유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

17문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

f(x)=Aekxf(x) = A e^{kx} 꼴의 함수를 생각하자. 여기서 AA 와 kk 는 상수이다. f(0)=5f(0)=5 이고 f(7)=πf(7)=\pi 일 때, 상수 AA 와 kk 를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a function of the form f(x)=Aekxf(x) = A e^{kx} where AA and kk are constants. If f(0)=5f(0)=5 and f(7)=πf(7)=\pi, find the constants AA and kk.

정답·풀이 보기

주어진 두 정보로부터 다음을 얻는다.

f(0)=A=5f(7)=Ae7k=π\begin{aligned} f(0) &= A = 5 & f(7) &= A e^{7k}=\pi \end{aligned}

따라서 A=5A=5 이고, π=f(7)=5e7k\pi = f(7) = 5e^{7k} 이다. 그러므로

e7k=π57k=log⁡(π/5)k=17⋅log⁡(π/5).\begin{aligned} e^{7k} &= \frac{\pi}{5} \\ 7k &= \log(\pi/5) \\ k &= \frac{1}{7} \cdot \log(\pi/5). \end{aligned}

여기서 log⁡\log 는 자연로그 log⁡e\log_e 를 뜻한다.

원본 교재 풀이(영어)

The two pieces of information give us

f(0)=A=5f(7)=Ae7k=π\begin{aligned} f(0) &= A = 5 & f(7) &= A e^{7k}=\pi \end{aligned}

Thus we know that A=5A=5 and so π=f(7)=5e7k\pi = f(7) = 5e^{7k}. Hence

e7k=π57k=log⁡(π/5)k=17⋅log⁡(π/5).\begin{aligned} e^{7k} &= \frac{\pi}{5} \\ 7k &= \log(\pi/5) \\ k &= \frac{1}{7} \cdot \log(\pi/5). \end{aligned}

where we use log⁡\log to mean natural logarithm, log⁡e\log_e.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 3번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

뼈 시료가 10,000 년 전에 죽은 동물의 것이다. 이 뼈가 동물이 죽을 때 5 μ\mug 의 탄소-14를 포함하고 있었다면, 지금은 탄소-14가 얼마나 들어 있을 것으로 예상하나요?

영어 원문 보기

A sample of bone belongs to an animal that died 10,000 years ago. If the bone contained 5 μ\mug of Carbon-14 when the animal died, how much Carbon-14 do you expect it to have now?

정답·풀이 보기

동물이 죽은 지 tt 년 후 시료에 들어 있는 탄소-14의 양은 Q(t)=5e−ktQ(t)=5e^{-kt} 이다. 여기서 kk 는 어떤 상수이고, 5는 시간 t=0t=0 일 때 시료에 들어 있는 탄소-14의 양이다. 따라서 우리가 구하는 답은 Q(10000)Q(10000) 이다. Q(10000)Q(10000) 의 값을 구하려면 kk 를 실제 수로 바꿔야 하는데, 그 열쇠는 반감기이다. 교재에 따르면 탄소-14의 반감기는 5730 년이므로 다음이 성립한다.

Q(5730)=525e−k⋅5730=52(e−k)5730=12e−k=125730=2−15730따라서:Q(t)=5(e−k)t=5⋅2−t5730이제 값을 구할 수 있다:Q(10000)=5⋅2−100005730≈1.5 μg\begin{aligned} Q(5730)&=\frac{5}{2}\\ 5e^{-k\cdot5730}&=\frac{5}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{5730}&=\frac{1}{2}\\ e^{-k}&=\sqrt[5730]{\frac{1}{2}}=2^{-\tfrac{1}{5730}} \\ \text{따라서:} \\ Q(t)&=5\left(e^{-k}\right)^t\\ &=5\cdot2^{-\tfrac{t}{5730}} \\ \text{이제 값을 구할 수 있다:} \\ Q(10000)&=5\cdot 2^{-\tfrac{10000}{5730}}\approx 1.5~\mu g \end{aligned}

참고: 2(5730)=11,4602(5730)=11,460 년이 지나면 시료는 반감기를 두 번 거친 셈이므로, 남아 있는 탄소-14는 처음 양의 4분의 1, 즉 1.251.25 μ\mug 이다. 10,000 년 후의 시료에는 11,460 년 후보다 탄소-14가 조금 더 많이 들어 있는 것이 타당하다. 실제로 1.5 는 1.25 보다 조금 크므로 우리가 구한 답은 그럴듯해 보인다.

답이 그럴듯한지 빠르게 확인할 방법을 찾는 것은 좋은 습관이다. 작은 계산 실수가 풀이에서 큰 오류로 이어지기 쉽기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Carbon-14 in the sample tt years after the animal died will be Q(t)=5e−ktQ(t)=5e^{-kt} for some constant kk (where 5 is the amount of Carbon-14 in the sample at time t=0t=0). So, the answer we're looking for is Q(10000)Q(10000). We need to replace kk with an actual number to evaluate Q(10000)Q(10000), and the key to doing this is the half-life. The text tells us that the half-life of Carbon-14 is 5730 years, so we know:

Q(5730)=525e−k⋅5730=52(e−k)5730=12e−k=125730=2−15730So:Q(t)=5(e−k)t=5⋅2−t5730Now, we can evaluate:Q(10000)=5⋅2−100005730≈1.5 μg\begin{aligned} Q(5730)&=\frac{5}{2}\\ 5e^{-k\cdot5730}&=\frac{5}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{5730}&=\frac{1}{2}\\ e^{-k}&=\sqrt[5730]{\frac{1}{2}}=2^{-\tfrac{1}{5730}} \\ \text{So:} \\ Q(t)&=5\left(e^{-k}\right)^t\\ &=5\cdot2^{-\tfrac{t}{5730}} \\ \text{Now, we can evaluate:} \\ Q(10000)&=5\cdot 2^{-\tfrac{10000}{5730}}\approx 1.5~\mu g \end{aligned}

Remark: after 2(5730)=11,4602(5730)=11,460 years, the sample will have been sitting for two half-lives, so its remaining Carbon-14 will be a quarter of its original amount, or 1.251.25 μ\mug. It makes sense that at 10,000 years, the sample will contain slightly more Carbon-14 than at 11,460 years. Indeed, 1.5 is slightly larger than 1.25, so our answer seems plausible.

It's a good habit to look for ways to quickly check whether your answer seems plausible, since a small algebra error can easily turn into a big error in your solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 4번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
3.CLP-1 · 3.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

1그램의 라듐-226이 들어 있는 시료를 100년 전에 실험실에 보관했는데, 지금은 이 시료에 라듐-226이 0.9576그램만 남아 있습니다. 라듐-226의 반감기를 구하세요.

영어 원문 보기

A sample containing one gram of Radium-226 was stored in a lab 100 years ago; now the sample only contains 0.9576 grams of Radium-226. What is the half-life of Radium-226?

정답·풀이 보기

100년 전을 시각 t=0t=0 이라 하자. 시료에 들어 있는 라듐-226의 양을 Q(t)Q(t) 라 하면 Q(0)=1Q(0)=1 이고,

Q(t)=e−kt어떤 양의 상수 k 에 대해 성립한다. t=100 일 때 남은 라듐-226의 양은 0.9576그램이므로0.9576=Q(100)=e−k⋅100=(e−k)100e−k=0.95761100이로부터 다음을 알 수 있다.Q(t)=0.9576t100따라서 라듐-226이 처음 양의 절반만큼 남아 있으려면12=0.9576t100log⁡(12)=log⁡(0.9576t100)−log⁡2=t100log⁡(0.9576)t=−100log⁡2log⁡0.9576≈1600\begin{aligned} Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{어떤 양의 상수 $k$ 에 대해 성립한다. $t=100$ 일 때 남은 라듐-226의 양은 0.9576그램이므로} \\ 0.9576=Q(100)&=e^{-k\cdot 100}=\left(e^{-k}\right)^{100}\\ e^{-k}&=0.9576^{\tfrac{1}{100}}\\ \text{이로부터 다음을 알 수 있다.} \\ Q(t)&=0.9576^{\tfrac{t}{100}} \\ \text{따라서 라듐-226이 처음 양의 절반만큼 남아 있으려면} \\ \frac{1}{2}&=0.9576^{\tfrac{t}{100}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(0.9576^{\tfrac{t}{100}}\right)\\ -\log 2&=\frac{t}{100}\log(0.9576)\\ t&=-100\frac{\log 2}{\log 0.9576}\approx 1600 \end{aligned}

따라서 라듐-226의 반감기는 약 1600년이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let 100 years ago be the time t=0t=0. Then if Q(t)Q(t) is the amount of Radium-226 in the sample, Q(0)=1Q(0)=1, and

Q(t)=e−ktfor some positive constant k. When t=100, the amount of Radium-226 left is 0.9576 grams, so0.9576=Q(100)=e−k⋅100=(e−k)100e−k=0.95761100This tells usQ(t)=0.9576t100So, if half the original amount of Radium-226 is left,12=0.9576t100log⁡(12)=log⁡(0.9576t100)−log⁡2=t100log⁡(0.9576)t=−100log⁡2log⁡0.9576≈1600\begin{aligned} Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{for some positive constant $k$. When $t=100$, the amount of Radium-226 left is 0.9576 grams, so} \\ 0.9576=Q(100)&=e^{-k\cdot 100}=\left(e^{-k}\right)^{100}\\ e^{-k}&=0.9576^{\tfrac{1}{100}}\\ \text{This tells us} \\ Q(t)&=0.9576^{\tfrac{t}{100}} \\ \text{So, if half the original amount of Radium-226 is left,} \\ \frac{1}{2}&=0.9576^{\tfrac{t}{100}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(0.9576^{\tfrac{t}{100}}\right)\\ -\log 2&=\frac{t}{100}\log(0.9576)\\ t&=-100\frac{\log 2}{\log 0.9576}\approx 1600 \end{aligned}

So, the half life of Radium-226 is about 1600 years.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 6번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
4.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

한 쌍의 쥐가 난파 사고 후 어느 섬에 오게 되었다. 이 쥐들은 맬서스 모형에 따라 번식한다. 1928년에 섬에는 쥐가 1,000마리 있었고, 다음 해에는 1500마리 있었다. 난파 사고는 언제 일어났는지 구하세요.

영어 원문 보기

A single pair of rats comes to an island after a shipwreck. They multiply according to the Malthusian model. In 1928, there were 1,000 rats on the island, and the next year there were 1500. When was the shipwreck?

정답·풀이 보기

맬서스 모형에 따르면, 배가 t=0t=0 인 해에 난파되었고 쥐 2마리가 섬에 닿았다면, 난파 tt 년 후 쥐의 개체 수는 다음과 같다.

P(t)=2ebt어떤 상수 b 에 대해 성립한다. 이 불필요한 변수 b 를 없애기 위해 주어진 정보를 이용한다. 1928년이 난파 a 년 후라면:1000=P(a)=2eba1500=P(a+1)=2eb(a+1)=2ebaeb따라서,(1000)(eb)=(2eba)(eb)=1500이로부터 다음을 알 수 있다.eb=15001000=1.5이제 모형이 완성되었다:P(t)=2(eb)t=2⋅1.5tP(a)=1000 이므로 a 를 구할 수 있다:1000=P(a)=2⋅1.5a500=1.5alog⁡(500)=log⁡(1.5a)=alog⁡(1.5)a=log⁡(500)log⁡(1.5)≈15.3\begin{aligned} P(t)&=2e^{bt} \\ \text{어떤 상수 $b$ 에 대해 성립한다. 이 불필요한 변수 $b$ 를 없애기 위해 주어진 정보를 이용한다. 1928년이 난파 $a$ 년 후라면:} \\ 1000=P(a)&=2e^{ba}\\ 1500=P(a+1)&=2e^{b(a+1)}=2e^{ba}e^b \\ \text{따라서,} \\ (1000)\left(e^b\right)&=\left(2e^{ba}\right)\left(e^b\right)=1500 \\ \text{이로부터 다음을 알 수 있다.} \\ e^b&=\frac{1500}{1000}=1.5 \\ \text{이제 모형이 완성되었다:} \\ P(t)&=2\left(e^b\right)^t=2\cdot1.5^t \\ \text{$P(a)=1000$ 이므로 $a$ 를 구할 수 있다:} \\ 1000=P(a)&=2\cdot1.5^a\\ 500&=1.5^a\\ \log(500)&=\log\left(1.5^a\right)=a\log(1.5)\\ a&=\frac{\log(500)}{\log(1.5)}\approx 15.3 \end{aligned}

따라서 1928년은 난파 약 15.3년 후이다. 쥐가 정확히 1000마리가 된 달이 주어지지 않았으므로, 난파는 1912년 또는 1913년에 일어난 것이 된다.

원본 교재 풀이(영어)

According to the Malthusian Model, if the ship wrecked at year t=0t=0 and 2 rats washed up on the island, then tt years after the wreck, the population of rats will be

P(t)=2ebtfor some constant b. We want to get rid of this extraneous variable b, so we use the given information. If 1928 is a years after the wreck:1000=P(a)=2eba1500=P(a+1)=2eb(a+1)=2ebaebSo,(1000)(eb)=(2eba)(eb)=1500Which tells useb=15001000=1.5Now, our model is complete:P(t)=2(eb)t=2⋅1.5tSince P(a)=1000, we can find a:1000=P(a)=2⋅1.5a500=1.5alog⁡(500)=log⁡(1.5a)=alog⁡(1.5)a=log⁡(500)log⁡(1.5)≈15.3\begin{aligned} P(t)&=2e^{bt} \\ \text{for some constant $b$. We want to get rid of this extraneous variable $b$, so we use the given information. If 1928 is $a$ years after the wreck:} \\ 1000=P(a)&=2e^{ba}\\ 1500=P(a+1)&=2e^{b(a+1)}=2e^{ba}e^b \\ \text{So,} \\ (1000)\left(e^b\right)&=\left(2e^{ba}\right)\left(e^b\right)=1500 \\ \text{Which tells us} \\ e^b&=\frac{1500}{1000}=1.5 \\ \text{Now, our model is complete:} \\ P(t)&=2\left(e^b\right)^t=2\cdot1.5^t \\ \text{Since $P(a)=1000$, we can find $a$:} \\ 1000=P(a)&=2\cdot1.5^a\\ 500&=1.5^a\\ \log(500)&=\log\left(1.5^a\right)=a\log(1.5)\\ a&=\frac{\log(500)}{\log(1.5)}\approx 15.3 \end{aligned}

So, the year 1928 was about 15.3 years after the shipwreck. Since we aren't given a month when the rats reached exactly 1000 in number, that puts the shipwreck at the year 1912 or 1913.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 9번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
5.CLP-2 · 2.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

변수분리형 초깃값 문제의 해를 구하세요:

dydx=2xey,y(0)=log⁡2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{2x}{e^y}, &y(0) &= \log 2 \end{aligned}

해를 y=y(x)y = y(x) 꼴로 명시적으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the solution to the separable initial value problem:

dydx=2xey,y(0)=log⁡2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{2x}{e^y}, &y(0) &= \log 2 \end{aligned}

Express your solution explicitly as y=y(x)y = y(x).

정답·풀이 보기

정리하면 다음과 같다:

ey dy=2x dx. 양변을 적분하면: ∫ey dy=∫2x dxey=x2+Cx=0 일 때 y=log⁡2 이므로elog⁡2=02+C2=C,따라서ey=x2+2y=log⁡(x2+2)\begin{aligned} e^y\,\mathrm{d}y &= 2x\,\mathrm{d}x. \\ \text{ 양변을 적분하면: } \\ \int e^y\,\mathrm{d}y &= \int 2x\,\mathrm{d}x\\ e^y &= x^2+C \\ \text{$x=0$ 일 때 $y=\log2$ 이므로} \\ e^{\log 2} &= 0^2+C \\ 2 &= C, \\ \text{따라서} \\ e^{y} &= x^2+2 \\ y &= \log(x^2+2) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Rearranging, we have:

ey dy=2x dx. Integrating both sides: ∫ey dy=∫2x dxey=x2+CSince y=log⁡2 when x=0, we haveelog⁡2=02+C2=C,and thereforeey=x2+2y=log⁡(x2+2)\begin{aligned} e^y\,\mathrm{d}y &= 2x\,\mathrm{d}x. \\ \text{ Integrating both sides: } \\ \int e^y\,\mathrm{d}y &= \int 2x\,\mathrm{d}x\\ e^y &= x^2+C \\ \text{Since $y=\log2$ when $x=0$, we have} \\ e^{\log 2} &= 0^2+C \\ 2 &= C, \\ \text{and therefore} \\ e^{y} &= x^2+2 \\ y &= \log(x^2+2) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 5번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 2.4절 · 12번대학 수준우리말 번역

미분방정식 y′(t)=ey3cos⁡ty'(t)=e^{\frac{y}{3}}\cos t 를 푸세요. 해 y(t)y(t) 를 tt 에 대한 식으로 명시적으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Solve the differential equation y′(t)=ey3cos⁡ty'(t)=e^{\frac{y}{3}}\cos t. You should express the solution y(t)y(t) in terms of tt explicitly.

정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

y′=ey3cos⁡te−y/3dy=cos⁡t dt∫e−y/3dy=∫cos⁡t dt−3e−y/3=sin⁡t+C1ey/3=sin⁡t+C−3ey/3=−3C+sin⁡ty3=log⁡(−3C+sin⁡t)y(t)=3log⁡(−3C+sin⁡t)\begin{aligned} y'&=e^{\frac{y}{3}}\cos t\\ e^{-y/3}\mathrm{d}y&=\cos t\,\mathrm{d}t\\ \int e^{-y/3}\mathrm{d}y&=\int\cos t\,\mathrm{d}t\\ -3e^{-y/3}&=\sin t +C\\ \frac{1}{e^{y/3}}&=\frac{\sin t +C}{-3}\\ e^{y/3} &=\frac{-3}{C+\sin t} \\ \frac{y}{3}&=\log\left(\frac{-3}{C+\sin t}\right) \\y(t)&=3\log\left(\frac{-3}{C+\sin t}\right) \end{aligned}

단, CC 는 임의의 상수이다.

로그의 정의역이 (0,∞)(0,\infty) 이므로 해는 C+sin⁡t<0C+\sin t<0 일 때만 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

y′=ey3cos⁡te−y/3dy=cos⁡t dt∫e−y/3dy=∫cos⁡t dt−3e−y/3=sin⁡t+C1ey/3=sin⁡t+C−3ey/3=−3C+sin⁡ty3=log⁡(−3C+sin⁡t)y(t)=3log⁡(−3C+sin⁡t)\begin{aligned} y'&=e^{\frac{y}{3}}\cos t\\ e^{-y/3}\mathrm{d}y&=\cos t\,\mathrm{d}t\\ \int e^{-y/3}\mathrm{d}y&=\int\cos t\,\mathrm{d}t\\ -3e^{-y/3}&=\sin t +C\\ \frac{1}{e^{y/3}}&=\frac{\sin t +C}{-3}\\ e^{y/3} &=\frac{-3}{C+\sin t} \\ \frac{y}{3}&=\log\left(\frac{-3}{C+\sin t}\right) \\y(t)&=3\log\left(\frac{-3}{C+\sin t}\right) \end{aligned}

for any constant CC.

Since the domain of logarithm is (0,∞)(0,\infty), the solution only exists when C+sin⁡t<0C+\sin t<0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 13번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 2.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

미분방정식

dydx=xex2−log⁡(y2)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = x e^{x^2-\log(y^2)}

을 푸세요.

영어 원문 보기

Solve the differential equation

dydx=xex2−log⁡(y2)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = x e^{x^2-\log(y^2)}

정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dydx=xex2−log⁡(y2)=xex2y2y2dy=xex2 dx∫y2dy=∫xex2 dxxex2 의 부정적분을 추측하거나, 치환 u=x2, du=2xdx 를 이용할 수 있다.y33=12ex2+C′y3=32ex2+3C′C′ 은 (−∞,∞) 의 임의의 상수이므로 3C′ 도 (−∞,∞) 의 임의의 상수이다. 따라서 3C′ 을 임의의 상수 C 로 바꾼다.y3=32ex2+Cy=32ex2+C3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= x e^{x^2-\log(y^2)} =\frac{x e^{x^2}}{y^2}\\ y^2\mathrm{d}y&=x e^{x^2}\,\mathrm{d}x\\ \int y^2\mathrm{d}y&=\int x e^{x^2}\,\mathrm{d}x \\ \text{$xe^{x^2}$ 의 부정적분을 추측하거나, 치환 $u=x^2$, $\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x$ 를 이용할 수 있다.} \\ \frac{y^3}{3}&=\frac{1}{2} e^{x^2}+C'\\ y^3&=\frac{3}{2} e^{x^2}+3C' \\ \text{$C'$ 은 $(-\infty,\infty)$ 의 임의의 상수이므로 $3C'$ 도 $(-\infty,\infty)$ 의 임의의 상수이다. 따라서 $3C'$ 을 임의의 상수 $C$ 로 바꾼다.} \\ y^3&=\frac{3}{2} e^{x^2}+C \\y&=\sqrt[3]{\frac{3}{2} e^{x^2}+C} \end{aligned}

단, CC 는 임의의 상수이다.

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dydx=xex2−log⁡(y2)=xex2y2y2dy=xex2 dx∫y2dy=∫xex2 dxWe can guess the antiderivative of xex2, or use the substitution u=x2, du=2xdx.y33=12ex2+C′y3=32ex2+3C′Since C′ can be any constant in (−∞,∞), then also 3C′ can be any constant in (−∞,∞), so we replace 3C′ with the arbitrary constant C.y3=32ex2+Cy=32ex2+C3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= x e^{x^2-\log(y^2)} =\frac{x e^{x^2}}{y^2}\\ y^2\mathrm{d}y&=x e^{x^2}\,\mathrm{d}x\\ \int y^2\mathrm{d}y&=\int x e^{x^2}\,\mathrm{d}x \\ \text{We can guess the antiderivative of $xe^{x^2}$, or use the substitution $u=x^2$, $\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x$.} \\ \frac{y^3}{3}&=\frac{1}{2} e^{x^2}+C'\\ y^3&=\frac{3}{2} e^{x^2}+3C' \\ \text{Since $C'$ can be any constant in $(-\infty,\infty)$, then also $3C'$ can be any constant in $(-\infty,\infty)$, so we replace $3C'$ with the arbitrary constant $C$.} \\ y^3&=\frac{3}{2} e^{x^2}+C \\y&=\sqrt[3]{\frac{3}{2} e^{x^2}+C} \end{aligned}

for any constant CC.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 10번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 2.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

y=y(x)y=y(x) 라 하자. 미분방정식 y′=xeyy'=xe^y 의 일반해를 구하세요.

영어 원문 보기

Let y=y(x)y=y(x). Find the general solution of the differential equation y′=xeyy'=xe^y.

정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dydx=xeydyey=x dx∫dyey=∫x dx−e−y=12x2+Ce−y=−12x2−CC 는 (−∞,∞) 의 임의의 상수가 될 수 있으므로 −C 도 (−∞,∞) 의 임의의 상수가 될 수 있다. 따라서 −C 대신 C 로 쓴다.e−y=C−12x2−y=log⁡(C−x22)y=−log⁡(C−x22)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=xe^y\\ \frac{\mathrm{d}y}{e^y}&=x\,\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{e^y}&=\int x\,\mathrm{d}x\\ -e^{-y}&=\frac{1}{2} x^2+C\\ e^{-y}&=-\frac{1}{2} x^2-C \\ \text{$C$ 는 $(-\infty,\infty)$ 의 임의의 상수가 될 수 있으므로 $-C$ 도 $(-\infty,\infty)$ 의 임의의 상수가 될 수 있다. 따라서 $-C$ 대신 $C$ 로 쓴다.} \\ e^{-y}&=C-\frac{1}{2} x^2 \\-y&=\log\left(C-\frac{x^2}{2}\right) \\y&=-\log\left(C-\frac{x^2}{2}\right) \end{aligned}

여기서 CC 는 임의의 상수이다.

해는 C−x22>0C-\frac{x^2}{2}>0 일 때에만 존재한다. 이를 만족시키려면 C>0C>0 이어야 하고, 이때 이 함수의 정의역은 ∣x∣<2C|x|<\sqrt{2C} 를 만족시키는 xx 의 값들이다.

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dydx=xeydyey=x dx∫dyey=∫x dx−e−y=12x2+Ce−y=−12x2−CSince C can be any constant in (−∞,∞), then also −C can be any constant in (−∞,∞), so we write C instead of −C.e−y=C−12x2−y=log⁡(C−x22)y=−log⁡(C−x22)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=xe^y\\ \frac{\mathrm{d}y}{e^y}&=x\,\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{e^y}&=\int x\,\mathrm{d}x\\ -e^{-y}&=\frac{1}{2} x^2+C\\ e^{-y}&=-\frac{1}{2} x^2-C \\ \text{Since $C$ can be any constant in $(-\infty,\infty)$, then also $-C$ can be any constant in $(-\infty,\infty)$, so we write $C$ instead of $-C$.} \\ e^{-y}&=C-\frac{1}{2} x^2 \\-y&=\log\left(C-\frac{x^2}{2}\right) \\y&=-\log\left(C-\frac{x^2}{2}\right) \end{aligned}

for any constant CC.

The solution only exists for C−x22>0C-\frac{x^2}{2}>0. For this to happen, we need C>0C>0, and then the domain of the function is those values xx for which ∣x∣<2C|x|<\sqrt{2C}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 6번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-2 · 2.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

미분방정식 yy′ex−2x=1y\displaystyle\frac{y y'}{e^x -2x} = \frac{1}{y} 의 해 중에서 y(0)=3y(0) = 3 을 만족시키는 것을 구하세요. yy 를 xx 의 함수로 완전히 풀어서 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the solution to the differential equation yy′ex−2x=1y\displaystyle\frac{y y'}{e^x -2x} = \frac{1}{y} that satisfies y(0)=3y(0) = 3. Solve completely for yy as a function of xx.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다. 양변에 교차하여 곱해서 방정식을 다음과 같이 고쳐 쓴다.

y2dydx=ex−2xy2 dy=(ex−2x) dx. 양변을 적분하면∫y2 dy=∫(ex−2x) dx13y3=ex−x2+Cx=0, y=3 을 대입하면 1333=e0−02+C 이므로 C=8 이다.13y3=ex−x2+8y=(3ex−3x2+24)1/3\begin{aligned} y^2 \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= e^x -2x\\ y^2 \,\mathrm{d}y &= (e^x - 2x ) \,\mathrm{d}x. \\ \text{ 양변을 적분하면} \\ \int y^2 \,\mathrm{d}y &=\int (e^x - 2x ) \,\mathrm{d}x\\ \frac{1}{3}y^3 &= e^x - x^2 + C \\ \text{$x = 0$, $y = 3$ 을 대입하면 $\frac{1}{3}3^3=e^0-0^2+C$ 이므로 $C=8$ 이다.} \\ \frac{1}{3}y^3 &= e^x - x^2 + 8\\ y &= (3e^x -3x^2+ 24)^{1/3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly. Cross–multiplying, we rewrite the equation as

y2dydx=ex−2xy2 dy=(ex−2x) dx. Integrating both sides, we find∫y2 dy=∫(ex−2x) dx13y3=ex−x2+CSetting x=0 and y=3, we find 1333=e0−02+C and hence C=8.13y3=ex−x2+8y=(3ex−3x2+24)1/3\begin{aligned} y^2 \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= e^x -2x\\ y^2 \,\mathrm{d}y &= (e^x - 2x ) \,\mathrm{d}x. \\ \text{ Integrating both sides, we find} \\ \int y^2 \,\mathrm{d}y &=\int (e^x - 2x ) \,\mathrm{d}x\\ \frac{1}{3}y^3 &= e^x - x^2 + C \\ \text{Setting $x = 0$ and $y = 3$, we find $\frac{1}{3}3^3=e^0-0^2+C$ and hence $C=8$.} \\ \frac{1}{3}y^3 &= e^x - x^2 + 8\\ y &= (3e^x -3x^2+ 24)^{1/3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 1번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-2 · 2.4절 · 16번대학 수준우리말 번역

다음을 만족하는 함수 y=f(x)y=f(x) 를 구하세요.

dydx=−xy3그리고f(0)=−14\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -xy^3 \qquad\text{그리고}\qquad f(0)=-\frac{1}{4} \end{aligned}

영어 원문 보기

Find the function y=f(x)y=f(x) that satisfies

dydx=−xy3andf(0)=−14\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -xy^3 \qquad\text{and}\qquad f(0)=-\frac{1}{4} \end{aligned}

정답·풀이 보기

이것은 변수분리형 미분방정식이며, 다음과 같이 통상의 방법으로 푼다.

dydx=−xy3−dyy3=x dx∫−dyy3=∫x dx−y−2−2=x22+Cy−2=x2+2C.x=0 일 때 y=−14 이려면 C 를 다음을 만족하도록 택해야 한다(−14)−2=0+2C16=2C따라서 (∗)에서,y−2=x2+2C=x2+16y2=1x2+16이제 y(x) 의 후보는 두 가지이다:y=1x2+16또는y=−1x2+16x=0 일 때 y=−14 임을 안다. 위의 함수 중 이에 맞는 것은 다음뿐이다.y=−1x2+16(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= -xy^3\\ - \frac{\mathrm{d}y}{y^3} &= x\ \mathrm{d}x\\ \int -\frac{\mathrm{d}y}{y^3} &= \int x\ \mathrm{d}x\\ - \frac{y^{-2}}{-2} &= \frac{x^2}{2}+C\\ y^{-2}&=x^2+2C. \tag{$*$} \\ \text{$x=0$ 일 때 $y=-\frac{1}{4}$ 이려면 $C$ 를 다음을 만족하도록 택해야 한다} \\ {\Big(-\frac{1}{4} \Big)}^{-2}& =0 +2C\\ 16&= 2C \\ \text{따라서 ($*$)에서,} \\ y^{-2}&=x^2+2C =x^2+16\\ y^2&=\frac{1}{x^2+16} \\ \text{이제 $y(x)$ 의 후보는 두 가지이다:} \\ y&=\frac{1}{\sqrt{x^2+16}}\qquad\text{또는}\qquad y=-\frac{1}{\sqrt{x^2+16}} \\ \text{$x=0$ 일 때 $y=-\frac14$ 임을 안다. 위의 함수 중 이에 맞는 것은 다음뿐이다.} \\ y&=-\frac{1}{\sqrt{x^2+16}} \end{aligned}

따라서 f(x)=−1x2+16f(x) = -\dfrac{1}{\sqrt{x^2+16}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This is a separable differential equation that we solve in the usual way.

dydx=−xy3−dyy3=x dx∫−dyy3=∫x dx−y−2−2=x22+Cy−2=x2+2C.To have y=−14 when x=0, we must choose C to obey(−14)−2=0+2C16=2CSo, from (∗),y−2=x2+2C=x2+16y2=1x2+16Now, we have two potential candidates for y(x):y=1x2+16ORy=−1x2+16We know y=−14 when x=0. The only function above that fits this is y=−1x2+16(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= -xy^3\\ - \frac{\mathrm{d}y}{y^3} &= x\ \mathrm{d}x\\ \int -\frac{\mathrm{d}y}{y^3} &= \int x\ \mathrm{d}x\\ - \frac{y^{-2}}{-2} &= \frac{x^2}{2}+C\\ y^{-2}&=x^2+2C. \tag{$*$} \\ \text{To have $y=-\frac{1}{4}$ when $x=0$, we must choose $C$ to obey} \\ {\Big(-\frac{1}{4} \Big)}^{-2}& =0 +2C\\ 16&= 2C \\ \text{So, from ($*$),} \\ y^{-2}&=x^2+2C =x^2+16\\ y^2&=\frac{1}{x^2+16} \\ \text{Now, we have two potential candidates for $y(x)$:} \\ y&=\frac{1}{\sqrt{x^2+16}}\qquad\text{OR}\qquad y=-\frac{1}{\sqrt{x^2+16}} \\ \text{We know $y=-\frac14$ when $x=0$. The only function above that fits this is } \\ y&=-\frac{1}{\sqrt{x^2+16}} \end{aligned}

So, f(x)=−1x2+16f(x) = -\dfrac{1}{\sqrt{x^2+16}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 4번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-2 · 2.4절 · 17번대학 수준우리말 번역

y(1)=4y(1)=4 이고 다음을 만족시키는 함수 y=y(x)y=y(x) 를 구하세요.

dydx=15x2+4x+3y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{15x^2 + 4x + 3}{y}

영어 원문 보기

Find the function y=y(x)y=y(x) that satisfies y(1)=4y(1)=4 and

dydx=15x2+4x+3y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{15x^2 + 4x + 3}{y}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이것은 변수분리형 미분방정식이며 일반적인 방법으로 푼다. 양변을 정리하여 변수를 분리하고 적분하면,

y dy=(15x2+4x+3) dx∫y dy=∫(15x2+4x+3) dxy22=5x3+2x2+3x+C.x=1 과 y=4 를 대입하면 422=5+2+3+C 이므로 C=−2 이다. 따라서y22=5x3+2x2+3x−2y2=10x3+4x2+6x−4그러면 y 가 될 수 있는 함수는 다음 두 가지이다:y=10x3+4x2+6x−4또는y=−10x3+4x2+6x−4x=1 일 때 y=4 이다. 이것은 첫 번째 식에만 맞으므로y=10x3+4x2+6x−4\begin{aligned} y\,\mathrm{d}y &= (15x^2 + 4x + 3) \,\mathrm{d}x \\ \int y\,\mathrm{d}y &= \int (15x^2 + 4x + 3) \,\mathrm{d}x \\ \frac{y^2}{2} &= 5x^3 + 2x^2 + 3x + C. \\ \text{$x=1$ 과 $y=4$ 를 대입하면 $ \frac{4^2}2 = 5+2+3+C $ 이므로 $C=-2$ 이다. 따라서} \\ \frac{y^2}{2} &= 5x^3 + 2x^2 + 3x - 2 \\ y^2 &= 10x^3 + 4x^2 + 6x - 4 \\ \text{그러면 $y$ 가 될 수 있는 함수는 다음 두 가지이다:} \\ y = \sqrt{10x^3 + 4x^2 + 6x - 4} &\qquad\text{또는}\qquad y = - \sqrt{10x^3 + 4x^2 + 6x - 4} \\ \text{$x=1$ 일 때 $y=4$ 이다. 이것은 첫 번째 식에만 맞으므로} \\ y &= \sqrt{10x^3 + 4x^2 + 6x - 4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This is a separable differential equation that we solve in the usual way. Cross-multiplying and integrating,

y dy=(15x2+4x+3) dx∫y dy=∫(15x2+4x+3) dxy22=5x3+2x2+3x+C.Plugging in x=1 and y=4 gives 422=5+2+3+C, and so C=−2. Thereforey22=5x3+2x2+3x−2y2=10x3+4x2+6x−4This leaves us with two possible functions for y:y=10x3+4x2+6x−4ORy=−10x3+4x2+6x−4When x=1, y=4. This only fits the first equation, soy=10x3+4x2+6x−4\begin{aligned} y\,\mathrm{d}y &= (15x^2 + 4x + 3) \,\mathrm{d}x \\ \int y\,\mathrm{d}y &= \int (15x^2 + 4x + 3) \,\mathrm{d}x \\ \frac{y^2}{2} &= 5x^3 + 2x^2 + 3x + C. \\ \text{Plugging in $x=1$ and $y=4$ gives $ \frac{4^2}2 = 5+2+3+C, $ and so $C=-2$. Therefore} \\ \frac{y^2}{2} &= 5x^3 + 2x^2 + 3x - 2 \\ y^2 &= 10x^3 + 4x^2 + 6x - 4 \\ \text{This leaves us with two possible functions for $y$:} \\ y = \sqrt{10x^3 + 4x^2 + 6x - 4} &\qquad\text{OR}\qquad y = - \sqrt{10x^3 + 4x^2 + 6x - 4} \\ \text{When $x=1$, $y=4$. This only fits the first equation, so} \\ y &= \sqrt{10x^3 + 4x^2 + 6x - 4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 7번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-2 · 2.4절 · 18번대학 수준우리말 번역

y(0)=1y(0)=1 일 때, y′=x3yy'=x^3y 의 해 y(x)y(x) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the solution y(x)y(x) of y′=x3yy'=x^3y with y(0)=1y(0)=1.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dydx=x3ydyy=x3 dx∫dyy=∫x3 dxlog⁡∣y∣=x44+C∣y∣=ex4/4+C=ex4/4eCx=0 일 때 y=1 이라고 주어져 있다. 즉 1=e0eC 이므로 eC=1 이다. 즉 C=0 이다.∣y∣=ex4/4따라서 가능한 함수는 다음 두 가지가 남는다:y=ex4/4또는y=−ex4/4첫째 함수는 항상 양수이고, 둘째 함수는 항상 음수이다. x=0 일 때 y=1 (양수)이므로 다음을 얻는다y=ex4/4\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=x^3y \\\frac{\mathrm{d}y}{y}&=x^3\,\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{y}&=\int x^3\,\mathrm{d}x\\ \log|y|&=\frac{x^4}{4}+C\\ |y|&=e^{x^4/4+C}=e^{x^4/4}e^C \\ \text{$x=0$ 일 때 $y=1$ 이라고 주어져 있다. 즉 $1=e^0e^C$ 이므로 $e^C=1$ 이다. 즉 $C=0$ 이다.} \\ |y|&=e^{x^4/4} \\ \text{따라서 가능한 함수는 다음 두 가지가 남는다:} \\ y=e^{x^4/4}&\qquad\text{또는}\qquad y=-e^{x^4/4} \\ \text{첫째 함수는 항상 양수이고, 둘째 함수는 항상 음수이다. $x=0$ 일 때 $y=1$ (양수)이므로 다음을 얻는다} \\ y&=e^{x^4/4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dydx=x3ydyy=x3 dx∫dyy=∫x3 dxlog⁡∣y∣=x44+C∣y∣=ex4/4+C=ex4/4eCWe are told that y=1 when x=0. That is, 1=e0eC, so eC=1. That is, C=0.∣y∣=ex4/4This leaves us with two potential functions:y=ex4/4ORy=−ex4/4The first is always positive, and the second is always negative. Since y=1 (a positive number) when x=0, we seey=ex4/4\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=x^3y \\\frac{\mathrm{d}y}{y}&=x^3\,\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{y}&=\int x^3\,\mathrm{d}x\\ \log|y|&=\frac{x^4}{4}+C\\ |y|&=e^{x^4/4+C}=e^{x^4/4}e^C \\ \text{We are told that $y=1$ when $x=0$. That is, $1=e^0e^C$, so $e^C=1$. That is, $C=0$.} \\ |y|&=e^{x^4/4} \\ \text{This leaves us with two potential functions:} \\ y=e^{x^4/4}&\qquad\text{OR}\qquad y=-e^{x^4/4} \\ \text{The first is always positive, and the second is always negative. Since $y=1$ (a positive number) when $x=0$, we see} \\ y&=e^{x^4/4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 21번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-2 · 2.4절 · 19번대학 수준우리말 번역

초깃값 문제를 푸세요.

xdydx+y=y2y(1)=−1x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + y = y^2\qquad y(1) = -1

영어 원문 보기

Solve the initial value problem

xdydx+y=y2y(1)=−1x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + y = y^2\qquad y(1) = -1

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 미분방정식은 그렇게 보이지 않더라도 변수분리형이다. 먼저 좌변의 yy를 우변으로 옮긴다.

xdydx+y=y2xdydx=y2−y=y(y−1)dyy(y−1)=dxx부분분수 분해를 이용하면 1y(y−1)=1y−1−1y 임을 알 수 있다.(1y−1−1y) dy=dxx∫(1y−1−1y) dy=∫dxxlog⁡∣y−1∣−log⁡∣y∣=log⁡∣x∣+Clog⁡∣y−1∣∣y∣=log⁡∣x∣+CC를 구하기 위해 x=1, y=−1을 대입한다. log⁡∣−2∣∣−1∣=log⁡∣1∣+Clog⁡2=C(∗)로 돌아가면,log⁡∣y−1∣∣y∣=log⁡∣x∣+log⁡2log⁡∣y−1y∣=log⁡∣2x∣∣y−1y∣=∣2x∣y(1)=−1이 초기 조건이므로 x≥1이고 ∣2x∣=2x이다. x=1일 때 y=−1이다. 따라서 적어도 x가 1 근처일 때는 y가 −1 근처이므로 y−1y는 양수이고 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 더 큰 x>1에서 y(x)−1y(x)의 부호가 바뀔 가능성이 남아 있다. 지금은 그 가능성을 일단 무시한다. 마지막에, 구한 y(x)가 미분방정식 xdydx+y=y2과 초기 조건 y(1)=−1을 정말로 만족시키는지 직접 확인할 것이다.y−1y=2xy−1=2xyy−2xy=1y(1−2x)=1y=11−2x(∗)\begin{aligned} x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+y&=y^2\\ x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &=y^2-y =y(y-1) \\ \frac{\mathrm{d}y}{y(y-1)} &=\frac{\mathrm{d}x}{x} \\ \text{부분분수 분해를 이용하면 $\frac{1}{y(y-1)} = \frac{1}{y-1}-\frac{1}{y}$ 임을 알 수 있다.} \\ \left(\frac{1}{y-1}-\frac{1}{y}\right)\,\mathrm{d}y &=\frac{\mathrm{d}x}{x}\\ \int\left(\frac{1}{y-1}-\frac{1}{y}\right)\,\mathrm{d}y &=\int\frac{\mathrm{d}x}{x}\\ \log|y-1|-\log|y| &=\log |x| + C \\ \log\frac{|y-1|}{|y|}&=\log|x|+C \tag{$*$} \\ \text{$C$를 구하기 위해 $x=1$, $y=-1$을 대입한다. } \\ \log\frac{|-2|}{|-1|}&=\log|1|+C\\ \log 2&=C \\ \text{($*$)로 돌아가면,} \\ \log\frac{|y-1|}{|y|}&=\log|x|+\log 2\\ \log\left|\frac{y-1}{y}\right|&=\log|2x|\\ \left|\frac{y-1}{y}\right|&=|2x| \\ \text{$y(1)=-1$이 초기 조건이므로 $x\ge 1$이고 $|2x|=2x$이다. $x=1$일 때 $y=-1$이다. 따라서 적어도 $x$가 $1$ 근처일 때는 $y$가 $-1$ 근처이므로 $\frac{y-1}{y}$는 양수이고 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 더 큰 $x>1$에서 $\frac{y(x)-1}{y(x)}$의 부호가 바뀔 가능성이 남아 있다. 지금은 그 가능성을 일단 무시한다. 마지막에, 구한 $y(x)$가 미분방정식 $x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+y=y^2$과 초기 조건 $y(1)=-1$을 정말로 만족시키는지 직접 확인할 것이다.} \\ \frac{y-1}{y}&=2x\\ y-1&=2xy\\ y-2xy&=1\\ y(1-2x)&=1\\ y&=\frac{1}{1-2x} \end{aligned}

검산을 위해 계산하면 다음과 같다.

xdydx+y=xddx{11−2x}+y=x2(1−2x)2+11−2x=2x+(1−2x)(1−2x)2=1(1−2x)2=y2따라서 미분방정식을 만족시킨다. 또한,y(1)=11−2×1=−1\begin{aligned} x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+y&=x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{1-2x}\right\}+y\\ &=x\frac{2}{(1-2x)^2}+\frac{1}{1-2x}\\ &=\frac{2x+(1-2x)}{(1-2x)^2}\\ &=\frac{1}{(1-2x)^2}\\ &=y^2 \\ \text{따라서 미분방정식을 만족시킨다. 또한,} \\ y(1)&=\frac{1}{1-2\times 1}=-1 \end{aligned}

이므로 조건을 만족시킨다. 이로써 구한 해가 옳음이 확인된다.

원본 교재 풀이(영어)

This is a separable differential equation, even if it doesn't quite look like it. First move the yy from the left hand side to the right hand side.

xdydx+y=y2xdydx=y2−y=y(y−1)dyy(y−1)=dxxUsing the method of partial fractions, we see 1y(y−1)=1y−1−1y.(1y−1−1y) dy=dxx∫(1y−1−1y) dy=∫dxxlog⁡∣y−1∣−log⁡∣y∣=log⁡∣x∣+Clog⁡∣y−1∣∣y∣=log⁡∣x∣+CTo determine C we set x=1 and y=−1. log⁡∣−2∣∣−1∣=log⁡∣1∣+Clog⁡2=CReturning to (∗),log⁡∣y−1∣∣y∣=log⁡∣x∣+log⁡2log⁡∣y−1y∣=log⁡∣2x∣∣y−1y∣=∣2x∣As y(1)=−1 is an initial condition, we have that x≥1 and ∣2x∣=2x. For x=1, we have y=−1. So at least for x near 1, we have y near −1, so that y−1y is positive and we may drop the absolute value signs. There remains the possibility that y(x)−1y(x) changes sign for some larger x>1. For now, we will simply ignore that possibility. At the end, we will explicitly check that the y(x) we come up with really does satisfy the differential equation xdydx+y=y2 and the initial condition y(1)=−1.y−1y=2xy−1=2xyy−2xy=1y(1−2x)=1y=11−2x(∗)\begin{aligned} x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+y&=y^2\\ x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &=y^2-y =y(y-1) \\ \frac{\mathrm{d}y}{y(y-1)} &=\frac{\mathrm{d}x}{x} \\ \text{Using the method of partial fractions, we see $\frac{1}{y(y-1)} = \frac{1}{y-1}-\frac{1}{y}.$} \\ \left(\frac{1}{y-1}-\frac{1}{y}\right)\,\mathrm{d}y &=\frac{\mathrm{d}x}{x}\\ \int\left(\frac{1}{y-1}-\frac{1}{y}\right)\,\mathrm{d}y &=\int\frac{\mathrm{d}x}{x}\\ \log|y-1|-\log|y| &=\log |x| + C \\ \log\frac{|y-1|}{|y|}&=\log|x|+C \tag{$*$} \\ \text{To determine $C$ we set $x=1$ and $y=-1$. } \\ \log\frac{|-2|}{|-1|}&=\log|1|+C\\ \log 2&=C \\ \text{Returning to ($*$),} \\ \log\frac{|y-1|}{|y|}&=\log|x|+\log 2\\ \log\left|\frac{y-1}{y}\right|&=\log|2x|\\ \left|\frac{y-1}{y}\right|&=|2x| \\ \text{As $y(1)=-1$ is an initial condition, we have that $x\ge 1$ and $|2x|=2x$. For $x=1$, we have $y=-1$. So at least for $x$ near $1$, we have $y$ near $-1$, so that $\frac{y-1}{y}$ is positive and we may drop the absolute value signs. There remains the possibility that $\frac{y(x)-1}{y(x)}$ changes sign for some larger $x>1$. For now, we will simply ignore that possibility. At the end, we will explicitly check that the $y(x)$ we come up with really does satisfy the differential equation $x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+y=y^2$ and the initial condition $y(1)=-1$.} \\ \frac{y-1}{y}&=2x\\ y-1&=2xy\\ y-2xy&=1\\ y(1-2x)&=1\\ y&=\frac{1}{1-2x} \end{aligned}

As a check, we compute:

xdydx+y=xddx{11−2x}+y=x2(1−2x)2+11−2x=2x+(1−2x)(1−2x)2=1(1−2x)2=y2So, our differential equation is satisfied. Furthermore:y(1)=11−2×1=−1\begin{aligned} x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+y&=x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{1-2x}\right\}+y\\ &=x\frac{2}{(1-2x)^2}+\frac{1}{1-2x}\\ &=\frac{2x+(1-2x)}{(1-2x)^2}\\ &=\frac{1}{(1-2x)^2}\\ &=y^2 \\ \text{So, our differential equation is satisfied. Furthermore:} \\ y(1)&=\frac{1}{1-2\times 1}=-1 \end{aligned}

as desired. This confirms that our solution is correct.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 20번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.CLP-2 · 2.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 는 항상 양수이고, f(0)=ef(0)=e 이며 모든 xx 에 대해 f′(x)=x f(x)f'(x) = x\,f(x) 를 만족시킵니다. 이 함수를 구하세요.

영어 원문 보기

A function f(x)f(x) is always positive, has f(0)=ef(0)=e and satisfies f′(x)=x f(x)f'(x) = x\,f(x) for all xx. Find this function.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

미지의 함수 f(x)f(x) 는 ff 의 도함수가 포함된 방정식을 만족시킨다. 즉, 미분방정식을 다루는 문제이다. 구체적으로, y=f(x)y=f(x) 가 다음의 변수분리형 미분방정식을 따른다고 주어져 있다. dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy.

dydx=xydyy=x dx∫dyy=∫x dxlog⁡∣y∣=x22+CC 를 구하기 위해 x=0 과 y=e 를 대입한다.log⁡e=022+C1=C따라서 해는 다음과 같다.log⁡∣y∣=x22+1y=f(x)>0 이 주어졌으므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.log⁡y=x22+1y=e1+12x2=e⋅ex2/2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= xy\\ \frac{\mathrm{d}y}{y} &= x\,\mathrm{d}x \\ \int \frac{\mathrm{d}y}{y} &= \int x\, \mathrm{d}x \\ \log|y| &=\frac{x^2}{2} + C \\ \\ \text{$C$ 를 구하기 위해 $x=0$ 과 $y=e$ 를 대입한다.} \\ \log e &=\frac{0^2}{2}+ C\\ 1&= C \\ \text{따라서 해는 다음과 같다.} \\ \log|y|&= \frac{x^2}{2} + 1 \\ \text{$y=f(x)>0$ 이 주어졌으므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ \log y &= \frac{x^2}{2}+1 \\ y&=e^{1+\frac{1}{2}x^2}=e\cdot e^{x^2/2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The unknown function f(x)f(x) satisfies an equation that involves the derivative of ff. That means we're in differential equation territory. Specifically, we are told that y=f(x)y=f(x) obeys the separable differential equation dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy.

dydx=xydyy=x dx∫dyy=∫x dxlog⁡∣y∣=x22+CTo determine C we set x=0 and y=e.log⁡e=022+C1=CSo, the solution is log⁡∣y∣=x22+1We are told that y=f(x)>0, so may drop the absolute value signs.log⁡y=x22+1y=e1+12x2=e⋅ex2/2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= xy\\ \frac{\mathrm{d}y}{y} &= x\,\mathrm{d}x \\ \int \frac{\mathrm{d}y}{y} &= \int x\, \mathrm{d}x \\ \log|y| &=\frac{x^2}{2} + C \\ \\ \text{To determine $C$ we set $x=0$ and $y=e$.} \\ \log e &=\frac{0^2}{2}+ C\\ 1&= C \\ \text{So, the solution is } \\ \log|y|&= \frac{x^2}{2} + 1 \\ \text{We are told that $y=f(x)>0$, so may drop the absolute value signs.} \\ \log y &= \frac{x^2}{2}+1 \\ y&=e^{1+\frac{1}{2}x^2}=e\cdot e^{x^2/2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 12번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-2 · 2.4절 · 21번대학 수준우리말 번역

다음 초깃값 문제를 푸세요:

dydx=1(x2+x)yy(1)=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} =\frac{1}{(x^2+x)y}\qquad y(1)=2 \end{aligned}

영어 원문 보기

Solve the following initial value problem:

dydx=1(x2+x)yy(1)=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} =\frac{1}{(x^2+x)y}\qquad y(1)=2 \end{aligned}

정답·풀이 보기

이것은 변수분리형 미분방정식이다.

dydx=1(x2+x)yy dy=dxx(x+1)부분분수 분해를 이용하면 1x(x+1)=1x−1x+1 임을 알 수 있다.y dy=(1x−1x+1) dx∫y dy=∫(1x−1x+1) dxy22=log⁡∣x∣−log⁡∣x+1∣+C=log⁡∣xx+1∣+C초기 조건 y(1)=2 를 만족하려면 C 를 다음이 성립하도록 택해야 한다.222=log⁡∣11+1∣+C2=log⁡12+CC=2−log⁡12따라서,y22=log⁡∣xx+1∣+2−log⁡12y2=2log⁡∣xx+1∣+4−2log⁡12문제에서 y(1)=2 를 초기 조건으로 주었으므로 항상 x≥1 이다. 그러면 xx+1 는 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.y2=2log⁡xx+1+4−2log⁡12이제 y(x) 는 위 오른쪽 변의 양의 제곱근 또는 음의 제곱근, 두 가지가 가능하다. y(1)=2 가 양수이므로 양의 제곱근을 택해야 한다.y(x)=2(log⁡xx+1−log⁡12+2)=4+2log⁡2xx+1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &=\frac{1}{(x^2+x)y}\\ y\,\mathrm{d}y &=\frac{\mathrm{d}x}{x(x+1)} \\ \text{부분분수 분해를 이용하면 $\frac{1}{x(x+1)} = \frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}$ 임을 알 수 있다.} \\ y\,\mathrm{d}y &=\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\right)\,\mathrm{d}x\\ \int y\,\mathrm{d}y &=\int\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\right)\,\mathrm{d}x\\ \frac{y^2}{2}&=\log|x|-\log|x+1|+C = \log\left| \frac{x}{x+1}\right|+C\\ \\ \text{초기 조건 $y(1)=2$ 를 만족하려면 $C$ 를 다음이 성립하도록 택해야 한다.} \\ \frac{2^2}{2} &= \log\left|\frac{1}{1+1}\right|+C\\ 2&=\log\frac12+C\\ C&=2-\log\frac{1}{2} \\ \text{따라서,} \\ \frac{y^2}{2}&= \log\left| \frac{x}{x+1}\right|+2-\log\frac{1}{2}\\ y^2&= 2\log\left| \frac{x}{x+1}\right|+4-2\log\frac{1}{2} \\ \text{문제에서 $y(1)=2$ 를 초기 조건으로 주었으므로 항상 $x\ge 1$ 이다. 그러면 $\frac{x}{x+1}$ 는 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ y^2&= 2\log \frac{x}{x+1}+4-2\log\frac{1}{2} \\ \text{이제 $y(x)$ 는 위 오른쪽 변의 양의 제곱근 또는 음의 제곱근, 두 가지가 가능하다. $y(1)=2$ 가 양수이므로 양의 제곱근을 택해야 한다.} \\ y(x)&=\sqrt{2\Big(\log\frac{x}{x+1}-\log\frac{1}{2}+2\Big)}\\ &=\sqrt{4+2\log\frac{2x}{x+1}} \end{aligned}

어떤 x>1x>1 에서 y(x)y(x) 가 0 을 지나 부호가 바뀔 수도 있지 않을까 걱정할 수 있다. 그러나 미분방정식에 따르면 y>0y>0 이고 x≥1x\ge 1 일 때마다 dydx=1(x2+x)y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{1}{(x^2+x)y} 는 양수이다. 따라서 y>0y>0 이고 x≥1x\ge 1 인 동안 y(x)y(x) 는 증가함수이다. y(1)=2y(1)=2 이므로 모든 x≥1x\ge 1 에 대해 y(x)≥2y(x)\ge 2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This is a separable differential equation.

dydx=1(x2+x)yy dy=dxx(x+1)Using partial fractions decomposition, we find 1x(x+1)=1x−1x+1.y dy=(1x−1x+1) dx∫y dy=∫(1x−1x+1) dxy22=log⁡∣x∣−log⁡∣x+1∣+C=log⁡∣xx+1∣+CTo satisfy the initial condition y(1)=2 we must choose C to obey222=log⁡∣11+1∣+C2=log⁡12+CC=2−log⁡12So,y22=log⁡∣xx+1∣+2−log⁡12y2=2log⁡∣xx+1∣+4−2log⁡12Note that the question specifies that y(1)=2 is an initial condition. So we always have x≥1. Then xx+1 is positive, and we can drop the absolute values.y2=2log⁡xx+1+4−2log⁡12This leaves two options for y(x): the positive or negative square root of the right hand side above. Since y(1)=2, which is positive, we must choose the positive square root.y(x)=2(log⁡xx+1−log⁡12+2)=4+2log⁡2xx+1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &=\frac{1}{(x^2+x)y}\\ y\,\mathrm{d}y &=\frac{\mathrm{d}x}{x(x+1)} \\ \text{Using partial fractions decomposition, we find $\frac{1}{x(x+1)} = \frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}$.} \\ y\,\mathrm{d}y &=\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\right)\,\mathrm{d}x\\ \int y\,\mathrm{d}y &=\int\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\right)\,\mathrm{d}x\\ \frac{y^2}{2}&=\log|x|-\log|x+1|+C = \log\left| \frac{x}{x+1}\right|+C\\ \\ \text{To satisfy the initial condition $y(1)=2$ we must choose $C$ to obey} \\ \frac{2^2}{2} &= \log\left|\frac{1}{1+1}\right|+C\\ 2&=\log\frac12+C\\ C&=2-\log\frac{1}{2} \\ \text{So,} \\ \frac{y^2}{2}&= \log\left| \frac{x}{x+1}\right|+2-\log\frac{1}{2}\\ y^2&= 2\log\left| \frac{x}{x+1}\right|+4-2\log\frac{1}{2} \\ \text{Note that the question specifies that $y(1)=2$ is an initial condition. So we always have $x\ge 1$. Then $\frac{x}{x+1}$ is positive, and we can drop the absolute values.} \\ y^2&= 2\log \frac{x}{x+1}+4-2\log\frac{1}{2} \\ \text{This leaves two options for $y(x)$: the positive or negative square root of the right hand side above. Since $y(1)=2$, which is positive, we must choose the positive square root.} \\ y(x)&=\sqrt{2\Big(\log\frac{x}{x+1}-\log\frac{1}{2}+2\Big)}\\ &=\sqrt{4+2\log\frac{2x}{x+1}} \end{aligned}

You might worry that y(x)y(x) could pass through zero, changing sign, at some x>1x>1. But the differential equation says that dydx=1(x2+x)y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{1}{(x^2+x)y} is positive whenever y>0y>0 and x≥1x\ge 1. So y(x)y(x) is an increasing function whenever y>0y>0 and x≥1x\ge 1. As y(1)=2y(1)=2, we have y(x)≥2y(x)\ge 2 for all x≥1x\ge 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 19번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-2 · 2.4절 · 22번대학 수준우리말 번역

미분방정식 1+y2−4tan⁡xy′=sec⁡xy\displaystyle \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x} y' = \frac{\sec x}y 의 해 중에서 y(0)=2y(0)=2 를 만족시키는 것을 구하세요. yy 를 xx 에 대한 식으로 나타낼 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Find the solution of the differential equation 1+y2−4tan⁡xy′=sec⁡xy\displaystyle \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x} y' = \frac{\sec x}y that satisfies y(0)=2y(0)=2. You don't have to solve for yy in terms of xx.

정답·풀이 보기

이것은 변수분리형 미분방정식이다.

1+y2−4tan⁡xdydx=sec⁡xyy[1+y2−4] dy=sec⁡x tan⁡x dx∫y[1+y2−4] dy=∫sec⁡x tan⁡x dx좌변의 적분은 치환 u=y2−4, 12du=y dy 를 이용한다.12∫(1+u) du=sec⁡x+C12(u+23u3/2)=sec⁡x+C12(y2−4+23(y2−4)3/2)=sec⁡x+Cy2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2C+4C 를 구하기 위해 x=0, y=2 를 대입한다.4+234−43=2sec⁡(0)+2C+44=2+2C+42=2C+4따라서y2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2\begin{aligned} \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{\sec x}y\\ y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \int y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \int \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \\ \text{좌변의 적분은 치환 $u={y^2-4}$, $\frac12\mathrm{d}u=y\,\mathrm{d}y$ 를 이용한다.} \\ \frac{1}{2}\int \big(1+\sqrt{u}\big)\,\mathrm{d}u&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(u+\frac{2}{3}u^{3/2}\right)&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(y^2-4+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}\right)&=\sec x +C \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2C+4 \\ \text{$C$ 를 구하기 위해 $x=0$, $y=2$ 를 대입한다.} \\ 4+\frac{2}{3}\sqrt{4-4}^3&=2\sec (0)+2C+4\\ 4&=2+2C+4\\ 2&=2C+4 \\ \text{따라서} \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This is a separable differential equation.

1+y2−4tan⁡xdydx=sec⁡xyy[1+y2−4] dy=sec⁡x tan⁡x dx∫y[1+y2−4] dy=∫sec⁡x tan⁡x dxFor the integral on the left, we use the substitution u=y2−4, 12du=y dy.12∫(1+u) du=sec⁡x+C12(u+23u3/2)=sec⁡x+C12(y2−4+23(y2−4)3/2)=sec⁡x+Cy2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2C+4To find C we set x=0 and y=2.4+234−43=2sec⁡(0)+2C+44=2+2C+42=2C+4So,y2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2\begin{aligned} \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{\sec x}y\\ y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \int y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \int \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \\ \text{For the integral on the left, we use the substitution $u={y^2-4}$, $\frac12\mathrm{d}u=y\,\mathrm{d}y$.} \\ \frac{1}{2}\int \big(1+\sqrt{u}\big)\,\mathrm{d}u&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(u+\frac{2}{3}u^{3/2}\right)&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(y^2-4+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}\right)&=\sec x +C \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2C+4 \\ \text{To find $C$ we set $x=0$ and $y=2$.} \\ 4+\frac{2}{3}\sqrt{4-4}^3&=2\sec (0)+2C+4\\ 4&=2+2C+4\\ 2&=2C+4 \\ \text{So,} \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 18번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
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17.CLP-2 · 2.4절 · 26번대학 수준우리말 번역

초깃값 문제 dxdt=k(3−x)(2−x)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}= k(3-x)(2-x), x(0)=1x(0)=1 을 생각하세요. 여기서 kk 는 양의 상수입니다. (이런 종류의 문제는 어떤 화학 반응을 분석할 때 나타납니다.)

(a) 이 초깃값 문제를 푸세요. 즉, xx 를 tt 의 함수로 나타내세요. (b) tt 가 +∞+\infty 에 가까워질 때 x(t)x(t) 는 어떤 값에 가까워지는지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the initial value problem dxdt=k(3−x)(2−x)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}= k(3-x)(2-x), x(0)=1x(0)=1, where kk is a positive constant. (This kind of problem occurs in the analysis of certain chemical reactions.)

(a) Solve the initial value problem. That is, find xx as a function of tt. (b) What value will x(t)x(t) approach as tt approaches +∞+\infty.

정답·풀이 보기

(a) 주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dxdt=k(3−x)(2−x)dx(x−2)(x−3)=kdt부분분수 분해를 이용하면 1(x−2)(x−3)=1x−3−1x−2 이다.∫[1x−3−1x−2] dx=∫kdtlog⁡∣x−3∣−log⁡∣x−2∣=kt+Clog⁡∣x−3x−2∣=kt+C∣x−3x−2∣=ekt+C=ekteCx−3x−2=Dekt 여기서 D=±eC 이다. t=0 일 때 x=1 이므로1−31−2=De0D=2따라서x−3x−2=2ektx−3=2ekt(x−2)x−2ektx=3−4ektx(t)=3−4ekt1−2ekt\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&= k(3-x)(2-x)\\ \frac{\mathrm{d}x}{(x-2)(x-3)}&= k\mathrm{d}t \\ \text{부분분수 분해를 이용하면 $\frac{1}{(x-2)(x-3)}=\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}$ 이다.} \\ \int\Big[\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}\Big]\ \mathrm{d}x&= \int k\mathrm{d}t\\ \log|x-3|-\log|x-2|&=kt+C\\ \log\left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=kt+C\\ \left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=e^{kt+C}=e^{kt}e^C\\ \frac{x-3}{x-2}&=De^{kt} \\ \text{ 여기서 $D=\pm e^C$ 이다. $t=0$ 일 때 $x=1$ 이므로} \\ \frac{1-3}{1-2}&=De^{0}\\ D&=2 \\ \text{따라서} \\ \frac{x-3}{x-2}&=2e^{kt}\\ x-3&=2e^{kt}(x-2)\\ x-2e^{kt}x&=3-4e^{kt}\\ x(t)&=\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}} \end{aligned}

(b) 극한을 구하기 위해 로피탈의 정리를 쓸 수도 있지만, 분자와 분모에 e−kte^{-kt} 를 곱해도 된다. lim⁡t→∞e−tk=0\lim\limits_{t \to \infty} e^{-tk}=0 임에 유의한다.

lim⁡t→∞x(t)=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⏟num→−∞den→−∞=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⋅e−kte−kt=lim⁡t→∞3e−kt−4e−kt−2=0−40−2=2\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow\infty}x(t) &=\lim_{t\rightarrow\infty}\underbrace{\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to-\infty}{\mathrm{den}\to-\infty}} =\lim_{t \to \infty} \frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}\cdot\frac{e^{-kt}}{e^{-kt}} =\lim_{t\rightarrow\infty}\frac{3e^{-kt}-4}{e^{-kt}-2} =\frac{0-4}{0-2} =2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dxdt=k(3−x)(2−x)dx(x−2)(x−3)=kdtUsing the method of partial fractions, we find 1(x−2)(x−3)=1x−3−1x−2.∫[1x−3−1x−2] dx=∫kdtlog⁡∣x−3∣−log⁡∣x−2∣=kt+Clog⁡∣x−3x−2∣=kt+C∣x−3x−2∣=ekt+C=ekteCx−3x−2=Dekt where D=±eC. When t=0, x=1, forcing1−31−2=De0D=2Hencex−3x−2=2ektx−3=2ekt(x−2)x−2ektx=3−4ektx(t)=3−4ekt1−2ekt\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&= k(3-x)(2-x)\\ \frac{\mathrm{d}x}{(x-2)(x-3)}&= k\mathrm{d}t \\ \text{Using the method of partial fractions, we find $\frac{1}{(x-2)(x-3)}=\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}$.} \\ \int\Big[\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}\Big]\ \mathrm{d}x&= \int k\mathrm{d}t\\ \log|x-3|-\log|x-2|&=kt+C\\ \log\left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=kt+C\\ \left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=e^{kt+C}=e^{kt}e^C\\ \frac{x-3}{x-2}&=De^{kt} \\ \text{ where $D=\pm e^C$. When $t=0$, $x=1$, forcing} \\ \frac{1-3}{1-2}&=De^{0}\\ D&=2 \\ \text{Hence} \\ \frac{x-3}{x-2}&=2e^{kt}\\ x-3&=2e^{kt}(x-2)\\ x-2e^{kt}x&=3-4e^{kt}\\ x(t)&=\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}} \end{aligned}

(b) To evaluate the limit, we could use l'Hopital's rule, but we could also just multiply the numerator and denominator by e−kte^{-kt}. Note lim⁡t→∞e−tk=0\lim\limits_{t \to \infty} e^{-tk}=0.

lim⁡t→∞x(t)=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⏟num→−∞den→−∞=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⋅e−kte−kt=lim⁡t→∞3e−kt−4e−kt−2=0−40−2=2\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow\infty}x(t) &=\lim_{t\rightarrow\infty}\underbrace{\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to-\infty}{\mathrm{den}\to-\infty}} =\lim_{t \to \infty} \frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}\cdot\frac{e^{-kt}}{e^{-kt}} =\lim_{t\rightarrow\infty}\frac{3e^{-kt}-4}{e^{-kt}-2} =\frac{0-4}{0-2} =2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 25번
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