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

13문제 · 1 / 1쪽

1.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)
2.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)
3.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)
4.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)
5.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)
6.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)
7.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)
8.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.

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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)
9.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

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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)
10.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)
11.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)
12.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
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 · 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
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)