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
xy26

I = ∫26 2/x dx を計算しなさい。

f(x) = 2/x[2, 6]
I =
2.積分むずかしい
xyy = x2​y = x

y = x2 と y = x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

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

和 S = Σk=1∞ 12/(k(k + 4)) を求めてください。

ak = 12/(k(k + 4))
S =
4.数列と級数むずかしい

f(x) = eˣ を、x = 1 で 3 次のマクローリン多項式で近似します。M = e1 = 2.718 としてラグランジュの誤差評価 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! を使い、誤差の最大値 |R₃| を求めてください。

f(x) = eˣn = 3x = 1M = 2.718
|R₃| =
5.多変数の微分積分ふつう
xy0.51∇fP

f(x, y) = 3x³e2y について、点 (0.5, 1) 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) = 3x³e2yP = (0.5, 1)
|∇f| =
6.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 1.2y = x1.2

積分 I = ∫01.2 ∫y1.2 1/(1 + x²)² dx dy 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 = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 1.2
I =
7.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)6Ta​56 °C

93 °C のコーヒーを 20 °C の部屋に置いておきます。 6 分後の温度は 56 °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。 定数 k を min⁻¹ で求めなさい。

T0 = 93 °CTa = 20 °CT(6) = 56 °C
k = min⁻¹
8.微分方程式むずかしい
xy13(1, 3)y(3) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + 2y/x = 5x2、y(1) = 3 を解きなさい。y(3) を求めなさい。

y′ + 2y/x = 5x2y(1) = 3
y(3) =

3溶液

1.積分

答え: I = 2.197

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) = 2·ln x

上端と下端を代入する

I = 2·(ln 6 − ln 2) = 2·ln 3 = 2.197

答え

I = 2.197
2.積分

答え: A = 0.1667

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 = x → x = 0, x = 1

上から下を引いて積分する

A = [0.5x2 − 0.3333x3]01 = 0.1667

答え

A = 0.1667
3.数列と級数

答え: S = 6.25

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。

部分分数展開

12/(k(k + 4)) = (12/4)·(1/k − 1/(k + 4))

キャンセル

S = (12/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 6.25

答え

S = 6.25
4.数列と級数

答え: |R₃| = 0.1133

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。

導関数の評価

M = e1 = 2.718

ラグランジュの評価

|R₃| ≤ 2.718·1⁴/4! = 0.1133

答え

|R₃| = 0.1133

真の誤差はもっと小さくなります:|f(1) − P₃(1)| = 0.05162。

5.多変数の微分積分

答え: |∇f| = 17.52

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 = 9x²e2y → fx(0.5, 1) = 16.63
fy = 6x³e2y → fy(0.5, 1) = 5.542

勾配の長さ

|∇f| = √(16.63² + 5.542²) = 17.52

答え

|∇f| = 17.52
6.多変数の微分積分

答え: I = 0.2951

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 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1.2

順序の入れ替え

I = ∫01.2 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫01.2 x·1/(1 + x²)² dx

置換 u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]01.2 = 0.2951

答え

I = 0.2951
7.微分方程式

答え: k = 0.1178 min⁻¹

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。

温度差の比

e−6k = 36/73

k について解く

k = ln(73/36)/6 = 0.1178 min⁻¹

答え

k = 0.1178 min⁻¹
8.微分方程式

答え: y(3) = 27.22

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)′ = 5x4 → x2y = 5x5/5 + C

初期条件

3 = 5/5 + C → C = 2

計算する

y(3) = (5·35/5 + 2)/32 = 27.22

答え

y(3) = 27.22

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