速度・加速度【数学IIIの微分応用・運動の解析】
「動くものの速さ」を数学的に正確に記述するのが速度・加速度の概念です。微分は「変化の瞬間的な割合」を捉えるツールであり、運動の解析に自然に応用されます。
1. 直線上の運動
点が数直線上を運動するとき、時刻 t における位置を x=f(t) とします。
1.1. 速度
v=dtdx=f′(t)
速度は位置の変化率(時間微分)です。
- v>0: 正の方向に移動
- v<0: 負の方向に移動
- v=0: 瞬間的に静止
速さは速度の絶対値 ∣v∣ です。
1.2. 加速度
α=dtdv=dt2d2x=f′′(t)
加速度は速度の変化率(速度の時間微分)です。
- α>0: 速度が増加中
- α<0: 速度が減少中
- α=0: 等速運動(その瞬間)
1.3. 位置・速度・加速度の関係
x=f(t)微分v=f′(t)微分α=f′′(t)
α積分v積分x
2. 移動距離と変位
| 量 |
定義 |
計算 |
| 変位 |
位置の変化量 f(b)−f(a) |
∫abvdt |
| 移動距離 |
実際に移動した距離 |
∫ab∣v∣dt |
変位は正負があり(方向込み)、移動距離は常に 0 以上です。
3. 例題(直線上の運動)
問題1: 時刻 t(秒)における点の位置が x=t3−6t2+9t(m)のとき、以下を求めなさい。
(1) 時刻 t=2 における速度と加速度
(2) 点が静止する時刻
(3) t=0 から t=4 までの移動距離
解答:
v=dtdx=3t2−12t+9=3(t−1)(t−3)
α=dtdv=6t−12
(1) t=2 のとき:
v(2)=3(4)−24+9=12−24+9=−3 (m/s)
α(2)=12−12=0 (m/s2)
(2) v=0⟹3(t−1)(t−3)=0⟹t=1,3(秒)
(3) v(t) の符号の変化:
- 0<t<1: v>0(正方向へ移動)
- 1<t<3: v<0(負方向へ移動)
- 3<t<4: v>0(正方向へ移動)
各区間の変位:
∫01vdt=[t3−6t2+9t]01=1−6+9=4
∫13vdt=[t3−6t2+9t]13=(27−54+27)−4=0−4=−4
∫34vdt=[t3−6t2+9t]34=(64−96+36)−0=4
移動距離 =∣4∣+∣−4∣+∣4∣=4+4+4=12 (m)
4. 平面上の運動
点が平面上を運動するとき、時刻 t における位置を (x,y)=(f(t),g(t)) とします。
4.1. 速度ベクトルと速さ
v=(dtdx, dtdy)=(f′(t), g′(t))
速さ(速度の大きさ):
∣v∣=(dtdx)2+(dtdy)2
4.2. 加速度ベクトル
α=(dt2d2x, dt2d2y)=(f′′(t), g′′(t))
5. 例題(平面上の運動)
問題2: 時刻 t における点の位置が x=cost、y=sint のとき、速さを求めなさい。また t=4π における速度ベクトルを求めなさい。
解答:
dtdx=−sint,dtdy=cost
速さ:
∣v∣=(−sint)2+(cost)2=sin2t+cos2t=1 (常に一定)
t=4π における速度ベクトル:
v=(−sin4π, cos4π)=(−22, 22)
この運動は単位円上を一定の速さ 1 で反時計回りに回転しています。
6. 速度・位置の符号解釈まとめ
| v の符号 |
α の符号 |
運動の様子 |
| + |
+ |
正方向へ加速 |
| + |
− |
正方向へ減速 |
| − |
− |
負方向へ加速 |
| − |
+ |
負方向へ減速 |
| 0 |
— |
瞬間停止(折り返し点の候補) |
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7. クイズ
-
位置 x=2t2−4t+1 における t=3 での速度はいくらですか?
正解: 8 m/s
v=dtdx=4t−4。t=3 のとき v=12−4=8。
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位置 x=t3−3t のとき、点が静止するのはいつですか?
正解: t=1 と t=−1
v=3t2−3=3(t2−1)=0⟹t=±1。
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平面上の運動 x=t2、y=t3 の t=1 における速さはいくらですか?
正解: 13
dtdx=2t=2、dtdy=3t2=3(t=1)。速さ =22+32=13。