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: lim_x→∞ (1 + a/x)^bx = e^ab
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

式の構造を見分けます：和、積、商、または合成関数。
x の各累乗にべき乗の微分法を適用します。
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。
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: ∫_a^b 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: ∫_a^b (f − g) dx

解き方

できれば被積分関数を簡単な項の和に書き直します。
べき乗の積分公式を適用します：∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。e^x、1/x、sin、cos には基本の積分公式を使います。
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。
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

極限 L = lim_x→∞ (−x² + 4x + 4)/(x² + 2x + 6) を求めなさい。

f(x) = (−x² + 4x + 4)/(x² + 2x + 6)x → ∞

L =

2.極限むずかしい

極限 L = lim_x→0 (e^0.5x − 1 − 0.5x)/x² を求めなさい。

f(x) = (e^0.5x − 1 − 0.5x)/x²x → 0

L =

3.微分ふつう

f(x) = x·sin(3x)（x はラジアン）とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = x·sin(3x)x = 1 rad

f′(1) =

4.微分むずかしい

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

f(x) = x³ + 1.5x² − 6x − 6

x =

5.最適化ふつう

底面が正方形のふたのない箱に 4000 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。底面の辺の長さ x を求めなさい。

V = 4000 cm³

x = cm

6.最適化むずかしい

ある小企業は製品を 1 個あたり €30 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) = 700 + 18q + 0.02q² ユーロです。最大利益 P を求めなさい。

p = €30C = 700 + 18q + 0.02q²

P = €

7.積分ふつう

I = ∫₀³ e^x dx を計算しなさい。

f(x) = e^x[0, 3]

I =

8.積分むずかしい

y = x² と y = 3x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x²y = 3x

A =

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

(−1 + 4/x + 4/x²)/(1 + 2/x + 6/x²)

x → ∞ とする

L = −1/1 = −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 = 0.125

1 回目の適用

(0.5·e^0.5x − 0.5)/(2x) → 0/0

2 回目の適用

0.25·e^0.5x/2

x = 0 を代入する

L = 0.25·1/2 = 0.125

答え

L = 0.125

3.微分

答え: f′(1) = −2.829

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。

積の法則と連鎖律

f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)

代入する

f′(1) = 0.1411 + 3·(−0.99) = −2.829

答え

f′(1) = −2.829

4.微分

答え: x = 1

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 = 1

答え

x = 1

5.最適化

答え: x = 20 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 + 16000/x

導関数をゼロとおく

S″(x) = 2 + 32000/x³ > 0 なので、これは最小です。

x³ = 8000 → x = 20 cm

高さと面積

h = 4000/20² = 10 cm

S = 20² + 16000/20 = 1200 cm²

答え

x = 20 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: P = 1100 €

利益関数

P(q) = 30q − (700 + 18q + 0.02q²) = −0.02q² + 12q − 700

導関数をゼロとおく

P″(q) = −0.04 < 0 なので、これは最大です。

12 − 0.04q = 0 → q = 300

最大利益

P = 12·300 − 0.02·300² − 700 = €1100

答え

P = €1100

7.積分

答え: I = 19.09

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) = e^x/1

上端と下端を代入する

I = (e³ − 1)/1 = (20.09 − 1)/1 = 19.09

答え

I = 19.09

8.積分

答え: A = 4.5

交点

x² = 3x → x = 0, x = 3

上から下を引いて積分する

A = [1.5x² − 0.3333x³]₀³ = 4.5

答え

A = 4.5

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