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변수분리형 미분방정식

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

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 문제CLP-2 · 2.4절 · 19번우리말 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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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.

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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