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Algebra · real student question

Vout について解け:1.2777 + 1.1837 × 0.999Vout × 0.000288 × (284365 + (0.999Vout)² ÷ 2) − 1.182677 × Vout × 0.000288 × (285105 + Vout² ÷ 2) = 0。

Question

VoutV_{out} について解け: 1.2777+1.1837(0.999Vout)(0.000288)(284365+(0.999Vout)22)−1.182677 Vout(0.000288)(285105+Vout22)=0.1.2777 + 1.1837(0.999V_{out})(0.000288)\left(284365+\frac{(0.999V_{out})^2}{2}\right) - 1.182677\,V_{out}(0.000288)\left(285105+\frac{V_{out}^2}{2}\right)=0.

Step-by-step solution

  1. 構造を見抜く:これは Vout の三次方程式である。 どちらの括弧も定数項と V2V^2 の項を出し、それぞれに VV が掛かるので、方程式は A+BV+CV3=0A + BV + CV^3 = 0 の形になり、V2V^2 の項はない。一般の三次方程式の解の公式は不要である——すべてを決めるのは数値のほうだ。

  2. 第 1 グループの係数を厳密にまとめる。 1.1837×0.999×0.000288=0.00034056469441.1837 \times 0.999 \times 0.000288 = 0.0003405646944 である(0.000340740.00034074 ではない——桁を全部保つこと)。これに括弧を掛けると、一次の部分は 0.0003405646944×284365=96.8446793230.0003405646944 \times 284365 = 96.844679323、三次の部分は 0.0003405646944×0.99922=0.0001699419530.0003405646944 \times \tfrac{0.999^2}{2} = 0.000169941953 となる。

  3. 第 2 グループの係数をまとめる。 1.182677×0.000288=0.0003406109761.182677\times0.000288 = 0.000340610976 であり、一次の部分は 0.000340610976×285105=97.1098923120.000340610976\times285105 = 97.109892312、三次の部分は 0.0003406109762=0.000170305488\tfrac{0.000340610976}{2} = 0.000170305488 となる。

  4. 引き算をする——桁落ちを甘く見ないこと。 B=96.844679323−97.109892312=−0.265212989,C=0.000169941953−0.000170305488=−3.635352×10−7.B = 96.844679323-97.109892312 = -0.265212989,\qquad C = 0.000169941953-0.000170305488 = -3.635352\times10^{-7}. どちらの差も破滅的な桁落ちである。BB は有効数字を 3 桁、CC は 4 桁失うので、どちらかの因子を 6 桁に丸めた時点で答えは壊れる。ここでは厳密な分数で扱うのが唯一安全な道である。

  5. 得られた三次方程式を解く。 1.2777−0.265212989 V−3.635352×10−7V3=0.1.2777-0.265212989\,V-3.635352\times10^{-7}V^3 = 0. 解の近くでは三次の項が無視できるので、一次だけの見積もりは V≈1.27770.265213=4.81764V\approx\tfrac{1.2777}{0.265213}=4.81764 となる。ニュートン法を 1 回補正すれば(あるいは [0,20][0,20] 上で二分法を使えば) Vout≈4.81748.V_{out} \approx 4.81748.

  6. 検証し、感度も押さえる。 V=4.81748V=4.81748 では −0.265212989(4.81748)=−1.277658-0.265212989(4.81748) = -1.277658、−3.635352×10−7(4.81748)3=−0.0000406-3.635352\times10^{-7}(4.81748)^3 = -0.0000406 であり、1.2777−1.277658−0.0000406≈01.2777-1.277658-0.0000406 \approx 0 となる。もし最初の積を 0.000340740.00034074 に丸めれば——手順 1 で警告したまさにその取りこぼしである—— B=−0.215362B=-0.215362 となり V≈5.9328V\approx5.9328 が返ってきて、23%23\% もの誤差になる。桁落ちを厳密に扱わなければならない理由はここにある。

Answer

Vout≈4.81748V_{out} \approx 4.81748

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