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
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
2.積分むずかしい
xyy = 2x2​y = 3x

y = 2x2 と y = 3x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 2x2y = 3x
A =
3.数列と級数ふつう
AΣ (k + 2)/k²k = 1 … ∞BΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞CΣ 3ᵏ/k²k = 1 … ∞DΣ 1/k⁴k = 1 … ∞

4 つの級数のうち、ちょうど 1 つが収束します。それをクリックしてください。

A: Σ (k + 2)/k²B: Σ (1 + 1/k)ᵏC: Σ 3ᵏ/k²D: Σ 1/k⁴
  1. 1A: Σ (k + 2)/k²
  2. 2B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  3. 3C: Σ 3ᵏ/k²
  4. 4D: Σ 1/k⁴
4.数列と級数むずかしい

a = 1 のまわりでの f(x) = ∛x のテイラー級数で、(x − 1)² の係数 c₂ を求めてください。

f(x) = ∛xa = 1k = 2
c₂ =
5.多変数の微分積分ふつう
xy1−2∇fP

f(x, y) = −3x³y³ + x² + 5y² + 4xy について、点 (1, −2) 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) = −3x³y³ + x² + 5y² + 4xyP = (1, −2)
|∇f| =
6.多変数の微分積分むずかしい
xy−202−1012(1, 1)(−1, 1)

f(x, y) = x³ − 3x + y² − 2y 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 − 2y
fmin =
7.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)16Ta​35 °C30 °C

81 °C のコーヒーを 23 °C の部屋に置いておきます。 16 分後の温度は 35 °C です。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 開始から 30 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 81 °CTa = 23 °CT(16) = 35 °CT = 30 °C
t = min
8.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)t = ?64 kg

タンクに純水が 400 L 入っています。 1 L あたり 0.2 kg の塩を含む塩水が 20 L/min で流入し、よく混ざった溶液が同じ流量で流出します。 タンク内の塩が 64 kg になるのは何分後 t ですか?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0.2 kg/Lr = 20 L/min
t = min

3溶液

1.積分

答え: I = 12

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。

置換積分

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du

積分して代入する

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

答え

I = 12
2.積分

答え: A = 1.125

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 = 3x → x = 0, x = 1.5

上から下を引いて積分する

A = [1.5x2 − 0.6667x3]01.5 = 1.125

答え

A = 1.125
3.数列と級数

答え: D: Σ 1/k⁴

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。

各級数を判定する

A: Σ (k + 2)/k² → k が大きいと 1/k のようにふるまいます:調和級数との比較により発散します。
B: Σ (1 + 1/k)ᵏ → 項は 0 ではなく e に近づきます:第 n 項判定法により発散します。
C: Σ 3ᵏ/k² → 比判定法:L = 3 > 1 なので発散します。
D: Σ 1/k⁴ → p = 4 > 1 の p 級数:収束します。

答え

D: Σ 1/k⁴

答え

D: Σ 1/k⁴
4.数列と級数

答え: c₂ = −0.1111

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。

導関数 f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0.2222·x1/3 − 2

係数

c₂ = −0.2222·11/3 − 2/2! = −0.1111
c₂ = −0.1111

答え

c₂ = −0.1111
5.多変数の微分積分

答え: |∇f| = 84.02

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 = −9x²y³ + 2x + 4y → fx(1, −2) = 66
fy = −9x³y² + 10y + 4x → fy(1, −2) = −52

勾配の長さ

|∇f| = √(66² + (−52)²) = 84.02

答え

|∇f| = 84.02
6.多変数の微分積分

答え: fmin = −3

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 − 2) = 0
(1, 1), (−1, 1)

2 階微分判定法

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

極値での値

f(1, 1) = −3

答え

fmin = −3
7.微分方程式

答え: t = 21.47 min

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。

冷却定数

k = ln(58/12)/16 = 0.09847 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(58/7)/0.09847 = 21.47 min

答え

t = 21.47 min
8.微分方程式

答え: t = 32.19 min

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。

結果

m(t) = 80 + (−80)·e−t/20

t について解く

e−t/20 = (80 − 64)/(80 − 0) = 0.2
t = 20·ln(5) = 32.19 min

答え

t = 32.19 min

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