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폭발

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1. 개요

폭발은 자연 현상이나 인위적인 상황에서 발생하는 급격한 에너지 방출 현상을 의미한다. 자연적인 폭발로는 별의 초신성 폭발, 태양 플레어, 운석 충돌 등이 있으며, 인위적인 폭발에는 화학 폭발, 핵폭발, 전기적 폭발, 기계적 폭발 등이 있다. 폭발은 힘, 속도, 열 발생, 반응 시작, 파편 등 다양한 특성을 가지며, 무기, 발파, 내연기관 등 다양한 분야에서 활용된다. 또한, 감정의 분출, 재능의 발휘, 급격한 증가 등 비유적인 표현으로도 사용된다. 폭발 사고는 다양한 원인으로 발생하며, 1977년 이리역 폭발 사고, 2004년 룡천 열차 폭발 사고 등 한국에서도 인명 및 재산 피해를 야기한 사례가 있다.

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폭발
지도 정보
기본 정보
정의급격한 열과 기체 방출
특징급격한 팽창
에너지 방출
파괴적인 효과
소음 발생
일반적인 정의일반적으로 기체의 급격한 열팽창
유형
원인화학 반응
핵 반응
압력
전기적 현상
천체 충돌
화산 활동
규모 측정
척도폭발력, 폭발 에너지
관련 용어
유사한 현상급격한 연소
플래시파이어
탈출
압력파
반대 개념내폭
역사
고대화산 폭발
운석 충돌
현대폭탄 제조
산업 사고

2. 폭발의 종류

석유에너지기술센터(石油エネルギー技術センターjpn)는 폭발의 종류를 물리적 폭발과 화학적 폭발로 나눈다.

2. 1. 자연적 폭발

폭발은 자연에서 흔히 일어나지는 않는다. 폭발이 발생하려면 물질의 빠르고 강력한 팽창이 있어야 한다. 지구에서는 주로 화산 활동을 통해 자연 폭발이 일어난다. 폭발적인 화산 분출은 지하의 마그마에 녹아 있던 가스가 마그마 상승에 따른 압력 감소로 급격히 팽창하면서 발생한다. 또한, 유칼립투스 숲에서는 산불 발생 시 나무 꼭대기의 휘발성 오일이 갑자기 연소하며 폭발이 일어나기도 한다.[1]



우주에서는 훨씬 더 거대한 규모의 폭발들이 관측된다. 가장 큰 규모의 폭발 중 하나는 일부 별들이 수명을 다할 때 발생하는 초신성 폭발이다. 태양을 비롯한 대부분의 에서는 태양 플레어와 같은 폭발 현상이 비교적 흔하게 일어난다. 태양 플레어는 태양의 전도성 플라스마가 회전하면서 자기장 선들이 복잡하게 얽히고, 이 과정에서 축적된 에너지가 방출되면서 발생한다.

다른 유형의 대규모 천문학적 폭발로는 유성체소행성이 다른 천체의 표면에 충돌하거나 대기 중에서 폭발하는 경우가 있다. 이러한 충돌은 천체들이 서로 매우 빠른 속도(지구 충돌 시 최소 11.2km/s[3])로 부딪히기 때문에 발생한다. 1908년 시베리아에서 발생한 퉁구스카 대폭발은 유성이 대기 중에서 폭발한 대표적인 예로 여겨진다.[4]

블랙홀이 합쳐질 때, 특히 쌍성 블랙홀의 경우, 극히 짧은 시간(1초 미만) 동안 막대한 양의 에너지가 중력파 형태로 방출된다. 이 에너지는 주변 천체에 영향을 줄 수 있지만, 우주 공간이 워낙 넓어 실제로 영향을 받는 경우는 드물다.[5] 2019년 5월 21일에 관측된 중력파 신호 GW190521은 약 100밀리초(ms) 동안 지속되었으며, 이 과정에서 태양 질량 9개에 해당하는 에너지가 중력파로 방출된 것으로 추정된다.

2. 2. 인위적 폭발

인위적 폭발은 인간의 활동에 의해 의도적으로 또는 우발적으로 발생하는 폭발을 의미한다.

가장 일반적인 인공 폭발은 화학적 폭발물을 이용하는 경우로, 일반적으로 많은 양의 고온 가스를 생성하는 빠르고 격렬한 산화·환원 반응을 수반한다. 화약은 최초로 사용된 화학 폭발물이며, 이후 니트로셀룰로스나 알프레드 노벨이 발명한 다이너마이트 등이 개발되었다.

핵무기핵분열이나 핵융합 반응을 이용하여 파괴력을 얻는 폭발물의 한 종류로, 기존의 재래식 폭발물보다 훨씬 강력한 위력을 가진다.

고압의 전류가 전기 아크를 형성하여 물질을 급격히 기화시키는 전기적 폭발도 존재한다. 또한, 내부 압력 증가로 인해 용기가 파열되는 것과 같은 순전히 물리적 과정에 의한 기계적 폭발 및 증기 폭발도 있다. 비등 액체 팽창 증기 폭발(BLEVE)은 가압된 액체를 담은 용기가 파열되어 액체가 급격히 증발하며 부피가 팽창하는 대표적인 예이다.

1866년 알프레드 노벨이 폭발력을 제어할 수 있는 다이너마이트를 발명한 이후, 폭발 기술은 토목 공사나 광산 개발 등 다양한 산업 분야에 활용되었으나, 동시에 전쟁에서 강력한 무기로 사용되기도 하였다.[12]

2. 2. 1. 화학적 폭발

가장 일반적인 인공 폭발은 화학적 폭발물을 이용한 것으로, 보통 많은 양의 뜨거운 기체를 만들어내는 빠르고 격렬한 산화·환원 반응을 동반한다.[10] 화약은 최초로 발명되어 사용된 화학 폭발물이었다. 이후 주목할 만한 초기 기술 발전으로는 1865년 프레더릭 어거스터스 아벨의 니트로셀룰로스 개발과 1866년 알프레드 노벨다이너마이트 발명이 있다.

화학 폭발은 고의적이든 우발적이든, 종종 산소가 있는 환경에서 전기 스파크나 불꽃에 의해 시작된다. 연료 탱크나 로켓 엔진 등에서 우발적인 폭발이 발생하기도 한다. 또한, 용기 내에서 열을 내는 화학 반응이 일어나거나, 물질의 상태가 급격히 변하면서(상변화) 열을 흡수하는 반응이 일어날 때도 폭발이 발생할 수 있다. 예를 들어, 타기 쉬운 물질의 연소나 불안정한 물질의 분해 같은 화학 반응이 빠르게 일어나면서 열을 발생시키면, 이 반응열이 쌓여 온도가 급격히 올라가 폭발을 일으킨다.[10]

대표적인 화학적 폭발의 종류는 다음과 같다.[10]

  • 가스 폭발: 폭발 사고 중에서 가장 많은 비중을 차지한다.
  • 분진 폭발
  • 증기운 폭발
  • 혼합 폭발


전문가들은 연소에 의한 폭발을 팽창 속도에 따라 다음 두 가지로 구분하기도 한다.[11]

  • 폭연 (deflagration): 팽창 속도(화염 전파 속도)가 음속에 도달하지 않은 폭발이다. 충격파를 동반하지 않으며 피해가 비교적 경미하다.
  • 폭굉 (detonation): 팽창 속도가 음속을 초과하는 격렬한 폭발이다. 충격파를 동반하며, 때로는 수백 m에서 수 km 범위에 걸쳐 막대한 피해를 초래한다.

2. 2. 2. 핵폭발

핵폭발 실험 장면


핵무기핵분열 반응이나 핵융합 반응을 통해 파괴력을 얻는 폭발물의 한 종류이다. 그 결과, 작은 핵무기라도 현존하는 가장 큰 규모의 재래식 폭발물보다 훨씬 강력하며, 단 하나의 무기로 도시 전체를 완전히 파괴할 수 있는 위력을 지닌다.

2. 2. 3. 전기적 폭발

고압의 전류가 금속 물질과 접촉하거나 고전류 전기 결함이 발생하면, 높은 에너지를 가진 전기 아크가 형성될 수 있다. 이 강력한 아크는 주변의 금속과 절연 물질을 순식간에 기화시키면서 전기 폭발을 일으킨다. 이러한 아크 플래시 현상은 특히 전기가 흐르는 상태의 개폐장치 근처에서 작업하는 사람들에게 큰 위험이 될 수 있다.

폭발한 축전기

2. 2. 4. 증기 폭발

증기 폭발은 화학적 또는 핵 반응 없이 순전히 물리적인 과정으로 발생하는 폭발이다. 예를 들어, 밀폐되거나 부분적으로 밀폐된 용기 내부의 압력이 높아져 용기가 터지는 경우가 해당된다. 과열된 보일러나 불 속에 던져진 통조림 캔이 터지는 것이 대표적인 예이다.

비등 액체 팽창 증기 폭발(BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion)은 증기 폭발의 한 유형으로, 압력을 받고 있는 액체가 담긴 용기가 파열될 때 발생한다. 이때 액체가 급격히 증발하면서 부피가 폭발적으로 팽창한다. 만약 용기 안의 물질이 인화성이라면, BLEVE 이후 2차적인 화학적 폭발로 이어질 수 있어 훨씬 더 큰 피해를 일으킬 수 있다. 예를 들어 화재 현장에서 프로판 가스 탱크가 BLEVE를 일으키면, 방출된 프로판 가스가 점화되어 강력한 폭발이 추가로 발생할 수 있다. 이러한 위험성 때문에 응급 구조대원들은 종종 초기 기계적 폭발(BLEVE)과 후속 화학적 폭발을 구분하여 대응한다.

2. 2. 5. 기계적 폭발

기계적 폭발은 화학적 과정이나 핵적 과정 없이 순전히 물리적인 과정으로 발생하는 폭발을 의미한다. 주로 밀폐되거나 부분적으로 밀폐된 용기 내부의 압력이 급격히 높아져 용기가 파열되는 현상을 말한다. 예를 들어 과열된 보일러가 터지거나, 불 속에 던져진 통조림 캔이 터지는 경우가 이에 해당한다.

비등 액체 팽창 증기 폭발(BLEVE)은 기계적 폭발의 대표적인 유형 중 하나이다. 이는 압력을 받고 있는 액체가 담긴 용기가 파열될 때 발생한다. 용기가 파손되면 내부의 액체가 급격히 증발하면서 부피가 폭발적으로 팽창하게 된다. BLEVE 자체는 물리적 현상이지만, 만약 용기 안의 내용물이 프로판과 같은 인화성 물질일 경우, 누출된 물질이 점화원과 만나 2차적인 화학적 폭발로 이어질 수 있다. 이 경우 화재를 동반하며 훨씬 더 큰 피해를 일으킬 수 있기 때문에, 응급 구조대원들은 종종 BLEVE 현상 자체와 후속 폭발을 구분하여 대응한다. BLEVE는 주로 유류 및 가스 관련 화재 현장에서 관찰된다.

이 외에도 다음과 같은 물리적 현상들이 기계적 폭발로 분류될 수 있다.[10]

2. 3. 기타 폭발



우주에서 알려진 가장 큰 폭발 중에는 일부 유형의 별이 수명을 다할 때 발생하는 초신성이 있다. 태양 플레어태양에서, 그리고 아마도 대부분의 다른 별에서도 흔히 발생하는 훨씬 덜 강력한 폭발의 예이다. 태양 플레어 활동의 에너지원은 태양의 전도성 플라스마 회전으로 인해 자기장 선이 얽히면서 발생한다. 또 다른 유형의 대규모 천문학적 폭발은 유성체소행성이 다른 천체의 표면에 충돌하거나, 행성과 같이 대기 중에서 폭발할 때 일어난다. 이는 두 천체가 서로에 대해 매우 높은 속도로 이동하기 때문인데, 지구에 충돌하는 물체의 경우 최소 속도는 11.2km/s이다.[3] 예를 들어, 1908년의 퉁구스카 대폭발은 유성 대기 폭발로 인한 것으로 여겨진다.[4]

블랙홀 합병, 특히 쌍성 블랙홀계를 포함하는 경우는 1초의 짧은 시간 안에 많은 태양 질량에 해당하는 에너지를 중력파 형태로 우주로 방출할 수 있다. 이러한 현상은 근처의 천체에 엄청난 에너지와 파괴적인 힘을 전달할 수 있지만, 광활한 우주 공간에서는 가까운 거리에 다른 천체가 드물다.[5] 2019년 5월 21일에 관측된 GW190521로 알려진 중력파는 약 100밀리초(ms) 동안 지속된 합병 신호를 생성했으며, 이 기간 동안 중력 에너지 형태로 태양 질량의 9배에 달하는 에너지를 방출한 것으로 추정된다.

3. 폭발의 특성

압력이 급격하게 발생하거나 해방되면서 , , 소리 등이 발생하는 현상을 폭발이라고 한다. 폭발은 종종 주변에 파괴적인 영향을 미치며, 급격한 화학 반응, 용기의 파괴, 핵반응 등이 원인이 될 수 있다.[8]

도호대학 이학부의 설명에 따르면, 연소에 의한 폭발이 폐쇄된 좁은 실내 공간에서 발생할 경우, 먼저 화염이 퍼져나가고 연소로 인한 온도 상승으로 실내 기체가 급격히 팽창한다. 이로 인해 폐쇄 공간의 압력이 빠르게 높아지며, 압력을 견디지 못한 문이나 창문 등 약한 부분이 파괴되면서 고압의 기체가 순식간에 분출하게 된다. 이러한 과정이 짧은 시간 안에 일어나 큰 피해를 유발한다.[9] 폭발은 힘, 속도, 열 발생, 반응 시작 방식, 파편 생성 등 다양한 특성을 지닌다.

3. 1. 힘

훈련 중 시험용 문에 폭발물이 폭발하는 모습


폭발력은 폭발물의 표면에 수직 방향으로 방출된다. 예를 들어, 수류탄이 공중에서 폭발하면 그 힘은 360° 모든 방향으로 퍼져나간다. 반면, 성형작약은 폭발력을 한 방향으로 집중시켜 특정 지점에 더 큰 파괴력을 가할 수 있다. 이러한 특성 때문에 성형작약은 군대에서 문이나 벽을 파괴하는 용도로 자주 사용된다.

3. 2. 속도

폭발 반응과 일반적인 연소 반응을 구분하는 핵심적인 요소는 반응 속도이다. 반응이 충분히 빠르게 진행되지 않으면, 열에 의해 팽창하는 기체가 주변으로 퍼져나가 큰 압력 차이를 만들지 못하므로 폭발로 이어지지 않는다. 예를 들어 벽난로에서 나무가 타는 경우, 열과 기체가 발생하지만 그 속도가 느려 폭발을 일으킬 만큼 갑작스러운 압력 변화를 만들지는 못한다. 이는 에너지를 천천히 방출하는 배터리와 짧은 순간에 많은 에너지를 방출하는 카메라 플래시의 축전기 사이의 차이와 비슷하다고 볼 수 있다.

3. 3. 열의 발생

대부분의 폭발적인 화학 반응에는 많은 양의 열 발생이 수반된다. 예외적으로 엔트로피 폭발물이라고 불리는 것들이 있는데, 아세톤 과산화물과 같은 유기 과산화물이 여기에 포함된다.[6] 대부분의 폭발 반응에서는 열이 빠르게 방출되면서 생성된 기체 생성물이 팽창하여 높은 압력을 발생시킨다. 이렇게 빠르게 발생하는 높은 압력의 기체 팽창이 바로 폭발을 구성하는 핵심 요소이다. 만약 열이 방출되는 속도가 충분히 빠르지 않다면 폭발은 일어나지 않는다. 예를 들어, 석탄은 단위 질량당 니트로글리세린보다 5배나 많은 열을 발생시키지만, (석탄 분진 형태가 아니라면) 열을 매우 느리게 방출하기 때문에 폭발물로 사용될 수 없다.

흥미롭게도, 느리게 연소하는 물질(즉, 느린 연소)이 빠르게 폭발하는 폭발물(즉, 빠른 연소)보다 실제로 더 많은 총열량을 발생시킬 수도 있다. 느린 연소는 물질의 내부 에너지(화학적 퍼텐셜) 중 더 많은 부분을 주변으로 방출되는 로 변환하는 반면, 빠른 연소(폭발)는 내부 에너지의 더 많은 부분을 주변 환경에 일을 하는 데 사용한다(즉, 열로 변환되는 내부 에너지가 상대적으로 적다). 과 일은 서로 동등한 형태의 에너지이다. 이와 관련된 더 자세한 내용은 연소열 문서에서 찾아볼 수 있다.

화합물이 그 구성 원소들로부터 형성될 때 열이 흡수되거나 방출될 수 있는데, 이 양을 생성열이라고 한다. 폭발 반응에서 관찰되는 고체 및 기체 생성물의 생성열은 일반적으로 25°C 온도와 대기압 조건에서 측정되며, 몰당 킬로줄(kJ/mol) 단위로 표시된다. 생성열 값이 양수(+)이면 원소로부터 화합물이 형성될 때 열이 흡수되었음을 의미하며, 이를 흡열 반응이라고 한다. 폭발 기술 분야에서는 순수하게 열을 방출하고 음수(-)의 생성열을 갖는 발열성 물질만이 주로 다루어진다. 반응 중에 발생하는 열은 일정한 압력 또는 일정한 부피 조건에서 측정될 수 있으며, 이를 "폭발열"이라고 부르기도 한다.

3. 4. 반응의 시작

폭발 반응은 폭발물질의 일부에 충격, 열, 또는 촉매(일부 폭발성 화학 반응의 경우)를 가함으로써 시작될 수 있다.[1] 어떤 물질이 폭발물로 인정받으려면, 폭발물질의 특징(빠른 분해 또는 재배열, 많은 가스 및 열 발생)을 보이는 것 외에도 필요할 때 반응을 일으킬 수 있어야 한다.

화학 폭발물은 열이나 충격을 받으면 매우 빠르게 분해되거나 재배열되어 많은 양의 가스와 열을 발생시키는 화합물 또는 혼합물이다.[1] 일반적인 인공 폭발물인 화학 폭발물은 주로 산소가 있는 환경에서 전기 스파크나 불꽃에 의해 반응이 시작된다. 화학 폭발은 의도적이든 우발적이든 발생할 수 있으며, 우발적인 경우는 연료 탱크나 로켓 엔진 등에서 일어날 수 있다.[1]

최초의 화학 폭발물은 화약이었으며, 이후 1865년 프레더릭 어거스터스 아벨이 니트로셀룰로스를 개발하고 1866년 알프레드 노벨다이너마이트를 발명하는 등 기술이 발전했다.[1]

3. 5. 파편

파편화는 고성능 폭약이 폭발할 때 그 결과로 작은 입자들이 모여서 멀리 날아가는 현상을 말한다. 파편은 여러 곳에서 생겨날 수 있다. 예를 들어, 폭발 주변 건물의 일부인 유리나 구조재 조각, 지붕 자재 등이 파편이 될 수 있다. 또한, 폭발 지점 근처의 드러난 지층이나 땅 표면의 다양한 물질들, 예를 들면 느슨한 암석, 토양, 모래 등도 파편의 원인이 된다. 폭약을 감싸고 있는 케이싱(폭발물을 감싸는 외피)이나, 폭발의 강력한 충격파에도 증발하지 않고 남은 주변의 여러 가지 물체들도 파편으로 날아갈 수 있다.

특히 빠르고 낮은 각도로 날아가는 파편은 수백 미터 거리까지 도달할 수 있다. 이런 파편들은 주변에 있는 다른 고성능 폭약을 터뜨리거나, 사람들에게 부상을 입히거나 심하면 사망에 이르게 할 수 있다. 또한 차량이나 건물을 파괴할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 지닌다.

4. 폭발 사고

5. 폭발의 이용


  • 무기: 핵폭탄과 같은 무기에 사용된다.
  • * 폭탄
  • * 지뢰
  • 발파: 화약류를 이용하여 암석 등의 파괴에 이용된다.
  • 내연기관: 엔진의 작동 원리로 활용된다.
  • 소화: 유전화재 진압 등에 사용되며, 폭발로 인한 폭풍으로 불을 날려 연소를 중단시키는 폭풍소화 방식이 있다.
  • 폭발 가공: 폭발력을 이용한 다양한 가공 기술에 활용된다.
  • * 폭발 성형
  • * 폭발압착 및 폭발압접
  • * 폭발 경화
  • * 폭발 합성

6. 비유적 표현

「폭발」은 비유적으로 억눌러왔던 감정 등이 순간적으로 분출되는 것을 가리킬 때 사용된다.[8] 예를 들어 "그는 3개월 동안 참고 참았지만, 마침내 폭발했다."와 같이 사용한다. 일본의 예술가 오카모토 타로는 "예술은 폭발이다!"라고 자주 표현했다.

또한, 스포츠 등의 분야에서는 감춰져 있던 재능이 꽃피어 활약하는 것을 "폭발하다"라고 표현하기도 한다. 이 경우에는 활약하다 또는 대활약하다보다 더 강한 의미를 지닐 때가 많다.

「폭발」이라는 단어는 급격한 사물의 증가나 확산을 비유하는 데 폭넓게 사용된다. 예를 들어 "인기가 폭발하다", "인구가 폭발하다" 등이 있다.

'''주요 비유적 용례'''


  • 인구 폭발
  • 감염 폭발
  • 타선 폭발: 야구 등에서 갑자기 안타가 연속되어 대량 득점을 올리는 것을 비유적으로 표현한다.
  • 캄브리아기 대폭발


'''수학에서의 비유적 표현'''

수학에서는 지수 함수나 계승 등을 다룬 함수에서 수가 급격히 증가하는 것을 "수의 폭발"이라고 표현하는 경우가 있다(조합 폭발, 지수 함수적 성장도 참조).

또한, 미분 방정식에서 독립 변수 t를 시간으로 했을 때, 유한 시간 내(독립 변수 t가 유한 구간 내)에 해가 극한으로 발산하는 것을 "해의 폭발"이라고 한다.[20]

대수 기하학에서는 대수 다양체의 특이점(접선을 여러 개 그을 수 있는 점)을 해소하는(접선을 "흩어"서 매끄럽게 만드는) 특정 절차를 폭발(블로우업, 블로잉업이라고도 함)이라고 한다.[21]

참조

[1] 뉴스 Fire power equalled 1500 atomic bombs http://www.theage.co[...] 2009-05-22
[2] 논문 The dynamics of the nebula M1-67 around the run-away Wolf-Rayet star WR 124
[3] 웹사이트 Compiled by Christian Koeberl and Virgil L. Sharpton https://www.lpi.usra[...]
[4] 웹사이트 115 Years Ago: The Tunguska Asteroid Impact Event - NASA https://www.nasa.gov[...] 2023-07-05
[5] 웹사이트 Ask Ethan: Could Gravitational Waves Ever Cause Damage On Earth? Starts With A Bang https://www.forbes.c[...] 2020-02-15
[6] 논문 Decomposition of Triacetone Triperoxide Is an Entropic Explosion 2005-02-01
[7] 문서 explode#Etymology wikt:explode#Etymolo[...]
[8] 서적 広辞苑 第六版【爆発】
[9] 웹사이트 燃焼科学|バーチャルラボラトリ| http://www.mnc.toho-[...]
[10] 웹사이트 爆発について http://www.pecj.or.j[...] 一般財団法人 石油エネルギー技術センター 2019-08-01
[11] 웹사이트 安全衛生キーワード 爆発 https://anzeninfo.mh[...] 厚生労働省 2019-08-01
[12] 웹사이트 爆発鑑定|法科学鑑定研究所 http://alfs-inc.com/[...]
[13] 뉴스 宇治火薬製造所爆発、八百戸に被害 京都日出新聞 1937-08-18
[14] 웹사이트 中国で工場が爆発 22人死亡 http://blog.livedoor[...] 2019-09-29
[15] 웹사이트 中国・江蘇省の化学工場爆発、死者47人に 90人重傷 https://www.afpbb.co[...] 2019-09-29
[16] 웹사이트 中国の化学工場でまた爆発 15人死亡 http://n-seikei.jp/i[...] 2019-09-29
[17] 웹사이트 ロシア軍施設で爆発事故、原子力推進巡航ミサイルの可能性 https://news.yahoo.c[...] 2019-09-29
[18] 웹사이트 韓国・蔚山の港でタンカーが爆発・炎上 18人負傷 https://news.livedoo[...] 2019-09-29
[19] 웹사이트 福島 郡山 飲食店の建物で爆発 現場監督の男性死亡 18人けが https://web.archive.[...] 2020-07-30
[20] 서적 微分方程式入門 東京大学出版会 1988-12-15
[21] 웹사이트 京都大学数理解析研究所 平成23年度数学入門公開講座テキスト 特異点解消入門 http://www.kurims.ky[...]
[22] 웹사이트 폭발



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