문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

변수분리형 미분방정식

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CLP-2 · 2.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래는 함수 y=f(x)y=f(x) 와 미분방정식의 짝이다. 각 짝에 대해 그 함수가 미분방정식의 해인지 판단하세요.

  함수미분방정식 (a)y=5(ex−3x2−6x−6)dydx=y+15x2(b)y=−2x2+1y′(x)=xy2(c)y=x3/2+x(dydx)2+dydx=y\begin{array}{c|l|l|}\text{ ~} & \text{\textbf{함수}} & \text{\textbf{미분방정식}} \\ \text{ (a)} & y=5(e^x-3x^2-6x-6) & \displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 \\ \text{(b)} & y=\dfrac{-2}{x^2+1} & y'(x)=xy^2 \\ \text{(c)} & y=x^{3/2}+x & \displaystyle\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2 + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y \\ \text{}\end{array}

영어 원문 보기

Below are pairs of functions y=f(x)y=f(x) and differential equations. For each pair, decide whether the function is a solution of the differential equation.

  functiondifferential equation (a)y=5(ex−3x2−6x−6)dydx=y+15x2(b)y=−2x2+1y′(x)=xy2(c)y=x3/2+x(dydx)2+dydx=y\begin{array}{c|l|l|}\text{ ~} & \text{\textbf{function}} & \text{\textbf{differential equation}} \\ \text{ (a)} & y=5(e^x-3x^2-6x-6) & \displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 \\ \text{(b)} & y=\dfrac{-2}{x^2+1} & y'(x)=xy^2 \\ \text{(c)} & y=x^{3/2}+x & \displaystyle\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2 + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y \\ \text{}\end{array}

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(a)
(b)
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정답·풀이 보기

(a) y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) 이면 dydx=5(ex−6x−6)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 5(e^x-6x-6) 이다. 이것이 y+15x2y+15x^2 과 같은지 확인해 보자.

y+15x2=5(ex−3x2−6x−6)+15x2=5(ex−3x2−6x−6+3x2)=5(ex−6x−6)=dydx\begin{aligned} y+15x^2&=5(e^x-3x^2-6x-6)+15x^2\\ &=5(e^x-3x^2-6x-6+3x^2)\\ &=5(e^x-6x-6)\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) 은 미분방정식 dydx=y+15x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 의 해가 맞다. (b) y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} 이면 dydx=4x(x+1)2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{4x}{(x+1)^2} 이다. 이것이 xy2xy^2 과 같은지 확인해 보자.

xy2=x(−2x2+1)2=4x(x2+1)2=dydx\begin{aligned} xy^2&=x\left(\frac{-2}{x^2+1}\right)^2\\ &=\frac{4x}{(x^2+1)^2}\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} 은 미분방정식 dydx=xy2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy^2 의 해가 맞다. (c) y=x3/2+xy=x^{3/2}+x 이면 dydx=32x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}+1 이다.

(dydx)2+dydx=(32x+1)2+32x+1=94x+92x+2≠dydx\begin{aligned} \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\left(\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\right)^2+\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\\ &=\frac{9}{4}x+\frac{9}{2}\sqrt{x}+2\\ &\neq \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=x3/2+xy=x^{3/2}+x 는 미분방정식 (dydx)2+dydx=y\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y 의 해가 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6), then dydx=5(ex−6x−6)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 5(e^x-6x-6). Let's see whether this is equal to y+15x2y+15x^2:

y+15x2=5(ex−3x2−6x−6)+15x2=5(ex−3x2−6x−6+3x2)=5(ex−6x−6)=dydx\begin{aligned} y+15x^2&=5(e^x-3x^2-6x-6)+15x^2\\ &=5(e^x-3x^2-6x-6+3x^2)\\ &=5(e^x-6x-6)\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) is indeed a solution to the differential equation dydx=y+15x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2. (b) If y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1}, then dydx=4x(x+1)2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{4x}{(x+1)^2}. Let's see whether this is equal to xy2xy^2:

xy2=x(−2x2+1)2=4x(x2+1)2=dydx\begin{aligned} xy^2&=x\left(\frac{-2}{x^2+1}\right)^2\\ &=\frac{4x}{(x^2+1)^2}\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} is indeed a solution to the differential equation dydx=xy2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy^2. (c) If y=x3/2+xy=x^{3/2}+x, then dydx=32x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}+1.

(dydx)2+dydx=(32x+1)2+32x+1=94x+92x+2≠dydx\begin{aligned} \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\left(\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\right)^2+\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\\ &=\frac{9}{4}x+\frac{9}{2}\sqrt{x}+2\\ &\neq \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=x3/2+xy=x^{3/2}+x is not a solution to the differential equation (dydx)2+dydx=y\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 4.3절 · 21번우리말 번역

초깃값 문제의 해를 구하세요.

dxdt=ln⁡(t)1−x2,x(1)=0\frac{dx}{dt}=\ln (t)\sqrt{1-{x}^{2}},x(1)=0

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x=sin⁡(1−t+tln⁡t)x=\sin (1-t+t\ln t)

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