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 ex dx を計算しなさい。

f(x) = ex[0, 2]
I =
2.積分むずかしい
xyy = x2​y = 4x

y = x2 と y = 4x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x2y = 4x
A =
3.数列と級数ふつう
AΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞CΣ k³/3ᵏk = 1 … ∞DΣ 2/k²k = 1 … ∞

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

A: Σ (3/5)ᵏB: Σ 3ᵏ/k³C: Σ k³/3ᵏD: Σ 2/k²
  1. 1A: Σ (3/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 3ᵏ/k³
  3. 3C: Σ k³/3ᵏ
  4. 4D: Σ 2/k²
4.数列と級数むずかしい

a = 1 のまわりでの f(x) = e3x 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) = e3xa = 1k = 2
c₂ =
5.多変数の微分積分ふつう

z = 5x³y − 3x³ + 2y² + xy、x = 3t + 2、y = −2t² − 1 です。連鎖律を使って、t = 0 での dz/dt を求めてください。

z = 5x³y − 3x³ + 2y² + xyx = 3t + 2y = −2t² − 1t = 0
dz/dt =
6.多変数の微分積分むずかしい
xyy = 1y = x11

積分 I = ∫01 ∫x1 cos(y²) dy dx は、この順序では計算できません。積分の順序を入れ替えて計算してください。

f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1
I =
7.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)5Ta​11 °C10 °C

6 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 25 °C の部屋に出します。 5 分後の温度は 11 °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 10 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 6 °CTa = 25 °CT(5) = 11 °CT = 10 °C
t = min
8.微分方程式むずかしい
ty1y(1) = ?

y′ + y = 4e−0.5t、y(0) = 3 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y′ + y = 4e−0.5ty(0) = 3
y(1) =

3溶液

1.積分

答え: I = 6.389

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) = ex/1

上端と下端を代入する

I = (e2 − 1)/1 = (7.389 − 1)/1 = 6.389

答え

I = 6.389
2.積分

答え: A = 10.67

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

x2 = 4x → x = 0, x = 4

上から下を引いて積分する

A = [2x2 − 0.3333x3]04 = 10.67

答え

A = 10.67
3.数列と級数

答え: B: Σ 3ᵏ/k³

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 (3/5)ᵏ → r = 3/5 の等比級数で |r| < 1:収束します。
B: Σ 3ᵏ/k³ → 比判定法:L = 3 > 1 なので発散します。
C: Σ k³/3ᵏ → 比判定法:L = 1/3 < 1 なので収束します。
D: Σ 2/k² → p = 2 > 1 の p 級数:収束します。

答え

B: Σ 3ᵏ/k³

答え

B: Σ 3ᵏ/k³
4.数列と級数

答え: c₂ = 90.38

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) = 3²·e3x

係数

c₂ = 3²·e3/2! = 90.38
c₂ = 90.38

答え

c₂ = 90.38
5.多変数の微分積分

答え: dz/dt = −291

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。

点と変化率

x(0) = 2, y(0) = −1
dx/dt = 3, dy/dt = −4t = 0

偏導関数

fx = 15x²y − 9x² + y = −97
fy = 5x³ + 4y + x = 38

連鎖律

dz/dt = (−97)·3 + 38·0 = −291

答え

dz/dt = −291
6.多変数の微分積分

答え: I = 0.4207

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)。

領域

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1

順序の入れ替え

I = ∫01 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01 y·cos(y²) dy

置換 u = y²

I = [sin(y²)/2]01 = 0.4207

答え

I = 0.4207
7.微分方程式

答え: t = 3.87 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(-19/-14)/5 = 0.06108 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(-19/(−15))/0.06108 = 3.87 min

答え

t = 3.87 min
8.微分方程式

答え: y(1) = 3.013

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 = et
(ety)′ = 4e0.5t

一般解

y = 4/0.5·e−0.5t + C·e−t = 8·e−0.5t + C·e−t

初期条件

3 = 8 + C → C = −5

計算する

y(1) = 8·0.6065 + (−5)·0.3679 = 3.013

答え

y(1) = 3.013

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