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5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

폴로늄-210의 반감기는 138일입니다. 폴로늄-210 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Polonium-210 has a half life of 138 days. What percentage of a sample of Polonium-210 decays in a day?

정답·풀이 보기

tt일 후 시료에 남아 있는 폴로늄-210의 양은 다음과 같이 주어진다는 것을 알고 있다.

Q(t)=Ce−kt여기서 C 는 시료의 처음 양이고, k 는 어떤 양의 상수이다.문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. t 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 Q(t)−Q(t+1) 이다. 이 양이 Q(t) 에서 차지하는 퍼센트는 100Q(t)−Q(t+1)Q(t) 이다. (예를 들어 시각 t 에 2 그램이 있었고 시각 t+1 에 1 그램이 있었다면 1002−11=50 이므로, 시료의 50% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)식을 간단히 하기 위해 Q(t) 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138이제 Q(t) 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{여기서 $C$ 는 시료의 처음 양이고, $k$ 는 어떤 양의 상수이다.} \\ \\ \text{문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. $t$ 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 $Q(t)-Q(t+1)$ 이다. 이 양이 $Q(t)$ 에서 차지하는 퍼센트는 $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$ 이다. (예를 들어 시각 $t$ 에 2 그램이 있었고 시각 $t+1$ 에 1 그램이 있었다면 $100\dfrac{2-1}{1}=50$ 이므로, 시료의 50\% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)} \\ \\ \text{식을 간단히 하기 위해 $Q(t)$ 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{이제 $Q(t)$ 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

시료의 약 0.5%가 하루 동안 붕괴한다.

참고: 시료의 0.5퍼센트가 하루 동안 붕괴한다고 할 때, 이것은 처음 시료의 0.5퍼센트를 뜻하는 것이 아니다. 어떤 날이 시작될 때 시료가 1 마이크로그램이라면, 그 후 24시간 동안 붕괴하는 양은 (어떤 시각 t=0t=0 에 "처음" 시료가 얼마였든 상관없이) 그 1 마이크로그램의 약 0.5퍼센트이다.

특히 시료가 점점 작아지므로, 매일 붕괴하는 0.5퍼센트는 실제로 붕괴하는 원자의 수가 점점 줄어든다는 것을 뜻한다. 그래서 매일 0.5%가 붕괴하고 100×0.5=50100\times 0.5 = 50 이라고 해서, 약 100일 후에 시료의 절반(50%)이 붕괴한다고 말할 수는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

We know that the amount of Polonium-210 in a sample after tt days is given by

Q(t)=Ce−ktwhere C is the original amount of the sample, and k is some positive constant.The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since t is measured in days, the amount that decays in a day is Q(t)−Q(t+1). The percentage of Q(t) that this represents is 100Q(t)−Q(t+1)Q(t). (For example, if there were two grams at time t, and one gram at time t+1, then 1002−11=50: 50% of the sample decayed in a day.)In order to simplify, we should figure out a better expression for Q(t). As usual, we make use of the half-life.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138Now, we have a better formula for Q(t):Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{where $C$ is the original amount of the sample, and $k$ is some positive constant.} \\ \\ \text{The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since $t$ is measured in days, the amount that decays in a day is $Q(t)-Q(t+1)$. The percentage of $Q(t)$ that this represents is $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$. (For example, if there were two grams at time $t$, and one gram at time $t+1$, then $100\dfrac{2-1}{1}=50$: 50\% of the sample decayed in a day.)} \\ \\ \text{In order to simplify, we should figure out a better expression for $Q(t)$. As usual, we make use of the half-life.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{Now, we have a better formula for $Q(t)$:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

About 0.5% of the sample decays in a day.

Remark: when we say that half a percent of the sample decays in a day, we don't mean half a percent of the original sample. If a day starts out with, say, 1 microgram, then what decays in the next 24 hours is about half a percent of that 1 microgram, regardless of what the “original" sample (at some time t=0t=0) held.

In particular, since the sample is getting smaller and smaller, that half of a percent that decays every day represents fewer and fewer actual atoms decaying. That's why we can't say that half of the sample (50%) will decay after about 100 days, even though 0.5% decays every day and 100×0.5=50100\times 0.5 = 50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 11번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

광석 시료에 우라늄-232가 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug 들어 있다고 한다. 우라늄-232의 반감기는 68.8년에서 70년 사이이다. 10년 후 이 시료에 붕괴하지 않고 남아 있는 우라늄-232의 양은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A sample of ore is found to contain 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug of Uranium-232, the half-life of which is between 68.8 and 70 years. How much Uranium-232 will remain undecayed in the sample in 10 years?

정답·풀이 보기

시간 tt 에서 광석 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt단, 6.9≤Q(0)≤7.5 이다. Q(0) 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 Q(10) 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 Q(10) 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 Q(0)=7.5, Q(70)=12(7.5) 로 놓는다.Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−k따라서 이 경우,Q(t)=7.5⋅2−t7010년 후,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79따라서 10년 후 시료에는 많아야 6.8 μg 이 들어 있다.이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 Q(0)=6.9 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−k이 경우,Q(t)=6.9⋅2−t68.810년 후,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24따라서 10년 후 시료에는 적어도 6.2 μg 이 들어 있다.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{단, $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$ 이다. $Q(0)$ 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 $Q(10)$ 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 $Q(10)$ 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.} \\ \\ \text{10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 $Q(0)=7.5$, $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$ 로 놓는다.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{따라서 이 경우,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{많아야} 6.8 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \\ \text{이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 $Q(0)=6.9$ 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{이 경우,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{적어도} 6.2 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \end{aligned}

10년 후 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 6.2에서 6.8 μ\mug 사이이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Uranium-232 in the sample of ore at time tt will be

Q(t)=Q(0)e−ktwhere 6.9≤Q(0)≤7.5. We don’t exactly know Q(0), and we don’t exactly know the half-life, so we also won’t exactly know Q(10): we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of Q(10), given the information in the problem.In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take Q(0)=7.5 and Q(70)=12(7.5).Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−kSo, in this secenario,Q(t)=7.5⋅2−t70After ten years,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79So after ten years, the sample contains at most 6.8 μg.Now, let’s think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take Q(0)=6.9, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−kIn this scenario,Q(t)=6.9⋅2−t68.8After ten years,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24So after ten years, the sample contains at least 6.2 μg.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{where $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$. We don't exactly know $Q(0)$, and we don't exactly know the half-life, so we also won't exactly know $Q(10)$: we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of $Q(10)$, given the information in the problem.} \\ \\ \text{In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take $Q(0)=7.5$ and $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{So, in this secenario,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at most} 6.8 $\mu$g.} \\ \\ \text{Now, let's think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take $Q(0)=6.9$, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{In this scenario,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at least} 6.2 $\mu$g.} \\ \end{aligned}

After ten years, the sample contains between 6.2 and 6.8 μ\mug of Uranium-232.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 8번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
3.CLP-2 · 2.4절 · 31번대학 수준우리말 번역

어떤 연속함수 y=y(x)y=y(x) 가 00 을 포함하는 어떤 열린구간의 모든 xx 에 대해 적분방정식

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

을 만족시킨다. y(x)y(x) 와 (∗)(*) 이 성립하는 가장 큰 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

A certain continuous function y=y(x)y=y(x) satisfies the integral equation

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

for all xx in some open interval containing 00. Find y(x)y(x) and the largest interval for which (∗)(*) holds.

정답·풀이 보기

주어진 것은 yy 와 yy 에 대한 함수의 적분 사이의 관계식이다. 우리가 풀 줄 아는 것은 yy 의 도함수와 yy 에 대한 함수 사이의 관계식이다. 주어진 적분방정식을 미분하면 이런 식을 만들 수 있다. 미적분학의 기본정리 제1부분에 의해

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

따라서 y(x)y(x) 는 미분방정식 y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x 와 초기 조건 y(0)=3y(0)=3 ((∗)(*) 에 x=0x=0 을 대입하면 된다)을 만족시킨다. y≠1,2y\ne 1,2 일 때,

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dx부분분수 방법을 쓰면 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1 임을 알 수 있다.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡x조건 y(0)=3 에서 ∣3−23−1∣=ec−1 즉 ec=12e 이므로∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 쓰면 $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$ 임을 알 수 있다.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{조건 $y(0)=3$ 에서 $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ 즉 $e^c=\frac{1}{2} e$ 이므로} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

x=0x=0 일 때 y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0 임을 알 수 있다. 또한 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x} 는, 따라서 ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big| 도, 결코 00 이 될 수 없다. y(x)y(x) 는 xx 에 따라 연속적으로 변하므로 y(x)y(x) 는 계속 22 보다 커야 한다. 따라서 y−2y−1\frac{y-2}{y-1} 는 계속 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 그러므로

y−2y−1=12e1−cos⁡x y 에 대해 풀면y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ $y$ 에 대해 풀면} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

마지막 단계에서 00 으로 나누는 일이 없으려면

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

이어야 한다.

간단히 하기 위해 L=1−log⁡2L=1-\log 2 라 하면 L>0L>0 이다. (2<e2<e 이므로 log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1 이고, 따라서 1−log⁡2>01-\log 2>0 임에서 알 수 있다.)

그림

x=0x=0 은 우리가 구한 함수의 정의역에 속하지만, 점 x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) 는 정의역에 속하지 않는다.

그림

따라서 우리의 답이 의미를 갖는 가장 큰 구간은 −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) 이고, 이는 대략 −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259 이다.

원본 교재 풀이(영어)

What we're given is an equation relating yy to the integral of a function of yy. What we know how to solve is an equation relating the derivative of yy to a function of yy. We can create this by differentiating the given integral equation. By the Fundamental Theorem of Calculus, part 1:

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

So y(x)y(x) satisfies the differential equation y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x and the initial equation y(0)=3y(0)=3 (just substitute x=0x=0 into (∗)(*)). For y≠1,2y\ne 1,2:

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dxUsing the method of partial fractions, we see 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡xThe condition y(0)=3 forces ∣3−23−1∣=ec−1 or ec=12e, hence∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions, we see $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{The condition $y(0)=3$ forces $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ or $e^c=\frac{1}{2} e$, hence} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

Observe that, when x=0x=0, y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0. Furthermore 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x}, and hence ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big|, can never take the value zero. As y(x)y(x) varies continuously with xx, y(x)y(x) must remain larger than 2. Consquently, y−2y−1\frac{y-2}{y-1} remains positive and we may drop the absolute value signs. Hence

y−2y−1=12e1−cos⁡x Solving for y,y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ Solving for $y$,} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

To avoid division by zero in the last step, we need

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

Let L=1−log⁡2L=1-\log 2, for brevity, and note that L>0L>0. (This can be seen by observing 2<e2<e, so, log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1, hence 1−log⁡2>01-\log 2>0.)

figure

We know x=0x=0 is in the domain of our function, but the points x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) are not.

figure

Therefore, the largest interval for which our answer makes sense is −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) or approximately −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 32번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 분류
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4.CLP-2 · 2.4절 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 등식을 생각하세요.

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) f(0)f(0) 의 값을 구하세요. (b) f(x)f(x) 가 만족시키는 미분방정식을 구하세요. (c) (a)와 (b)에서 정해진 초깃값 문제를 푸세요.

영어 원문 보기

Consider the equation

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) What is f(0)f(0)? (b) Find the differential equation satisfied by f(x)f(x). (c) Solve the initial value problem determined in (a) and (b).

정답·풀이 보기

(a) x=0x=0 을 대입하면

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) 미적분의 기본정리 제1부에 의해

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

따라서 y=f(x)y=f(x) 는 미분방정식 y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2) 를 만족시킨다.

(c) y≠1,2y\ne 1,2 이면,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dx부분분수 방법을 이용하면,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C 모든 y≥2 에 대해 dydx=(y−1)(y−2)>0 임을 알 수 있다. 즉, f(x)>2 인 모든 x 에서 f(x) 는 증가한다. f(0)=3 이므로 모든 x≥0 에 대해 f(x) 는 증가하고, 모든 x≥0 에 대해 f(x)≥3 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex x=0 일 때 f(x)−2f(x)−1=12 이므로 eC=12 이다.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 이용하면,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ 모든 $y\ge 2$ 에 대해 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ 임을 알 수 있다. 즉, $f(x)>2$ 인 모든 $x$ 에서 $f(x)$ 는 증가한다. $f(0)=3$ 이므로 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)$ 는 증가하고, 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)\ge 3$ 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ $x=0$ 일 때 $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ 이므로 $e^C=\frac{1}{2}$ 이다.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Setting x=0x=0 gives

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) By the Fundamental Theorem of Calculus part 1,

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

Thus y=f(x)y=f(x) obeys the differential equation y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2).

(c) If y≠1,2y\ne 1,2,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dxUsing the method of partial fractions,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C Observe that dydx=(y−1)(y−2)>0 for all y≥2. That is, f(x) is increasing at all x for which f(x)>2. As f(0)=3, f(x) increases for all x≥0, and f(x)≥3 for all x≥0. So we may drop the absolute value signs.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex At x=0, f(x)−2f(x)−1=12 so eC=12.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ Observe that $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ for all $y\ge 2$. That is, $f(x)$ is increasing at all $x$ for which $f(x)>2$. As $f(0)=3$, $f(x)$ increases for all $x\ge 0$, and $f(x)\ge 3$ for all $x\ge 0$. So we may drop the absolute value signs.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ At $x=0$, $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ so $e^C=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 35번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 2.4절 · 37번대학 수준우리말 번역

다음을 만족하는 함수 y(x)y(x) 를 구하세요. d2ydx2=2y3⋅dydx\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 그리고 x=−116log⁡3x=-\frac{1}{16}\log 3 이면 y=1y=1 이고 dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3 이다.

yy 에 대해 명시적으로 풀 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Find the function y(x)y(x) such that d2ydx2=2y3⋅dydx\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} and if x=−116log⁡3x=-\frac{1}{16}\log 3, then y=1y=1 and dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3.

You do not need to solve for yy explicitly.

정답·풀이 보기

먼저 양변을 xx 에 대해 부정적분한다.

∫(d2ydx2) dx=∫(2y3⋅dydx) dx오른쪽 적분은 y 로 변수를 바꾸는(치환하는) 데 쓰는 꼴 그대로이다.dydx=∫(2y3) dy=−1y2+Cy=1 일 때 dydx=3 이다.3=−11+CC=4따라서dydx=−1y2+4 이것은 변수분리형 미분방정식이다. dydx=4y2−1y2y24y2−1 dy=dx∫y24y2−1 dy=∫dx(∗)\begin{aligned} \int \left(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}\right)\,\mathrm{d}x&=\int\left(\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{오른쪽 적분은 $y$ 로 변수를 바꾸는(치환하는) 데 쓰는 꼴 그대로이다.} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\int\left(\frac{2}{y^3}\right)\,\mathrm{d}y = -\frac{1}{y^2}+C \\ \text{$y=1$ 일 때 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3$ 이다.} \\ 3& =-\frac{1}{1}+C\\ C&=4 \\ \text{따라서} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{1}{y^2}+4 \\ \text{ 이것은 변수분리형 미분방정식이다. } \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2} \\ \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\mathrm{d}x\\ \int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x\tag{$*$} \end{aligned}

왼쪽 적분은 부분분수로 구할 수 있지만, 분자의 차수가 분모의 차수와 같으므로 먼저 식을 간단히 해야 한다. 여기서는 식을 보고 바로 변형하지만, 다항식의 나눗셈(조립제법이 아닌 직접 나눗셈)을 이용해도 된다.

y24y2−1=14(4y2−1)+144y2−1=14(1+14y2−1)=14(1+1(2y−1)(2y+1))=14(1+1/22y−1−1/22y+1)\begin{aligned} \frac{y^2}{4y^2-1}&=\frac{\frac{1}{4}(4y^2-1)+\frac{1}{4}}{4y^2-1}\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{4y^2-1}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{(2y-1)(2y+1)}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right) \end{aligned}

이제 (∗*)로 돌아간다.

∫dx=∫y24y2−1 dy=∫14(1+1/22y−1−1/22y+1) dy=14(y+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣)=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x+C=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=−116log⁡3 일 때 y=1 이다.−116log⁡3+C=14(1+14log⁡∣2−12+1∣)=14+116log⁡13C=14따라서x+14=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)\begin{aligned} \int \mathrm{d}x&=\int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y\\ &= \int \frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log|2y-1| - \frac{1}{4}\log|2y+1|\right)\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x+C&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \\ \text{$x=-\frac{1}{16}\log 3$ 일 때 $y=1$ 이다.} \\ -\frac{1}{16}\log 3 +C &=\frac{1}{4}\left(1+\frac14\log\left| \frac{2-1}{2+1}\right|\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{16}\log\frac{1}{3}\\ C&=\frac{1}{4} \\ \text{따라서} \\ x+\frac{1}{4}&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \end{aligned}

구한 답은 xx 에 대해 미분하여 확인할 수 있다.

x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)4x=y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣ddx{4x}=ddx{y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣}4=dydx+14⋅2dydx2y−1−14⋅2dydx2y+14=dydx(1+1/22y−1−1/22y+1)=dydx(4y24y2−1)dydx=4y2−1y2=4−1y2합성함수의 미분법을 이용하여 x 에 대해 다시 미분하면d2ydx2=2y3⋅dydx(∗∗)\begin{aligned} x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ 4x&=y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\right\}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y-1} - \frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y+1}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(1+\frac{1/2}{2y-1} - \frac{1/2}{2y+1}\right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(\frac{4y^2}{4y^2-1}\right)\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2}=4-\frac{1}{y^2} \tag{$**$} \\ \text{합성함수의 미분법을 이용하여 $x$ 에 대해 다시 미분하면} \\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}&=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

이것은 우리가 풀어야 했던 미분방정식과 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

We start by antidifferentiating both sides with respect to xx.

∫(d2ydx2) dx=∫(2y3⋅dydx) dxThe right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to y.dydx=∫(2y3) dy=−1y2+CWhen y=1, dydx=3.3=−11+CC=4So,dydx=−1y2+4 This is a separable differential equation. dydx=4y2−1y2y24y2−1 dy=dx∫y24y2−1 dy=∫dx(∗)\begin{aligned} \int \left(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}\right)\,\mathrm{d}x&=\int\left(\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{The right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to $y$.} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\int\left(\frac{2}{y^3}\right)\,\mathrm{d}y = -\frac{1}{y^2}+C \\ \text{When $y=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3$.} \\ 3& =-\frac{1}{1}+C\\ C&=4 \\ \text{So,} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{1}{y^2}+4 \\ \text{ This is a separable differential equation. } \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2} \\ \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\mathrm{d}x\\ \int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x\tag{$*$} \end{aligned}

We can evaluate the left integral with partial fractions, but because the numerator has the same degree as the denominator, we have to simplify first. We do this by inspection, but you can also use long division.

y24y2−1=14(4y2−1)+144y2−1=14(1+14y2−1)=14(1+1(2y−1)(2y+1))=14(1+1/22y−1−1/22y+1)\begin{aligned} \frac{y^2}{4y^2-1}&=\frac{\frac{1}{4}(4y^2-1)+\frac{1}{4}}{4y^2-1}\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{4y^2-1}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{(2y-1)(2y+1)}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right) \end{aligned}

Now, we return to (∗*).

∫dx=∫y24y2−1 dy=∫14(1+1/22y−1−1/22y+1) dy=14(y+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣)=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x+C=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)When x=−116log⁡3, y=1.−116log⁡3+C=14(1+14log⁡∣2−12+1∣)=14+116log⁡13C=14So,x+14=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)\begin{aligned} \int \mathrm{d}x&=\int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y\\ &= \int \frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log|2y-1| - \frac{1}{4}\log|2y+1|\right)\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x+C&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \\ \text{When $x=-\frac{1}{16}\log 3$, $y=1$.} \\ -\frac{1}{16}\log 3 +C &=\frac{1}{4}\left(1+\frac14\log\left| \frac{2-1}{2+1}\right|\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{16}\log\frac{1}{3}\\ C&=\frac{1}{4} \\ \text{So,} \\ x+\frac{1}{4}&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \end{aligned}

We can check our answer by differentiating with respect to xx.

x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)4x=y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣ddx{4x}=ddx{y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣}4=dydx+14⋅2dydx2y−1−14⋅2dydx2y+14=dydx(1+1/22y−1−1/22y+1)=dydx(4y24y2−1)dydx=4y2−1y2=4−1y2Differentiating with respect to x again, using the chain rule,d2ydx2=2y3⋅dydx(∗∗)\begin{aligned} x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ 4x&=y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\right\}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y-1} - \frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y+1}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(1+\frac{1/2}{2y-1} - \frac{1/2}{2y+1}\right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(\frac{4y^2}{4y^2-1}\right)\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2}=4-\frac{1}{y^2} \tag{$**$} \\ \text{Differentiating with respect to $x$ again, using the chain rule,} \\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}&=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

This is exactly the differential equation we were meant to solve.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 31번
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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)