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新微分積分Ⅱ改訂版 WEB Contents

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新微分積分Ⅱ 改訂版 シミュレーションコンテンツ

「新微分積分Ⅱ 改訂版」の学習に役立つシミュレーションコンテンツです。

1章 関数のグラフ上の点Pにおける$n$次近似式

関数$y=f(x)$の$x=a$における$n$次近似式は,
  $f(a)+f'(a)(x-a)+\dfrac{f''(a)}{2!}(x-a)^2+\cdots+\dfrac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n$
で与えられます。
関数を固定し,近似の次数を上げていくと,近似の精度がよくなり,赤い線の近似のグラフが黒い線の関数のグラフと重なる部分が増えていくのが見てとれます。
また,点Pと離れたところでは,近似の次数を上げても赤い線が黒い線に近づかない部分もあることがわかります。これは収束半径に関係があります。
曲線上で点Pを動かすと近似式のグラフは実に複雑な動きをすることが観察できます。

使い方

①まず,「1」から「7」の番号が書かれた青いボタンを1つ押すと,ボタンの左横にある関数のグラフが黒い線で表示されます。

②次に,近似の次数nについて「n=1」から「n=7」と書かれた黄色のボタンを1つ押すと,画面には,関数のグラフ上の点Pにおける近似式が表示され,そのグラフが赤い線で表示されます。

③点Pは曲線上を自由に動かすことができ,それに合わせて近似式とグラフも変化していきます。

④近似式とグラフを表示したまま,別の関数や近似の次数のボタンを押しても,それに合わせて表示は変化します。

制作:釧路工業高等専門学校 小谷泰介

1章 マクローリン展開の収束半径

関数$f(x)$の$n$次近似式$P_n(x)$のグラフについて,$n$の値を大きくしたとき,関数$f(x)$のグラフに近づく様子を観察します。
5つの関数$f(x)$,$y=\dfrac{1}{1-x}$, $y=\dfrac{2}{2-x}$, $y=\dfrac{3}{3-x}$, $y=\sin x$, $y=\cos x$について考えます。
これらの関数の$n$次近似式はそれぞれ以下のようになります。
ただし,( )内の$x$の値の範囲で,$n\to\infty$のとき$n$次近似式$P_n(x)$が関数$f(x)$に収束します。
  $\dfrac{1}{1-x}\fallingdotseq 1+x+x^2+x^3+\cdots+x^n$       ($|x|<1$)
  $\dfrac{2}{2-x}\fallingdotseq 1+\dfrac{1}{2}x+\dfrac{1}{4}x^2+\dfrac{1}{8}x^3+\cdots+\dfrac{1}{2^n}x^n$   ($|x|<2$)
  $\dfrac{3}{3-x}\fallingdotseq 1+\dfrac{1}{3}x+\dfrac{1}{9}x^2+\dfrac{1}{27}x^3+\cdots+\dfrac{1}{3^n}x^n$  ($|x|<3$)
  $\sin x\fallingdotseq x-\dfrac{1}{3!}x^3+\dfrac{1}{5!}x^5-\cdots+\dfrac{(-1)^n}{(2n+1)!}x^{2n+1}$ ($x$は任意の実数)
  $\cos x\fallingdotseq 1-\dfrac{1}{2!}x^2+\dfrac{1}{4!}x^4-\cdots+\dfrac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}$   ($x$は任意の実数)
最初の3つの$n$次近似式は,$n$がどんなに大きくなっても( )内の$x$の値の範囲外では関数$f(x)$に近づきませんが,最後の2つの$n$次近似式は,$n$が十分に大きくなれば,任意の実数で関数$f(x)$に近づきます。

使い方

①5つの関数のボタンが用意されていて,最初は関数「$y=\dfrac{1}{1-x}$」のボタンが選ばれています。左の赤い点はボタンの選択状態を表します。

②画面には$n$次近似式$P_n(x)$が表示されていて,関数$y=\dfrac{1}{1-x}$のグラフが黒色,$n$次近似式(最初は$n=0$で$0$次近似式)$y=1$のグラフが青色で表示されています.

③画面下の「$n=0$」と書かれた赤い点を右側に動かすと,$n$の値が増加し,$n$次近似式の青い線のグラフが変化します。

④他の関数でも近似の変化の様子を確認することができます。他の関数のボタンを選んで確認をしてみて下さい。

制作:木更津工業高等専門学校 山下哲

2章 鞍点

鞍点はsaddle pointという言葉から来ていて,saddle(サドル)は馬の鞍を表します。新微分積分Ⅱ改訂版p.49で扱っている関数$z=x^2-y^2$について,関数を実際動かして鞍点を観察することができます。

使い方

①「TH」の赤い点を上下に動かすとz軸が回転して視点を変えられます。

②「FI」の赤い点を左右に動かすとz軸のまわりを回転して視点を変えられます。

制作:長野工業高等専門学校 前田善文

2章 包絡線

使い方

①曲線群が書かれた7つのボタンが用意されていて,最初は「$y=\alpha^2x-4\alpha$」のボタンが選ばれています。左の赤い点はボタンの選択状態を表します。

②「Play」ボタンを押すと,パラメータ$\alpha$の値が変化しながら包絡線が表示されます。「Pause」ボタンは一時停止,「Rev」ボタンは巻き戻し,「Stop」ボタンはリセットです。
青い点はアニメーションの進み具合を表しますが,こちらで動かすことはできません。

③「Stop」ボタンの近くにある赤い点を動かしても包絡線を表示させることができます。赤い点を左右に動かすと,アニメーションを進めたり,戻したりすることができます。

④一度「Play」ボタンを押して,青い点が右端に行った状態になると,赤い点を使ってアニメーションを操作することはできないのでご注意下さい。

⑤他の曲線群でも包絡線を確認することができます。他の曲線群のボタンを選んで確認をしてみて下さい。

制作:弓削商船高等専門学校 久保康幸

3章 図形の重心

のコンテンツで,3点A$(a_x,a_y)$, B$(b_x,b_y)$, C$(c_x,c_y)$を頂点とする三角形の重心は,
  $\left(\dfrac{a_x+b_x+c_x}{3},\dfrac{a_y+b_y+c_y}{3}\right)$
で与えられます。点A, B, Cを動かすと,それにつれて重心Gも変化します。
のコンテンツで,$xy$平面上の図形$D$の重心は,
  $\left(\dfrac{\displaystyle\iint_D x\,dxdy}{\displaystyle\iint_{D}\,dxdy}, \dfrac{\displaystyle\iint_{D}y\,dxdy}{\displaystyle\iint_{D}\,dxdy}\right)$
で与えられます。さらに$D$が$x$軸と2点$(a,0)$, $(b,0)$ ($a < b$)で交わり,区間 $a < x < b$ で $f(x) >0$ である曲線 $y=f(x)$ と,$x$軸で囲まれた図形の場合は,
  $\displaystyle\iint_D \,dxdy=\int_a^b \left\{\int_0^{f(x)} \,dy\right\}\,dx=\int_a^b f(x)\,dx$
  $\displaystyle\iint_D x\,dxdy=\int_a^b \left\{\int_0^{f(x)} x\,dy\right\}\,dx=\int_a^b xf(x)\,dx$
  $\displaystyle\iint_D y\,dxdy=\int_a^b \left\{\int_0^{f(x)} y\,dy\right\}\,dx=\int_a^b \frac{1}{2}\{f(x)\}^2\,dx$
となります。
のコンテンツでは,重心Gは頂点Cのみに依存し,$x$軸との交点Bの位置には関係しないことが見てとれます。

使い方

のコンテンツでは三角形の重心を扱います。の番号が書かれた黄色のボタンを押すと,三角形ABCとその重心Gが座標平面上に表示されます。このとき点A,B,Cと重心Gの座標も表示されます。

②点A,B,Cはそれぞれ平面上で自由に動かせます。点の移動に合わせて,重心Gも移動していきます。

のコンテンツでは半円と軸で囲まれた図形の重心を扱います。の番号が書かれた黄色のボタンを押すと,$x$軸上の2点A, Bを直径の両端とする上半円と$x$軸で囲まれた図形の重心Gが座標平面上に表示されます。 このとき点A,Bと重心Gの座標や上半円の方程式も表示されます。

④点A,Bはそれぞれ$x$軸上で自由に動かせます。点の移動に合わせて,重心Gも移動していきます。

のコンテンツでは放物線と軸で囲まれた図形の重心を扱います。の番号が書かれた黄色のボタンを押すと,点Cを頂点として$x$軸上の点Bを通る放物線と$x$軸で囲まれた図形の重心Gが座標平面上に表示されます。 このとき点B,Cと重心Gの座標や放物線の方程式も表示されます。

⑥点Bは$x$軸上で自由に動かせて,点Cは平面上で自由に動かせます。点の移動に合わせて,重心Gも移動していきます。

制作:釧路工業高等専門学校 小谷泰介

4章 定数係数2階線形微分方程式の解曲線

斉次微分方程式のコンテンツでは,解曲線の形が微分方程式の係数$a$,$b$や初期値$c$,$d$に応じて連続的に変化していく様子を観察できます。特性方程式の判別式$D=a^2-4b$の値も解曲線の下側に表示しました。
特に,$D<0$となるように$a$,$b$の値を選んだとき,解曲線は$e^{-\frac{at}{2}}$と正弦関数の積のグラフとなります。そのため,$a<-1$のときは,グラフが画面からはみ出すほど大きく波打ちます。$|a|<1$程度の方が観察はしやすいです。
$D \geqq 0$のときは,解曲線は指数関数の線形結合または指数関数と$1$次関数の積となるため,グラフは$D<0$のときのようには波打ちません。
一方,非斉次微分方程式のコンテンツは,解曲線の形が微分方程式の係数$a$,$b$,$c$や初期値$d$に応じて連続的に変化していく様子を観察できます。上の斉次微分方程式が補助方程式であるため,その特性方程式の判別式$D$の符号に応じた解曲線の形の特徴は,大まかには一致します。
ただし,微分方程式の右辺が$c\sin t$であるため,$D \geqq 0$のときでもグラフの形は多少変化に富むようになります。

使い方

①「斉次」ボタンを押すと,斉次微分方程式
 $\displaystyle{\frac{d^2x}{dt^2}+a\frac{dx}{dt}+bx=0}$ ($t=-4$のとき$x=c$,$\displaystyle{\frac{dx}{dt}=d}$)
の解曲線が表示されます。初期設定は$a=0$,$b=2$,$c=1$,$d=0$で,これらの数値を代入した微分方程式の式や特性方程式の判別式も表示されます。

②$a$の横の線上にある赤い点を左右にドラッグすると,値を$-4\leqq a \leqq 4$の範囲で変えることができて,解曲線のグラフは変化していきます。$b$,$c$,$d$についても同様です。

③「非斉次」ボタンを押すと,非斉次微分方程式
 $\displaystyle{\frac{d^2x}{dt^2}+a\frac{dx}{dt}+bx=c\sin t}$ ($t=0$のとき$x=1$,$\displaystyle{\frac{dx}{dt}=d}$)
の解曲線が表示されます。こちらの初期設定も$a=0$,$b=2$,$c=1$,$d=0$で,これらの数値を代入した微分方程式の式や特性方程式の判別式も表示されます。

④$a$の横の線上にある赤い点を左右にドラッグすると,値を$-4\leqq a \leqq 4$の範囲で変えることができて,解曲線のグラフは変化していきます。$b$,$c$,$d$についても同様です。

⑤「Rset」ボタンを押すとリセットされます。

制作:鹿児島工業高等専門学校 拜田稔

4章 2階線形微分方程式の解曲線 ボールの投げ上げ

地上からの高さが $C\rm{[m]}$ のところから,ボールを斜め上の方向に投げます。ボールに働く力は重力だけとして,重力加速度を $g=9.8\rm{[m/s^2]}$,ボールの水平方向の初速度を $A\rm{[m/s]}$,鉛直方向の初速度を$B\rm{[m/s]}$ とします。ただし,$A,B,C$は正の定数とします。
時刻 $t\rm{[s]}$ のときの,ボールの位置を$(x(t),y(t))$とすると $x(t),y(t)$の満たす微分方程式は次のように表されます。
  $\displaystyle{\frac{d^2x}{dt^2}=0,\ \frac{dx}{dt}(0)=A,\ x(0)=0}$
  $\displaystyle{\frac{d^2y}{dt^2}=-9.8,\ \frac{dy}{dt}(0)=B,\ y(0)=C}$
「ボールの投げ上げ」では,この微分方程式の解 $(x(t),y(t))=(At, -4.9t^2+Bt+C)$ のグラフを確認します。

使い方

①$A$の横の線上にある赤い点を左右にドラッグして,$y$軸上の青い点$C$から出ているベクトルの$x$成分を決めます。ボールの水平方向の初速度が$A\rm{[m/s]}$になります。

②$B$の横の線上にある赤い点を左右にドラッグして,$y$軸上の青い点$C$から出ているベクトルの$y$成分を決めます。ボールの鉛直方向の初速度が$B\rm{[m/s]}$になります。

③$C$の横の線上にある赤い点を左右にドラッグして,$y$軸上の青い点$C$の位置を決めます。地上からの高さが$C\rm{[m]}$のところからボールを投げます。

④「Play」ボタンを押すとボールの運動の様子を確認できます。

⑤「Rset」ボタンを押すとリセットされます。

制作:都立産業技術高等専門学校品川キャンパス 篠原知子

5章 円錐と円柱の相関

新微分積分Ⅱ改訂版p.152問2では,円錐と円柱の共通部分の体積について考えます。このコンテンツでは,円錐と円柱が重なってできる立体を実際に動かして観察することができます。

使い方

①「TH」の赤い点を上下に動かすとz軸が回転して視点を変えられます。

②「FI」の赤い点を左右に動かすとz軸のまわりを回転して視点を変えられます。

制作:長野工業高等専門学校 前田善文

5章 球面と円柱の相関

新微分積分Ⅱ改訂版p.152例題2では,半球の内部にある円柱の体積について考えます。このコンテンツでは,半球と円柱が重なってできる立体を実際に動かして観察することができます。

使い方

①「TH」の赤い点を上下に動かすとz軸が回転して視点を変えられます。

②「FI」の赤い点を左右に動かすとz軸のまわりを回転して視点を変えられます。

制作:長野工業高等専門学校 前田善文

新微分積分Ⅱ 改訂版 反復練習プリント

基礎学力に自信のない方のための反復練習のプリントです。基本的な内容に絞って,1つのテーマにつき3回分の類題を用意しています。類題に繰り返し取り組むことで,基礎学力を重点的に身につけられます。自学自習もできるように解答編の解説には途中式や説明を加えるようにしています。

著者:岡崎貴宣(岐阜工業高等専門学校教授)/岡田章三(岐阜工業高等専門学校名誉教授)/篠原知子(都立産業技術高等専門学校品川キャンパス教授)/山岸弘幸(都立産業技術高等専門学校品川キャンパス准教授)

プリントの一括ダウンロードは こちら

1章 関数の展開
2章 偏微分
3章 重積分
問題 解答
1.「2重積分の計算(その1)」 第1回
第2回
第3回
2.「2重積分の計算(その2)」 第1回
第2回
第3回
3.「2重積分の計算(その3)」 第1回
第2回
第3回
4.「極座標による2重積分(その1)」 第1回
第2回
第3回
5.「極座標による2重積分(その2)」 第1回
第2回
第3回
6.「極座標による2重積分(その3)」 第1回
第2回
第3回
7.「極座標による2重積分(発展その1)」 第1回
第2回
第3回
8.「極座標による2重積分(発展その2)」 第1回
第2回
第3回
4章 微分方程式