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増加率・変数が定数の場合の方程式の解き方(連続型)

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投稿経済数学初級
連続型の経済学のモデルで、増加率・変数が定数の場合に、その方程式の解き方を説明しています。
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概要

 変数$x_t$について、$t$で時間微分した$\dot{x_t} (= dx_t /dt)$を用いた変化率が、次のようになっているとします($a$は定数)。

  $\dfrac{\dot{x_t}}{x_t} = a \quad \cdots \quad (1)$

 この式を解くと、次のような式を得ることができます(なお、$x_0$は$0$期における値で初期値です)。

  $x_t = x_0 \cdot e^{at} \quad \cdots \quad (2)$

 経済学においては、時折出てきて、$(1)(2)$式を使うことがあるため、なぜ、このようになるか、解き方を説明したいと思います。

解き方

 $(1)$式について、$t$で積分すると、次のようになります。

  $\displaystyle \int \dfrac{\dot{x_t}}{x_t} \, dt = \int a \, dt$

 この式について、$C$を積分定数とすると、置換積分により、

  $\displaystyle \int \dfrac{1}{x_t} \, dx_t = at + C$

であり、積分の公式から、

  $\ln |x_t| = at +C$

を得ることになります(これらの積分の公式については、「基本的な積分の公式」を参照してください)。

 そしてこの式を変形すると、

  $|x_t| = e^{at+C}$

であり、$x_t>0$とすると、

  $x_t = e^{at+C}$

となります。

 この式について、$t=0$とすると、初期値$x_t$は

  $x_0 = e^C$

であり、

  $x_t = x_0 \cdot e^at$

となることから、$(2)$式を得ることができます。

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