プリンキピア

第4章微分の応用

Key Concepts重要な概念

  • If F is an antiderivative of f, then every antiderivative of f is of the form F(x)+C for some constant C.
    ある区間でFがfの原始関数なら、その区間でのfの原始関数はすべて、ある定数Cを使ったF(x)+Cという形になる。
  • Solving the initial-value problem
    次の初期値問題を解くには、
    dydx=f(x),y(x0)=y0

    requires us first to find the set of antiderivatives of f and then to look for the particular antiderivative that also satisfies the initial condition.
    まずfの原始関数全体を求め、その中から初期条件も満たす特定の原始関数を選ぶ。
Exercises 465–469練習問題 465–469
For the following exercises, show that F(x) are antiderivatives of f(x).
次の各問で、F(x)がf(x)の原始関数であることを示せ。
Exercise 465問題 465
F(x)=5x3+2x2+3x+1,f(x)=15x2+4x+3
F(x)=5x3+2x2+3x+1,f(x)=15x2+4x+3
Solution解き方
F′(x)=15x2+4x+3
F′(x)=15x2+4x+3
Exercise 466問題 466
F(x)=x2+4x+1,f(x)=2x+4
F(x)=x2+4x+1,f(x)=2x+4
Exercise 467問題 467
F(x)=x2ex,f(x)=ex(x2+2x)
F(x)=x2ex,f(x)=ex(x2+2x)
Solution解き方
F′(x)=2xex+x2ex
F′(x)=2xex+x2ex
Exercise 468問題 468
F(x)=cosx,f(x)=−sinx
F(x)=cosx,f(x)=−sinx
Exercise 469問題 469
F(x)=ex,f(x)=ex
F(x)=ex,f(x)=ex
Solution解き方
F′(x)=ex
F′(x)=ex
Exercises 470–473練習問題 470–473
For the following exercises, find the antiderivative of the function.
次の各関数の原始関数を求めよ。
Exercise 470問題 470
f(x)=1x2+x
f(x)=1x2+x
Exercise 471問題 471
f(x)=ex−3x2+sinx
f(x)=ex−3x2+sinx
Solution解き方
F(x)=ex−x3−cos(x)+C
F(x)=ex−x3−cos(x)+C
Exercise 472問題 472
f(x)=ex+3x−x2
f(x)=ex+3x−x2
Exercise 473問題 473
f(x)=x−1+4sin(2x)
f(x)=x−1+4sin(2x)
Solution解き方
F(x)=x22−x−2cos(2x)+C
F(x)=x22−x−2cos(2x)+C
Exercises 474–489練習問題 474–489
For the following exercises, find the antiderivative F(x) of each function f(x).
次の各関数f(x)の原始関数F(x)を求めよ。
Exercise 474問題 474
f(x)=5x4+4x5
f(x)=5x4+4x5
Exercise 475問題 475
f(x)=x+12x2
f(x)=x+12x2
Solution解き方
F(x)=12x2+4x3+C
F(x)=12x2+4x3+C
Exercise 476問題 476
f(x)=1x
f(x)=1x
Exercise 477問題 477
f(x)=(x)3
f(x)=(x)3
Solution解き方
F(x)=25(x)5+C
F(x)=25(x)5+C
Exercise 478問題 478
f(x)=x1/3+(2x)1/3
f(x)=x1/3+(2x)1/3
Exercise 479問題 479
f(x)=x1/3x2/3
f(x)=x1/3x2/3
Solution解き方
F(x)=32x2/3+C
F(x)=32x2/3+C
Exercise 480問題 480
f(x)=2sin(x)+sin(2x)
f(x)=2sin(x)+sin(2x)
Exercise 481問題 481
f(x)=sec2(x)+1
f(x)=sec2(x)+1
Solution解き方
F(x)=x+tan(x)+C
F(x)=x+tan(x)+C
Exercise 482問題 482
f(x)=sinxcosx
f(x)=sinxcosx
Exercise 483問題 483
f(x)=sin2(x)cos(x)
f(x)=sin2(x)cos(x)
Solution解き方
F(x)=13sin3(x)+C
F(x)=13sin3(x)+C
Exercise 484問題 484
f(x)=0
f(x)=0
Exercise 485問題 485
f(x)=12csc2(x)+1x2
f(x)=12csc2(x)+1x2
Solution解き方
F(x)=−12cot(x)−1x+C
F(x)=−12cot(x)−1x+C
Exercise 486問題 486
f(x)=cscxcotx+3x
f(x)=cscxcotx+3x
Exercise 487問題 487
f(x)=4cscxcotx−secxtanx
f(x)=4cscxcotx−secxtanx
Solution解き方
F(x)=−secx−4cscx+C
F(x)=−secx−4cscx+C
Exercise 488問題 488
f(x)=8secx(secx−4tanx)
f(x)=8secx(secx−4tanx)
Exercise 489問題 489
f(x)=12e−4x+sinx
f(x)=12e−4x+sinx
Solution解き方
F(x)=−18e−4x−cosx+C
F(x)=−18e−4x−cosx+C
Exercises 490–498練習問題 490–498
For the following exercises, evaluate the integral.
次の各積分を求めよ。
Exercise 490問題 490
∫(−1)dx
∫(−1)dx
Exercise 491問題 491
∫sinxdx
∫sinxdx
Solution解き方
−cosx+C
−cosx+C
Exercise 492問題 492
∫(4x+x)dx
∫(4x+x)dx
Exercise 493問題 493
∫3x2+2x2dx
∫3x2+2x2dx
Solution解き方
3x−2x+C
3x−2x+C
Exercise 494問題 494
∫(secxtanx+4x)dx
∫(secxtanx+4x)dx
Exercise 495問題 495
∫(4x+x4)dx
∫(4x+x4)dx
Solution解き方
83x3/2+45x5/4+C
83x3/2+45x5/4+C
Exercise 496問題 496
∫(x−1/3−x2/3)dx
∫(x−1/3−x2/3)dx
Exercise 497問題 497
∫14x3+2x+1x3dx
∫14x3+2x+1x3dx
Solution解き方
14x−2x−12x2+C
14x−2x−12x2+C
Exercise 498問題 498
∫(ex+e−x)dx
∫(ex+e−x)dx
Exercises 499–503練習問題 499–503
For the following exercises, solve the initial value problem.
次の各初期値問題を解け。
Exercise 499問題 499
f′(x)=x−3,f(1)=1
f′(x)=x−3,f(1)=1
Solution解き方
f(x)=−12x2+32
f(x)=−12x2+32
Exercise 500問題 500
f′(x)=x+x2,f(0)=2
f′(x)=x+x2,f(0)=2
Exercise 501問題 501
f′(x)=cosx+sec2(x),f(π4)=2+22
f′(x)=cosx+sec2(x),f(π4)=2+22
Solution解き方
f(x)=sinx+tanx+1
f(x)=sinx+tanx+1
Exercise 502問題 502
f′(x)=x3−8x2+16x+1,f(0)=0
f′(x)=x3−8x2+16x+1,f(0)=0
Exercise 503問題 503
f′(x)=2x2−x22,f(1)=0
f′(x)=2x2−x22,f(1)=0
Solution解き方
f(x)=−16x3−2x+136
f(x)=−16x3−2x+136
Exercises 504–514練習問題 504–514
For the following exercises, find two possible functions f given the second- or third-order derivatives.
英語のヒント
次の各問では、2階または3階の導関数が与えられている。それに合う関数fを2つ求めよ。
Exercise 504問題 504
f″(x)=x2+2
f″(x)=x2+2
Exercise 505問題 505
f″(x)=e−x
f″(x)=e−x
Solution解き方
Answers may vary; one possible answer is f(x)=e−x
答えは複数ある。一例はf(x)=e−x。
Exercise 506問題 506
f″(x)=1+x
f″(x)=1+x
Exercise 507問題 507
f‴(x)=cosx
f‴(x)=cosx
Solution解き方
Answers may vary; one possible answer is f(x)=−sinx
答えは複数ある。一例はf(x)=−sinx。
Exercise 508問題 508
f‴(x)=8e−2x−sinx
f‴(x)=8e−2x−sinx
Exercise 509問題 509
A car is being driven at a rate of 40 mph when the brakes are applied. The car decelerates at a constant rate of 10 ft/sec2. How long before the car stops?
時速40マイルで走る車がブレーキをかけ、一定の減速度10フィート毎秒2で減速する。停止まで何秒かかるか。
Solution解き方
5.867 sec
5.867秒。
Exercise 510問題 510
In the preceding problem, calculate how far the car travels in the time it takes to stop.
前の問題で、停止までに車が進む距離を求めよ。
Exercise 511問題 511
You are merging onto the freeway, accelerating from rest at a constant rate of 12 ft/sec2. How long does it take you to reach merging speed at 60 mph?
英語のヒント
高速道路へ合流するため、静止状態から一定の加速度12フィート毎秒2で加速する。合流時の速さである時速60マイルに達するまで、何秒かかるか。
Solution解き方
7.333 sec
7.333秒。
Exercise 512問題 512
Based on the previous problem, how far does the car travel to reach merging speed?
前の問題で、合流時の速さに達するまでに車が進む距離を求めよ。
Exercise 513問題 513
A car company wants to ensure its newest model can stop in 8 sec when traveling at 75 mph. If we assume constant deceleration, find the value of deceleration that accomplishes this.
自動車会社は、新型車が時速75マイルから8秒で停止できるようにしたい。減速度が一定であるとして、そのために必要な減速度を求めよ。
Solution解き方
13.75 ft/sec2
13.75フィート毎秒2。
Exercise 514問題 514
A car company wants to ensure its newest model can stop in less than 450 ft when traveling at 60 mph. If we assume constant deceleration, find the value of deceleration that accomplishes this.
自動車会社は、新型車が時速60マイルから、450フィート未満の距離で停止できるようにしたい。減速度が一定であるとして、そのために必要な減速度を求めよ。
Exercises 515–520練習問題 515–520
For the following exercises, find the antiderivative of the function, assuming F(0)=0.
次の各関数について、F(0)=0を満たす原始関数を求めよ。
Exercise 515問題 515
[T] f(x)=x2+2
[T]f(x)=x2+2
Solution解き方
F(x)=13x3+2x
F(x)=13x3+2x
Exercise 516問題 516
[T] f(x)=4x−x
[T]f(x)=4x−x
Exercise 517問題 517
[T] f(x)=sinx+2x
[T]f(x)=sinx+2x
Solution解き方
F(x)=x2−cosx+1
F(x)=x2−cosx+1
Exercise 518問題 518
[T] f(x)=ex
[T]f(x)=ex
Exercise 519問題 519
[T] f(x)=1(x+1)2
[T]f(x)=1(x+1)2
Solution解き方
F(x)=−1(x+1)+1
F(x)=−1(x+1)+1
Exercise 520問題 520
[T] f(x)=e−2x+3x2
[T]f(x)=e−2x+3x2
Exercises 521–524練習問題 521–524
For the following exercises, determine whether the statement is true or false. Either prove it is true or find a counterexample if it is false.
英語のヒント
次の各命題の真偽を判定せよ。真なら証明し、偽なら反例を挙げよ。
Exercise 521問題 521
If f(x) is the antiderivative of v(x), then 2f(x) is the antiderivative of 2v(x).
f(x)がv(x)の原始関数ならば、2f(x)は2v(x)の原始関数である。
Solution解き方
True
真。
Exercise 522問題 522
If f(x) is the antiderivative of v(x), then f(2x) is the antiderivative of v(2x).
f(x)がv(x)の原始関数ならば、f(2x)はv(2x)の原始関数である。
Exercise 523問題 523
If f(x) is the antiderivative of v(x), then f(x)+1 is the antiderivative of v(x)+1.
f(x)がv(x)の原始関数ならば、f(x)+1はv(x)+1の原始関数である。
Solution解き方
False
偽。
Exercise 524問題 524
If f(x) is the antiderivative of v(x), then (f(x))2 is the antiderivative of (v(x))2.
f(x)がv(x)の原始関数ならば、(f(x))2は(v(x))2の原始関数である。

Chapter Review Exercises章末総合問題

Exercises 525–532練習問題 525–532
True or False? Justify your answer with a proof or a counterexample. Assume that f(x) is continuous and differentiable unless stated otherwise.
英語のヒント
真か偽か。証明または反例を示して答えよ。特に断りがなければ、f(x)は連続かつ微分可能とする。
Exercise 525問題 525
If f(−1)=−6 and f(1)=2, then there exists at least one point x∈[−1,1] such that f′(x)=4.
f(−1)=−6かつf(1)=2なら、f′(x)=4を満たす点x∈[−1,1]が少なくとも1つ存在する。
Solution解き方
True, by Mean Value Theorem
真。平均値の定理による。
Exercise 526問題 526
If f′(c)=0, there is a maximum or minimum at x=c.
f′(c)=0なら、x=cで極大または極小になる。
Exercise 527問題 527
There is a function such that f(x)<0,f′(x)>0, and f″(x)<0. (A graphical “proof” is acceptable for this answer.)
f(x)<0,f′(x)>0かつf″(x)<0となる関数が存在する。この問は、グラフによる「証明」でもよい。
Solution解き方
True
真。
Exercise 528問題 528
There is a function such that there is both an inflection point and a critical point for some value x=a.
あるx=aにおいて、変曲点であり同時に臨界点でもある関数が存在する。
Exercise 529問題 529
Given the graph of f′, determine where f is increasing or decreasing.
与えられたf′のグラフから、fが増加する区間と減少する区間を求めよ。
曲線は増加してx=−2でx軸を横切り、極大に達した後、減少して原点を通る。その後、極小から増加してx=2で極大となり、再び減少して極小に達する。それから増加し、x=4でx軸を横切って増加を続ける。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Solution解き方
Increasing: (−2,0)∪(4,∞), decreasing: (−∞,−2)∪(0,4)
増加:(−2,0)∪(4,∞)。減少:(−∞,−2)∪(0,4)。
Exercise 530問題 530
The graph of f is given below. Draw f′.
次にfのグラフを示す。f′のグラフを描け。
関数は急に減少してx=−2で極小となり、増加してx=0で極大となる。そこから初めはゆっくり減少し、x=1付近で接線が水平になるが、その後も減少してx=3で極小となる。それから急に増加する。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Exercise 531問題 531
Find the linear approximation L(x) to y=x2+tan(πx) near x=14.
x=14の近くでのy=x2+tan(πx)の線形近似L(x)を求めよ。
Solution解き方
L(x)=1716+12(1+4π)(x−14)
L(x)=1716+12(1+4π)(x−14)
Exercise 532問題 532
Find the differential of y=x2−5x−6 and evaluate for x=2 with dx=0.1.
y=x2−5x−6の微分を求め、x=2、dx=0.1での値を計算せよ。
Exercises 533–534練習問題 533–534
Find the critical points and the local and absolute extrema of the following functions on the given interval.
次の各関数について、指定された区間内の臨界点、局所的な極値、および最大値・最小値を求めよ。
Exercise 533問題 533
f(x)=x+sin2(x) over [0,π]
区間[0,π]におけるf(x)=x+sin2(x)
Solution解き方
Critical point: x=3π4, absolute minimum: x=0, absolute maximum: x=π
臨界点:x=3π4。最小となる位置:x=0。最大となる位置:x=π。
Exercise 534問題 534
f(x)=3x4−4x3−12x2+6 over [−3,3]
区間[−3,3]におけるf(x)=3x4−4x3−12x2+6
Exercises 535–538練習問題 535–538
Determine over which intervals the following functions are increasing, decreasing, concave up, and concave down.
次の各関数について、増加する区間、減少する区間、下に凸の区間、上に凸の区間を求めよ。
Exercise 535問題 535
x(t)=3t4−8t3−18t2
x(t)=3t4−8t3−18t2
Solution解き方
Increasing: (−1,0)∪(3,∞), decreasing: (−∞,−1)∪(0,3), concave up: (−∞,13(2−13))∪(13(2+13),∞), concave down: (13(2−13),13(2+13))
増加:(−1,0)∪(3,∞)。減少:(−∞,−1)∪(0,3)。下に凸:(−∞,13(2−13))∪(13(2+13),∞)。上に凸:(13(2−13),13(2+13))。
Exercise 536問題 536
y=x+sin(πx)
y=x+sin(πx)
Exercise 537問題 537
g(x)=x−x
g(x)=x−x
Solution解き方
Increasing: (14,∞), decreasing: (0,14), concave up: (0,∞), concave down: nowhere
増加:(14,∞)。減少:(0,14)。下に凸:(0,∞)。上に凸の区間はない。
Exercise 538問題 538
f(θ)=sin(3θ)
f(θ)=sin(3θ)
Exercises 539–542練習問題 539–542
Evaluate the following limits.
次の各極限を求めよ。
Exercise 539問題 539
limx→∞3xx2+1x4−1
limx→∞3xx2+1x4−1
Solution解き方
3
3
Exercise 540問題 540
limx→∞cos(1x)
limx→∞cos(1x)
Exercise 541問題 541
limx→1x−1sin(πx)
limx→1x−1sin(πx)
Solution解き方
−1π
−1π
Exercise 542問題 542
limx→∞(3x)1/x
limx→∞(3x)1/x
Exercises 543–544練習問題 543–544
Use Newton’s method to find the first two iterations, given the starting point.
与えられた初期値からニュートン法を2回反復し、最初の2つの近似値を求めよ。
Exercise 543問題 543
y=x3+1,x0=0.5
y=x3+1,x0=0.5
Solution解き方
x1=−1,x2=−1
x1=−1,x2=−1
Exercise 544問題 544
y=1x+1=12,x0=0
y=1x+1=12,x0=0
Exercises 545–546練習問題 545–546
Find the antiderivatives F(x) of the following functions.
次の各関数の原始関数F(x)を求めよ。
Exercise 545問題 545
g(x)=x−1x2
g(x)=x−1x2
Solution解き方
F(x)=2x3/23+1x+C
F(x)=2x3/23+1x+C
Exercise 546問題 546
f(x)=2x+6cosx,F(π)=π2+2
f(x)=2x+6cosx,F(π)=π2+2
Exercises 547–552練習問題 547–552
Graph the following functions by hand. Make sure to label the inflection points, critical points, zeros, and asymptotes.
次の各関数のグラフを手で描け。変曲点、臨界点、零点、漸近線を明示すること。
Exercise 547問題 547
y=1x(x+1)2
y=1x(x+1)2
Solution解き方
垂直漸近線はx=0とx=−1。x<−1では、曲線は第3象限にあり、左の遠方で水平漸近線y=0に近づく。xが−1へ左から近づくと、曲線は負の無限大へ下がる。−1<x<0では、曲線は下向きの山形で、第3象限の(−0.4,−6)付近に極大がある。x>0では、曲線はx=0の右側で正の無限大から下がり、水平漸近線y=0へ近づく。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0


Inflection points: none; critical points: x=−13; zeros: none; vertical asymptotes: x=−1, x=0; horizontal asymptote: y=0
変曲点:なし。臨界点:x=−13。零点:なし。垂直漸近線:x=−1、x=0。水平漸近線:y=0。
Exercise 548問題 548
y=x−4−x2
y=x−4−x2
Exercise 549問題 549
A car is being compacted into a rectangular solid. The volume is decreasing at a rate of 2 m3/sec. The length and width of the compactor are square, but the height is not the same length as the length and width. If the length and width walls move toward each other at a rate of 0.25 m/sec, find the rate at which the height is changing when the length and width are 2 m and the height is 1.5 m.
自動車を圧縮して直方体にしている。体積は毎秒2m3の速さで減少する。圧縮機の底面は正方形で、縦と横の長さは等しいが、高さはそれらと異なる。縦と横の長さがそれぞれ毎秒0.25mの速さで減少するとき、縦・横が2m、高さが1.5mの瞬間に、高さはどの速さで変化しているか。
Solution解き方
The height is decreasing at a rate of 0.125 m/sec
高さは毎秒0.125mの速さで減少している。
Exercise 550問題 550
A rocket is launched into space; its kinetic energy is given by K(t)=(12)m(t)v(t)2, where K is the kinetic energy in joules, m is the mass of the rocket in kilograms, and v is the velocity of the rocket in meters/second. Assume the velocity is increasing at a rate of 15 m/sec2 and the mass is decreasing at a rate of 10 kg/sec because the fuel is being burned. At what rate is the rocket’s kinetic energy changing when the mass is 2000 kg and the velocity is 5000 m/sec? Give your answer in mega-Joules per second (MJ/s), which is equivalent to 106 J/s.
宇宙へ打ち上げられるロケットの運動エネルギーは、K(t)=(12)m(t)v(t)2で与えられる。Kは運動エネルギー(ジュール)、mは質量(kg)、vは速度(m毎秒)である。速度は15m毎秒2の一定加速度で増し、燃料を燃やすため質量は毎秒10kgの割合で減るとする。質量2000kg、速度5000m毎秒のとき、運動エネルギーはどの速さで変化するか。答えはメガジュール毎秒(MJ/s)で示せ。1 MJ/sは106J/sに等しい。
Exercise 551問題 551
The famous Regiomontanus’ problem for angle maximization was proposed during the 15th century. A painting hangs on a wall with the bottom of the painting a distance a feet above eye level, and the top b feet above eye level. What distance x (in feet) from the wall should the viewer stand to maximize the angle subtended by the painting, θ?
英語のヒント
角度の最大化に関する有名なレギオモンタヌスの問題は、15世紀に提案された。壁の絵の下端は目の高さよりaフィート上、上端はbフィート上にある。絵を見込む角θが最大になるようにするには、壁からの距離x(フィート)をいくつにすればよいか。
目の位置から壁までの水平距離がxである。目の高さから絵の下端までの高さをa、上端までの高さをbとする。目と下端、目と上端をそれぞれ結んで2つの直角三角形を作り、その2本の視線の間の角をθとする。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Solution解き方
x=ab feet
x=abフィート。
Exercise 552問題 552
An airline sells tickets from Tokyo to Detroit for $1200. There are 500 seats available and a typical flight books 350 seats. For every $10 decrease in price, the airline observes an additional five seats sold. What should the fare be to maximize profit? How many passengers would be onboard?
航空会社が東京・デトロイト間の航空券を$1200で販売している。座席数は500席で、通常は350席が予約される。料金を$10下げるごとに、販売できる座席が5席増えるという。利益を最大にするには料金をいくらにすべきか。そのとき乗客は何人になるか。費用の条件は与えられていないので、ここでは費用一定として売上を最大にする。
antiderivative
原始関数
a function F such that F′(x)=f(x) for all x in the domain of f is an antiderivative of f
fの定義域のすべてのxについてF′(x)=f(x)を満たす関数Fを、fの原始関数という。
indefinite integral
不定積分
the most general antiderivative of f(x) is the indefinite integral of f; we use the notation ∫f(x)dx to denote the indefinite integral of f
f(x)の最も一般的な原始関数を、fの不定積分という。fの不定積分を∫f(x)dxと表す。
initial value problem
初期値問題
a problem that requires finding a function y that satisfies the differential equation dydx=f(x) together with the initial condition y(x0)=y0
微分方程式dydx=f(x)と初期条件y(x0)=y0の両方を満たす関数yを求める問題。