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→∞ (4x2 + 4x + 9)/(2x2 + 6x + 9) を求めなさい。

f(x) = (4x2 + 4x + 9)/(2x2 + 6x + 9)x → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 ln(1 + 4x)/sin(5x) を求めなさい。x の単位はラジアンとします。

f(x) = ln(1 + 4x)/sin(5x)x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 1.5

f(x) = x2·ex とします。f′(1.5) を求めなさい。

f(x) = x2·exx = 1.5
f′(1.5) =
4.微分むずかしい
xyx = 2

f(x) = 0.5x2 + x + 6 の x = 2 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) = 0.5x2 + x + 6x = 2
b =
5.最適化ふつう
道路側: €15/m€8/myyx

450 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 €15、ほかの 3 辺は 1 m あたり €8 かかります。 総費用の最小値 C を求めなさい。

A = 450 m²€15/m€8/m
C = €
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 €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) = 100 + 14q + 0.2q² ユーロです。 利益が最大になる生産量 q を求めなさい。

p = €30C = 100 + 14q + 0.2q²
q = 個
7.積分ふつう
xy12.5y = x ln x

I = ∫₁2.5 x·ln x dx を計算しなさい。

∫₁2.5 x ln x dx
I =
8.積分むずかしい
xy−33

放物線 y = 9 − x² と x 軸で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 9 − x²
A =

3溶液

1.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)。

最高次の累乗で割る

(4 + 4/x + 9/x2)/(2 + 6/x + 9/x2)

x → ∞ とする

L = 4/2 = 2

答え

L = 2

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 = 0.8

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 [4/(1 + 4x)]/[5·cos 5x]

x = 0 を代入する

L = 4/5 = 0.8

答え

L = 0.8
3.微分

答え: f′(1.5) = 23.53

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·(2x + 1·x2)

代入する

f′(1.5) = 4.482·(3 + 2.25) = 23.53

答え

f′(1.5) = 23.53
4.微分

答え: b = 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。

接点と傾き

f(2) = 10
f′(x) = x + 1 → f′(2) = 3

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10 − 3·2 = 4

答え

b = 4
5.最適化

答え: C = 813.9 €

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) = 23x + 7200/x

導関数をゼロとおく

C″(x) = 14400/x³ > 0 なので、これは最小です。

x = √(7200/23) = 17.69 m
y = 450/17.69 = 25.43 m

最小費用

C = 23·17.69 + 7200/17.69 = €813.9

答え

C = €813.9
6.最適化

答え: q = 40 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) = 30q − (100 + 14q + 0.2q²) = −0.2q2 + 16q − 100

導関数をゼロとおく

P″(q) = −0.4 < 0 なので、これは最大です。

16 − 0.4q = 0 → q = 40

最大利益

P = 16·40 − 0.2·40² − 100 = €220

答え

q = 40
7.積分

答え: I = 1.551

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。

u と dv を選ぶ

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

原始関数

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

極限

(3.125·ln 2.5 − 1.5625) − (0 − 0.25) = 1.551

答え

I = 1.551
8.積分

答え: A = 36

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。

零点

9 − x² = 0 → x = ±3

積分する

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

答え

A = 36

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