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
xy2y = √(x)

y = √(x) の下の x = 0 から x = 2 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 = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
2.積分むずかしい
xyy = 2x2​y = x

y = 2x2 と y = x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 2x2y = x
A =
3.数列と級数ふつう
kSn​12345678910S = ?

和 S = Σk=1∞ 4/(k(k + 2)) を求めてください。

ak = 4/(k(k + 2))
S =
4.数列と級数むずかしい
xyfP₃0.5

f(x) = ln(1 − x) の 3 次のマクローリン多項式を使って、f(0.5) を近似してください。P₃(0.5) を答えてください。

f(x) = ln(1 − x)n = 3x = 0.5
P₃(0.5) =
5.多変数の微分積分ふつう
xy1−2P

f(x, y) = −3x²y² + 2x² − 5y³ − 2xy の (1, −2) での接平面を使って、f(1.05, −1.8) を近似してください。線形近似 L を答えてください。

f(x, y) = −3x²y² + 2x² − 5y³ − 2xy(a, b) = (1, −2)(x, y) = (1.05, −1.8)
L =
6.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 2y = 0.5x21

y = 0、x = 2、y = 0.5x で囲まれた三角形 T 上で、I = ∬T (3x + 2y) dA を計算してください。

f = 3x + 2y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ 0.5x
I =
7.微分方程式ふつう
tyy(0) = 1y(0.5) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 2 として y″ + 4y′ + 4y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(0.5) =
8.微分方程式むずかしい
ty2y(2) = ?

y′ + 2y = 9e−0.5t、y(0) = 4 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + 2y = 9e−0.5ty(0) = 4
y(2) =

3溶液

1.積分

答え: V = 6.283

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∫₀2 x dx

積分する

V = π·1·2²/2 = 6.283

答え

V = 6.283
2.積分

答え: A = 0.04167

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。

交点

2x2 = x → x = 0, x = 0.5

上から下を引いて積分する

A = [0.5x2 − 0.6667x3]00.5 = 0.04167

答え

A = 0.04167
3.数列と級数

答え: S = 3

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。

部分分数展開

4/(k(k + 2)) = (4/2)·(1/k − 1/(k + 2))

キャンセル

S = (4/2)·(1 + 1/2) = 3

答え

S = 3
4.数列と級数

答え: P₃(0.5) = −0.6667

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。

マクローリン多項式

P₃(x) = −x − 0.5x² − 0.3333x³

代入する

P₃(0.5) = −0.5 − 0.125 − 0.0416667 = −0.6667

答え

P₃(0.5) = −0.6667

厳密な値は f(0.5) = −0.693147 です。項を増やすか、0 に近い点を取ると、誤差 −0.0264805 は小さくなります。

5.多変数の微分積分

答え: L = 23.2

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。

その点での値と傾き

f(1, −2) = 34
fx = −6xy² + 4x − 2y → fx(1, −2) = −16
fy = −6x²y − 15y² − 2x → fy(1, −2) = −50

接平面

z = 34 − 16(x − 1) − 50(y + 2)
z = −16x − 50y − 50

線形近似

L = 34 + (−16)·0.05 + (−50)·0.2 = 23.2

答え

L = 23.2

厳密な値は f = 24.4287 です。ステップが小さいので、平面は近い値になります。

6.多変数の微分積分

答え: I = 4.667

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)。

極限

0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 0.5x

内側の積分

∫00.5x (3x + 2y) dy = 3x·0.5x + 2·(0.5x)²/2 = 1.75x²

外側の積分

I = 1.75·2³/3 = 4.667

答え

I = 4.667
7.微分方程式

答え: y(0.5) = 1.104

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。

重根

(r + 2)² = 0 → r = −2

定数

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 2 = 4

計算する

y(0.5) = (1 + 4·0.5)·e−1 = 1.104

答え

y(0.5) = 1.104
8.微分方程式

答え: y(2) = 2.171

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 = e2t
(e2ty)′ = 9e1.5t

一般解

y = 9/1.5·e−0.5t + C·e−2t = 6·e−0.5t + C·e−2t

初期条件

4 = 6 + C → C = −2

計算する

y(2) = 6·0.3679 + (−2)·0.01832 = 2.171

答え

y(2) = 2.171

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