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266 / DIFFERENTIAL EQUATIONS LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 연결된 선수 단원의 미적분·선형대수·수치 해법 기초
단원 목록 (600) · 선형·Affine·비선형 ODE의 흐름
이해하는 속도로 읽으세요.개념도이론실험확인 문제
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

같은 방정식의 해를 더하는 superposition을 실제 흐름으로 검사합니다.

Blue evolves the combined initial value a+b; orange adds the two solutions of the same equation. Modes: 0 homogeneous yprime=r y; 1 affine forced yprime=r y+f; 2 logistic yprime=r y(1−y). The forcing mode applies f to each solution, so adding two solutions doubles the forcing and generally fails superposition. Initial logistic values are restricted to (0,1), including their sum.

-0.082.083.842-0.148
가로 시간 · 파랑 합친 초기값의 해 · 주황 같은 방정식의 두 해를 합한 값
tflow(a+b)flow(a)+flow(b)difference
00.50.50
0.50.8240.8240
11.3591.3590
1.52.2412.2412.220e-16
23.6953.6950

combined-initial solution at query = 1.359

고정 기준 예제의 그림과 수치입니다. 각 단계에서 같은 그림의 의미를 차례로 살펴보세요. 고정된 기준 예제이며 아래 실험의 설정과 독립적입니다.
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동차 선형

동차 선형 흐름은 초기 상태에 선형입니다.

S_t(a)=a exp(rt)

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

흐름은 초기값을 나중 상태로 보낸다

방정식을 고정하고 초기값 a의 t시점 상태를 S_t(a)라고 씁니다. 초기값을 먼저 더해 진화한 S_t(a+b)와 각자 진화한 뒤 더한 S_t(a)+S_t(b)가 같을까요? 실험은 앞을 파랑, 뒤를 주황으로 비교하며 방정식과 forcing을 고정합니다.

이는 superposition 검사입니다. t=0에서는 구성상 같지만 이후의 일치는 방정식 구조나 특별한 매개변수에서 나와야 합니다. 그림이 비슷해 보이는 것만으로 선형성을 주장하지 마세요.

동차 선형 흐름은 덧셈을 보존한다

y'=r y에서는 다음이 성립합니다.

St(a)=aert,St(a+b)=St(a)+St(b).S_t(a)=ae^{rt},\qquad S_t(a+b)=S_t(a)+S_t(b).

행렬 지수의 선형 시스템도 같은 원리를 따릅니다. 정확 산술의 defect는 0이지만 전개된 부동소수점 뺄셈은 작은 나머지를 남길 수 있습니다. 수학적 비선형성과 반올림을 구분하도록 두 값을 따로 표시합니다.

상수 forcing은 Affine 흐름을 만든다

y'=r y+f에서 f를 고정하면 다음과 같습니다.

St(a)=aert+fϕ(r,t),ϕ(r,t)={(ert−1)/rr≠0,tr=0.S_t(a)=ae^{rt}+f\phi(r,t),\qquad \phi(r,t)=\begin{cases}(e^{rt}-1)/r&r\ne0,\\t&r=0.\end{cases}

Superposition defect는 -f phi입니다. 두 해가 각각 forcing을 한 번씩 받으므로 더하면 두 번 들어갑니다. 비동차 선형 방정식이지만 초기값에서 최종 상태로 가는 map은 affine입니다. 두 해의 차이는 동차 방정식을 만족합니다.

r가 0에 가까울 때 exp(rt)-1을 직접 계산하면 상쇄가 생깁니다. 구현은 expm1과 작은 인자의 급수, r=0의 극한 t를 사용합니다. 해석적 해를 안다는 사실과 안정적으로 계산한다는 사실은 연결해서 검토해야 합니다.

Logistic은 상태에 의존하는 포화다

y'=r y(1-y)의 흐름은 다음입니다.

St(a)=aa+(1−a)e−rt.S_t(a)=\frac{a}{a+(1-a)e^{-rt}}.

Control은 a·b·a+b를 모두 (0,1)에 두어 음의 r와 1보다 큰 초기값에서 생길 수 있는 유한시간 pole을 피합니다. 명시한 범위의 해는 표시 시간에 존재하며 초기값에 일반적으로 비선형입니다.

r=1, a=0.2, b=0.3, t=1에서 0.5를 진화한 값과 둘의 해를 더한 값은 다릅니다. r=0에서는 모든 상태가 그대로여서 우연히 덧셈이 보존되지만 일반적인 logistic 계가 선형이라는 뜻은 아닙니다.

직접 풀기: Forcing을 세어 보기

r=1, f=1/2에서 세 해를 쓰고 초기값 항을 소거하면 defect는 -(e^t-1)/2입니다. r=0에서는 -t/2가 됩니다. 두 해를 뺄 때는 f가 사라지고 더할 때는 사라지지 않는 이유를 설명하세요. 동차 예제의 해석적 0과 전개 뺄셈의 작은 반올림 나머지도 구별하세요.

더 읽기: MIT 선형·비선형 미분방정식.

CHECK YOUR UNDERSTANDING

설명할 수 있나요?

실험 설정과 무관한 기준 예제를 묻습니다. 답을 고르고 설명을 확인해보세요.

1. 같은 비동차 forcing의 해 둘을 더해도 같은 방정식인가요?
2. Logistic r=0에서 defect가 0이면 모든 r의 선형성이 증명되나요?

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