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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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 + 7x) − x) を求めなさい。

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

極限 L = limx→0 (e−2x − 1 + 2x)/x² を求めなさい。

f(x) = (e−2x − 1 + 2x)/x²x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = −2

f(x) = ln(2x2 + 1) とします。f′(−2) を求めなさい。

f(x) = ln(2x2 + 1)x = −2
f′(−2) =
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
道路側: €20/m€10/myyx

300 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 €20、ほかの 3 辺は 1 m あたり €10 かかります。 総費用の最小値 C を求めなさい。

A = 300 m²€20/m€10/m
C = €
6.最適化むずかしい
p (€)R(p)15現在

ある劇場では 1 公演あたり 1560 枚のチケットを 1 枚 €15 で販売しています。市場調査によると、チケット価格を €1 上げるごとに販売枚数は 40 枚減ります(€1 下げるごとに 40 枚増えます)。 売上高が最大になるチケット価格 p を求めなさい。

1560 × €1540 / €1
p = €
7.積分ふつう
xy12

I = ∫12 3/x dx を計算しなさい。

f(x) = 3/x[1, 2]
I =
8.積分むずかしい
xy0.5y = x²eˣ

I = ∫₀0.5 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀0.5 x²eˣ dx
I =

3溶液

1.極限

答え: L = 3.5

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)。

共役な式を掛ける

f(x) = 7x/(√(x2 + 7x) + x)

x で割る

f(x) = 7/(√(1 + 7/x) + 1)

x → ∞ とする

L = 7/(1 + 1) = 3.5

答え

L = 3.5
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

(−2·e−2x + 2)/(2x) → 0/0

2 回目の適用

4·e−2x/2

x = 0 を代入する

L = 4·1/2 = 2

答え

L = 2
3.微分

答え: f′(−2) = −0.8889

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 + 1)

代入する

f′(−2) = −8/9 = −0.8889

答え

f′(−2) = −0.8889
4.微分

答え: x = 4

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 = 2 または x = 4

どちらがどちらか

f″(x) = 6x − 18:極大では負、極小では正。

f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 4

答え

x = 4
5.最適化

答え: C = 848.5 €

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) = 30x + 6000/x

導関数をゼロとおく

C″(x) = 12000/x³ > 0 なので、これは最小です。

x = √(6000/30) = 14.14 m
y = 300/14.14 = 21.21 m

最小費用

C = 30·14.14 + 6000/14.14 = €848.5

答え

C = €848.5
6.最適化

答え: p = 27 €

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。

価格の関数としての売上高

n(p) = 2160 − 40p
R(p) = 2160p − 40p²

導関数をゼロとおく

R″(p) = −80 < 0 なので、これは最大です。

p = 2160/80 = €27

最大売上高

n = 2160 − 40·27 = 1080
R = 27·1080 = €29160

答え

p = €27
7.積分

答え: I = 2.079

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。

原始関数

F(x) = 3·ln x

上端と下端を代入する

I = 3·(ln 2 − ln 1) = 3·ln 2 = 2.079

答え

I = 2.079
8.積分

答え: I = 0.0609

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

1.649·(1.25) − 1·2 = 0.0609

答え

I = 0.0609

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-1