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)14Ta​46 °C59 °C

90 °C のコーヒーを 19 °C の部屋に置いておきます。 14 分後の温度は 46 °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 59 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 90 °CTa = 19 °CT(14) = 46 °CT = 59 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)60 minm = ?

タンクに、塩 10 kg を溶かした水が 1000 L 入っています。 1 L あたり 0.25 kg の塩を含む塩水が 10 L/min で流入し、よく混ざった溶液が同じ流量で流出します。 60 分後にタンク内にある塩の量 m を求めなさい。

V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0.25 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.積分ふつう
xyπ/2y = x·cos x

I = ∫₀π/2 x·cos x dx(x はラジアン)を計算しなさい。

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

y = 2x2 と y = 3x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 2x2y = 3x
A =
5.微分ふつう
xyx = 1

f(x) = x3·e−x とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = x3·e−xx = 1
f′(1) =
6.微分むずかしい
xyx = −2

f(x) = 3x2 − 5x − 3 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) = 3x2 − 5x − 3x = −2
b =
7.数値計算法ふつう
xy00.16670.33330.50.66670.83331

シンプソンの公式を n = 6 個の短冊で使って、∫01 √x·e−x dx を近似してください。S を答えてください。

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 6
S =
8.数値計算法むずかしい
00.10.20.30.400.01ty(0, 0)

オイラー法を h = 0.1 で y′ = t² + y²、y(0) = 0 に使い、y4 ≈ y(0.4) を推定してください。

y′ = t² + y²y(0) = 0h = 0.1
y4 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 8.309 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(71/27)/14 = 0.06906 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(71/40)/0.06906 = 8.309 min

答え

t = 8.309 min
2.微分方程式

答え: m = 118.3 kg

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。

方程式を立てる

dm/dt = 10·0.25 − (10/1000)·m = 2.5 − 0.01·m

解く

積分因子は ert/V で、解は平衡量 c·V に近づきます。

m(t) = 250 + (−240)·e−t/100

t を代入する

m(60) = 250 + (−240)·0.5488 = 118.3 kg

答え

m = 118.3 kg
3.積分

答え: I = 0.5708

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/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0.5708

答え

I = 0.5708
4.積分

答え: A = 1.125

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

2x2 = 3x → x = 0, x = 1.5

上から下を引いて積分する

A = [1.5x2 − 0.6667x3]01.5 = 1.125

答え

A = 1.125
5.微分

答え: f′(1) = 0.7358

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′(1) = 0.3679·(3 + (−1)) = 0.7358

答え

f′(1) = 0.7358
6.微分

答え: b = −15

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) = 19
f′(x) = 6x − 5 → f′(−2) = −17

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 19 − (−17)·(−2) = −15

答え

b = −15
7.数値計算法

答え: S = 0.3732

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000110.1666670.345575420.3333330.41369230.50.428882440.6666670.419203250.8333330.3967324610.3678791

節点と値

h = 0.1667
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.345575 + 2·0.41369 + 4·0.428882 + 2·0.419203 + 4·0.396732 + 0.367879 = 6.71842

シンプソンの公式

S = (0.1667/3)·6.71842 = 0.3732

答え

S = 0.3732

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: y4 = 0.014

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₊₁0000010.100.010.00120.20.0010.0400010.005000130.30.00500010.0900250.0140026

オイラー法のステップ

y₁ = 0 + 0.1·(0) = 0
y₂ = 0 + 0.1·(0.01) = 0.001
y₃ = 0.001 + 0.1·(0.040001) = 0.0050001
y₄ = 0.0050001 + 0.1·(0.090025) = 0.0140026
00.10.20.30.400.01ty

グラフ

y4 = 0.014

答え

y4 = 0.014

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