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
tyy(0) = 1y(0.5) = ?

y(0) = 1、y′(0) = 6 として y″ + 6y′ + 8y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 6
y(0.5) =
2.微分方程式むずかしい
tyK = 2y(0.5) = ?

系が t ≥ 0 で y″ + 2y′ + 5y = 10 に従い、静止状態 y(0) = 0、y′(0) = 0 から始まります。y(0.5) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + 2y′ + 5y = 10y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.積分ふつう
xy14

I = ∫14 5/x dx を計算しなさい。

f(x) = 5/x[1, 4]
I =
4.積分むずかしい
xyy = 0.5x2​y = 4x

y = 0.5x2 と y = 4x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 0.5x2y = 4x
A =
5.微分ふつう
xyx = 0

f(x) = (3x + 5)5 とします。f′(0) を求めなさい。

f(x) = (3x + 5)5x = 0
f′(0) =
6.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 − 10.5x2 + 36x − 1 とします。極小点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 − 10.5x2 + 36x − 1
x =
7.数値計算法ふつう
xy00.751.5

シンプソンの公式を n = 2 個の短冊で使って、∫01.5 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, 1.5]n = 2
S =
8.数値計算法むずかしい
00.5101ty(0, 0)

ホイン法(改良オイラー法)を h = 0.5 で y′ = 1 + sin(ty)、y(0) = 0 に使い、y2 ≈ y(1) を推定してください。

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0.5
y2 =

3溶液

1.微分方程式

答え: y(0.5) = 1.298

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。

特性方程式の根

(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

初期値から求める定数

A + B = 1, −2A − 4B = 6
A = 5, B = −4

計算する

y(0.5) = 5·e−1 + (−4)·e−2 = 1.298

答え

y(0.5) = 1.298
2.微分方程式

答え: y(0.5) = 0.8342

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 = −1 ± 2j

初期値から求める定数

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −1

計算する

y(0.5) = 2·(1 − e−0.5(cos 1 + 0.5·sin 1)) = 0.8342

答え

y(0.5) = 0.8342
3.積分

答え: I = 6.931

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 4 − ln 1) = 5·ln 4 = 6.931

答え

I = 6.931
4.積分

答え: A = 42.67

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 = 4x → x = 0, x = 8

上から下を引いて積分する

A = [2x2 − 0.1667x3]08 = 42.67

答え

A = 42.67
5.微分

答え: f′(0) = 9375

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。

連鎖律

f′(x) = 5·(3x + 5)4·3

代入する

f′(0) = 5·54·3 = 9375

答え

f′(0) = 9375
6.微分

答え: x = 4

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 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)

f′(x) = 0 を解く

x = 3 または x = 4

どちらがどちらか

f″(x) = 6x − 21:極大では負、極小では正。

f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 4

答え

x = 4
7.数値計算法

答え: S = 0.8461

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001110.750.569783421.50.1053991

節点と値

h = 0.75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0.569783 + 0.105399 = 3.384531

シンプソンの公式

S = (0.75/3)·3.384531 = 0.8461

答え

S = 0.8461

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: y2 = 1.364

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₊₁00011.2474040.56185110.50.5618511.2772451.9322111.364215

ホイン法のステップ

y₁ = 0 + (0.5/2)(1 + 1.247404) = 0.561851
y₂ = 0.561851 + (0.5/2)(1.277245 + 1.932211) = 1.364215
00.5101ty

グラフ

y2 = 1.364

答え

y2 = 1.364

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