문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

미분방정식의 기초

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 7.1절 · 8번대학 수준우리말 번역

이 문제에서는 함수가 주어진 미분방정식의 해가 된다는 것이 무슨 뜻인지 더 알아봅니다.

(a) 미분방정식 dydt=y−t \frac{dy}{dt} = y - t\, 을 생각합니다. 다음 함수가 주어진 미분방정식의 해인지 각각 판단하세요. (i) y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t (ii) y(t)=t+1y(t) = t + 1 (iii) y(t)=t+2y(t) = t + 2 (b) 식료품점의 저울에 바나나를 올려 무게를 잴 때, 바나나의 높이 hh 는 미분방정식 d2hdt2=−kh\frac{d^2h}{dt^2} = -kh 로 나타내집니다. 여기서 kk 는 용수철 상수로, 저울에 들어 있는 용수철의 성질에 따라 정해지는 상수입니다. 바나나를 저울에 올린 뒤, 여러분이 (영리하게도) 바나나의 높이가 h(t)=4sin⁡(3t)h(t) = 4\sin(3t) 로 주어짐을 관찰했습니다. 용수철 상수의 값은 얼마입니까?

영어 원문 보기

In this problem, we test further what it means for a function to be a solution to a given differential equation.

(a) Consider the differential equation dydt=y−t .\frac{dy}{dt} = y - t\,. Determine whether the following functions are solutions to the given differential equation. (i) y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t (ii) y(t)=t+1y(t) = t + 1 (iii) y(t)=t+2y(t) = t + 2 (b) When you weigh bananas in a scale at the grocery store, the height hh of the bananas is described by the differential equation d2hdt2=−kh\frac{d^2h}{dt^2} = -kh where kk is the spring constant, a constant that depends on the properties of the spring in the scale. After you put the bananas in the scale, you (cleverly) observe that the height of the bananas is given by h(t)=4sin⁡(3t)h(t) = 4\sin(3t). What is the value of the spring constant?

정답·풀이 보기

(a) (i) y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t 가 dydt=y−t\frac{dy}{dt} = y - t 의 해인지 알아보기 위해, dydt\frac{dy}{dt} 와 y−ty - t 를 각각 계산하여 서로 같은지 확인한다. 먼저 y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t 이므로 dydt=1+2et .\frac{dy}{dt} = 1 + 2e^t\,. 다음으로 y−t=(t+1+2et)−t=1+2et .y - t = ( t + 1 + 2e^t ) - t = 1 + 2e^t\,. 따라서 y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t 는 이 미분방정식을 만족하므로 실제로 해이다. (ii) y(t)=t+1y(t) = t + 1 일 때, dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 이고 y−t=1y - t = 1 이기도 하므로, y(t)=t+1y(t) = t + 1 은 이 미분방정식의 해이다. (iii) y(t)=t+2y(t) = t + 2 이면 dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 이지만 y−t=2y - t = 2 이므로 dydt≠y−t\frac{dy}{dt} \ne y-t 이고, 따라서 y(t)=t+2y(t) = t + 2 는 이 미분방정식의 해가 아니다. (b) h(t)=4sin⁡(3t)h(t) = 4\sin(3t) 가 d2hdt2=−kh \frac{d^2h}{dt^2} = -kh\, 의 해가 되려면 이 식이 참이 되어야 한다. kk 를 구하기 위해 hh 의 식을 미분방정식에 대입하여 kk 에 필요한 조건을 알아본다. h(t)=4sin⁡(3t)h(t) = 4\sin(3t) 에 대하여 dhdt=12cos⁡(3t)\frac{dh}{dt} = 12\cos(3t) 이고 d2hdt2=−36sin⁡(3t) .\frac{d^2h}{dt^2} = -36\sin(3t)\,. 미분방정식 d2hdt2=−kh \frac{d^2h}{dt^2} = -kh\, 를 만족하려면 −36sin⁡(3t)=−kh=−k⋅4sin⁡(3t)-36\sin(3t) = -kh = -k \cdot 4\sin(3t) 이어야 한다. 따라서 −36=−4k-36 = -4k 이어야 하고, 그러므로 k=9k = 9 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) (i) To see if y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t is a solution to dydt=y−t\frac{dy}{dt} = y - t, we compute dydt\frac{dy}{dt} and y−ty - t separately and see if they are equal. First, using y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t, dydt=1+2et .\frac{dy}{dt} = 1 + 2e^t\,. Next, y−t=(t+1+2et)−t=1+2et .y - t = ( t + 1 + 2e^t ) - t = 1 + 2e^t\,. Thus, y(t)=t+1+2ety(t) = t + 1 + 2e^t satisfies the DE and is indeed a solution. (ii) For y(t)=t+1y(t) = t + 1, observe that dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 and y−t=1y - t = 1 as well, so y(t)=t+1y(t) = t + 1 is a solution to the DE. (iii) If y(t)=t+2y(t) = t + 2, then dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 but y−t=2y - t = 2 as well, so dydt≠y−t\frac{dy}{dt} \ne y-t, and therefore y(t)=t+2y(t) = t + 2 is a not solution to the DE. (b) In order for h(t)=4sin⁡(3t)h(t) = 4\sin(3t) to be a solution to d2hdt2=−kh ,\frac{d^2h}{dt^2} = -kh\,, it must make the equation true. To find kk, we substitute the formula for hh into the DE and see what is required of kk. We observe that for h(t)=4sin⁡(3t)h(t) = 4\sin(3t), dhdt=12cos⁡(3t)\frac{dh}{dt} = 12\cos(3t) and d2hdt2=−36sin⁡(3t) .\frac{d^2h}{dt^2} = -36\sin(3t)\,. To satisfy the DE d2hdt2=−kh ,\frac{d^2h}{dt^2} = -kh\,, it follows that we must have −36sin⁡(3t)=−kh=−k⋅4sin⁡(3t)-36\sin(3t) = -kh = -k \cdot 4\sin(3t). Thus, we need −36=−4k-36 = -4k, and hence k=9k = 9.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 4.1절 · 41번우리말 번역

다음 초깃값 문제를 y(0)=1y(0)=1 과 y(0)=−1y(0)=-1 에서 시작하여 푸세요. 두 해를 같은 그래프에 그리세요.

dydt=−y\frac{dy}{dt}=-y

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다 풀었으면 정답 확인

y=e−t,y=−e−ty={e}^{-t},y=-{e}^{-t}

이 문제로 이어서 풀기
# 미분방정식의 기초계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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