Egzamin z Analizy 1, 8 II 2008 godz. 9.00

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



arc tg x



dla x > 0







x













f ( x) =

ax + b

dla x ∈< − 1 , 0 >















x 3 + 1





dla x < − 1



x 2 + 4 x + 3

Rozwiązanie:

Funkcja jest ciągła dla x ∈ ( −∞, − 1) ∪ ( − 1 , 0) ∪ (0 , ∞). Sprawdzamy ciągłość w punktach x = 0 i x = − 1.

Funkcja będzie ciągła w punkcie x = 0 , gdy wartość f (0) (równa granicy lewostronnej w x = 0) będzie równa granicy prawostronnej w x = 0.

f (0) = b

arc tg x

1

lim f ( x) = lim

= lim x 2+1 = 1

x→ 0+

x→ 0+

x

x→ 0+

1

Zastosowaliśmy regułę del’Hospitala dla granicy [ 0 ]

0

Dostajemy równanie:

b = 1

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 x 3 + 1

3 x 2

3

lim f ( x) = lim

== lim

=

x→− 1 −

x→− 1 − x 2 + 4 x + 3

x→− 1 − 2 x + 4

2

Zastosowaliśmy regułę del’Hospitala dla granicy [ 0 ]

0

Dostajemy równanie:

3

−a + b = 2

Stąd

1

a = − 2

Odpowiedź:

1

Funkcja jest ciągła dla paramatrów a = −

i b = 1.

2

2. Zbadać przebieg zmienności funkcji (bez badania drugiej pochodnej) ln x 2

f ( x) =

x

Rozwiązanie:

Dziedzina funkcji: D = ( −∞, 0) ∪ (0 , ∞) ln( −x)2

ln x 2

Funkcja jest nieparzysta: f ( −x) =

= −

= −f ( x)

−x

x

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

Granice

ln x 2

−∞

lim f ( x) = lim

=

= −∞

x→ 0+

x→ 0+

x

0+

ln x 2

2 x

2

lim f ( x) = lim

= lim x 2 = lim

= 0

x→∞

x→∞

x

x→∞ 1

x→∞ x

Asymptoty:

Funkcja ma asymptotę pionową x = 0 i poziomą y = 0 w + ∞

Badamy monotoniczność obliczając pochodną: 2 x x − ln x 2

2 − ln x 2

f 0( x) = x 2

=

x 2

x 2

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

2 − 2 ln x > 0

ln x < 1

x < e

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

x

0+

...

e

...

∞

f 0( x)

+

+

0

−

f ( x)

−∞

%

2

&

0

e

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

Wyznaczyć resztę.

f ( x) = ( x + 1) sin x Rozwiązanie:

Wzór Taylora:

f 0(0) x

f 00(0) x 2

f 000(0) x 3

f ( x) = f (0) +

+

+

+ R 3

1!

2!

3!

f IV ( c) x 4

R 3 =

, gdzie c ∈ (0 , x)

4!

f (0) = 0

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

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

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

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

1 x

2 x 2

−x 3

1

f ( x) = 0 +

+

+

+ R 3 = x + x 2 − x 3 + R 3

1!

2!

3!

6

gdzie

(( c + 1) sin c − 4 cos c) x 4

R 3 =

, gdzie c ∈ (0 , x)

4!

4. Obliczyć całkę nieoznaczoną Z

sin3 x

I =

d x

cos3 x + cos2 − cos x − 1

Rozwiązanie:

Całkujemy przez podstawienie:



t = cos x











d t = − sin x d x







sin3 x d x = sin2 x sin x d x = (1 − cos2 x) sin x d x = −(1 − t 2) d t 

Z

−(1 − t 2)

Z

t 2 − 1

Z

1

I =

d t =

d t =

d t = ln |t + 1 | + C =

t 3 + t 2 − t − 1

( t 2 − 1)( t + 1) t + 1

ln | cos x + 1 | + C

5. Obliczyć objętość bryły powstałej przez obrót Obszaru D: s 2 x + 1

0 ¬ y ¬

, 0 ¬ x ¬ 2 dookoła osi Ox x 2 + 4

Rozwiązanie:

Objętość bryły jest równa:

2

2

2

Z

2 x + 1

Z

2 x

Z

1

V = π

d x = π

d x + π

d x

x 2 + 4

x 2 + 4

x 2 + 4

0

0

0

Pierwszą całkę obliczamy przez podstawienie:



t = x 2 + 4

















d t = 2 x d x



t = 4 dla x = 0















t = 8 dla x = 2 

2

8

Z

2 x

Z

1

d x =

d t = [ln |t|]8 = ln 8 − ln 4 = ln 2

x 2 + 4

t

4

0

4

Obliczamy drugą całkę:

2

2

2

Z

1

1 Z

1

1 Z

1

1

x 2

1

d x =

d x =

d x =

2 arc tg

=

(arc tg 1 −

x 2 + 4

4

x 2 + 1

4

( x )2 + 1

4

2 0

2

0

0

4

0

2

π

arc tg 0) = 8

Odpowiedź:

V = π ln 2 + π 2

8

6. Obliczyć całkę niewłaściwą

∞

Z

xe−x d x

0

Rozwiązanie:

∞

b

Z

Z

I =

xe−x d x = lim

xe−x d x

b→∞

0

0

Całkujemy przez części:

(

)

f = x

g0 = e−x

f 0 = 1 g = −e−x b

b

Z

Z

h

h

xe−x d x = −xe−x i b −

−e−x d x = −be−b + −e−x i b = −be−b − e−b + 1

0

0

0

0

Obliczmy granicę:

−b − 1

− 1

I = lim ( −be−b − e−b + 1) = 1 + lim

= 1 + lim

= 1

b→∞

b→∞

eb

b→∞ eb

Stosujemy regułę del’Hospitala dla granicy [ ∞ ]

∞