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 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 등식을 생각하세요.

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) f(0)f(0) 의 값을 구하세요. (b) f(x)f(x) 가 만족시키는 미분방정식을 구하세요. (c) (a)와 (b)에서 정해진 초깃값 문제를 푸세요.

영어 원문 보기

Consider the equation

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) What is f(0)f(0)? (b) Find the differential equation satisfied by f(x)f(x). (c) Solve the initial value problem determined in (a) and (b).

정답·풀이 보기

(a) x=0x=0 을 대입하면

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) 미적분의 기본정리 제1부에 의해

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

따라서 y=f(x)y=f(x) 는 미분방정식 y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2) 를 만족시킨다.

(c) y≠1,2y\ne 1,2 이면,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dx부분분수 방법을 이용하면,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C 모든 y≥2 에 대해 dydx=(y−1)(y−2)>0 임을 알 수 있다. 즉, f(x)>2 인 모든 x 에서 f(x) 는 증가한다. f(0)=3 이므로 모든 x≥0 에 대해 f(x) 는 증가하고, 모든 x≥0 에 대해 f(x)≥3 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex x=0 일 때 f(x)−2f(x)−1=12 이므로 eC=12 이다.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 이용하면,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ 모든 $y\ge 2$ 에 대해 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ 임을 알 수 있다. 즉, $f(x)>2$ 인 모든 $x$ 에서 $f(x)$ 는 증가한다. $f(0)=3$ 이므로 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)$ 는 증가하고, 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)\ge 3$ 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ $x=0$ 일 때 $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ 이므로 $e^C=\frac{1}{2}$ 이다.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Setting x=0x=0 gives

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) By the Fundamental Theorem of Calculus part 1,

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

Thus y=f(x)y=f(x) obeys the differential equation y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2).

(c) If y≠1,2y\ne 1,2,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dxUsing the method of partial fractions,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C Observe that dydx=(y−1)(y−2)>0 for all y≥2. That is, f(x) is increasing at all x for which f(x)>2. As f(0)=3, f(x) increases for all x≥0, and f(x)≥3 for all x≥0. So we may drop the absolute value signs.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex At x=0, f(x)−2f(x)−1=12 so eC=12.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ Observe that $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ for all $y\ge 2$. That is, $f(x)$ is increasing at all $x$ for which $f(x)>2$. As $f(0)=3$, $f(x)$ increases for all $x\ge 0$, and $f(x)\ge 3$ for all $x\ge 0$. So we may drop the absolute value signs.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ At $x=0$, $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ so $e^C=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.4절 · 35번우리말 번역

높이가 2 m인 물탱크를 반지름이 r=ypr=y^p 인 원형 단면을 가지도록 만들려고 합니다. 여기서 yy 는 탱크 바닥으로부터 잰 수직 거리이고, pp 는 정해야 하는 양의 상수입니다. 탱크의 물이 빠질 때 토리첼리의 법칙을 따른다고 가정해도 좋습니다. 즉,

A(y)dydt=−cy\begin{aligned} A(y)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-c\sqrt{y} \end{aligned}

이며, 여기서 cc 는 어떤 상수이고 A(y)A(y) 는 높이 yy 에서의 탱크의 단면의 넓이입니다. 탱크의 윗부분 절반 (y=2y=2 에서 y=1y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1y=1 에서 y=0y=0 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간과 정확히 같도록 탱크를 만들려고 합니다. 탱크가 이 성질을 갖도록 pp 의 값을 구하세요. 참고: 이 문제에서 cc 를 구하는 것은 불가능하며 필요하지도 않습니다.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

시각 tt (예를 들어 정오부터 시작하여 시간 단위로 잰다)에 탱크 안 물의 높이가 yy 이고, 이 값은 0 m와 2 m 사이라고 하자. 이때 물의 윗면은 반지름이 r=ypr=y^p 인 원판을 이루고 그 넓이는 A(y)=πy2pA(y)=\pi y^{2p} 이다. 따라서 토리첼리의 법칙에 의해

πy2pdydt=−cy−πc⋅y2p−12dy= dt∫−πc⋅y2p−12dy= ∫dt−πc⋅y2p+122p+12+d=tfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=πc⋅22p+122p+12  .t=πc(22p+122p+12−y2p+122p+12)=πc(2p+12)(22p+12−y2p+12)\begin{aligned} \pi y^{2p}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=-c\sqrt{y}\\ -\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\mathrm{d}t\\ \int-\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\int \mathrm{d}t\\ -\frac{\pi}{c}\cdot\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}+d &=t \\ \text{for some constant $d$. At time $t=0$, the height is $y=2$, so $d=\displaystyle\frac{\pi}{c}\cdot\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}$ \ .} \\ t&=\frac{\pi}{c}\bigg(\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}} -\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}\bigg)\\ &=\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-y^{2p+\frac12}\right) \end{aligned}

높이가 11 이 되는 시각은 이 식에 y=1y=1 을 대입하여 얻고, 높이가 00 이 되는 시각은 이 식에 y=0y=0 을 대입하여 얻는다. 따라서 윗부분 절반(y=2y=2 에서 y=1y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1y=1 에서 y=0y=0 까지)이 걸리는 시간과 정확히 같다는 조건은 다음과 같다.

t(2)−t(1)=t(1)−t(0)0−t(1)=t(1)−t(0)t(0)=2t(1)πc(2p+12)(22p+12−02p+12)=2πc(2p+12)(22p+12−12p+12)22p+12=2(22p+12−1)22p+12=2⋅22p+12−22=22p+121=2p+12p=14\begin{aligned} t(2)-t(1)&=t(1)-t(0)\\ 0-t(1)&=t(1)-t(0)\\ t(0)&=2t(1)\\ \frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-0^{2p+\frac12}\right)&= 2\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-1^{2p+\frac12}\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\left(2^{2p+\frac12}-1\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\cdot 2^{2p+\frac12}-2\\ 2&=2^{2p+\frac12}\\ 1&=2p+\frac12\\ p&=\frac14 \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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