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Differential Equations · ⁨미분방정식⁩

AP Calculus BC · ⁨AP 미적분학 BC⁩ · Topic 7 · ⁨주제 7⁩

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8:26

미분방정식을 통한 모델링

보통 함수를 주어 기울기를 묻습니다. 미분방정수는 그것을 뒤집습니다. 모든 지점에서의 기울기에 대한 규칙을 주며,…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

7.1

Modeling Situations with Differential Equations · ⁨미분방정식을 이용한 모델링⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (FUN-7): Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

Learning Objective FUN-7.A: Interpret verbal statements of problems as differential equations involving a derivative expression.

  • FUN-7.A.1 Differential equations relate a function of an independent variable and the function's derivatives.
한국어

지속적 이해(FUN-7): 미분 방정식을 풀면 함수를 결정하고 모델을 개발할 수 있다.

학습 목표 FUN-7.A: 도함수 식을 포함하는 미분 방정식으로 문제의 서술을 해석한다.

  • FUN-7.A.1 미분 방정식은 독립 변수의 함수와 해당 함수의 도함수 사이의 관계를 나타낸다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A differential equation 微分方程 relates a function to its derivatives. Many real situations are described by a rate: "the population grows at a rate proportional to its size" becomes $\dfrac{dP}{dt}=kP$. Setting up the equation from a verbal description – identifying what changes and what it is proportional to – is the first skill.

한국어

미분방정식은 함수와 그 미분값 사이의 관계를 나타냅니다. 많은 실제 현상은 변화율로 설명되는데, "인구가 크기에 비례하는 속도로 증가한다"는 문장은 $\dfrac{dP}{dt}=kP$로 표현됩니다. 구술 설명에서 방정식을 세우기 위해 어떤 것이 변하고 그것이 무엇에 비례하는지를 식별하는 것이 첫 번째 기술입니다.

7.2

Verifying Solutions for Differential Equations · ⁨미분방정식의 해 검증⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (FUN-7): Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

Learning Objective FUN-7.B: Verify solutions to differential equations.

  • FUN-7.B.1 Derivatives can be used to verify that a function is a solution to a given differential equation.
  • FUN-7.B.2 There may be infinitely many general solutions to a differential equation.
한국어

지속적 이해(FUN-7): 미분 방정식을 풀면 함수를 결정하고 모델을 개발할 수 있다.

학습 목표 FUN-7.B: 미분 방정식의 해를 검증한다.

  • FUN-7.B.1 도함수를 사용하여 주어진 함수가 특정 미분 방정식의 해임을 확인할 수 있다.
  • FUN-7.B.2 미분 방정식의 일반해는 무한히 많을 수 있다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A solution is a function that satisfies the equation. To verify a proposed solution, differentiate it and substitute into the equation, checking that both sides agree. A general solution contains a constant $C$; a particular solution fixes $C$ from a condition.

한국어

해는 방정식을 만족시키는 함수입니다. 제안된 해를 검증하려면 미분하여 방정식에 대입하고 양변이 일치함을 확인합니다. 일반해에는 상수 $C$이 포함되어 있으며, 특이해는 조건으로부터 $C$을 결정합니다.

7.3

Sketching Slope Fields · ⁨기울기 장(slope field) 그리기⁩

Syllabus
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

FUN-7
Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

FUN-7.C
Estimate solutions to differential equations.

  • FUN-7.C.1 A slope field is a graphical representation of a differential equation on a finite set of points in the plane.
  • FUN-7.C.2 Slope fields provide information about the behavior of solutions to first-order differential equations.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
Slope fields & solution curves

A slope field 斜率场 draws a short line segment at many points, each with the slope $\dfrac{dy}{dx}$ the equation gives there. It pictures the family of solution curves without solving. To sketch one, evaluate the right-hand side at each grid point and draw a segment of that slope.

한국어
기울기장 및 해 곡선

기울기장(slope field) 은 방정식이 해당 지점에서 주는 기울기 $\dfrac{dy}{dx}$을 가진 짧은 선분을 여러 점에 그려서, 해를 풀지 않고도 해 곡선들의 집합을 시각화합니다. 이를 그리려면 각 격자 점에서 우변의 값을 계산하고 해당 기울기의 선분을 그립니다.

기울기 장은 모든 지점에서 기울기를 나타내며, 해 곡선은 이를 따릅니다
기울기 장은 모든 지점에서 기울기를 나타내며, 해 곡선은 이를 따릅니다
Explore · ⁨탐색하기⁩

Read a differential equation as a slope field · ⁨미분방정식을 기울기 장으로 읽기⁩

A slope field draws the slope $dy/dx$ at each point. A solution curve threads through, always tangent to the little segments — you can sketch it by following the flow. · ⁨기울기 장은 각 점에서 기울기 $dy/dx$를 그려줍니다. 해 곡선이 작은 선분들을 항상 접하도록 관통하며, 흐름을 따라 그리면 손으로 스케치할 수 있습니다.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ 미분 방정식
slope field/sləʊp fiːld/ 기울기 장
Euler's method/ˈɔɪləz ˈmeθəd/ 오일러 방법
separable/ˈsepərəbl/ 분리 가능하다
initial condition/ɪˈnɪʃl kənˈdɪʃn/ 초기 조건
exponential growth or decay/ˌekspəˈnenʃl ɡrəʊθ ɔː dɪˈkeɪ/ 지수 성장 또는 감쇠
logistic model/ləˈdʒɪstɪk ˈmɒdl/ 로지스틱 모델
carrying capacity/ˈkæriɪŋ kəˈpæsɪti/ 환경 수용력
7.4

Reasoning Using Slope Fields · ⁨기울기 장을 이용한 추론⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (FUN-7): Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

Learning Objective FUN-7.C: Estimate solutions to differential equations.

  • FUN-7.C.3 Solutions to differential equations are functions or families of functions.
한국어

지속적 이해(FUN-7): 미분 방정식을 풀면 함수를 결정하고 모델을 개발할 수 있다.

학습 목표 FUN-7.C: 미분 방정식의 해를 추정한다.

  • FUN-7.C.3 미분 방정식의 해는 함수 또는 함수族이다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A solution curve follows the segments like a boat following a current. From a slope field you can sketch the particular solution through a given point, describe long-run behavior, and locate where solutions level off (slopes near zero) – reasoning about solutions purely from the picture.

한국어

해 곡선 은 선분들을 배가 물결을 타듯 따릅니다. 기울기 장에서 주어진 점을 지나는 특정 해를 그릴 수 있으며, 장기적 거동을 설명하고 해가 평탄해지는 지점(기울기가 0에 가까운 곳)을 찾을 수 있습니다. 이는 그림만으로 해에 대한 추론을 하는 것입니다.

7.5

Approximating Solutions Using Euler's Method · ⁨오일러的方法来用于近似解⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (FUN-7): Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

Learning Objective FUN-7.C: Estimate solutions to differential equations.

  • FUN-7.C.4 Euler's method provides a procedure for approximating a solution to a differential equation or a point on a solution curve. BC ONLY
한국어

지속적 이해(FUN-7): 미분 방정식을 풀면 함수를 결정하고 모델을 개발할 수 있다.

학습 목표 FUN-7.C: 미분 방정식의 해를 추정한다.

  • FUN-7.C.4 오일러 방법은 미분방정식의 해를 근사하거나 해 곡선 위의 점을 구하는 절차를 제공한다. BC ONLY

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
Euler's method

Euler's method 欧拉方法 approximates a solution numerically by stepping along the slope field. Starting from a known point, take a small step $\Delta x$ and update:

$$y_{\text{new}}=y_{\text{old}}+\frac{dy}{dx}\cdot\Delta x.$$
Repeat for each step. Smaller steps give a better approximation. (This is a BC-only technique.)

Exam skill: be able to carry out two or three Euler steps by hand from a table, and know that Euler's method under- or over-estimates depending on the solution's concavity.

Worked example. Approximate $y(1)$ for $\dfrac{dy}{dx}=x+y$, $y(0)=1$, with step $\Delta x=0.5$. Step 1: slope at $(0,1)$ is $0+1=1$, so $y(0.5)\approx 1+1(0.5)=1.5$. Step 2: slope at $(0.5,1.5)$ is $0.5+1.5=2$, so $y(1)\approx 1.5+2(0.5)=2.5$.

한국어
오일러의 방법

오일러의 방법은 기울기 장을 따라 작은 단계로 이동하여 해를 수치적으로 근사합니다.已知点에서 시작하여 작은 단계 $\Delta x$를 취하고 업데이트합니다:

$$y_{\text{new}}=y_{\text{old}}+\frac{dy}{dx}\cdot\Delta x.$$
각 단계마다 반복합니다. 더 작은 단계일수록 더 정확한 근사가 됩니다. (이것은 BC 과목 전용 기법입니다.)

시험 기술: 표에서 손으로 두 세 번의 오일러 단계를 수행할 수 있어야 하며, 오일러의 방법이 해의 볼록성에 따라 과소 또는 과대 추정함을 알고 있어야 합니다.

연습 문제. $y(1)$에 대해 $\dfrac{dy}{dx}=x+y$, $y(0)=1$를 step $\Delta x=0.5$로 근사하십시오. Step 1: $(0,1)$에서의 기울기는 $0+1=1$이므로, $y(0.5)\approx 1+1(0.5)=1.5$입니다. Step 2: $(0.5,1.5)$에서의 기울기는 $0.5+1.5=2$이므로, $y(1)\approx 1.5+2(0.5)=2.5$입니다.

7.6

Finding General Solutions Using Separation of Variables · ⁨변수분리법을 통한 일반해 구하기⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (FUN-7): Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

Learning Objective FUN-7.D: Determine general solutions to differential equations.

  • FUN-7.D.1 Some differential equations can be solved by separation of variables.
  • FUN-7.D.2 Antidifferentiation can be used to find general solutions to differential equations.
한국어

지속적 이해(FUN-7): 미분 방정식을 풀면 함수를 결정하고 모델을 개발할 수 있다.

학습 목표 FUN-7.D: 미분 방정식의 일반해를 구한다.

  • FUN-7.D.1 일부 미분 방정식은 변수 분리법을 통해 풀 수 있다.
  • FUN-7.D.2 원적분을 이용하여 미분 방정식의 일반해를 구할 수 있다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A separable 可分离 differential equation can be written with all the $y$'s on one side and all the $x$'s on the other, then integrated:

$$\frac{dy}{dx}=g(x)h(y)\ \Rightarrow\ \int\frac{dy}{h(y)}=\int g(x)\,dx.$$
This produces the general solution (with a $+C$), the main analytic method for solving differential equations in this course.

Worked example. Solve $\dfrac{dy}{dx}=xy$ with $y(0)=2$. Separating, $\int\frac{dy}{y}=\int x\,dx$ gives $\ln|y|=\frac{x^2}{2}+C$, so $y=Ae^{x^2/2}$. The condition $y(0)=2$ gives $A=2$, so $y=2e^{x^2/2}$.

한국어
현미경 아래 대장균: 미분 방정식은 지수 성장을 모델링합니다
현미경 아래 대장균: 미분 방정식은 지수 성장을 모델링합니다

분리 가능한 미분 방정식은 모든 $y$를 한 쪽에, 모든 $x$를 다른 쪽에 배치한 후 적분하여 쓸 수 있습니다:

$$\frac{dy}{dx}=g(x)h(y)\ \Rightarrow\ \int\frac{dy}{h(y)}=\int g(x)\,dx.$$
이것은 상수 $+C$를 포함하는 일반해를 생성하며, 이 과정의 미분 방정식을 푸는 주요 해석적 방법입니다.

연습 문제. $\dfrac{dy}{dx}=xy$를 $y(0)=2$ 조건으로 푼다. 변수 분리 시, $\int\frac{dy}{y}=\int x\,dx$은 $\ln|y|=\frac{x^2}{2}+C$을 주어, 따라서 $y=Ae^{x^2/2}$이다. 조건 $y(0)=2$은 $A=2$을 주어, 따라서 $y=2e^{x^2/2}$이다.

7.7

Finding Particular Solutions Using Initial Conditions · ⁨초기 조건을 사용하여 특정 해 구하기⁩

Syllabus
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

FUN-7
Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

FUN-7.E
Determine particular solutions to differential equations.

  • FUN-7.E.1 A general solution may describe infinitely many solutions to a differential equation. There is only one particular solution passing through a given point.
  • FUN-7.E.2 The function $F$ defined by $F(x) = y_0 + \int_a^x f(t)\,dt$ is a particular solution to the differential equation $\dfrac{dy}{dx} = f(x)$, satisfying $F(a) = y_0$.
  • FUN-7.E.3 Solutions to differential equations may be subject to domain restrictions.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

An initial condition 初始条件 (a known point, e.g. $y(0)=5$) pins down the constant $C$. Solve for the general solution, substitute the condition to find $C$, then write the particular solution. Watch the domain – a particular solution is valid only on the interval containing the initial point.

한국어

초기 조건(예: ⟨$y(0)=5$⟩와 같은已知点)은 상수 $C$을 결정합니다. 일반해를 구한 후 조건을 대입하여 $C$을 구한 뒤, 특정 해를 작성합니다. 정의역을 주의하세요 – 특정 해는 초기 점이 포함된 구간에서만 유효합니다.

상수가 곡선의 족을 제공하고, 초기 조건이 하나를 선택합니다
상수값이 곡선 가족을 구성하며, 초기 조건이 하나를 선택함
7.8

Exponential Models with Differential Equations · ⁨미분 방정식을 이용한 지수 모델⁩

Syllabus
Enduring UnderstandingLearning ObjectiveEssential Knowledge

FUN-7
Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

FUN-7.F
Interpret the meaning of a differential equation and its variables in context.

  • FUN-7.F.1 Specific applications of finding general and particular solutions to differential equations include motion along a line and exponential growth and decay.
  • FUN-7.F.2 The model for exponential growth and decay that arises from the statement "The rate of change of a quantity is proportional to the size of the quantity" is $\dfrac{dy}{dt} = ky$.

FUN-7.G
Determine general and particular solutions for problems involving differential equations in context.

  • FUN-7.G.1 The exponential growth and decay model, $\dfrac{dy}{dt} = ky$, with initial condition $y = y_0$ when $t = 0$, has solutions of the form $y = y_0 e^{kt}$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
Exponential vs logistic growth

The equation $\dfrac{dy}{dt}=ky$ says the rate of change is proportional to the amount – giving exponential growth or decay 指数增长. Separating variables yields

$$y=y_0 e^{kt},$$
with $k>0$ for growth and $k<0$ for decay. This models unrestricted population growth, radioactive decay, and continuously compounded interest.

한국어
지수적 성장 vs 로지스틱 성장

방정식 $\dfrac{dy}{dt}=ky$은 변화율이 양에 비례함을 말하며, 이는 지수 성장 또는 감쇠를 의미합니다. 변수 분리를 통해 다음을 얻습니다

$$y=y_0 e^{kt},$$
여기서 $k>0$는 성장에, $k<0$는 감쇠에 해당합니다. 이는 무제한 인구 성장, 방사성 붕괴, 그리고 연속複利 이자를 모델링합니다.

식어가는 커피 잔: 뉴턴의 냉각 법칙은 고전적인 미분 방정식 모델입니다
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An exponential growth/decay model · ⁨지수 성장/감쇠 모델⁩

y = a·e^(bx) + c

The equation $dy/dt=ky$ has exponential solutions: quantity changes at a rate proportional to itself, giving unbounded growth ($k>0$) or decay to zero ($k<0$). · ⁨방정식 $dy/dt=ky$의 해는 지수 함수입니다: 양은自身에 비례하는 속도로 변화하므로 무한 성장($k>0$)이나 0으로 수렴하는 감쇠($k<0$)를 보입니다.⁩

7.9

Logistic Models with Differential Equations · ⁨미분 방정식을 이용한 로지스틱 모델⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (FUN-7): Solving differential equations allows us to determine functions and develop models.

Learning Objective FUN-7.H: Interpret the meaning of the logistic growth model in context. BC ONLY

  • FUN-7.H.1 The model for logistic growth that arises from the statement "The rate of change of a quantity is jointly proportional to the size of the quantity and the difference between the quantity and the carrying capacity" is $\dfrac{dy}{dt} = ky(a - y)$. BC ONLY
  • FUN-7.H.2 The logistic differential equation and initial conditions can be interpreted without solving the differential equation. BC ONLY
  • FUN-7.H.3 The limiting value (carrying capacity) of a logistic differential equation as the independent variable approaches infinity can be determined using the logistic growth model and initial conditions. BC ONLY
  • FUN-7.H.4 The value of the dependent variable in a logistic differential equation at the point when it is changing fastest can be determined using the logistic growth model and initial conditions. BC ONLY
한국어

지속적 이해(FUN-7): 미분 방정식을 풀면 함수를 결정하고 모델을 개발할 수 있다.

학습 목표 FUN-7.H: 로지스틱 성장 모델의 의미를 맥락 속에서 해석한다. BC ONLY

  • FUN-7.H.1 "량的变化率이 양의 크기와 그 양과 환경 수용력 사이의 차이에 비례한다"는 서술에서 도출되는 로지스틱 성장 모델은 $\dfrac{dy}{dt} = ky(a - y)$이다. BC ONLY
  • FUN-7.H.2 로지스틱 미분방정식과 초기 조건은 미분방정식을 풀지 않고도 해석할 수 있다. BC ONLY
  • FUN-7.H.3 로지스틱 미분방정식의 종속 변수가 무한대로 갈 때의 극한 값(환경 수용력)은 로지스틱 성장 모델과 초기 조건을 사용하여 결정할 수 있다. BC ONLY
  • FUN-7.H.4 로지스틱 미분방정식에서 종속 변수가 가장 빠르게 변화하는 지점에서의 값은 로지스틱 성장 모델과 초기 조건을 사용하여 결정할 수 있다. BC ONLY

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Real growth is limited by resources, so the logistic model 逻辑斯蒂模型 adds a carrying capacity 环境容纳量 $L$:

$$\frac{dP}{dt}=kP\!\left(1-\frac{P}{L}\right).$$
Growth is nearly exponential when $P$ is small, slows as $P$ approaches $L$, and stops at $P=L$. Key BC facts: the population levels off at $L$ ($\lim_{t\to\infty}P=L$), and it grows fastest when $P=\tfrac{L}{2}$ (the inflection point of the S-shaped curve). You are expected to read $L$ and the fastest-growth value directly from the equation.

Worked example. For $\dfrac{dP}{dt}=0.05\,P\!\left(1-\dfrac{P}{2000}\right)$, the carrying capacity is $L=2000$ (the population levels off there), and growth is fastest when $P=\dfrac{L}{2}=1000$ – both read straight off the equation, no solving needed.

한국어

실제 성장은 자원에 의해 제한되므로, 로지스틱 모델이 보유 능력 $L$을 추가합니다:

$$\frac{dP}{dt}=kP\!\left(1-\frac{P}{L}\right).$$
$P$가 작을 때 성장은 거의 지수함수적이며, $P$이 $L$에 가까워지면서 성장률이 둔화되고, $P=L$에서 정지합니다. 주요 BC 지식: 인구는 $L$에서 안정화됩니다 ($\lim_{t\to\infty}P=L$), 그리고 $P=\tfrac{L}{2}$일 때 가장 빠르게 성장합니다 (S자 곡선의 변곡점). $L$과 가장 빠른 성장 값을 식에서 직접 읽어야 합니다.

해설 예제. $\dfrac{dP}{dt}=0.05\,P\!\left(1-\dfrac{P}{2000}\right)$에 대해 환경 수용량은 $L=2000$(인구가 거기에 도달하여 안정화됨)이며, <<-$P=\dfrac{L}{2}=1000$일 때 성장률이 가장 빠릅니다. 두 값 모두 식에서 바로 읽을 수 있어 연산할 필요가 없습니다.

로지스틱 모델은 P=L/2에서 가장 빠르게 성장하고 환경 수용량 L에서 안정화됩니다 *로지스틱 모델은 P=L/2에서 가장 빠르게 성장하고 환경 수용량 L에서 안정화됩니다

7.9

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • Solve a separable equation by getting all $y$ on one side and all $x$ on the other, then integrating both sides (add $+C$ once).
  • Use the initial condition to find $C$ (a particular solution).
  • Sketch or read a slope field: the little segments show $\tfrac{dy}{dx}$ at each point, and a solution curve follows them.
  • Recognise exponential models $\tfrac{dy}{dt}=ky\Rightarrow y=Ce^{kt}$ (growth/decay).
  • A differential equation gives the slope — you must integrate to recover the function.
한국어
  • 분리 가능한 방정식을 풀려면 모든 $y$을 한 쪽에, 모든 $x$을 다른 쪽에 모은 후 양변을 적분합니다(상수 $+C$을 한 번 더 추가합니다).
  • 초기 조건을 사용하여 $C$을 구합니다(특해).
  • **기울기 장(slope field)**을 그리거나 읽습니다: 작은 선분들은 각 점에서 $\tfrac{dy}{dx}$을 보여주며, 해 곡선은 이들을 따라갑니다.
  • 지수 모델 $\tfrac{dy}{dt}=ky\Rightarrow y=Ce^{kt}$(성장/감쇠)을 인식합니다.
  • 미분 방정식은 기울기를 제공하므로, 함수를 복원하려면 적분해야 합니다.

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