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 · 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

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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 문제CLP-2 · 2.4절 · 20번우리말 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.

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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}

이 문제로 이어서 풀기
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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