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​T = ?

3 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 27 °C の部屋に出します。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.08 min⁻¹ として、29 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 3 °CTa = 27 °Ck = 0.08 min⁻¹t = 29 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
xy12(1, −1)y(2) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + 3y/x = 3、y(1) = −1 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + 3y/x = 3y(1) = −1
y(2) =
3.積分ふつう
xyπ/3y = x·cos x

I = ∫₀π/3 x·cos x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
4.積分むずかしい
xyy = 0.5x2​y = 2x

y = 0.5x2 と y = 2x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 0.5x2y = 2x
A =
5.微分ふつう
xyx = 0.5

f(x) = x3·e−x とします。f′(0.5) を求めなさい。

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

f(x) = x3 − 10.5x2 + 30x + 3 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 − 10.5x2 + 30x + 3
x =
7.数値計算法ふつう
xy00.250.50.751

台形公式を n = 4 個の短冊で使って、∫01 1/(1 + x³) dx を近似してください。T を答えてください。

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.数値計算法むずかしい
00.20.411.52ty(0, 1)

オイラー法を h = 0.1 で y′ = t² + y²、y(0) = 1 に使い、y5 ≈ y(0.5) を推定してください。

y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0.1
y5 =

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 24.64 °C

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。

冷却法則の解

T(t) = 27 + (−24)·e−0.08t

t を代入する

T(29) = 27 + (−24)·0.09827 = 24.64 °C

答え

T = 24.64 °C
2.微分方程式

答え: y(2) = 1.281

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 = e∫3/x dx = x3

積分する

(x3y)′ = 3x3 → x3y = 3x4/4 + C

初期条件

−1 = 3/4 + C → C = −1.75

計算する

y(2) = (3·24/4 + (−1.75))/23 = 1.281

答え

y(2) = 1.281
3.積分

答え: I = 0.4069

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 = cos x dx, v = sin x

原始関数

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

極限

(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0.4069

答え

I = 0.4069
4.積分

答え: A = 5.333

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。

交点

0.5x2 = 2x → x = 0, x = 4

上から下を引いて積分する

A = [x2 − 0.1667x3]04 = 5.333

答え

A = 5.333
5.微分

答え: f′(0.5) = 0.3791

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−x·(3x2 + (−1)·x3)

代入する

f′(0.5) = 0.6065·(0.75 + (−0.125)) = 0.3791

答え

f′(0.5) = 0.3791
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 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)

f′(x) = 0 を解く

x = 2 または x = 5

どちらがどちらか

f″(x) = 6x − 21:極大では負、極小では正。

f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 2

答え

x = 2
7.数値計算法

答え: T = 0.8317

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。

ixᵢf(xᵢ)体重001110.250.984615220.50.888889230.750.7032972410.51

節点と値

h = 0.25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0.984615 + 2·0.888889 + 2·0.703297 + 0.5 = 6.653602

台形公式

T = (0.25/2)·6.653602 = 0.8317

答え

T = 0.8317

この積分には初等的な原始関数がなく、まさにそのようなときに数値的な公式が必要になります。

8.数値計算法

答え: y5 = 1.837

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。

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00111.110.11.11.221.22220.21.2221.5332841.37532830.31.3753281.9815281.57348140.41.5734812.6358431.837066

オイラー法のステップ

y₁ = 1 + 0.1·(1) = 1.1
y₂ = 1.1 + 0.1·(1.22) = 1.222
y₃ = 1.222 + 0.1·(1.533284) = 1.375328
y₄ = 1.375328 + 0.1·(1.981528) = 1.573481
y₅ = 1.573481 + 0.1·(2.635843) = 1.837066
00.20.411.52ty

グラフ

y5 = 1.837

答え

y5 = 1.837

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