Versione italiana
Esercizi di analisi II
Teoria dell’Analisi II
L’Analisi II è un ramo della matematica che si occupa dello studio delle funzioni di più variabili, delle serie e delle integrazioni multiple. Essa estende i concetti fondamentali dell’Analisi I, come limiti, continuità, derivazione e integrazione, a contesti più complessi.
Concetti Fondamentali
-
Limiti e Continuità in più variabili: Si studia il comportamento di funzioni di più variabili quando gli argomenti si avvicinano a un certo punto.
-
Derivate Parziali: Le derivate parziali di una funzione di più variabili descrivono la variazione della funzione rispetto a una sola variabile, mantenendo fisse le altre.
-
Gradiente e Derivate Direzionali: Il gradiente è un vettore che indica la direzione e il tasso di cambiamento massimo della funzione. Le derivate direzionali sono le derivate lungo una direzione specifica.
-
Integrali Doppio e Triplo: Si estendono i concetti di integrazione a funzioni di due o tre variabili, permettendo il calcolo di aree e volumi.
-
Teoremi di Stokes e Gauss: Questi teoremi collegano le integrali su superfici e volumi con le integrali sui bordi delle superfici.
Esercizi di Analisi II
Esercizio 1: Calcolo del Limite
Calcola il limite:
\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 + y^2}{x^2 + y^2 + 1}.
(x,y)→(0,0)lim​x2+y2+1x2+y2​.
Soluzione:
Sostituendo il punto:
\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 + y^2}{x^2 + y^2 + 1} = \frac{0 + 0}{0 + 0 + 1} = \frac{0}{1} = 0.
(x,y)→(0,0)lim​x2+y2+1x2+y2​=0+0+10+0​=10​=0.
Quindi, il limite è 0.
Esercizio 2: Derivata Parziale
Calcola la derivata parziale della funzione
f(x,y) = x^2y + 3xy^2f(x,y)=x2y+3xy2 rispetto a xx.
Soluzione:
Utilizziamo la regola della derivazione per calcolare la derivata parziale:
\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x^2y) + \frac{\partial}{\partial x}(3xy^2)
∂x∂f​=∂x∂​(x2y)+∂x∂​(3xy2)
Calcoliamo ciascun termine:
- Derivata parziale di x^2yx2y rispetto a xx:
\frac{\partial}{\partial x}(x^2y) = 2xy.
∂x∂​(x2y)=2xy.
- Derivata parziale di 3xy^23xy2 rispetto a xx:
\frac{\partial}{\partial x}(3xy^2) = 3y^2.
∂x∂​(3xy2)=3y2.
Quindi, la derivata parziale è:
\frac{\partial f}{\partial x} = 2xy + 3y^2.
∂x∂f​=2xy+3y2.
Esercizio 3: Gradiente
Trova il gradiente della funzione
f(x,y) = x^3 - 3xy + y^3f(x,y)=x3−3xy+y3.
Soluzione:
Il gradiente è dato dal vettore delle derivate parziali:
\nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y} \right).
∇f=(∂x∂f​,∂y∂f​).
Calcoliamo le derivate parziali:
-
\frac{\partial f}{\partial x} = 3x^2 - 3y
∂x∂f​=3x2−3y
-
\frac{\partial f}{\partial y} = -3x + 3y^2
∂y∂f​=−3x+3y2
Quindi, il gradiente è:
\nabla f = (3x^2 - 3y, -3x + 3y^2).
∇f=(3x2−3y,−3x+3y2).
Esercizio 4: Integrazione Doppia
Calcola l’integrale doppio della funzione
f(x,y) = xyf(x,y)=xy sull’area delimitata dai punti (0,0), (1,0), (1,1), (0,1).
Soluzione:
L’integrale doppio si scrive come:
\iint_R xy \, dA,
∬R​xydA,
dove R è il quadrato con vertici in (0,0), (1,0), (1,1), (0,1).
L’integrale può essere calcolato come:
\int_0^1 \int_0^1 xy \, dy \, dx.
∫01​∫01​xydydx.
Calcoliamo prima l’integrale interno rispetto a yy:
\int_0^1 xy \, dy = x \left[ \frac{y^2}{2} \right]_0^1 = x \cdot \frac{1}{2} = \frac{x}{2}.
∫01​xydy=x[2y2​]01​=x⋅21​=2x​.
Ora calcoliamo l’integrale esterno rispetto a xx:
\int_0^1 \frac{x}{2} \, dx = \frac{1}{2} \left[ \frac{x^2}{2} \right]_0^1 = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{4}.
∫01​2x​dx=21​[2x2​]01​=21​⋅21​=41​.
Quindi, l’integrale doppio vale \frac{1}{4}41​.
Esercizio Avanzato: Integrazione Tripla
Calcola l’integrale triplo della funzione
f(x,y,z) = xyz
f(x,y,z)=xyz
sull’intervallo definito da 0 < x < 10<x<1, 0 < y < 1 - x0<y<1−x e 0 < z < xy0<z<xy.
Soluzione:
L’integrale triplo si scrive come:
\iiint_V xyz \, dV,
∭V​xyzdV,
dove V è il volume definito dai limiti dati.
Scriviamo l’integrale come:
\int_0^1 \int_0^{1-x} \int_0^{xy} xyz \, dz\, dy\, dx.
∫01​∫01−x​∫0xy​xyzdzdydx.
Calcoliamo prima l’integrale interno rispetto a zz:
\int_0^{xy} xyz\, dz = xy \left[ \frac{z^2}{2} \right]_0^{xy} = xy \cdot \frac{(xy)^2}{2} = \frac{x^3y^3}{2}.
∫0xy​xyzdz=xy[2z2​]0xy​=xy⋅2(xy)2​=2x3y3​.
Ora calcoliamo l’integrale rispetto a yy e poi a xx:
\int_0^{1-x} \frac{x^3y^3}{2}\, dy = \frac{x^3}{2}\left[\frac{y^4}{4}\right]_0^{1-x} = \frac{x^3(1-x)^4}{8}.
∫01−x​2x3y3​dy=2x3​[4y4​]01−x​=8x3(1−x)4​.
Infine calcoliamo l’integrale rispetto a xx:
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx.
∫01​8x3(1−x)4​dx.
Per calcolare l’integrale
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx,
∫01​8x3(1−x)4​dx,
iniziamo semplificando l’integrale:
\frac{1}{8} \int_0^{1} x^3(1-x)^4 \, dx.
81​∫01​x3(1−x)4dx.
Ora calcoliamo l’integrale
\int_0^{1} x^3(1-x)^4 \, dx.
∫01​x3(1−x)4dx.
Passo 1: Espandere il termine (1-x)^4(1−x)4
Utilizziamo il binomio di Newton per espandere (1-x)^4(1−x)4:
(1-x)^4 = \sum_{k=0}^{4} \binom{4}{k} (-x)^k = 1 - 4x + 6x^2 - 4x^3 + x^4.
(1−x)4=k=0∑4​(k4​)(−x)k=1−4x+6x2−4x3+x4.
Passo 2: Moltiplicare per x^3x3
Ora moltiplichiamo x^3x3 per l’espansione:
x^3(1-x)^4 = x^3(1 - 4x + 6x^2 - 4x^3 + x^4) = x^3 - 4x^4 + 6x^5 - 4x^6 + x^7.
x3(1−x)4=x3(1−4x+6x2−4x3+x4)=x3−4x4+6x5−4x6+x7.
Passo 3: Calcolare l’integrale
Ora possiamo calcolare l’integrale:
\int_0^{1} (x^3 - 4x^4 + 6x^5 - 4x^6 + x^7) \, dx.
∫01​(x3−4x4+6x5−4x6+x7)dx.
Calcoliamo ogni termine separatamente:
-
Primo termine:
\int_0^{1} x^3 \, dx = \left[ \frac{x^4}{4} \right]_0^{1} = \frac{1}{4}.
∫01​x3dx=[4x4​]01​=41​.
-
Secondo termine:
\int_0^{1} -4x^4 \, dx = -4\left[ \frac{x^5}{5} \right]_0^{1} = -\frac{4}{5}.
∫01​−4x4dx=−4[5x5​]01​=−54​.
-
Terzo termine:
\int_0^{1} 6x^5 \, dx = 6\left[ \frac{x^6}{6} \right]_0^{1} = 1.
∫01​6x5dx=6[6x6​]01​=1.
-
Quarto termine:
\int_0^{1} -4x^6 \, dx = -4\left[ \frac{x^7}{7} \right]_0^{1} = -\frac{4}{7}.
∫01​−4x6dx=−4[7x7​]01​=−74​.
-
Quinto termine:
\int_0^{1} x^7 \, dx = \left[ \frac{x^8}{8} \right]_0^{1} = \frac{1}{8}.
∫01​x7dx=[8x8​]01​=81​.
Passo 4: Sommare i risultati
Ora sommiamo i risultati ottenuti:
\int_0^{1} (x^3 - 4x^4 + 6x^5 - 4x^6 + x^7) \, dx =
\frac{1}{4} - \frac{4}{5} + 1 - \frac{4}{7} + \frac{1}{8}.
∫01​(x3−4x4+6x5−4x6+x7)dx=41​−54​+1−74​+81​.
Passo 5: Trovare un denominatore comune
Il denominatore comune tra i numeri 4, 5, 7, 84,5,7,8 è 280280. Riscriviamo ciascun termine con il denominatore comune:
- \frac{1}{4} = \frac{70}{280},41​=28070​,
- -\frac{4}{5} = -\frac{224}{280},−54​=−280224​,
- 1 = \frac{280}{280},1=280280​,
- -\frac{4}{7} = -\frac{160}{280},−74​=−280160​,
- \frac{1}{8} = \frac{35}{280}.81​=28035​.
Sommando i termini:
\frac{70 - 224 + 280 - 160 + 35}{280} =
\frac{70 + 280 + 35 - (224 +160)}{280}
=
\frac{385 - 384}{280}
=
\frac{1}{280}.
28070−224+280−160+35​=28070+280+35−(224+160)​=280385−384​=2801​.
Passo Finale: Moltiplicare per \frac{1}{8}81​
Ora moltiplichiamo il risultato finale per \frac{1}{8}81​:
\int_0^{1} x^3(1-x)^4\, dx =
\frac{1}{280}.
∫01​x3(1−x)4dx=2801​.
Pertanto,
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx =
\frac{1/280}{8}=
\frac{1}{2240}.
∫01​8x3(1−x)4​dx=81/280​=22401​.
La risposta finale è quindi:
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx =
\boxed{\frac{1}{2240}}.
∫01​8x3(1−x)4​dx=22401​​.
English version
Analysis Exercises II
Theory of Analysis II
Analysis II is a branch of mathematics that deals with the study of functions of several variables, series, and multiple integrations. It extends the fundamental concepts of Analysis I, such as limits, continuity, derivation, and integration, to more complex contexts.
Fundamental Concepts
-
Limits and Continuity in several variables: The behavior of functions of several variables is studied when the arguments approach a certain point.
-
Partial Derivatives: The partial derivatives of a function of several variables describe the variation of the function with respect to a single variable, keeping the others fixed.
-
Gradient and Directional Derivatives: The gradient is a vector that indicates the direction and the maximum rate of change of the function. Directional derivatives are the derivatives along a specific direction.
-
Double and Triple Integrals: The concepts of integration are extended to functions of two or three variables, allowing the calculation of areas and volumes.
-
Stokes and Gauss Theorems: These theorems connect the integrals on surfaces and volumes with the integrals on the boundaries of surfaces.
Exercises in Analysis II
Exercise 1: Calculating the Limit
Calculate the limit:
\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 + y^2}{x^2 + y^2 + 1}.
(x,y)→(0,0)lim​x2+y2+1x2+y2​.
Solution:
Replacing the point:
\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 + y^2}{x^2 + y^2 + 1} = \frac{0 + 0}{0 + 0 + 1} = \frac{0}{1} = 0.
(x,y)→(0,0)lim​x2+y2+1x2+y2​=0+0+10+0​=10​=0.
So, the limit is 0.
Exercise 2: Partial Derivative
Calculate the partial derivative of the function
f(x,y) = x^2y + 3xy^2f(x,y)=x2y+3xy2 with respect to xx.
Solution:
We use the differentiation rule to calculate the partial derivative:
\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x^2y) + \frac{\partial}{\partial x}(3xy^2)
∂x∂f​=∂x∂​(x2y)+∂x∂​(3xy2)
We calculate each term:
- Partial derivative of x^2yx2y with respect to xx:
\frac{\partial}{\partial x}(x^2y) = 2xy.
∂x∂​(x2y)=2xy.
- Partial derivative of 3xy^23xy2 with respect to xx:
\frac{\partial}{\partial x}(3xy^2) = 3y^2.
∂x∂​(3xy2)=3y2.
So, the partial derivative is:
\frac{\partial f}{\partial x} = 2xy + 3y^2.
∂x∂f​=2xy+3y2.
Exercise 3: Gradient
Find the gradient of the function
f(x,y) = x^3 - 3xy + y^3f(x,y)=x3−3xy+y3.
Solution:
The gradient is given by the vector of partial derivatives:
\nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y} \right).
∇f=(∂x∂f​,∂y∂f​).
Let’s calculate the partial derivatives:
-
\frac{\partial f}{\partial x} = 3x^2 - 3y
∂x∂f​=3x2−3y
-
\frac{\partial f}{\partial y} = -3x + 3y^2
∂y∂f​=−3x+3y2
So, the gradient is:
\nabla f = (3x^2 - 3y, -3x + 3y^2).
∇f=(3x2−3y,−3x+3y2).
Exercise 4: Double Integration
Calculate the double integral of the function
f(x,y) = xyf(x,y)=xy over the area bounded by the points (0,0), (1,0), (1,1), (0,1).
Solution:
The double integral is written as:
\iint_R xy \, dA,
∬R​xydA,
where R is the square with vertices in (0,0), (1,0), (1,1), (0,1).
The integral can be calculated as:
\int_0^1 \int_0^1 xy \, dy \, dx.
∫01​∫01​xydydx.
First, let’s compute the internal integral with respect to yy:
\int_0^1 xy \, dy = x \left[ \frac{y^2}{2} \right]_0^1 = x \cdot \frac{1}{2} = \frac{x}{2}.
∫01​xydy=x[2y2​]01​=x⋅21​=2x​.
Now, let’s compute the external integral with respect to xx:
\int_0^1 \frac{x}{2} \, dx = \frac{1}{2} \left[ \frac{x^2}{2} \right]_0^1 = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{4}.
∫01​2x​dx=21​[2x2​]01​=21​⋅21​=41​.
So, the double integral is \frac{1}{4}41​.
Advanced Exercise: Triple Integration
Compute the triple integral of the function
f(x,y,z) = xyz
f(x,y,z)=xyz
over the interval defined by 0 < x < 10<x<1, 0 < y < 1 - x0<y<1−x and 0 < z < xy0<z<xy.
Solution:
The triple integral is written as:
\iiint_V xyz \, dV,
∭V​xyzdV,
where V is the volume defined by the given limits.
We write the integral as:
\int_0^1 \int_0^{1-x} \int_0^{xy} xyz \, dz\, dy\, dx.
∫01​∫01−x​∫0xy​xyzdzdydx.
First, let’s compute the internal integral with respect to zz:
\int_0^{xy} xyz\, dz = xy \left[ \frac{z^2}{2} \right]_0^{xy} = xy \cdot \frac{(xy)^2}{2} = \frac{x^3y^3}{2}.
∫0xy​xyzdz=xy[2z2​]0xy​=xy⋅2(xy)2​=2x3y3​.
Now, let’s compute the integral with respect to yy and then to xx:
\int_0^{1-x} \frac{x^3y^3}{2}\, dy = \frac{x^3}{2}\left[\frac{y^4}{4}\right]_0^{1-x} = \frac{x^3(1-x)^4}{8}.
∫01−x​2x3y3​dy=2x3​[4y4​]01−x​=8x3(1−x)4​.
Finally, we calculate the integral with respect to xx:
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx.
∫01​8x3(1−x)4​dx.
To calculate the integral
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx,
∫01​8x3(1−x)4​dx,
we begin by simplifying the integral:
\frac{1}{8} \int_0^{1} x^3(1-x)^4 \, dx.
81​∫01​x3(1−x)4dx.
Now, we calculate the integral
\int_0^{1} x^3(1-x)^4 \, dx.
∫01​x3(1−x)4dx.
Step 1: Expand the term (1-x)^4(1−x)4
We use Newton’s binomial to expand (1-x)^4(1−x)4:
(1-x)^4 = \sum_{k=0}^{4} \binom{4}{k} (-x)^k = 1 - 4x + 6x^2 - 4x^3 + x^4.
(1−x)4=k=0∑4​(k4​)(−x)k=1−4x+6x2−4x3+x4.
Step 2: Multiply by x^3x3
Now we multiply x^3x3 by the expansion:
x^3(1-x)^4 = x^3(1 - 4x + 6x^2 - 4x^3 + x^4) = x^3 - 4x^4 + 6x^5 - 4x^6 + x^7.
x3(1−x)4=x3(1−4x+6x2−4x3+x4)=x3−4x4+6x5−4x6+x7.
Step 3: Calculate the integral
Now we can calculate the integral:
\int_0^{1} (x^3 - 4x^4 + 6x^5 - 4x^6 + x^7) \, dx.
∫01​(x3−4x4+6x5−4x6+x7)dx.
Let’s calculate each term separately:
- First term:
\int_0^{1} x^3 \, dx = \left[ \frac{x^4}{4} \right]_0^{1} = \frac{1}{4}.
∫01​x3dx=[4x4​]01​=41​.
- Second term:
\int_0^{1} -4x^4 \, dx = -4\left[ \frac{x^5}{5} \right]_0^{1} = -\frac{4}{5}.
∫01​−4x4dx=−4[5x5​]01​=−54​.
- Third term:
\int_0^{1} 6x^5 \, dx = 6\left[ \frac{x^6}{6} \right]_0^{1} = 1.
∫01​6x5dx=6[6x6​]01​=1.
- Fourth term:
\int_0^{1} -4x^6 \, dx = -4\left[ \frac{x^7}{7} \right]_0^{1} = -\frac{4}{7}.
∫01​−4x6dx=−4[7x7​]01​=−74​.
- Fifth term:
\int_0^{1} x^7 \, dx = \left[ \frac{x^8}{8} \right]_0^{1} = \frac{1}{8}.
∫01​x7dx=[8x8​]01​=81​.
Step 4: Add the results
Now let’s add the results obtained:
\int_0^{1} (x^3 - 4x^4 + 6x^5 - 4x^6 + x^7) \, dx =
\frac{1}{4} - \frac{4}{5} + 1 - \frac{4}{7} + \frac{1}{8}.
∫01​(x3−4x4+6x5−4x6+x7)dx=41​−54​+1−74​+81​.
Step 5: Find a common denominator
The common denominator between the numbers 4, 5, 7, 84,5,7,8 is 280280. Let’s rewrite each term with the common denominator:
- \frac{1}{4} = \frac{70}{280},41​=28070​,
- -\frac{4}{5} = -\frac{224}{280},−54​=−280224​,
- 1 = \frac{280}{280},1=280280​,
- -\frac{4}{7} = -\frac{160}{280},−74​=−280160​,
- \frac{1}{8} = \frac{35}{280}.81​=28035​.
Adding the terms:
\frac{70 - 224 + 280 - 160 + 35}{280} =
\frac{70 + 280 + 35 - (224 +160)}{280}
=
\frac{385 - 384}{280}
=
\frac{1}{280}.
28070−224+280−160+35​=28070+280+35−(224+160)​=280385−384​=2801​.
Final Step: Multiply by \frac{1}{8}81​
Now we multiply the final result by \frac{1}{8}81​:
\int_0^{1} x^3(1-x)^4\, dx =
\frac{1}{280}.
∫01​x3(1−x)4dx=2801​.
Therefore,
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx =
\frac{1/280}{8}=
\frac{1}{2240}.
∫01​8x3(1−x)4​dx=81/280​=22401​.
The final answer is then:
\int_0^{1} \frac{x^3(1-x)^4}{8}\, dx =
\boxed{\frac{1}{2240}}.
∫01​8x3(1−x)4​dx=22401​​.
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