유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

9문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 중 xx 에 대한 미지 함수 yy 의 미분방정식인 것을 고르세요. (a) y=dydx(b) dydx=3[y−5](c) y=3[y−dxdx](d) ex=ey+1(e) y=10ex\text{(a) } y=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \qquad\text{(b) } \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3\left[y-5\right] \qquad\text{(c) } y=3\left[y-\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}\right] \qquad\text{(d) } e^x=e^y+1 \qquad\text{(e) } y=10e^x

영어 원문 보기

Which of the following is a differential equation for an unknown function yy of xx? (a) y=dydx(b) dydx=3[y−5](c) y=3[y−dxdx](d) ex=ey+1(e) y=10ex\text{(a) } y=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \qquad\text{(b) } \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3\left[y-5\right] \qquad\text{(c) } y=3\left[y-\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}\right] \qquad\text{(d) } e^x=e^y+1 \qquad\text{(e) } y=10e^x

정답·풀이 보기

이 절의 처음에서 교재는 “미분방정식은 미지 함수의 도함수를 포함하는, 미지 함수에 대한 방정식이다."라고 말한다. 여기서 미지 함수는 yy 이므로, 미분방정식은 yy 와 dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 를 관련짓는 방정식이다. 이는 (a)와 (b)에는 해당하지만, (c), (d), (e)에는 해당하지 않는다.

dxdx=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}=1 임에 주의하자. 이것은 xx 를 xx 에 대해 미분한 도함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

In the beginning of this section, the text says “A differential equation is an equation for an unknown function that involves the derivative of the unknown function." Our unknown function is yy, so a differential equation is an equation that relates yy and dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}. This applies to (a) and (b), but not (c), (d), or (e).

Note that dxdx=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}=1: this is the derivative of xx with respect to xx.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.8절 · 8번
# 지수적 증가와 감소계산기본자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 시료에 처음에 방사성 동위원소가 CC g 들어 있고, 시각 tt 에서 시료에 남아 있는 방사성 동위원소의 양이 Q(t)=Ce−ktQ(t)=Ce^{-kt} 으로 주어진다고 하자. 여기서 kk 는 양의 상수이다. Q(t)=0Q(t)=0 이 되는 때는 언제인가요?

영어 원문 보기

Suppose a sample starts out with CC grams of a radioactive isotope, and the amount of the radioactive isotope left in the sample at time tt is given by Q(t)=Ce−ktQ(t)=Ce^{-kt} for some positive constant kk. When will Q(t)=0Q(t)=0?

정답·풀이 보기

구해야 하는 것은 다음이 성립하는 때이다.

Q(t)=0즉,Ce−kt=0\begin{aligned} Q(t)&=0 \\ \text{즉,} \\ Ce^{-kt}&=0 \end{aligned}

C=0C=0 이면 모든 tt 에 대해 이 등식이 성립한다. 처음부터 동위원소가 없었고, 앞으로도 붕괴하지 않은 동위원소가 영원히 없을 것이다.

C>0C>0 이면 e−kt>0e^{-kt}>0 이므로 Q(t)>0Q(t)>0 이다. 따라서 어떤 tt 값에 대해서도 Q(t)Q(t) 는 0이 되지 않는다. (다만 tt 가 점점 커질수록 Q(t)Q(t) 는 0에 점점 가까워진다.)

참고: 이 마지막 결과는 다소 께름칙하다. 분명 어느 시점에는 마지막 원자가 붕괴했을 것이기 때문이다. 우리가 사용한 미분방정식은 QQ 가 연속적으로 변한다고 가정하는 모형이다. 이 모형은 원자의 수가 매우 많을 때에만 좋은 근사가 된다. 실제로는 거의 언제나 그러하다.

원본 교재 풀이(영어)

What we're asked to find is when

Q(t)=0That is,Ce−kt=0\begin{aligned} Q(t)&=0 \\ \text{That is,} \\ Ce^{-kt}&=0 \end{aligned}

If C=0C=0, then this is the case for all tt. There was no isotope to begin with, and there will continue not being any undecayed isotope forever.

If C>0C>0, then since e−kt>0e^{-kt}>0, also Q(t)>0Q(t)>0: so Q(t)Q(t) is never 0 for any value of tt. (But as tt gets bigger and bigger, Q(t)Q(t) gets closer and closer to 0.)

Remark: The last result is somewhat disturbing: surely at some point the last atom has decayed. The differential equation we use is a model that assumes QQ runs continuously. This is a good approximation only when there is a very large number of atoms. In practice, that is almost always the case.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 1번
# 지수적 증가와 감소계산기본자동 분류
3.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

어떤 물체가 뉴턴의 냉각 법칙을 따르고, 그 물체의 온도가 어떤 상수 kk 에 대해 T(t)=[T(0)−A]ekt+AT(t)=[T(0)-A]e^{kt}+A 로 주어진다고 하자. T(t)=AT(t)=A 가 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object obeys Newton's Law of Cooling, and its temperature is given by T(t)=[T(0)−A]ekt+AT(t)=[T(0)-A]e^{kt}+A for some constant kk. At what time is T(t)=AT(t)=A?

정답·풀이 보기

우리가 알고 싶은 것은 다음이 성립하는 때이다.

[T(0)−A]ekt+A=A즉, 다음과 같을 때[T(0)−A]ekt=0모든 k 와 t 의 값에 대해 ekt>0 이므로, 이는 다음과 같을 때에만 일어난다T(0)−A=0\begin{aligned} [T(0)-A]e^{kt}+A&=A \\ \text{즉, 다음과 같을 때} \\ [T(0)-A]e^{kt}&=0 \\ \text{모든 $k$ 와 $t$ 의 값에 대해 $e^{kt}>0$ 이므로, 이는 다음과 같을 때에만 일어난다} \\ T(0)-A=0 \end{aligned}

따라서 물체의 처음 온도가 주위 온도와 같지 않으면, 이 모델에 따르면 물체의 온도는 결코 주위 온도와 같아지지 않는다! (그러나 tt 가 점점 커질수록 T(t)T(t) 는 AA 에 점점 가까워지며, 다만 정확히 AA 에 도달하지는 않는다.)

물체의 처음 온도가 주위 온도와 같으면 tt 의 모든 값에 대해 T(t)=AT(t)=A 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We want to know when

[T(0)−A]ekt+A=AThat is, when[T(0)−A]ekt=0Since ekt>0 for all values of k and t, this happens exactly whenT(0)−A=0\begin{aligned} [T(0)-A]e^{kt}+A&=A \\ \text{That is, when} \\ [T(0)-A]e^{kt}&=0 \\ \text{Since $e^{kt}>0$ for all values of $k$ and $t$, this happens exactly when} \\ T(0)-A=0 \end{aligned}

So: if the initial temperature of the object is not the same as the ambient temperature, then according to this model, it never will be! (However, as tt gets larger and larger, T(t)T(t) gets closer and closer to AA–it just never exactly reaches there.)

If the initial temperature of the object starts out the same as the ambient temperature, then T(t)=AT(t)=A for all values of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 7번
# 지수적 증가와 감소활용기본자동 분류
4.CLP-1 · 3.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

시각 tt 에서의 인구가 맬서스 모형 P(t)=P(0)ebt 어떤 양의 상수 b 에 대해P(t)=P(0)e^{bt}\text{ 어떤 양의 상수 $b$ 에 대해} 으로 주어졌다고 하자. lim⁡t→∞P(t)\displaystyle \lim_{t \to \infty}P(t) 의 값을 구하세요. 이 모형은 tt 의 값이 클 때 타당한가요?

영어 원문 보기

Let a population at time tt be given by the Malthusian model, P(t)=P(0)ebt for some positive constant b.P(t)=P(0)e^{bt}\text{ for some positive constant $b$.} Evaluate lim⁡t→∞P(t)\displaystyle \lim_{t \to \infty}P(t). Does this model make sense for large values of tt?

정답·풀이 보기

bb 가 양의 상수이므로 lim⁡t→∞ebt=∞\displaystyle \lim_{t \to \infty}e^{bt}=\infty 이다. 따라서

lim⁡t→∞P(t)=lim⁡t→∞P(0)ebt={0P(0)=0 일 때∞P(0)>0 일 때\begin{aligned} \lim_{t \to \infty}P(t)&=\lim_{t \to \infty} P(0)e^{bt} =\left\{\begin{array}{cc} 0&P(0)=0\text{ 일 때}\\ \infty&P(0)>0\text{ 일 때} \end{array}\right. \end{aligned}

이다.

P(0)=0P(0)=0 이면 이 모형은 단순히 “개체가 하나도 없이 시작한 인구는 영원히 개체가 없는 상태로 남는다”고 말하는 것이며, 이는 분명히 타당하다. P(0)≠0P(0) \neq 0 이면 (인구가 음수일 수는 없으므로) P(0)>0P(0)>0 이고, 이 모형은 “어떤 개체들로 시작한 인구는 충분한 시간이 주어지면 상상할 수 있는 어떤 거대한 수에도 이르게 된다”고 말한다. 이것은 그다지 타당하지 않다. 인구는 자원의 부족 등으로 인해 어느 유한한 크기까지만 증가한다. 맬서스 모형을 유도할 때는 순출생률이 상수라고, 즉 (개체당) 출생률과 사망률이 인구에 의존하지 않는다고 가정하는데, 이는 장기적으로는 합리적인 가정이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

Since bb is a positive constant, lim⁡t→∞ebt=∞\displaystyle \lim_{t \to \infty}e^{bt}=\infty. Therefore:

lim⁡t→∞P(t)=lim⁡t→∞P(0)ebt={0 if P(0)=0∞ if P(0)>0\begin{aligned} \lim_{t \to \infty}P(t)&=\lim_{t \to \infty} P(0)e^{bt} =\left\{\begin{array}{cc} 0&\text{ if }P(0)=0\\ \infty&\text{ if }P(0)>0 \end{array}\right. \end{aligned}

If P(0)=0P(0)=0, then the model simply says “a population that starts with no individuals continues to have no individuals indefinitely," which certainly makes sense. If P(0)≠0P(0) \neq 0, then (since we can't have a negative population) P(0)>0P(0)>0, and the model says “a population that starts out with some individuals will end up with any gigantically huge number you can think of, given enough time." This one doesn't make so much sense. Populations only grow to a certain finite amount, due to scarcity of resources and such. In the derivation of the Malthusian model, we assume a constant net birth rate–that the birth and death rates (per individual) don't depend on the population, which is not a reasonable assumption long-term.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 3번
# 지수적 증가와 감소활용기본자동 분류
5.CLP-2 · 2.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래는 함수 y=f(x)y=f(x) 와 미분방정식의 짝이다. 각 짝에 대해 그 함수가 미분방정식의 해인지 판단하세요.

  함수미분방정식 (a)y=5(ex−3x2−6x−6)dydx=y+15x2(b)y=−2x2+1y′(x)=xy2(c)y=x3/2+x(dydx)2+dydx=y\begin{array}{c|l|l|}\text{ ~} & \text{\textbf{함수}} & \text{\textbf{미분방정식}} \\ \text{ (a)} & y=5(e^x-3x^2-6x-6) & \displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 \\ \text{(b)} & y=\dfrac{-2}{x^2+1} & y'(x)=xy^2 \\ \text{(c)} & y=x^{3/2}+x & \displaystyle\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2 + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y \\ \text{}\end{array}

영어 원문 보기

Below are pairs of functions y=f(x)y=f(x) and differential equations. For each pair, decide whether the function is a solution of the differential equation.

  functiondifferential equation (a)y=5(ex−3x2−6x−6)dydx=y+15x2(b)y=−2x2+1y′(x)=xy2(c)y=x3/2+x(dydx)2+dydx=y\begin{array}{c|l|l|}\text{ ~} & \text{\textbf{function}} & \text{\textbf{differential equation}} \\ \text{ (a)} & y=5(e^x-3x^2-6x-6) & \displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 \\ \text{(b)} & y=\dfrac{-2}{x^2+1} & y'(x)=xy^2 \\ \text{(c)} & y=x^{3/2}+x & \displaystyle\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2 + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y \\ \text{}\end{array}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) 이면 dydx=5(ex−6x−6)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 5(e^x-6x-6) 이다. 이것이 y+15x2y+15x^2 과 같은지 확인해 보자.

y+15x2=5(ex−3x2−6x−6)+15x2=5(ex−3x2−6x−6+3x2)=5(ex−6x−6)=dydx\begin{aligned} y+15x^2&=5(e^x-3x^2-6x-6)+15x^2\\ &=5(e^x-3x^2-6x-6+3x^2)\\ &=5(e^x-6x-6)\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) 은 미분방정식 dydx=y+15x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 의 해가 맞다. (b) y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} 이면 dydx=4x(x+1)2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{4x}{(x+1)^2} 이다. 이것이 xy2xy^2 과 같은지 확인해 보자.

xy2=x(−2x2+1)2=4x(x2+1)2=dydx\begin{aligned} xy^2&=x\left(\frac{-2}{x^2+1}\right)^2\\ &=\frac{4x}{(x^2+1)^2}\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} 은 미분방정식 dydx=xy2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy^2 의 해가 맞다. (c) y=x3/2+xy=x^{3/2}+x 이면 dydx=32x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}+1 이다.

(dydx)2+dydx=(32x+1)2+32x+1=94x+92x+2≠dydx\begin{aligned} \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\left(\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\right)^2+\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\\ &=\frac{9}{4}x+\frac{9}{2}\sqrt{x}+2\\ &\neq \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=x3/2+xy=x^{3/2}+x 는 미분방정식 (dydx)2+dydx=y\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y 의 해가 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6), then dydx=5(ex−6x−6)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 5(e^x-6x-6). Let's see whether this is equal to y+15x2y+15x^2:

y+15x2=5(ex−3x2−6x−6)+15x2=5(ex−3x2−6x−6+3x2)=5(ex−6x−6)=dydx\begin{aligned} y+15x^2&=5(e^x-3x^2-6x-6)+15x^2\\ &=5(e^x-3x^2-6x-6+3x^2)\\ &=5(e^x-6x-6)\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) is indeed a solution to the differential equation dydx=y+15x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2. (b) If y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1}, then dydx=4x(x+1)2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{4x}{(x+1)^2}. Let's see whether this is equal to xy2xy^2:

xy2=x(−2x2+1)2=4x(x2+1)2=dydx\begin{aligned} xy^2&=x\left(\frac{-2}{x^2+1}\right)^2\\ &=\frac{4x}{(x^2+1)^2}\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} is indeed a solution to the differential equation dydx=xy2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy^2. (c) If y=x3/2+xy=x^{3/2}+x, then dydx=32x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}+1.

(dydx)2+dydx=(32x+1)2+32x+1=94x+92x+2≠dydx\begin{aligned} \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\left(\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\right)^2+\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\\ &=\frac{9}{4}x+\frac{9}{2}\sqrt{x}+2\\ &\neq \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=x3/2+xy=x^{3/2}+x is not a solution to the differential equation (dydx)2+dydx=y\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.3절 · 21번
# 변수분리형 미분방정식계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 2.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

y=f(x)y=f(x) 가 미분방정식 dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy 의 해라고 하자.

참 또는 거짓: 임의의 상수 CC 에 대해 f(x)+Cf(x)+C 도 해이다.

영어 원문 보기

Suppose y=f(x)y=f(x) is a solution to the differential equation dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy.

True or false: f(x)+Cf(x)+C is also a solution, for any constant CC.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

y=f(x)+Cy=f(x)+C 가 이 미분방정식의 해라는 것은 다음을 뜻한다.

ddx{f(x)+C}=x(f(x)+C)y=f(x) 가 해이므로 ddx{f(x)}=xf(x) 이다. 또한 ddx{f(x)+C}=ddx{f(x)} 이다. 따라서 ddx{f(x)+C}=xf(x) 이다.xf(x)=x(f(x)+C)0=xC\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}&=x(f(x)+C) \\ \text{$y=f(x)$ 가 해이므로 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}=xf(x)$ 이다. 또한 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}$ 이다. 따라서 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=xf(x)$ 이다.} \\ xf(x)&=x(f(x)+C)\\ 0&=xC \end{aligned}

이 등식은 정의역의 모든 xx 에 대해 성립해야 하고, yy 를 xx 에 대해 미분하는 것이 의미를 가지려면 정의역이 한 점만으로 이루어져서는 안 된다. 따라서 정의역에는 x≠0x \neq 0 인 xx 가 존재한다. 그러므로 CC 는 반드시 0이어야 한다. 즉, f(x)+Cf(x)+C 는 어떤 상수 CC 에 대해서도 이 미분방정식의 해가 아니다.

일반적인 부정적분을 구할 때에는 마지막에 “+C+C"를 더한다. 미분방정식의 일반해를 구할 때에는 부정적분을 하는 단계에서 “+C+C"가 더해지므로, 풀이 마지막에 또 하나를 더하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

To say y=f(x)+Cy=f(x)+C is a solution to the differential equation means:

ddx{f(x)+C}=x(f(x)+C)Since y=f(x) is a solution, we know ddx{f(x)}=xf(x). Also, ddx{f(x)+C}=ddx{f(x)}. So, ddx{f(x)+C}=xf(x).xf(x)=x(f(x)+C)0=xC\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}&=x(f(x)+C) \\ \text{Since $y=f(x)$ is a solution, we know $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}=xf(x)$. Also, $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}$. So, $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=xf(x)$.} \\ xf(x)&=x(f(x)+C)\\ 0&=xC \end{aligned}

Our equation should hold for all xx in our domain, and for the derivative to yy with respect to xx to make sense, our domain should not be a single point. So, there is some xx in our domain such that x≠0x \neq 0. Therefore, the CC must be zero. So, f(x)+Cf(x)+C is not a solution to the differential equation for any constant CC.

When we're finding a general antiderivative, we add “+C+C" at the end. When we're finding a general solution to a differential equation, the “+C+C" gets added when we antidifferentiate–we don't add another one at the end of our work.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 17번
# 변수분리형 미분방정식개념 확인기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 2.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

함수 y=f(x)y=f(x) 가 어떤 상수 C>0C>0 에 대해 ∣y∣=Cx|y| = Cx 를 만족시킨다고 하자.

(a) 주어진 정보로 볼 때, f(x)f(x) 의 정의역이 될 수 있는 가장 큰 범위는 무엇인지 구하세요. (b) 다음 성질을 모두 갖는 함수 y=f(x)y=f(x) 의 예를 들거나, 그런 함수가 존재하지 않음을 보이세요.

  • ∣y∣=Cx|y| = Cx,
  • 모든 x>0x>0 에 대해 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 가 존재하고,
  • 어떤 xx 에서는 y>0y>0 이고, 다른 xx 에서는 y<0y<0 이다.
영어 원문 보기

Suppose a function y=f(x)y=f(x) satisfies ∣y∣=Cx|y| = Cx, for some constant C>0C>0.

(a) What is the largest possible domain of f(x)f(x), given the information at hand? (b) Give an example of function y=f(x)y=f(x) with the following properties, or show that none exists:

  • ∣y∣=Cx|y| = Cx,
  • dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} exists for all x>0x>0, and
  • y>0y>0 for some values of xx, and y<0y<0 for others.
정답·풀이 보기

(a) yy 가 어떤 값이든 ∣y∣≥0|y| \geq 0 이므로, f(x)f(x) 의 정의역에 속하는 모든 xx 에 대해 Cx≥0Cx \ge 0 이다. CC 가 양수이므로 f(x)f(x) 의 정의역에는 음이 아닌 수만 포함된다. 따라서 f(x)f(x) 의 정의역이 될 수 있는 가장 큰 범위는 [0,∞)[0,\infty) 이다. (b) 존재하지 않는다.

아래 그림은 어떤 양의 상수 CC 에 대한 CxCx 의 그래프와 −Cx-Cx 의 그래프이다. y=f(x)y=f(x) 가 어떤 곳에서는 위쪽 함수이고 다른 곳에서는 아래쪽 함수라면, 그것이 바뀌는 곳에서 점프 불연속이 생긴다. 그러면 f(x)f(x) 의 도함수가 존재하지 않게 되어 두 번째 성질에 어긋난다.

그림

사소한 기술적 참고로, x=0x=0 에서 f(x)=Cxf(x)=Cx 이고 x>0x>0 에서 f(x)=−Cxf(x)=-Cx 인 경우(또는 그 반대)가 가능하다. 이 경우에는 점프 불연속이 생기지 않지만, 어떤 xx 에서 f(x)>0f(x)>0 이라는 조건은 만족시키지 못한다.

참고: 아래의 여러 경우에서, 미분방정식을 풀면 ∣y∣=g(x)|y|=g(x) 와 같은 결론에 이르게 된다. 이럴 때 우리는 y=g(x)y=g(x) 또는 y=−g(x)y=-g(x) 중 하나를 택하며, y=±g(x)y=\pm g(x) (이것은 함수가 아니다)나 yy 가 어떤 곳에서는 g(x)g(x) 이고 다른 곳에서는 −g(x)-g(x) 라고 택하지는 않는다. 위의 추론이 이 선택을 어느 정도 설명해 준다. yy 가 어떤 곳에서는 양수이고 다른 곳에서는 음수라면, yy 의 부호가 바뀌는 xx 의 값에서는 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 가 존재하지 않기 때문이다. 단, 그 부호 변화가 g(x)g(x) 의 근에서 일어나는 경우는 예외이다. 그런 경우는 매우 특수하므로, 우리는 기술적인 세부 사항에 얽매이지 않기 위해 보통 이를 무시해도 안전하다고 본다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since ∣y∣≥0|y| \geq 0 no matter what yy is, we see Cx≥0Cx \ge 0 for all xx in the domain of f(x)f(x). Since CC is positive, that means the domain of f(x)f(x) only includes nonnegative numbers. So, the largest possible domain of f(x)f(x) is [0,∞)[0,\infty). (b) None exists.

The graph of CxCx is given below for some positive constant CC, also with the graph of −Cx-Cx. If y=f(x)y=f(x) were sometimes the top function, and other times the bottom function, then there would be a jump discontinuity where it switched. Then the derivative of f(x)f(x) would not exist, violating the second property.

figure

A tiny technical note is that it's possible that f(x)=Cxf(x)=Cx when x=0x=0 and f(x)=−Cxf(x)=-Cx when x>0x>0 (or vice-versa). This would not introduce a jump discontinuity, but it also does not satisfy that f(x)>0f(x)>0 for some values of xx.

Remark: in several instances below, solving a differential equation will lead us to conclude something like ∣y∣=g(x)|y|=g(x). In these cases, we choose either y=g(x)y=g(x), or y=−g(x)y=-g(x), but not y=±g(x)y=\pm g(x) (which is not a function) or that yy is sometimes g(x)g(x), and other times −g(x)-g(x). The reasoning above somewhat explains this choice: if yy were sometimes positive and sometimes negative, then dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} would not exist at the values of xx where the sign of yy switches, unless that switch occurrs at a root of g(x)g(x). Since that's a pretty specific occurrence, we usually feel safe ignoring it to avoid getting bogged down in technical details.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 28번
# 변수분리형 미분방정식증명·논술기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 2.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 문장(이 문장은 로잔대학교 약동학 웹사이트의 “소거 동역학”을 https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=94 에서 의역한 것이다. 모르핀의 반감기는 같은 웹사이트의 https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=85 에 나와 있다. 2017년 8월 12일에 접속함.)을 미분방정식으로 나타내세요. 방정식을 풀 필요는 없습니다.

혈류 속 모르핀 총량의 약 0.3 퍼센트가 매분 소거된다.

영어 원문 보기

Express the following sentence (The sentence is paraphrased from the Pharmakokinetics website of Universite de Lausanne, “Elimination Kinetics," at https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=94 . The half-life of morphine is given on the same website at https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=85 . Accessed 12 August 2017.) as a differential equation. You don't have to solve the equation.

About 0.3 percent of the total quantity of morphine in the bloodstream is eliminated every minute.

정답·풀이 보기

Q(t)Q(t) 를 시각 tt 에서 환자의 혈류 속 모르핀의 양이라 하자. 여기서 tt 는 분 단위로 잰다.

도함수의 정의에 의하여 dQdt=lim⁡h→0Q(t+h)−Q(t)h≈Q(t+1)−Q(t)1\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=\lim_{h \to 0}\frac{Q(t+h)-Q(t)}{h}\approx \frac{Q(t+1)-Q(t)}{1} 이다. 따라서 dQdt\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} 는 tt 부터 t+1t+1 까지 1분 동안 모르핀 양의 변화량과 거의 같다.

문장에 의하면 1분 동안 모르핀 양의 변화량은 약 −0.003Q-0.003Q 이다. 여기서 QQ 는 혈류 속 모르핀의 양이다. 즉 dQdt=−0.003Q(t)\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=-0.003Q(t) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let Q(t)Q(t) be the quantity of morphine in a patient's bloodstream at time tt, where tt is measured in minutes.

Using the definition of a derivative, dQdt=lim⁡h→0Q(t+h)−Q(t)h≈Q(t+1)−Q(t)1\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=\lim_{h \to 0}\frac{Q(t+h)-Q(t)}{h}\approx \frac{Q(t+1)-Q(t)}{1} So, dQdt\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} is roughly the change in the amount of morphine in one minute, from tt to t+1t+1.

The sentence tells us that the change in the amount of morphine in one minute is about −0.003Q-0.003Q, where QQ is the quantity in the bloodstream. That is: dQdt=−0.003Q(t)\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=-0.003Q(t)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 15번
# 변수분리형 미분방정식활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-2 · 2.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 언어에서 특정한 변화가 옛 형태에서 새 형태로 일어나고 있다고 합시다. ( 한 예로 독일어 동사 "볼렌(wollen)"의 2인칭 활용이 "볼트(wollt)"에서 "볼스트(wollst)"로 바뀐 것이 있습니다. 이 예는 사이트 계량언어학의 법칙(Laws in Quantitative Linguistics)의 "언어 변화(Change in Language)" http://lql.uni-trier.de/index.php/Change_in_language 에서 가져왔으며, 2017년 8월 18일에 접속했습니다. ) p(t)p(t) 를 화자가 새 형태를 사용하는 시간의 비율(0은 전혀 사용하지 않음, 1은 항상 사용함을 뜻하며 0과 1 사이의 수로 나타냄)이라 하세요. 피오트로프스키의 법칙(피오트로프스키의 법칙은 글롯토피디아(Glottopedia)의 피오트로프스키 법칙(Piotrowski-Gesetz) 쪽, http://www.glottopedia.org/index.php/Piotrowski-Gesetz 의 내용을 풀어 쓴 것이며, 2017년 8월 18일에 접속했습니다. 이 출처에 따르면 이 법칙은 부부인 R. G. 피오트로프스키와 A. A. 피오트로프스카야의 연구를 바탕으로 하며, 이후 G. 알트만이 일반화했습니다.)은 다음을 예측합니다.

새 형태의 사용은 시간이 지남에 따라, 새 형태의 비율과 옛 형태의 비율의 곱에 비례하는 변화율로 퍼진다.

이를 미분방정식으로 나타내세요. 미분방정식을 풀 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Suppose a particular change is occurring in a language, from an old form to a new form. ( An example is the change in German from “wollt" to “wollst" for the second-person conjugation of the verb “wollen." This example is provided by the site Laws in Quantitative Linguistics, “Change in Language" http://lql.uni-trier.de/index.php/Change_in_language accessed 18 August 2017. ) Let p(t)p(t) be the proportion (measured as a number between 0, meaning none, and 1, meaning all) of the time that speakers use the new form. Piotrowski's law (Piotrowski's law is paraphrased from the page Piotrowski-Gesetz on Glottopedia, http://www.glottopedia.org/index.php/Piotrowski-Gesetz, accessed 18 August 2017. According to this source, the law was based on work by the married couple R. G. Piotrowski and A. A. Piotrowskaja, later generalized by G. Altmann. ) predicts the following.

Use of the new form over time spreads at a rate that is proportional to the product of the proportion of the new form and the proportion of the old form.

Express this as a differential equation. You do not need to solve the differential equation.

정답·풀이 보기

p(t)p(t) 가 화자가 새 형태를 사용하는 시간의 비율이고 0과 1 사이의 값이므로, 1−p(t)1-p(t) 는 화자가 옛 형태를 사용하는 시간의 비율이다.

따라서 이 법칙은 dpdt\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t} 가 p(t)×(1−p(t))p(t)\times \big(1-p(t)\big) 에 비례한다고 말한다. 두 양이 비례한다는 것은 한 양이 다른 양의 상수 배라는 뜻이다. 그러므로 이 법칙은 어떤 상수 α\alpha 에 대해 dpdt=αp(t)(1−p(t))\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}=\alpha p(t)\big(1-p(t)\big) 임을 뜻한다.

참고: 이 모형에 따르면 새 형태가 매우 드물거나 완전히 보편화되었을 때 그 채택의 변화율은 작다. 이는 타당하다. 새 형태가 항상 쓰이면(p(t)≈1p(t)\approx 1) 새로 바꿀 사람이 남아 있지 않고, 새 형태가 거의 쓰이지 않으면(p(t)≈0p(t)\approx 0) 사람들이 그 형태를 알지 못하므로 따라 쓰지 않기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

If p(t)p(t) is the proportion of times speakers use the new form, measured between 0 and 1, then 1−p(t)1-p(t) is the proportion of times speakers use the old form.

The law, then, states that dpdt\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t} is proportional to p(t)×(1−p(t))p(t)\times \big(1-p(t)\big). When we say two quantities are proportional, we mean that one is a constant multiple of the other. So, the law says dpdt=αp(t)(1−p(t))\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}=\alpha p(t)\big(1-p(t)\big) for some constant α\alpha.

Remark: it follows from this model that, when a new form is either very rare or entirely ubiquitous, the rate of change of its adoption is small. This makes sense: if the new form is used all the time (p(t)≈1p(t)\approx 1), there's nobody left to convert; if the new form is almost never used (p(t)≈0p(t)\approx 0) then people don't know about it, so they won't pick it up.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 14번
# 변수분리형 미분방정식활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)