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→∞ (5x3 − 2x + 1)/(x3 + 3x + 9) を求めなさい。

f(x) = (5x3 − 2x + 1)/(x3 + 3x + 9)x → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 (1 − cos 2x)/(4x²) を求めなさい。x の単位はラジアンとします。

f(x) = (1 − cos 2x)/(4x²)x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = −1

f(x) = (3x − 3)3 とします。f′(−1) を求めなさい。

f(x) = (3x − 3)3x = −1
f′(−1) =
4.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 5 とします。極小点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 5
x =
5.最適化ふつう
rh

ふたと底のある円柱形の缶に 1000 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。 材料が最も少なくなる缶の高さ h を求めなさい。

V = 1000 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 €40 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) = 1000 + 20q + 0.02q² ユーロです。 利益が最大になる生産量 q を求めなさい。

p = €40C = 1000 + 20q + 0.02q²
q = 個
7.積分ふつう
xy4y = √(x)

y = √(x) の下の x = 0 から x = 4 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 ≤ 4
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 = 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 + (−2)/x2 + 1/x3)/(1 + 3/x2 + 9/x3)

x → ∞ とする

L = 5/1 = 5

答え

L = 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 = 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)。

1 回目の適用

2·sin 2x/(8x) → 0/0

2 回目の適用

4·cos 2x/8

x = 0 を代入する

L = 4/8 = 0.5

答え

L = 0.5
3.微分

答え: f′(−1) = 324

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) = 3·(3x − 3)2·3

代入する

f′(−1) = 3·(−6)2·3 = 324

答え

f′(−1) = 324
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 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)

f′(x) = 0 を解く

x = −4 または x = −2

どちらがどちらか

f″(x) = 6x + 18:極大では負、極小では正。

f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −2

答え

x = −2
5.最適化

答え: h = 10.84 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。

r の関数としての面積

h = 1000/(πr²)
A(r) = 2πr² + 2000/r

導関数をゼロとおく

A″(r) = 4π + 4000/r³ > 0 なので、これは最小です。

4πr − 2000/r² = 0 → r = ∛(1000/(2π)) = 5.419 cm

高さと面積

h = 1000/(π·5.419²) = 2r = 10.84 cm
A = 2π·5.419² + 2000/5.419 = 553.6 cm²

答え

h = 10.84 cm

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 = 500 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) = 40q − (1000 + 20q + 0.02q²) = −0.02q2 + 20q − 1000

導関数をゼロとおく

P″(q) = −0.04 < 0 なので、これは最大です。

20 − 0.04q = 0 → q = 500

最大利益

P = 20·500 − 0.02·500² − 1000 = €4000

答え

q = 500
7.積分

答え: V = 25.13

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∫₀4 x dx

積分する

V = π·1·4²/2 = 25.13

答え

V = 25.13
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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