2021年 理工学部 シラバス - 航空宇宙工学科
設置情報
| 科目名 | 工業数学Ⅳ | ||
|---|---|---|---|
| 設置学科 | 航空宇宙工学科 | 学年 | 2年 |
| 担当者 | 中根 昌克 | 履修期 | 後期 |
| 単位 | 2 | 曜日時限 | 月曜3 |
| 校舎 | 船橋 | 時間割CD | H13B |
| クラス | |||
| 履修系統図 | 履修系統図の確認 | ||
概要
| 学修到達目標 | 偏微分方程式の基礎的な部分を用いて、Fourier級数やFourier展開の応用を習得する。具体的には以下のことを説明できるようになる。 ・常微分と偏微分の違い ・常微分方程式の解と偏微分方程式の解の違い ・簡単な1階偏微分方程式の解法 ・2階偏微分方程式の分類（楕円型、放物型、双曲型） ・楕円型偏微分方程式の例と特徴 ・放物型偏微分方程式の例と特徴 ・双曲型偏微分方程式の例と特徴 ・Fourier級数とFourier積分について ・Fourier変換について（含むLaplace変換との関係） ・関数空間の基底と内積 |
|---|---|
| 授業形態及び 授業方法 |
対面とメディアを併用したハイブリット授業で行う。 |
| 履修条件 | 偏微分（微分積分学Ⅱ）や常微分方程式（微分方程式、工業数学Ⅲ）を習得していることが望ましい |
授業計画
| 第1回 | ・ガイダンス ・常微分と偏微分 常微分と偏微分の違いを解説し、全微分の概念を復習する。 【解説事項】常微分とTaylar展開について、偏微分と全微分の定義。 【事前学習】シラバス・事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
|---|---|
| 第2回 | ・常微分方程式と偏微分方程式 常微分方程式と対比して偏微分方程式を導入し、その特別解、一般解などの特徴を述べる。 【解説事項】常微分方程式とその解、偏微分方程式とその解、初期条件と境界条件、線形とと非線形・半線形・準線形、同次形と非同次形、定数係数と変数係数 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第3回 | ・簡単な1階偏微分方程式の解法（１） Lagrangeの微分方程式を題材に1階偏微分方程式を実際に解いてみる。 【解説事項】線形偏微分方程式の特性曲線、準線形偏微分方程式の特性曲線とその解法 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第4回 | ・簡単な1階偏微分方程式の解法（２） 1階の全微分方程式を題材に1階偏微分方程式を実際に解いてみる 【解説事項】2変数関数の全微分方程式と完全微分方程式、積分因子、3変数関数の全微分方程式と積分可能条件 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第5回 | ・簡単な1階偏微分方程式の解法（３） 1階偏微分方程式の解法として有名なLagrange-Charpitの方法を解説する。 【解説事項】Lagrange-Charpitの方法、完全解と一般解・特殊解・特異解 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第6回 | ・2階偏微分方程式の分類 2階偏微分方程式を導入し、それらが3つの型に分類されることを説明する 【解説事項】2階偏微分方程式と変数変換（2変数）、楕円型・放物型・双曲型偏微分方程式、双曲型・放物型・楕円型方程式の具体例、双曲型・放物型・楕円型方程式の分類（3変数以上） 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第7回 | ・放物型偏微分方程式の例と特徴（１） 放物型方程式の物理的な意味、初期条件と境界条件、一般的な解の特徴について説明する 【解説事項】変数分離法、拡散方程式への変数分離法の適用、Fourier級数展開による初期値の計算、2次元拡散方程式への変数分離法の適用 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第8回 | ・放物型偏微分方程式の例と特徴（２） 第7回に続き、非同次形の境界条件や非同次形の放物型偏微分方程式の解法について学ぶ 【解説事項】非同次境界条件を同次境界条件へ変換、時間と共に変化する非同次境界条件、非同次偏微分方程式の解法、随伴同次方程式の解（Sturm-Liouville問題）、非同次項の直交関数展開、非同次偏微分方程式の例 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第9回 | ・Fourier級数とFourier変換（１） 放物型方程式を解く際に出現したFourier級数に関して、関数の直交性を確認してテクニック的側面を解説し、使用できるようにする。 【解説事項】Fourier級数による関数の表現、三角関数の直交性、Fourier級数の係数の計算、偶関数と奇関数およびそれらのFourier級数、複素Fourier級数、Fourier変換と逆Fourier変換、Fourier級数やFourier変換の例、Fourier変換とLaplace変換 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第10回 | ・Fourier級数とFourier変換（２） ベクトル空間との対比から関数空間を導入し、その基底やノルム、内積を定義することで、前回解説したFourier級数やFourier変換における三角関数が基底となっていることを解説する。また作用素の観点から第8回で述べたSturm-Liouville問題が固有値問題となっていることを解説する 【解説事項】ベクトル空間の内積とノルム・直交、関数空間の内積とノルム・直交、三角関数を用いた関数空間の基底、固有関数を用いた関数空間の基底 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第11回 | ・楕円型偏微分方程式の例と特徴（１） 楕円型方程式の境界条件、一般的な解の特徴について説明する。 【解説事項】変数分離による解法、調和関数と平均値の性質、円座標・円筒座標・球座標の復習、円座標・円筒座標・球座標でのLaplacianの表現 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第12回 | ・楕円型偏微分方程式の例と特徴（２） 楕円型偏微分方程式をLaplacianで表現したうえで、使用する座標系が変わった場合の表現の仕方や代表的な座標系での表現を学ぶ 【解説事項】円座標におけるLaplace方程式とPoisson積分、球座標でのLaplace方程式と基底としてのLegendre関数・Legendre陪関数 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第13回 | ・双曲型偏微分方程式の例と特徴（１） 双曲型偏微分方程式ついて、一般的な解の特徴について説明する 【解説事項】変数分離による波動方程式の定常波の解、標準座標を用いた波動方程式の解（D’Alembertの解） 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第14回 | ・双曲型偏微分方程式の例と特徴（２） 双曲型偏微分方程式ついて、一般的な解の特徴について説明する 【解説事項】双曲型偏微分方程式の標準系への変換、特性曲線と擾乱の進展、1階偏微分方程式の再考、非線形1階偏微分方程式と特性曲線の渋滞（衝撃波） 【事前学習】事前配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
| 第15回 | ・授業のまとめと理解度確認 授業のまとめやより詳しく学ぶためのガイダンスを行い、理解度確認課題を行う。 【事前学習】これまでの配布プリントを熟読し、不明点を明確にしておく（2時間） 【事後学習】授業の復習をし、不明点をなくす（2時間） |
その他
| 教科書 |
教科書は使用しない
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| 参考書 |
馬場 敬之 『スバラシク実力がつくと評判の偏微分方程式キャンパスゼミ』 マセマ出版 2019年 第3版
スタンリー ファーロウ 『偏微分方程式』 朝倉出版 1996年
佐野 理 『基礎系 数学 偏微分方程式』 東京大学工学教程 丸善 2015年
寺沢 寛一 『自然科学者のための数学概論』 岩波書店 1983年
足立修一 『信号・システム理論の基礎 ―フーリエ解析、ラプラス変換、Z変換を系統的に学ぶ―』 コロナ社 2014年
厳密な話をするとフーリエ解析や複素関数、特殊関数が全て合流する興味深い内容であるため、非常に多くの参考書が出版されている。そのなかで工学よりのものを上げた。１冊目は非常に導出などが非常に丁寧であるが、人によっては丁寧すぎて読みにくいかもしれない。２冊目は若干古いが、内容は網羅しており、数値計算法にも言及している。３冊目は数学的な表現が多いが、良くまとまった良書である。４は物理・工学系の数学全体を網羅した古典的名著である。5冊目は特にFourier級数やFourier変換についてよくまとまっている
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| 成績評価の方法 及び基準 |
平常点（20%）授業で数回出す課題（40％）および理解度確認課題（40%） |
| 質問への対応 | メールやclassroom、授業後に対応 |
| 研究室又は 連絡先 |
メールで質問する場合は授業名を明記してください。 nakane.masakatsu@nihon-u.ac.jp もしくは、クラスルームにて質問を投げてください。 |
| オフィスアワー |
月曜 船橋 15:00 ～ 16:30 対面での質問は授業後に受け付けます
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| 学生への メッセージ |
偏微分方程式は非常に奥が深いです。その入門部分を学びます。 |