Interactive Differential Equations

변화의 법칙에서
미래를 계산한다

용수철이 당기는 힘, 축전기로 흘러드는 전류, 물고기 떼의 번식. 자연의 법칙은 대부분 지금 상태가 다음 순간의 변화를 정한다는 꼴로 쓰입니다. 미분방정식은 그 규칙이고, 해는 규칙을 따라 그린 곡선입니다. ODEBook은 공업수학 미분방정식 한 학기와 비선형 동역학, 편미분방정식 입문까지를 법칙에서 방정식을 세우고, 방향장으로 먼저 보고, 손으로 풀고, 수치로 확인하는 순서로 다룹니다.

5부 16장 + 용어집시뮬레이터 120여 개손으로 푸는 예제공대 2학년
평면 어디든 클릭하거나 점 x₀를 끌어 보세요. 그 점에서 출발한 해가 흐름을 따라갑니다

이 책의 지도

책 전체의 줄기는 하나입니다. 미분방정식은 지금 상태가 다음 순간을 정하는 규칙이고, 해는 그 규칙을 따라 그린 곡선입니다. 1계 방정식에서 방향장과 위상선으로 해를 읽는 법을 익히고, 선형 방정식에서는 지수 함수 eλt와 고유값이, 비선형 방정식에서는 평형점과 안정성이 주인공이 됩니다. 마지막 부는 공간으로 퍼지는 열과 파동, 편미분방정식입니다.

제1부 · CH.01–05

1계 미분방정식

모델링과 방향장, 변수분리와 로지스틱, 적분 인자와 RC 회로, 존재·유일성과 위상선, 오일러에서 룽게–쿠타까지.

제2부 · CH.06–08

2계 선형 방정식

특성 방정식의 세 경우, 용수철–질량계와 감쇠비, 미정계수법, 맥놀이와 공진, 주파수 응답과 진동 절연.

제3부 · CH.09–10

라플라스 변환

미분을 곱셈으로 바꾸는 변환, 부분 분수 역변환, 계단과 델타 입력, 합성곱, 전달 함수와 극점, 보드 선도.

제4부 · CH.11–13

연립 방정식과 동역학

고유값과 위상 평면, 대각합–행렬식 지도, 선형화와 리아푸노프 함수, 한계 순환, 분기와 로렌즈 혼돈.

제5부 · CH.14–16

급수해와 편미분방정식

거듭제곱 급수 해와 베셀 함수, 경계값 문제와 푸리에 급수, 열·파동·라플라스 방정식과 유한 차분법.

대표 실험

수식을 읽기 전에 먼저 만져 보세요. 각 실험은 해당 장의 그 장면으로 이어집니다.

CH.01 · 미분방정식과 모델링공식 없이 해를 볼 수 있을까?방향장 위를 클릭하면 그 점에서 시작하는 해곡선이 흐름을 따라 그려집니다. CH.01 · 미분방정식과 모델링스카이다이버는 왜 끝없이 빨라지지 않을까?중력과 공기 저항이 같아지는 순간 종단 속도에 멈추고, 낙하산을 펴면 새 평형으로 떨어집니다. CH.02 · 변수분리형 방정식원자는 언제 붕괴할지 알까?원자 하나하나의 확률적 붕괴가 모여 지수 곡선이 되고, 시료가 작을수록 곡선 둘레에서 크게 흔들립니다. CH.03 · 1계 선형 방정식과 완전 방정식스위치를 넣으면 축전기는 언제 다 찰까?RC 회로 애니메이션과 전압 그래프가 함께 움직이고, 시상수 τ에서 63%에 닿습니다. CH.04 · 해의 존재와 자율 방정식조금 더 잡았을 뿐인데 왜 어장이 무너질까?어획량을 올리면 위상선과 분기도가 함께 바뀌고, 두 평형점이 만나 사라지는 순간 개체 수가 무너집니다. CH.05 · 수치 해법걸음 폭을 조금 늘렸을 뿐인데 왜 해가 터질까?강성 방정식에서 명시적 오일러는 hλ = 2를 넘는 순간 폭발하고, 음적 오일러는 큰 걸음에서도 해를 따라갑니다. CH.05 · 수치 해법오일러로 계산한 행성은 왜 태양에서 멀어질까?오일러·심플렉틱 오일러·RK4 궤도와 에너지 표류를 나란히 비교합니다. CH.06 · 2계 선형 방정식특성근을 끌면 진동은 어떻게 바뀔까?복소평면에서 특성근을 끌면 실근·중근·복소근에 따라 해의 모양이 바로 바뀝니다. CH.07 · 자유 진동임계 감쇠가 가장 빨리 멈출까?ζ를 바꿔 보면 2% 정착 시간은 임계 감쇠가 아니라 ζ ≈ 0.78에서 가장 짧습니다. CH.08 · 강제 진동과 공진비슷한 두 음을 함께 울리면 왜 웅웅거릴까?구동 진동수를 고유 진동수에 가깝게 하면 맥놀이가 느려지고 커지는 것을 보고 듣습니다. CH.08 · 강제 진동과 공진받침대가 진동을 오히려 키울 수도 있을까?전달률 곡선은 진동수 비가 √2보다 클 때만 진동이 줄어든다는 것을 보여 줍니다. CH.09 · 라플라스 변환F(s)는 어떤 곡선 아래의 넓이일까?s를 바꾸며 e−stf(t) 아래 넓이를 재면 F(s)가 한 점씩 그려집니다. CH.10 · 불연속 입력과 전달 함수극점을 어디에 두면 진동이 멈출까?s-평면에서 극점 쌍을 끌면 충격 응답이 바로 바뀌고, 허수축을 넘는 순간 발산합니다. CH.10 · 불연속 입력과 전달 함수망치질은 왜 델타 함수일까?넓이를 고정한 힘 펄스를 좁히면 질량의 응답이 이상적인 충격 응답으로 수렴합니다. CH.11 · 연립 선형 방정식행렬 네 칸만 보고 해의 모양을 맞힐 수 있을까?행렬 성분을 바꾸면 대각합–행렬식 지도 위의 점이 움직이고, 위상 그림이 안장·마디·나선·중심으로 바뀝니다. CH.11 · 연립 선형 방정식한 진자를 밀었는데 왜 옆 진자가 흔들릴까?용수철로 이은 두 진자가 에너지를 주고받는 모습에서 정규 모드와 맥놀이를 봅니다. CH.12 · 비선형 시스템과 안정성유행의 정점은 언제, 얼마나 높을까?R₀와 감염 기간, 백신 접종률을 바꾸며 정점 시기와 높이, 집단 면역 문턱을 봅니다. CH.13 · 분기와 혼돈10억분의 1 차이가 미래를 바꿀까?로렌즈 끌개를 돌려 보며 10⁻⁹만큼 떨어져 출발한 두 궤적이 서로 다른 날개로 갈라지는 것을 봅니다. CH.13 · 분기와 혼돈단순한 식 하나가 어떻게 혼돈을 낳을까?로지스틱 사상의 분기도를 확대하고 거미줄 그림으로 주기 배가를 따라갑니다. CH.14 · 급수해와 특수 함수북은 왜 기타처럼 음이 또렷하지 않을까?베셀 함수의 영점으로 원형 막의 진동 모드를 움직이고, 정수배가 아닌 진동수 비를 확인합니다. CH.15 · 경계값 문제와 푸리에 급수항을 아무리 더해도 사라지지 않는 9%의 귀사각파의 푸리에 합에서 항을 늘려도 점프 근처의 넘침은 좁아질 뿐 약 9%로 남습니다. CH.16 · 편미분방정식 입문기타 줄을 가운데서 튕기면 왜 소리가 부드러울까?튕기는 위치를 옮기면 그 점이 마디인 배음이 사라지는 것을 보고 듣습니다.

이런 오해, 한 번쯤 해 보셨죠?

이 책을 읽고 나면 아래 문장들이 왜 틀렸는지 설명할 수 있게 됩니다.

임계 감쇠가 가장 빨리 멈춘다임계 감쇠는 넘치지 않고 멈추는 감쇠 가운데 가장 빠를 뿐입니다. 2% 허용 띠 안에 들어오는 정착 시간은 살짝 넘쳤다 돌아오는 ζ ≈ 0.78에서 가장 짧고, 임계 감쇠보다 약 40% 빠릅니다. 7장 →
타코마 다리는 공진으로 무너졌다1940년의 바람은 정해진 주기로 미는 힘이 아니었습니다. 상판의 비틀림에 따라 바뀐 공기력이 유효 감쇠를 음수로 만들어 흔들림을 스스로 키운 공탄성 플러터, 즉 자려 진동이었습니다. 8장 →
매끄러운 방정식의 해는 영원히 이어진다y′ = y²은 오른쪽이 단순한 다항식인데도 y(0) = 1인 해 y = 1/(1 − t)가 t = 1에서 무한대로 터집니다. 존재·유일성 정리가 약속하는 것은 짧은 구간뿐입니다. 4장 →
방정식을 정확히 알면 미래를 예측할 수 있다로렌즈 방정식에는 무작위성이 전혀 없지만, 10⁻⁹만큼 떨어져 출발한 두 궤적이 t ≈ 20 근처에서 완전히 갈라집니다. 초기 오차가 지수적으로 자라면 예측 가능한 시간에는 한계가 있습니다. 13장 →

챕터

앞에서부터 차례로 읽기를 권합니다. 모든 장에 직접 조작하는 시뮬레이터와 손으로 푸는 예제, 확인 퀴즈가 있고, 마지막 장에서 책 전체를 종합 퀴즈로 점검합니다.

추천 학습 경로

목적에 맞게 골라 읽으세요.

한 학기 공업수학 미분방정식

공대 2학년 강의 순서 그대로. 1계 방정식에서 라플라스 변환과 연립 방정식까지.

회로·제어로 가요

RC·RLC 회로, 라플라스 변환과 전달 함수, 극점 위치와 안정성, 보드 선도.

기계 진동·구조를 다뤄요

감쇠비와 공진, 진동 절연, 결합 진동자의 정규 모드, 기둥의 좌굴과 줄의 배음.

동역학·혼돈이 궁금해요

위상선과 분기, 위상 평면과 선형화, 한계 순환, 로렌즈 끌개와 예측의 한계.

함께 읽으면 좋은 책

같은 서가의 다른 책에서 미분방정식의 재료와 쓰임을 만날 수 있습니다.

CalculusBook — 미적분

변수분리와 라플라스 역변환에 쓰는 부분 분수와 치환, 급수해의 바탕인 테일러 전개.

LinearBook — 선형대수

연립 방정식 x′ = Ax의 해를 정하는 고유값과 고유벡터, 행렬 지수와 동역학.

MathBook — 문제에서 출발하는 수학

미분방정식이 무엇이고 어디에 쓰이는지 한 장으로 먼저 훑어봅니다.

수학 서가

수치해석 교과서도 준비하고 있습니다.