変数分離できる微分方程式

$\def\intdx{\opcol{\int \mathrm dx}}\def\E{\mathrm e}\def\I{\mathrm i}\definecolor{opcol}{RGB}{149,139,0}\definecolor{hai}{RGB}{137,137,137}\definecolor{tcol}{RGB}{166,54,109}\definecolor{kuro}{RGB}{0,0,0}\definecolor{xcol}{RGB}{169,103,49}\def\opcol#1{{\color{opcol}#1}}\def\ddx{\opcol{{\mathrm d\over \mathrm dx}}}\def\ddt{\opcol{{\mathrm d\over \mathrm dt}}}\def\xcol#1{{\color{xcol}#1}}\definecolor{ycol}{RGB}{217,61,137}\def\ycol#1{{\color{ycol}#1}}\def\haiiro#1{{\color{hai}#1}}\def\kuro#1{{\color{kuro}#1}}\def\kakko#1{\haiiro{\left(\kuro{#1}\right)}}\def\coldx{{\color{xcol}\mathrm dx}}\def\Odr{{\cal O}}\definecolor{ncol}{RGB}{217,51,43}\def\ncol#1{{\color{ncol}#1}}\definecolor{zcol}{RGB}{196,77,132}\def\zcol#1{{\color{zcol}#1}}\definecolor{thetacol}{RGB}{230,0,39}\def\thetacol#1{{\color{thetacol}#1}}\def\diff{\mathrm d}\def\kidb{\opcol{\mathrm db}}\def\kidx{\opcol{\mathrm dx}}\def\coldy{\ycol{\mathrm dy}}\def\coldtheta{\thetacol{\mathrm d\theta}}\def\ddtheta{\opcol{{\mathrm d\over\mathrm d\theta}}}\def\tcol#1{{\color{tcol}#1}}\def\coldt{\tcol{\mathrm dt}}\def\kidtheta{\opcol{\mathrm d\theta}}\def\dtwodx{\opcol{\diff^2\over\diff x^2}}\def\kokode#1{{↓#1}}$

 今日は変数分離の話のまとめから。前に例として上げた${\coldy\over \coldx}=\ycol{y}$は変数分離できる微分方程式の例であり、前節でやったように、「変数分離した後で積分」という方法で解くことができた。

 変数分離はいつでもできるとは限らない。たとえば${\coldy\over \coldx}=\xcol{x}+\ycol{y}$という簡単な場合でも左辺に$\ycol{y}$だけを集めることはできない(この微分方程式は解ける。つまり変数分離できなくても解ける時は解ける)。以下では「変数分離できる場合」に限って話をする。

 もう一つ、簡単な例を示そう。${\coldy\over \coldx}=-{\xcol{x}\over \ycol{y}}$という式(前に図で考えた微分方程式で、答は円であった)は書き直すと$\ycol{y}\coldy = -\xcol{x} \coldx $と変数分離でき、$\int \ycol{y}\coldy = -\int\xcol{x} \coldx$と積分すれば \begin{equation} \begin{array}{rl} {\ycol{y}^2\over 2}=&-{\xcol{x}^2\over 2}+C \end{array} \end{equation} が出る($C$は積分定数)。結果を整理すると、$\xcol{x}^2 +\ycol{y}^2 = 2C$という半径$\sqrt{2C}$の円の式が出てくる。

 その$2C$の「2」はなくてもいいんでは?
 うん、なくてもいい。$C$は任意だからね。

 以下は、三つの実例をアニメーションと式で示した。

実例:ロケットの到達速度

 の話をした。

 噴射した後、ロケットの質量が$m+\mathrm dm$、噴射された燃料の質量が$-\mathrm dm$としていましたが、ロケットの質量を$m-\mathrm dm$、燃料の質量を$\mathrm dm$としちゃいけないんですか?
 いけません。$\mathrm dm$は「$m$の変化量」という意味を持つ記号ですから、変化後は$m+\mathrm dm$でないとダメ。実際、計算してみるとちゃんと$\mathrm dm < 0$になったでしょう。つまり「増えるか減るか」という部分の情報も、ちゃんと$\mathrm dm$の中に含まれているわけです。ここで「減っているから」と$m-\mathrm dm$などとしてしまうと、積分すると増えることになってしまいます。

実例:兵力自乗の法則

 の話をした。

実例:流行の方程式

 の話をした。

★テストに関するお知らせ
 来週がテストですが、テストではA41枚(裏使ってよし)の「自作カンニングペーパー」のみ、持ち込みを認めます。「自作」は友人との合作を含めます(コピーはダメ)。復習して勉強しつつ、まとめを作成して持ってきてください。

受講者の感想・コメント

 青字は受講者からの声、赤字は前野よりの返答です。

ロケットの質量$m$が減少するのに式を$m+\mathrm dm$とするのは$\mathrm dm$が負であること、$m+\mathrm dm$でないと積分がおかしくなることがわかりました。
一度、間違えたまま計算を続けてみてください(もちろん間違った答が出る)。

高校物理が間違っているとは思わなかった(←ロケットの噴射の問題)。
間違っているというよりは「理想化」なんです。理想化なので現実とは違う。状況によっては、現実との差はとても大きくなる、ということです

高校物理の方法は間違いだと聞いてびっくりしたが、話を聞くと確かに間違いだとわかった。自分でもこういうことに気づけるようになりたい。
いろいろ注意深く見てみてください。いろんなところで「理想化」して簡単にしている話があります。

ロケットを作っている人すごい。
うん、すごいんです。今日やったどころではない、いろんなことを考えて作ってます。

兵力自乗の法則が面白かった。科学に見えない社会も、つきつめたら化学反応や物理現象の一部でけっきょくは計算できるものなのかなぁ、と思った。
物理現象でも社会現象でも複雑になると変数やパラメータがどんどん増えて計算するのもたいへんになってきます。

微分方程式の応用範囲の広さに非常に驚かされた授業だった。でも「微分方程式はいろんなところに使えて便利」ではなく本質的には「微小な変化量が全体量やその他パラメータで数式としてモデリングすることができれば後は機械的に解析できる」ということだと思うので、その点をしっかり心に留めておきたい。
ほとんどの「法則」が微小変化量の間の関係で表現できるものになっているおかげですね。

流行の方程式は面白かったので、将来は商売人の道も視野に入れようと思いました。
数学で儲ける商売人ですね。

流行の微分方程式を見るに、数学がわかる人はどこいっても強いなという感じ。
ですね、数学はあらゆる場所で役に立つのです。

微分方程式の実例がいろいろとおもしろかった。
いろんなものに使えることがわかったでしょ。

来週のテストが不安ですが、しっかり勉強して備えたいと思います。
はい、がんばりましょう。

最後の最後まで分かりやすい授業を聞くことができ、幸せ者だなと実感することができたので良かったです。「自然科学のための数学II」も是非取りたいなと思いました。
ではまた後期に(^_^)。