Egzamin z Analizy 1, 6 IX 2011

1. Zadanie wstępne:

Zadanie

Odp.

e−n

1. Obliczyć granicę lim

0

n→∞ n 2

Rozwiązanie:

e−n

0

lim

=

= 0

n→∞ n 2

∞

ln(3 x − 2)

2. Obliczyć granicę lim

1

x→ 1

x 3 − 1

Rozwiązanie:

ln(3 x − 2)

3

lim

= lim 3 x− 2 = 1

x→ 1

x 3 − 1

x→ 1 3 x 2

0

Stosujemy regułę del’Hospitala dla granicy 0

3. Obliczyć drugą pochodną f 00(1) jeżeli f ( x) = x 2 e 3 x 23 e 3

Rozwiązanie:

f 0( x) = 2 xe 3 x + x 2 e 3 x · 3

f 00( x) = 2 e 3 x + 6 xe 3 x + 6 xe 3 x + 9 x 2 e 3 x f 00(1) = 23 e 3

Z

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną

4 x ln x d x

2 x 2 ln x − x 2 + C

Rozwiązanie:

Z

Z

Z

1

Z

4 x ln x d x = 2

( x 2) 0 ln x d x = 2 x 2 ln x − 2

x 2 ·

d x = 2 x 2 ln x −

2 x d x =

x

2 x 2 ln x − x 2 + C

Całkujemy przez części.

3

Z

4 x

5. Obliczyć całkę Riemanna

d x

2 ln 6

x 2 − 3

2

Rozwiązanie:

3

6

Z

4 x

Z

2

h

i6

d x =

d t = 2 ln |t|

= 2 ln 6

x 2 − 3

t

1

2

1

stosujemy podstawienie: {t = x 2 − 3 ; d t = 2 x d x ; t(2) = 1 ; t(3) = 6 }

1

2. Dla jakiej wartości parametrów a, b funkcja f : ( −π , ∞) → R jest ciągła?



7 x 3 − 56





dla x > 2





f ( x) =

x 4 − 4 x − 8

ax + b

dla 0 ¬ x ¬ 2









ctg x · arc tg 2 x dla − π < x < 0

Rozwiązanie:

Funkcja jest ciągła na zbiorze ( −π, 0) ∪ (0 , 2) ∪ (2 , ∞) . Pozostaje sprawdzić ciągłość w punktach x 1 = 2 i x 2 = 0.

Sprawdzamy ciągłość w punkcie x 1 = 2 : lim f ( x) = lim f ( x) = f (2) x→ 2 −

x→ 2+

f (2) = 2 a + b

lim f ( x) = lim ( ax + b) = 2 a + b x→ 2 −

x→ 2 −

h 0 i

7 x 3 − 56

0

21 x 2

lim f ( x) = lim

=

lim

= 3

x→ 2+

x→ 2+ x 4 − 4 x − 8

x→ 2+ 4 x 3 − 4

H

Mamy:

2 a + b = 2 a + b = 3

Sprawdzamy ciągłość w punkcie x 2 = 0 : lim f ( x) = lim f ( x) = f (0) x→ 0 −

x→ 0+

f (0) = b

lim f ( x) = lim ( ax + b) = b x→ 0+

x→ 0+

h 0 i

2

arc tg 2 x

0

1+(2 x)2

lim f ( x) = lim ctg x · arc tg 2 x = lim

=

=

lim

= 2

1

x→ 0 −

x→ 0 −

x→ 0 −

tgx

x→ 0 −

H

cos2 x

Mamy:

b = b = 2

Z równania: 2 a + b = 3 = ⇒ 2 a + 2 = 3 = ⇒ a = 12

Odpowiedź:

Funkcja f ( x) jest ciągła dla a = 1 oraz b = 2 .

2

2

3. Funkcja y( x) : (0 , ∞) → R spełnia równanie: xy = x 2 + 1 . Zbadać przebieg zmienno-

ści tej funkcji, naszkicować jej wykres oraz znaleźć wartość największą i najmniejszą funkcji.

Rozwiązanie:

Obliczmy y:

1

y = x + x

Dziedzina funkcji:

D = (0 , ∞)

Obliczamy granice:

1

lim ( x +

) = 0 + ∞ = + ∞

x→ 0+

x

1

lim ( x +

) = ∞ + 0 = + ∞

x→∞

x

Badamy pochodną:

1

f 0( x) = 1 − x 2

Pochodna istnieje na całej dziedzinie. Badamy jej znak: f 0( x) > 0

1

1 −

> 0

x 2

x 2 > 1

x > 1 - ponieważ w dziedzinie x > 0

Badamy drugą pochodną

2

f 00( x) = x 3

Pochodna istnieje i jest dodatnia na całej dziedzinie. Funkcja jest więc wypukła.

x

0+

...

1

...

∞

f 0( x)

−

0

+

f ( x)

+ ∞

&

2

%

+ ∞

Wartość najmniejsza tej funkcji jest równa 2, wartość największa nie istnieje.

3

4. Znaleźć różniczkowalną funkcję F : ( −∞ , ∞) → R taką, że F 0( x) = 3 sin3 x + 4 sin2 x oraz F (0) = 0

Rozwiązanie:

Z

Z

Z

F ( x) =

(3 sin3 x + 4 sin2 x) d x =

3 sin3 x d x +

4 sin2 x d x

Obliczamy całki:

Z

I 1 =

3 sin3 x d x

Całkujemy przez podstawienie:

(

)

t = cos x

d t = − sin x d x Z

Z

Z

I 1 =

3 sin2 x · sin x d x =

3(1 − cos2 x) · sin x d x =

( − 3 + 3 t 2) d t = t 3 − 3 t + C =

cos3 x − 3 cos x + C

Z

I 2 =

4 sin2 x d x

1 − cos 2 x

Korzystamy ze wzoru: sin2 x =

.

2

Z

I 2 =

(2 − 2 cos 2 x) = 2 x − sin 2 x + C

zastosowaliśmy podstawienie liniowe: t = 2 x Stąd:

F ( x) = cos3 x − 3 cos x + 2 x − sin 2 x + C

Postawiamy x = 0

0 = 1 − 3 + C = ⇒ C = 2

Odpowiedź:

F ( x) = cos3 x − 3 cos x + 2 x − sin 2 x + 2

4

1

2

5. Obliczyc pole obszaru ograniczonego krzywymi: y =

oraz y =

x 2 + 1

x 2 + 3

Rozwiązanie:

Szukamy punktów przecięcia krzywych:

1

2

=

= ⇒ 2 x 2 + 2 = x 2 + 3 = ⇒ x 2 = 1 = ⇒ x = ± 1

x 2 + 1

x 2 + 3

Pole obszaru jest równe:

1

1

1

Z

1

2

Z

1

Z

1

S =

−

d x =

d x − 2

d x

x 2 + 1

x 2 + 3

x 2 + 1

x 2 + 3

− 1

− 1

− 1

Obliczamy całki:

1

Z

1

h

i1

π

π

π

d x = arc tg x

=

− ( − )) =

x 2 + 1

− 1

4

4

2

− 1

1

1

√

√

√

Z

1

1 Z

1

3 h

x i1

3 π

π

π 3

d x =

d x =

arc tg √

=

(

− ( − )) =

x 2 + 3

3

x 2

− 1

√

3

3

3

6

6

9

−

+ 1

1

− 1

3

Zastosowaliśmy podstawienie liniowe t = x

√ 3

Pole obszaru jest równe: √

√

π(9 − 4 3)

S = π − 2 π 3 =

2

9

18

Odpowiedź:

√

π(9 − 4 3)

S =

18

5

6. Obliczyć całkę niewłaściwą

∞

Z

1

√

d x

( x + 1)( x + 1 + 2 x + 1) 0

Rozwiązanie:

∞

b

Z

1

Z

1

I =

√

d x = lim

√

d x

( x + 1)( x + 1 + 2 x + 1) b→∞

( x + 1)( x + 1 + 2 x + 1) 0

0

Obliczamy całkę:

b

Z

1

√

d x

( x + 1)( x + 1 + 2 x + 1) 0

√

n

o

Podstawiamy: x + 1 = t 2 ; d x = 2 t d t ; t(0) = 1 ; t( b) =

b + 1

√

√

b

b+1

b+1

Z

1

Z

2 t

Z

2

√

d x =

d t =

d t

( x + 1)( x + 1 + 2 x + 1) t 2( t 2 + 2 t)

t 2( t + 2)

0

1

1

Funkcję wymierną rozkładamy na ułamki proste: 2

A

B

C

=

+

+

t 2( t + 2)

t

t 2

t + 2

2 = At( t + 2) + B( t + 2) + Ct 2

Podstawiamy t = 0 = ⇒ 2 = 2 B = ⇒ B = 1

Podstawiamy t = − 2 = ⇒ 2 = 4 C = ⇒ C = 12

Podstawiamy t = 1 = ⇒ 2 = 3 A + 3 B + C = ⇒ 2 = 3 A + 3 + 1 = ⇒ A = − 1

2

2

√

√

√

√

b+1

b+1

b+1

b+1

√

√

Z

2

1 Z

1

Z

1

1 Z

1

1 h

i

b+1

h 1 i

b+1

d t = −

d t+

d t+

d t = −

ln |t|

−

+

t 2( t + 2)

2

t

t 2

2

t + 2

2

1

t 1

1

1

1

1

√

1

√

√

h

i

b+1

1

1

1

1

ln |t + 2 |

= − ln

b + 1 − √

+ 1 +

ln( b + 1 + 2) −

ln 3

2

1

2

b + 1

2

2

Obliczamy granicę:

√

√

lim − 1 ln

b + 1 −

1

√

+ 1 + 1 ln( b + 1 + 2) − 1 ln 3

=

b→∞

2

b+1

2

2

√

b + 1 + 2

1

1

2

1 − 1 ln 3 + 1 lim − 1

√

+ ln

√

= 1 −

ln 3 + 0 +

lim ln(1 + √

) =

2

2 b→∞

b+1

b + 1

2

2 b→∞

b + 1

1

1 −

ln 3

2

Odpowiedź:

1 − 1 ln 3

2

6