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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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→∞ (−6x3 − 5x − 4)/(4x3 + x + 3) を求めなさい。

f(x) = (−6x3 − 5x − 4)/(4x3 + x + 3)x → ∞
L =
2.極限むずかしい
xyx = 0

極限 L = limx→0 (e3x − 1 − 3x)/x² を求めなさい。

f(x) = (e3x − 1 − 3x)/x²x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 2

f(x) = x3·ex とします。f′(2) を求めなさい。

f(x) = x3·exx = 2
f′(2) =
4.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 5 とします。極小点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 5
x =
5.積分ふつう
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx を計算しなさい。

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
6.積分むずかしい
xyy = x2​y = 2x

y = x2 と y = 2x で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = x2y = 2x
A =
7.複素数ふつう
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

z₁ = 5∠70°、z₂ = 0.5∠−95° のとき、w = z₁/z₂ の実部を求めてください。

z₁ = 5∠70°z₂ = 0.5∠−95°
Re(w) =
8.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

点 A–D のうち、ちょうど 1 つが z³ = 27∠180° の解です。それをクリックしてください。

w = 27∠180°n = 3
  1. 1A (3∠0°)
  2. 2B (3∠−120°)
  3. 3C (3∠180°)
  4. 4D (1.5∠180°)
9.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)27Ta​24 °C

4 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 27 °C の部屋に出します。 27 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。 定数 k を min⁻¹ で求めなさい。

T0 = 4 °CTa = 27 °CT(27) = 24 °C
k = min⁻¹
10.微分方程式むずかしい
tyy(0) = 10y(0.5) = ?

y(0) = 10、y′(0) = 0(静止状態から放す)として y″ + y′ + 16.25y = 0 を解きなさい。y(0.5) を求めなさい。角度はラジアンとします。

y″ + y′ + 16.25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.5) =
11.行列と行列式ふつう
A =254−11−5341

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [2 5 4; −1 1 −5; 3 4 1]
det A =
12.行列と行列式むずかしい
A =3−553b =4−9

連立方程式 3x − 5y = 4、5x + 3y = −9 を解きなさい。x を求めなさい。

3x − 5y = 45x + 3y = −9
x =
13.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

a = (−4, 3, −1) と b = (2, 2, −1) の内積 a·b を求めよ。

a = (−4, 3, −1)b = (2, 2, −1)
a·b =
14.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzab

単位ベクトル n̂ は、a = (2, −2, −2) と b = (1, 3, 2) の両方に垂直で、z 成分が正である。その y 成分 n̂y を求めよ。

a = (2, −2, −2)b = (1, 3, 2)n̂z > 0
n̂y =
15.確率ふつう
赤: 7青: 9

袋に赤玉 7 個と青玉 9 個が入っています。1 個目を戻さずに 2 個取り出します。2 個とも赤である確率 P はいくつですか?

7 / 9
P =
16.確率むずかしい
n = 11, p = 0.3: P(X ≤ 1) = ?k01234567891011

部品を 11 個試験し、各部品は独立に確率 0.3 で故障します。故障が多くとも 1 個である確率 P はいくつですか?

n = 11p = 0.3
P =
17.記述統計ふつう
152025303540455055

データの標本標準偏差 s を求めなさい:38, 55, 14, 28, 15。

n = 5
s =
18.記述統計むずかしい
z −2−1012

試験の点数は平均 50、標準偏差 12 の正規分布に従います。68 点の z スコア z を求めなさい。

μ = 50σ = 12x = 68
z =
19.正規分布ふつう
−3−2−10123zz の右側の色つき面積 = 0.0281

標準正規曲線の下で、z の右側の色つき面積が 0.0281 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 = 0.0281
z =
20.正規分布むずかしい
380420460500540580620h下端 5%

電池の寿命 は、平均 500 h、標準偏差 40 h の正規分布に従います。色つきの下位 5% が左側になるように、しきい値をドラッグします。しきい値 x を求めなさい。

μ = 500 hσ = 40 h5%
x = h

3溶液

1.極限

答え: L = −1.5

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)。

最高次の累乗で割る

(−6 + (−5)/x2 + (−4)/x3)/(4 + 1/x2 + 3/x3)

x → ∞ とする

L = −6/4 = −1.5

答え

L = −1.5

次数が等しければ、極限は最高次の係数の比になります。

2.極限

答え: L = 4.5

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)。

1 回目の適用

(3·e3x − 3)/(2x) → 0/0

2 回目の適用

9·e3x/2

x = 0 を代入する

L = 9·1/2 = 4.5

答え

L = 4.5
3.微分

答え: f′(2) = 147.8

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

f′(x) = u′v + uv′ = ex·(3x2 + 1·x3)

代入する

f′(2) = 7.389·(12 + 8) = 147.8

答え

f′(2) = 147.8
4.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 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)

f′(x) = 0 を解く

x = −4 または x = −2

どちらがどちらか

f″(x) = 6x + 18:極大では負、極小では正。

f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −2

答え

x = −2
5.積分

答え: I = 12

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 = ∫15 u1 du

積分して代入する

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

答え

I = 12
6.積分

答え: A = 1.333

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

x2 = 2x → x = 0, x = 2

上から下を引いて積分する

A = [x2 − 0.3333x3]02 = 1.333

答え

A = 1.333
7.複素数

答え: Re(w) = −9.659

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。

w の絶対値と偏角

|w| = 5 / 0.5 = 10
θ = 70° − (−95)° = 165°

直交形式

Re(w) = 10·cos(165°) = −9.659
Im(w) = 10·sin(165°) = 2.588
Re(w) = −9.659

答え

Re(w) = −9.659
8.複素数

答え: C (3∠180°)

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。

解の絶対値と偏角

|z| = 3
θ = 60°, 180°, −60°

その点

C = 3∠180°

答え

C (3∠180°)
9.微分方程式

答え: k = 0.07544 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−27k = -3/-23

k について解く

k = ln(-23/-3)/27 = 0.07544 min⁻¹

答え

k = 0.07544 min⁻¹
10.微分方程式

答え: y(0.5) = −2.356

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 ± 4j

定数

A = 10, B = 0.5·10/4 = 1.25

計算する

y(0.5) = e−0.25(10·cos 2 + 1.25·sin 2) = −2.356

答え

y(0.5) = −2.356
11.行列と行列式

答え: det A = −56

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 = 21, M₁₂ = 14, M₁₃ = −7

余因子展開

det A = 2·21 − 5·14 + 4·(−7) = −56

答え

det A = −56
12.行列と行列式

答え: x = −0.9706

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。

係数行列の行列式

det A = 3·3 − (−5)·5 = 34

x の列を置き換える

det Aₓ = 4·3 − (−5)·(−9) = −33
x = −33/34 = −0.9706

答え

x = −0.9706
y = −1.382
13.ベクトル:内積と外積

答え: a·b = −1

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 = (−4)·2 + 3·2 + (−1)·(−1) = (−8) + 6 + 1 = −1

答え

a·b = −1

負:2 つのベクトルのなす角は 90° より大きい。

14.ベクトル:内積と外積

答え: n̂y = −0.5883

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

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·2 − (−2)·3 = 2
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·1 − 2·2 = −6
(a × b)z = axby − aybx = 2·3 − (−2)·1 = 8

正規化する

a × b の z 成分はすでに正です。

|a × b| = √(2² + (−6)² + 8²) = 10.2
n̂ = (2, −6, 8)/10.2 = (0.1961, −0.5883, 0.7845)
n̂y = −0.5883

答え

n̂y = −0.5883
15.確率

答え: P = 0.175

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。

1 回目と 2 回目

P = 7/16 · 6/15 = 42/240 = 0.175

答え

P = 0.175
16.確率

答え: P = 0.113

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。

故障 0 個と 1 個

P(X = 0) = 0.711 = 0.01977
P(X = 1) = 11·0.3·0.710 = 0.09322

足し合わせる

P = 0.01977 + 0.09322 = 0.113

答え

P = 0.113
17.記述統計

答え: s = 17.13

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 = 150/5 = 30

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = 8² + 25² + (−16)² + (−2)² + (−15)² = 1174

標準偏差

s = √(1174/4) = 17.13

答え

s = 17.13
18.記述統計

答え: z = 1.5

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 = (68 − 50)/12 = 1.5

答え

z = 1.5
19.正規分布

答え: z = 1.91

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 − 0.0281 = 0.9719

z 表を逆に読む

表の中で 0.9719 を見つけ、z を読み取ります。

z = 1.91

答え

z = 1.91
20.正規分布

答え: x = 434 h

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。

左側の面積

Φ(z) = 0.05

表からの z

z ≈ −1.64

元の単位に戻す

x = 500 − 1.64·40 = 434 h

答え

x = 434 h

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics