5 - Otava
Transcription
5 - Otava
Lukion Calculus 5 MAA10 Integraalilaskenta Paavo Jäppinen Alpo Kupiainen Matti Räsänen Otava PIKATESTIN JA KERTAUSKOKEIDEN TEHTÄVÄT RATKAISUINEEN Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 1 Pikatesti (MAA10) 1. 2 Määritä se funktio, jonka eräs integraalifunktio on F ( x) = e x . Ratkaisu: 2 2 Jos funktio F ( x) = e x on funktion f integraalifunktio, niin f ( x ) = F ′( x ) = 2 xe x . 2. Funktio F ( x ) = x − ln x 2 + 1 on funktion a) f ( x) = c) f ( x) = x−2 integraalifunktio. Valitse oikea vaihtoehto. x Ratkaisu: Kun F ( x ) = x − ln x 2 + 1 , niin F ′( x) = 1 − 3. 1 1 − 2x , b) f ( x) = , 2 1− x x2 Määritä y, kun 2 x−2 . Oikea vaihtoehto on c. = x x 1 6 dy on a) 3x, b) x 3 , c) 2 , d) 3 . dx x x Ratkaisu: dy 3 dy 1 a) Kun b) Kun = 3 x , niin y = x 2 + C . = x 3 , niin y = x 4 + C . dx 2 dx 4 dy 1 1 = 2 = x − 2 , niin y = − x −1 + C = − + C . c) Kun dx x x dy 6 3 1 −2 = 3 = 6 x −3 , niin y = 6 ⋅ x + C = −3x − 2 + C = − 2 + C . d) Kun dx x −2 x 3 4. Jos ∫ 3 f ( x)dx = 10 , niin paljonko on ∫ ( f ( x) + 2)dx ? 1 1 Ratkaisu: 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1 ∫ ( f ( x) + 2)dx = ∫ f ( x)dx + ∫ 2dx = ∫ f ( x)dx + / 2 x = 10 + 4 = 14 5. y Oheisessa kuvassa A1 = 2, 2 ja A2 = 9, 8 pinta- y = f (x) 5 alayksikköä. Määritä ∫ f ( x ) dx . −2 A1 -2 A2 5 x Ratkaisu: 5 ∫ −2 0 f ( x ) dx = ∫ −2 5 f ( x)dx + ∫ f ( x)dx = 2,2 − 9,8 = −7,6 0 © Lukion Calculus 5 2 Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut y 6. y=x Laske kuvaan merkityn alueen pinta-ala. Ratkaisu: Käyrien y = x ja y = 2 − x 2 leikkauskohdiksi lasketaan x = 1 ja x = –2. Kuvaan merkityn alueen pinta-ala on 1 1 1 3 1 2 2 x x x ( 2 − − ) d = /−2 (2 x − 3 x − 2 x ) ∫ −2 1 1 8 1 = 2 − − − (−4 + − 2) = 4 . 3 2 3 2 7. x y = 2 − x2 y 3 y=x Laske oheisen pyörähdyskappaleen tilavuus. x Ratkaisu: Käyrien y = x 2 ja y = 3 rajaama alue pyörähtää y-akselin ympäri, joten integroidaan 1 2 9π x = 2 0 2 3 3 y-akselin suunnassa. V = π∫ ( x ) 2 dx = π / 0 8. 1 π/2 0 π/4 Laske a) ∫ e − x dx , b) ∫ cos 2 xdx , c) 4 ∫ x dx . −2 Ratkaisu: 1 1 1 1 a) ∫ e − x dx = / − e − x = −e −1 − (−e 0 ) = − + 1 = 1 − e e 0 0 π/2 b) c) ∫ cos 2 xdx = 1 π/2 1 π/2 1 1 π 2 cos 2 xdx = / sin 2 x = (sin π − sin ) = − ∫ 2 π/4 2 π/4 2 2 2 π/4 4 0 4 0 −2 −2 0 −2 ∫ x dx = ∫ (− x)dx + ∫ xdx = / − 1 2 41 2 x + / x = 2 + 8 = 10 2 0 2 x 9. Laske F ′( 2) , kun F ( x) = ∫ t 1 + 2t 2 dt . 0 Ratkaisu: x Kun F ( x) = ∫ t 1 + 2t 2 dt , niin F ′( x) = x 1 + 2 x 2 ja F ′( 2) = 6 . 0 10. Laske funktion f ( x) = x 1+ x2 keskiarvo välillä [0, 3]. Tarkka arvo ja kolmidesimaa- linen likiarvo. Ratkaisu: Funktion f ( x) = = x 1+ x2 1 ln 10 ≈ 0,384 . 6 © Lukion Calculus 5 3 keskiarvo välillä [0, 3] on 1 13 x d x = ln(1 + x 2 ) / ∫ 2 3 − 0 0 1+ x 60 2 3 Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut Kertauskoe 1 (MAA10) 1. Määritä a) ∫ ( x − 1 2 ) dx , b) 2 4 ∫ cos 6 x dx , c) ∫ x +1 x 1 dx . Ratkaisu: a) ∫ ( x − ) 2 dx = 1 2 4 c) ∫ x +1 x 1 2. 4 dx = ∫ 1 1 (x − )3 + C 3 2 1 (x 2 +x − 1 2 1 b) ∫ cos 6 x dx = 4 3 1 sin 6 x + C 6 1 2 28 8 2 ) dx = / ( x 2 + 2 x 2 ) = − =6 3 3 3 1 3 Muodosta se funktion f ( x) = 3 x 2 − 2 + 1, x > 0 , integraalifunktio, joka pisteessä x = x 1 saa arvon 5. Ratkaisu: 2 + 1 integraalifunktiot ovat F ( x) = x 3 − 2 ln x + x + C , kun x x > 0. Ehdolla F(1) = 5 on C = 3. Haettu funktio on F ( x ) = x 3 − 2 ln x + x + 3, x > 0 . Funktion f ( x) = 3 x 2 − 3. Laske käyrien y = x 3 ja y = x 1 / 3 rajaaman äärellisen alueen ala. Ratkaisu: Käyrien y = x 3 ja y = x1 / 3 yhteiset pisteet ovat kohdissa y y = x3 1 x = 0 ja x = 1. Niiden välillä käyrä y = x 1 / 3 on käyrän y=x3 y = x 3 yläpuolella. Käyrien välisen silmukan ala on 1 A=∫ 1 (x 3 0 4. 4 1 1 3 1 − x )dx = / ( x 3 − x 4 ) = . 2 4 0 4 3 1 x Käyrä y = e x , koordinaattiakselit ja suora x = a , a > 0 , rajaavat erään alueen. Alue pyörähtää x-akselin ympäri. Millä a:n arvolla syntyvän pyörähdyskappaleen tilavuus on π ? Ratkaisu: a V = π ∫ ( e x ) 2 dx = 0 π a e 2 /0 2x = π 2 (e 2 a − 1) . Kun merkitään tilavuus yhtä suureksi kuin 1 π , saadaan a = ln 3 = ln 3 . 2 5. Eräällä paikkakunnalla alkoi levitä influenssaepidemia. N ( t ) on niiden ihmisten määrä, jotka sairastuivat t:n vuorokauden aikana epidemian alkamisesta. Seurannan alkaessa heitä oli 120. Kahdenkymmenen ensimmäisen vuorokauden aikana epidemia leviää nopeudella N ′(t ) = 125t − 3t 2 . Johda laskulauseke sairastuneiden määrälle N (t ) . © Lukion Calculus 5 4 Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut Ratkaisu: N (t ) = ∫ (125t − 3t 2 )dt = 62,5t 2 − t 3 + C . Koska N ( 0) = 120 , niin C = 120 . Sairastuneiden määrän ilmaisee funktio N (t ) = 62,5t 2 − t 3 + 120, t ≥ 0 . 6. Piirrä graafisen laskimen avulla käyrä y 2 = x 2 (9 − x 2 ) ja laske sen rajaaman alueen pinta-ala. y 4 Ratkaisu: Käyrä y 2 = x 2 ( 9 − x 2 ) on määritelty arvoilla −3 ≤ x ≤ 3. Sen rajaaman alueen pinta-ala on -4 3 43 A = 4 ∫ x 9 − x 2 dx = − / (9 − x 2 ) 3 / 2 = 36 . 30 0 7. 2 2 3 x -2 -2 -4 Lentokoneen laskeutuessa sen pystysuuntainen vajoamisnopeus (m/s) viiden minuu(t − 150) 3 tin aikana saadaan likimain yhtälöstä v(t ) = 3 − , jossa t on aika sekunteina 10 6 laskeutumisen alusta mitattuna. Kuinka paljon kone laskeutuu sanotussa ajassa ja mikä on keskimääräinen laskeutumisnopeus? Ratkaisu: 10 −6 (t − 150) 4 ) / ∫ 4 0 0 = 900 (m). Keskimääräinen laskeutumisnopeus pystysuunnassa on siis 3 m/s. Kone laskeutuu matkan s = 8. 300 (3 − 10 −6 (t − 150) 3 )dt = 300 (3t − Tiedetään, että f ′′( x) = x 2 − 1 . Määritä f ( x ) , kun käyrälle y = f ( x ) pisteeseen (1, 1) piirretyn tangentin yhtälö on x + 12 y = 13 . Ratkaisu: 1 3 x − x + C1 . Tangentin kulmakerroin kohdassa 3 7 1 = f ′ (1) , josta saadaan vakion arvo C1 = . Silloin x = 1 on − 12 12 5 1 4 1 2 7 f ( x) = x − x + x + C2 . Yhtälö f (1) = 1 määrää vakion arvon C2 = . 6 12 2 12 1 4 1 2 7 5 x − x + x+ . Näin on saatu f ( x ) = 12 2 12 6 Koska f ′ ′ ( x ) = x 2 − 1 , niin f ′ ( x ) = 9. Alla olevassa kuvassa nähdään nesteallas mittoineen ja altaan vaakasuora poikkileikkaus. Laske altaan vetoisuus. m 2,00 5,00 m 2,00 m h 3,00 m © Lukion Calculus 5 3+h 2h Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 5 Ratkaisu: Poikkileikkaus on aina suorakulmio. Sen pinta-ala on A( h) = ( 3 + h) 2h . Tilavuus 2 2 2 0 0 0 on näin ollen V = ∫ (3 + h) 2h dh = ∫ (3 2h + h 2h )dh = / ( 2 2h h + = 2 2 2 h h) 5 56 = 11, 2 ( m3 ) . 5 Kertauskoe 2 (MAA10) 1. Määritä a) 4 x ∫ ( x 2 + 4) 3 dx , b) ∫ (6 x− 1 1 x )dx . Ratkaisu: x 1 1 1 1 +C dx = ∫ 2 x( x 2 + 4) −3 dx = ⋅ ( x 2 + 4) − 2 + C = − a) ∫ 2 3 2 2 2 −2 ( x + 4) 4( x + 4) 2 4 b) ∫ (6 x − 1 2. 1 x 4 ) dx = ∫ 1 (6 x 2 1 −x − 1 2 ) dx 4 =/ 3 (4 x 2 − 1 2x 2 ) = 28 − 2 = 26 1 Kun käyrälle y = f(x) piirretään tangentti mihin tahansa kohtaan x, tangentin kulma1 kerroin on x − 3 . Käyrä leikkaa y-akselin kohdassa 2. Mikä on käyrän yhtälö? 2 Ratkaisu: 1 1 x − 3 , niin f ( x ) = x 2 − 3 x + C . Ehto f (0) = 2 antaa C = 2. Käy2 4 1 2 rän yhtälö on näin ollen y = x − 3 x + 2 . 4 Koska f ′( x ) = 3. Määritä käyrän y = x − 4 + 4 ja x-akselin välisen äärellisen alueen ala. x +1 Ratkaisu: 4 ja x-akselin leikkauskohdiksi x +1 lasketaan x = 0 ja x = 3. Niiden välillä käyrä on x-akselin alapuolella. Pinta-ala on Käyrän y = x − 4 + 3 A = −∫ ( x − 4 + 0 =7 4. 3 4 1 )dx = − / ( x 2 − 4 x + 4 ln( x + 1)) x +1 0 2 y 2 y=x-4+ 4 x+1 1 1 2 3 4x 1 − 4 ln 4 ≈ 1,95. 2 Avaruusluotaimen nopeus v (m/s) saadaan yhtälöstä v (t ) = 850 ⋅ e 0,5t , jossa t on sekunteina ilmaistava aika mittaushetkestä lukien. Kuinka pitkän matkan luotain ehtii kulkea viiden ensimmäisen sekunnin aikana? © Lukion Calculus 5 6 Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut Ratkaisu: Kysytty matka metreissä ilmaistuna on 5 5 5 0 0 0 s (5) − s (0) = ∫ v(t )dt = ∫ 850e 0,5t dt = 1 700 / e0,5 t ≈ 19 010 eli noin 19 kilometriä. 5. Funktio f määritellään yhtälöllä f ( x ) = 2 x + 4 . a) Määritä käyrän y = f (x ) ja koordinaattiakseleiden leikkauspisteet. Piirrä käyrä. b) Määritä käyrien y = f (x) , x = 0 ja y = 0 rajaaman alueen ala. c) Laske sen kappaleen tilavuus, joka syntyy, kun b-kohdan alue pyörähtää y-akselin ympäri. Ratkaisu: a) Käyrän ja koordinaattiakseleiden leikkauspisteiksi lasketaan (0, 2) ja (–2, 0). 0 b) A = ∫ -2 y y = 2x + 4 3 1 0 2 2 x + 4 dx = / ( 2 x + 4) 2 = 2 3 −2 3 c) Yhtälöstä y = 2 x + 4 ratkaistaan x = A 1 1 2 y − 2, y ≥ 0 . -2 2 1 x 2 1 1 2 64π V = π ∫ ( y 2 − 2) 2 dy = π / ( y 5 − y 3 + 4 y ) = 2 3 15 0 20 0 2 6. Puun tiheys, yksikkönä kg/m, on annettu yhtälöllä ρ (h) = 50 h +1 nä ilmoitettu korkeus maan pinnasta. Puun korkeus on 24 m. a) Määritä puun kokonaismassa. b) Millä h:n arvolla saatu massa on puolet kokonaismassasta? , jossa h on metrei- Ratkaisu: a) Kun tiheyden yksikkönä on kg/m, massa saadaan tiheyden ja pituuden tulona. 24 24 50 Puun kokonaismassa on m = ∫ dh = / 100 h + 1 = 500 − 100 = 400 (kg) . 0 0 h +1 h b) Yhtälön ∫ 0 50 x +1 dx = 200 eli 100 h + 1 − 100 = 200 ratkaisuna h = 8 (m). 1 7. Millä vakion k positiivisella arvolla ∫ (1 − x 2 ) k x dx = 0 1 ? 6 Ratkaisu: 1 1 1 1 1 1 1 2 k ( 1 ) d ( 2 )( 1 ) d (1 − x 2 ) k +1 = − = − − − = − = x x x x x x / ∫ ∫ 20 2( k + 1) 0 2( k + 1) 6 0 2 k Tästä k = 2. © Lukion Calculus 5 7 Integraalilaskenta (MAA10) Pikatesti ja Kertauskokeet Tehtävien ratkaisut 8. Laske käyrien y = sin x ja y = sin 2 x rajaamien silmukoiden alat, kun x ∈ [0, π ] . Ratkaisu: Käyrien y = sin x ja y = sin 2 x leikkauskohdat välillä [0, π] ovat 0, π ja π . 3 Pienemmän silmukan ala on π /3 π /3 1 (− cos 2 x + cos x) 2 0 π 1 2π 1 1 = − cos + cos − (− cos 0 + cos 0) = . 2 3 3 2 4 A1 = ∫ (sin 2 x − sin x)dx = /0 y y = sinx 1 1 2 3 x Suuremman silmukan ala on π π 1 ∫ (sin x − sin 2 x)dx = π// 3 (− cos x + 2 cos 2 x) π /3 π 1 1 2π 1 = − cos π + cos 2π − (− cos + cos ) = 2 . 3 4 2 3 2 y = sin2x 7 9. Määritä integraalin ∫ 1 + x 3 dx likiarvo laskemalla alasumman ja yläsumman kes0 kiarvo tasavälisessä jaossa n = 7. Ilmoita saamasi tulos yhden desimaalin tarkkuudella. Ratkaisu: Integroimisvälillä [0, 7] funktio f ( x) = 1 + x 3 on aidosti kasvava, joten jokaisella osavälillä pienin arvo tulee välin alkupisteessä ja suurin loppupisteessä. Integroimisväli jaetaan seitsemään yhtä suureen osaan. Alasumma on s 7 = 1 ⋅ 1 + 2 ⋅ 1 + 9 ⋅ 1 + 28 ⋅ 1 + 65 ⋅ 1 + 126 ⋅ 1 + 217 ⋅ 1 ≈ 44,724 . Yläsumma on S 7 = 2 ⋅ 1 + 9 ⋅ 1 + 28 ⋅ 1 + 65 ⋅ 1 + 126 ⋅ 1 + 217 ⋅ 1 + 344 ⋅ 1 ≈ 62,271 . Alasumman ja yläsumman keskiarvo yhden desimaalin tarkkuudella on 53,5. 7 Edellisiä tarkempi integraalin ∫ 1 + x 3 dx likiarvo on 53,16142. 0 © Lukion Calculus 5