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
xy01

Bereken I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
2.IntegralenMoeilijk
xy2y = x²eˣ

Bereken I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
3.Rijen & reeksenGemiddeld
AΣ 1/(k² + 3)k = 1 … ∞BΣ k³/5ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ (k + 1)/k²k = 1 … ∞

Precies één van de vier reeksen divergeert. Klik erop.

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

f(x) = eˣ wordt benaderd door zijn Maclaurinpolynoom van graad 3 in x = 0,2. Gebruik de Lagrange-foutgrens M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! met M = e0,2 = 1,221 om de grootst mogelijke fout |R₃| te vinden.

f(x) = eˣn = 3x = 0,2M = 1,221
|R₃| =
5.Multivariabele analyseGemiddeld
xy−10,5P

Gebruik het raakvlak van f(x, y) = 3 sin(−2x + y) in (−1, 0,5) om f(−0,8, 0,6) te benaderen. Geef de lineaire benadering L.

f(x, y) = 3 sin(−2x + y)(a, b) = (−1, 0,5)(x, y) = (−0,8, 0,6)
L =
6.Multivariabele analyseMoeilijk
xy31

Gebruik poolcoördinaten om I = ∬R e−(x² + y²) dA te berekenen, waarbij R de ring 1 ≤ x² + y² ≤ 9 is.

f = e−(x² + y²)1 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ 2π
I =
7.DifferentiaalvergelijkingenGemiddeld
t (min)T (°C)26Ta​T = ?

Een gesmeed stalen onderdeel van 400 °C koelt af in een werkplaats van 25 °C. Het volgt de afkoelingswet van Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bereken met k = 0,03 min⁻¹ de temperatuur T na 26 min.

T0 = 400 °CTa = 25 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 26 min
T = °C
8.DifferentiaalvergelijkingenMoeilijk
xy12(1, −3)y(2) = ?

Los het beginwaardeprobleem y′ + y/x = 3x2 op voor x > 0, met y(1) = −3. Bereken y(2).

y′ + y/x = 3x2y(1) = −3
y(2) =

3Oplossingen

1.Integralen

Antwoord: I = 2,333

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.

Substitutie

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Integreren en invullen

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Antwoord

I = 2,333
2.Integralen

Antwoord: I = 12,78

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.

Eerste ronde

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Tweede ronde

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limieten

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Antwoord

I = 12,78
3.Rijen & reeksen

Antwoord: D: Σ (k + 1)/k²

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 + 3) → Kleiner dan 1/k², een convergente p-reeks: convergeert door vergelijking.
B: Σ k³/5ᵏ → Quotiëntcriterium: L = 1/5 < 1, convergeert.
C: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternerend, met 1/√k dalend naar 0: convergeert (voorwaardelijk).
D: Σ (k + 1)/k² → Gedraagt zich als 1/k voor grote k: divergeert door vergelijking met de harmonische reeks.

Het antwoord

D: Σ (k + 1)/k²

Antwoord

D: Σ (k + 1)/k²
4.Rijen & reeksen

Antwoord: |R₃| = 8,143 × 10⁻⁵

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 = e0,2 = 1,221

Lagrange-grens

|R₃| ≤ 1,221·0,2⁴/4! = 8,143 × 10⁻⁵

Antwoord

|R₃| = 8,143 × 10⁻⁵

De werkelijke fout is kleiner: |f(0,2) − P₃(0,2)| = 6,942 × 10⁻⁵.

5.Multivariabele analyse

Antwoord: L = 2,516

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.

Waarde en hellingen in het punt

f(−1, 0,5) = 1,795
fx = −6 cos(−2x + y) → fx(−1, 0,5) = 4,807
fy = 3 cos(−2x + y) → fy(−1, 0,5) = −2,403

Raakvlak

z = 1,795 + 4,807(x + 1) − 2,403(y − 0,5)
z = 4,807x − 2,403y + 7,804

Lineaire benadering

L = 1,795 + 4,807·0,2 + (−2,403)·0,1 = 2,516

Antwoord

L = 2,516

De exacte waarde is f = 2,425489; het vlak ligt dichtbij omdat de stap klein is.

6.Multivariabele analyse

Antwoord: I = 1,155

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).

Poolvorm

I = ∫02π ∫13 e−r²·r dr dθ

Integreren

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 1,155

Antwoord

I = 1,155
7.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: T = 196,9 °C

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.

Oplossing van de afkoelingswet

T(t) = 25 + 375·e−0,03t

Vul t in

T(26) = 25 + 375·0,4584 = 196,9 °C

Antwoord

T = 196,9 °C
8.Differentiaalvergelijkingen

Antwoord: y(2) = 4,125

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.

Integrerende factor

μ = e∫1/x dx = x1

Integreren

(x1y)′ = 3x3 → x1y = 3x4/4 + C

Beginvoorwaarde

−3 = 3/4 + C → C = −3,75

Bereken

y(2) = (3·24/4 + (−3,75))/21 = 4,125

Antwoord

y(2) = 4,125

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2