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)20Ta​183 °C

380 °C の鍛造鋼部品を 23 °C の作業場に置いて冷まします。 20 分後の温度は 183 °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 = 380 °CTa = 23 °CT(20) = 183 °C
k = min⁻¹
2.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 1y(1.5) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + y′ + 4.25y = 0 を解きなさい。y(1.5) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + y′ + 4.25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =
3.積分ふつう
xy210

I = ∫210 5/x dx を計算しなさい。

f(x) = 5/x[2, 10]
I =
4.積分むずかしい
xy3y = x²eˣ

I = ∫₀3 x²·eˣ dx を計算しなさい。

∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.微分ふつう
xyx = 2

f(x) = x·sin(x)(x はラジアン)とします。f′(2) を求めなさい。

f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.微分むずかしい
xyx = −1

f(x) = x2 − 3x − 5 の x = −1 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 − 3x − 5x = −1
b =
7.数値計算法ふつう
xy00.16670.33330.50.66670.83331

シンプソンの公式を n = 6 個の短冊で使って、∫01 e−x² dx を近似してください。S を答えてください。

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 6
S =
8.数値計算法むずかしい
00.050.10.99980.99991ty(0, 1)

古典的ルンゲ–クッタ法(RK4)を、h = 0.1 で 1 ステップ、y′ = cos t − y、y(0) = 1 に適用してください。y₁ ≈ y(0.1) を求めてください。

y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0.1
y1 =

3溶液

1.微分方程式

答え: k = 0.04013 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−20k = 160/357

k について解く

k = ln(357/160)/20 = 0.04013 min⁻¹

答え

k = 0.04013 min⁻¹
2.微分方程式

答え: y(1.5) = −0.451

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 = −0.5 ± 2j

定数

A = 1, B = 0.5·1/2 = 0.25

計算する

y(1.5) = e−0.75(1·cos 3 + 0.25·sin 3) = −0.451

答え

y(1.5) = −0.451
3.積分

答え: I = 8.047

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 10 − ln 2) = 5·ln 5 = 8.047

答え

I = 8.047
4.積分

答え: I = 98.43

部分積分:∫u·dv = u·v − ∫v·du。積の微分公式から導かれます。u には、微分すると簡単になるほうの因子(x のべき乗や ln x)を選び、dv には、積分できるほうの因子(eˣ、sin x、cos x、または u = ln x のときの x)を選びます。定積分では、u·v を両端で評価します:∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du。因子 x² があるときは 2 回行います。

1 回目

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

2 回目

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

極限

20.09·(5) − 1·2 = 98.43

答え

I = 98.43
5.微分

答え: f′(2) = 0.077

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。

積の法則と連鎖律

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

代入する

f′(2) = 0.9093 + 2·(−0.4161) = 0.077

答え

f′(2) = 0.077
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(−1) = −1
f′(x) = 2x − 3 → f′(−1) = −5

x = 0 での接線の値

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −1 − (−5)·(−1) = −6

答え

b = −6
7.数値計算法

答え: S = 0.7468

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001110.1666670.972604420.3333330.894839230.50.778801440.6666670.64118250.8333330.4993524610.3678791

節点と値

h = 0.1667
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0.972604 + 2·0.894839 + 4·0.778801 + 2·0.64118 + 4·0.499352 + 0.367879 = 13.442947

シンプソンの公式

S = (0.1667/3)·13.442947 = 0.7468

答え

S = 0.7468

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: y1 = 0.9998

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。

4 つの傾き

k₁ = f(0, 1) = 0
k₂ = f(0.05, 1) = −0.00124974
k₃ = f(0.05, 0.999938) = −0.00118725
k₄ = f(0.1, 0.999881) = −0.00487711

組み合わせる

y₁ = 1 + (0.1/6)(0 + 2·−0.00124974 + 2·−0.00118725 − 0.00487711) = 0.9998

答え

y1 = 0.9998

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