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)21Ta​T = ?

500 °C の鍛造鋼部品を 21 °C の作業場に置いて冷まします。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.02 min⁻¹ として、21 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 500 °CTa = 21 °Ck = 0.02 min⁻¹t = 21 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
xy13(1, 3)y(3) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + y/x = x2、y(1) = 3 を解きなさい。y(3) を求めなさい。

y′ + y/x = x2y(1) = 3
y(3) =
3.積分ふつう
xy01

I = ∫01 e2x dx を計算しなさい。

f(x) = e2x[0, 1]
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 = 1.5

f(x) = x·ex とします。f′(1.5) を求めなさい。

f(x) = x·exx = 1.5
f′(1.5) =
6.微分むずかしい
xyx = −2

f(x) = −x2 − 2x 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 − 2xx = −2
b =
7.数値計算法ふつう
xy00.51

台形公式を n = 2 で使って ∫01 eˣ 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) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.数値計算法むずかしい
00.10.20.31.82ty(0, 2)

オイラー法を刻み幅 h = 0.1 で t = 0.3 まで使って、y′ = −0.5y、y(0) = 2 を解いてください。厳密解は y = y₀e−0.5t です。大域誤差 |E| = |y(0.3) − y3| を求めてください。

y′ = −0.5yy(0) = 2h = 0.1
|E| =

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 335.7 °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) = 21 + 479·e−0.02t

t を代入する

T(21) = 21 + 479·0.657 = 335.7 °C

答え

T = 335.7 °C
2.微分方程式

答え: y(3) = 7.667

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∫1/x dx = x1

積分する

(x1y)′ = x3 → x1y = 1x4/4 + C

初期条件

3 = 1/4 + C → C = 2.75

計算する

y(3) = (1·34/4 + 2.75)/31 = 7.667

答え

y(3) = 7.667
3.積分

答え: I = 3.195

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。

原始関数

F(x) = e2x/2

上端と下端を代入する

I = (e2 − 1)/2 = (7.389 − 1)/2 = 3.195

答え

I = 3.195
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′(1.5) = 11.2

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。

積の法則

f′(x) = u′v + uv′ = ex·(1 + 1·x)

代入する

f′(1.5) = 4.482·(1 + 1.5) = 11.2

答え

f′(1.5) = 11.2
6.微分

答え: b = 4

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) = 0
f′(x) = −2x − 2 → f′(−2) = 2

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − 2·(−2) = 4

答え

b = 4
7.数値計算法

答え: |E| = 0.03565

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 = 1.718282

台形公式

T = (0.5/2)·(1 + 2·1.648721 + 2.718282) = 1.753931

誤差

|E| = |1.753931 − 1.718282| = 0.03565

答え

|E| = 0.03565

相対誤差:2.075%。

8.数値計算法

答え: |E| = 0.006666

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₊₁002−11.910.11.9−0.951.80520.21.805−0.90251.71475

オイラー法のステップ

y3 = 1.71475

厳密な値

y(0.3) = 1.721416

大域誤差

|E| = |1.721416 − 1.71475| = 0.006666
00.10.20.31.82ty

グラフ

答え

|E| = 0.006666

h を半分にすると、オイラー法の誤差はおよそ半分になります。

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