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 = y₀e^kt
반감기: k = ln 2 / t_½
뉴턴의 냉각 법칙: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
주요 적분: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
곡선 사이의 넓이: ∫_a^b (f − g) dx

방법

가능하면 피적분 함수를 간단한 항들의 합으로 다시 쓰세요.
거듭제곱 법칙 ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)과 e^x, 1/x, sin, cos의 기본 적분을 적용하세요.
함수와 그 도함수가 함께 보이면 치환을 쓰세요.
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

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

수치해석

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

방법

근은 이분법이면 부호 변화를 확인하고, 뉴턴법이면 f와 f′를 계산하며, 반복값의 표에는 여섯 자리 이상을 유지하세요.
표의 값은 이웃한 두 점 사이를 선형으로 보간하세요.
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.
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

y(0) = 3, y′(0) = 4일 때 y″ + 5y′ + 6y = 0을(를) 푸시오. y(1.5)을(를) 구하시오.

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 3y′(0) = 4

y(1.5) =

2.미분방정식어려움

시스템이 t ≥ 0에서 y″ + y′ + 25.25y = 25.25을 따르며 정지 상태에서 출발합니다: y(0) = 0, y′(0) = 0. y(0.5)을(를) 구하시오. 각도는 라디안.

y″ + y′ + 25.25y = 25.25y(0) = 0y′(0) = 0

y(0.5) =

3.적분보통

I = ∫₁⁵ 3/x dx를 계산하세요.

f(x) = 3/x[1, 5]

I =

4.적분어려움

I = ∫₀² x²·eˣ dx을(를) 계산하시오.

∫₀² x²eˣ dx

I =

5.도함수보통

f(x) = (2x + 5)⁵이라 합시다. f′(2)를 구하세요.

f(x) = (2x + 5)⁵x = 2

f′(2) =

6.도함수어려움

x = 1에서 f(x) = −x² + 2x + 4의 접선은 y축과 y = b에서 만납니다. b를 구하세요.

f(x) = −x² + 2x + 4x = 1

b =

7.수치해석보통

띠 n = 6개의 심프슨 공식으로 ∫₀² 1/√(1 + x⁴) dx를 근사하시오. S을(를) 구하시오.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 6

S =

8.수치해석어려움

y′ = −2ty, y(0) = −1을(를) 단계 h = 0.25의 오일러법으로 t = 1까지 푸시오. 정확한 해는 y = y₀e^−t²이다. 전역 오차 |E| = |y(1) − y₄|를 구하시오.

y′ = −2tyy(0) = −1h = 0.25

|E| =

3용액

1.미분방정식

답: y(1.5) = 0.5361

2계 선형 방정식: y″ + b·y′ + c·y = 0에서 y = e^rt를 시도하면 특성방정식 r² + b·r + c = 0을 얻습니다. 서로 다른 두 실근 r₁ ≠ r₂이면 y = A·e^r₁t + B·e^r₂t(과감쇠), 중근 r이면 y = (A + Bt)·e^rt(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″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0으로 쓰면 ω_n은 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 = 3, −2A − 3B = 4

A = 13, B = −10

계산하기

y(1.5) = 13·e⁻³ + (−10)·e^−4.5 = 0.5361

답

y(1.5) = 0.5361

2.미분방정식

답: y(0.5) = 1.577

정상값과 근

y_ss = 1, r = −0.5 ± 5j

초기값으로부터 구한 상수

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1

y′(0) = −0.5A + 5B = 0 → B = −0.1

계산하기

y(0.5) = 1·(1 − e^−0.25(cos 2.5 + 0.1·sin 2.5)) = 1.577

답

y(0.5) = 1.577

3.적분

답: I = 4.828

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.

원시함수

F(x) = 3·ln x

위끝과 아래끝 대입하기

I = 3·(ln 5 − ln 1) = 3·ln 5 = 4.828

답

I = 4.828

4.적분

답: I = 12.78

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

7.389·(2) − 1·2 = 12.78

답

I = 12.78

5.도함수

답: f′(2) = 65610

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·(2x + 5)⁴·2

대입하기

f′(2) = 5·9⁴·2 = 65610

답

f′(2) = 65610

6.도함수

답: b = 5

접점과 기울기

f(1) = 5

f′(x) = −2x + 2 → f′(1) = 0

x = 0에서의 접선 값

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 0·1 = 5

답

b = 5

7.수치해석

답: S = 1.357

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 + … + 2f_n−1 + fₙ]. 심프슨 공식(n은 짝수): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−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.

절점과 값

h = 0.3333

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0.993884 + 2·0.913812 + 4·0.707107 + 2·0.490261 + 4·0.338719 + 0.242536 = 12.209521

심프슨 공식

S = (0.3333/3)·12.209521 = 1.357

답

S = 1.357

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

8.수치해석

답: |E| = 0.04228

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

오일러 단계

y₄ = −0.410156

정확한 값

y(1) = −0.367879

전역 오차

|E| = |−0.367879 + 0.410156| = 0.04228

그래프

답

|E| = 0.04228

h를 절반으로 줄이면 오일러법의 오차가 대략 절반이 됩니다.

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