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ODE の方法選択-出口演習md 5924693
exercise/math/differential-equations/ode-method-selection.exercise.n.md

ODE の方法選択ほうほうせんたく-出口演習でぐちえんしゅう

date2026-07-13document_iddoc_d6858159a760e8ef065f20aa5d543d02description求める成果と方程式の構造からODE・数値・PDEの方法を選び、適用条件と次候補まで説明する出口演習。prerequisitesODE の方法選択と次のトラックtype問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/laplace-transforms-series-and-modeling.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/linearization-and-eigenvalue-stability.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/beyond-euler-runge-kutta-and-implicit-methods.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/physical-models-and-transition-to-pdes.lecture.n.md / data/lecture/math/partial-differential-equations/introduction-to-pdes.lecture.n.md
mathdifferential-equationsmethodsmodelingexercise
data/lecture/math/differential-equations/laplace-transforms-series-and-modeling.lecture.n.md

1こたかた

各問かくもんで、(1) しい成果せいか、(2) 方程式ほうていしき構造こうぞう、(3) 第一候補だいいちこうほ、(4) 適用条件てきようじょうけん、(5) 条件じょうけんはずれたときの次候補つぎこうほこたえる。計算けいさんだけでなく、なぜその方法ほうほうえらぶかを説明せつめいする。


2問題もんだい 1

y'+y=H(t-1)+δ(t-2),y(0)=y(0)=0

因果的応答いんがてきおうとうもとめたい。方法ほうほうえらび、通常入力つうじょうにゅうりょくとデルタ入力にゅうりょく必要ひつようかい意味いみ区別くべつせよ。

2.1解答例かいとうれい

片側時間かたがわじかん定数係数線型初期値問題ていすうけいすうせんけいしょきちもんだい遅延ちえん衝撃しょうげきふくむため、第一候補だいいちこうほはラプラス変換へんかんである。Heaviside 入力にゅうりょくには区分的連続性くぶんてきれんぞくせい指数位数しすういすうを、デルタ入力にゅうりょくには分布ぶんぷとしての解釈かいしゃく使つかう。変換へんかんすると

y(t)=H(t-1)(1-cos(t-1))+H(t-2)sin(t-2)

る。t=1 では y,y連続れんぞくで、t=2 では y連続れんぞくy(2+)-y(2-)=1 である。次候補つぎこうほはインパルス応答おうとうとの因果畳いんがたたみ、または切替時刻きりかえじこくごとの区分解くぶんかい跳躍条件ちょうやくじょうけんである。


3問題もんだい 2

x2y'+xy+(x2-ν2)y=0

について、x=0近傍きんぼうx=1近傍きんぼう局所解きょくしょかい構成こうせいしたい。それぞれの第一候補だいいちこうほえらべ。

3.1解答例かいとうれい

x=0最高階係数さいこうかいけいすうが 0 になるが、正規化後せいきかごxP(x)=1x2Q(x)=x2-ν2解析的かいせきてきなので正則特異点せいそくとくいてんであり、Frobenius ほう第一候補だいいちこうほである。x=1通常点つうじょうてんなのでべき級数法きゅうすうほう使つかう。不規則特異点ふきそくとくいてんなら Frobenius ほう機械的きかいてき使つかわず、漸近法ぜんきんほう数値法すうちほう検討けんとうする。


4問題もんだい 3

x=x,y=-y3,z=-2z

原点げんてんについて、Jacobian の固有値こゆうち1,0,-2 である。0 をふくむことを理由りゆうに「線型化せんけいかでは判定不能はんていふのう」としてよいか。

4.1解答例かいとうれい

しい成果せいか局所安定性きょくしょあんていせいで、第一候補だいいちこうほ線型化せんけいかである。せい実部じつぶをもつ固有値こゆうち 1 があるため、0 の固有値こゆうち併有へいゆうしていても原点げんてん不安定ふあんてい判定はんていできる。「せい実部じつぶがなく、実部じつぶ 0 をふくむ」ときにはじめて非線型項ひせんけいこう追加解析ついかかいせき必要ひつようになる。


5問題もんだい 4

u=-1000(u-cost)-sint,u(0)=0

0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]10数値近似すうちきんじしたい。方程式ほうていしき摂動せつどうe-1000tはや減衰尺度げんすいしゃくどをもち、陽的方法ようてきほうほうでは安定性あんていせいのため極端きょくたんちいさいきざはば必要ひつようになる。方法ほうほう検証けんしょう提案ていあんせよ。

5.1解答例かいとうれい

これはかた初期値問題しょきちもんだいなので、後退こうたい Euler ほうなど、実軸方向じつじくほうこう非常ひじょうはや減衰率げんすいりつたいして増幅率ぞうふくりつが 0 へちかづく L 安定あんてい陰解法いんかいほう第一候補だいいちこうほとする。各段階かくだんかい代数方程式だいすうほうていしき所定精度しょていせいどき、きざはば半分はんぶんにしたかいとの確認かくにんする。この問題もんだいでは u(t)=cost-e-1000t厳密解げんみつかいなので、大域誤差たいいきごさ直接検証ちょくせつけんしょうできる。次候補つぎこうほ安定性制約あんていせいせいやくたす適応刻てきおうきざみの陽的方法ようてきほうほうや、線型減衰項せんけいげんすいこう厳密げんみつ積分せきぶんする指数積分法しすうせきぶんほうである。


6問題もんだい 5

ほそぼう温度おんどについて、内部温度分布ないぶおんどぶんぷ端点たんてんからの熱交換ねつこうかん予測よそくしたい。ODE と PDE のどちらをえらび、問題設定もんだいせっていなにふくめるべきか。

6.1解答例かいとうれい

位置いちごとの温度場おんどば成果せいかとするため、局所保存則きょくしょほぞんそくと Fourier の構成則こうせいそくから熱方程式ねつほうていしきえらぶ。領域りょういき初期温度しょきおんど係数けいすうかいのクラスにくわえ、外向そとむ法線ほうせんn とする符号規約ふごうきやく-KnT=h(T-Tenv) という Robin 境界条件きょうかいじょうけん指定していする。内部温度差ないぶおんどさ無視むしできるなら、次候補つぎこうほとして集中熱容量しゅうちゅうねつようりょう ODE へ簡約かんやくできる。


7問題もんだい 6

線型せんけい PDE を空間方向くうかんほうこう解析かいせきするとき、(a) 有限区間ゆうげんくかん斉次境界条件せいじきょうかいじょうけんがある場合ばあいと、(b) 全空間ぜんくうかん定数係数問題ていすうけいすうもんだいで、第一候補だいいちこうほけよ。

7.1解答例かいとうれい

(a) では境界条件きょうかいじょうけんたすたがいに直交ちょっこうする固有関数こゆうかんすう対象たいしょう展開てんかいできるなら、変数分離へんすうぶんり・Fourier 級数きゅうすう第一候補だいいちこうほである。(b) では全空間ぜんくうかん定数係数ていすうけいすうにより Fourier 変換へんかん第一候補だいいちこうほである。非斉次境界条件ひせいじきょうかいじょうけんさき斉次化せいじかする。不規則領域ふきそくりょういき非線型問題ひせんけいもんだい展開条件てんかいじょうけんたさない場合ばあいは、領域りょういきおうじた固有関数こゆうかんすう数値法すうちほう次候補つぎこうほとする。

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