数値計算法：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

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: x_n+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 + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
シンプソンの公式（n は偶数）: S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
台形公式の誤差評価: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
オイラー: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
ホイン法: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

解き方

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。
表の値では：隣り合う 2 点の間で線形補間しましょう。
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。
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。

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 |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
収束半径: R = lim |c_k/c_k+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

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。
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。
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。
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。

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 = Σ_k A_ikB_kj
固有値: det(A − λI) = 0
クラメルの公式: x_i = det(A_i)/det(A)

微分方程式

指数関数的な増加・減少: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
半減期: k = ln 2 / t_½
ニュートンの冷却法則: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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

2演習問題

1.数値計算法ふつう

車両の速さが 10 秒ごとに測定されています（表）。台形公式を使って、t = 0 から t = 60 秒までに進んだ距離 s を推定してください。

h = 10 sn = 6

s = m

2.数値計算法むずかしい

オイラー法を h = 0.2 で y′ = t + y、y(0) = −1 に使い、y₃ ≈ y(0.6) を推定してください。

y′ = t + yy(0) = −1h = 0.2

y₃ =

3.数列と級数ふつう

4 つの級数のうち、ちょうど 1 つが発散します。それをクリックしてください。

A: Σ 3/k²B: Σ 1/(k(k + 1))C: Σ 1/kD: Σ k³/5ᵏ

1A: Σ 3/k²
2B: Σ 1/(k(k + 1))
3C: Σ 1/k
4D: Σ k³/5ᵏ

4.数列と級数むずかしい

f(x) = sin x の 3 次のマクローリン多項式を使って、f(1.5) を近似してください。P₃(1.5) を答えてください。

f(x) = sin xn = 3x = 1.5

P₃(1.5) =

5.行列と行列式ふつう

示された 3×3 行列 A の行列式 det A を求めなさい。

A = [1 1 −1; −1 −4 1; −5 0 4]

det A =

6.行列と行列式むずかしい

示された行列 A の大きい方の固有値 λ を求めなさい。

A = [0 −4; 5 9]

λ =

7.微分方程式ふつう

4 °C の缶ジュースを冷蔵庫から 28 °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 = 0.08 min⁻¹ として、28 分後の温度 T を求めなさい。

T₀ = 4 °CT_a = 28 °Ck = 0.08 min⁻¹t = 28 min

T = °C

8.微分方程式むずかしい

x > 0 で初期値問題 y′ + 3y/x = 2x、y(1) = 2 を解きなさい。y(2) を求めなさい。

y′ + 3y/x = 2xy(1) = 2

y(2) =

3溶液

1.数値計算法

答え: s = 835 m

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 + … + 2f_n−1 + fₙ]。シンプソンの公式（n は偶数）：S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−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。

重みつき和

4 + 2·6 + 2·10 + 2·13 + 2·18 + 2·21 + 27 = 167

台形公式

s = (10/2)·167 = 835 m

答え

s = 835 m

2.数値計算法

答え: y₃ = −1.6

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：y_n+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)、y_n+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：y_n+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。

オイラー法のステップ

y₁ = −1 + 0.2·(−1) = −1.2

y₂ = −1.2 + 0.2·(−1) = −1.4

y₃ = −1.4 + 0.2·(−1) = −1.6

グラフ

y₃ = −1.6

答え

y₃ = −1.6

厳密な値は y(0.6) = −1.6 です。

3.数列と級数

答え: C: Σ 1/k

各級数を判定する

A: Σ 3/k² → p = 2 > 1 の p 級数：収束します。

B: Σ 1/(k(k + 1)) → 1/k² より小さい：比較により収束します。

C: Σ 1/k → 調和級数（p = 1）の定数倍：発散します。

D: Σ k³/5ᵏ → 比判定法：L = 1/5 < 1 なので収束します。

答え

C: Σ 1/k

答え

C: Σ 1/k

4.数列と級数

答え: P₃(1.5) = 0.9375

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。

マクローリン多項式

P₃(x) = x − 0.1667x³

代入する

P₃(1.5) = 1.5 − 0.5625 = 0.9375

答え

P₃(1.5) = 0.9375

厳密な値は f(1.5) = 0.997495 です。項を増やすか、0 に近い点を取ると、誤差 0.059995 は小さくなります。

5.行列と行列式

答え: det A = 3

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 = −16, M₁₂ = 1, M₁₃ = −20

余因子展開

det A = 1·(−16) − 1·1 + (−1)·(−20) = 3

答え

det A = 3

6.行列と行列式

答え: λ = 5

固有方程式

λ² − (9)λ + (20) = 0

解く

λ = (9 ± √(1))/2 → λ = 4, 5

λ = 5

答え

λ = 5

7.微分方程式

答え: T = 25.44 °C

1 階微分方程式：dy/dt = k·y の解は y = y₀·e^kt 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) = 28 + (−24)·e^−0.08t

t を代入する

T(28) = 28 + (−24)·0.1065 = 25.44 °C

答え

T = 25.44 °C

8.微分方程式

答え: y(2) = 1.8

積分因子

μ = e^{∫3/x dx} = x³

積分する

(x³y)′ = 2x⁴ → x³y = 2x⁵/5 + C

初期条件

2 = 2/5 + C → C = 1.6

計算する

y(2) = (2·2⁵/5 + 1.6)/2³ = 1.8

答え

y(2) = 1.8

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