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)22Ta​53 °C

83 °C のコーヒーを 20 °C の部屋に置いておきます。 22 分後の温度は 53 °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。 定数 k を min⁻¹ で求めなさい。

T0 = 83 °CTa = 20 °CT(22) = 53 °C
k = min⁻¹
2.微分方程式むずかしい
tyK = 2ymax​ = ?

系が t ≥ 0 で y″ + 4y′ + 29y = 58 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。ステップ応答のピーク値 ymax を求めなさい。

y″ + 4y′ + 29y = 58y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.積分ふつう
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.積分むずかしい
xyy = 0.5x2​y = x

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

y = 0.5x2y = x
A =
5.微分ふつう
xyx = 1

f(x) = ln(x2 + 5) とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = ln(x2 + 5)x = 1
f′(1) =
6.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 − 3x2 + 6 とします。極小点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 − 3x2 + 6
x =
7.数値計算法ふつう
t (s)051015202530v (m/s)1091115192119

車両の速さが 5 秒ごとに測定されています(表)。台形公式を使って、t = 0 から t = 30 秒までに進んだ距離 s を推定してください。

h = 5 sn = 6
s = m
8.数値計算法むずかしい
00.20.42.53ty(0, 3)

オイラー法を h = 0.1 で y′ = −0.5y、y(0) = 3 に使い、y5 ≈ y(0.5) を推定してください。

y′ = −0.5yy(0) = 3h = 0.1
y5 =

3溶液

1.微分方程式

答え: k = 0.02939 min⁻¹

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。

温度差の比

e−22k = 33/63

k について解く

k = ln(63/33)/22 = 0.02939 min⁻¹

答え

k = 0.02939 min⁻¹
2.微分方程式

答え: ymax = 2.569

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。

定常値と根

yss = 2, r = −2 ± 5j

初期値から求める定数

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −0.8

ピーク

t = π/5 = 0.6283
ymax = 2·(1 + e−2·π/5) = 2.569

答え

ymax = 2.569
3.積分

答え: I = 12

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。

置換積分

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du

積分して代入する

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

答え

I = 12
4.積分

答え: A = 0.6667

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 = x → x = 0, x = 2

上から下を引いて積分する

A = [0.5x2 − 0.1667x3]02 = 0.6667

答え

A = 0.6667
5.微分

答え: f′(1) = 0.3333

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) = 2x/(x2 + 5)

代入する

f′(1) = 2/6 = 0.3333

答え

f′(1) = 0.3333
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 − 6x = 3·(x2 − 2x)

f′(x) = 0 を解く

x = 0 または x = 2

どちらがどちらか

f″(x) = 6x − 6:極大では負、極小では正。

f″(0) = −6, f″(2) = 6
x = 2

答え

x = 2
7.数値計算法

答え: s = 447.5 m

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。

重みつき和

10 + 2·9 + 2·11 + 2·15 + 2·19 + 2·21 + 19 = 179

台形公式

s = (5/2)·179 = 447.5 m

答え

s = 447.5 m
8.数値計算法

答え: y5 = 2.321

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₊₁003−1.52.8510.12.85−1.4252.707520.22.7075−1.353752.57212530.32.572125−1.2860632.44351940.42.443519−1.2217592.321343

オイラー法のステップ

y₁ = 3 + 0.1·(−1.5) = 2.85
y₂ = 2.85 + 0.1·(−1.425) = 2.7075
y₃ = 2.7075 + 0.1·(−1.35375) = 2.572125
y₄ = 2.572125 + 0.1·(−1.286063) = 2.443519
y₅ = 2.443519 + 0.1·(−1.221759) = 2.321343
00.20.42.53ty

グラフ

y5 = 2.321

答え

y5 = 2.321

厳密な値は y(0.5) = 2.336402 です。

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