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東北大学 医工学研究科 医学系コース 2022年実施 数学基礎 問題1-3

Author

Miyake

Description

Kai

問題1

ロピタルの定理を使って次のように計算できる。

(1)

\[ \begin{aligned} \lim_{x \to 0} \frac{x^2}{1 - \cos x} &= \lim_{x \to 0} \frac{2x}{\sin x} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{2}{\cos x} \\ &= 2 \end{aligned} \]

(2)

\[ \begin{aligned} \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x}}{\log x} &= \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2} x^{-\frac{1}{2}}}{\frac{1}{x}} \\ &= \frac{1}{2} \lim_{x \to 0} \sqrt{x} \\ &= 0 \end{aligned} \]

(3)

\[ \begin{aligned} \lim_{x \to 0} \frac{\tan^{-1} x}{\sqrt{x}} &= \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{x^2+1}}{\frac{1}{2} x^{-\frac{1}{2}}} \\ &= 2 \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x}}{x^2+1} \\ &= 0 \end{aligned} \]

問題2

(1)

\[ \begin{aligned} \int (6x-3)^5 dx &= 3^5 \int t^5 \frac{dt}{2} \ \ \ \ \ \ \ \ (t=2x-1) \\ &= \frac{3^5}{2 \cdot 6} t^6 + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \\ &= \frac{81}{4} (2x-1)^6 + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{aligned} \]

(2)

\[ \begin{aligned} \int \frac{1}{\sqrt[3]{1-2x}} dx &= \int t^{- \frac{1}{3}} \frac{-dt}{2} \ \ \ \ \ \ \ \ (t=1-2x) \\ &= - \frac{1}{2} \cdot \frac{3}{2} t^\frac{2}{3} + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \\ &= - \frac{3}{4} (1-2x)^\frac{2}{3} + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{aligned} \]

(3)

\[ \begin{aligned} \int x^2 \log x^2 dx &= \frac{1}{3} x^3 \log x^2 - \frac{1}{3} \int x^3 \cdot \frac{2x}{x^2} dx \\ &= \frac{1}{3} x^3 \log x^2 - \frac{2}{3} \int x^2 dx \\ &= \frac{1}{3} x^3 \log x^2 - \frac{2}{9} x^3 + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{aligned} \]

(4)

\[ \begin{aligned} \int \frac{1}{3x^+2x-1} dx &= \int \frac{1}{(x+1)(3x-1)} dx \\ &= \frac{1}{4} \int \left( - \frac{1}{x+1} + \frac{3}{3x-1} \right) dx \\ &= \frac{1}{4} \int \left( - \frac{1}{x+1} + \frac{1}{x-\frac{1}{3}} \right) dx \\ &= - \frac{1}{4} \log |x+1| + \frac{1}{4} \log \left| x - \frac{1}{3} \right| + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{aligned} \]

問題3

\(t = \sqrt{x}\) として、

\[ \begin{aligned} f(t) &= \left( 2t - t^4 \right) - t^2 \\ &= - t^4 - t^2 + 2t \\ &= -t(t-1) \left( t^2 + t + 2 \right) \end{aligned} \]

とおくと、 \(f(t)=0\) となるのは \(t=0,1\) のときであることがわかる。 また、これを \(t\) で微分すると

\[ \begin{aligned} f'(t) &= - 4 t^3 - 2 t + 2 \end{aligned} \]

であり、 \(f'(0)=2 \gt 0, f'(1)=-4 \lt 0\) であるから、 \(0 \leq t \leq 1\) において \(f(t) \geq 0\) である。 よって、求める面積は、

\[ \begin{aligned} \int_0^1 \left( 2 \sqrt{x} - x^2 - x \right) dx &= \left[ 2 \cdot \frac{2}{3} x^\frac{3}{2} - \frac{x^3}{3} - \frac{x^2}{2} \right]_0^1 \\ &= \frac{1}{2} \end{aligned} \]

である。