数楽(微分方程式を使おう!) ~第4章 他分野への応用(上級編)~

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数楽(微分方程式を使おう!) ~第4章 他分野への応用(上級編)~ 数楽(微分方程式を使おう!) ~第4章 他分野への応用(上級編)~ 平成19年9月26日 技術1課 佐藤 強

第4章 他分野への応用(人口予測) 課題1:人口予測PartⅡ 1階線形微分方程式から1階非線形微分方程式で 人口の増加予測を調べてみよう! ←以前、この式を学びました。 ←今度はこの式を解いてみましょう。

第4章 他分野への応用(人口予測) おもむろに積分 一般解の完成!

第4章 他分野への応用(人口予測) 初期条件を代入して これが求める特殊解!

第4章 他分野への応用(人口予測) ←ここに注目!

第4章 他分野への応用(logistic) 課題2:ロジスティック微分方程式 より現実的なロジスティック微分方程式を解いてみよう! 実はこの式に従って、人口が増加すると 人口は∞になってしまいます。 そこで、人口が少ないとき目立たず、 人口が多くなってくると抑制できる項 ブレーキ項を付加する

第4章 他分野への応用(logistic) ここで、 として ←これがロジスティック微分方程式 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ さあ、これを解いてください。変数分離法を使って!

第4章 他分野への応用(logistic) ここまではOKですね。 変数が分離できました! ここでトリック! この式の変形のことを 部分分数分解といいます

第4章 他分野への応用(logistic) OKですか?

第4章 他分野への応用(logistic) これで一般解完成!

第4章 他分野への応用(logistic) いつものように 初期条件を代入して ←これがロジスティック方程式 の特殊解である この答えに想いを馳せる♪

第4章 他分野への応用(logistic) t が十分小さいとき t が十分大きいとき、分母の がゼロになる

第4章 他分野への応用(logistic) 指数関数的な人口爆発がロジスティック方程式の 非線形項によるブレーキ効果によって抑制されて 一定値Mに飽和するということが判りました!

第4章 他分野への応用(logistic) このような曲線をジクモイド曲線という。 人口の場合はあまりこの曲線に従わないが、菌や昆虫の個体数の増加はよく説明できるとのことである

第4章 他分野への応用(等加速度運動) 課題3:等加速度運動(空気抵抗考慮) 時刻 t=0 で静止している「十分小さな」物体を地球上で落下させるとき、t 秒後の速度を求めましょう!  但し、空気抵抗を考慮します。 空気抵抗 -bv 重力 -mg

第4章 他分野への応用(等加速度運動) この式どっかで見たことない? これは非斉次式の解法の形と同じです。 これは一般解

第4章 他分野への応用(等加速度運動) 初期条件t=0でv=0を代入 これが空気抵抗を受けながら落下する物体の速度

第4章 他分野への応用(等加速度運動) Excelでグラフを書いてみてください!

第4章 他分野への応用  (コンデンサー回路) 課題4:コンデンサー回路 図に示す電気回路に流れる電荷Qを求めてみよう! S R V0 C スイッチSを入れたとき 電荷 Q 又は電流 I を 求めてみましょう。

第4章 他分野への応用  (コンデンサー回路) これも同じ

第4章 他分野への応用  (コンデンサー回路) ここで、時定数RCを 1秒としてExcelで 電流Iのグラフを 書いてください!