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 · 31번대학 수준우리말 번역

어떤 연속함수 y=y(x)y=y(x) 가 00 을 포함하는 어떤 열린구간의 모든 xx 에 대해 적분방정식

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

을 만족시킨다. y(x)y(x) 와 (∗)(*) 이 성립하는 가장 큰 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

A certain continuous function y=y(x)y=y(x) satisfies the integral equation

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

for all xx in some open interval containing 00. Find y(x)y(x) and the largest interval for which (∗)(*) holds.

정답·풀이 보기

주어진 것은 yy 와 yy 에 대한 함수의 적분 사이의 관계식이다. 우리가 풀 줄 아는 것은 yy 의 도함수와 yy 에 대한 함수 사이의 관계식이다. 주어진 적분방정식을 미분하면 이런 식을 만들 수 있다. 미적분학의 기본정리 제1부분에 의해

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

따라서 y(x)y(x) 는 미분방정식 y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x 와 초기 조건 y(0)=3y(0)=3 ((∗)(*) 에 x=0x=0 을 대입하면 된다)을 만족시킨다. y≠1,2y\ne 1,2 일 때,

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dx부분분수 방법을 쓰면 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1 임을 알 수 있다.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡x조건 y(0)=3 에서 ∣3−23−1∣=ec−1 즉 ec=12e 이므로∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 쓰면 $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$ 임을 알 수 있다.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{조건 $y(0)=3$ 에서 $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ 즉 $e^c=\frac{1}{2} e$ 이므로} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

x=0x=0 일 때 y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0 임을 알 수 있다. 또한 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x} 는, 따라서 ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big| 도, 결코 00 이 될 수 없다. y(x)y(x) 는 xx 에 따라 연속적으로 변하므로 y(x)y(x) 는 계속 22 보다 커야 한다. 따라서 y−2y−1\frac{y-2}{y-1} 는 계속 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 그러므로

y−2y−1=12e1−cos⁡x y 에 대해 풀면y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ $y$ 에 대해 풀면} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

마지막 단계에서 00 으로 나누는 일이 없으려면

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

이어야 한다.

간단히 하기 위해 L=1−log⁡2L=1-\log 2 라 하면 L>0L>0 이다. (2<e2<e 이므로 log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1 이고, 따라서 1−log⁡2>01-\log 2>0 임에서 알 수 있다.)

그림

x=0x=0 은 우리가 구한 함수의 정의역에 속하지만, 점 x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) 는 정의역에 속하지 않는다.

그림

따라서 우리의 답이 의미를 갖는 가장 큰 구간은 −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) 이고, 이는 대략 −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259 이다.

원본 교재 풀이(영어)

What we're given is an equation relating yy to the integral of a function of yy. What we know how to solve is an equation relating the derivative of yy to a function of yy. We can create this by differentiating the given integral equation. By the Fundamental Theorem of Calculus, part 1:

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

So y(x)y(x) satisfies the differential equation y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x and the initial equation y(0)=3y(0)=3 (just substitute x=0x=0 into (∗)(*)). For y≠1,2y\ne 1,2:

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dxUsing the method of partial fractions, we see 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡xThe condition y(0)=3 forces ∣3−23−1∣=ec−1 or ec=12e, hence∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions, we see $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{The condition $y(0)=3$ forces $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ or $e^c=\frac{1}{2} e$, hence} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

Observe that, when x=0x=0, y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0. Furthermore 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x}, and hence ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big|, can never take the value zero. As y(x)y(x) varies continuously with xx, y(x)y(x) must remain larger than 2. Consquently, y−2y−1\frac{y-2}{y-1} remains positive and we may drop the absolute value signs. Hence

y−2y−1=12e1−cos⁡x Solving for y,y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ Solving for $y$,} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

To avoid division by zero in the last step, we need

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

Let L=1−log⁡2L=1-\log 2, for brevity, and note that L>0L>0. (This can be seen by observing 2<e2<e, so, log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1, hence 1−log⁡2>01-\log 2>0.)

figure

We know x=0x=0 is in the domain of our function, but the points x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) are not.

figure

Therefore, the largest interval for which our answer makes sense is −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) or approximately −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.4절 · 32번우리말 번역

반지름이 3 미터이고 높이가 6 미터인 원기둥 모양의 물탱크가 물로 가득 차 있을 때 바닥에 구멍이 났다. 물은 반지름이 1 센티미터인 구멍을 통해 빠져나간다. 만약

  • h(t)h(t) 가 시각 tt 에서 탱크 안 물의 높이(단위: 미터)이고
  • v(t)v(t) 가 시각 tt 에서 빠져나가는 물의 속도(단위: 초당 미터)이면
  • 토리첼리의 법칙에 의해 v(t)=2gh(t)v(t)=\sqrt{2gh(t)} 이다. 여기서 g=9.8 m/sec2g=9.8\ {\rm m/sec^2} 이다. 탱크가 비는 데 걸리는 시간을 구하세요.
다 풀었으면 정답 확인

아주 짧은 시간 간격 dt\mathrm{d}t 동안 탱크 안 물의 높이가 dh\mathrm{d}h (음수)만큼 변한다고 하자. 그러면 이 시간 간격 동안 탱크 안 물의 양은 dV=−π(3)2dh\mathrm{d}V=-\pi(3)^2\mathrm{d}h 만큼 감소한다. 이는 같은 시간 간격 동안 구멍을 통해 흘러나간 물의 양과 같아야 한다. 구멍을 통해 흘러나가는 물은 반지름이 1 cm (즉, 0.01 m)이고 길이가 v(t)dtv(t)\mathrm{d}t 인 원기둥을 이루는데, 이 길이는 dt\mathrm{d}t 초 동안 물이 구멍 밖으로 움직인 거리이다. 따라서 시간 간격 dt\mathrm{d}t 동안 구멍으로 빠져나간 물의 양은 π(0.01)2v(t) dt=π(0.01)22gh(t) dt\pi(0.01)^2 v(t)\,\mathrm{d}t =\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t 이다.

그림

이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다. gg 는 상수임을 기억하자.

−π(3)2dh=π(0.01)22gh(t) dtdhh=−(0.013) ⁣22g dt∫dhh=∫−(0.013) ⁣22g dt2h=−(0.013) ⁣22g t+C시각 0 에서 높이가 6 이므로 C=26 이고2h=−(0.013) ⁣22g t+26탱크 안 물의 높이가 0 이 되는 때를 구하려 한다.0=−(0.013) ⁣22g t+26(0.013) ⁣22g t=26t=26(0.013) ⁣22g=2(30.01) ⁣23g=180,0003g≈99,591 sec≈27.66 hr\begin{aligned} -\pi(3)^2\mathrm{d}h&=\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t\\ \frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=\int-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{시각 $0$ 에서 높이가 $6$ 이므로 $C=2\sqrt{6}$ 이고} \\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6} \\ \text{탱크 안 물의 높이가 0 이 되는 때를 구하려 한다.} \\ 0&=-\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6}\\ \Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t&=2\sqrt{6}\\ t&=\frac{2\sqrt6}{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}}\\ &=2{\Big(\frac{3}{0.01}\Big)}^{\!2} \sqrt{\frac{3}{g}}\\ &=180,000 \sqrt{\frac{3}{g}}\approx 99,591\text{ sec} \approx 27.66\text{ hr} \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 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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