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)18Ta​19 °C

6 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 25 °C の部屋に出します。 18 分後の温度は 19 °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。 定数 k を min⁻¹ で求めなさい。

T0 = 6 °CTa = 25 °CT(18) = 19 °C
k = min⁻¹
2.微分方程式むずかしい
ty1.5y(1.5) = ?

y′ + 3y = 2e−2t、y(0) = 5 を解きなさい。y(1.5) を求めなさい。

y′ + 3y = 2e−2ty(0) = 5
y(1.5) =
3.積分ふつう
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
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 = 2

f(x) = x·sin(x)(x はラジアン)とします。f′(2) を求めなさい。

f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 + 1.5x2 − 6x + 5 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 + 1.5x2 − 6x + 5
x =
7.数値計算法ふつう
xy00.511.52

台形公式を n = 4 で使って ∫02 x³ dx を近似し、厳密な値と比べてください。絶対誤差 |E| = |T − I| を求めてください。

f(x) = x³[a, b] = [0, 2]n = 4
|E| =
8.数値計算法むずかしい
00.20.40.60.511.5ty(0, 0.5)

ホイン法(改良オイラー法)を h = 0.25 で y′ = 1 + sin(ty)、y(0) = 0.5 に使い、y3 ≈ y(0.75) を推定してください。

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0.5h = 0.25
y3 =

3溶液

1.微分方程式

答え: k = 0.06404 min⁻¹

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。

温度差の比

e−18k = -6/-19

k について解く

k = ln(-19/-6)/18 = 0.06404 min⁻¹

答え

k = 0.06404 min⁻¹
2.微分方程式

答え: y(1.5) = 0.1329

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 = e3t
(e3ty)′ = 2et

一般解

y = 2/1·e−2t + C·e−3t = 2·e−2t + C·e−3t

初期条件

5 = 2 + C → C = 3

計算する

y(1.5) = 2·0.04979 + 3·0.01111 = 0.1329

答え

y(1.5) = 0.1329
3.積分

答え: I = 41.33

定積分:∫ₐᵇ f(x) dx は、a から b までのグラフと x 軸の間の符号付き面積です。原始関数 F(F′ = f)を求め、F(b) − F(a) を計算します。べき乗の法則:∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)。2 曲線の間の面積は ∫(上 − 下) dx です。

置換積分

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

積分して代入する

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41.33

答え

I = 41.33
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′(2) = 0.077

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。

積の法則と連鎖律

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

代入する

f′(2) = 0.9093 + 2·(−0.4161) = 0.077

答え

f′(2) = 0.077
6.微分

答え: x = −2

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。

導関数

f′(x) = 3x2 + 3x − 6 = 3·(x2 + x − 2)

f′(x) = 0 を解く

x = −2 または x = 1

どちらがどちらか

f″(x) = 6x + 3:極大では負、極小では正。

f″(−2) = −9, f″(1) = 9
x = −2

答え

x = −2
7.数値計算法

答え: |E| = 0.25

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。

厳密な値

I = 4

台形公式

T = (0.5/2)·(0 + 2·0.125 + 2·1 + 2·3.375 + 8) = 4.25

誤差

|E| = |4.25 − 4| = 0.25

答え

|E| = 0.25

相対誤差:6.25%。

8.数値計算法

答え: y3 = 1.54

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。

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁000.511.1864030.773310.250.77331.1921231.5104141.11111720.51.1111171.5274181.8999821.539543

ホイン法のステップ

y₁ = 0.5 + (0.25/2)(1 + 1.186403) = 0.7733
y₂ = 0.7733 + (0.25/2)(1.192123 + 1.510414) = 1.111117
y₃ = 1.111117 + (0.25/2)(1.527418 + 1.899982) = 1.539543
00.20.40.60.511.5ty

グラフ

y3 = 1.54

答え

y3 = 1.54

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