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速度・加速度【数学IIIの微分応用・運動の解析】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1.1. 速度

    v=dxdt=f(t)v = \frac{dx}{dt} = f'(t)
  • 1.2. 加速度

    α=dvdt=d2xdt2=f(t)\alpha = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2} = f''(t)
  • 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)x = f(t) \xrightarrow{\text{微分}} v = f'(t) \xrightarrow{\text{微分}} \alpha = f''(t)
  • 1.3. 位置・速度・加速度の関係

    α積分v積分x\alpha \xrightarrow{\text{積分}} v \xrightarrow{\text{積分}} x
  • 4.1. 速度ベクトルと速さ

    v=(dxdt, dydt)=(f(t), g(t))\vec{v} = \left(\frac{dx}{dt},\ \frac{dy}{dt}\right) = (f'(t),\ g'(t))
  • 4.1. 速度ベクトルと速さ

    v=(dxdt)2+(dydt)2|\vec{v}| = \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}
  • 4.2. 加速度ベクトル

    α=(d2xdt2, d2ydt2)=(f(t), g(t))\vec{\alpha} = \left(\frac{d^2x}{dt^2},\ \frac{d^2y}{dt^2}\right) = (f''(t),\ g''(t))

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 tt における位置を x=f(t)x = f(t) とします。

1.1. 速度

v=dxdt=f(t)v = \frac{dx}{dt} = f'(t)

速度は位置の変化率(時間微分)です。

  • v>0v > 0: 正の方向に移動
  • v<0v < 0: 負の方向に移動
  • v=0v = 0: 瞬間的に静止

速さは速度の絶対値 v|v| です。

1.2. 加速度

α=dvdt=d2xdt2=f(t)\alpha = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2} = f''(t)

加速度は速度の変化率(速度の時間微分)です。

  • α>0\alpha > 0: 速度が増加中
  • α<0\alpha < 0: 速度が減少中
  • α=0\alpha = 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)x = f(t) \xrightarrow{\text{微分}} v = f'(t) \xrightarrow{\text{微分}} \alpha = f''(t) α積分v積分x\alpha \xrightarrow{\text{積分}} v \xrightarrow{\text{積分}} x

2. 移動距離と変位

定義 計算
変位 位置の変化量 f(b)f(a)f(b) - f(a) abvdt\displaystyle\int_a^b v\, dt
移動距離 実際に移動した距離 abvdt\displaystyle\int_a^b \lvert v \rvert\, dt

変位は正負があり(方向込み)、移動距離は常に 00 以上です。

3. 例題(直線上の運動)

問題1: 時刻 tt(秒)における点の位置が x=t36t2+9tx = t^3 - 6t^2 + 9t(m)のとき、以下を求めなさい。 (1) 時刻 t=2t = 2 における速度と加速度 (2) 点が静止する時刻 (3) t=0t = 0 から t=4t = 4 までの移動距離

解答:

v=dxdt=3t212t+9=3(t1)(t3)v = \frac{dx}{dt} = 3t^2 - 12t + 9 = 3(t-1)(t-3) α=dvdt=6t12\alpha = \frac{dv}{dt} = 6t - 12

(1) t=2t = 2 のとき:

v(2)=3(4)24+9=1224+9=3 (m/s)v(2) = 3(4) - 24 + 9 = 12 - 24 + 9 = -3 \text{ (m/s)} α(2)=1212=0 (m/s2)\alpha(2) = 12 - 12 = 0 \text{ (m/s}^2\text{)}

(2) v=0    3(t1)(t3)=0    t=1,3v = 0 \implies 3(t-1)(t-3) = 0 \implies t = 1, 3(秒)

(3) v(t)v(t) の符号の変化:

  • 0<t<10 < t < 1: v>0v > 0(正方向へ移動)
  • 1<t<31 < t < 3: v<0v < 0(負方向へ移動)
  • 3<t<43 < t < 4: v>0v > 0(正方向へ移動)

各区間の変位:

01vdt=[t36t2+9t]01=16+9=4\int_0^1 v\, dt = \left[t^3 - 6t^2 + 9t\right]_0^1 = 1 - 6 + 9 = 4 13vdt=[t36t2+9t]13=(2754+27)4=04=4\int_1^3 v\, dt = \left[t^3 - 6t^2 + 9t\right]_1^3 = (27 - 54 + 27) - 4 = 0 - 4 = -4 34vdt=[t36t2+9t]34=(6496+36)0=4\int_3^4 v\, dt = \left[t^3 - 6t^2 + 9t\right]_3^4 = (64 - 96 + 36) - 0 = 4

移動距離 =4+4+4=4+4+4=12= |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 tt における位置を (x,y)=(f(t),g(t))(x, y) = (f(t), g(t)) とします。

4.1. 速度ベクトルと速さ

v=(dxdt, dydt)=(f(t), g(t))\vec{v} = \left(\frac{dx}{dt},\ \frac{dy}{dt}\right) = (f'(t),\ g'(t))

速さ(速度の大きさ):

v=(dxdt)2+(dydt)2|\vec{v}| = \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}

4.2. 加速度ベクトル

α=(d2xdt2, d2ydt2)=(f(t), g(t))\vec{\alpha} = \left(\frac{d^2x}{dt^2},\ \frac{d^2y}{dt^2}\right) = (f''(t),\ g''(t))

5. 例題(平面上の運動)

問題2: 時刻 tt における点の位置が x=costx = \cos ty=sinty = \sin t のとき、速さを求めなさい。また t=π4t = \dfrac{\pi}{4} における速度ベクトルを求めなさい。

解答:

dxdt=sint,dydt=cost\frac{dx}{dt} = -\sin t, \quad \frac{dy}{dt} = \cos t

速さ:

v=(sint)2+(cost)2=sin2t+cos2t=1 (常に一定)|\vec{v}| = \sqrt{(-\sin t)^2 + (\cos t)^2} = \sqrt{\sin^2 t + \cos^2 t} = 1 \text{ (常に一定)}

t=π4t = \dfrac{\pi}{4} における速度ベクトル:

v=(sinπ4, cosπ4)=(22, 22)\vec{v} = \left(-\sin\frac{\pi}{4},\ \cos\frac{\pi}{4}\right) = \left(-\frac{\sqrt{2}}{2},\ \frac{\sqrt{2}}{2}\right)

この運動は単位円上を一定の速さ 11 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

vv の符号 α\alpha 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
00 瞬間停止(折り返し点の候補)

関連記事: 増減・極値・凹凸・変曲点 / 定積分の計算

7. クイズ

  1. 位置 x=2t24t+1x = 2t^2 - 4t + 1 における t=3t = 3 での速度はいくらですか?

    正解: 88 m/s v=dxdt=4t4v = \dfrac{dx}{dt} = 4t - 4t=3t=3 のとき v=124=8v = 12 - 4 = 8

  2. 位置 x=t33tx = t^3 - 3t のとき、点が静止するのはいつですか?

    正解: t=1t = 1t=1t = -1 v=3t23=3(t21)=0    t=±1v = 3t^2 - 3 = 3(t^2-1) = 0 \implies t = \pm 1

  3. 平面上の運動 x=t2x = t^2y=t3y = t^3t=1t = 1 における速さはいくらですか?

    正解: 13\sqrt{13} dxdt=2t=2\dfrac{dx}{dt}=2t=2dydt=3t2=3\dfrac{dy}{dt}=3t^2=3t=1t=1)。速さ =22+32=13= \sqrt{2^2+3^2}=\sqrt{13}

#速度#加速度#微分の応用#運動#数学III