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)30Ta​18 °C

4 °C의 탄산음료 캔을 냉장고에서 꺼내 24 °C인 방에 둡니다. 30분 후 온도는 18 °C입니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. 상수 k을(를) min⁻¹ 단위로 구하세요.

T0 = 4 °CTa = 24 °CT(30) = 18 °C
k = min⁻¹
2.미분방정식어려움
tyK = 5y(1.5) = ?

시스템이 t ≥ 0에서 y″ + 4y′ + 29y = 145을 따르며 정지 상태에서 출발합니다: y(0) = 0, y′(0) = 0. y(1.5)을(를) 구하시오. 각도는 라디안.

y″ + 4y′ + 29y = 145y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.적분보통
xy1y = √(4x)

y = √(4x) 아래의 영역을 x = 0에서 x = 1까지 x축 둘레로 회전시킵니다. 이 입체(포물면체)의 부피 V을(를) 구하시오.

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.적분어려움
xy−33

포물선 y = 9 − x²과 x축 사이 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = 9 − x²
A =
5.도함수보통
xyx = 0.5

f(x) = x3·e−x이라 합시다. f′(0.5)를 구하세요.

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

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

f(x) = 2x2 − 5x − 5x = −2
b =
7.수치해석보통
xy00.3750.751.1251.5

띠 n = 4개의 심프슨 공식으로 ∫01.5 √(1 + x³) dx를 근사하시오. S을(를) 구하시오.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1.5]n = 4
S =
8.수치해석어려움
00.20.422.53ty(0, 3)

y′ = cos t − y, y(0) = 3에 대해 h = 0.1으로 오일러법을 써서 y5 ≈ y(0.5)를 추정하시오.

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0.1
y5 =

3용액

1.미분방정식

답: k = 0.04013 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−30k = -6/-20

k 구하기

k = ln(-20/-6)/30 = 0.04013 min⁻¹

답

k = 0.04013 min⁻¹
2.미분방정식

답: y(1.5) = 4.82

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.

정상값과 근

yss = 5, r = −2 ± 5j

초기값으로부터 구한 상수

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −2

계산하기

y(1.5) = 5·(1 − e−3(cos 7.5 + 0.4·sin 7.5)) = 4.82

답

y(1.5) = 4.82
3.적분

답: V = 6.283

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.

원판법

V = π∫₀1 4x dx

적분하기

V = π·4·1²/2 = 6.283

답

V = 6.283
4.적분

답: A = 36

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.

영점

9 − x² = 0 → x = ±3

적분하기

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

답

A = 36
5.도함수

답: f′(0.5) = 0.3791

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−x·(3x2 + (−1)·x3)

대입하기

f′(0.5) = 0.6065·(0.75 + (−0.125)) = 0.3791

답

f′(0.5) = 0.3791
6.도함수

답: b = −13

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) = 13
f′(x) = 4x − 5 → f′(−2) = −13

x = 0에서의 접선 값

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 13 − (−13)·(−2) = −13

답

b = −13
7.수치해석

답: S = 1.976

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)체중001110.3751.026028420.751.192424231.1251.556865441.52.091651

절점과 값

h = 0.375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1.026028 + 2·1.192424 + 4·1.556865 + 2.09165 = 15.808071

심프슨 공식

S = (0.375/3)·15.808071 = 1.976

답

S = 1.976

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

8.수치해석

답: y5 = 2.167

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₊₁003−22.810.12.8−1.8049962.619520.22.6195−1.6394342.45555730.32.455557−1.5002212.30553540.42.305535−1.3844742.167088

오일러 단계

y₁ = 3 + 0.1·(−2) = 2.8
y₂ = 2.8 + 0.1·(−1.804996) = 2.6195
y₃ = 2.6195 + 0.1·(−1.639434) = 2.455557
y₄ = 2.455557 + 0.1·(−1.500221) = 2.305535
y₅ = 2.305535 + 0.1·(−1.384474) = 2.167088
00.20.422.53ty

그래프

y5 = 2.167

답

y5 = 2.167

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