미분방정식: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

미분방정식

지수적 성장/감소
dy/dt = ky → y = y0ekt
반감기
k = ln 2 / t½
뉴턴의 냉각 법칙
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
적분 인자
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
혼합 탱크
dm/dt = r·c − (r/V)·m

적분

거듭제곱 미분법
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
정적분
∫ab f dx = F(b) − F(a)
주요 적분
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
곡선 사이의 넓이
∫ab (f − g) dx

방법

  1. 가능하면 피적분 함수를 간단한 항들의 합으로 다시 쓰세요.
  2. 거듭제곱 법칙 ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)과 ex, 1/x, sin, cos의 기본 적분을 적용하세요.
  3. 함수와 그 도함수가 함께 보이면 치환을 쓰세요.
  4. 정적분은 F(b) − F(a)를 계산하세요.

도함수

거듭제곱 미분법
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
곱의 법칙
(uv)′ = u′v + uv′
몫의 미분법
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
연쇄 법칙
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
주요 도함수
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

방법

  1. 구조를 파악하세요: 합, 곱, 몫, 또는 합성.
  2. x의 각 거듭제곱에 거듭제곱 법칙을 적용하세요.
  3. 필요한 곳에 곱의 법칙, 몫의 법칙, 연쇄 법칙을 쓰세요.
  4. 간단히 하고, 문제에서 요구하면 해당 점에서 값을 구하세요.

수치해석

이분법
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
뉴턴–랩슨법
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
선형 보간
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
사다리꼴 공식
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
심프슨 공식(n은 짝수)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
사다리꼴 공식의 오차 한계
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
오일러
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
호인법
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

방법

  1. 근은 이분법이면 부호 변화를 확인하고, 뉴턴법이면 f와 f′를 계산하며, 반복값의 표에는 여섯 자리 이상을 유지하세요.
  2. 표의 값은 이웃한 두 점 사이를 선형으로 보간하세요.
  3. 적분은 h = (b − a)/n을 구하고, 모든 절점에서 f를 나열하고, 가중치(사다리꼴은 1, 2, …, 2, 1이고 짝수 n의 심프슨은 1, 4, 2, …, 4, 1)를 적용한 다음 h/2 또는 h/3을 곱하세요.
  4. 미분방정식은 t₀에서 yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)(오일러) 또는 평균 기울기(호인)로 단계마다 한 줄씩, 요구된 t에 도달할 때까지 진행하세요.

2연습 문제

1.미분방정식보통
tyy(0) = 5y(2) = ?

y(0) = 5, y′(0) = 1일 때 y″ + 5y′ + 6y = 0을(를) 푸시오. y(2)을(를) 구하시오.

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(2) =
2.미분방정식어려움
t (min)m (kg)t = ?38 kg

탱크에 소금 20 kg이 녹아 있는 물 1000 L가 들어 있습니다. 리터당 소금 0.05 kg이 든 소금물이 20 L/min으로 들어오고, 잘 섞인 용액이 같은 속도로 흘러 나갑니다. 몇 분 t 후에 탱크에 소금이 38 kg 들어 있게 되나요?

V = 1000 Lm0 = 20 kgc = 0.05 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.적분보통
xy13y = x ln x

I = ∫₁3 x·ln x dx을(를) 계산하시오.

∫₁3 x ln x dx
I =
4.적분어려움
xy1.5y = 3xy = 2x²

직선 y = 3x와 포물선 y = 2x² 사이의 영역을 x축 둘레로 회전시킵니다. 이 입체의 부피 V을(를) 구하시오.

y = 3xy = 2x²
V =
5.도함수보통
xyx = 1

f(x) = (2x − 3)4이라 합시다. f′(1)를 구하세요.

f(x) = (2x − 3)4x = 1
f′(1) =
6.도함수어려움
xy

f(x) = x3 + 4.5x2 + 6x − 2이라 합시다. 극댓점의 x좌표 x를 구하세요.

f(x) = x3 + 4.5x2 + 6x − 2
x =
7.수치해석보통
xy00.250.50.751

띠 n = 4개의 심프슨 공식으로 ∫01 e−x² dx를 근사하시오. S을(를) 구하시오.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.수치해석어려움
00.10.20.333.54ty(0, 3)

y′ = t + y, y(0) = 3을(를) 단계 h = 0.1의 오일러법으로 t = 0.3까지 푸시오. 정확한 해는 y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ이다. 전역 오차 |E| = |y(0.3) − y3|를 구하시오.

y′ = t + yy(0) = 3h = 0.1
|E| =

3용액

1.미분방정식

답: y(2) = 0.2658

2계 선형 방정식: y″ + b·y′ + c·y = 0에서 y = ert를 시도하면 특성방정식 r² + b·r + c = 0을 얻습니다. 서로 다른 두 실근 r₁ ≠ r₂이면 y = A·er₁t + B·er₂t(과감쇠), 중근 r이면 y = (A + Bt)·ert(임계감쇠), 복소근 −α ± jω이면 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(부족감쇠, 진동)입니다. 초기값 y(0)과 y′(0)이 A와 B를 정합니다. y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0으로 쓰면 ωn은 고유 진동수, ζ는 감쇠비이며, ζ < 1이면 진동합니다. 입력이 일정한 y″ + by′ + cy = c·K의 해는 정상값 K에 자유 응답을 더한 것입니다.

특성근

(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

초기값으로부터 구한 상수

A + B = 5, −2A − 3B = 1
A = 16, B = −11

계산하기

y(2) = 16·e−4 + (−11)·e−6 = 0.2658

답

y(2) = 0.2658
2.미분방정식

답: t = 45.81 min

1계 미분방정식: dy/dt = k·y의 해는 y = y₀·ekt입니다(k > 0이면 성장, k < 0이면 감소). 반감기가 T이면 k = ln 2/T입니다. 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)의 해는 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt입니다. 선형 방정식 y′ + p(x)·y = q(x)는 적분 인자 μ = e∫p dx로 풉니다: (μy)′ = μq이므로 μy = ∫μq dx + C.

결과

m(t) = 50 + (−30)·e−t/50

t 구하기

e−t/50 = (50 − 38)/(50 − 20) = 0.4
t = 50·ln(2.5) = 45.81 min

답

t = 45.81 min
3.적분

답: I = 2.944

부분적분: ∫u·dv = u·v − ∫v·du이며, 곱의 미분법에서 나옵니다. u는 미분하면 더 간단해지는 인수(x의 거듭제곱 또는 ln x)로, dv는 적분할 수 있는 인수(eˣ, sin x, cos x, 또는 u = ln x일 때의 x)로 고르세요. 정적분에서는 u·v를 양 끝에서 계산합니다: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. x² 인수는 두 번 적용해야 합니다.

u와 dv 고르기

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

원시함수

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

극한

(4.5·ln 3 − 2.25) − (0 − 0.25) = 2.944

답

I = 2.944
4.적분

답: V = 12.72

회전체의 부피: y = f(x)의 아래, x = a에서 x = b까지의 영역을 x축 둘레로 회전시키면 x에서의 단면이 반지름 f(x)인 원판인 입체가 만들어집니다. 원판들을 더하면 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx입니다. 영역이 바깥 곡선 R(x)와 안쪽 곡선 r(x) 사이에 있으면 각 조각은 와셔(고리)이며, V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx입니다. 반지름을 빼기 전에 먼저 제곱하세요.

교점

3x = 2x² → x = 0, x = 1.5

와셔법

V = π∫₀1.5 ((3x)² − (2x²)²) dx

적분하기

V = π(9·1.5³/3 − 4·1.5⁵/5) = π·4.05 = 12.72

답

V = 12.72
5.도함수

답: f′(1) = −8

미분: 도함수 f′(x)는 x에서 그래프의 기울기입니다. 거듭제곱 법칙: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. 곱의 법칙: (uv)′ = u′v + uv′. 연쇄 법칙: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). f′(x) = 0인 곳에서 그래프의 접선은 수평이며, 극대·극소·안장점 중 하나입니다.

연쇄 법칙

f′(x) = 4·(2x − 3)3·2

대입하기

f′(1) = 4·(−1)3·2 = −8

답

f′(1) = −8
6.도함수

답: x = −2

미분: 도함수 f′(x)는 x에서 그래프의 기울기입니다. 거듭제곱 법칙: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. 곱의 법칙: (uv)′ = u′v + uv′. 연쇄 법칙: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). f′(x) = 0인 곳에서 그래프의 접선은 수평이며, 극대·극소·안장점 중 하나입니다.

도함수

f′(x) = 3x2 + 9x + 6 = 3·(x2 + 3x + 2)

f′(x) = 0 풀기

x = −2 또는 x = −1

어느 쪽이 무엇인지

f″(x) = 6x + 9: 극대에서는 음수, 극소에서는 양수.

f″(−2) = −3, f″(−1) = 3
x = −2

답

x = −2
7.수치해석

답: S = 0.7469

수치 적분: [a, b]를 폭 h = (b − a)/n인 n개의 띠로 나누고 절점을 x₀ … xₙ이라 합니다. 사다리꼴 공식: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. 심프슨 공식(n은 짝수): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. 사다리꼴 공식의 오차는 h²처럼 줄어들고(한계 (b − a)h²·M/12, M = max|f″|), 심프슨 공식의 오차는 h⁴처럼 줄어듭니다. 따라서 같은 절점이라면 심프슨 공식이 대개 훨씬 더 정확합니다.

ixᵢf(xᵢ)체중001110.250.939413420.50.778801230.750.5697834410.3678791

절점과 값

h = 0.25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0.939413 + 2·0.778801 + 4·0.569783 + 0.367879 = 8.962265

심프슨 공식

S = (0.25/3)·8.962265 = 0.7469

답

S = 0.7469

이 적분은 초등함수로 된 부정적분이 없으며, 바로 이럴 때 수치 공식이 필요합니다.

8.수치해석

답: |E| = 0.07544

y′ = f(t, y)의 수치 해법: 오일러법은 각 단계의 시작점에서의 기울기를 따라 나아갑니다: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). 호인법(개선된 오일러법)은 시작점의 기울기와 오일러 예측점의 기울기를 평균합니다: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). 고전적 룽게–쿠타법(RK4)은 네 기울기를 결합합니다: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). 전역 오차는 오일러법이 h에, 호인법이 h²에, RK4가 h⁴에 비례합니다.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00333.310.13.33.43.6420.23.643.844.024

오일러 단계

y3 = 4.024

정확한 값

y(0.3) = 4.099435

전역 오차

|E| = |4.099435 − 4.024| = 0.07544
00.10.20.333.54ty

그래프

답

|E| = 0.07544

h를 절반으로 줄이면 오일러법의 오차가 대략 절반이 됩니다.

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