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)15Ta​400 °C418 °C

460 °C の鍛造鋼部品を 28 °C の作業場に置いて冷まします。 15 分後の温度は 400 °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 418 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 460 °CTa = 28 °CT(15) = 400 °CT = 418 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
xy13(1, 2)y(3) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + 2y/x = 2x2、y(1) = 2 を解きなさい。y(3) を求めなさい。

y′ + 2y/x = 2x2y(1) = 2
y(3) =
3.積分ふつう
xy13

I = ∫13 5/x dx を計算しなさい。

f(x) = 5/x[1, 3]
I =
4.積分むずかしい
xy1.333y = 4xy = 3x²

直線 y = 4x と放物線 y = 3x² 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 = 4xy = 3x²
V =
5.微分ふつう
xyx = 3

f(x) = ln(2x2 + 1) とします。f′(3) を求めなさい。

f(x) = ln(2x2 + 1)x = 3
f′(3) =
6.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 + 3x2 − 5 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 + 3x2 − 5
x =
7.数値計算法ふつう
xy123

台形公式を n = 2 で使って ∫13 1/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) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
8.数値計算法むずかしい
00.10.20.311.21.4ty(0, 1)

ホイン法(改良オイラー法)を h = 0.1 で y′ = t² + y²、y(0) = 1 に使い、y3 ≈ y(0.3) を推定してください。

y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0.1
y3 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 10.26 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(432/372)/15 = 0.009969 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(432/390)/0.009969 = 10.26 min

答え

t = 10.26 min
2.微分方程式

答え: y(3) = 10.98

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∫2/x dx = x2

積分する

(x2y)′ = 2x4 → x2y = 2x5/5 + C

初期条件

2 = 2/5 + C → C = 1.6

計算する

y(3) = (2·35/5 + 1.6)/32 = 10.98

答え

y(3) = 10.98
3.積分

答え: I = 5.493

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) = 5·ln x

上端と下端を代入する

I = 5·(ln 3 − ln 1) = 5·ln 3 = 5.493

答え

I = 5.493
4.積分

答え: V = 15.89

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

4x = 3x² → x = 0, x = 1.333

ワッシャー法

V = π∫₀1.333 ((4x)² − (3x²)²) dx

積分する

V = π(16·1.333³/3 − 9·1.333⁵/5) = π·5.057 = 15.89

答え

V = 15.89
5.微分

答え: f′(3) = 0.6316

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 + 1)

代入する

f′(3) = 12/19 = 0.6316

答え

f′(3) = 0.6316
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 = −2 または x = 0

どちらがどちらか

f″(x) = 6x + 6:極大では負、極小では正。

f″(−2) = −6, f″(0) = 6
x = −2

答え

x = −2
7.数値計算法

答え: |E| = 0.06805

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 = 1.098612

台形公式

T = (1/2)·(1 + 2·0.5 + 0.333333) = 1.166667

誤差

|E| = |1.166667 − 1.098612| = 0.06805

答え

|E| = 0.06805

相対誤差:6.195%。

8.数値計算法

答え: y3 = 1.436

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₊₁00111.221.11110.11.1111.2443211.5662921.25153120.21.2515311.6063292.0842061.436057

ホイン法のステップ

y₁ = 1 + (0.1/2)(1 + 1.22) = 1.111
y₂ = 1.111 + (0.1/2)(1.244321 + 1.566292) = 1.251531
y₃ = 1.251531 + (0.1/2)(1.606329 + 2.084206) = 1.436057
00.10.20.311.21.4ty

グラフ

y3 = 1.436

答え

y3 = 1.436

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