微分積分の応用と発展―標準演習
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1演習方針
問題1から3は一変数微積分の応用、問題4は多変数微積分、問題5は微分方程式を対象とする。各問で、使用する定理または計算法と、その適用条件を明示すること。
2問題 1
f(x)=x^3-3x の増減区間と極値を決定せよ。
2.1解答例
f は実数全体で微分可能であり、
f'(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)
である。臨界点は x=-1,1 である。f' は (-\infty,-1) と (1,\infty) で正、(-1,1) で負である。したがって、f は (-\infty,-1) と (1,\infty) で増加し、(-1,1) で減少する。また、
f(-1)=2,\qquad f(1)=-2
であり、x=-1 で極大値 2、x=1 で極小値 -2 を取る。
2.2解説
f'(x)=0 という条件だけでは極値を保証しない。各臨界点の前後で導関数の符号が変化することを確認する。
3問題 2
速度 v(t)=t-1 で 0\le t\le3 を運動する質点の変位と移動距離を計算せよ。
3.1解答例
v は [0,3] 上で連続である。変位は
\int_0^3(t-1)\,dt
=\left[\frac{t^2}{2}-t\right]_0^3
=\frac32
である。移動距離では速度の絶対値を積分する。v は t=1 で符号を変えるため、
\int_0^3|t-1|\,dt
=\int_0^1(1-t)\,dt+\int_1^3(t-1)\,dt
=\frac12+2=\frac52
となる。
3.2解説
変位は向きを保持する符号付き累積量であり、移動距離は速さ |v| の累積量である。速度の符号が変化する点で区間を分割する。
4問題 3
f(x)=x^2 の [0,2] 上の平均値を計算せよ。
4.1解答例
f は [0,2] 上で連続であり、区間長は 2>0 である。平均値の定義により、
f_{\mathrm{avg}}
=\frac1{2-0}\int_0^2x^2\,dx
=\frac12\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2
=\frac43
となる。
4.2解説
定積分は区間上の総量である。平均値を得るには、その総量を区間長で除する。
5問題 4
f(x,y)=x^2y+\sin y の偏導関数 f_x,f_y を計算せよ。また、
\int_0^1\int_0^2xy\,dx\,dy
を計算せよ。
5.1解答例
f は全平面で連続微分可能である。f_x では y を、f_y では x を定数として扱うため、
f_x(x,y)=2xy,\qquad f_y(x,y)=x^2+\cos y
である。ここで、反復積分 \int_0^1\int_0^2xy\,dx\,dy は、y を固定して x について積分した後、その結果を y について積分する操作を表す。xy は長方形領域 [0,2]\times[0,1] 上で連続であるため、この逐次計算は同領域上の二重積分と一致する。
\int_0^1\int_0^2xy\,dx\,dy
=\int_0^1\left[\frac{x^2y}{2}\right]_0^2dy
=\int_0^12y\,dy
=1
となる。
5.2解説
偏微分は他方の変数を固定して一方向の局所変化を測定する。重積分は領域の局所的な寄与を累積する。
6問題 5
実数区間 I 上の C^1 関数で、微分方程式
y'=xy
を満たすものをすべて求めよ。y=0 の場合も確認すること。
6.1解答例
y を I 上の任意の解とする。積分因子 e^{-x^2/2} を使用すると、
\frac{d}{dx}\left(e^{-x^2/2}y(x)\right)
=e^{-x^2/2}\bigl(y'(x)-xy(x)\bigr)=0
である。I は区間であるため、導関数が 0 の関数は I 上で定数である。したがって、ある A\in\mathbb{R} が存在して、
y=Ae^{x^2/2}\qquad(A\in\mathbb{R})
と表せる。逆に、この形の関数は
y'=xAe^{x^2/2}=xy
を満たす。A=0 が零解に対応するため、これですべての解を分類できた。
6.2解説
積分因子による方法では y で除しないため、零解を失わずに全解を直接分類できる。変数分離で y による除法を使用する場合は、零解を別途確認する必要がある。
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