質問<3763>
「「微分方程式」」
日付 2009/11/28
質問者 山田


水滴を球形とみなして、完全に蒸発してなくなる時刻を求める問題です。
条件として、
・水滴は表面積に比例して蒸発する。
・t=0で半径はr0
・t=t1(>0)で半径はr1(<r0)
があります。
解答解説には
①時刻tでの水滴の半径をr(t)とし、tからt+⊿tの間に減った量は(4π/3){\(r^{3}\)(t)-\(r^{3}\)(t+⊿t)}
②蒸発した量は、4kπ\(r^{2}\)(t)⊿t
③方程式はd\(\frac{r}{d}\)t=-k
とあるのですが、この③がなぜ出てくるのか分かりません。
私が計算すると、題意から①=②なので
(4π/3){\(r^{3}\)(t)-\(r^{3}\)(t+⊿t)}=4kπ\(r^{2}\)(t)⊿t
両辺を(4π/3)⊿tで割って
{\(r^{3}\)(t)-\(r^{3}\)(t+⊿t)}/⊿t=3k\(r^{2}\)(t)
⊿t→0の極限をとって
-d\(\frac{r}{d}\)t=3k\(r^{2}\)(t)
d\(\frac{r}{d}\)t=-3k\(r^{2}\)(t)
となり、-3\(r^{2}\)(t)が残ってしまいます。
どこがおかしいのでしょうか?
教えて頂ければ助かります。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2009/11/29
回答者 cametan


ふっっっめいりょうな質問ですね。
実際問題、こう言う場合は問題文全部転載した方が良いです。貴方の「解釈」聞いても
しょーがない、んですよ。
別に「考え方」を述べるのが悪い事、って言ってるんじゃないです。そーじゃなくって、
それも必要ですが、問題文と照らし合わせ無いと判断出来ないんですよ。
そもそも、これは物理なのか、あるいは数学として訊いてるのか全然分からないから、
です。

例えば、ですね。

>水滴は表面積に比例して蒸発する。

なんてのは条件でも何でも無いですよ。
時間微分をダッシュ(')で表現すると、球の体積をV、球の半径をrとすれば、球の体積が

V = 4π/3*\(r^{3}\)

とすれば、

V' = 4π*\(r^{2}\)*r'

になります。球の表面積が

A = 4π*\(r^{2}\)

である以上、

V' = A * r'

と記述できるんで、こんなの「数学的操作による帰結」なんで条件でも何でもない、です。
数学的に天下りな計算結果が出るんで「当たり前」なんですよ。
分かりますか?

つまり、r'が何なのか、ってのが問われるわけなんですけど、「数学的な観点」で言うと
「何でもアリ」ですよね。別に指数関数でも構いませんし、下手すれば三角関数でも良い
わけです。
従って、本当に必要な「条件」ってのは、r'が「何なのか」?それが分からんと解きようが
ない、んですよ。少なくとも、貴方が示した条件では、「rの時間微分が定数である」と
言う条件は見当たりません。

そうすると、

>解答解説には

で、r'=-kとしてるなら、「r'が定数である」と言う条件が、どっか問題文に書いてなきゃ
「問題として成り立たない」わけです。
分かりますかね?
これだと、不明瞭過ぎて、何とも答えようがありませんね。

>両辺を(4π/3)⊿tで割って
>{\(r^{3}\)(t)-\(r^{3}\)(t+⊿t)}/⊿t=3k\(r^{2}\)(t)
>⊿t→0の極限をとって
>-d\(\frac{r}{d}\)t=3k\(r^{2}\)(t)
>d\(\frac{r}{d}\)t=-3k\(r^{2}\)(t)
>となり

ならんでしょ(笑)。

r(t+Δt)/ΔtのΔt→0の極限取ってd\(\frac{r}{d}\)tだ、っつーのならまだ分かりますが、そもそも
分母はrがtの関数だとしても「3乗」ですよ?半径r「そのものの」時間毎の増加率(ある
いは減少率)を計算してるわけでも何でも無いでしょう。
従って、上の3行目と4行目の論理は「トビ過ぎて」います。計算が破綻してますね。