문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

변수분리형 미분방정식

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

CLP-2 · 2.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

y=f(x)y=f(x) 가 미분방정식 dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy 의 해라고 하자.

참 또는 거짓: 임의의 상수 CC 에 대해 f(x)+Cf(x)+C 도 해이다.

영어 원문 보기

Suppose y=f(x)y=f(x) is a solution to the differential equation dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy.

True or false: f(x)+Cf(x)+C is also a solution, for any constant CC.

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y=f(x)+Cy=f(x)+C 가 이 미분방정식의 해라는 것은 다음을 뜻한다.

ddx{f(x)+C}=x(f(x)+C)y=f(x) 가 해이므로 ddx{f(x)}=xf(x) 이다. 또한 ddx{f(x)+C}=ddx{f(x)} 이다. 따라서 ddx{f(x)+C}=xf(x) 이다.xf(x)=x(f(x)+C)0=xC\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}&=x(f(x)+C) \\ \text{$y=f(x)$ 가 해이므로 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}=xf(x)$ 이다. 또한 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}$ 이다. 따라서 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=xf(x)$ 이다.} \\ xf(x)&=x(f(x)+C)\\ 0&=xC \end{aligned}

이 등식은 정의역의 모든 xx 에 대해 성립해야 하고, yy 를 xx 에 대해 미분하는 것이 의미를 가지려면 정의역이 한 점만으로 이루어져서는 안 된다. 따라서 정의역에는 x≠0x \neq 0 인 xx 가 존재한다. 그러므로 CC 는 반드시 0이어야 한다. 즉, f(x)+Cf(x)+C 는 어떤 상수 CC 에 대해서도 이 미분방정식의 해가 아니다.

일반적인 부정적분을 구할 때에는 마지막에 “+C+C"를 더한다. 미분방정식의 일반해를 구할 때에는 부정적분을 하는 단계에서 “+C+C"가 더해지므로, 풀이 마지막에 또 하나를 더하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

To say y=f(x)+Cy=f(x)+C is a solution to the differential equation means:

ddx{f(x)+C}=x(f(x)+C)Since y=f(x) is a solution, we know ddx{f(x)}=xf(x). Also, ddx{f(x)+C}=ddx{f(x)}. So, ddx{f(x)+C}=xf(x).xf(x)=x(f(x)+C)0=xC\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}&=x(f(x)+C) \\ \text{Since $y=f(x)$ is a solution, we know $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}=xf(x)$. Also, $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}$. So, $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=xf(x)$.} \\ xf(x)&=x(f(x)+C)\\ 0&=xC \end{aligned}

Our equation should hold for all xx in our domain, and for the derivative to yy with respect to xx to make sense, our domain should not be a single point. So, there is some xx in our domain such that x≠0x \neq 0. Therefore, the CC must be zero. So, f(x)+Cf(x)+C is not a solution to the differential equation for any constant CC.

When we're finding a general antiderivative, we add “+C+C" at the end. When we're finding a general solution to a differential equation, the “+C+C" gets added when we antidifferentiate–we don't add another one at the end of our work.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.4절 · 17번우리말 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}

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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}

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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