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微分積分の応用と発展―標準演習md 43b7d1b
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微分積分びぶんせきぶん応用おうよう発展はってん標準演習ひょうじゅんえんしゅう

mathcalculusexerciseapplicationdifferential-equationsmultivariable
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1演習方針えんしゅうほうしん

問題もんだい1から3は一変数微積分いちへんすうびせきぶん応用おうよう問題もんだい4は多変数微積分たへんすうびせきぶん問題もんだい5は微分方程式びぶんほうていしき対象たいしょうとする。各問かくもんで、使用しようする定理ていりまたは計算法けいさんほうと、その適用条件てきようじょうけん明示めいじすること。


2問題もんだい 1

f(x)=x3-3x増減区間ぞうげんくかん極値きょくち決定けっていせよ。

2.1解答例かいとうれい

f実数全体じっすうぜんたい微分可能びぶんかのうであり、

f(x)=3x2-3=3(x-1)(x+1)

である。臨界点りんかいてんx=-1,1 である。f(-,-1)(1,)せい(-1,1)である。したがって、f(-,-1)(1,)増加ぞうかし、(-1,1)減少げんしょうする。また、

f(-1)=2,f(1)=-2

であり、x=-1極大値きょくだいち 2x=1極小値きょくしょうち -2る。

2.2解説かいせつ

f(x)=0 という条件じょうけんだけでは極値きょくち保証ほしょうしない。各臨界点かくりんかいてん前後ぜんご導関数どうかんすう符号ふごう変化へんかすることを確認かくにんする。


3問題もんだい 2

速度そくど v(t)=t-10[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]3運動うんどうする質点しつてん変位へんい移動距離いどうきょり計算けいさんせよ。

3.1解答例かいとうれい

v[0,3] じょう連続れんぞくである。変位へんい

03(t-1)dt=[t22-t]03=32

である。移動距離いどうきょりでは速度そくど絶対値ぜったいち積分せきぶんする。vt=1符号ふごうえるため、

03|t-1|dt=01(1-t)dt+13(t-1)dt=12+2=52

となる。

3.2解説かいせつ

変位へんいきを保持ほじする符号付ふごうつ累積量るいせきりょうであり、移動距離いどうきょりはや|v|累積量るいせきりょうである。速度そくど符号ふごう変化へんかするてん区間くかん分割ぶんかつする。


4問題もんだい 3

f(x)=x2[0,2] じょう平均値へいきんち計算けいさんせよ。

4.1解答例かいとうれい

f[0,2] じょう連続れんぞくであり、区間長くかんちょう2>0 である。平均値へいきんち定義ていぎにより、

favg=12-002x2dx=12[x33]02=43

となる。

4.2解説かいせつ

定積分ていせきぶん区間上くかんじょう総量そうりょうである。平均値へいきんちるには、その総量そうりょう区間長くかんちょうじょする。


5問題もんだい 4

f(x,y)=x2y+siny偏導関数へんどうかんすう fx,fy計算けいさんせよ。また、

0102xydxdy

計算けいさんせよ。

5.1解答例かいとうれい

f全平面ぜんへいめん連続微分可能れんぞくびぶんかのうである。fx では y を、fy では x定数ていすうとしてあつかうため、

fx(x,y)=2xy,fy(x,y)=x2+cosy

である。ここで、反復積分はんぷくせきぶん 0102xydxdy は、y固定こていして x について積分せきぶんしたあと、その結果けっかy について積分せきぶんする操作そうさあらわす。xy長方形領域ちょうほうけいりょういき [0,2]×[0,1] じょう連続れんぞくであるため、この逐次計算ちくじけいさん同領域上どうりょういきじょう二重積分にじゅうせきぶん一致いっちする。

0102xydxdy=01[x2y2]02dy=012ydy=1

となる。

5.2解説かいせつ

偏微分へんびぶん他方たほう変数へんすう固定こていして一方向いちほうこう局所変化きょくしょへんか測定そくていする。重積分じゅうせきぶん領域りょういき局所的きょくしょてき寄与きよ累積るいせきする。


6問題もんだい 5

実数区間じっすうくかん I じょうC1 関数かんすうで、微分方程式びぶんほうていしき

y=xy

たすものをすべてもとめよ。y=0場合ばあい確認かくにんすること。

6.1解答例かいとうれい

yI じょう任意にんいかいとする。積分因子せきぶんいんし e-x2/2使用しようすると、

ddx(e-x2/2y(x))=e-x2/2(y(x)-xy(x))=0

である。I区間くかんであるため、導関数どうかんすうが 0 の関数かんすうI じょう定数ていすうである。したがって、ある AR存在そんざいして、

y=Aex2/2(AR)

あらわせる。ぎゃくに、このかたち関数かんすう

y=xAex2/2=xy

たす。A=0零解れいかい対応たいおうするため、これですべてのかい分類ぶんるいできた。

6.2解説かいせつ

積分因子せきぶんいんしによる方法ほうほうでは yじょしないため、零解れいかいうしなわずに全解ぜんかい直接分類ちょくせつぶんるいできる。変数分離へんすうぶんりy による除法じょほう使用しようする場合ばあいは、零解れいかい別途べっと確認かくにんする必要ひつようがある。

7関連講義かんれんこうぎ

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