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→∞ (√(4x2 − 4x) − 2x) を求めなさい。

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

極限 L = limx→0 (e0.5x − 1 − 0.5x)/x² を求めなさい。

f(x) = (e0.5x − 1 − 0.5x)/x²x → 0
L =
3.微分ふつう
xyx = 1

f(x) = ln(2x2 + 2) とします。f′(1) を求めなさい。

f(x) = ln(2x2 + 2)x = 1
f′(1) =
4.微分むずかしい
xy

f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 6 とします。極大点の x 座標 x を求めなさい。

f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 6
x =
5.積分ふつう
xy01

I = ∫01 ex dx を計算しなさい。

f(x) = ex[0, 1]
I =
6.積分むずかしい
xy−11

放物線 y = 1 − x² と x 軸で囲まれた部分の面積 A を求めなさい。

y = 1 − x²
A =
7.複素数ふつう
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

z₁ = 5∠−60°、z₂ = 2∠−25° のとき、w = z₁·z₂ の偏角 θ を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

z₁ = 5∠−60°z₂ = 2∠−25°
θ = °
8.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄

n = 5、w = 243∠135° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, …, 4 です。z₃ の偏角を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

w = 243∠135°n = 5k = 3
θ₃ = °
9.微分方程式ふつう
t (min)T (°C)12Ta​T = ?

6 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 29 °C の部屋に出します。 温度はニュートンの冷却法則 dT/dt = −k·(T − Tₐ) に従います。 k = 0.09 min⁻¹ として、12 分後の温度 T を求めなさい。

T0 = 6 °CTa = 29 °Ck = 0.09 min⁻¹t = 12 min
T = °C
10.微分方程式むずかしい
xy13(1, −1)y(3) = ?

x > 0 で初期値問題 y′ + 3y/x = x2、y(1) = −1 を解きなさい。y(3) を求めなさい。

y′ + 3y/x = x2y(1) = −1
y(3) =
11.行列と行列式ふつう
A =−401−322−41−1

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [−4 0 1; −3 2 2; −4 1 −1]
det A =
12.行列と行列式むずかしい
A =−552−3b =−126

連立方程式 −5x + 5y = −12、2x − 3y = 6 を解きなさい。x を求めなさい。

−5x + 5y = −122x − 3y = 6
x =
13.ベクトル:内積と外積ふつう
xyzab

ベクトル a = (−3, 0, 1) と b = (k, −2, 3) が垂直になるような k の値を求めよ。

a = (−3, 0, 1)b = (k, −2, 3)
k =
14.ベクトル:内積と外積むずかしい
xyzabc

1 つの頂点から出る辺が a = (0, −2, −5)、b = (5, −5, −5)、c = (−1, 4, −3) である平行六面体の体積 V を求めよ。

a = (0, −2, −5)b = (5, −5, −5)c = (−1, 4, −3)
V =
15.確率ふつう
n = 11k = 5N = ?

11 人のグループから 5 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 = 11k = 5
N =
16.確率むずかしい
€p(x)−50.68150.3950.02

ゲームの参加費は €5 です。確率 0.3 で €20、確率 0.02 で €100 を獲得し、それ以外では何も獲得しません。賭け金は戻りません。1 ゲームあたりの純利得の期待値 E(G) を求めなさい。

賭け金 = €5€20: p = 0.3€100: p = 0.02
E(G) = €
17.記述統計ふつう
1015202530354045505560

データの標本標準偏差 s を求めなさい:10, 23, 29, 59, 60, 10。

n = 6
s =
18.記述統計むずかしい
z −2−1012

ある量は平均 70、標準偏差 20 の正規分布に従います。60 より小さい値の割合 P はいくつですか?

μ = 70σ = 20x = 60
P =
19.正規分布ふつう
95.5112.75P = ?

IQ スコアは、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。95.5 から 112.75 点 の間にある割合はいくらですか?P を小数で答えなさい。

μ = 100σ = 15x1 = 95.5x2 = 112.75
P =
20.正規分布むずかしい
μ = 100x = ?97.5%

IQ スコアは、平均 100 点、標準偏差 15 点 の正規分布に従います。全体の 97.5% がそれより下にある値 x(第 97.5 パーセンタイル)を求めなさい。

μ = 100σ = 15P = 97.5%
x = 点

3溶液

1.極限

答え: L = −1

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) = −4x/(√(4x2 − 4x) + 2x)

x で割る

f(x) = −4/(√(4 + (−4)/x) + 2)

x → ∞ とする

L = −4/(2 + 2) = −1

答え

L = −1
2.極限

答え: L = 0.125

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

(0.5·e0.5x − 0.5)/(2x) → 0/0

2 回目の適用

0.25·e0.5x/2

x = 0 を代入する

L = 0.25·1/2 = 0.125

答え

L = 0.125
3.微分

答え: f′(1) = 1

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。

対数の連鎖律

f′(x) = 4x/(2x2 + 2)

代入する

f′(1) = 4/4 = 1

答え

f′(1) = 1
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)

f′(x) = 0 を解く

x = 3 または x = 7

どちらがどちらか

f″(x) = 6x − 30:極大では負、極小では正。

f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3

答え

x = 3
5.積分

答え: I = 1.718

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) = ex/1

上端と下端を代入する

I = (e1 − 1)/1 = (2.718 − 1)/1 = 1.718

答え

I = 1.718
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。

零点

1 − x² = 0 → x = ±1

積分する

A = [1x − x³/3]−11 = 0.6667 − (−0.6667) = 1.333

答え

A = 1.333
7.複素数

答え: θ = −85 °

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 · 2 = 10
θ = −60° + (−25)° = −85°

偏角

θ = −85°

答え

θ = −85°
8.複素数

答え: θ₃ = −117 °

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

2431/5 = 3

解の偏角

θ₃ = (135° + 360°·3)/5 = 243° → −117°

偏角

θ₃ = −117°

答え

θ₃ = −117°

5 個の解は、半径 3 の円周上に 72° ずつ離れて並びます。

9.微分方程式

答え: T = 21.19 °C

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。

冷却法則の解

T(t) = 29 + (−23)·e−0.09t

t を代入する

T(12) = 29 + (−23)·0.3396 = 21.19 °C

答え

T = 21.19 °C
10.微分方程式

答え: y(3) = 4.457

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∫3/x dx = x3

積分する

(x3y)′ = x5 → x3y = 1x6/6 + C

初期条件

−1 = 1/6 + C → C = −1.167

計算する

y(3) = (1·36/6 + (−1.167))/33 = 4.457

答え

y(3) = 4.457
11.行列と行列式

答え: det A = 21

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 = −4, M₁₂ = 11, M₁₃ = 5

余因子展開

det A = (−4)·(−4) − 0·11 + 1·5 = 21

答え

det A = 21
12.行列と行列式

答え: x = 1.2

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 = (−5)·(−3) − 5·2 = 5

x の列を置き換える

det Aₓ = (−12)·(−3) − 5·6 = 6
x = 6/5 = 1.2

答え

x = 1.2
y = −1.2
13.ベクトル:内積と外積

答え: k = 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.

内積 = 0

a·b = (−3)·k + 0·(−2) + 1·3 = 0
3 + (−3)·k = 0

k について解く

k = −3/(−3) = 1

答え

k = 1
14.ベクトル:内積と外積

答え: V = 115

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−5)·(−3) − (−5)·4 = 35
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·(−1) − 5·(−3) = 20
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·4 − (−5)·(−1) = 15

a との内積

a·(b × c) = 0·35 + (−2)·20 + (−5)·15 = −115
V = |−115| = 115

答え

V = 115
15.確率

答え: N = 462

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(11, 5) = (11·10·9·8·7)/(5·4·3·2·1) = 462

答え

N = 462
16.確率

答え: E(G) = 3 €

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。

純利得の結果

G: 15 (p = 0.3), 95 (p = 0.02), −5 (p = 0.68)

期待値

E(G) = 15·0.3 + 95·0.02 − 5·0.68 = 3 €

答え

E(G) = 3 €

正の値は、平均して得をすることを意味します。

17.記述統計

答え: s = 22.68

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 = 191/6 = 31.83

偏差の 2 乗

Σ(x − x̄)² = (−21.83)² + (−8.833)² + (−2.833)² + 27.17² + 28.17² + (−21.83)² = 2571

標準偏差

s = √(2571/5) = 22.68

答え

s = 22.68
18.記述統計

答え: P = 0.3085

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 = −0.5

標準正規分布表

Φ(−0.5) = 0.3085
P = 0.3085

答え

P = 0.3085
19.正規分布

答え: P = 0.4202

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。

z スコア

z₁ = (95.5 − 100)/15 = −0.3
z₂ = (112.75 − 100)/15 = 0.85

間の面積

P = Φ(0.85) − Φ(−0.3) = 0.8023 − 0.3821 = 0.4202

答え

P = 0.4202
20.正規分布

答え: x = 129.4 点

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) = 0.975 → z = 1.96

x に戻す

x = 100 + 1.96·15 = 129.4 点

答え

x = 129.4 点

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics