뼈 시료가 10,000 년 전에 죽은 동물의 것이다. 이 뼈가 동물이 죽을 때
5 μg 의 탄소-14를 포함하고 있었다면, 지금은 탄소-14가 얼마나 들어 있을 것으로 예상하나요?
영어 원문 보기
A sample of bone belongs to an animal that died 10,000 years ago. If the bone contained
5 μg of Carbon-14 when the animal died, how much Carbon-14 do you expect it to have now?
정답·풀이 보기
동물이 죽은 지 t 년 후 시료에 들어 있는 탄소-14의 양은
Q(t)=5e−kt
이다. 여기서 k 는 어떤 상수이고, 5는 시간 t=0 일 때 시료에 들어 있는 탄소-14의 양이다. 따라서 우리가 구하는 답은 Q(10000) 이다. Q(10000) 의 값을 구하려면 k 를 실제 수로 바꿔야 하는데, 그 열쇠는 반감기이다. 교재에 따르면 탄소-14의 반감기는 5730 년이므로 다음이 성립한다.
참고: 2(5730)=11,460 년이 지나면 시료는 반감기를 두 번 거친 셈이므로, 남아 있는 탄소-14는 처음 양의 4분의 1, 즉 1.25μg 이다. 10,000 년 후의 시료에는 11,460 년 후보다 탄소-14가 조금 더 많이 들어 있는 것이 타당하다. 실제로 1.5 는 1.25 보다 조금 크므로 우리가 구한 답은 그럴듯해 보인다.
답이 그럴듯한지 빠르게 확인할 방법을 찾는 것은 좋은 습관이다. 작은 계산 실수가 풀이에서 큰 오류로 이어지기 쉽기 때문이다.
원본 교재 풀이(영어)
The amount of Carbon-14 in the sample t years after the animal died will be
Q(t)=5e−kt
for some constant k (where 5 is the amount of Carbon-14 in the sample at time t=0). So, the answer we're looking for is Q(10000). We need to replace k with an actual number to evaluate Q(10000), and the key to doing this is the half-life. The text tells us that the half-life of Carbon-14 is 5730 years, so we know:
Q(5730)5e−k⋅5730(e−k)5730e−kSo:Q(t)Now, we can evaluate:Q(10000)=25=25=21=573021=2−57301=5(e−k)t=5⋅2−5730t=5⋅2−573010000≈1.5μg
Remark: after 2(5730)=11,460 years, the sample will have been sitting for two half-lives, so its remaining Carbon-14 will be a quarter of its original amount, or 1.25μg. It makes sense that at 10,000 years, the sample will contain slightly more Carbon-14 than at 11,460 years. Indeed, 1.5 is slightly larger than 1.25, so our answer seems plausible.
It's a good habit to look for ways to quickly check whether your answer seems plausible, since a small algebra error can easily turn into a big error in your solution.
1그램의 라듐-226이 들어 있는 시료를 100년 전에 실험실에 보관했는데, 지금은 이 시료에 라듐-226이 0.9576그램만 남아 있습니다. 라듐-226의 반감기를 구하세요.
영어 원문 보기
A sample containing one gram of Radium-226 was stored in a lab 100 years ago; now the sample only contains 0.9576 grams of Radium-226. What is the half-life of Radium-226?
정답·풀이 보기
100년 전을 시각 t=0 이라 하자. 시료에 들어 있는 라듐-226의 양을 Q(t) 라 하면 Q(0)=1 이고,
Let 100 years ago be the time t=0. Then if Q(t) is the amount of Radium-226 in the sample, Q(0)=1, and
Q(t)for some positive constant k. When t=100, the amount of Radium-226 left is 0.9576 grams, so0.9576=Q(100)e−kThis tells usQ(t)So, if half the original amount of Radium-226 is left,21log(21)−log2t=e−kt=e−k⋅100=(e−k)100=0.95761001=0.9576100t=0.9576100t=log(0.9576100t)=100tlog(0.9576)=−100log0.9576log2≈1600
So, the half life of Radium-226 is about 1600 years.
시료의 0.01%만 남고 모두 붕괴하는 데 약 398.6초(즉, 대략 6분 30초)가 걸린다.
참고: 여기서도 현실성 검토를 한 번 더 할 수 있다. 반감기는 30초이다. 6분 30초는 반감기 13번에 해당한다. 따라서 시료는 13번 반으로 줄어든다: (21)13≈0.00012=0.012%. 그러므로 이 13번의 반감기가 지나면 시료는 처음 양의 약 0.01%로 줄어들며, 이는 구하려던 결과와 일치한다.
원본 교재 풀이(영어)
The amount of Radium-221 in a sample will be
Q(t)where C is the amount in the sample at time t=0, and k is some positive constant. We know the half-life of the isotope, so we can find e−k:2C=Q(30)212−301So,Q(t)When only 0.01% of the original sample is left, Q(t)=0.0001C:0.0001C=Q(t)0.0001log(0.0001)log(10−4)−4log10t=Ce−kt=Ce−k⋅30=(e−k)30=e−k=C(e−k)t=C⋅2−30t=C⋅2−30t=2−30t=log(2−30t)=−30tlog2=−30tlog2=120⋅log2log10≈398.6
It takes about 398.6 seconds (that is, roughly 6 and a half minutes) for all but 0.01% of the sample to decay.
Remark: we can do another reality check here. The half-life is 30 seconds. 6 and a half minutes represents 13 half-lives. So, the sample is halved 13 times: (21)13≈0.00012=0.012%. So these 13 half-lives should reduce the sample to about 0.01% of its original amount, as desired.
1950년대에 순수 혈통의 우드 들소는 멸종한 것으로 여겨졌다. 그러나 캐나다에서 소규모 개체군이 발견되었다. 수십 년 동안 인공 번식 프로그램이 개체 수를 늘리기 위해 운영되었고, 가끔 우드 들소가 야생으로 방사된다. 2015년에 방사된 무리가 121마리였고, 1년 뒤에는 136마리였다고 하자 (이 수치는 2015년 알래스카 샤겔룩 근처에 실제로 방사된 개체 수를 대략 바탕으로 한 것이다. 첫 번째 무리가 방사되는 모습은 여기에서 볼 수 있다.). 우드 들소가 맬서스 모형을 따르고 (큰 가정이다!), 사육 중인 개체가 더 이상 방사되지 않는다면, 2020년에 이 무리는 몇 마리가 되는지 구하세요.
영어 원문 보기
In the 1950s, pure-bred wood bison were thought to be extinct. However, a small population was found in Canada. For decades, a captive breeding program has been working to increase their numbers, and from time to time wood bison are released to the wild. Suppose in 2015, a released herd numbered 121 animals, and a year later, there were 136 (These numbers are loosely based on animals actually released near Shageluk, Alaska in 2015. Watch the first batch being released here.). If the wood bison adhere to the Malthusian model (a big assumption!), and if there are no more releases of captive animals, how many animals will the herd have in 2020?
정답·풀이 보기
동물이 맬서스 모형에 따라 증가한다고 가정하면, 2015년으로부터 t년 후의 개체 수는 어떤 상수 b 에 대해
P(t)=121ebt 로 주어진다. 이는 121=P(0), 즉 2015년으로부터 0년 후의 개체 수이기 때문이다. 2016년에 관한 정보로부터
The assumption that the animals grow according to the Malthusian model tells us that their population t years after 2015 is given by
P(t)=121ebt for some constant b, since 121=P(0), the population 0 years after 2015. The information about 2016 tells us
136=P(1)121136This gives us a better idea of P(t):P(t)2020 is 5 years after 2015, so in 2020 (assuming the population keeps growing according to the Malthusian model) the population will beP(5)=121eb=eb=121ebt=121(121136)t=121(121136)5≈217
In 2020, the Malthusian model predicts the herd will number 217 individuals.
맛있는 세균 먹이가 담긴 페트리 접시에 처음 세균 1,000마리로 이루어진 집단을 넣는다. 1시간 후 개체 수가 두 배가 되었다. 맬서스 모형을 가정할 때, 이 집단의 개체 수가 처음의 세 배가 되기까지 걸리는 시간을 구하세요.
영어 원문 보기
A founding colony of 1,000 bacteria is placed in a petri dish of yummy bacteria food. After an hour, the population has doubled. Assuming the Malthusian model, how long will it take for the colony to triple its original population?
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시간
정답·풀이 보기
세균의 처음 개체 수가 1000마리이므로, 맬서스 모형에 따라 접시에 넣은 지 t시간 후의 세균 수는 어떤 상수 b 에 대해 P(t)=1000ebt 이다. P(1)=2000 이므로
개체 수는 약 1.6시간 후에 세 배가 된다. 세 배가 되는 데 걸리는 시간은 상수 b 에만 의존함에 주목하자. 특히 처음 조건 P(0) 에는 의존하지 않는다.
원본 교재 풀이(영어)
Since the initial population of bacteria is 1000 individuals, the Malthusian model says that the population of bacteria t hours after being placed in the dish will be P(t)=1000ebt for some constant b. Since P(1)=2000,
2000=P(1)2So, the population at time t isP(t)We want to know at what time the population triples, to 3,000 individuals.30003log(3)t=1000eb=eb=1000⋅2t=1000⋅2t=2t=log(2t)=tlog(2)=log(2)log(3)≈1.6
The population triples in about 1.6 hours. Note that the tripling time depends only on the constant b. In particular, it does not depend on the initial condition P(0).
한 쌍의 쥐가 난파 사고 후 어느 섬에 오게 되었다. 이 쥐들은 맬서스 모형에 따라 번식한다. 1928년에 섬에는 쥐가 1,000마리 있었고, 다음 해에는 1500마리 있었다. 난파 사고는 언제 일어났는지 구하세요.
영어 원문 보기
A single pair of rats comes to an island after a shipwreck. They multiply according to the Malthusian model. In 1928, there were 1,000 rats on the island, and the next year there were 1500. When was the shipwreck?
정답·풀이 보기
맬서스 모형에 따르면, 배가 t=0 인 해에 난파되었고 쥐 2마리가 섬에 닿았다면, 난파 t 년 후 쥐의 개체 수는 다음과 같다.
따라서 1928년은 난파 약 15.3년 후이다. 쥐가 정확히 1000마리가 된 달이 주어지지 않았으므로, 난파는 1912년 또는 1913년에 일어난 것이 된다.
원본 교재 풀이(영어)
According to the Malthusian Model, if the ship wrecked at year t=0 and 2 rats washed up on the island, then t years after the wreck, the population of rats will be
P(t)for some constant b. We want to get rid of this extraneous variable b, so we use the given information. If 1928 is a years after the wreck:1000=P(a)1500=P(a+1)So,(1000)(eb)Which tells usebNow, our model is complete:P(t)Since P(a)=1000, we can find a:1000=P(a)500log(500)a=2ebt=2eba=2eb(a+1)=2ebaeb=(2eba)(eb)=1500=10001500=1.5=2(eb)t=2⋅1.5t=2⋅1.5a=1.5a=log(1.5a)=alog(1.5)=log(1.5)log(500)≈15.3
So, the year 1928 was about 15.3 years after the shipwreck. Since we aren't given a month when the rats reached exactly 1000 in number, that puts the shipwreck at the year 1912 or 1913.
한 농부가 붉은 염료를 만드는 데 쓰이는 곤충인 코치닐을 기르려고 한다. 농부는 시험 삼아 코치닐을 소수만 기른다. 공간과 먹이가 충분할 때, 시험용 코치닐 집단은 3개월 후 200개체에서 1000개체로 늘어난다.
농부의 계획은 처음에 P(0) 마리의 코치닐로 시작하여 1년 후에 1000000+P(0) 마리가 되게 하는 것이다. 그러면 100만 마리는 수확하고, P(0) 마리는 남겨 두어 다시 번식을 시작할 수 있다. 맬서스 모형에 따르면 처음 개체 수 P(0) 은 얼마여야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
A farmer wants to farm cochineals, which are insects used to make red dye. The farmer raises a small number of cochineals as a test. In three months, a test population of cochineals will increase from 200 individuals to 1000, given ample space and food.
The farmer's plan is to start with an initial population of P(0) cochineals,
and after a year have 1000000+P(0) cochineals, so that one million can be harvested, and P(0) saved to start breeding again. What initial population P(0) does the Malthusian model suggest?
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맬서스 모형에 따르면, P(0) 마리의 코치닐로 시작할 때 3개월 후의 개체 수는 다음과 같다.
참고: 다음 해의 번식을 위해 P(0) 마리를 남겨 두어야 한다는 조건이 없었다면, 1년 후에 100만 마리를 얻기 위해 처음에 필요한 코치닐 수는 1600 마리로, 거의 같다.
원본 교재 풀이(영어)
The Malthusian model suggests that, if we start with P(0) cochineals, their population after 3 months will be
P(t)for some constant b. The constant b is the net birthrate per population member per unit time. Assuming that the net birthrate for a larger population will be the same as the test population, we can use the data from the test to find eb. Let Q(t) be the number of individuals in the test population at time t.Q(t)10005ebNow that we have an idea of the birthrate, we predictP(t)We want P(12)=106+P(0).106+P(0)=P(12)106P(0)=P(0)ebt=Q(0)ebt=200ebt=Q(3)=200e3b=e3b=51/3=P(0)(eb)t=P(0)⋅53t=P(0)⋅5312=P(0)⋅54=P(0)⋅54−P(0)=P(0)[54−1]=54−1106≈1603
The farmer should use an initial population of (at least) about 1603 individuals.
Remark: if we hadn't specified that we need to save P(0) individuals to start next year's population, the number of individual cochineals we would want to start with to get a million in a year would be 1600–almost the same!
dxdyy2dy∫y2dyxex2의부정적분을추측하거나, 치환u=x2, du=2xdx를이용할수있다.3y3y3C′은(−∞,∞)의임의의상수이므로 3C′도(−∞,∞)의임의의상수이다. 따라서 3C′을임의의상수C로바꾼다.y3y=xex2−log(y2)=y2xex2=xex2dx=∫xex2dx=21ex2+C′=23ex2+3C′=23ex2+C=323ex2+C
단, C 는 임의의 상수이다.
원본 교재 풀이(영어)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
dxdyy2dy∫y2dyWe can guess the antiderivative of xex2, or use the substitution u=x2, du=2xdx.3y3y3Since C′ can be any constant in (−∞,∞), then also 3C′ can be any constant in (−∞,∞), so we replace 3C′ with the arbitrary constant C.y3y=xex2−log(y2)=y2xex2=xex2dx=∫xex2dx=21ex2+C′=23ex2+3C′=23ex2+C=323ex2+C
해는 C−2x2>0 일 때에만 존재한다. 이를 만족시키려면 C>0 이어야 하고, 이때 이 함수의 정의역은 ∣x∣<2C 를 만족시키는 x 의 값들이다.
원본 교재 풀이(영어)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
dxdyeydy∫eydy−e−ye−ySince C can be any constant in (−∞,∞), then also −C can be any constant in (−∞,∞), so we write C instead of −C.e−y−yy=xey=xdx=∫xdx=21x2+C=−21x2−C=C−21x2=log(C−2x2)=−log(C−2x2)
for any constant C.
The solution only exists for C−2x2>0. For this to happen, we need
C>0, and then the domain of the function is those values x for which ∣x∣<2C.
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
Cross–multiplying, we rewrite the equation as
y2dxdyy2dy Integrating both sides, we find∫y2dy31y3Setting x=0 and y=3, we find 3133=e0−02+C and hence C=8.31y3y=ex−2x=(ex−2x)dx.=∫(ex−2x)dx=ex−x2+C=ex−x2+8=(3ex−3x2+24)1/3
This is a separable differential equation that we
solve in the usual way.
dxdy−y3dy∫−y3dy−−2y−2y−2To have y=−41 when x=0, we must choose C to obey(−41)−216So, from (∗),y−2y2Now, we have two potential candidates for y(x):yWe know y=−41 when x=0. The only function above that fits this is y=−xy3=xdx=∫xdx=2x2+C=x2+2C.=0+2C=2C=x2+2C=x2+16=x2+161=x2+161ORy=−x2+161=−x2+161(∗)
Find the function y=y(x) that satisfies y(1)=4 and
dxdy=y15x2+4x+3
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이것은 변수분리형 미분방정식이며 일반적인 방법으로 푼다. 양변을 정리하여 변수를 분리하고 적분하면,
ydy∫ydy2y2x=1 과y=4 를대입하면242=5+2+3+C이므로C=−2 이다. 따라서2y2y2그러면y가될수있는함수는다음두가지이다:y=10x3+4x2+6x−4x=1 일때y=4 이다. 이것은첫번째식에만맞으므로y=(15x2+4x+3)dx=∫(15x2+4x+3)dx=5x3+2x2+3x+C.=5x3+2x2+3x−2=10x3+4x2+6x−4또는y=−10x3+4x2+6x−4=10x3+4x2+6x−4
원본 교재 풀이(영어)
This is a separable differential equation that we
solve in the usual way. Cross-multiplying and integrating,
ydy∫ydy2y2Plugging in x=1 and y=4 gives 242=5+2+3+C, and so C=−2. Therefore2y2y2This leaves us with two possible functions for y:y=10x3+4x2+6x−4When x=1, y=4. This only fits the first equation, soy=(15x2+4x+3)dx=∫(15x2+4x+3)dx=5x3+2x2+3x+C.=5x3+2x2+3x−2=10x3+4x2+6x−4ORy=−10x3+4x2+6x−4=10x3+4x2+6x−4
dxdyydy∫ydylog∣y∣∣y∣x=0 일때y=1 이라고주어져있다. 즉 1=e0eC이므로eC=1 이다. 즉C=0 이다.∣y∣따라서가능한함수는다음두가지가남는다:y=ex4/4첫째함수는항상양수이고, 둘째함수는항상음수이다. x=0 일때y=1 (양수)이므로다음을얻는다y=x3y=x3dx=∫x3dx=4x4+C=ex4/4+C=ex4/4eC=ex4/4또는y=−ex4/4=ex4/4
원본 교재 풀이(영어)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
dxdyydy∫ydylog∣y∣∣y∣We are told that y=1 when x=0. That is, 1=e0eC, so eC=1. That is, C=0.∣y∣This leaves us with two potential functions:y=ex4/4The first is always positive, and the second is always negative. Since y=1 (a positive number) when x=0, we seey=x3y=x3dx=∫x3dx=4x4+C=ex4/4+C=ex4/4eC=ex4/4ORy=−ex4/4=ex4/4
This is a separable differential equation, even if it doesn't quite look like it.
First move the y from the left hand side to the right hand side.
xdxdy+yxdxdyy(y−1)dyUsing the method of partial fractions, we see y(y−1)1=y−11−y1.(y−11−y1)dy∫(y−11−y1)dylog∣y−1∣−log∣y∣log∣y∣∣y−1∣To determine C we set x=1 and y=−1. log∣−1∣∣−2∣log2Returning to (∗),log∣y∣∣y−1∣logyy−1yy−1As y(1)=−1 is an initial condition, we have that x≥1 and ∣2x∣=2x. For x=1, we have y=−1. So at least for x near 1, we have y near −1, so that yy−1 is positive and we may drop the absolute value signs. There remains the possibility that y(x)y(x)−1 changes sign for some larger x>1. For now, we will simply ignore that possibility. At the end, we will explicitly check that the y(x) we come up with really does satisfy the differential equation xdxdy+y=y2 and the initial condition y(1)=−1.yy−1y−1y−2xyy(1−2x)y=y2=y2−y=y(y−1)=xdx=xdx=∫xdx=log∣x∣+C=log∣x∣+C=log∣1∣+C=C=log∣x∣+log2=log∣2x∣=∣2x∣=2x=2xy=1=1=1−2x1(∗)
As a check, we compute:
xdxdy+ySo, our differential equation is satisfied. Furthermore:y(1)=xdxd{1−2x1}+y=x(1−2x)22+1−2x1=(1−2x)22x+(1−2x)=(1−2x)21=y2=1−2×11=−1
as desired. This confirms that our solution is correct.
The unknown function f(x) satisfies an equation that involves the derivative of f. That means we're in differential equation territory.
Specifically,
we are told that y=f(x) obeys the separable differential equation
dxdy=xy.
dxdyydy∫ydylog∣y∣To determine C we set x=0 and y=e.loge1So, the solution is log∣y∣We are told that y=f(x)>0, so may drop the absolute value signs.logyy=xy=xdx=∫xdx=2x2+C=202+C=C=2x2+1=2x2+1=e1+21x2=e⋅ex2/2
dxdyydy부분분수분해를이용하면x(x+1)1=x1−x+11임을알수있다.ydy∫ydy2y2초기조건y(1)=2 를만족하려면C를다음이성립하도록택해야한다.2222C따라서,2y2y2문제에서y(1)=2 를초기조건으로주었으므로항상x≥1 이다. 그러면x+1x는양수이므로절댓값기호를없앨수있다.y2이제y(x)는위오른쪽변의양의제곱근또는음의제곱근, 두가지가가능하다. y(1)=2 가양수이므로양의제곱근을택해야한다.y(x)=(x2+x)y1=x(x+1)dx=(x1−x+11)dx=∫(x1−x+11)dx=log∣x∣−log∣x+1∣+C=logx+1x+C=log1+11+C=log21+C=2−log21=logx+1x+2−log21=2logx+1x+4−2log21=2logx+1x+4−2log21=2(logx+1x−log21+2)=4+2logx+12x
어떤 x>1 에서 y(x) 가 0 을 지나 부호가 바뀔 수도 있지 않을까 걱정할 수 있다. 그러나 미분방정식에 따르면 y>0 이고 x≥1 일 때마다 dxdy=(x2+x)y1 는 양수이다. 따라서 y>0 이고 x≥1 인 동안 y(x) 는 증가함수이다.
y(1)=2 이므로 모든 x≥1 에 대해 y(x)≥2 이다.
원본 교재 풀이(영어)
This is a separable differential equation.
dxdyydyUsing partial fractions decomposition, we find x(x+1)1=x1−x+11.ydy∫ydy2y2To satisfy the initial condition y(1)=2 we must choose C to obey2222CSo,2y2y2Note that the question specifies that y(1)=2 is an initial condition. So we always have x≥1. Then x+1x is positive, and we can drop the absolute values.y2This leaves two options for y(x): the positive or negative square root of the right hand side above. Since y(1)=2, which is positive, we must choose the positive square root.y(x)=(x2+x)y1=x(x+1)dx=(x1−x+11)dx=∫(x1−x+11)dx=log∣x∣−log∣x+1∣+C=logx+1x+C=log1+11+C=log21+C=2−log21=logx+1x+2−log21=2logx+1x+4−2log21=2logx+1x+4−2log21=2(logx+1x−log21+2)=4+2logx+12x
You might worry that y(x) could pass through zero, changing sign, at some
x>1. But the differential equation says that dxdy=(x2+x)y1
is positive whenever y>0 and x≥1. So y(x) is an increasing function whenever y>0 and x≥1.
As y(1)=2, we have y(x)≥2 for all x≥1.
tanx1+y2−4dxdyy[1+y2−4]dy∫y[1+y2−4]dyFor the integral on the left, we use the substitution u=y2−4, 21du=ydy.21∫(1+u)du21(u+32u3/2)21(y2−4+32(y2−4)3/2)y2+32(y2−4)3/2To find C we set x=0 and y=2.4+324−4342So,y2+32(y2−4)3/2=ysecx=secxtanxdx=∫secxtanxdx=secx+C=secx+C=secx+C=2secx+2C+4=2sec(0)+2C+4=2+2C+4=2C+4=2secx+2