Cognome Nome Matricola Università degli Studi di Venezia – Facoltà di Scienze M.F.N. Laurea in Informatica, – E. Jabara, A. Magris, A. Tonolo Prova scritta di Calcolo - TEMA 1 1 Venezia, 3 luglio 2006 2 3 4 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy y 0 x = π2 y(−1) = 2 Esercizio 2 Dire se esiste finito l’integrale Z 1 0 sin x dx. x3/2 (1 + x2 ) Esercizio 3 Studiare la funzione x2 + 1/3 , e|x| (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). f (x) = Esercizio 4 (i)Si determini lo sviluppo di Taylor in 0 al secondo ordine delle funzioni tan x, sin x e cos x. (ii) Si calcoli il seguente limite utilizzando gli o-piccolo sin x − 1/2x + x3 . x→0 tan x + cos x − 1 lim Cognome Nome Matricola Università degli Studi di Venezia – Facoltà di Scienze M.F.N. Laurea in Informatica, – E. Jabara, A. Tonolo Prova scritta di Calcolo - TEMA 1 Venezia, 12 gennaio 2006 1 2 3 4 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy y 0 = 3x2y+1 y(0) = 5 Esercizio 2 Studiare la convergenza della serie ∞ X n=1 1 1− 2n 4n2 [Ricordare che limm→∞ (1 + a/m)m = ...] Esercizio 3 Studiare la funzione f (x) = x − 1 − x log |x|, (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). Esercizio 4 Dopo aver esplicitato gli sviluppi di Taylor in 0 delle funzioni log(1 + y), ey e sin y, si calcoli il limite 2 log(1 + x) − ex sin x lim . x→0+ sin(x2 ) + 4x3 Cognome Nome Matricola Università degli Studi di Venezia – Facoltà di Scienze M.F.N. Laurea in Informatica, – E. Jabara, A. Tonolo Prova scritta di Calcolo - TEMA 1 1 Venezia, 12 settembre 2006 2 3 4 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy 2x y 0 = 1+x 2y + x y(0) = 1 Esercizio 2 Studiare la convergenza della serie ∞ X n−1 n3 + 2n n=2 [Sugg. utilizzare il criterio del confronto] Esercizio 3 Studiare nell’intervallo ]0, 2π[ la funzione f (x) = | sin x| . 1 − cos x (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). Esercizio 4 Dopo aver esplicitato gli sviluppi di Taylor in 0 delle funzioni log(1 + y), ey , sin y e cos y, si calcoli il limite 2 2ex − 2 cos x − 3 log(1 + x2 ) lim . x→0 sin2 x − x2 Cognome Nome Matricola Università degli Studi di Venezia – Facoltà di Scienze M.F.N. Laurea in Informatica, – E. Jabara, A. Magris, A. Tonolo Prova scritta di Calcolo - TEMA 1 1 Venezia, 19giugno 2006 2 3 4 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy y 0 = 4y − e2x y(0) = 1/2 Esercizio 2 Studiare la convergenza della serie ∞ X (n!)2 · n3 (2n)! n=1 Esercizio 3 Studiare la funzione reale di variabile reale f (x) = ex , x+2 (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). Esercizio 4 Si calcoli il limite 1/3 lim xx log x . x→0+ [ Sugg.: scrivere la funzione di cui si deve calcolare il limite come e... .] Cognome Nome Matricola Università degli Studi di Venezia – Facoltà di Scienze M.F.N. Laurea in Informatica, – E. Jabara, A. Magris, A. Tonolo Prova scritta di Calcolo - TEMA 1 1 Venezia, 2 febbraio 2006 2 3 4 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy x y 0 = − y+sin x y(π) = 1 Esercizio 2 Dire se esiste finito l’integrale Z 1 (x2 sin x)−1/5 dx. −1 In caso di risposta affermativa, calcolarlo. Esercizio 3 Studiare la funzione f (x) = 2ex − 3|x|, (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). Esercizio 4 (i)Si determini il polinomio di Taylor di grado 4 di centro x0 = −1 della funzione f (x) = ex − 3|x|. (ii) Si calcoli il seguente integrale indefinito Z 2 x3 e−2x dx. Suggerimenti per la correzione della prova scritta di Calcolo del 15 febbraio 2007 TEMA 1 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy 0 y y + x = x13 y(1) = 1 L’equazione è definita in R \ {0}. Risolviamo per x > 0. Tutte le soluzioni dell’equazione y 0 = − xy + x13 sono date da R y(x) = (C + K(x))e a(x)dx , R R dove a(x)dx è una primitiva di a(x) = − x1 e K(x) è una primitiva di b(x)e− a(x)dx , con b(x) = x13 . R R Pertanto − x1 dx = − log(x) = log( x1 ), mentre K(x) = x13 elog(x) dx = − x12 . Per trovare la costante C sostituiamo x = 1 e imponiamo y = 1, ottenendo 1 = C − 1 cioè C = 2. La soluzione cercata è pertanto y(x) = x2 − x12 . Esercizio 2 Dire se esiste finito l’integrale Z +∞ −∞ e−1/|x| dx. x2 R +∞ e−1/x R e−1/x Poiché la funzione integranda è pari, è sufficiente calcolare 0 dx. Inoltre dx = 2 x x2 R +∞ e−1/x R b e−1/x −1/x −1/x b −e . Allora 0 dx = lima→0,b→+∞ a x2 dx = lima→0,b→+∞ [e ]a = 1 − 0 = 1. Quindi x2 l’integrale esiste finito e vale 2. Esercizio 3 Studiare la funzione f (x) = e2x − 3ex + 4 , e2x − 4 . Il dominio è R \ {log(2)}. I limiti agli estremi degli intervalli di definizione di f (x) sono: lim x→log(2)− f (x) = −∞ lim f (x) = 1 x→+∞ lim x→log(2)+ f (x) = +∞ lim f (x) = −1. x→−∞ Ponendo t = ex si verifica che t2 − 3t + 4 > 0 per ogni t ∈ R e pertanto e2x − 3ex + 4 > 0 per ogni x ∈ R. Inoltre e2x − 4 = (ex + 2)(ex − 2) è positiva per x > log(2). Pertanto la funzione è positiva per x > log(2). Asintoto verticale è la retta x = log(2) mentre asintoti orizzontali sono le rette y = −1 e y =√1. x 2x x +12) La derivata prima è f 0 (x) = e (3e(ex−16e che si annulla nei punti di ascissa x1 = log( 8−23 7 ) e −4)2 √ √ √ x2 = log( 8+23 7 ). Pertanto la funzione è crescente negli intervalli (−∞, log( 8−23 7 )) e (log( 8+23 7 ), +∞). Non ha punti di massimo o minimo assoluti, mentre x1 è un punto di massimo relativo e x2 è un punto di minimo relativo. Esercizio 4 Determinare l’ordine di infinito o infinitesimo per x → 0 della seguente funzione f (x) = x2 (ex − 1 + sin x) . (1 + x)2 − 1 + tan x Osserviamo che limx→0 f (x) = 0. Pertanto f (x) è infinitesima per x → 0. Per calcolare l’ordine di infinitesimo dobbiamo confrontarla con la funzione campione xα , con α > 0 e controllare che il limite sia un numero reale non nullo. Si ha f (x) 2 lim 2 = x→0 x 3 da cui segue che f (x) è infinitesima di ordine 2. TEMA 2 Esercizio 1 y 0 + xy = x12 y(1) = 1 L’equazione è definita in R \ {0}. Risolviamo per x > 0. Tutte le soluzioni dell’equazione y 0 = + x12 sono date da R y(x) = (C + K(x))e a(x)dx , R R dove a(x)dx è una primitiva di a(x) = − x1 e K(x) è una primitiva di b(x)e− a(x)dx con b(x) = x12 . R R Pertanto − x1 dx = − log(x) = log( x1 ), mentre K(x) = x12 elog(x) dx = log x. Per trovare la costante C sostituiamo x = 1 e imponiamo y = 1, ottenendo 1 = C. La soluzione cercata è pertanto y(x) = x1 + logx x . Esercizio 2 Dire se esiste finito l’integrale Z +∞ 1 √ dx. x(1 + x) 0 − xy 1 L’integrale esiste finito poiché √x(1+x) è asintotica a √1x per x che tende a 0 e a √ tende a ∞. Posto t = x, si ha Z +∞ Z +∞ 1 2t √ dx = dt = t(1 + t2 ) x(1 + x) 0 0 1 x3/2 per x che 2 [arctan t]∞ 0 = 2(π/2 − 0) = π. Esercizio 3 Studiare la funzione f (x) = e2x − 3ex − 4 , e2x − 4 . Il dominio è R \ {log(2)}. La funzione è positiva per x < log 2 oppure x > 2 log 2. I punti di intersezione con gli assi coordinati sono A = (2 log 2, 0) e B = (0, 2). I limiti agli estremi degli intervalli di definizione di f (x) sono: lim f (x) = 1 x→±∞ lim x→log(2)− f (x) = +∞ lim x→log(2)+ f (x) = −∞. Le rette x = 2 e y = 1 sono asintoti per la funzione. x 2x +4) La derivata prima è f 0 (x) = 3e(e(e che è positiva su tutto l’insieme di definizione. Pertanto la x −4)2 funzione è crescente nei 2 intervalli di definizione. Non ha punti di massimo o minimo ne’ assoluti ne’ relativi. Esercizio 4 Determinare l’ordine di infinito o infinitesimo per x → 0 della seguente funzione f (x) = x(ex − 1 + sin x) . (1 + x)3 − 1 + tan x Osserviamo che limx→0 f (x) = 0. Pertanto f (x) è infinitesima per x → 0. Per calcolare l’ordine di infinitesimo dobbiamo confrontarla con la funzione campione xα , con α > 0 e controllare che il limite sia un numero reale non nullo. Si ha 1 f (x) lim = x→0 x 2 da cui segue che f (x) è infinitesima di ordine 1. Suggerimenti per la correzione della prova scritta di Calcolo del 18 giugno 2007 Esercizio 1 Risolvere il seguente problema di Cauchy 0 y + 3y + cos(3x) = 0 y(0) = 1 Tutte le soluzioni dell’equazione y 0 = −3y − cos(3x) sono date da R y(x) = (C + K(x))e a(x)dx , R R R a(x)dx . Pertanto 3dx = dove a(x)dx è una primitiva di −3 e K(x) è una primitiva di − cos(3x)e R −3x, mentre K(x) = − cos(3x)e3x dx. Integriamo per parti due volte, operando dapprima la sostituzione y = 3x. Si ha Z Z Z 1 1 1 y y y y y − cos ye dy = (− sin ye + sin ye dy) = (− sin ye − cos ye + cos yey dy) = 3 3 3 R Ora sommanndo al primo e all’ultimo termine della precedente uguaglianza − 13 cos yey dy, otteniamo Z 2 1 − cos yey dy = (− sin yey − cos yey ) 3 3 da cui, dividendo per 2, otteniamo l’integrale cercato: K(x) = (− sin yey − cos y)ey , 6 che sostituito nella formula precedente da’ y(x) = (C + − sin(3x)e3x − cos(3x)e3x −3x )e 6 Per trovare la costante C sostituiamo x = 0 e imponiamo y = 1, ottenendo 1 = C − La soluzione cercata è pertanto 1 6 cioè C = 76 . 7 sin(3x)e3x + cos(3x) y(x) = e−3x − . 6 6 Esercizio 2 Calcolare il seguente integrale indefinito Z x arctan2 (x)dx. Integriamo per parti: Z Z 1 2 arctan(x) 2 2 x arctan (x)dx = x arctan (x) − x2 2 dx = 2 x +1 Z Z Z 1 2 arctan(x) 1 arctan(x) x arctan2 (x) − (x2 + 1 − 1) 2 dx = x2 arctan2 (x) − arctan(x)dx + dx = 2 x +1 2 x2 + 1 Il secondo integrale lo facciamo nuovamente per parti Z Z x 1 arctan(x)dx = x arctan(x) − dx = x arctan(x) − log (x2 + 1). x2 + 1 2 L’ultimo integrale invece è Z arctan(x) 1 dx = arctan(x). 2 x +1 2 La soluzione risulta pertanto 1 2 1 1 x arctan2 (x) − x arctan(x) + log (x2 + 1) + arctan2 (x) + c, 2 2 2 ove c è una costante. Esercizio 3 Studiare la funzione f (x) = cos(2x) − x, (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, grafico). L’insieme di definizione è tutto R e la funzione è continua nel suo insieme di definizione. lim f (x) = −∞ limx→−∞ f (x) = +∞. x→+∞ Non ha asintoti obliqui. La derivata prima è f 0 (x) = −2 sin 2x − 1, che si annulla per sin 2x = − 12 , 7 11 cioè nei punti 2x = 67 π + 2kπ e 2x = 11 6 π + 2kπ, da cui x = 12 π + kπ e x = 12 π + kπ, k ∈ Z. Pertanto 7 i punti di minimo relativo sono x = 12 π + kπ e i punti di massimo relativo sono x = 11 12 π + kπ, k ∈ Z. 00 Non ha punti di massimo e minimo assoluti. La derivata seconda è f (x) = −4 cos 2x che si annulla per 2x = π2 + kπ, cioè x = π4 + k π2 sono punti di flesso. Pertanto la funzione è concava negli intervalli ] − 41 π + kπ, 14 π + kπ[ e convessa negli intervalli ] 41 π + kπ, 34 π + kπ[ al variare di k in Z. Esercizio 4 Data la serie ∞ X (n2 − 1)β n=1 5n cos 3n si dica per quali valori del parametro β essa converge. Osserviamo che per ogni n ∈ N si ha (n2 − 1)β (n2 − 1)β ≤ cos 3n . 5n 5n Studiamo la serie P∞ n=1 (n2 −1)β . 5n r lim n→∞ n Usiamo il criterio della radice (n2 − 1)β (n2 − 1)β/n 1 2 = lim eβ/n log (n −1) . = lim n n→∞ 5 5 5 n→∞ Calcoliamo log (n2 − 1) log (n2 (1 − 1/n2 )) 2 log n log 1 − 1/n2 = lim = lim ( + ) = 0. n→∞ n→∞ n→∞ n n n n lim Pertanto si ha r lim n n→∞ 2 β (n2 − 1)β 1 = <1 5n 5 per ogni β ∈ R. Allora la serie n=1 (n 5−1) converge per il criterio della radice e di conseguenza la n P∞ (n2 −1)β serie n=1 5n cos 3n converge assolutamente per ogni β ∈ R perche’ limitata superiormente in modulo da una serie convergente. P∞ Correzione prova scritta di Calcolo del 31 gennaio 2007 TEMA 1 Esercizio 1 Si dica per quali α ∈ R converge la serie ∞ X (n + 4)! (n + 7)α n! n=1 Il termine generale della serie è an = che è asintotico a n4 nα = 1 nα−4 (n + 4)(n + 3)(n + 2)(n + 1) (n + 7)α e pertanto converge per α − 4 > 1, cioè α > 5. Esercizio 2 Calcolare il seguente integrale definito Z π/4 (tan x)4 − 25 √ dx. tan x + 5 0 Z 0 π/4 (tan x)4 − 25 √ dx = tan x + 5 Z π/4 ((tan x)2 + 5)(tan x − √ 5)dx 0 dy Effettuo il cambiamento di variabile y = tan x, osservando che dy = (1 + (tan x)2 )dx da cui dx = 1+y 2 π π e gli estremi di integrazione risultano x = 0 ⇒ y = tan 0 = 0 e x = 4 ⇒ y = tan 4 = 1. Pertanto l’integrale diventa √ √ √ √ ! Z 1 2 Z 1 2 Z 1 (y + 5)(y − 5) (y + 1 + 4)(y − 5) (y 2 + 1)(y + 5) 4y − 4 5 dy = dy = + dy = 1 + y2 1 + y2 1 + y2 1 + y2 0 0 0 √ ! 4y 4 5 = y+ 5+ + dy = 1 + y2 1 + y2 0 1 2 √ √ √ π 1 √ y + 5y + 2 log |1 + y 2 | − 4 5arctg(y) = + 5 + 2 log 2 − 4 5 . = 2 2 4 0 Z 1 √ Esercizio 3 Studiare la funzione x −x e , x+1 (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). f (x) = Il dominio è R \ {−1}. I limiti agli estremi degli intervalli di definizione di f (x) sono: lim f (x) = +∞ x→−1− lim f (x) = +∞ x→−∞ lim f (x) = −∞ x→−1+ lim f (x) = 0. x→+∞ Osserviamo che f (x) = 0 se e solo se x = 0. Poiché limx→−∞ f (x) x = +∞ non ci sono asintoti obliqui. La retta x = −1 è asintoto verticale, mentre la retta y = 0 è asintoto orizzontale. Calcoliamo la derivata prima: e−x (1 − x2 − x) f 0 (x) = (x + 1)2 √ che si annulla √ nei punti di √ ascissa −1 ± 5. Pertanto la funzione f (x) è decrescente √ negli intervalli (−∞, −1 − 5) e (−1 + 5, +∞), mentre è√crescente nell’intervallo (1 − sqrt5, + √5) Non ha punti di massimo o minimo assoluti, mentre 1 − 5 è un punto di minimo relativo e 1 + 5 è un punto di massimo relativo. Calcoliamo la derivata seconda: f 00 (x) = e−x (x3 + 2x2 − x − 4) . (x + 1)3 Dallo studio della funzione g(x) = x3 + 2x2 − x − 4 segue che g(x) si annulla solo in punto ξ con 1 < ξ < 2 e vale g(x) < 0 per x < ξ e g(x) > 0 per x > ξ. Pertanto dallo studio del segno della derivata seconda, si ha che f (x) è convessa negli intervalli (−∞, −1) e (ξ, +∞), mentre è concava nell’intervallo (−1, ξ). Infine ξ è un punto di flesso. Esercizio 4 Determinare l’ordine di infinito o infinitesimo per x → 0 della seguente funzione f (x) = esin x − 1 − x − 3x2 . 7x Osserviamo che f (x) = 1 + x + x2 /2 − 1 − x + o(x2 ) − 3x2 −5/2x2 + o(x2 ) = per x → 0, 7x 7x da cui segue che 5x = 0. 14 Pertanto f (x) è infinitesima per x → 0. Per calcolare l’ordine di infinitesimo dobbiamo confrontarla con la funzione campione xα , con α > 0 e controllare che il limite sia un numero reale non nullo. Si ha f (x) 5 lim =− x→0 x 14 da cui segue che f (x) è infinitesima di ordine 1. lim f (x) = lim − x→0 x→0 TEMA 2 Esercizio 1 Si dica per quali α ∈ R converge la serie ∞ X n=1 (n + 5)! (n + 3)α (n + 1)! Il termine generale della serie è an = che è asintotico a n4 nα 1 nα−4 = (n + 5)(n + 4)(n + 3)(n + 2) (n + 3)α e pertanto converge per α − 4 > 1, cioè α > 5. Esercizio 2 Calcolare il seguente integrale definito Z π/4 (tan x)4 − 9 √ dx. tan x + 3 0 Z 0 π/4 (tan x)4 − 9 √ dx = tan x + 3 Z π/4 ((tan x)2 + 3)(tan x − √ 3)dx 0 dy Effettuo il cambiamento di variabile y = tan x, osservando che dy = (1 + (tan x)2 )dx da cui dx = 1+y 2 e gli estremi di integrazione risultano x = 0 ⇒ y = tan 0 = 0 e x = π4 ⇒ y = tan π4 = 1. Pertanto l’integrale diventa √ √ √ √ ! Z 1 2 Z 1 2 Z 1 (y + 3)(y − 3) (y + 1 + 2)(y − 3) (y 2 + 1)(y − 3) 2y − 2 3 dy = dy = + dy = 1 + y2 1 + y2 1 + y2 1 + y2 0 0 0 √ ! 2y 2 3 = y− 3+ − dy = 1 + y2 1 + y2 0 1 2 √ π √ √ 1 √ y 2 = − 3y + log |1 + y | − 2 3arctg(y) = − 3 + log 2 − 2 3 . 4 2 2 0 Z √ 1 Esercizio 3 Studiare la funzione x −x e , x−1 (dominio, limiti ed eventuali asintoti, continuità, derivabilità, eventuali punti angolosi o cuspidi, monotonia, eventuali punti di estremo relativo od assoluto, convessità, concavità, punti di flesso, grafico). Il dominio è R \ {1}. I limiti agli estremi degli intervalli di definizione di f (x) sono: f (x) = lim f (x) = −∞ x→1− lim f (x) = +∞ x→−∞ lim f (x) = +∞ x→1+ lim f (x) = 0. x→+∞ Osserviamo che f (x) = 0 se e solo se x = 0. Poiché limx→−∞ f (x) x = +∞ non ci sono asintoti obliqui. La retta x = 1 è asintoto verticale, mentre la retta y = 0 è asintoto orizzontale. Calcoliamo la derivata prima: f 0 (x) = e−x (−x2 + x − 1) , (x − 1)2 che non si annulla in nessun punto del dominio. Pertanto la funzione f (x) è decrescente in tutto il suo dominio. Non ha punti di massimo o minimo assoluti o relativi. Calcoliamo la derivata seconda: f 00 (x) = e−x (x2 − 2x + 3)x . (x − 1)3 Poiché il polinomio x2 − 2x + 3 ha ∆ < 0 la derivata seconda si annulla solo nel punto x = 0. Pertanto dallo studio del segno della derivata seconda, si ha che f (x) è convessa negli intervalli (−∞, 0) e (1, +∞), mentre è concava nell’intervallo (0, 1). Infine 0 è un punto di flesso. Esercizio 4 Determinare l’ordine di infinito o infinitesimo per x → 0 della seguente funzione f (x) = esin x − 1 − x − 5x2 . 3x Osserviamo che f (x) = 1 + x + x2 /2 − 1 − x + o(x2 ) − 5x2 −9/2x2 + o(x2 ) = per x → 0, 3x 3x da cui segue che 3x = 0. 2 Pertanto f (x) è infinitesima per x → 0. Per calcolare l’ordine di infinitesimo dobbiamo confrontarla con la funzione campione xα , con α > 0 e controllare che il limite sia un numero reale non nullo. Si ha f (x) 3 lim =− x→0 x 2 da cui segue che f (x) è infinitesima di ordine 1. lim f (x) = lim − x→0 x→0