Analyse 2: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Integralen

Machtsregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bepaalde integraal
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Standaardintegralen
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Oppervlakte tussen grafieken
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schrijf de integrand waar mogelijk als een som van eenvoudige termen.
  2. Pas de machtsregel toe: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), en de standaardintegralen voor ex, 1/x, sin en cos.
  3. Gebruik substitutie als je een functie en haar afgeleide samen ziet.
  4. Bereken bij een bepaalde integraal F(b) − F(a).

Rijen & reeksen

Rekenkundige rij
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Meetkundige rij
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Oneindige meetkundige reeks
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-reeks
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Quotiëntcriterium
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Convergentiestraal
R = lim |ck/ck+1|
Taylorpolynoom
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurinreeks
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrange-foutgrens
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Methode

  1. Bepaal het type: rekenkundig (constant verschil), meetkundig (constante reden), een standaardreeks, een machtreeks of een Taylorpolynoom.
  2. Gebruik voor sommen Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), of S = a₁/(1 − r) als |r| < 1, met a₁ de eerste term van de som.
  3. Gebruik voor convergentie eerst de test op de n-de term, vergelijk dan met Σ1/kᵖ of een meetkundige reeks, en gebruik het quotiënt- of wortelcriterium bij faculteiten en k-de machten.
  4. Noteer voor Taylorpolynomen f(a), f′(a), f″(a), …, deel de k-de afgeleide door k!, en begrens de fout met M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Multivariabele analyse

Partiële afgeleiden
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiënt
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Richtingsafgeleide
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Raakvlak
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Kettingregel
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Tweede-afgeleidentest
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Dubbele integraal
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Poolcoördinaten
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Methode

  1. Behandel bij een partiële afgeleide de andere variabele als constante en gebruik de regels voor één variabele.
  2. Bereken bij gradiëntvragen ∇f = (fx, fy) in het punt; gebruik |∇f| voor de steilste helling en ∇f·u met een eenheidsvector u voor een richtingsafgeleide.
  3. Los voor extrema fx = 0 en fy = 0 samen op en classificeer dan elk punt met D = fxx·fyy − fxy².
  4. Schets bij een dubbele integraal het gebied, kies de volgorde (of poolcoördinaten voor schijven) zodat de binnenste grenzen de begrenzende krommen zijn, en integreer de binnenste eerst.

Differentiaalvergelijkingen

Exponentiële groei/afname
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halveringstijd
k = ln 2 / t½
Afkoelingswet van Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrerende factor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mengtank
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Oefenopgaven

1.IntegralenGemiddeld
xyπ/2y = x·cos x

Bereken I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x in radialen).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
2.IntegralenMoeilijk
xyy = 2x2​y = 2x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = 2x2 en y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(k² + 2)k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen convergeert. Klik erop.

A: Σ (3/2)ᵏB: Σ 1/√kC: Σ 1/(k² + 2)D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ (3/2)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/√k
  3. 3C: Σ 1/(k² + 2)
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = cos x wordt in x = 1,5 benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad n. Bepaal met de Lagrange-grens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! en M = 1 de kleinste graad n die een fout kleiner dan 0,0001 garandeert.

f(x) = cos xx = 1,5M = 1ε = 0,0001
n =
5.Multivariabele analyseGemiddeld
xy2−2∇fP

Bepaal voor f(x, y) = −4x³y³ − x² − 2y³ − 2xy de richting van de steilste stijging in (2, −2) als de hoek θ met de positieve x-as, in graden tussen −180° en 180°.

f(x, y) = −4x³y³ − x² − 2y³ − 2xyP = (2, −2)
θ = °
6.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−50−4−202AB

De gemarkeerde punten zijn de kritieke punten van f(x, y) = x³ + y³ + 9xy. Klik op het lokale maximum.

f(x, y) = x³ + y³ + 9xy
  1. 1A (0, 0)
  2. 2B (−3, −3)
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
t (min)T (°C)14Ta​37 °C53 °C

Een kop koffie van 90 °C wordt achtergelaten in een kamer van 22 °C. Na 14 min is de temperatuur 37 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Hoe lang na de start, t, duurt het om 53 °C te bereiken?

T0 = 90 °CTa = 22 °CT(14) = 37 °CT = 53 °C
t = min
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
t (min)m (kg)35 minm = ?

Een tank bevat 200 L water waarin 5 kg zout is opgelost. Pekel met 0,2 kg zout per liter stroomt in met 4 L/min, en de goed gemengde oplossing stroomt met dezelfde snelheid uit. Hoeveel zout m zit er na 35 min in de tank?

V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0,2 kg/Lr = 4 L/min
m = kg

3Oplossingen

1.Integralen

Antwoord: I = 0,5708

Partiële integratie: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, afgeleid uit de productregel. Kies voor u de factor die eenvoudiger wordt als je hem differentieert (een macht van x, of ln x), en voor dv de factor die je kunt integreren (eˣ, sin x, cos x, of x als u = ln x). Bereken bij een bepaalde integraal u·v op beide grenzen: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Een factor x² vraagt om twee rondes.

Kies u en dv

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Primitieve

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limieten

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Antwoord

I = 0,5708
2.Integralen

Antwoord: A = 0,3333

Bepaalde integralen: ∫ₐᵇ f(x) dx is de georiënteerde oppervlakte tussen de grafiek en de x-as van a tot b. Zoek een primitieve F (met F′ = f) en bereken F(b) − F(a). Machtsregel: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). De oppervlakte tussen twee krommen is ∫(bovenste − onderste) dx.

Snijpunten

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Bovenste min onderste integreren

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Antwoord

A = 0,3333
3.Rijen & reeksen

Antwoord: C: Σ 1/(k² + 2)

Convergentie: als de termen niet naar 0 gaan, divergeert de reeks (test op de n-de term). Σ1/kᵖ convergeert alleen voor p > 1, en Σrᵏ alleen voor |r| < 1. Vergelijk een reeks met een van deze als haar termen voor grote k zich zo gedragen. Quotiëntcriterium: L = lim |ak+1/ak|; wortelcriterium: L = lim |ak|1/k. L < 1 convergeert, L > 1 divergeert, L = 1 beslist niets. Een machtreeks Σck(x − x₀)ᵏ convergeert voor |x − x₀| < R met R = lim |ck/ck+1|; een alternerende reeks met termen die naar 0 afnemen convergeert.

Test elke reeks

A: Σ (3/2)ᵏ → Meetkundig met r = 3/2 > 1: de termen groeien, dus hij divergeert.
B: Σ 1/√k → p-reeks met p = 1/2 ≤ 1: divergeert.
C: Σ 1/(k² + 2) → Kleiner dan 1/k², een convergente p-reeks: convergeert door vergelijking.
D: Σ ln k / k → Groter dan 1/k voor k ≥ 3: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.

Het antwoord

C: Σ 1/(k² + 2)

Antwoord

C: Σ 1/(k² + 2)
4.Rijen & reeksen

Antwoord: n = 9

Taylorpolynomen: nabij x = a wordt een gladde functie benaderd door Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; voor a = 0 is dit het Maclaurinpolynoom. Standaardreeksen: 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. Lagrange-foutgrens: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, waarbij M de grootste waarde van |f⁽ⁿ⁺¹⁾| tussen a en x is.

n(n + 1)!grens011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059936288001,589 × 10⁻⁵

Grenzen voor toenemende n

n = 8: 0,0001059 ≥ 0,0001
n = 9: 1,589 × 10⁻⁵ < 0,0001

Kleinste graad

n = 9

Antwoord

n = 9
5.Multivariabele analyse

Antwoord: θ = −47,01 °

Gradiënt: ∇f = (fx, fy) wijst in de richting van de steilste stijging, en |∇f| is de grootste veranderingssnelheid. De richtingsafgeleide langs een richting v is Duf = ∇f·u met de eenheidsvector u = v/|v|. Het raakvlak in (a, b) is z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); het geeft de lineaire benadering van f nabij dat punt. Kettingregel: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Partiële afgeleiden

fx = −12x²y³ − 2x − 2y → fx(2, −2) = 384
fy = −12x³y² − 6y² − 2x → fy(2, −2) = −412

Richting

θ = atan2(−412, 384) = −47,01°

Antwoord

θ = −47,01°
6.Multivariabele analyse

Antwoord: B (−3, −3)

Kritieke punten en dubbele integralen: een kritiek punt heeft fx = fy = 0. Tweede-afgeleidentest met D = fxxfyy − fxy²: D > 0 en fxx > 0 is een lokaal minimum, D > 0 en fxx < 0 een lokaal maximum, D < 0 een zadelpunt, en D = 0 beslist niets. Laat bij een dubbele integraal over een algemeen gebied de binnenste grenzen de krommen zijn die het gebied begrenzen; gebruik voor schijven en sectoren poolcoördinaten, x = r cos θ, y = r sin θ en dA = r dr dθ (vergeet de factor r niet).

Kritieke punten

Los fx = 0 en fy = 0 samen op.

fx = 3x² + 9y = 0
fy = 3y² + 9x = 0
(0, 0), (−3, −3)

Tweede-afgeleidentest

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = 9, D = −81 → zadelpunt
(−3, −3): fxx = −18, fyy = −18, fxy = 9, D = 243 → lokaal maximum

Het punt

B (−3, −3): lokaal maximum

Antwoord

B (−3, −3)
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: t = 7,276 min

Eerste-orde differentiaalvergelijkingen: dy/dt = k·y heeft de oplossing y = y₀·ekt (groei voor k > 0, afname voor k < 0); een halveringstijd T geeft k = ln 2/T. De afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), geeft T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Een lineaire vergelijking y′ + p(x)·y = q(x) los je op met de integrerende factor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, dus μy = ∫μq dx + C.

Afkoelingsconstante

k = ln(68/15)/14 = 0,108 min⁻¹

Tijd tot de doeltemperatuur

t = ln(68/31)/0,108 = 7,276 min

Antwoord

t = 7,276 min
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: m = 22,62 kg

Eerste-orde differentiaalvergelijkingen: dy/dt = k·y heeft de oplossing y = y₀·ekt (groei voor k > 0, afname voor k < 0); een halveringstijd T geeft k = ln 2/T. De afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), geeft T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Een lineaire vergelijking y′ + p(x)·y = q(x) los je op met de integrerende factor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, dus μy = ∫μq dx + C.

Stel de vergelijking op

dm/dt = 4·0,2 − (4/200)·m = 0,8 − 0,02·m

Oplossen

De integrerende factor is ert/V; de oplossing nadert het evenwicht c·V.

m(t) = 40 + (−35)·e−t/50

Vul t in

m(35) = 40 + (−35)·0,4966 = 22,62 kg

Antwoord

m = 22,62 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2