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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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)50Ta​81 °C

460 °C の鍛造鋼部品を 22 °C の作業場に置いて冷まします。 50 分後の温度は 81 °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 = 460 °CTa = 22 °CT(50) = 81 °C
k = min⁻¹
2.微分方程式むずかしい
ty1y(1) = ?

y′ + 0.5y = 9e−3t、y(0) = 4 を解きなさい。y(1) を求めなさい。

y′ + 0.5y = 9e−3ty(0) = 4
y(1) =
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 = 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 = 3

f(x) = ln(x2 + 5) とします。f′(3) を求めなさい。

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

f(x) = −x2 − 2x − 3 の x = 3 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 − 2x − 3x = 3
b =
7.数値計算法ふつう
xy00.511.52

台形公式を n = 4 で使って ∫02 sin x 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) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 4
|E| =
8.数値計算法むずかしい
00.511.50.51ty(0, 0.5)

ホイン法(改良オイラー法)を h = 0.5 で y′ = e−ty、y(0) = 0.5 に使い、y3 ≈ y(1.5) を推定してください。

y′ = e−tyy(0) = 0.5h = 0.5
y3 =

3溶液

1.微分方程式

答え: k = 0.04009 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−50k = 59/438

k について解く

k = ln(438/59)/50 = 0.04009 min⁻¹

答え

k = 0.04009 min⁻¹
2.微分方程式

答え: y(1) = 4.43

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 = e0.5t
(e0.5ty)′ = 9e−2.5t

一般解

y = 9/(−2.5)·e−3t + C·e−0.5t = −3.6·e−3t + C·e−0.5t

初期条件

4 = −3.6 + C → C = 7.6

計算する

y(1) = −3.6·0.04979 + 7.6·0.6065 = 4.43

答え

y(1) = 4.43
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 = 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′(3) = 0.4286

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′(3) = 6/14 = 0.4286

答え

f′(3) = 0.4286
6.微分

答え: b = 6

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(3) = −18
f′(x) = −2x − 2 → f′(3) = −8

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −18 − (−8)·3 = 6

答え

b = 6
7.数値計算法

答え: |E| = 0.02963

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 = 1.416147

台形公式

T = (0.5/2)·(0 + 2·0.479426 + 2·0.841471 + 2·0.997495 + 0.909297) = 1.38652

誤差

|E| = |1.38652 − 1.416147| = 0.02963

答え

|E| = 0.02963

相対誤差:2.092%。

8.数値計算法

答え: y3 = 1.251

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。

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁000.510.6065310.90163310.50.9016330.6371080.2951751.134703211.1347030.3215170.1432461.250894

ホイン法のステップ

y₁ = 0.5 + (0.5/2)(1 + 0.606531) = 0.901633
y₂ = 0.901633 + (0.5/2)(0.637108 + 0.295175) = 1.134703
y₃ = 1.134703 + (0.5/2)(0.321517 + 0.143246) = 1.250894
00.511.50.51ty

グラフ

y3 = 1.251

答え

y3 = 1.251

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations