Egzamin z Analizy 1, 1 II 2012 godz. 12.00

1. Zadanie wstępne:

Zadanie

Odp.

√

n 3 +

n 4 + 1

1. Obliczyć granicę lim

∞

n→∞

n 2 + 3 n

Rozwiązanie:

√

q 1

q 1

n 3 +

n 4 + 1

n 3(1 +

+ 1 )

1 +

+ 1

lim

= lim

n 2

n 6

= lim n

n 2

n 6 = ∞

n→∞

n 2 + 3 n

n→∞

n 2(1 + 3 )

n→∞

1 + 3

n

n

6 ln( x + 1)

2. Obliczyć granicę lim

2

x→ 0

e 3 x − 1

Rozwiązanie:

6 ln( x + 1)

6

lim

= lim x+1 = 2

x→ 0

e 3 x − 1

x→ 0 3 e 3 x

0

Stosujemy regułę del’Hospitala dla granicy 0

32

3. Obliczyć drugą pochodną f 00(1) jeżeli f ( x) = 10 arc tg 2 x

− 5

Rozwiązanie:

10

20

f 0( x) =

· 2 =

1 + 4 x 2

1 + 4 x 2

− 20

− 160 x

f 00( x) =

· 8 x =

(1 + 4 x 2)2

(1 + 4 x 2)2

− 160

32

f 00(1) =

= −

25

5

Z

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną

x cos x d x

x sin x + cos x + C

Rozwiązanie:

Z

Z

Z

x cos x d x =

x(sin x) 0 d x = x sin x −

sin x d x = x sin x + cos x + C

Całkujemy przez części.

1

Z

12 x

5. Obliczyć całkę Riemanna

d x

4 ln 2

3 x 2 + 1

0

Rozwiązanie:

1

4

Z

12 x

Z

2

d x = {t = 3 x 2 + 1 ; d t = 6 x d x ; t(0) = 1 ; t(1) = 4 } =

d t =

3 x 2 + 1

t

0

1

h

i4

2 ln |t|

= 2 ln 4 − 0 = 4 ln 2

1

1

2. Dla jakiej wartości parametru a zachodzi równość granic: a

x + e−x

lim(1 + 2 sin x) x = lim √

x→ 0

x→∞

x 2 + 1

Rozwiązanie:

a

a

lim(1 + 2 sin x)

x

x = lim e ln(1+2 sin x) x→ 0

x→ 0

h 0 i

0

a 2 cos x

a

a ln(1 + 2 sin x)

lim ln(1 + 2 sin x)

1+2 sin x

x = lim

=

lim

= 2 a

x→ 0

x→ 0

x

x→ 0

1

H

Stąd:

a

lim(1 + 2 sin x) x = e 2 a x→ 0

Obliczamy drugą granicę:

x + e−x

x(1 + e−x )

1 + e−x

1 + 0

lim √

= lim

x

= lim

x

=

∞

√

= 1

x→∞

x 2 + 1

x→∞

q

q

x 1 + 1

x→∞

1 + 1

1 + 0

x 2

x 2

e 2 a = 1

2 a = 0

a = 0

Odpowiedź:

a = 0

2

3. Znaleźć ekstrema lokalne i globalne funkcji f ( x) = x ln2 x

Rozwiązanie:

Dziedziną funkcji jest:

D = (0 , ∞)

Badamy monotoniczność funkcji rozwiązując nierówność f 0( x) > 0 : 1

f 0( x) = ln2 x + x · 2 ln x ·

= ln2 x + 2 ln x ( f 0( x) istnieje na D) .

x

ln2 x + 2 ln x > 0

Podstawiamy t = ln x = ⇒ x = et t 2 + 2 t > 0 = ⇒ t( t + 2) > 0

t ∈ ( −∞ , − 2) ∪ (0 , ∞) = ⇒ x ∈ (0 , e− 2) ∪ (1 , ∞) Wniosek:

Funkcja f ( x) jest rosnąca przedziale ( −∞ , e− 2 > , malejąca na przedziale < e− 2 , 1 > , rosnąca przedziale < 1 , ∞) , W punkcie x = e− 2 jest więc maksimum lokalne, w punkcie x = 1 jest więc minimum lokalne.

Aby sprawdzić, czy x = e− 2 jest maksimum globalnym obliczamy: f ( e− 2) = 4 e− 2

lim f ( x) = lim x ln2 x = ∞ · ∞ = ∞

x→∞

x→∞

Ponieważ f (1) < lim f ( x) , więc x = e− 2 nie jest maksimum globalnym.

x→∞

Aby sprawdzić, czy x = 1 jest minimum globalnym obliczamy: f (1) = 0

h ∞ i

h ∞ i

ln2 x

∞

2 ln x · 1

− 2 ln x

∞

2

lim f ( x) = lim x ln2 x = lim lim

x = lim

lim

x

=

1

=

− 1

1

=

− 1

x→ 0+

x→∞

x→ 0+

x→ 0+

x→ 0+

x→ 0+

x

H

x 2

x

H

x 2

lim ( − 2 x) = 0

x→ 0+

Ponieważ f (1) = lim f ( x) , więc x = 1 jest minimum globalnym.

x→ 0+

Odpowiedź:

Funkcja ma:

minimum lokalne w punkcie x = 1,

minimum globalne w punkcie x = 1 o wartości f (1) = 0, maksimum lokalne w punkcie x = e− 2, nie ma maksimum globalnego

3

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną

Z

sin3 x + 4 sin x cos x

I =

d x

cos2 x + 1

Rozwiązanie:

Całkujemy przez podstawienie:

(

)

t = cos x

d t = − sin x d x

Z

sin3 x + 4 sin x cos x

Z

(sin2 x + 4 cos x) sin x

Z

(1 − cos2 x + 4 cos x) sin x I =

d x =

d x =

d x =

cos2 x + 1

cos2 x + 1

cos2 x + 1

Z

1 − t 2 + 4 t

Z

t 2 − 4 t − 1

( − d t) =

d t

t 2 + 1

t 2 + 1

Jest to całka z funkcji wymiernej. Dzielimy wielomiany: Z

Z

Z

Z

Z

− 4 t − 2

− 4 t − 2

t

1

I =

1 +

d t =

1 +

d t =

d t − 4

d t − 2

d t =

t 2 + 1

t 2 + 1

t 2 + 1

t 2 + 1

Z

t

t − 4

d t − 2 arc tg t

t 2 + 1

Całkę

Z

t

I 1 =

d t

t 2 + 1

Całkujemy przez podstawienie za mianownik:

(

)

s = t 2 + 1

d s = 2 t d t

Z

1

1

1

I 1 = 1

d s =

ln |s| + C =

ln |t 2 + 1 | + C

2

s

2

2

Stąd:

I = t − 2 ln |t 2 + 1 | − 2 arc tg t + C

Odpowiedź:

I = cos x − 2 ln | cos2 x + 1 | − 2 arc tg(cos x) + C

4

5. Obliczyc pole obszaru ograniczonego krzywymi: y = 4 arc tg x oraz y = πx

Rozwiązanie:

Po wykonaniu rysunku widać, że krzywe przecinają się w punktach: P 1(0 , 0) , P 2(1 , π) , P 3( − 1 , −π) Wybieramy obszar między punktami P 1 i P 2 (drugi jest symetryczny, a więc ma to samo pole) .

Pole obszaru jest równe:

1

Z

S =

4 arc tg x − πx d x

0

Obliczamy całkę:

1

1

1

Z

Z

Z

S =

4 arc tg x − πx d x = 4

arc tg x d x − π

x d x

0

0

0

1

1

(

)

Z

f ( x) = arc tg x g0( x) = 1

1

Z

1

I 1 =

arc tg x d x =

= x· arc tg x

−

x·

d x =

f 0( x) =

1

g( x) = x

1 + x 2

1+ x 2

0

0

0

1

π

Z

x

−

d x

Całkujemy przez części

4

1 + x 2

0

1

Z

x

I 2 =

d x = {t = x 2 + 1 ; d t = 2 x d x ; t(0) = 1 ; t(1) = 2 } =

1 + x 2

0

2

Z

1

1

2

1

d t =

ln |t|

=

ln 2 − 0

2 t

2

1

2

1

π

ln 2

I 1 =

−

4

2

1

Z

1

1

1

I 3 =

x d x =

x 2

=

2

0

2

0

π

π

S = 4 I 1 − πI 3 = π − 2 ln 2 −

=

− 2 ln 2

2

2

Odpowiedź:

π

S =

− 2 ln 2

2

5

6. Obliczyć całkę niewłaściwą

∞

Z

1

√

√ d x

x x + 4 x + 3 x

1

Rozwiązanie:

∞

b

Z

1

Z

1

I =

√

√ d x = lim

√

√ d x

x x + 4 x + 3 x

b→∞

x x + 4 x + 3 x

1

1

b

Z

1

Całkę Ib =

√

√ d x

obliczamy przez podstawienie:

x x + 4 x + 3 x

1

√

√

{t =

x = ⇒ x = t 2 ; d x = 2 t d t ; t(1) = 1 ; t( b) =

b}

√

√

b

b

Z

2 t

Z

2

Ib =

d t =

d t

t 3 + 4 t 2 + 3 t

t 2 + 4 t + 3

1

1

Rozkładamy mianownik na czynniki:

t 2 + 4 t + 3 = ( t + 1)( t + 3) Funkcję wymierną rozkładamy na ułamki proste:

2

A

B

=

+

( t + 1)( t + 3)

t + 1

t + 3

2 = A( t + 3) + B( t + 1) Podstawiamy t = − 1 , stąd 2 A = 2 = ⇒ A = 1

Podstawiamy t = − 3 , stąd − 2 B = 2 = ⇒ B = − 1

√b

√

Z

b

√

√

1

1

Ib =

−

d t = ln |t+1 |− ln |t+3 |

= ln | b+1 |− ln | b+3 |− ln 2+ln 4 =

t + 1

t + 3

1

1

√

b + 1

ln √

+ ln 2

b + 3

Obliczamy granicę:

√

1 + 1

√

b + 1

1 + 0

I = lim ln

b

√

+ ln 2

= ln 2 + lim ln

= ln 2 + ln

= ln 2

b→∞

b→∞

1 + 3

√

1 + 0

b + 3

b

Odpowiedź:

I = ln 2

6