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→∞ (1 + 0.5/x)2x を求めなさい。小数で答えなさい。

f(x) = (1 + 0.5/x)2xx → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 ln(1 + 5x)/sin(2x) 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(2x)x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 0.5

f(x) = x·ex とします。f′(0.5) を求めなさい。

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

f(x) = −x2 + 3x + 5 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 + 5x = 1
b =
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 500 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。 表面積の最小値 S を求めなさい。

V = 500 cm³
S = cm²
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 €35 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) = 400 + 24q + 0.05q² ユーロです。 利益が最大になる生産量 q を求めなさい。

p = €35C = 400 + 24q + 0.05q²
q = 個
7.積分ふつう
xy3y = √(4x)

y = √(4x) の下の x = 0 から x = 3 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 = √(4x)0 ≤ x ≤ 3
V =
8.積分むずかしい
xy2.5y = x²eˣ

I = ∫₀2.5 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀2.5 x²eˣ dx
I =

3溶液

1.極限

答え: L = 2.718

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)。

対数をとる

ln L = limx→∞ 2·x·ln(1 + 0.5/x)

計算する

u → 0 のとき ln(1 + u)/u → 1 なので、x·ln(1 + a/x) → a です。

ln L = 2·0.5 = 1

対数をもとに戻す

L = e1 = 2.718

答え

L = 2.718
2.極限

答え: L = 2.5

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 [5/(1 + 5x)]/[2·cos 2x]

x = 0 を代入する

L = 5/2 = 2.5

答え

L = 2.5
3.微分

答え: f′(0.5) = 2.473

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·(1 + 1·x)

代入する

f′(0.5) = 1.649·(1 + 0.5) = 2.473

答え

f′(0.5) = 2.473
4.微分

答え: b = 6

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) = 7
f′(x) = −2x + 3 → f′(1) = 1

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 7 − 1·1 = 6

答え

b = 6
5.最適化

答え: S = 300 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。

x の関数としての面積

S(x) = x² + 2000/x

導関数をゼロとおく

S″(x) = 2 + 4000/x³ > 0 なので、これは最小です。

x³ = 1000 → x = 10 cm

高さと面積

h = 500/10² = 5 cm
S = 10² + 2000/10 = 300 cm²

答え

S = 300 cm²

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 = 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) = 35q − (400 + 24q + 0.05q²) = −0.05q2 + 11q − 400

導関数をゼロとおく

P″(q) = −0.1 < 0 なので、これは最大です。

11 − 0.1q = 0 → q = 110

最大利益

P = 11·110 − 0.05·110² − 400 = €205

答え

q = 110
7.積分

答え: V = 56.55

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∫₀3 4x dx

積分する

V = π·4·3²/2 = 56.55

答え

V = 56.55
8.積分

答え: I = 37.59

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

12.18·(3.25) − 1·2 = 37.59

答え

I = 37.59

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