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)27Ta​22 °C11 °C

6 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 24 °C の部屋に出します。 27 分後の温度は 22 °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 11 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 6 °CTa = 24 °CT(27) = 22 °CT = 11 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)t = ?25 kg

タンクに、塩 10 kg を溶かした水が 200 L 入っています。 1 L あたり 0.2 kg の塩を含む塩水が 4 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。 タンク内の塩が 25 kg になるのは何分後 t ですか?

V = 200 Lm0 = 10 kgc = 0.2 kg/Lr = 4 L/min
t = min
3.積分ふつう
xy02

I = ∫02 e2x dx を計算しなさい。

f(x) = e2x[0, 2]
I =
4.積分むずかしい
xyy = x2​y = 2x

y = x2 と y = 2x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x2y = 2x
A =
5.微分ふつう
xyx = 1

f(x) = ln(2x2 + 4) とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = ln(2x2 + 4)x = 1
f′(1) =
6.微分むずかしい
xyx = −2

f(x) = 3x2 + x + 1 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 + x + 1x = −2
b =
7.数値計算法ふつう
xy00.33330.666711.3331.6672

シンプソンの公式を n = 6 個の短冊で使って、∫02 √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, 2]n = 6
S =
8.数値計算法むずかしい
00.511.520123ty(0, 0)

オイラー法を h = 0.5 で y′ = 1 + sin(ty)、y(0) = 0 に使い、y4 ≈ y(2) を推定してください。

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0.5
y4 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 3.999 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(-18/-2)/27 = 0.08138 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(-18/(−13))/0.08138 = 3.999 min

答え

t = 3.999 min
2.微分方程式

答え: t = 34.66 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。

結果

m(t) = 40 + (−30)·e−t/50

t について解く

e−t/50 = (40 − 25)/(40 − 10) = 0.5
t = 50·ln(2) = 34.66 min

答え

t = 34.66 min
3.積分

答え: I = 26.8

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 = (e4 − 1)/2 = (54.6 − 1)/2 = 26.8

答え

I = 26.8
4.積分

答え: A = 1.333

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

x2 = 2x → x = 0, x = 2

上から下を引いて積分する

A = [x2 − 0.3333x3]02 = 1.333

答え

A = 1.333
5.微分

答え: f′(1) = 0.6667

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 + 4)

代入する

f′(1) = 4/6 = 0.6667

答え

f′(1) = 0.6667
6.微分

答え: b = −11

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) = 11
f′(x) = 6x + 1 → f′(−2) = −11

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − (−11)·(−2) = −11

答え

b = −11
7.数値計算法

答え: S = 0.6378

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000110.3333330.41369420.6666670.4192032310.367879441.3333330.304376251.6666670.2438374620.1913931

節点と値

h = 0.3333
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0.41369 + 2·0.419203 + 4·0.367879 + 2·0.304376 + 4·0.243837 + 0.191393 = 5.740177

シンプソンの公式

S = (0.3333/3)·5.740177 = 0.6378

答え

S = 0.6378

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 = 2.589

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₊₁00010.510.50.51.2474041.123702211.1237021.9017072.07455631.52.0745561.0297552.589433

オイラー法のステップ

y₁ = 0 + 0.5·(1) = 0.5
y₂ = 0.5 + 0.5·(1.247404) = 1.123702
y₃ = 1.123702 + 0.5·(1.901707) = 2.074556
y₄ = 2.074556 + 0.5·(1.029755) = 2.589433
00.511.520123ty

グラフ

y4 = 2.589

答え

y4 = 2.589

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