工学数学 2:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、16 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

行列と行列式

2×2 の行列式
det = ad − bc
2×2 の逆行列
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
製品
(AB)ij = Σk AikBkj
固有値
det(A − λI) = 0
クラメルの公式
xi = det(Ai)/det(A)

ベクトル:内積と外積

大きさ
|a| = √(ax² + ay² + az²)
単位ベクトル
û = a/|a|
角度から成分を求める
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
内積
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a の b 上へのスカラー射影
a·b/|b|
仕事
W = F·d
外積
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
面積
平行四辺形 |a × b|, 三角形 ½|a × b|
O まわりのモーメント
MO = r × F, r = A − O
平行六面体の体積
V = |a·(b × c)|

解き方

  1. すべてのベクトルを成分で書きます。大きさと角度で与えられた力には F·cos θ と F·sin θ を使います。
  2. 長さと向きには、大きさ √(x² + y² + z²) と単位ベクトル a/|a| を使います。
  3. 角度、射影、垂直性、仕事には内積を使います:a·b = |a||b|cos θ。
  4. 垂直なベクトル、面積、モーメントには外積を使います:3 つの成分を慎重に書き、順序 a × b を守ります。

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。

多変数の微分積分

偏導関数
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
勾配
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
方向微分
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
接平面
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
連鎖律
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
2 階微分判定法
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
二重積分
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
極座標
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

解き方

  1. 偏導関数では、もう一方の変数を定数として扱い、1 変数の規則を使いましょう。
  2. 勾配の問題では、その点で ∇f = (fx, fy) を計算します。最も急な傾きには |∇f| を、方向微分には単位ベクトル u との ∇f·u を使います。
  3. 極値では fx = 0 と fy = 0 を同時に解き、そのあとすべての点を D = fxx·fyy − fxy² で分類します。
  4. 二重積分では、領域を描き、内側の限界が境界の曲線になるように順序(円板なら極座標)を選び、内側から先に積分します。

数列と級数

等差数列
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
等比数列
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
無限等比級数
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p 級数
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
比判定法
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
収束半径
R = lim |ck/ck+1|
テイラー多項式
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
マクローリン級数
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
ラグランジュの誤差評価
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

解き方

  1. 種類を見極めましょう:等差(一定の差)、等比(一定の比)、標準的な級数、べき級数、テイラー多項式。
  2. 和には Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2、Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)、または |r| < 1 のとき S = a₁/(1 − r) を使います。a₁ はその和の最初の項です。
  3. 収束については:まず第 n 項判定法、次に Σ1/kᵖ や等比級数との比較を行い、階乗や k 乗には比判定法か根判定法を使います。
  4. テイラー多項式では、f(a)、f′(a)、f″(a)、… を並べ、第 k 階導関数を k! で割り、誤差を M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! で評価します。

たたみ込みと LTI システム

離散たたみ込み
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
連続たたみ込み
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
長さと和
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
始まり、終わり、面積
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t) へのステップ入力
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
1 次系
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
1 次の漸化式
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t) を通る正弦波
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
フーリエ級数の振幅
方形波 ±A:4A/(kπ)、奇数 k;三角波 ±A:8A/(π²k²)、奇数 k;パルス列:A·D と (2A/(kπ))|sin kπD|

解き方

  1. 2 つの信号をスケッチし、それぞれが 0 でない範囲を書き込みます。
  2. h を反転してずらします:各出力時刻について、両方の信号が重なる範囲を求めます。
  3. その重なりの範囲だけで、掛けて足し合わせる(離散)か、掛けて積分します(連続)。
  4. 結果を確認しましょう:出力は開始時刻の和から始まり、終了時刻の和で終わり、その面積または和は、入力の面積または和の積になります。

2演習問題

1.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)17Ta​24 °C9 °C

3 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 30 °C の部屋に出します。 17 分後の温度は 24 °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 9 °C に達するまでの時間 t を求めなさい。

T0 = 3 °CTa = 30 °CT(17) = 24 °CT = 9 °C
t = min
2.微分方程式むずかしい
xy12(1, 5)y(2) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + y/x = 5x、y(1) = 5 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + y/x = 5xy(1) = 5
y(2) =
3.行列と行列式ふつう
A =−43−2−5−23−5−15

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [−4 3 −2; −5 −2 3; −5 −1 5]
det A =
4.行列と行列式むずかしい
A =64−3−2

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [6 4; −3 −2]
λ =
5.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (6, −5, −3) と b = (6, −3, 6) の内積 a·b を求めよ。

a = (6, −5, −3)b = (6, −3, 6)
a·b =
6.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

a = (−2, 6, 6)、b = (6, 2, 6) のとき、外積 a × b の y 成分 (a × b)y を求めよ。

a = (−2, 6, 6)b = (6, 2, 6)
(a × b)y =
7.積分ふつう
xy03

I = ∫03 e−x dx を計算しなさい。

f(x) = e−x[0, 3]
I =
8.積分むずかしい
xy−33

放物線 y = 9 − x² と x 軸で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 9 − x²
A =
9.多変数の微分積分ふつう
xy−13∇fP

f(x, y) = −4xy³ − 3x³ − 3xy について、点 (−1, 3) での f の変化率の最大値、つまり |∇f| を求めてください。

f(x, y) = −4xy³ − 3x³ − 3xyP = (−1, 3)
|∇f| =
10.多変数の微分積分むずかしい
xyx = 1.2y = x1.2

積分 I = ∫01.2 ∫y1.2 cos(x²) dx dy は、この順序では計算できません。積分の順序を入れ替えて計算してください。

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1.2
I =
11.数列と級数ふつう
xx₀ = 3??R

べき級数 Σk=1∞ 2ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1) は、x₀ = 3 を中心とする区間で収束します。その区間の左端 x を求めてください。

Σ 2ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1)x₀ = 3
x =
12.数列と級数むずかしい

級数を見抜いて、その和を求めましょう:S = Σk=0∞ 0.5ᵏ/k!。

ak = 0.5ᵏ/k!
S =
13.ラプラス変換ふつう
ReIm−2−4−6−8−102

F(s) = (s + 10)/(s² + 8s + 25) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.25) を計算せよ。

F(s) = (s + 10)/(s² + 8s + 25)t = 0.25 s
f(0.25) =
14.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ある系が y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t) に従い、y(0) = 5、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 2 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.3) を求めよ。

y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.3 s
y(0.3) =
15.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t1h(t)t1

入力 x(t) = 1·e−5tu(t) が、h(t) = e−4tu(t) のシステムに加えられます。t = 0.25 s での出力 y(0.25) を求めなさい。

x(t) = 1·e−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 0.25 s
y(0.25) =
16.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)1242−2

方形波が周期 T = 2 ms で +2 と −2 の間を切り替わります(各レベルに周期の半分ずつとどまります)。1500 Hz のフーリエ成分の振幅 c3 を求めなさい。

±2T = 2 msf = 1500 Hz
c3 =

3溶液

1.微分方程式

答え: t = 2.841 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(-27/-6)/17 = 0.08848 min⁻¹

目標温度に達するまでの時間

t = ln(-27/(−21))/0.08848 = 2.841 min

答え

t = 2.841 min
2.微分方程式

答え: y(2) = 8.333

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∫1/x dx = x1

積分する

(x1y)′ = 5x2 → x1y = 5x3/3 + C

初期条件

5 = 5/3 + C → C = 3.333

計算する

y(2) = (5·23/3 + 3.333)/21 = 8.333

答え

y(2) = 8.333
3.行列と行列式

答え: det A = 68

行列:2×2 行列の行列式は ad − bc です。3×3 では 1 つの行に沿って展開します:各成分に、その行と列を除いた 2×2 行列の行列式を掛け、符号は + − + と交互にします。固有値 λ は det(A − λI) = 0 を満たし、2×2 では λ² −(トレース)·λ + det = 0 です。

第 1 行の 2×2 小行列式

M₁₁ = −7, M₁₂ = −10, M₁₃ = −5

余因子展開

det A = (−4)·(−7) − 3·(−10) + (−2)·(−5) = 68

答え

det A = 68
4.行列と行列式

答え: λ = 4

行列:2×2 行列の行列式は ad − bc です。3×3 では 1 つの行に沿って展開します:各成分に、その行と列を除いた 2×2 行列の行列式を掛け、符号は + − + と交互にします。固有値 λ は det(A − λI) = 0 を満たし、2×2 では λ² −(トレース)·λ + det = 0 です。

固有方程式

λ² − (4)λ + (0) = 0

解く

λ = (4 ± √(16))/2 → λ = 0, 4
λ = 4

答え

λ = 4
5.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = 33

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

対応する成分を掛けて足す

a·b = 6·6 + (−5)·(−3) + (−3)·6 = 36 + 15 + (−18) = 33

答え

a·b = 33

正:2 つのベクトルのなす角は 90° より小さい。

6.ベクトル:内積と外積

答え: (a × b)y = 48

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

外積を成分ごとに計算する

(a × b)x = aybz − azby = 6·6 − 6·2 = 24
(a × b)y = azbx − axbz = 6·6 − (−2)·6 = 48
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·2 − 6·6 = −40

求める成分

(a × b)y = 48

答え

(a × b)y = 48

検算:a × b は両方のベクトルに垂直なので、a および b との内積は 0 です。

7.積分

答え: I = 0.9502

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) = e−x/(−1)

上端と下端を代入する

I = (e−3 − 1)/(−1) = (0.04979 − 1)/(−1) = 0.9502

答え

I = 0.9502
8.積分

答え: A = 36

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。

零点

9 − x² = 0 → x = ±3

積分する

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

答え

A = 36
9.多変数の微分積分

答え: |∇f| = 167.9

勾配:∇f = (fx, fy) は最も急に増加する方向を向き、|∇f| は変化率の最大値です。方向 v に沿った方向微分は、単位ベクトル u = v/|v| を用いて Duf = ∇f·u です。点 (a, b) での接平面は z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b) で、その点の近くでの f の線形近似を与えます。連鎖律:dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt。

偏導関数

fx = −4y³ − 9x² − 3y → fx(−1, 3) = −126
fy = −12xy² − 3x → fy(−1, 3) = 111

勾配の長さ

|∇f| = √((−126)² + 111²) = 167.9

答え

|∇f| = 167.9
10.多変数の微分積分

答え: I = 0.4957

臨界点と二重積分:臨界点では fx = fy = 0 です。D = fxxfyy − fxy² を用いた 2 階微分判定法:D > 0 かつ fxx > 0 なら極小、D > 0 かつ fxx < 0 なら極大、D < 0 なら鞍点、D = 0 なら何も決まりません。一般の領域上の二重積分では、内側の積分の限界を領域を囲む曲線にします。円板や扇形では極座標 x = r cos θ、y = r sin θ、dA = r dr dθ を使います(係数 r を忘れないでください)。

領域

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1.2

順序の入れ替え

I = ∫01.2 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫01.2 x·cos(x²) dx

置換 u = x²

I = [sin(x²)/2]01.2 = 0.4957

答え

I = 0.4957
11.数列と級数

答え: x = 2.5

収束:項が 0 に近づかなければ、級数は発散します(第 n 項判定法)。Σ1/kᵖ が収束するのは p > 1 のときだけで、Σrᵏ が収束するのは |r| < 1 のときだけです。k が大きいときに項がこれらと同じようにふるまうなら、級数をこれらと比較します。比判定法:L = lim |ak+1/ak|、根判定法:L = lim |ak|1/k。L < 1 なら収束、L > 1 なら発散、L = 1 なら何も決まりません。べき級数 Σck(x − x₀)ᵏ は |x − x₀| < R で収束し、R = lim |ck/ck+1| です。項が 0 に減少していく交代級数は収束します。

係数

ck/ck+1 = (1/2)·(k + 2)/(k + 1) → 0.5

半径

R = 0.5

区間

2.5 < x < 3.5
x = 2.5

答え

x = 2.5

比判定法は 2 つの端点については何も教えてくれません。別に調べる必要があります。

12.数列と級数

答え: S = 1.649

テイラー多項式:x = a の近くで、滑らかな関数は Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! で近似されます。a = 0 のときがマクローリン多項式です。標準的な級数:eˣ = Σxᵏ/k!、sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …、cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …、ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …、1/(1 − x) = Σxᵏ。ラグランジュの誤差評価:|f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!。ここで M は a と x の間での |f⁽ⁿ⁺¹⁾| の最大値です。

標準的な級数

Σ xᵏ/k! = eˣ

代入する

x = 0.5
S = e0.5 = 1.649

答え

S = 1.649
13.ラプラス変換

答え: f(0.25) = 0.7707

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

平方完成する

s² + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

分子を合わせる

F(s) = 1·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (6/3)·3/((s + 4)² + 3²)

逆変換

f(t) = e−4t·(cos 3t + 2·sin 3t)
f(0.25) = e−4·0.25·(cos(3·0.25) + 2·sin(3·0.25)) = 0.7707

答え

f(0.25) = 0.7707
14.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 4.573

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

方程式を変換する

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 96/s
Y(s) = (5s² + 50s + 96)/(s(s + 4)(s + 6))

部分分数展開

A = 96/(4·6) = 4
B = −24/((−4)·2) = 3
C = −24/((−6)·(−2)) = −2

結果

y(t) = 4 + 3·e−4t − 2·e−6t
y(0.3) = 4.573

答え

y(0.3) = 4.573

検算:y(0) = A + B + C = 5。

15.たたみ込みと LTI システム

答え: y(0.25) = 0.08137

連続たたみ込み:y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ。h を反転し、位置 t までずらし、重なる部分の積を積分します。因果的な信号では、積分は 0 から t までです。役に立つ結果:y の面積は x の面積と h の面積の積です。x が t₁ から t₂ まで、h が t₃ から t₄ まで続くなら、y は t₁ + t₃ から t₂ + t₄ まで続きます。h(t) = e−atu(t) と高さ A のステップ入力では、y(t) = (A/a)(1 − e−at) です。

たたみ込み積分

y(t) = 1e−4t∫₀ᵗ e−(5 − 4)τ dτ = 1(e−4t − e−5t)/(1)

計算する

y(0.25) = 1·(0.3679 − 0.2865)/(1) = 0.08137

答え

y(0.25) = 0.08137
16.たたみ込みと LTI システム

答え: c3 = 0.8488

インパルス応答とフーリエ級数:インパルス応答 h(t) は LTI システムを完全に表します:y′ + a·y = b·x では h(t) = b·e−atu(t)、y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] では h[n] = b·aⁿu[n] です。正弦波 cos ωt は、ゲイン |H(jω)| と位相 ∠H(jω) をもって通過します(H は h のフーリエ変換)。周期信号は k/T の高調波の和です:±A の方形波は奇数次の高調波だけをもち、振幅は 4A/(kπ)、ピーク A の三角波は 8A/(π²k²)、高さ A でデューティ比 D のパルス列は平均値 A·D と高調波 (2A/(kπ))·|sin(kπD)| をもちます。

高調波次数

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 1500/500 = 3

振幅

c3 = 4·2/(3π) = 0.8488

答え

c3 = 0.8488

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