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3 미분방정식과 초깃값 문제

문서에서 미적분학 첫걸음 2022년판 (PDF 파일) (페이지 155-160)

함수 의 역도함수를 구하는 문제는



     … ㉠

를 만족시키는 함수 를 구하는 것과 같다. 이처럼 미분연산자가 포함된 식에서 미분하기 전 함수를 찾는 방정식을 미분방정식(differential equation)이라고 부르며, 미분하기 전 함수를 미분방정식의 해 (solution)라고 부른다.

일반적으로 ㉠을 만족시키는 함수 는 무수히 많을 수 있다. 하지만 특정한 점   에서 함숫값 이 정해진다면 ㉠을 만족시키는 함수의 개수를 줄일 수 있다. 이와 같은 조건   ,   을 초기조건 (initial condition)이라고 부르고, 초기조건과 미분방정식이 결합된 문제를 초깃값 문제(initial value problem) 라고 부른다.

보기 8. 다음 초깃값 문제의 해를 구해 보자.



   ,   .

   라고 하면 ′    이므로    는 주어진 미분방정식의 한 해이다. 따라 서 주어진 미분방정식의 일반해는

    

(

는 상수) 이다. 이 식에 초기조건   ,   을 대입하면

    ×  

이므로

 이다. 그러므로 초깃값 문제의 해는      이다.

㉠의 도함수를 이계도함수로 바꾸어도 같은 방법으로 초깃값 문제의 해를 구할 수 있다.

보기 9. 다음 초깃값 문제의 해를 구해 보자.

 

  , 



   ,   .

먼저  ′을 구하자.

   

이므로 일반해는 ′  

 

이며, 여기에 초기조건   ,  ′  을 대입하면

   

이다. 따라서

 이다.45)

다음으로 를 구하자.

 ′ 

 



 

  

 

이므로 일반해는   

 

이며, 여기에 초기조건   ,   를 대입하면



 × 

 

 이다. 그러므로 초깃값 문제의 해는   

 이다.

보기 10. 원점에서 출발하여 수직선 위를 움직이는 점 P의 시각 에서의 속도가     이 라고 하자. 시각   에서 점 P의 위치를 구해 보자.

시각 에서 P의 위치를 라고 하자. 그러면 이 문제는 두 조건

′      ,    을 만족시키는 를 구하는 초깃값 문제이다.

  

   

(

는 적분상수)

이므로 일반해는    

이며, 이 식에 초기조건   ,   을 대입하면

    을 얻는다. 이 식에   를 대입하면

   ×       

이다. 그러므로 시각   에서 점 P의 위치는  이다.

45) 여기서 은 적분상수이므로 본래 ‘임의의 상수’이다. 하지만 미분 방정식을 푸는 과정에서 “ 이다.”와 같은 표현은 여러 개의 역도함수 중 하나를 택하는 과정을 간단하게 표현한 것이다.

연습문제

개념에 익숙해지기 위한 문제

1. 다음 함수 의 부정적분을 구하시오.

(1)    (2)    (3)    (4)    

(5)    (6)   

2. 다음 부정적분을 구하시오.

(1)

 (2)



(3)

  (4)

 (는 상수)

(5)

⋅ (6)

 (는 이 아닌 상수) (7)

 

 

 (8)

 

(9)

 

  

 (10)



3. 다음 조건을 만족시키는 함수 를 구하시오.

(1)  ′   ,   . (2)  ′     ,   .

(3)  ′  ,   . (4)  ′  ,   .

(5)  ′   ,   . (6)  ′  ,   .

개념을 다지기 위한 문제 4. 다음 부정적분을 구하시오.

(1)

cos   (2)

 sin  

(3)

cos   (4)

 sin 

(5)

cos   sin   (6)

 

 sin    cos 



(7)

 sin   cos   (8)

sin 

(9)

sin   (10)

cos    

(11)

 sin   (12)

cos   

5. 함수 가 미분 가능한 함수이고 ′      ⋯ 이며   이다. 이때

 의 값을 구하시오.

6. 함수 가 다항함수이고

가 의 한 역도함수이다. 또한 임의의 실수 에 대하여

        을 만족시키고,   이다. 이때 를 구하시오.

7. 와 가 다항함수이고



         , 

         이며   ,   를 만족시킨다. 이때 와 를 구하시오.

더 깊이 공부하고 싶은 사람을 위한 문제

8. 변수를 분리할 수 있는 미분 방정식(separable equation)의 개념을 조사하고, 다음 미분방정식의 해 를 구하시오.

(1) 

 

 (2) 

 



(3) 

  (4) 

 

(5) 

 

(6)   

 

(7) 

     (8) 



  

 

(9) 

   

  

(10)   

 

9. 일계선형미분방정식(first-order linear differential equation)의 해를 구하는 방법을 조사하고, 다음 미 분방정식의 해를 구하시오.

(1) 

    ,    (2) 

   ,    (3) ′    ln  ,    (4) ′    

sin  ,    (5) ′       ,    (6)   ′    (7) ′     (8) ′    

(9) ′     ln (10) 

  cos 

 ,   

..

열두 번째 이야기

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