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)28Ta​T = ?

6 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 22 °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 = 0.04 min⁻¹ として、28 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 6 °CTa = 22 °Ck = 0.04 min⁻¹t = 28 min
T = °C
2.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 1y(1) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + 2y′ + 26y = 0 を解きなさい。y(1) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.積分ふつう
xy02

I = ∫02 e0.5x dx を計算しなさい。

f(x) = e0.5x[0, 2]
I =
4.積分むずかしい
xy3y = 3xy = x²

直線 y = 3x と放物線 y = x² 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 = 3xy = x²
V =
5.微分ふつう
xyx = 3

f(x) = ln(2x2 + 5) とします。f′(3) を求めなさい。

f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 − 12x2 + 36x − 1 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 − 12x2 + 36x − 1
x =
7.数値計算法ふつう
xy012

シンプソンの公式を n = 2 で使って ∫02 eˣ dx を近似し、厳密な値と比べてください。絶対誤差 |E| = |S − I| を求めてください。

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.数値計算法むずかしい
00.20.4−1.2−1ty(0, −1)

オイラー法を刻み幅 h = 0.1 で t = 0.5 まで使って、y′ = 0.5y、y(0) = −1 を解いてください。厳密解は y = y₀e0.5t です。大域誤差 |E| = |y(0.5) − y5| を求めてください。

y′ = 0.5yy(0) = −1h = 0.1
|E| =

3溶液

1.微分方程式

答え: T = 16.78 °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) = 22 + (−16)·e−0.04t

t を代入する

T(28) = 22 + (−16)·0.3263 = 16.78 °C

答え

T = 16.78 °C
2.微分方程式

答え: y(1) = 0.0338

2 階線形方程式:y″ + b·y′ + c·y = 0 では y = ert とおきます。これから特性方程式 r² + b·r + c = 0 が得られます。異なる 2 つの実根 r₁ ≠ r₂ のときは y = A·er₁t + B·er₂t(過減衰)、重根 r のときは y = (A + Bt)·ert(臨界減衰)、複素根 −α ± jω のときは y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(不足減衰、振動)となります。初期値 y(0) と y′(0) から A と B が決まります。y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 の形に書くと、ωn は固有角周波数、ζ は減衰比で、ζ < 1 なら振動します。入力が一定の y″ + by′ + cy = c·K では、解は定常値 K に自由応答を加えたものです。

複素根

r = −1 ± 5j

定数

A = 1, B = 1·1/5 = 0.2

計算する

y(1) = e−1(1·cos 5 + 0.2·sin 5) = 0.0338

答え

y(1) = 0.0338
3.積分

答え: I = 3.437

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) = e0.5x/0.5

上端と下端を代入する

I = (e1 − 1)/0.5 = (2.718 − 1)/0.5 = 3.437

答え

I = 3.437
4.積分

答え: V = 101.8

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

3x = 1x² → x = 0, x = 3

ワッシャー法

V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx

積分する

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32.4 = 101.8

答え

V = 101.8
5.微分

答え: f′(3) = 0.5217

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。

対数の連鎖律

f′(x) = 4x/(2x2 + 5)

代入する

f′(3) = 12/23 = 0.5217

答え

f′(3) = 0.5217
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 − 24x + 36 = 3·(x2 − 8x + 12)

f′(x) = 0 を解く

x = 2 または x = 6

どちらがどちらか

f″(x) = 6x − 24:極大では負、極小では正。

f″(2) = −12, f″(6) = 12
x = 2

答え

x = 2
7.数値計算法

答え: |E| = 0.03167

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 = 6.389056

シンプソンの公式

S = (1/3)·(1 + 4·2.718282 + 7.389056) = 6.420728

誤差

|E| = |6.420728 − 6.389056| = 0.03167

答え

|E| = 0.03167

相対誤差:0.4957%。

8.数値計算法

答え: |E| = 0.007744

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₊₁00−1−0.5−1.0510.1−1.05−0.525−1.102520.2−1.1025−0.55125−1.15762530.3−1.157625−0.578813−1.21550640.4−1.215506−0.607753−1.276282

オイラー法のステップ

y5 = −1.276282

厳密な値

y(0.5) = −1.284025

大域誤差

|E| = |−1.284025 + 1.276282| = 0.007744
00.20.4−1.2−1ty

グラフ

答え

|E| = 0.007744

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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