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編入数学

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    • 指数関数・対数関数
    • 極限・数列・級数
    • 微分
    • 積分
    • 不定積分
    • 偏微分
    • ラグランジュの未定乗数法
    • 微分方程式
  • 複素解析
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    • 複素関数
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    • 固有値・行列の対角化
  • ベクトル解析
    • 微分演算子
    • 勾配、回転、発散
    • 線積分・面積分
  • 確率
    • 数学的確率
    • ベイズの定理
    • 確率密度関数
  • フーリエ変換
  • ラプラス変換
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解析学

三角関数

単位円上を動く動径\thetaとの交点の座標を(x,y)とするとき

\begin{aligned} x &= \cos\theta \\ y &= \sin\theta \\ \tan\theta &= \frac{x}{y} = \frac{\sin\theta}{\cos\theta} \\ \end{aligned}
三角関数の基本性質

三角関数の周期性
nを整数として

\begin{aligned} \sin\theta &= \sin(\theta + 2n\pi) \\ \cos\theta &= \cos(\theta + 2n\pi) \\ \tan\theta &= \tan(\theta + n\pi) \\ \end{aligned}

対称性

\begin{aligned} \sin(-\theta) &= -\sin\theta \\ \cos(-\theta) &= \cos\theta \\ \tan(-\theta) &= -\tan\theta \\ \end{aligned}

平行移動

\begin{aligned} \sin(\theta + \frac{\pi}{2}) &= \cos\theta \\ \cos(\theta + \frac{\pi}{2}) &= -\sin\theta \\ \tan(\theta + \frac{\pi}{2}) &= -\frac{1}{\tan\theta} \\ \sin(\frac{\pi}{2} - \theta) &= \cos\theta \\ \cos(\frac{\pi}{2} - \theta) &= \sin\theta \\ \tan(\frac{\pi}{2} - \theta) &= \frac{1}{\tan\theta} \\ \sin(\theta + \pi) &= -\sin\theta \\ \cos(\theta + \pi) &= -\cos\theta \\ \end{aligned}
三角関数の定理・公式

三平方の定理より

\begin{aligned} \sin^2\theta + \cos^2\theta &= 1 \\ \therefore \tan^2\theta + 1 &= \frac{1}{\cos^2\theta} \\ \end{aligned}

加法定理

\begin{aligned} \sin(\alpha \pm \beta) &= \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta \\ \cos(\alpha \pm \beta) &= \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta \\ \end{aligned}

倍角の公式(加法定理より\beta\alphaを代入して導出)

\begin{aligned} \sin 2\alpha &= 2\sin\alpha\cos\alpha \\ \cos 2\alpha &= 2\cos^2\alpha - 1 \\ &= 1 - 2\sin^2\alpha \\ \end{aligned}

半角の公式

\begin{aligned} \sin^2 \alpha &= \frac{1 - \cos 2\alpha}{2} \\ \cos^2 \alpha &= \frac{1 + \cos 2\alpha}{2} \\ \end{aligned}

積和の公式(加法定理を変形して導出。)

\begin{aligned} \sin\alpha\cos\beta &= \frac{1}{2} \{ \sin(\alpha+\beta) + \sin(\alpha-\beta) \} \\ \cos\alpha\cos\beta &= \frac{1}{2} \{ \cos(\alpha+\beta) + \cos(\alpha-\beta) \} \\ \sin\alpha\sin\beta &= -\frac{1}{2} \{ \cos(\alpha+\beta) - \cos(\alpha-\beta) \} \\ \end{aligned}

和積の公式(積和の公式の逆)

\begin{aligned} \sin A + \sin B &= 2\sin\frac{A+B}{2}\cos\frac{A-B}{2} \\ \sin A - \sin B &= 2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2} \\ \cos A + \cos B &= 2\cos\frac{A+B}{2}\cos\frac{A-B}{2} \\ \cos A - \cos B &= -2\sin\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2} \\ \end{aligned}

三角関数の合成

a\sin\theta + b\cos\theta = \sqrt{a^2+b^2}\sin(\theta + \alpha)
逆三角関数

三角関数の逆関数を定義する

\begin{aligned} y &= \sin^{-1} x & (-\frac{\pi}{2} \le x \le \frac{\pi}{2}) \\ y &= \cos^{-1} x & (0 \le x \le \pi) \\ y &= \tan^{-1} x \\ \end{aligned}

指数関数

y = a^x
対数関数の基本性質
\begin{aligned} e^0 &= 1 \\ e^ae^b &= e^{a+b} \\ \end{aligned}

対数関数

指数関数の逆関数。すなわちx = a^y

\begin{aligned} y &= \log_a x & (0 < x) \\ \end{aligned}
対数関数の基本性質
\begin{aligned} \log_c(ab) &= \log_c a + \log_c b \\ \log_c a^b &= b\log_c a \\ \log_c c &= 1 \\ \log_c a &= \frac{\log_b a}{\log_b c} \\ \end{aligned}
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極限

e = \lim_{s \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{s} \right)^s
\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

ロピタルの定理
関数f(x),g(x)が「ある条件」を満たすならば

\begin{aligned} \lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} &= \lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)} \\ \end{aligned}
ロピタルの定理を使用するための「ある条件」
  1. \lim\limits_{x \to a}f(x) = \lim\limits_{x \to a}g(x)0または\pm \infty
  2. aを除いたa近傍においてg'(x) \neq 0
  3. \lim\limits_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)}が存在

数列

漸化式によって表されるある数列a_{n}b_nに変形。

\begin{aligned} a_{n+1} &= pa_n+ q \\ a_{n+1} - \alpha &= p(a_n - \alpha) \\ b_{n+1} &= pb_n \\ & (\because\ b_{n} = a_n - \alpha)\\ \end{aligned}

級数

初項a、公比rの等比級数の部分和

S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}

|r| < 1かつn \to \inftyのとき

S_\infty = \frac{a}{1-r}
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微分

ある関数f(x)の点xにおける接線の傾きを求める。

\frac{d}{dx}f(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}

このとき\frac{d}{dx}f(x) = f'(x)と示し、これをf(x)の導関数と呼ぶ。

初等関数の微分
\begin{aligned} (x^a)' &= ax^{a-1} \\ (a^x)' &= a^x\log x \\ (\log x)' &= \frac{1}{x} \\ (\sin x)' &= \cos x \\ (\cos x)' &= \sin x \\ (\tan x)' &= \frac{1}{\cos^2x} \\ (\sin^{-1}x)' &= \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ (\cos^{-1}x)' &= -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ (\tan^{-1}x)' &= \frac{1}{1+x^2} \\ \end{aligned}
微分の性質

線型性

\{ af(x)+bg(x) \}' = af'(x) + bg'(x)

合成関数の微分

\{ f(g(x)) \}' = f'(g(x))g'(x)

積の微分

\{ f(x)g(x) \}' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)

商の微分

\left\{ \frac{f(x)}{g(x)} \right\}' = \frac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{ \{g(x)\}^2 }
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対数微分法

y = a^xのような指数を持つ関数を微分するときに、両辺の対数を取ってから微分する手法。

\begin{aligned} y &= a^x \\ \log y &= \log a^x \\ &= x \log a \\ (\log y)' &= (x \log a)' \\ \frac{1}{y} y' &= \log a \\ y' &= y \log a \\ &= a^x \log a \\ \end{aligned}
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偏微分

多変数関数f(x, y, ...)に関して、ある変数xに対する接線の傾きを求める。

\frac{\partial f}{\partial x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x + \Delta x, y, ...) - f(x, y, ...)}{\Delta x}

この操作を偏微分とよび、\frac{\partial f}{\partial x} = f_xを関数fxに関する偏導関数と呼ぶ。

全微分

多変数関数f(x, y, ...)の各変数がそれぞれx \to x + dxy \to y + dyと変化するとき、

\begin{aligned} df &= f(x + dx, y + dy, ...) - f(x, y, ...) \\ &= \frac{\partial f}{\partial x}dx + \frac{\partial f}{\partial y}dy + ... \\ &= f_x dx + f_y dy + ... \\ \end{aligned}

チェインルール

z = f(x,y)かつx = x(u,v),y = y(u,v)で表されるとき、

\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial u} &= \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial u} \\ \frac{\partial z}{\partial v} &= \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v} \\ \end{aligned}

接平面の方程式

ある曲線がz = f(x,y)と表されるとき、点(x_0,y_0)での接平面は

z_0:z切片
A:x方向の傾き
B:y方向の傾き

\begin{aligned} z - f(x_0,y_0) &= f_x(x_0,y_0)(x - x_0) + f_y(x_0,y_0)(y - y_0) \\ z - z_0 &= A(x - x_0) + B(y - y_0) \\ \end{aligned}

ある曲線がF(x,y,z)=0で表される場合、点(x_0,y_0,z_0)での接平面は

x方向の傾き:A=F_x(x_0,y_0,z_0)
y方向の傾き:B=F_y(x_0,y_0,z_0)
z方向の傾き:C=F_z(x_0,y_0,z_0)

A(x - x_0) + B(y - y_0) + C(z - z_0) = 0
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2変数関数の極値

2変数関数f(x,y)の極値を求めるとき

初めに極値となりうる点(停留点)を求める。
f_x=f_y=0を満たす点が停留点。

ヘッセ行列(ヘッシアン)を以下のように定義する。

\begin{aligned} H(x,y) &= \begin{vmatrix} f_{xx} & f_{xy} \\ f_{xy} & f_{yy} \\ \end{vmatrix} \\ &= f_{xx}\cdot f_{yy} - (f_{xy})^2 \end{aligned}

停留点(a,b)において

  • H(a,b) > 0ならば極値をとり、その点で
    • f_{xx}>0ならば極小。
    • f_{xx}<0ならば極大。
  • H(a,b) < 0ならば極値をとらない。
  • H(a,b) = 0ならばヘッシアンでは判別不能。個別に極値の判定を行う必要がある。
ヘッシアンが0のときの対処法

H(a,b) = 0のときの対処法1
その点が鞍点であることを示す。
x=0,y=0のような適当な2平面で切り取ったときの傾きの変化率を調べる。それらが異符号である場合、2方向から異なる近づき方をしたときに一方では極大、もう一方では極小となるので鞍点。すなわち極値をとらない。

H(a,b) = 0のときの対処法2
その点で極値をとることを示す。
f(a+h,b+g)>f(a,b)またはf(a+h,b+g)<f(a,b)を示す。

https://www.momoyama-usagi.com/entry/math-analysis20
https://youtu.be/9MO8R2xr-l0?si=z7rnObH4DeJZPUnU

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ラグランジュの未定乗数法

束縛条件g(x,y)=0のもとで関数f(x,y)が最大となる点をもとめる

L(x,y,\lambda) = f(x,y) - \lambda g(x,y)とおけば

\frac{\partial g}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y} = 0 \\

を満たすか、または点(a,b)において極値をとり

\frac{\partial L}{\partial x} = \frac{\partial L}{\partial y} = \frac{\partial L}{\partial \lambda} = 0 \\

が成り立つ。

2変数の例

x^2+y^2=1のもとでf(x,y)= 2x + 3yを最大化する。
g(x,y)=x^2+y^2-1とおいて、L(x,y,\lambda) = 2x + 3y - \lambda(x^2+y^2-1)

\left\{ \, \begin{aligned} L_x &= f_x - \lambda g_x = 0 \\ L_y &= f_y - \lambda g_y = 0 \\ L_\lambda &= g = 0 \\ \end{aligned} \right. \\ \Rightarrow \left\{ \, \begin{aligned} & 2 - 2x\lambda = 0 \\ & 3 - 2y\lambda = 0 \\ & x^2+y^2-1 = 0 \\ \end{aligned} \right. \\ \therefore (x,y) = (\pm \frac{2}{\sqrt{13}}, \pm\frac{3}{\sqrt{13}}) \quad (複合同順)
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積分

微分してf(x)になる関数F(x)f(x)の原始関数という。

\{ F(x) \}' = f(x)

原始関数F(x)を求めることを積分という。

\int f(x) \,dx = F(x)
積分の性質

置換積分
積分変数xを媒介変数tによる関数x(t)で表せる場合、xtによる微分を\frac{dx}{dt}として

\int f(x) \,dx = \int f(x(t)) \frac{dx}{dt} \,dt

部分積分

\int f'(x)g(x) \,dx = f(x)g(x) - \int f(x)g'(x) \,dx

または\int f(x) \,dx=F(x)として

\int f(x)g(x) \,dx = F(x)g(x) - \int F(x)g'(x) \,dx

定積分

aから点bまでの関数f(x)の面積を求めるとき、以下のように示し、定積分と呼ぶ。

\int_a^b f(x) dx = F(b) - F(a)
定積分の性質

積分区間に対する性質

\begin{aligned} \int_a^c f(x) dx + \int_c^b f(x) dx &= \int_a^b f(x) dx \\ \int_a^b f(x) dx &= -\int_b^a f(x) dx \\ \end{aligned}

偶関数:g(x)、奇関数:h(x)とする。

\begin{aligned} \int_a^a g(x) dx &= 2\int_0^a g(x) dx \\ \int_a^a h(x) dx &= 0 \\ \end{aligned}

置換積分
積分変数xを媒介変数tによる関数x(t)で表せる場合、xtによる微分を\frac{dx}{dt}として、x:a \to bのときt:\alpha \to \betaならば

\int_a^b f(x) dx = \int_\alpha^\beta f(x(t)) \frac{dx}{dt} dt

部分積分

\int_a^b f'(x)g(x) dx = \left[f(x)g(x)\right]_a^b - \int_a^b f(x)g'(x) dx

重積分

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図形の積分

回転体の体積

y=f(x)で表される曲線のx=a,x=bx軸によって囲まれる図形

x軸を中心に回転した図形の体積
x地点でカットした断面積をS_x(x)=\pi y^2として、そこからdx進んだときの微小体積

\begin{aligned} dV &= S_x(x) \,dx \\ &= \pi y^2 \,dx \\ \therefore\ V &= \int_a^b \pi \{f(x)\}^2 \,dx \\ \end{aligned}

y軸を中心に回転した図形の体積
バームクーヘン積分を使用する。
半径x、高さyの円筒の表面積をS_y(x)として、そこからdx進んだときの微小体積(バームクーヘンの1層の体積)

\begin{aligned} dV &= S_y(x) \,dx \\ &= 2\pi x \cdot y \,dx \\ \therefore\ V &= \int_a^b 2\pi x f(x) \,dx \\ \end{aligned}

曲線の長さ

\begin{aligned} dL &= \sqrt{dx^2+dy^2} \\ &= \sqrt{1+(\frac{dy}{dx})^2} \,dx \\ L &= \int_a^b \sqrt{1+(\frac{dy}{dx})^2} \,dx \\ \end{aligned}

x,yが媒介変数tで表される場合の曲線の長さ

\begin{aligned} dL &= \sqrt{dx^2+dy^2} \\ &= \sqrt{(\frac{dx}{dt})^2+(\frac{dy}{dt})^2} \,dt \\ L &= \int_\alpha^\beta \sqrt{(\frac{dx}{dt})^2+(\frac{dy}{dt})^2} \,dt \\ \end{aligned}

y軸を中心に回転した図形の側面積

\begin{aligned} dS &= 2\pi y \,dL \\ &= 2\pi y \sqrt{1+(\frac{dy}{dx})^2} \,dx \\ S &= \int_a^b 2\pi f(x) \sqrt{1+(f'(x))^2} \,dx \\ \end{aligned}
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置換積分のテクニック

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三角関数の積分

\tan\frac{x}{2}=tと置換すれば、三角関数による全ての関数を有理数の形に変形できる\Rightarrow積分できる。

このとき、

\begin{aligned} \sin x &= \frac{2t}{1+t^2} \\ \cos x &= \frac{1-t^2}{1+t^2} \\ dx &= \frac{2}{1+t^2} dt \\ \end{aligned}

すなわち、\tan\frac{x}{2}=tの置換のもとで

\int f(\sin x, \cos x) dx = \int f(\frac{2t}{1+t^2},\frac{1-t^2}{1+t^2}) \cdot \frac{2}{1+t^2} dt
導出

下記3公式を元に導出できる。

\begin{aligned} \sin x &= 2\sin\frac{x}{2}\cos\frac{x}{2} \\ \cos x &= 2\cos^2\frac{x}{2} - 1 \\ \cos^2\frac{x}{2} &= \frac{1}{1+\tan^2\frac{x}{2}} \\ \end{aligned}

txで微分。

\begin{aligned} \frac{dt}{dx} &= (\tan\frac{x}{2})' \\ &= \frac{1}{2\cos^2\frac{x}{2}} \\ &= \frac{1+\tan^2\frac{x}{2}}{2} \\ &= \frac{1+t^2}{2} \\ \therefore dx &= \frac{2}{1+t^2}dt \\ \end{aligned}

\sin x = \cos x \tan xより

\begin{aligned} \sin x &= 2\sin\frac{x}{2}\cos\frac{x}{2} \\ &= 2\cos^2\frac{x}{2}\tan\frac{x}{2} \\ &= \frac{2\tan\frac{x}{2}}{1+\tan^2\frac{x}{2}} \\ &= \frac{2t}{1+t^2} \\ \end{aligned}
\begin{aligned} \cos x &= 2\cos^2\frac{x}{2} - 1 \\ &= \frac{2}{1+\tan^2\frac{x}{2}} - 1 \\ &= \frac{2-(1+\tan^2\frac{x}{2})}{1+\tan^2\frac{x}{2}} \\ &= \frac{1-t^2}{1+t^2} \\ \end{aligned}

またこのとき

\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}= \frac{2t}{1-t^2}
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無理関数の積分

原則として無理関数は積分が出来ない・難しいので、置換によって有理関数の形に変形する。
その方法をいくつかのパターンに分けて考える。

⑴ ルートの中が1次式の場合、ルートごとtと置いて置換する。(\sqrt{ax+b}=tとおく。)

例:\sqrt{x+3}=tとおくと

x+3=t^2 \Rightarrow x=t^2-3 \\ \therefore \frac{dx}{dt}=2t \Rightarrow dx = 2t\,dt \\ \therefore \int \frac{\sqrt{x+3}}{x} dx = \int \frac{t}{t^2-3} \cdot 2t \,dt
特殊な例

\sqrt{\frac{ax+b}{cx+d}} = tとおく。

\begin{aligned} \frac{ax+b}{cx+d} &= t^2 \\ ax+b &= (cx+d)t^2 \\ x(a-ct^2) &= dt^2-b \\ x &= \frac{dt^2-b}{a-ct^2} \\ \end{aligned}

\sqrt{a^2-x^2}の場合、x=a\sin tとおく。

三角関数による置換の例
\begin{aligned} x &= a\sin t \\ dx &= a\cos t \,dt \\ \sqrt{a^2-x^2} &= \sqrt{a^2(1-\sin^2 t)} \\ &= \sqrt{a^2\cos^2 t} \\ &= a\cos t \\ \int \sqrt{a^2-x^2} dx &= \int a\cos t \cdot a\cos t \,dt \\ &= \int a^2 \cos^2 t \,dt \\ &= \int \frac{a^2}{2}(1+\cos2t) \,dt \\ \end{aligned}

x=a\cos tとおいてもよい。

\begin{aligned} x &= a\cos t \\ dx &= -a\sin t \,dt \\ \sqrt{a^2-x^2} &= \sqrt{a^2(1-\cos^2 t)} \\ &= a\sin t \\ \int \sqrt{a^2-x^2} \,dx &= \int a\sin t \cdot (-a\sin t) \,dt \\ &= \int a^2\sin^2 t \,dt \\ &= \int \frac{a^2}{2}(1-\cos2t) \,dt \\ \end{aligned}

\sqrt{A+2Bx-Cx^2}の場合、平方完成して\sqrt{a^2-(\frac{x-B}{C})^2}に持っていく。

\sqrt{a^2 + x^2}の場合、x=a\tan tとおく。(分子にある場合、非推奨)

tan tによる置換
\begin{aligned} x &= a\tan t \\ dx &= \frac{a}{\cos^2 t} \,dt \\ \sqrt{a^2 + x^2} &= \sqrt{a^2(1+\tan^2t)} \\ &= \sqrt{\frac{a^2}{\cos^2 t}} \\ &= \frac{a}{\cos t} \\ \int \frac{1}{ \sqrt{a^2 + x^2} } dx &= \int \frac{\cos t}{a} \cdot \frac{a}{\cos^2 t} \,dt \\ &= \int \frac{1}{\cos t} \,dt \\ \end{aligned}

分子にある場合

\sqrt{A + x^2}があり、x^nがかかっている場合

Ⅰ. nが奇数のとき、\sqrt{A + x^2}=t

置換例
\begin{aligned} \sqrt{A + x^2} &= t \\ A + x^2 &= t^2 \\ x \,dx &= t \,dt \\ \int \frac{1}{x\sqrt{A + x^2}} \,dx &= \int \frac{1}{x^2\sqrt{A + x^2}} \cdot x \,dx \\ &= \int \frac{t}{(t^2 - A)t} \,dt \\ &= \int \frac{1}{t^2 - A} \,dt \\ \end{aligned}

Ⅱ. nが偶数のとき、x+\sqrt{A + x^2}=t

置換例
\begin{aligned} t &= x + \sqrt{A + x^2} \\ dt &= (1 + \frac{x}{\sqrt{A + x^2}}) \,dx \\ &= \frac{x + \sqrt{A + x^2}}{\sqrt{A + x^2}} \,dx \\ &= \frac{t}{\sqrt{A + x^2}} \,dx \\ \frac{1}{t} \,dt &= \frac{1}{\sqrt{A + x^2}} \,dx \\ \int \frac{1}{\sqrt{A + x^2}} \,dx &= \int \frac{1}{t} \,dt \\ &= \log |t| + C \\ &= \log (x + \sqrt{A + x^2}) + C \\ \end{aligned}

別の変形

\begin{aligned} \sqrt{A + x^2} &= t-x \\ A + x^2 &= t^2 - 2tx + x^2 \\ 2tx &= t^2 - A \\ x &= \frac{t^2 - A}{2t} \\ dx &= \frac{t^2 + A}{2t^2} \,dt \\ \sqrt{A + x^2} &= t - \frac{t^2 - A}{2t} \\ &= \frac{2t^2 - (t^2 - A)}{2t} \\ &= \frac{t^2 + A}{2t} \\ \int \frac{1}{\sqrt{A + x^2} } \,dx &= \int \frac{2t}{t^2 + A} \cdot \frac{t^2 + A}{2t^2} \,dt \\ &= \int \frac{1}{t} \,dt \\ \end{aligned}

Ⅲ. 双曲線関数を用いてx = a\sinh t (= a\frac{e^t - e^{-t} }{2})と置換

置換例
\begin{aligned} x &= a\sinh t \\ dx &= a\cosh \,dt \\ \sqrt{a^2 + x^2} &= \sqrt{a^2(1 + \sinh^2)} \\ &= a\cosh t \\ \int \sqrt{a^2 + x^2} \,dx &= \int a\cosh t \cdot a\cosh t \,dt \\ &= a^2\int \cosh^2 t \,dt \\ &= \frac{a^2}{2} \int (1 +\cosh 2t) \,dt \\ &= \frac{a^2}{2} (t +\frac{1}{2} \sinh 2t) \,dt \\ &= \frac{a^2}{2} (t +\sinh t\cosh t) \,dt \\ &= \frac{a^2}{2} \sinh^{-1}\frac{x}{a} + \frac{x}{2}\sqrt{x^2 + a^2} \,dt \\ &= \frac{1}{2} (a^2\log(x + \sqrt{x^2 + a^2}) + x\sqrt{x^2 + a^2} ) \,dt \\ \end{aligned}
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King Property

\begin{aligned} \int_a^b f(x) \,dx = \int_a^b f(a+b-x) \,dx \end{aligned}
証明

x = a + b - tと置換積分。
x:a \to bのとき、t: b \to a
dx = - dt

\begin{aligned} \int_a^b f(x) \,dx &= \int_b^a f(a+b-t) \cdot ( -dt) \\ &= \int_a^b f(a+b-t) \,dt \\ &= \int_a^b f(a+b-x) \,dx \\ \end{aligned}

例題1

\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{x\sin x}{1 + \sin^2 x} \,dx \end{aligned}
解法

x = \pi - tと置換すると、dx=-dtx:0 \to \piのときt:\pi\to 0

\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{x\sin x}{1 + \sin^2 x} \,dx &= \int_0^{\pi} \frac{(\pi -x)\sin(\pi -x)}{1 + \sin^2(\pi -x)} \,dx \\ &= \int_0^{\pi} \frac{(\pi -x)\sin x}{1 + \sin^2 x} \,dx \\ &= \frac{1}{2} \int_0^{\pi} \frac{x\sin x + (\pi -x)\sin x}{1 + \sin^2 x} \,dx \\ &= \frac{\pi}{2} \int_0^{\pi} \frac{\sin x}{1 + \sin^2 x} \,dx \\ \end{aligned}

例題2

\begin{aligned} \int_0^\frac{\pi}{2} \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} \,dx \end{aligned}
解法

x = \frac{\pi}{2} - tと置換すると、dx=-dtx:0 \to \frac{\pi}{2}のときt:\frac{\pi}{2} \to 0

\begin{aligned} \int_0^\frac{\pi}{2} \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} \,dx &= \int_0^\frac{\pi}{2} \frac{\cos x}{\sin x + \cos x} \,dx \\ &= \int_0^\frac{\pi}{2} \frac{\sin x + \cos x}{\sin x + \cos x} \,dx \\ &= \int_0^\frac{\pi}{2} \,dx \\ &= \frac{\pi}{2} \\ \end{aligned}
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微分方程式

yとその微分によって表現される方程式を満たす一般解y=f(x)を求める。

微分方程式の基本性質

基本的に解の一意性がある。
解は線形独立な基本解の組によって構成される。
n階ならばn個の基本解を持つ。
基本解の線型結合によって一般解を表現できる。

同次方程式の解法

\begin{aligned} y' + p(x)y &= 0 \\ \end{aligned}

線形一階同次方程式の解の公式

変数分離形
\begin{aligned} y' &= xy \\ \frac{dy}{dx} &= 2xy \\ \frac{dy}{y} &= 2x \,dx \\ \int \frac{1}{y} \,dy &= \int 2x \,dx \\ \log|y| &= x^2 + C \\ |y| &= e^{x^2 + C} \\ &= e^C e^{x^2} \\ y &= \pm e^C e^{x^2} \\ &= A e^{x^2} & (\because A := \pm e^C) \\ \end{aligned}
同次形

u=\frac{y}{x}とおくと、y' = u'x + u

\begin{aligned} y' &= \frac{x^2 + y^2}{xy} \\ &= \frac{x^2}{xy} + \frac{y^2}{xy} \\ &= \frac{x}{y} + \frac{y}{x} \\ u'x + u &= \frac{1}{u} + u \\ \frac{du}{dx} x &= \frac{1}{u} \\ u \,du &= \frac{1}{x} \,dx \\ \int u \,du &= \int \frac{1}{x} \,dx \\ \frac{1}{2} u^2 &= \log|x| + C \\ \frac{y^2}{x^2} &= 2\log|x| + C \\ y^2 &= 2x^2\log|x| + C \\ \end{aligned}
特性方程式

解の1つをy=e^{\lambda x}と予想すると

\begin{aligned} y'' - 3y' + 2y &= 0 \\ \lambda^2 e^{\lambda x} - 3\lambda e^{\lambda x} + 2 e^{\lambda x} &= 0 \\ \lambda^2 - 3\lambda + 2 &= 0 \\ \lambda &= 1,2 \\ \end{aligned}

すなわちe^x,e^2xは解の1つである。

\therefore\ y = Ae^x + Be^2x
重複度

求めた基本解が線形従属の場合、xをかけて基本解とする。

\begin{aligned} y'' + 4y' + 4y &= 0 \\ \lambda^2 + 4\lambda + 4 &= 0 \\ \lambda &= -2 \quad (2重解) \\ \end{aligned}

よってe^{-2x}の解が重複するため、xe^{-2x}を基本解のひとつとして

\begin{aligned} y &= Axe^{-2x} + Be^{-2x} \\ &= (Ax + B)e^{-2x} \\ \end{aligned}
特殊解

y(0)=1y'(0)=0などの初期値が与えられた際の特定の解を特殊解という。

例:y(0)=1,y'(0)=0の初期条件のもとで、y''+ \omega^2y=0の特殊解を求める。

\begin{aligned} y''+ \omega^2y &= 0 \\ \lambda^2 + \omega^2 &= 0 \\ \lambda &= \pm i\omega \\ \end{aligned}

すなわちe^{i\omega x},e^{-i\omega x}は基本解。オイラーの公式を使うと

\begin{aligned} y &= Ae^{i\omega x} + Be^{-i\omega x} \\ &= C_1\cos\omega x + C_2\sin\omega x \\ \end{aligned}

ここで初期値y(0)=1,y'(0)=0を満たすのはC_1=1, C_2=0
よって求める特殊解は

\begin{aligned} y &= \cos\omega x \\ \end{aligned}

非同次方程式(右辺に項を持つ場合)の解法

\begin{aligned} y' + p(x)y &= q(x) \\ \end{aligned}

右辺のq(x)=0とした補助方程式(同次方程式)の一般解に、非同次方程式の任意の特殊解を足すと非同次方程式の一般解となる。

未定係数法(解の予想)

0 < \gamma < \omegaとして

\begin{aligned} y'' + 2\gamma y' + \omega^2 y = mg \\ \end{aligned}

補助方程式の特性方程式を解いて

\begin{aligned} y'' + 2\gamma y' + \omega^2 y &= 0 \quad \text{(補助方程式)} \\ \lambda^2 + 2\gamma\lambda + \omega^2 &= 0 \\ \end{aligned} \\ \begin{aligned} \lambda &= -\gamma \pm \sqrt{\gamma^2 - \omega^2} \\ &= -\gamma \pm i\sqrt{\omega^2 - \gamma^2} & (\because\ \gamma < \omega) \end{aligned}

すなわちe^{-\gamma + i\sqrt{\omega^2 - \gamma^2}}, e^{-\gamma - i\sqrt{\omega^2 - \gamma^2}}は基本解。オイラーの公式より

\begin{aligned} y &= Ae^{-\gamma + i\sqrt{\omega^2 - \gamma^2}} + Be^{-\gamma - i\sqrt{\omega^2 - \gamma^2}} \\ &= e^{-\gamma}(C_1\cos\sqrt{\omega^2 - \gamma^2} + C_2\sin\sqrt{\omega^2 - \gamma^2}) \\ \end{aligned}

非同次方程式の特殊解は右辺の形より、aを定数としてy=aの定数関数で表現できる。この値を求めて、

\begin{aligned} y'' + 2\gamma y' + \omega^2 y &= mg \\ \omega^2 a &= mg \\ a &= \frac{mg}{\omega^2} \\ \end{aligned}

すなわちy=\frac{mg}{\omega^2}は特殊解。
非同次方程式の一般解は同次方程式の一般解に非同次方程式の特殊解を足したものなので

y = e^{-\gamma}(C_1\cos\sqrt{\omega^2 - \gamma^2} + C_2\sin\sqrt{\omega^2 - \gamma^2}) + \frac{mg}{\omega^2}
未定係数法(解の予想)2
\begin{aligned} y'' + 3y' + 2y &= e^x \\ y'' + 3y' + 2y &= 0 \quad (補助方程式) \\ \lambda^2 + 3\lambda + 2 &= 0 \\ \end{aligned} \\ \lambda = -1, -2 \\ y = Ae^{-x} + Be^{-2x} \quad (同次方程式の一般解) \\

右辺の形より、微分してe^xになる特殊解y=ae^xを予想。代入して

\begin{aligned} ae^x + 3ae^x +2ae^x &= e^x \\ a &= \frac{1}{6} \\ \end{aligned}

すなわちy = \frac{1}{6}e^xは微分方程式を満たす特殊解。
非同次方程式の一般解は

y = Ae^{-x} + Be^{-2x} + \frac{1}{6}e^x \\
定数変化法
\begin{aligned} y'' + 3y' + 2y &= e^x \\ y'' + 3y' + 2y &= 0 \quad (補助方程式) \\ \lambda^2 + 3\lambda + 2 &= 0 \\ \end{aligned} \\ \lambda = -1, -2 \\ y = Ae^{-x} + Be^{-2x} \quad (同次方程式の一般解) \\

ここで任意定数をA=u(x),B=v(x)と関数に置き換えて、微分方程式を満たす特殊解を探す。

\begin{aligned} y &= u(x)e^{-x} + v(x)e^{-2x} \\ y' &= u'e^{-x} - ue^{-x} + v'e^{-2x} - 2ve^{-2x} \\ &= - ue^{-x} - 2ve^{-2x} \\ &(\because\, 特殊解を簡単にするため、u'e^{-x}+v'e^{-2x} = 0と仮定する。) \\ y'' &= - u'e^{-x} + ue^{-x} - 2v'e^{-2x} + 4ve^{-2x} \\ \end{aligned}

非同次方程式の一般解は

y = Ae^{-x} + Be^{-2x} + \frac{1}{6}e^x \\
微分演算子

D=\frac{d}{dx}を微分演算子とすると

\begin{aligned} y'' + 3y' + 2y &= e^{2x} \\ D^2y + 3Dy + 2y &= e^{2x} \\ (D^2 + 3D + 2)y &= e^{2x} \\ (D + 2)(D + 1)y &= e^{2x} \\ y &= \frac{e^{2x}}{(D + 2)(D + 1)} \end{aligned}
ラプラス変換による解法

\mathcal{L}[ y(t) ] := Y(s)
初期条件y(0)=0, \dot{y}(0)=0として

\begin{aligned} y'' + 3y' + 2 y &= e^t \\ (s^2 + 3s + 2)Y &= \frac{1}{s-1} \\ Y &= \frac{1}{(s-1)(s+1)(s+2)} \\ &= \frac{1}{6(s-1)} + \frac{1}{2(s+1)} + \frac{1}{3(s+2)} \\ y(t) &= \frac{1}{6}e^t + \frac{1}{2}e^{-t} + \frac{1}{3}e^{-2t} \\ \end{aligned}

完全微分形

P(x,y) dx + Q(x,y) dy = 0 \\ \frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x}\\
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複素解析

ある複素数zの実部を\mathrm{Re}[z]=x、虚部を\mathrm{Im}[z]=yとする。

オイラーの公式

e^{i\theta} = \cos\theta + i \sin\theta
複素関数の一覧
\begin{aligned} e^{z} &= e^x(\cos y + i \sin y) \quad (\because\, e^{x + iy})\\ \cos z &= \frac{e^{iz} + e^{-iz}}{2} \\ \sin z &= \frac{e^{iz} - e^{-iz}}{2i} \\ \tan z &= \frac{\sin z}{\cos z} = \frac{e^{iz} - e^{-iz}}{i(e^{iz} + e^{-iz})} \\ z^n &= |z|^n e^{in\arg[z]} \quad (\because\, r^n e^{in\theta} ) \\ \log z &= \log|z| + \arg[z] \end{aligned}
双曲線関数

実数における双曲線関数

\begin{aligned} \sinh x &= \frac{e^x - e^{-x}}{2} \\ \cosh x &= \frac{e^x + e^{-x}}{2} \\ \tanh x &= \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} \\ \end{aligned}

複素数における双曲線関数

\begin{aligned} \cosh z &= \frac{e^z + e^{-z}}{2} \\ \sinh z &= \frac{e^z - e^{-z}}{2} \\ \tanh z &= \frac{e^z - e^{-z}}{e^z + e^{-z}} \\ \end{aligned}

三角関数との関係式

\begin{aligned} \sin iz &= i\sinh z \\ \cos iz &= \cosh z \\ \tanh iz &= i\tanh z \\ \end{aligned}

複素微分・積分

\begin{aligned} z &= x+iy \\ z' &= (x+iy)' \\ &= x' + iy' \\ \int z \,dz &= \int (x + iy) \,dt \\ &= \int x \,dt + i\int y \,dt \\ \end{aligned}

コーシーの積分定理
コーシーの積分公式

線形代数

行列

\begin{bmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ \end{bmatrix}

和積

行列式
逆行列

\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \\ \end{pmatrix}^{-1} = \frac{1}{ad -bc} \begin{pmatrix} d & -b \\ -d & a \\ \end{pmatrix}

転置
対称行列
rank

固有値方程式

|A -\lambda E| = 0

対角化

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ベクトル解析

スカラー場:\phi(x, y, z)
ベクトル場:\boldsymbol{a}(x,y,z)=(a_x, a_y, a_z)

ナブラ

\nabla = \left(\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y}, \frac{\partial}{\partial z} \right)

ラプラシアン

\Delta = \nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}

勾配

\begin{aligned} \mathrm{grad}\,\phi &= \nabla \phi \\ &= \left(\frac{\partial \phi}{\partial x},\frac{\partial \phi}{\partial y},\frac{\partial \phi}{\partial z}\right) \\ \end{aligned}

発散

\begin{aligned} \mathrm{div}\,\boldsymbol{a} &= \nabla \cdot \boldsymbol{a} \\ &= \frac{\partial a_x}{\partial x}+\frac{\partial a_y}{\partial y}+\frac{\partial a_z}{\partial z} \\ \end{aligned}

回転

\begin{aligned} \mathrm{rot}\,\boldsymbol{a} &= \nabla \times \boldsymbol{a} \\ &= \begin{vmatrix} \boldsymbol{i} & \boldsymbol{j} & \boldsymbol{k} \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ a_x & a_y & a_z \\ \end{vmatrix} \\ &= \begin{vmatrix} \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ a_y & a_z \\ \end{vmatrix} \boldsymbol{i} - \begin{vmatrix} \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial z} \\ a_x & a_z \\ \end{vmatrix} \boldsymbol{j} + \begin{vmatrix} \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} \\ a_x & a_y \\ \end{vmatrix} \boldsymbol{k} \\ &= \left( \frac{\partial a_z}{\partial y} - \frac{\partial a_y}{\partial z}, \frac{\partial a_x}{\partial z} - \frac{\partial a_z}{\partial x}, \frac{\partial a_y}{\partial x} - \frac{\partial a_x}{\partial y} \right) \end{aligned}

線積分

\begin{aligned} \int_C f \,ds &= \int_C f(\boldsymbol{r}(t)) |\boldsymbol{r}'(t)| \,dt \\ \end{aligned} \\ \because\ ds = |\boldsymbol{r}'(t)| \,dt \quad (線素) \\
\begin{aligned} \int_C \boldsymbol{a}(\boldsymbol{r}) \cdot d\boldsymbol{r} &= \int_C \boldsymbol{a} (\boldsymbol{r}(t)) \cdot \boldsymbol{r}'(t) \,dt \\ \end{aligned}

面積分

単位法線ベクトル

\boldsymbol{n} = \frac{1}{ \left|\frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial v} \right| } \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial v}
\begin{aligned} \int_S \phi \,dS &= \int \phi(\boldsymbol{r}(u,v)) \left|\frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial v} \right| dudv \\ \because\ dS &= \left|\frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial v} \right| dudv \quad (面積素) \\ \end{aligned}
\begin{aligned} \int_S \boldsymbol{a} \cdot d\boldsymbol{S} &= \int_S \boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{n} \,dS \\ &= \int_S \boldsymbol{a}(\boldsymbol{r}(u,v)) \cdot (\frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial v}) \,du\,dv \\ \end{aligned} \\ \because\ d\boldsymbol{S} = \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial v} dudv \quad (ベクトル面積素) \\
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確率

\Omega:全事象
\phi:空事象(起こらない事象)
A:ある事象A(以降、事象をA,B,C,...のように表記する)
n(A):事象Aが持つ根元事象の数
P(A):事象Aが起こる確率

余事象\bar{A}Aが起こらないという事象
積事象A \cap BABが同時に起こるという事象
和事象A \cup BAまたはBが起こるという事象
条件付き確率P(B|A)Aが起きたという条件のもと、Bが起こる確率

任意の事象Aに対して

\begin{aligned} 0 = n(\phi) \le{} & n(A) \le n(\Omega) \\ 0 = P(\phi) \le{} & P(A) \le P(\Omega) = 1 \\ \end{aligned}

どの根元事象も同様に確からしく起こるとき、事象Aが起こる数学的確率を以下のように定義する。

P(A) = \frac{n(A)}{n(\Omega)}

Aの余事象の確率

P(\bar{A}) = 1 - P(A)

確率の加法定理

P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)

確率の乗法定理

\begin{aligned} P(A \cap B) &= P(A)P(B|A) \\ &= P(B)P(A|B) \\ \end{aligned}

事象の排反
事象Aと事象Bが同時に起こることがない場合、事象A,Bは互いに排反であるという。
事象A,Bが互いに排反であるとき、以下が成り立つ。

\begin{aligned} P(A \cap B) &= 0 \\ P(A \cup B) &= P(A) + P(B) \\ \end{aligned}

事象の独立
事象Aが起こることが事象Bが起こる確率に影響を与えないとき、それらの事象は互いに独立であるという。
事象Aと事象Bが互いに独立なとき、乗法定理は以下のようになる

P(A \cap B) = P(A)P(B)

反復試行の確率
確率pで成功するような試行を独立にn回反復して行ったとき、n回のうちk回成功する確率

p_k = {}_n\!\mathrm{C}_k\, p^k (1 - p)^{n-k}

条件付き確率
事象Aが起きたという条件のもと、事象Bが起こる確率

P(B|A) = \frac{P(A \cap B)}{P(A)}

ベイズの定理
Aという事象が起きたときに、原因が事象Bである確率

P(A|B) = \frac{P(A)P(B|A)}{P(A)P(B|A) + P(\bar{A})P(B|\bar{A})}
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フーリエ変換

\mathcal{F}[ f(t) ] = \hat{f}(\omega) = \frac{1}{ \sqrt{2\pi} }\int_{-\infty}^\infty f(t)e^{i\omega t} \,dt
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ラプラス変換

\mathcal{L}[ f(t) ] = F(s) = \int_0^\infty f(t) e^{-st} \,dt

ここでsは複素数であり\mathrm{Re}[s] > 0ならば収束。

ラプラス変換の性質

線型性

\begin{aligned} \mathcal{L}[ af(t) +bg(t) ] &= a\mathcal{L}[f(t)] + b\mathcal{L}[g(t)] \\ &= aF(s) + bG(s) \\ \end{aligned}

第一移動法則

\begin{aligned} \mathcal{L}[e^{at} f(t)] &= F(s-a) \\ \end{aligned}

微分

\begin{aligned} \mathcal{L}[f'(t)] &= sF(s) - f(0) \\ \mathcal{L}[f''(t)] &= s\mathcal{L}[f'(t)] - f'(0) \\ &= s^2F(s) - sf(0)- f'(0) \\ \end{aligned}

積分

\begin{aligned} \mathcal{L}\left[\int_0^t f(\tau) \,d\tau \right] &= \frac{1}{s}F(s) \\ \end{aligned}

初期値・最終値の定理

\begin{aligned} f(0) &= \lim_{s \to \infty} sF(s) \\ f(\infty) &= \lim_{s \to 0} sF(s) \\ \end{aligned}

相似性

\begin{aligned} \mathcal{L}[ f(at) ] &= \frac{1}{a}F(\frac{s}{a}) \\ \end{aligned}

第二移動法則
f(t)=0 \quad (t < a)ならば

\begin{aligned} \mathcal{L}[ f(t-a) ] &= e^{-as}F(s) \\ \end{aligned}

畳み込み積

\begin{aligned} \mathcal{L}[ f(t)*g(t) ] &= F(s)G(s) \\ \end{aligned}
ラプラス変換表
\begin{aligned} \mathcal{L}[ 1 ] &= \frac{1}{s} \\ \mathcal{L}[ t ] &= \frac{1}{s^2} \\ \mathcal{L}[ t^n ] &= \frac{n!}{s^{n+1} } \\ \mathcal{L}[ e^{at} ] &= \frac{1}{s - a} \\ \mathcal{L}[ e^{at}t^n ] &= \frac{n!}{(s-a)^{n+1} } \\ \mathcal{L}[ \sin \omega t ] &= \frac{\omega}{s^2 - \omega^2} \\ \mathcal{L}[ \cos \omega t ] &= \frac{s}{s^2 - \omega^2} \\ \mathcal{L}[e^{at}\sin\omega t] &= \frac{\omega}{(s-a)^2 - \omega^2} \\ \mathcal{L}[e^{at}\cos\omega t] &= \frac{s-a}{(s-a)^2 - \omega^2} \\ \mathcal{L}[e^{at}f(t)] &= F(s-a) \\ \mathcal{L}[f'(t)] &= sF(s) - f(0) \\ \mathcal{L}[f''(t)] &= s\mathcal{L}[f'(t)] - f'(0) \\ &= s^2F(s) - sf(0)- f'(0) \\ \mathcal{L}\left[\int_0^t f(\tau) \,d\tau \right] &= \frac{1}{s}F(s) \\ \end{aligned}
このスクラップは2024/06/17にクローズされました