積の微分法により y'=z' cos x−z sin x となるから. z' cos x−z sin x+z cos x tan x= ( tan x)'=()'= dx= tan x+C. z' cos x=. z'=. =. dz= dx. z= tan x+C ≪(3)または(3')の結果を使う場合≫ 【元に戻る】 …よく使う. e log A =A. log e A =A P(x)= tan x だから, u(x)=e − ∫ tan xdx =e log |cos x| =|cos x| その1つは u(x)=cos x Q(x)= だから, dx= dx = tan x+C y=( tan x+C) cos x= sin x+C cos x になります.→ 1 【問題3】 微分方程式 xy'−y=2x 2 +x の一般解を求めてください. 1 y=x(x+ log |x|+C) 2 y=x(2x+ log |x|+C) 3 y=x(x+2 log |x|+C) 4 y=x(x 2 + log |x|+C) 元の方程式は. y'− y=2x+1 と書ける. 同次方程式を解く:. log |y|= log |x|+C 1 = log |x|+ log e C 1 = log |e C 1 x|. |y|=|e C 1 x|. 微分方程式の問題です - 2階線形微分方程式非同次形で特殊解をどのよ... - Yahoo!知恵袋. y=±e C 1 x=C 2 x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x)x の形で求める. 積の微分法により y'=z'x+z となるから. z'x+z− =2x+1. z'x=2x+1 両辺を x で割ると. z'=2+. z=2x+ log |x|+C P(x)=− だから, u(x)=e − ∫ P(x)dx =e log |x| =|x| その1つは u(x)=x Q(x)=2x+1 だから, dx= dx= (2+)dx. =2x+ log |x|+C y=(2x+ log |x|+C)x になります.→ 2 【問題4】 微分方程式 y'+y= cos x の一般解を求めてください. 1 y=( +C)e −x 2 y=( +C)e −x 3 y= +Ce −x 4 y= +Ce −x I= e x cos x dx は,次のよう に部分積分を(同じ向きに)2回行うことにより I を I で表すことができ,これを「方程式風に」解くことによって求めることができます.
ここでは、特性方程式を用いた 2階同次線形微分方程式 の一般解の導出と 基本例題を解いていく。 特性方程式の解が 重解となる場合 は除いた。はじめて微分方程式を解く人でも理解できるように説明する。 例題 1.
例題の解答 以下の は定数である。これらは微分方程式の初期値が与えられている場合に求めることができる。 例題(1)の解答 を微分方程式へ代入して特性方程式 を得る。この解は である。 したがって、微分方程式の一般解は 途中式で、以下のオイラーの公式を用いた オイラーの公式 例題(2)の解答 したがって一般解は *指数関数の肩が実数の場合はこのままでよい。複素数の場合は、(1)のようにオイラーの関係式を使うと三角関数で表すことができる。 **二次方程式の場合について、一方の解が複素数であればもう一方は、それと 共役な複素数 になる。 このことは方程式の解の形 より明らかである。 例題(3)の解答 特性方程式は であり、解は 3. これらの微分方程式と解の意味 よく知られているように、高校物理で習うニュートンの運動方程式 もまた2階線形微分方程式である。ここで扱った4つの解のタイプは「ばねの振動運動」に関係するものを選んだ。 (1)は 単振動 、(2)は 過減衰 、(3)は 減衰振動 である。 詳細については、初期値を与えラプラス変換を用いて解いた こちら を参照されたい。 4. まとめ 2階同次線形微分方程式が解ければ 階同次線形微分方程式も解くことができる。 この次に学習する内容としては以下の2つであろう。 定数係数のn階同次線形微分方程式 定数係数の2階非同次線形微分方程式 非同次系は特殊解を求める必要がある。この特殊解を求める作業は、場合によっては複雑になる。
z'e x =2x. e x =2x. dz= dx=2xe −x dx. dz=2 xe −x dx. z=2 xe −x dx f=x f '=1 g'=e −x g=−e −x 右のように x を微分する側に選んで,部分積分によって求める.. fg' dx=fg− f 'g dx により. xe −x dx=−xe −x + e −x dx=−xe −x −e −x +C 4. z=2(−xe −x −e −x +C 4) y に戻すと. y=2(−xe −x −e −x +C 4)e x. y=−2x−2+2C 4 e x =−2x−2+Ce x …(答) ♪==(3)または(3')は公式と割り切って直接代入する場合==♪ P(x)=−1 だから, u(x)=e − ∫ P(x)dx =e x Q(x)=2x だから, dx= dx=2 xe −x dx. =2(−xe −x −e −x)+C したがって y=e x { 2(−xe −x −e −x)+C}=−2x−2+Ce x …(答) 【例題2】 微分方程式 y'+2y=3e 4x の一般解を求めてください. この方程式は,(1)において, P(x)=2, Q(x)=3e 4x という場合になっています. はじめに,同次方程式 y'+2y=0 の解を求める.. =−2y. =−2dx. 線形微分方程式. =− 2dx. log |y|=−2x+C 1. |y|=e −2x+C 1 =e C 1 e −2x =C 2 e −2x ( e C 1 =C 2 とおく). y=±C 2 e −2x =C 3 e −2x ( 1 ±C 2 =C 3 とおく) 次に,定数変化法を用いて, C 3 =z(x) とおいて y=ze −2x ( z は x の関数)の形で元の非同次方程式の解を求める.. y=ze −2x のとき. y'=z'e −2x −2ze −2x となるから 元の方程式は次の形に書ける.. z'e −2x −2ze −2x +2ze −2x =3e 4x. z'e −2x =3e 4x. e −2x =3e 4x. dz=3e 4x e 2x dx=3e 6x dx. dz=3 e 6x dx. z=3 e 6x dx. = e 6x +C 4 y に戻すと. y=( e 6x +C 4)e −2x. y= e 4x +Ce −2x …(答) P(x)=2 だから, u(x)=e − ∫ 2dx =e −2x Q(x)=3e 4x だから, dx=3 e 6x dx.
= e 6x +C y=e −2x { e 6x +C}= e 4x +Ce −2x …(答) ※正しい 番号 をクリックしてください. それぞれの問題は暗算では解けませんので,計算用紙が必要です. ※ブラウザによっては, 番号枠の少し上の方 が反応することがあります. 【問題1】 微分方程式 y'−2y=e 5x の一般解を求めてください. 1 y= e 3x +Ce 2x 2 y= e 5x +Ce 2x 3 y= e 6x +Ce −2x 4 y= e 3x +Ce −2x ヒント1 ヒント2 解答 ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫ 同次方程式を解く:. =2y. =2dx. =2 dx. log |y|=2x+C 1. |y|=e 2x+C 1 =e C 1 e 2x =C 2 e 2x. y=±C 2 e 2x =C 3 e 2x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x)e 2x の形で求める. 積の微分法により y'=z'e 2x +2e 2x z となるから. z'e 2x +2e 2x z−2ze 2x =e 5x. z'e 2x =e 5x 両辺を e 2x で割ると. z'=e 3x. z= e 3x +C ≪(3)または(3')の結果を使う場合≫ P(x)=−2 だから, u(x)=e − ∫ (−2)dx =e 2x Q(x)=e 5x だから, dx= dx= e 3x dx. = e 3x +C y=e 2x ( e 3x +C)= e 5x +Ce 2x になります.→ 2 【問題2】 微分方程式 y' cos x+y sin x=1 の一般解を求めてください. 1 y= sin x+C cos x 2 y= cos x+C sin x 3 y= sin x+C tan x 4 y= tan x+C sin x 元の方程式は. y'+y tan x= と書ける. そこで,同次方程式を解くと:. =−y tan x tan x= =− だから tan x dx=− dx =− log | cos x|+C. =− tan xdx. =− tan x dx. log |y|= log | cos x|+C 1. = log |e C 1 cos x|. |y|=|e C 1 cos x|. y=±e C 1 cos x. y=C 2 cos x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x) cos x の形で求める.
|xy|=e C 1. xy=±e C 1 =C 2 そこで,元の非同次方程式(1)の解を x= の形で求める. 商の微分法により. x'= となるから. + =. z'=e y. z= e y dy=e y +C P(y)= だから, u(y)=e − ∫ P(y)dy =e − log |y| = 1つの解は u(y)= Q(y)= だから, dy= e y dy=e y +C x= になります.→ 4 【問題7】 微分方程式 (x+2y log y)y'=y (y>0) の一般解を求めてください. 1 x= +C 2 x= +C 3 x=y( log y+C) 4 x=y(( log y) 2 +C) ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫. (x+2y log y) =y. = = +2 log y. − =2 log y …(1) 同次方程式を解く:. log |x|= log |y|+C 1. log |x|= log |y|+e C 1. log |x|= log |e C 1 y|. x=±e C 1 y=C 2 y dy は t= log y と おく置換積分で計算できます.. t= log y. dy=y dt dy= y dt = t dt= +C = +C そこで,元の非同次方程式(1) の解を x=z(y)y の形で求める. z'y+z−z=2 log y. z'y=2 log y. z=2 dy. =2( +C 3). =( log y) 2 +C P(y)=− だから, u(y)=e − ∫ P(y)dy =e log y =y Q(y)=2 log y だから, dy=2 dy =2( +C 3)=( log y) 2 +C x=y( log y) 2 +C) になります.→ 4
=− dy. log |x|=−y+C 1. |x|=e −y+C 1 =e C 1 e −y. x=±e C 1 e −y =C 2 e −y 非同次方程式の解を x=z(y)e −y の形で求める 積の微分法により x'=z'e −y −ze −y となるから,元の微分方程式は. z'e −y −ze −y +ze −y =y. z'e −y =y I= ye y dx は,次のよう に部分積分で求めることができます. I=ye y − e y dy=ye y −e y +C 両辺に e y を掛けると. z'=ye y. z= ye y dy. =ye y −e y +C したがって,解は. x=(ye y −e y +C)e −y. =y−1+Ce −y 【問題5】 微分方程式 (y 2 +x)y'=y の一般解を求めてください. 1 x=y+Cy 2 2 x=y 2 +Cy 3 x=y+ log |y|+C 4 x=y log |y|+C ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫. (y 2 +x) =y. = =y+. − =y …(1) と変形すると,変数 y の関数 x が線形方程式で表される. 同次方程式を解く:. log |x|= log |y|+C 1 = log |y|+ log e C 1 = log |e C 1 y|. |x|=|e C 1 y|. x=±e C 1 y=C 2 y そこで,元の非同次方程式(1)の解を x=z(y)y の形で求める. x'=z'y+z となるから. z'y+z−z=y. z'y=y. z'=1. z= dy=y+C P(y)=− だから, u(y)=e − ∫ P(y)dy =e log |y| =|y| Q(y)=y だから, dy= dy=y+C ( u(y)=y (y>0) の場合でも u(y)=−y (y<0) の場合でも,結果は同じになります.) x=(y+C)y=y 2 +Cy になります.→ 2 【問題6】 微分方程式 (e y −x)y'=y の一般解を求めてください. 1 x=y(e y +C) 2 x=e y −Cy 3 x= 4 x= ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫. (e y −x) =y. = = −. + = …(1) 同次方程式を解く:. =−. log |x|=− log |y|+C 1. log |x|+ log |y|=C 1. log |xy|=C 1.
さて、もう少し詳しく見ていきましょう。 上で導いた解\(x\)を、少しだけ変形しておきます↓ x &= -\frac{b}{2} \pm \sqrt{\frac{b^2}{4} – c}\\ &= \frac{-b \pm \sqrt{b^2 – 4c}}{2} \quad \cdots \quad (\text{A}) この形を覚えておいてください。 ところで、もう一度解の公式に戻ります↓ これは、二次方程式(\(ax^2+bx+c\))のための公式でした。 一方、ここまで考えてきた二次方程式の形は、\(x^2+bx+c\)のように\(a\)が無い形です。 ただし、「\(a\)が無い」という表現は正確ではなく、正しくは「\(a=1\)のときの形」となります。 なので、上で示した解の公式を二次方程式(\(x^2+bx+c\))用の形にするためには、\(a=1\)を代入すればいいので、 $$x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 – 4c}}{2}$$ この式と、式(A)を比較してみてください…まったく同じ形をしていますね。 このように、やっぱりどんな解き方をしても、一般形は解の公式にたどりつくのです。 同じ二次方程式ならば、どういう方法で解こうが答えは同じになるので、当たり前のことなのですが… \(ax^2+bx+c\)の形は解けないの? ここまで読んでくれた読者の中には、 「新しい解き方では、\(ax^2+bx+c\)の形は解けないの?」 と思った方もいるのではないでしょうか? 答えは、「解ける」です。 解くためには、初めに少しだけ式を変形するだけです。例えば、以下のような問題があったとしましょう。 $$3x^2 + 9x + 3 = 0$$ \(x^2\)の前の係数があるパターンです。 こような場合は、初めに\(x^2\)の前の係数を( )の外にくくり出してしまいましょう。すると、 $$3(x^2 + 3x + 1) = 0$$ となりますね。これは両辺を\(3\)で割って、最終的に、 となります。ここまで変形できたら、新しい解き方が使えますね。 このように、 \(ax^2+bx+c = 0\) の形は、まず両辺を\(a\)で割って、\(x^2\)の前の係数を無くしてやればいいんです! たすき掛けができないって！因数分解に躓く生徒が知っておくべきその正体（夏期講座超初級2） | 勉強法のバイブル | 帝都大学へのビジョン. これで、新しい二次方程式の解き方の紹介は終わります。楽しんでもらえましたか?
解の公式による二次方程式の解き方 最後に、ルートを使っても解けない、因数分解ができない二次方程式の解き方を紹介します。ここでは「二次方程式の解の公式」を使います。 【公式】 「にーえー分のマイナスびープラスマイナスルートびーの二乗マイナスよんえーしー」 と100回声に出して言えば覚えられますよ◎ 解の公式の導出 の形を作るために平方完成を用います。 公式を覚えたら練習問題で定着させましょう。 例題 解説 公式に当てはめると、 このように公式であれば何も考えなくていいですが、計算量が多くなります。 【まとめ】 二次方程式は ①ルートを外す解き方 ②因数分解を使う解き方 ③解の公式を使う解き方 の3つで解きましょう。 具体的な二次方程式の問題を解いてみよう!
図から分かった(ax+b)と(cx+d)を組み合わせて (ax+b)(cx+d) とすると因数分解が完成します! ２次式の因数分解. 文字だけでは分からないので、具体的な数字での例で因数分解してみましょう! 【例題】 【STEP1】 まずは係数を書き込みましょう。 【STEP2】 次は左側の◯に数字を入れていきましょう。 【STEP3】 左側の◯に数字が入りました! 上と下の数字をかけると、確かに5と16になっていますね。 ですが、少し考えてみてください。 バッテンで結ばれた数字をかけると、20と4になります。 20+4=24なので、18と一致しません。 バッテンで結ばれた数字をかけて出て来る2つの数字を足し合わせて18にならなければ、たすきがけは失敗です。 うまく18に一致するように、左側の◯に入る数字を選ぶと、 となります。 【STEP4】 この図より、因数分解の完成形は 【答え】 数をこなして因数分解に慣れよう! 因数分解は、自分で手を動かして問題を解いた数だけ速くなります。 インターネット上の記事や教科書をいくら眺めてやり方を覚えるだけでは速くはなりません。 記事や教科書に載っている公式を見ながら、自分でノートに繰り返し繰り返しとくことで、入試問題を解くときにも使える因数分解の力が身につくのです。 【まとめ】 因数分解のやり方は、 ①共通する数字・文字・式でまとめる(共通因数でくくる)方法 ②公式を用いる方法 ③たすきがけを用いる方法 の3種類が基本です!
というのも覚えておきましょう。 (6)解説&解答 (6)\(-3x^2-6x+45=0\) 左辺を因数分解するのに邪魔な-3を消しましょう。 両辺を-3で割ってやると $$x^2+2x-15=0$$ になって、わかりやすい式になりますね。 ここから因数分解をしてやると $$(x+5)(x-3)=0$$ $$x+5=0$$ $$x=-5$$ $$x-3=0$$ $$x=3$$ (7)解説&解答 (7)\((x-2)(x-4)=3x\) パッと見た感じでは AB=0の形になっているように見えますが 右辺が0ではないのでダメ! 式を展開してAB=0の形になるように式変形していきましょう。 $$x^2-6x+8=3x$$ $$x^2-9x+8=0$$ $$(x-8)(x-1)=0$$ $$x-8=0$$ $$x=8$$ $$x-1=0$$ $$x=1$$ 注意!二次方程式と因数分解の違いをハッキリさせろ! この記事を通して、二次方程式の因数分解を利用した解き方を学んでもらったと思います。 ここでちょっと注意しておきたいことがあります。 二次方程式の計算に慣れてくると、ちょっとした落とし穴があるんですね。 それは、次の問題で発生します。 次の式を因数分解しなさい。 $$x^2+x-56$$ 答えは $$x^2+x-56=(x+8)(x-7)$$ で終わりなのですが… $$x^2+x-56=(x+8)(x-7)$$ $$x=-8, 7$$ これは間違い!! ここまでやっちゃう人が出てきちゃうんですね。 方程式とごちゃごちゃになってしまっているので ちょっと整理しておきましょう。 因数分解せよ。 $$x^2+x-56=(x+8)(x-7)$$ 終わり! 方程式を解きなさい。 $$x^2+x-56=0$$ $$(x+8)(x-7)=0$$ $$x=-8, 7$$ 終わり! 【二次方程式】因数分解を利用した解き方を例題解説！ | 数スタ. しっかりと問題を読んで 因数分解をする問題なのか 方程式を解く問題なのか ちゃんと見極めてくださいね。 数学がちょっと得意な人ほど陥りやすいミスなので ほんっとに気を付けてください。 まとめ お疲れ様でした! 今回は二次方程式の因数分解を利用した解き方について解説しましたが理解が深まりましたでしょうか。 AB=0の形を作るというのが 因数分解を利用した解き方では大切なポイントでした。 式変形や因数分解は慣れが必要になってくるので とにかく練習問題を繰り返して 解き方を身につけていきましょう!
(1)解説&解答 (1)\((x-2)(x+3)=0\) この方程式は初めからAB=0の形が完成しているので楽勝です!