微分方程式:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

微分方程式

指数関数的な増加・減少
dy/dt = ky → y = y0ekt
半減期
k = ln 2 / t½
ニュートンの冷却法則
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
積分因子
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
混合タンク
dm/dt = r·c − (r/V)·m

積分

べき乗の微分
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
定積分
∫ab f dx = F(b) − F(a)
主な不定積分
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
曲線で囲まれた面積
∫ab (f − g) dx

解き方

  1. できれば被積分関数を簡単な項の和に書き直します。
  2. べき乗の積分公式を適用します:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。ex、1/x、sin、cos には基本の積分公式を使います。
  3. 関数とその導関数が一緒に現れていたら置換積分を使います。
  4. 定積分では F(b) − F(a) を計算します。

微分

べき乗の微分
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
積の法則
(uv)′ = u′v + uv′
商の微分法
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
連鎖律
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
主な導関数
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

解き方

  1. 式の構造を見分けます:和、積、商、または合成関数。
  2. x の各累乗にべき乗の微分法を適用します。
  3. 必要に応じて積の微分法、商の微分法、合成関数の微分法を使います。
  4. 整理し、指定があればその点での値を求めます。

数値計算法

二分法
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
ニュートン–ラフソン法
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
線形補間
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
台形公式
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
シンプソンの公式(n は偶数)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
台形公式の誤差評価
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
オイラー
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
ホイン法
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

解き方

  1. 方程式の解では:二分法なら符号の変化を確かめ、ニュートン法なら f と f′ を計算し、反復値の表では有効数字を 6 桁以上保ちましょう。
  2. 表の値では:隣り合う 2 点の間で線形補間しましょう。
  3. 積分では:h = (b − a)/n を求め、すべての節点で f を並べ、重み(台形公式は 1, 2, …, 2, 1、n が偶数のシンプソンの公式は 1, 4, 2, …, 4, 1)を適用して、h/2 または h/3 を掛けます。
  4. 常微分方程式では:t₀ から yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)(オイラー法)または平均した傾き(ホイン法)で進み、1 ステップにつき 1 行で、求められた t に達するまで続けます。

2演習問題

1.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)29Ta​143 °C96 °C

400 °C の鍛造鋼部品を 26 °C の作業場に置いて冷まします。 29 分後の温度は 143 °C です。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 開始から 96 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 400 °CTa = 26 °CT(29) = 143 °CT = 96 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
ty2y(2) = ?

y′ + y = 9e−0.5t、y(0) = 0 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + y = 9e−0.5ty(0) = 0
y(2) =
3.積分ふつう
xy1y = x·sin x

I = ∫₀1 x·sin x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀1 x·sin x dx
I =
4.積分むずかしい
xy3y = 6xy = 2x²

直線 y = 6x と放物線 y = 2x² の間の領域を x 軸のまわりに回転させます。立体の体積 V を求めなさい。

y = 6xy = 2x²
V =
5.微分ふつう
xyx = 1.5

f(x) = x3·e−0.5x とします。f′(1.5) を求めなさい。

f(x) = x3·e−0.5xx = 1.5
f′(1.5) =
6.微分むずかしい
xyx = −2

f(x) = −x2 − 3x − 5 の x = −2 における接線は、y 軸と y = b で交わります。b を求めなさい。

f(x) = −x2 − 3x − 5x = −2
b =
7.数値計算法ふつう
t (s)010203040v (m/s)2371316

車両の速さが 10 秒ごとに測定されています(表)。シンプソンの公式を使って、t = 0 から t = 40 秒までに進んだ距離 s を推定してください。

h = 10 sn = 4
s = m
8.数値計算法むずかしい
00.050.10.150.211.11.2ty(0, 1)

古典的ルンゲ–クッタ法(RK4)を、h = 0.2 で 1 ステップ、y′ = e−ty、y(0) = 1 に適用してください。y₁ ≈ y(0.2) を求めてください。

y′ = e−tyy(0) = 1h = 0.2
y1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 41.82 min

1 階微分方程式:dy/dt = k·y の解は y = y₀·ekt です(k > 0 なら増加、k < 0 なら減少)。半減期 T からは k = ln 2/T が得られます。ニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) からは T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt が得られます。線形方程式 y′ + p(x)·y = q(x) は積分因子 μ = e∫p dx を使って解きます:(μy)′ = μq なので、μy = ∫μq dx + C です。

冷却定数

k = ln(374/117)/29 = 0.04007 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(374/70)/0.04007 = 41.82 min

答え

t = 41.82 min
2.微分方程式

答え: y(2) = 4.186

1 階微分方程式:dy/dt = k·y の解は y = y₀·ekt です(k > 0 なら増加、k < 0 なら減少)。半減期 T からは k = ln 2/T が得られます。ニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) からは T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt が得られます。線形方程式 y′ + p(x)·y = q(x) は積分因子 μ = e∫p dx を使って解きます:(μy)′ = μq なので、μy = ∫μq dx + C です。

積分因子

μ = et
(ety)′ = 9e0.5t

一般解

y = 9/0.5·e−0.5t + C·e−t = 18·e−0.5t + C·e−t

初期条件

0 = 18 + C → C = −18

計算する

y(2) = 18·0.3679 + (−18)·0.1353 = 4.186

答え

y(2) = 4.186
3.積分

答え: I = 0.3012

部分積分:∫u·dv = u·v − ∫v·du。積の微分公式から導かれます。u には、微分すると簡単になるほうの因子(x のべき乗や ln x)を選び、dv には、積分できるほうの因子(eˣ、sin x、cos x、または u = ln x のときの x)を選びます。定積分では、u·v を両端で評価します:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。因子 x² があるときは 2 回行います。

u と dv を選ぶ

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

原始関数

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

極限

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0.3012

答え

I = 0.3012
4.積分

答え: V = 407.2

回転体の体積:x = a から x = b までの y = f(x) の下の領域を x 軸のまわりに回転させると、x での断面が半径 f(x) の円板である立体ができます。円板を足し合わせると V = π∫ₐᵇ f(x)² dx になります。領域が外側の曲線 R(x) と内側の曲線 r(x) の間にあるときは、各スライスはワッシャー(円環)で、V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx です。引く前に半径を 2 乗しましょう。

交点

6x = 2x² → x = 0, x = 3

ワッシャー法

V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx

積分する

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129.6 = 407.2

答え

V = 407.2
5.微分

答え: f′(1.5) = 2.391

微分:導関数 f′(x) は x におけるグラフの傾きです。べき乗の法則:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。積の法則:(uv)′ = u′v + uv′。連鎖律:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。f′(x) = 0 のところではグラフの接線が水平になり、極大・極小・鞍点のいずれかです。

積の法則

f′(x) = u′v + uv′ = e−0.5x·(3x2 + (−0.5)·x3)

代入する

f′(1.5) = 0.4724·(6.75 + (−1.688)) = 2.391

答え

f′(1.5) = 2.391
6.微分

答え: b = −1

微分:導関数 f′(x) は x におけるグラフの傾きです。べき乗の法則:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。積の法則:(uv)′ = u′v + uv′。連鎖律:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。f′(x) = 0 のところではグラフの接線が水平になり、極大・極小・鞍点のいずれかです。

接点と傾き

f(−2) = −3
f′(x) = −2x − 3 → f′(−2) = 1

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3 − 1·(−2) = −1

答え

b = −1
7.数値計算法

答え: s = 320 m

数値積分:[a, b] を、幅 h = (b − a)/n、節点 x₀ … xₙ の n 個の短冊に分けます。台形公式:T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]。シンプソンの公式(n は偶数):S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]。台形公式の誤差は h² のように小さくなり(M = max|f″| として評価式 (b − a)h²·M/12)、シンプソンの公式は h⁴ のように小さくなるので、同じ節点ならシンプソンの公式のほうが通常はずっと正確です。

重みつき和

2 + 4·3 + 2·7 + 4·13 + 16 = 96

シンプソンの公式

s = (10/3)·96 = 320 m

答え

s = 320 m
8.数値計算法

答え: y1 = 1.179

y′ = f(t, y) の数値解法:オイラー法は、各ステップの開始点での傾きに沿って進みます:yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)。ホイン法(改良オイラー法)は、開始点での傾きと、オイラー法による予測点での傾きを平均します:k₁ = f(tₙ, yₙ)、k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁)、yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂)。古典的ルンゲ–クッタ法(RK4)は 4 つの傾きを組み合わせます:yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)。大域誤差は、オイラー法では h に、ホイン法では h² に、RK4 では h⁴ に比例します。

4 つの傾き

k₁ = f(0, 1) = 1
k₂ = f(0.1, 1.1) = 0.895834
k₃ = f(0.1, 1.089583) = 0.896768
k₄ = f(0.2, 1.179354) = 0.789883

組み合わせる

y₁ = 1 + (0.2/6)(1 + 2·0.895834 + 2·0.896768 + 0.789883) = 1.179

答え

y1 = 1.179

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