x2 + 3x − 6 = 3·(x2 + x − 2)

f′(x) = 0 を解く

x = −2 または x = 1

どちらがどちらか

f″(x) = 6x + 3:極大では負、極小では正。

f″(−2) = −9, f″(1) = 9
x = −2

答え

x = −2
5.最適化

答え: h = 30 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。

x の関数としての面積

S(x) = x² + 432000/x

導関数をゼロとおく

S″(x) = 2 + 864000/x³ > 0 なので、これは最小です。

x³ = 216000 → x = 60 cm

高さと面積

h = 108000/60² = 30 cm
S = 60² + 432000/60 = 10800 cm²

答え

h = 30 cm

最適なふたのない箱の高さは、幅の半分です。

6.最適化

答え: q = 21 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) = 55q − (100 + 34q + 0.5q²) = −0.5q2 + 21q − 100

導関数をゼロとおく

P″(q) = −1 < 0 なので、これは最大です。

21 − 1q = 0 → q = 21

最大利益

P = 21·21 − 0.5·21² − 100 = €120.5

答え

q = 21
7.積分

答え: I = 156

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 u3 du

積分して代入する

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

答え

I = 156
8.積分

答え: I = 3.602

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

4.482·(1.25) − 1·2 = 3.602

答え

I = 3.602

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