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
xy14y = x ln x

Bereken I = ∫₁4 x·ln x dx.

∫₁4 x ln x dx
I =
2.IntegralenMoeilijk
xyy = x2​y = 3x

Bereken de oppervlakte A van het gebied ingesloten door y = x2 en y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Pas het quotiëntcriterium toe op Σk=1∞ k!/kᵏ. Bepaal L = lim |ak+1/ak|.

ak = k!/kᵏ
L =
4.Rijen & reeksenMoeilijk

f(x) = eˣ wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 2 in x = 0,8. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = e0,8 = 2,226 om de grootst mogelijke fout |R₂| te vinden.

f(x) = eˣn = 2x = 0,8M = 2,226
|R₂| =
5.Multivariabele analyseGemiddeld
xy−22∇fP

Bepaal voor f(x, y) = −4xy³ − 2x³ − 5y³ − 3xy 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) = −4xy³ − 2x³ − 5y³ − 3xyP = (−2, 2)
θ = °
6.Multivariabele analyseMoeilijk
xy02−1012AB

De gemarkeerde punten zijn de kritieke punten van f(x, y) = x³ + y³ − 3xy. Klik op het zadelpunt.

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy
  1. 1A (1, 1)
  2. 2B (0, 0)
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 5y(1) = ?

Los y″ + 4y′ + 4y = 0 op met y(0) = 5 en y′(0) = 2. Bepaal y(1).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyK = 1ymax​ = ?

Een systeem voldoet voor t ≥ 0 aan y″ + y′ + 16,25y = 16,25, startend uit rust: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bepaal de piekwaarde ymax van zijn staprespons.

y″ + y′ + 16,25y = 16,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Oplossingen

1.Integralen

Antwoord: I = 7,34

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitieve

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limieten

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34

Antwoord

I = 7,34
2.Integralen

Antwoord: A = 4,5

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

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Bovenste min onderste integreren

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Antwoord

A = 4,5
3.Rijen & reeksen

Antwoord: L = 0,3679

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.

Verhouding van opeenvolgende termen

|ak+1/ak| = (k/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e

Conclusie

L = 0,3679 < 1

Antwoord

L = 0,3679

L < 1, dus de reeks convergeert.

4.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₂| = 0,1899

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.

Grens op de afgeleide

M = e0,8 = 2,226

Lagrange-grens

|R₂| ≤ 2,226·0,8³/3! = 0,1899

Antwoord

|R₂| = 0,1899

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,8) − P₂(0,8)| = 0,1055.

5.Multivariabele analyse

Antwoord: θ = 145,9 °

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 = −4y³ − 6x² − 3y → fx(−2, 2) = −62
fy = −12xy² − 15y² − 3x → fy(−2, 2) = 42

Richting

θ = atan2(42, −62) = 145,9°

Antwoord

θ = 145,9°
6.Multivariabele analyse

Antwoord: B (0, 0)

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 − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)

Tweede-afgeleidentest

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → zadelpunt
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → lokaal minimum

Het punt

B (0, 0): zadelpunt

Antwoord

B (0, 0)
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1) = 2,301

Lineaire tweede-ordevergelijkingen: probeer voor y″ + b·y′ + c·y = 0 y = ert: dit geeft de karakteristieke vergelijking r² + b·r + c = 0. Twee reële wortels r₁ ≠ r₂ geven y = A·er₁t + B·er₂t (overgedempt); een dubbele wortel r geeft y = (A + Bt)·ert (kritisch gedempt); complexe wortels −α ± jω geven y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (ondergedempt, oscillerend). De beginwaarden y(0) en y′(0) leggen A en B vast. Geschreven als y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 is ωn de eigenfrequentie en ζ de dempingsfactor: bij ζ < 1 oscilleert de oplossing. Bij een constante ingang, y″ + by′ + cy = c·K, is de oplossing de eindwaarde K plus de vrije respons.

Dubbele wortel

(r + 2)² = 0 → r = −2

Constanten

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 10 = 12

Bereken

y(1) = (5 + 12·1)·e−2 = 2,301

Antwoord

y(1) = 2,301
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: ymax = 1,675

Lineaire tweede-ordevergelijkingen: probeer voor y″ + b·y′ + c·y = 0 y = ert: dit geeft de karakteristieke vergelijking r² + b·r + c = 0. Twee reële wortels r₁ ≠ r₂ geven y = A·er₁t + B·er₂t (overgedempt); een dubbele wortel r geeft y = (A + Bt)·ert (kritisch gedempt); complexe wortels −α ± jω geven y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (ondergedempt, oscillerend). De beginwaarden y(0) en y′(0) leggen A en B vast. Geschreven als y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 is ωn de eigenfrequentie en ζ de dempingsfactor: bij ζ < 1 oscilleert de oplossing. Bij een constante ingang, y″ + by′ + cy = c·K, is de oplossing de eindwaarde K plus de vrije respons.

Stationaire waarde en wortels

yss = 1, r = −0,5 ± 4j

Constanten uit de beginwaarden

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,125

Piek

t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/4) = 1,675

Antwoord

ymax = 1,675

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2