工業数学:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、20 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

極限

直接代入
まず x = a を代入する。0/0 なら式を簡単にする
因数分解して約分
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
共役な式
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
無限大での極限
x の最高次の累乗で割る。次数が等しければ最高次の係数の比になる
特別な極限
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
ロピタルの定理
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

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。

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。

複素数

直交形式
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
絶対値と偏角
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
極形式と指数形式
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
割り算
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
積と商
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
ド・モアブル
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n 乗根
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q の 2 次方程式
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

解き方

  1. 演算に合った形を選びましょう:足し算と引き算には直交形式 a + jb、掛け算・割り算・冪・累乗根には極形式 r∠θ です。
  2. 展開するときは j² = −1 を使います。割り算は、分子と分母に分母の共役複素数を掛けて行います。
  3. 変換には r = √(a² + b²) と、点の図(象限を確認)から求めた θ を使い、戻すには a = r cos θ、b = r sin θ を使います。
  4. 冪にはド・モアブルの定理 (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ を使います。zⁿ = R∠φ では、n 個の解 R1/n∠((φ + 360°k)/n) をすべて挙げます。

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。

確率

余事象
P(not A) = 1 − P(A)
加法定理
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
独立な事象
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
条件付き確率
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
二項分布
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

記述統計

平均
x̄ = Σx/n
標本標準偏差
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
中央値
並べ替えたデータの真ん中の値
z スコア
z = (x − μ)/σ
正規分布
±1σ 以内に 68%、±2σ 以内に 95%

正規分布

z スコア
z = (x − μ)/σ
x 未満
P(X < x) = Φ(z)
x より大きい
P(X > x) = 1 − Φ(z)
2 つの値の間
Φ(z2) − Φ(z1)
パーセンタイル
x = μ + z·σ

解き方

  1. 値を z スコアに変換します:z = (x − μ)/σ。
  2. z より左側の面積 Φ(z) を表で調べます。
  3. 右側の面積は 1 − Φ(z)、区間の面積は 2 つの左側の面積の差です。
  4. パーセンタイルでは逆にたどります:面積から z を求め、x = μ + z·σ とします。

2演習問題

1.極限ふつう
xyy = L

極限 L = limx→∞ (√(4x2 − 5x) − 2x) を求めなさい。

f(x) = √(4x2 − 5x) − 2xx → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 ln(1 + 4x)/sin(3x) を求めなさい。x の単位はラジアンとします。

f(x) = ln(1 + 4x)/sin(3x)x → 0
L =
3.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) =
4.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 + 4.5x2 + 6 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 + 4.5x2 + 6
x =
5.積分ふつう
xy01

I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
6.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 =
7.複素数ふつう
ReIm55−5−5θz

z = −8 + j4 の偏角 θ を、−180° から 180° の間の主値として、度で求めてください。

z = −8 + j4
θ = °
8.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

z² + 4z + 13 = 0 を解いてください。解は a ± jb です。b > 0 を求めてください。

p = 4q = 13
b =
9.微分方程式ふつう
tyy(0) = 2y(0.5) = ?

y(0) = 2、y′(0) = 2 として y″ + 8y′ + 15y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(0.5) =
10.微分方程式むずかしい
t (min)m (kg)55 minm = ?

タンクに純水が 200 L 入っています。 1 L あたり 0.05 kg の塩を含む塩水が 4 L/min で流入し、よく混ざった溶液が同じ流量で流出します。 55 分後にタンク内にある塩の量 m を求めなさい。

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0.05 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
11.行列と行列式ふつう
A =−15−2−6B =5625

示された行列について C = AB とします。成分 c12(第 1 行、第 2 列)を求めなさい。

A = [−1 5; −2 −6]B = [5 6; 2 5]
c12 =
12.行列と行列式むずかしい
A =−11−22

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [−1 1; −2 2]
λ =
13.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzdFAB

一定の力 F = (−30, −30, 30) N が、点 A(−3, −1, 1) から点 B(4, −5, −1) まで直線上を動く物体に作用している。座標の単位はメートルである。この力がする仕事 W を求めよ。

F = (−30, −30, 30) NA(−3, −1, 1) mB(4, −5, −1) m
W = J
14.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

a = (−4, −5, −5)、b = (−6, 0, 4) のとき、外積 a × b の y 成分 (a × b)y を求めよ。

a = (−4, −5, −5)b = (−6, 0, 4)
(a × b)y =
15.確率ふつう
n = 12k = 4N = ?

12 人のグループから 4 人の委員会を選ぶ方法 N は何通りですか?順序は問いません。

n = 12k = 4
N =
16.確率むずかしい
xp(x)00.2510.220.0530.340.2μ

X は示された分布をもち、Y = 5X + 4 です。Y の標準偏差 σY を求めなさい。

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0.25, 0.2, 0.05, 0.3, 0.2Y = 5X + 4
σY =
17.記述統計ふつう
25303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:22, 42, 29, 57, 36, 37, 59。

n = 7
s =
18.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 50、標準偏差 5 の正規分布に従います。40 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 50σ = 5x = 40
P =
19.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.9808

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.9808 になるように z をドラッグします。z を小数第 2 位まで求めなさい。

A = 0.9808
z =
20.正規分布むずかしい
μ = 178x = ?99%

成人男性の身長は、平均 178 cm、標準偏差 7 cm の正規分布に従います。全体の 99% がそれより下にある値 x(第 99 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 178σ = 7P = 99%
x = cm

3溶液

1.極限

答え: L = −1.25

極限:まず直接代入してみます。0/0 になる場合は、先に式を簡単にします:因数分解して共通因数を約分するか、共役な式を掛けます。x → ∞ では、分子と分母を x の最高次の累乗で割ります。ロピタルの定理:f/g が 0/0 または ∞/∞ になるなら、lim f/g = lim f′/g′ です。分子と分母を別々に微分します(商の微分法は使いません)。

共役な式を掛ける

f(x) = −5x/(√(4x2 − 5x) + 2x)

x で割る

f(x) = −5/(√(4 + (−5)/x) + 2)

x → ∞ とする

L = −5/(2 + 2) = −1.25

答え

L = −1.25
2.極限

答え: L = 1.333

極限:まず直接代入してみます。0/0 になる場合は、先に式を簡単にします:因数分解して共通因数を約分するか、共役な式を掛けます。x → ∞ では、分子と分母を x の最高次の累乗で割ります。ロピタルの定理:f/g が 0/0 または ∞/∞ になるなら、lim f/g = lim f′/g′ です。分子と分母を別々に微分します(商の微分法は使いません)。

ロピタルの定理

L = limx→0 [4/(1 + 4x)]/[3·cos 3x]

x = 0 を代入する

L = 4/3 = 1.333

答え

L = 1.333
3.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
4.微分

答え: x = −3

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 + 9x = 3·(x2 + 3x)

f′(x) = 0 を解く

x = −3 または x = 0

どちらがどちらか

f″(x) = 6x + 9:極大では負、極小では正。

f″(−3) = −9, f″(0) = 9
x = −3

答え

x = −3
5.積分

答え: I = 3.75

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 = ∫12 u3 du

積分して代入する

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3.75

答え

I = 3.75
6.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
7.複素数

答え: θ = 153.4 °

極形式:z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ、r = |z|、θ = arg z です。直交形式に戻すには:a = r cos θ、b = r sin θ。偏角には象限の考慮が必要です:θ = atan(b/a) が使えるのは a > 0 のときだけで、a < 0 のときは 180° を足すか引きます。極形式では掛け算が簡単です:絶対値を掛けて偏角を足します。割り算では絶対値を割って偏角を引きます。

象限

a = −8, b = 4 → II

基準角

α = atan(4/8) = 26.57°

偏角

θ = 180° − α = 153.4°

答え

θ = 153.4°

極形式では z = 8.944∠153.4° です。

8.複素数

答え: b = 3

ド・モアブルの定理と累乗根:(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ。方程式 zⁿ = R∠φ にはちょうど n 個の解があり、すべて絶対値は R1/n で、偏角は (φ + 360°·k)/n(k = 0, 1, …, n − 1)です:円周上に 360°/n ずつ等間隔に並びます。p² < 4q のとき、2 次方程式 z² + pz + q = 0 は複素数の解 z = −p/2 ± j√(q − p²/4) をもちます。実数係数の多項式の複素数の解は、必ず共役な対 a ± jb として現れます。

判別式

p² − 4q = 16 − 52 = −36 < 0

2 次方程式の解の公式

z = (−4 ± j√36)/2 = −2 + j3, −2 − j3

答え

b = 3

答え

b = 3
9.微分方程式

答え: y(0.5) = 1.01

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

初期値から求める定数

A + B = 2, −3A − 5B = 2
A = 6, B = −4

計算する

y(0.5) = 6·e−1.5 + (−4)·e−2.5 = 1.01

答え

y(0.5) = 1.01
10.微分方程式

答え: m = 6.671 kg

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。

方程式を立てる

dm/dt = 4·0.05 − (4/200)·m = 0.2 − 0.02·m

解く

積分因子は ert/V で、解は平衡量 c·V に近づきます。

m(t) = 10 + (−10)·e−t/50

t を代入する

m(55) = 10 + (−10)·0.3329 = 6.671 kg

答え

m = 6.671 kg
11.行列と行列式

答え: c12 = 19

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。

行 × 列

c12 = (−1)·6 + 5·5 = 19

答え

c12 = 19
12.行列と行列式

答え: λ = 1

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 − (1)λ + (0) = 0

解く

λ = (1 ± √(1))/2 → λ = 0, 1
λ = 1

答え

λ = 1
13.ベクトル:内積と外積

答え: W = −150 J

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.

変位

d = B − A = (4, −5, −1) − (−3, −1, 1) = (7, −4, −2) m

仕事

W = F·d = (−30)·7 + (−30)·(−4) + 30·(−2) = −150 J

答え

W = −150 J

負の仕事:力はおもに運動に逆らって作用しています。

14.ベクトル:内積と外積

答え: (a × b)y = 46

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 = (−5)·4 − (−5)·0 = −20
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−6) − (−4)·4 = 46
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·0 − (−5)·(−6) = −30

求める成分

(a × b)y = 46

答え

(a × b)y = 46

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。

15.確率

答え: N = 495

確率:どの結果も同様に確からしいとき、P(A) = 該当する場合の数/全体の場合の数。独立な事象は掛け合わせます:P(A かつ B) = P(A)·P(B)。余事象がよく役立ちます:P(少なくとも 1 回) = 1 − P(1 回もない)。二項分布:成功確率 p の独立な試行を n 回行うと、P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ。

組合せ

C(12, 4) = (12·11·10·9)/(4·3·2·1) = 495

答え

N = 495
16.確率

答え: σY = 7.583

離散確率変数:確率分布は、変数がとりうるすべての値 x とその確率 p(x) を並べたものです。確率は 0 と 1 の間にあり、合計は 1 になります。期待値(平均)は E(X) = Σx·p(x) で、長期的な平均です。分散は Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ²、標準偏差は σ = √Var(X) です。一次変換 Y = aX + b では E(Y) = a·E(X) + b、Var(Y) = a²·Var(X)、σY = |a|·σX となり、定数を加えてもばらつきは変わりません。

X のばらつき

μ = 2, Var(X) = 2.3, σX = 1.517

一次変換

σY = |5|·1.517 = 7.583

答え

σY = 7.583

平均は変化します:E(Y) = 5·2 + 4 = 14。

17.記述統計

答え: s = 13.68

記述統計:平均は合計を n で割ったもの、中央値は並べ替えたデータの真ん中の値です(n が偶数なら真ん中 2 つの平均)。標本標準偏差は s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z スコア z = (x − μ)/σ は、値が平均から標準偏差何個分離れているかを表します。

平均

x̄ = 282/7 = 40.29

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−18.29)² + 1.714² + (−11.29)² + 16.71² + (−4.286)² + (−3.286)² + 18.71² = 1123

標準偏差

s = √(1123/6) = 13.68

答え

s = 13.68
18.記述統計

答え: P = 0.02275

記述統計:平均は合計を n で割ったもの、中央値は並べ替えたデータの真ん中の値です(n が偶数なら真ん中 2 つの平均)。標本標準偏差は s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))。z スコア z = (x − μ)/σ は、値が平均から標準偏差何個分離れているかを表します。

標準化する

z = −2

標準正規分布表

Φ(−2) = 0.02275
P = 0.02275

答え

P = 0.02275
19.正規分布

答え: z = −2.07

面積から z へ戻る:Φ(z) は z の左側の面積です。左側の裾の面積 A なら、表で Φ(z) = A となる z を見つけます。右側の裾の面積 A なら Φ(z) = 1 − A です。−z から z の間の中央の面積 A なら、各裾に (1 − A)/2 が残るので、Φ(z) = (1 + A)/2 です。値 x には x = μ + zσ を使います。

z の左側の面積

Φ(z) = 1 − 0.9808 = 0.0192

z 表を逆に読む

表の中で 0.0192 を見つけ、z を読み取ります。

z = −2.07

答え

z = −2.07
20.正規分布

答え: x = 194.3 cm

正規分布:値 x を z スコア z = (x − μ)/σ に変換します。これは平均から標準偏差何個分離れているかを表します。z 表(または Φ(z))は z より左側の面積、つまり P(X < x) を与えます。右側の面積は 1 − Φ(z)、2 つの値の間の面積はそれぞれの左側の面積の差です。

パーセンタイルに対応する z

Φ(z) = 0.99 → z = 2.326

x に戻す

x = 178 + 2.326·7 = 194.28 cm

答え

x = 194.28 cm

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