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
t (min)T (°C)29Ta​19 °C

4 °C의 탄산음료 캔을 냉장고에서 꺼내 23 °C인 방에 둡니다. 29분 후 온도는 19 °C입니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. 상수 k을(를) min⁻¹ 단위로 구하세요.

T0 = 4 °CTa = 23 °CT(29) = 19 °C
k = min⁻¹
2.미분방정식어려움
t (min)m (kg)120 minm = ?

탱크에 순수한 물 400 L가 들어 있습니다. 리터당 소금 0.1 kg이 든 소금물이 2 L/min으로 들어오고, 잘 섞인 용액이 같은 속도로 흘러 나갑니다. 120분 후 탱크 속 소금의 양 m은(는) 얼마인가요?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0.1 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.적분보통
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx를 계산하세요.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
4.적분어려움
xy3y = x²eˣ

I = ∫₀3 x²·eˣ dx을(를) 계산하시오.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.도함수보통
xyx = 1.5

f(x) = x3·e−0.5x이라 합시다. f′(1.5)를 구하세요.

f(x) = x3·e−0.5xx = 1.5
f′(1.5) =
6.도함수어려움
xyx = −2

x = −2에서 f(x) = 0.5x2 + 5x − 4의 접선은 y축과 y = b에서 만납니다. b를 구하세요.

f(x) = 0.5x2 + 5x − 4x = −2
b =
7.수치해석보통
xy11.52

심프슨 공식 n = 2으로 ∫12 1/x dx를 근사하고 정확한 값과 비교하시오. 절대 오차 |E| = |S − I|를 구하시오.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 2
|E| =
8.수치해석어려움
00.511.5012ty(0, 2)

y′ = −2ty, y(0) = 2에 대해 h = 0.5으로 호인법(개선된 오일러법)을 써서 y3 ≈ y(1.5)를 추정하시오.

y′ = −2tyy(0) = 2h = 0.5
y3 =

3용액

1.미분방정식

답: k = 0.05373 min⁻¹

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.

온도 차의 비

e−29k = -4/-19

k 구하기

k = ln(-19/-4)/29 = 0.05373 min⁻¹

답

k = 0.05373 min⁻¹
2.미분방정식

답: m = 18.05 kg

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.

방정식 세우기

dm/dt = 2·0.1 − (2/400)·m = 0.2 − 0.005·m

풀기

적분 인자는 ert/V이며, 해는 평형량 c·V에 가까워집니다.

m(t) = 40 + (−40)·e−t/200

t 대입

m(120) = 40 + (−40)·0.5488 = 18.05 kg

답

m = 18.05 kg
3.적분

답: I = 41.33

정적분: ∫ₐᵇ f(x) dx는 a부터 b까지 그래프와 x축 사이의 부호 있는 넓이입니다. 원시함수 F(F′ = f)를 구하고 F(b) − F(a)를 계산합니다. 거듭제곱 법칙: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). 두 곡선 사이의 넓이는 ∫(위 − 아래) dx입니다.

치환적분

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

적분하고 대입하기

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41.33

답

I = 41.33
4.적분

답: I = 98.43

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.

첫 번째 단계

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

두 번째 단계

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

극한

20.09·(5) − 1·2 = 98.43

답

I = 98.43
5.도함수

답: f′(1.5) = 2.391

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.

곱의 법칙

f′(x) = u′v + uv′ = e−0.5x·(3x2 + (−0.5)·x3)

대입하기

f′(1.5) = 0.4724·(6.75 + (−1.688)) = 2.391

답

f′(1.5) = 2.391
6.도함수

답: b = −6

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.

접점과 기울기

f(−2) = −12
f′(x) = x + 5 → f′(−2) = 3

x = 0에서의 접선 값

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −12 − 3·(−2) = −6

답

b = −6
7.수치해석

답: |E| = 0.001297

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.

정확한 값

I = 0.693147

심프슨 공식

S = (0.5/3)·(1 + 4·0.666667 + 0.5) = 0.694444

오차

|E| = |0.694444 − 0.693147| = 0.001297

답

|E| = 0.001297

상대 오차: 0.1872%.

8.수치해석

답: y3 = 0.375

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁0020−21.510.51.5−1.5−1.50.75210.75−1.500.375

호인 단계

y₁ = 2 + (0.5/2)(0 − 2) = 1.5
y₂ = 1.5 + (0.5/2)(−1.5 − 1.5) = 0.75
y₃ = 0.75 + (0.5/2)(−1.5 + 0) = 0.375
00.511.5012ty

그래프

y3 = 0.375

답

y3 = 0.375

정확한 값은 y(1.5) = 0.210798입니다.

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