橋平礼の電験三種合格講座

過去50年分以上の電験三種の問題を解いて分かった、電験三種は今も昔も変わりません。過去問を解きながら合格を目指しましょう。

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数学の基礎と公式-18

数学の基礎と公式

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18. 微分方程式-3

$\displaystyle{       }$

Maximaで計算しています。

(同次形ほか)

${\it \%c},{\it \%k}_{2}\,{\it \%k}_{1}$は任意定数

※$\log x$の$x$の箇所には絶対値がつきます。$\log |x|$

 

(1) $\displaystyle{ \dfrac{dx}{dt}-2x-1=0 }$

$\displaystyle{   x={{2\,{\it \%c}\,e^{2\,t}-1}\over{2}}    }$

 

(2) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt}-2x-e^t=0     }$

$\displaystyle{   x=\left({\it \%c}-e^ {- t }\right)\,e^{2\,t}    }$

 

(3) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt}+x-t^2=0     }$

$\displaystyle{   x={\it \%c}\,e^ {- t }+t^2-2\,t+2   }$

 

(4) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt}+2x-t^2-1=0     }$

$\displaystyle{   x={\it \%c}\,e^ {- 2\,t }+{{t^2}\over{2}}-{{t}\over{2 }}+{{3}\over{4}}   }$

 

(5) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt} t+x+t^2-1=0     }$

$\displaystyle{   x=-{{t^2}\over{3}}+{{{\it \%c}}\over{t}}+1   }$

 

(6) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt} +2 x t-t e^{-t^2}=0     }$

$\displaystyle{   x=\left({{t^2}\over{2}}+{\it \%c}\right)\,e^ {- t^2 }   }$

 

(7) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt} + x e^{t}-5 e^t =0     }$

$\displaystyle{   x=e^ {- e^{t} }\,\left(5\,e^{e^{t}}+{\it \%c}\right) }$

 

(8) $\displaystyle{  \dfrac{dx}{dt} + x-t x^3 =0     }$

$\displaystyle{   x^2={{1}\over{{\it \%c}\,e^{2\,t}+t+{{1}\over{2}}}} }$

 

(9) $\displaystyle{  2 \dfrac{dx}{dt} xt-x^2+t =0     }$

$\displaystyle{   {{t\,\log t+x^2}\over{t}}={\it \%c} }$

 

(10) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt} x+\dfrac{t x^2}{2(1-t^2)}-t =0     }$

$\displaystyle{   {{\sqrt{t^2-1}\,\left(x^2-2\,t^2+2\right)}\over{2\,t^
 2-2}}={\it \%c} }$

 

(11) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt} x-\dfrac{t x^2+2t}{t^2-1} =0     }$

$\displaystyle{   {{\log \left(x^2+2\right)}\over{2}}={{\log \left(t+1 \right)+\log \left(t-1\right)+2\,{\it \%c}}\over{2}} }$

$\displaystyle{  \log \left(x^2+2\right)=\log \left(t^2-1 \right)+2\,{\it \%c} }$

$\displaystyle{ x^2={\it \%c}\left(t^2-1 \right)-2 }$

 

(11) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt} t+x-x^2 \log(t) =0     }$

$\displaystyle{   x\left(t\right)={{1}\over{\log t+{\it \%c}\,t+1}}  }$

 

(12) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt} +x-x^2(\cos t-\sin t) =0     }$

$\displaystyle{   x={{1}\over{{\it \%c}\,e^{t}-\sin t}}  }$

 

(13) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}t-2x+t =0     }$

$\displaystyle{   x={\it \%c}\,t^2+t  }$

 

(14) $\displaystyle{  2 \dfrac{dx}{dt}tx-x^2+t^2 =0     }$

$\displaystyle{   -{{t}\over{x^2+t^2}}={\it \%c}  }$

$\displaystyle{   x^2+t^2={\it \%c}t  }$

 

(15) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}+\dfrac{x}{t}-\log t =0     }$

$\displaystyle{  x={{t\,\log t}\over{2}}-{{t}\over{4}}+{{{\it \%c} }\over{t}}  }$

 

(16) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}+\dfrac{x}{t}-x^2 t^2 =0     }$

$\displaystyle{  x={{1}\over{{\it \%c}\,t-{{t^3}\over{2}}}}  }$

 

(17) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}+x+\dfrac{x^3 t^2}{2} =0     }$

$\displaystyle{  x={{1}\over{t\,\sqrt{t+{\it \%c}}}}  }$

 

(18) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}-\dfrac{ x}{t-1}+x^2 =0     }$

$\displaystyle{  x={{2\,t-2}\over{t^2-2\,t-2\,{\it \%c}}}  }$

 

(19) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}- x(1+x t) =0     }$

$\displaystyle{  x={{e^{t}}\over{{\it \%c}-\left(t-1\right)\,e^{t}}}  }$

 

(20) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}- \dfrac{x}{t(t+1)(t+2)} =0     }$、$t=1$のとき$x(t)=1$

$\displaystyle{  x={{2\,\sqrt{t(t+2)}}\over{ \sqrt{3}\,\left(t+1\right)}}  }$

 

(21) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}- 2 \sqrt{x} =0     }$、$t=0$のとき$x(t)=1$

$\displaystyle{  x=(t+1)^2 }$

 

(22) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt}- \dfrac{x}{t}-t^2 =0     }$、$t=1$のとき$x(t)=4.5$

$\displaystyle{  x={{t^3+8t}\over{2 }} }$

 

(23) $\displaystyle{   \dfrac{dx}{dt} t-2x+t =0     }$、$t=1$のとき$x(t)=2$

$\displaystyle{  x=t^2+t }$

 


 

maximaでの記述

物理の物体の自由落下に関する問題で,上向きを正とした場合、

(1)$\displaystyle{ \dfrac{d^2 x}{d t^2}=-g }$

・ode2を使う場合

ode2( diff(x(t), t, 2) = -g, x(t), t );

                   2
               g t
 x(t) = (- ----) + %k2 t + %k1
               2 

$\displaystyle{ x\left(t\right)=-{{g\,t^2}\over{2}}+{\it \%k}_{2}\,t+{\it \%k}_{1}}$

${\it \%k}_{2}\,{\it \%k}_{1}$は任意定数

 

・desolveを使う場合

desolve( diff(x(t), t, 2) = -g, x(t) );

$\displaystyle{x\left(t\right)=t\,\left(\left.{{d}\over{d\,t}}\,x\left(t\right) \right|_{t=0}\right)-{{g\,t^2}\over{2}}+x\left(0\right)}$

 

$\displaystyle{x'(0)=\left(\left.{{d}\over{d\,t}}\,x\left(t\right) \right|_{t=0}\right)}$のことです。

 

(2)初期値$t=0$のとき$x=0,x'(0)=0$を入れる場合は、

 

ic2(% , t=0 , x(0)=0 , diff(x(t),t)=0);

                 2
             g t
x(t) = - ----
             2 

 

$\displaystyle{x\left(t\right)=-{{g\,t^2}\over{2}}}$

 

(3)$\displaystyle{ \dfrac{dx}{dt}=\dfrac{5x}{3t} }$

ode2( diff(x(t), t, 1) = 5*x(t)/(3*t), x(t), t );

                  5 log(t)
                 --------
                     3
x(t) = %c %e 

radcan(%);・・・logなどの関数を簡単にする。

                5/3
 x(t) = %c t