微積分学 2: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

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。

数列と級数

等差数列
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
等比数列
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
無限等比級数
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p 級数
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
比判定法
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
収束半径
R = lim |ck/ck+1|
テイラー多項式
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
マクローリン級数
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
ラグランジュの誤差評価
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

解き方

  1. 種類を見極めましょう:等差(一定の差)、等比(一定の比)、標準的な級数、べき級数、テイラー多項式。
  2. 和には Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2、Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)、または |r| < 1 のとき S = a₁/(1 − r) を使います。a₁ はその和の最初の項です。
  3. 収束については:まず第 n 項判定法、次に Σ1/kᵖ や等比級数との比較を行い、階乗や k 乗には比判定法か根判定法を使います。
  4. テイラー多項式では、f(a)、f′(a)、f″(a)、… を並べ、第 k 階導関数を k! で割り、誤差を M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! で評価します。

多変数の微分積分

偏導関数
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
勾配
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
方向微分
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
接平面
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
連鎖律
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
2 階微分判定法
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
二重積分
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
極座標
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

解き方

  1. 偏導関数では、もう一方の変数を定数として扱い、1 変数の規則を使いましょう。
  2. 勾配の問題では、その点で ∇f = (fx, fy) を計算します。最も急な傾きには |∇f| を、方向微分には単位ベクトル u との ∇f·u を使います。
  3. 極値では fx = 0 と fy = 0 を同時に解き、そのあとすべての点を D = fxx·fyy − fxy² で分類します。
  4. 二重積分では、領域を描き、内側の限界が境界の曲線になるように順序(円板なら極座標)を選び、内側から先に積分します。

微分方程式

指数関数的な増加・減少
dy/dt = ky → y = y0ekt
半減期
k = ln 2 / t½
ニュートンの冷却法則
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
積分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合タンク
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2演習問題

1.積分ふつう
xy01

I = ∫01 e0.5x dx を計算しなさい。

f(x) = e0.5x[0, 1]
I =
2.積分むずかしい
xy1.333y = 4xy = 3x²

直線 y = 4x と放物線 y = 3x² の間の領域を x 軸のまわりに回転させます。立体の体積 V を求めなさい。

y = 4xy = 3x²
V =
3.数列と級数ふつう
xx₀ = −1??R

べき級数 Σk=1∞ (2k)!·(x + 1)ᵏ/(k!)² の収束半径 R を求めてください。

Σ (2k)!·(x + 1)ᵏ/(k!)²x₀ = −1
R =
4.数列と級数むずかしい

級数を見抜いて、その和を求めましょう:S = Σk=1∞ k·0.2ᵏ。

ak = k·0.2ᵏ
S =
5.多変数の微分積分ふつう
xy0.50∇fP

f(x, y) = 3x²e2y について、点 (0.5, 0) での f の変化率の最大値、つまり |∇f| を求めてください。

f(x, y) = 3x²e2yP = (0.5, 0)
|∇f| =
6.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−4−202(1, −3)(−1, −3)

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 6y の臨界点を求めて分類し、極小での f の値 fmin を答えてください。

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 6y
fmin =
7.微分方程式ふつう
tyy(0) = 5y(2) = ?

y(0) = 5、y′(0) = 1 として y″ + 7y′ + 10y = 0 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(2) =
8.微分方程式むずかしい
xy12(1, 3)y(2) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + 2y/x = 5x、y(1) = 3 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + 2y/x = 5xy(1) = 3
y(2) =

3溶液

1.積分

答え: I = 1.297

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) = e0.5x/0.5

上端と下端を代入する

I = (e0.5 − 1)/0.5 = (1.649 − 1)/0.5 = 1.297

答え

I = 1.297
2.積分

答え: V = 15.89

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。

交点

4x = 3x² → x = 0, x = 1.333

ワッシャー法

V = π∫₀1.333 ((4x)² − (3x²)²) dx

積分する

V = π(16·1.333³/3 − 9·1.333⁵/5) = π·5.057 = 15.89

答え

V = 15.89
3.数列と級数

答え: R = 0.25

収束:項が 0 に近づかなければ、級数は発散します(第 n 項判定法)。Σ1/kᵖ が収束するのは p > 1 のときだけで、Σrᵏ が収束するのは |r| < 1 のときだけです。k が大きいときに項がこれらと同じようにふるまうなら、級数をこれらと比較します。比判定法:L = lim |ak+1/ak|、根判定法:L = lim |ak|1/k。L < 1 なら収束、L > 1 なら発散、L = 1 なら何も決まりません。べき級数 Σck(x − x₀)ᵏ は |x − x₀| < R で収束し、R = lim |ck/ck+1| です。項が 0 に減少していく交代級数は収束します。

係数

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4 なので、R = 1/4 です

半径

R = 0.25

答え

R = 0.25

比判定法は 2 つの端点については何も教えてくれません。別に調べる必要があります。

4.数列と級数

答え: S = 0.3125

テイラー多項式:x = a の近くで、滑らかな関数は Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! で近似されます。a = 0 のときがマクローリン多項式です。標準的な級数:eˣ = Σxᵏ/k!、sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …、cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …、ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …、1/(1 − x) = Σxᵏ。ラグランジュの誤差評価:|f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!。ここで M は a と x の間での |f⁽ⁿ⁺¹⁾| の最大値です。

標準的な級数

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

代入する

x = 0.2
S = 0.2/(1 − 0.2)² = 0.3125

答え

S = 0.3125
5.多変数の微分積分

答え: |∇f| = 3.354

勾配:∇f = (fx, fy) は最も急に増加する方向を向き、|∇f| は変化率の最大値です。方向 v に沿った方向微分は、単位ベクトル u = v/|v| を用いて Duf = ∇f·u です。点 (a, b) での接平面は z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b) で、その点の近くでの f の線形近似を与えます。連鎖律:dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt。

偏導関数

fx = 6xe2y → fx(0.5, 0) = 3
fy = 6x²e2y → fy(0.5, 0) = 1.5

勾配の長さ

|∇f| = √(3² + 1.5²) = 3.354

答え

|∇f| = 3.354
6.多変数の微分積分

答え: fmin = −11

臨界点と二重積分:臨界点では fx = fy = 0 です。D = fxxfyy − fxy² を用いた 2 階微分判定法:D > 0 かつ fxx > 0 なら極小、D > 0 かつ fxx < 0 なら極大、D < 0 なら鞍点、D = 0 なら何も決まりません。一般の領域上の二重積分では、内側の積分の限界を領域を囲む曲線にします。円板や扇形では極座標 x = r cos θ、y = r sin θ、dA = r dr dθ を使います(係数 r を忘れないでください)。

臨界点

fx = 0 と fy = 0 を同時に解きましょう。

fx = (3x² − 3) = 0
fy = (2y + 6) = 0
(1, −3), (−1, −3)

2 階微分判定法

(1, −3): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → 極小
(−1, −3): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → 鞍点

極値での値

f(1, −3) = −11

答え

fmin = −11
7.微分方程式

答え: y(2) = 0.1586

2 階線形方程式:y″ + b·y′ + c·y = 0 では y = ert とおきます。これから特性方程式 r² + b·r + c = 0 が得られます。異なる 2 つの実根 r₁ ≠ r₂ のときは y = A·er₁t + B·er₂t(過減衰)、重根 r のときは y = (A + Bt)·ert(臨界減衰)、複素根 −α ± jω のときは y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(不足減衰、振動)となります。初期値 y(0) と y′(0) から A と B が決まります。y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 の形に書くと、ωn は固有角周波数、ζ は減衰比で、ζ < 1 なら振動します。入力が一定の y″ + by′ + cy = c·K では、解は定常値 K に自由応答を加えたものです。

特性方程式の根

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

初期値から求める定数

A + B = 5, −2A − 5B = 1
A = 8.667, B = −3.667

計算する

y(2) = 8.667·e−4 + (−3.667)·e−10 = 0.1586

答え

y(2) = 0.1586
8.微分方程式

答え: y(2) = 5.438

1 階微分方程式:dy/dt = k·y の解は y = y₀·ekt です(k > 0 なら増加、k < 0 なら減少)。半減期 T からは k = ln 2/T が得られます。ニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) からは T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt が得られます。線形方程式 y′ + p(x)·y = q(x) は積分因子 μ = e∫p dx を使って解きます:(μy)′ = μq なので、μy = ∫μq dx + C です。

積分因子

μ = e∫2/x dx = x2

積分する

(x2y)′ = 5x3 → x2y = 5x4/4 + C

初期条件

3 = 5/4 + C → C = 1.75

計算する

y(2) = (5·24/4 + 1.75)/22 = 5.438

答え

y(2) = 5.438

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