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(1) = ?

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1) =
2.미분방정식어려움
t (min)m (kg)t = ?23 kg

탱크에 소금 5 kg이 녹아 있는 물 400 L가 들어 있습니다. 리터당 소금 0.1 kg이 든 소금물이 4 L/min으로 들어오고, 잘 섞인 용액이 같은 속도로 흘러 나갑니다. 몇 분 t 후에 탱크에 소금이 23 kg 들어 있게 되나요?

V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0.1 kg/Lr = 4 L/min
t = min
3.적분보통
xy12.5y = x ln x

I = ∫₁2.5 x·ln x dx을(를) 계산하시오.

∫₁2.5 x ln x dx
I =
4.적분어려움
xyy = x2​y = 4x

y = x2과 y = 4x로 둘러싸인 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = x2y = 4x
A =
5.도함수보통
xyx = −1

f(x) = (4x + 5)5이라 합시다. f′(−1)를 구하세요.

f(x) = (4x + 5)5x = −1
f′(−1) =
6.도함수어려움
xy

f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 4이라 합시다. 극댓점의 x좌표 x를 구하세요.

f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 4
x =
7.수치해석보통
xy00.51

사다리꼴 공식 n = 2으로 ∫01 sin x dx를 근사하고 정확한 값과 비교하시오. 절대 오차 |E| = |T − I|를 구하시오.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.수치해석어려움
00.050.12.82.93ty(0, 3)

y′ = cos t − y, y(0) = 3에 대해 h = 0.1으로 고전적 룽게–쿠타법(RK4)을 한 단계 수행하시오. y₁ ≈ y(0.1)를 구하시오.

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0.1
y1 =

3용액

1.미분방정식

답: y(1) = 2.943

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.

중근

(r + 1)² = 0 → r = −1

상수

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 1A → B = -2 + 5 = 3

계산하기

y(1) = (5 + 3·1)·e−1 = 2.943

답

y(1) = 2.943
2.미분방정식

답: t = 72.21 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) = 40 + (−35)·e−t/100

t 구하기

e−t/100 = (40 − 23)/(40 − 5) = 0.4857
t = 100·ln(2.059) = 72.21 min

답

t = 72.21 min
3.적분

답: I = 1.551

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

(3.125·ln 2.5 − 1.5625) − (0 − 0.25) = 1.551

답

I = 1.551
4.적분

답: A = 10.67

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.

교점

x2 = 4x → x = 0, x = 4

위에서 아래를 빼서 적분하기

A = [2x2 − 0.3333x3]04 = 10.67

답

A = 10.67
5.도함수

답: f′(−1) = 20

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) = 5·(4x + 5)4·4

대입하기

f′(−1) = 5·14·4 = 20

답

f′(−1) = 20
6.도함수

답: x = 3

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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)

f′(x) = 0 풀기

x = 3 또는 x = 7

어느 쪽이 무엇인지

f″(x) = 6x − 30: 극대에서는 음수, 극소에서는 양수.

f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3

답

x = 3
7.수치해석

답: |E| = 0.009617

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 = 0.459698

사다리꼴 공식

T = (0.5/2)·(0 + 2·0.479426 + 0.841471) = 0.450081

오차

|E| = |0.450081 − 0.459698| = 0.009617

답

|E| = 0.009617

상대 오차: 2.092%.

8.수치해석

답: y1 = 2.81

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.

기울기 네 개

k₁ = f(0, 3) = −2
k₂ = f(0.05, 2.9) = −1.90125
k₃ = f(0.05, 2.904938) = −1.906187
k₄ = f(0.1, 2.809381) = −1.814377

합치기

y₁ = 3 + (0.1/6)(−2 + 2·−1.90125 + 2·−1.906187 − 1.814377) = 2.81

답

y1 = 2.81

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