Chapter 1 : ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä (Differential Equations)
$$ 1.1 ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ̶õ ?
1.1.1.±âº»Á¤ÀÇ¿Í ¿ë¾î
1.1.2 ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ Çü¼º°ú ÇØ
$$ 1.1 ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ̶õ ?
1.1.1 ±âº»Á¤ÀÇ¿Í ¿ë¾î
¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀº Çϳª ¶Ç´Â ±× ÀÌ»óÀÇ µ¶¸³º¯¼ö¿¡ °üÇÏ¿© Çϳª ¶Ç´Â ±× ÀÌ»óÀÇ Á¾¼Óº¯¼öÀÇ ¹ÌºÐ ȤÀº
µµÇÔ¼ö¸¦ Æ÷ÇÔÇÏ´Â ¹æÁ¤½ÄÀ» ¶æÇÑ´Ù. ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀº ¿©·¯°¡Áö ÀÚ¿¬Çö»óÀ» ³ªÅ¸³¾ ¼ö ÀÖÀ¸¸ç ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ»
Ç®ÀÌÇÏ¿© ¾ò¾îÁø ÇØ´Â ÀÚ¿¬Çö»óÀ» ¿¹ÃøÇÒ ¼ö ÀÖ°Ô ÇØÁØ´Ù. »Ó¸¸ ¾Æ´Ï¶ó ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀº ÀÚ¿¬°úÇÐ, °øÇÐ ¹×
»çȸ°úÇÐÀÇ °¢ ºÐ¾ß¿¡ °¡Àå ¸¹ÀÌ ÀÀ¿ëµÇ¾îÁö´Â ¼öÇÐÀÇ ÇÑ ºÐ¾ßÀ̱⵵ ÇÏ´Ù.
¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀº º¯¼ö
¿Í
¿¡ ´ëÇÑ ÇÔ¼ö
¹×
ÀÇ µµÇÔ¼ö »çÀÌÀÇ °ü°è½Ä
·Î Ç¥½ÃµÇ´Â »ó¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä°ú, ¶Ç
°¡ 2°³ ÀÌ»óÀÇ º¯¼ö¸¦ °¡Áö°í ÀÖÀ» ¶§ °¢°¢ÀÇ º¯¼ö¿¡ ´ëÇÑ ÆíµµÇÔ¼ö¸¦ Æ÷ÇÔÇÏ´Â
Æí¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ¸·Î ºÐ·ùµÈ´Ù. ¿¹¸¦ µé¸é
´Â »ó¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ̰í,
°¡
¿Í
ÀÇ ÇÔ¼öÀÏ ¶§,
´Â Æí¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÌ´Ù. À§¿¡¼ Á¤ÀÇÇÑ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä¿¡ Æ÷ÇԵǾîÁø ÃÖ°í°èÀÇ µµÇÔ¼öÀÇ °è¼ö¸¦ ±× ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ °è¼ö
(order of the differential equation)¶ó Çϰí ÃÖ°í°èÀÇ µµÇÔ¼öÀÇ Â÷¼ö¸¦ ±× ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ Â÷¼ö(degree of the
differential equation)¶ó ÇÑ´Ù. ¿¹¸¦ µé¸é
´Â 2°è 1Â÷ »ó¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä,
Àº 1°è 2Â÷ Æí¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÌ´Ù.
Á¾¼Óº¯¼ö
ȤÀº µµÇÔ¼ö¸¦ Æ÷ÇÔÇÑ Ç×ÀÌ ¸ðµÎ 1Â÷ÀÎ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ» ¼±Çü(linear)¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä,
±×¸®°í ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÌ
¾Æ´Ñ ¸ðµç ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀº ºñ¼±Çü (nonlinear)¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ¸·Î
±¸ºÐµÈ´Ù. Áï ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÌ µÇ±â À§Çؼ´Â
¹× ±× µµÇÔ¼ö°¡
1Â÷À̾î¾ßÇÏ¸ç ±× °è¼ö(coefficient)°¡ µ¶¸³º¯¼ö¿¡¸¸ ÀÇÁ¸ÇØ¾ß ÇÑ´Ù. ¿¹¸¦ µé¸é,
Àº 3°è ¼±Çü»ó¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ̰í
´Â
Ç×ÀÌ 2Â÷À̹ǷΠ2°è ºñ¼±Çü»ó¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ¸·Î ±¸º°µÇ¾îÁø´Ù.
¿¹Á¦ 1.1.1
¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä
ÀÇ °è¼ö¿Í Â÷¼ö¸¦ ±¸Çϰí, ¼±ÇüÀÎÁö ºñ¼±ÇüÀÎÁö¸¦ ÆÇº°ÇÏ¿©¶ó.
Ç®ÀÌ ¹«¸® ºÐ¼ö½ÄÀ¸·Î Ç¥ÇöµÇ¾îÁø ¹æÁ¤½ÄÀ» ¿ì¼± À¯¸®ÈÇÏ¿© Á¤¸®Çϸé
À̹ǷΠÁÖ¾îÁø ¹æÁ¤½ÄÀº 2°è 2Â÷ ºñ¼±Çü »ó¹ÌºÐ ¹æÁ¤½ÄÀÌ´Ù.
¿¬½À¹®Á¦ 1.1.1
´ÙÀ½ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄµéÀÇ °è¼ö ¹× Â÷¼ö¸¦ ±¸ÇÏ°í ¶ÇÇÑ ¼±ÇüÀÎÁö ºñ¼±ÇüÀÎÁö¸¦ ÆÇº°Ç϶ó.
1.
(´ä
: 1°è 1Â÷ ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä)
2.
(´ä
: 3°è 1Â÷ ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä)
3.
(´ä : 2°è 1Â÷ ºñ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä)
4.
(´ä : 4°è 1Â÷ ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä)
5.
(´ä : 2°è 3Â÷ ºñ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä)
6.
(´ä : 2°è 1Â÷ ºñ¼±Çü¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä)
1.1.2 ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ Çü¼º°ú ÇØ
n°è »ó¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀº
(1.1)
ȤÀº
(1.2)
·Î ³ªÅ¸³»¾îÁú ¼ö ÀÖ´Ù. ÇÔ¼ö
°¡ ¾î¶² ½Ç¼ö ±¸°£
¿¡¼ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä (1.1) ȤÀº (1.2)ÀÇ ÇØ°¡ µÈ´Ù´Â
°ÍÀº
ÇÔ¼ö
°¡ ½Ç¼ö ±¸°£
¿¡¼ Á¤ÀÇµÇ°í ±¸°£
¿¡¼ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä(1.1) ȤÀº (1.2)¸¦ Ç×µîÀûÀ¸·Î ¸¸Á·ÇÔÀ» ÀǹÌÇÑ´Ù.
¿¹Á¦ 1.2.1 ÀÓÀÇÀÇ
»ó¼ö
¿¡ ´ëÇÏ¿©
´Â ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä
ÀÇ ÇØÀÓÀ» ¹àÇô¶ó.
Ç®ÀÌ
´Â ¿øÇÔ¼ö¿Í ¹ÌºÐÇÔ¼ö°¡ °°À½À» ÀǹÌÇÑ´Ù. ±×·¯¹Ç·Î
°¡ ÁÖ¾îÁø ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØ°¡ µÉ °ÍÀÌ´Ù.
¿¹Á¦ 1.2.2
ÀÓÀÇÀÇ »ó¼ö
¿¡ ´ëÇÏ¿© ÇÔ¼ö
´Â ±¸°£
¿¡¼ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä
ÀÇ ÇØÀÓÀ» ¹àÇô¶ó.
Ç®ÀÌ ±¸°£
¿¡¼,
À» ¸¸Á·ÇϹǷÎ, ÀÓÀÇÀÇ »ó¼ö
¿¡ ´ëÇÏ¿©
´Â ÁÖ¾îÁø ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØ°¡ µÈ´Ù.
À§ÀÇ ¿¹Á¦¿¡¼Ã³·³ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØ´Â
¸¦ Æ÷ÇÔÇÑ´Ù. ÀϹÝÀûÀ¸·Î ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØ¿¡ Æ÷ÇԵǾîÁö´Â parameterÀÇ
°¹¼ö´Â ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ °è¼ö¿Í ÀÏÄ¡ÇÑ´Ù.
À§ÀÇ ¿¹Á¦¿¡¼¿Í °°ÀÌ parameter¸¦ Æ÷ÇÔÇÏ´Â
ÇØ
¸¦ ÀϹÝÇØ (general solution)¶ó Á¤ÀÇÇϰí,
°ú
°°ÀÌ À§ÀÇ parameter¿¡ Àû´çÇÑ »ó¼ö, ¿¹¸¦ µé¾î
¸¦ ´ëÀÔÇÏ¿© ¾ò¾îÁú ¼ö ÀÖ´Â ÇØ¸¦ Ư¼öÇØ(particular
solution)¶ó Á¤ÀÇÇÑ´Ù.
±×·¯³ª
¿Í °°ÀÌ ÁÖ¾îÁø ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØÀ̳ª ÀϹÝÇØ¿¡ Æ÷ÇÔµÇÁö ¾Ê´Â ÇüÅÂÀÇ ÇØ¸¦ ƯÀÌÇØ(singular
solution)¶ó Á¤ÀÇÇÑ´Ù.
´Â ¿ì¸®°¡ ÀÚ¸íÇÏ°Ô ±¸ÇÒ ¼ö ÀÖ´Â ÇØÀ̹ǷΠÀÚ¸íÇØ(trivial
solution)¶ó°í Á¤ÀÇÇÑ´Ù.
À§ÀÇ ¿¹Á¦µéÀ» ÅëÇÏ¿© ÁÖ¾îÁø ÇÔ¼ö°¡ ¾î¶² ƯÁ¤ÇÑ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØ°¡ µÇ´ÂÁö¸¦ È®ÀÎÇÒ ¼ö ÀÖ¾ú´Ù.
¿¬½À¹®Á¦ 1.1.2
1. ´ÙÀ½¿¡ ÁÖ¾îÁø ÇÔ¼öµéÀº ¾Æ·¡ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀÇ ÇØÀÓÀ» ¹àÇô¶ó.
(1)
(´ä
:
)
(2)
(´ä
:
)
(3)
(´ä :
)
(4)
(´ä :
)
(5)
(´ä :
)
2.
(1)
°¡ ¹ÌºÐ¹æÁ¤½Ä
ÀÇ ÇØ°¡ µÇµµ·Ï
ÀǰªÀ» ±¸ÇÏ¿©¶ó. (´ä:
)
(2) (1)ÀÇ µÎ ÇØ
ÀÇ 1Â÷ °áÇÕ
µµ
ÀÇ ÇØÀÓÀ» º¸¿©¶ó.
3.
(1)
°¡
ÀÇ ÇØ°¡ µÇµµ·Ï
ÀÇ °ªÀ» ±¸Ç϶ó. (´ä:
)
(2) (1)¿¡¼ ±¸ÇÑ
¿¡ ´ëÇÏ¿©
µµ
ÀÇ ÇØ°¡ µÊÀ» º¸¿©¶ó.
(3) (1), (2)ÀÇ µÎ ÇØ
ÀÇ 1Â÷ °áÇÕ
µµ
ÀÇ ÇØ°¡ µÊÀ» º¸¿©¶ó.