Egzamin z Analizy 1, 31 I 2008 godz. 9.00

1. Obliczyć granice:

√

√

a) lim n

n 4 + 4 n −

n 4 + 3

n→∞

3 n− 1

b) lim n 2+2

n→∞

n 2+ n

Rozwiązanie:

√

√

√

√

√

√

n

n 4 + 4 n −

n 4 + 3

n 4 + 4 n +

n 4 + 3

a) lim n

n 4 + 4 n −

n 4 + 3 = lim

√

√

=

n→∞

n→∞

n 4 + 4 n +

n 4 + 3

n( n 4 + 4 n − n 4 − 3) n 2(4 − 3 )

lim √

√

= lim

n

q

q

= 2

n→∞

n 4 + 4 n +

n 4 + 3

n→∞ n 2

1 + 4 +

1 + 3

n 3

n 4

"

# (2 −n)(3 n− 1)

3 n− 1

3 n− 1

n 2+ n

n 2+ n

b) lim n 2+2

= lim 1 + 2 −n

= lim

1 + 2 −n

2 −n

n→∞

n 2+ n

n→∞

n 2+ n

n→∞

n 2+ n

Ponieważ

(2 − n)(3 n − 1)

n 2( 2 − 1)(3 − 1 ) lim

= lim

n

n

= − 3

n→∞

n 2 + n

n→∞

n 2(1 + 1 )

n

Więc

3 n− 1

lim n 2+2

= e− 3

n→∞

n 2+ n

2. Dla jakich wartości parametrów a, b ∈ R funkcja f ( x) jest ciągła?





 x 3 + 4 x 2 − 5 x





dla x > 1







x 3 − 1









f ( x) =

ax + b

dla x ∈< − 1 , 1 >

















 2 arc sin( 1 )





x

√

dla x < − 1

x 2 − 1

Rozwiązanie:

Funkcja jest ciągła dla x ∈ ( −∞, − 1) ∪ ( − 1 , 1) ∪ (1 , ∞). Sprawdzamy ciągłość w punktach x = 1 i x = − 1.

Funkcja będzie ciągła w punkcie x = 1 , gdy wartość f (1) (równa granicy lewostronnej w x = 1) będzie równa granicy prawostronnej w x = 1.

f (1) = a + b

x 3 + 4 x 2 − 5 x 3 x 2 + 8 x − 5

lim f ( x) = lim

= lim

= 2

x→ 1+

x→ 1+

x 3 − 1

x→ 1+

3 x 2

Zastosowaliśmy regułę del’Hospitala dla granicy [0]

0

Dostajemy równanie:

a + b = 2

Funkcja będzie ciągła w punkcie x = − 1 , gdy wartość f ( − 1) (równa granicy prawostronnej w x = − 1) będzie równa granicy lewostronnej w x = − 1.

f ( − 1) = −a + b 2 arc sin( 1 )

−π

lim f ( x) = lim

x

√

=

= −∞

x→− 1 −

x→− 1 −

x 2 − 1

0+

Uwaga! Nie wolno stosować reguły del’Hospitala, ponieważ nie jest to granica [ 0] ani 0

[ ∞]

∞

Wniosek: funkcja nie jest ciągła w x = − 1 dla żadnych wartości paramatrów a i b.

Odpowiedź:

Funkcja nie jest ciągła dla żadnych wartości paramatrów a i b.

3. Sformułować twierdzenie o wartości średniej (Lagrange’a). Znaleźć ekstrema i asymptoty funkcji

!

x 2 + 1

f ( x) = arc tg

x

Rozwiązanie:

Dziedzina funkcji: D = ( −∞, 0) ∪ (0 , ∞)

!

!

( −x)2 + 1

x 2 + 1

Funkcja jest nieparzysta: f ( −x) = arc tg

= − arc tg

= −f ( x)

−x

x

Wysarczy więc ją zbadać na zbiorze D 1 = (0 , ∞) 1. Ekstrema

Badamy monotoniczność obliczając pochodną: 1

2 x 2 − ( x 2 + 1) x 2 − 1

f 0( x) =

!

=

x 2 + 1 2

x 2

( x 2 + 1)2 + x 2

+ 1

x

Rozwiązujemy nierówność f 0( x) > 0 . Ponieważ mianownik jest dodatni: x 2 − 1 > 0

x > 1 (w zbiorze D 1) Wniosek: Funkcja f ( x) jest rosnąca na przedziale < 1 , ∞), malejąca na przedziale (0 , 1 > , ma więc w x = 1 minimum lokalne. Jest to jedyne ekstremum na D 1.

2. Asymptoty

Sprawdzamy czy istnieje asymptota pionowa x = 0

!

x 2 + 1

π

lim f ( x) = lim arc tg

=

x→ 0+

x→ 0+

x

2

Wniosek: Brak asymptoty pionowej w x = 0.

Sprawdzamy czy istnieje asymptota pozioma w ∞

!

x 2 + 1

π

lim f ( x) = lim arc tg

=

x→∞

x→∞

x

2

Wniosek: Istnieje asymptota pozioma w ∞, o równaniu y = π 2

Ponieważ f ( x) jest nieparzysta Odpowiedź:

Funkcja posiada minimum lokalne w x = 1 i maximum lokalne w x = − 1.

Funkcja nie ma asymptot pionowych.

Funkcja posiada asymptotę poziomą w ∞ o równaniu y = π oraz asymptotę poziomą 2

w −∞ o równaniu y = −π 2

4. Wyznaczyć wzór Taylora dla f ( x) wokół x 0 == stosując wielomian stopnia trzeciego.

Wyznaczyć resztę. Obliczyć przybliżaoną wartość f (0 , 1) f ( x) = ( x + 1) cos x Rozwiązanie:

Wzór Taylora:

f 0(0) x

f 00(0) x 2

f 000(0) x 3

f ( x) = f (0) +

+

+

+ R

1!

2!

3!

3

f IV ( c) x 4

R 3 =

, gdzie c ∈ (0 , x)

4!

f (0) = 1

f 0( x) = cos x − ( x + 1) sin x , f 0(0) = 1

f 00( x) = −( x + 1) cos x − 2 sin x , f 00(0) = − 1

f 000( x) = − 3 cos x + ( x + 1) sin x , f 000(0) = − 3

f IV ( x) = ( x + 1) cos x + 4 sin x Stąd:

1 x

−x 2

− 3 x 3

1

1

f ( x) = 1 +

+

+

+ R

x 2 − x 3 + R

1!

2!

3!

4 = 1 + x − 2

2

3

gdzie

(( c + 1) cos c + 4 sin c) x 4

R 3 =

4!

Przybliżona wartość f (0 , 1) 1 + 0 , 1 − 0 , 005 − 0 , 0005 = 1 , 0945

5. Obliczyć objętość bryły powstałej przez obrót figury ograniczonej krzywą r

cos x

y =

, x ∈< 0 , π > dookoła osi Ox sin2 x + sin x + 1

2

Rozwiązanie:

Objętość bryły jest równa:

π

2

Z

cos x

V = π

d x

sin2 x + sin x + 1

0

Całkujemy przez podstawienie:







 t = sin x











d t = cos x d x





 t = 0 dla x = 0 









t = 1 dla x = π 

2

1

Z

1

1

√ "

!#

1

Z

1

4 Z

1

4 3

2 t + 1

1

V = π

d t = π

d t = π

d t = π

arc tg

√

=

t 2 + t + 1

( t + 1)2 + 3

3

(2 t+1

√

)2 + 1

3 2

3

0

0

2

4

0

3

0

√

√

√

2 π 3

√

1

2 π 3 π

π

π 2 3

(arc tg 3 − arc tg √ ) =

( − ) =

3

3

3

3

6

9

6. Obliczyć całkę niewłaściwą

∞

Z

d x

ex + 1

0

Rozwiązanie:

∞

Z

b

d x

Z

d x

I =

= lim

ex + 1

b→∞

ex + 1

0

0







 t = ex



















 d t = ex d x





1 d t = d x



 t











 t = 1 dla x = 0 









t = eb dla x = b 

b

Z

eb

d x

Z

d t

=

ex + 1

t( t + 1)

0

1

Rozkładamy funkję wymierną na ułamki proste: 1

A

B

=

+

t( t + 1)

t

t + 1

Wyznaczamy A = 1 , B = − 1

eb

Z

!

1

1

eb

−

d t = [ln |t| − ln |t + 1 |] eb = ln

+ ln 2

t

t + 1

1

eb + 1

1

!

!

eb

I = lim ln

+ ln 2 = ln 2

b→∞

eb + 1