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
xy12,5y = x ln x

Bereken I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
2.IntegralenMoeilijk
xy4y = 2xy = 0,5x²

Het gebied tussen de lijn y = 2x en de parabool y = 0,5x² wordt om de x-as gewenteld. Bepaal het volume V van het lichaam.

y = 2xy = 0,5x²
V =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ 1/(k² + 4)k = 1 … ∞BΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/k³k = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

A: Σ 1/(k² + 4)B: Σ (5/3)ᵏC: Σ (2/5)ᵏD: Σ 1/k³
  1. 1A: Σ 1/(k² + 4)
  2. 2B: Σ (5/3)ᵏ
  3. 3C: Σ (2/5)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/k³
4.Rijen & reeksenMoeilijk
xyfP₃0,5

Gebruik het Maclaurinpolynoom van graad 3 van f(x) = sin(3x) om f(0,5) te benaderen. Geef P₃(0,5).

f(x) = sin(3x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
5.Multivariabele analyseGemiddeld

z = 5x³y − 3x³ + 4y² − 3xy met x = −3t − 1 en y = t². Gebruik de kettingregel om dz/dt te bepalen bij t = 0.

z = 5x³y − 3x³ + 4y² − 3xyx = −3t − 1y = t²t = 0
dz/dt =
6.Multivariabele analyseMoeilijk
xy−20−20(0, 0)(−2, −2)

f(x, y) = x³ + y³ + 6xy heeft een kritiek punt in (−2, −2). Bereken daar de discriminant D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ + y³ + 6xyP = (−2, −2)
D =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
tyy(0) = 2y(1,5) = ?

Los y″ + 7y′ + 10y = 0 op met y(0) = 2 en y′(0) = -2. Bepaal y(1,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(1.5) =
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
tyy(0) = 10y(0,75) = ?

Los y″ + 2y′ + 10y = 0 op met y(0) = 10 en y′(0) = 0 (losgelaten uit rust). Bepaal y(0,75); hoeken in radialen.

y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.75) =

3Oplossingen

1.Integralen

Antwoord: I = 1,551

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

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Antwoord

I = 1,551
2.Integralen

Antwoord: V = 107,2

Omwentelingslichamen: als je het gebied onder y = f(x) van x = a tot x = b om de x-as wentelt, ontstaat een lichaam waarvan de doorsnede bij x een schijf met straal f(x) is. Het optellen van de schijven geeft V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Ligt het gebied tussen een buitenste kromme R(x) en een binnenste kromme r(x), dan is elke plak een ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Kwadrateer de stralen voordat je ze van elkaar aftrekt.

Snijpunten

2x = 0,5x² → x = 0, x = 4

Ringmethode

V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx

Integreren

V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2

Antwoord

V = 107,2
3.Rijen & reeksen

Antwoord: B: Σ (5/3)ᵏ

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 1/(k² + 4) → Kleiner dan 1/k², een convergente p-reeks: convergeert door vergelijking.
B: Σ (5/3)ᵏ → Meetkundig met r = 5/3 > 1: de termen groeien, dus hij divergeert.
C: Σ (2/5)ᵏ → Meetkundig met r = 2/5, |r| < 1: convergeert.
D: Σ 1/k³ → p-reeks met p = 3 > 1: convergeert.

Het antwoord

B: Σ (5/3)ᵏ

Antwoord

B: Σ (5/3)ᵏ
4.Rijen & reeksen

Antwoord: P₃(0.5) = 0,9375

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.

Maclaurinpolynoom

P₃(x) = 3x − 4,5x³

Invullen

P₃(0,5) = 1,5 − 0,5625 = 0,9375

Antwoord

P₃(0,5) = 0,9375

De exacte waarde is f(0,5) = 0,997495; de fout 0,059995 wordt kleiner als je meer termen neemt of een punt dichter bij 0.

5.Multivariabele analyse

Antwoord: dz/dt = 27

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.

Punt en snelheden

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

Partiële afgeleiden

fx = 15x²y − 9x² − 3y = −9
fy = 5x³ + 8y − 3x = −2

Kettingregel

dz/dt = (−9)·(−3) + (−2)·0 = 27

Antwoord

dz/dt = 27
6.Multivariabele analyse

Antwoord: D = 108

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).

Tweede afgeleiden

fxx = −12, fyy = −12, fxy = 6

Discriminant

D = (−12)·(−12) − 6² = 108
→ lokaal maximum

Antwoord

D = 108
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(1.5) = 0,1324

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.

Karakteristieke wortels

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Constanten uit de beginwaarden

A + B = 2, −2A − 5B = -2
A = 2,667, B = −0,6667

Bereken

y(1,5) = 2,667·e−3 + (−0,6667)·e−7,5 = 0,1324

Antwoord

y(1,5) = 0,1324
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(0.75) = −1,742

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.

Complexe wortels

r = −1 ± 3j

Constanten

A = 10, B = 1·10/3 = 3,333

Bereken

y(0,75) = e−0,75(10·cos 2,25 + 3,333·sin 2,25) = −1,742

Antwoord

y(0,75) = −1,742

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2