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
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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 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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정답·풀이 보기
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!
어떤 호수의 물고기 개체 수가 시각 t=0 에 병에 걸렸고, 그 결과 시각 t≥0 에서의 개체 수 P(t) 가 다음을 만족시킨다.
dtdP=−kP
여기서 k 는 양의 상수이다. 처음에 호수에 물고기가 90,000마리 있었고 6주 후에 40,000마리가 남았다면, 물고기 개체 수가 10,000마리로 줄어드는 것은 언제인지 구하세요.
영어 원문 보기
The fish population in a lake is attacked by a disease at
time t=0, with the result that the size P(t) of the population at time
t≥0 satisfies
dtdP=−kP
where k is a positive constant. If there were initially 90,000 fish in
the lake and 40,000 were left after 6 weeks, when will the fish population
be reduced to 10,000?
k 를 구할 때 t 를 주 단위로 나타냈으므로, 12주 후에 개체 수가 10,000마리로 줄어든다.
원본 교재 풀이(영어)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
dtdPPdP∫PdP2PAt t=0, P=90,000 so 290,000CTherefore,2PNow, we find k. Let t be measured in weeks. Then when t=6, P=40,000.240,0002⋅200kSubstituting our value of k into (∗):2PTo find when the population will be 10,000, we set P=10,000 and solve for t.210,0002⋅1003100tt=−kP=−kdt=∫−kdt=−kt+C=−k×0+C=2×300=600=−kt+600=−6k+600=−6k+600=6200=3100=−3100t+600=−3100t+600=−3100t+600=400=12(∗)
Since we measured t in weeks when we found k, we see that in 12 weeks the population will decrease to 10,000 individuals.
질량이 m 인 물체를 시각
t=0 에 처음 속력 v0 으로 수직 위로 던져 올린다. 올라가는 동안 물체에 작용하는 힘은 중력(일정하다고 가정한다)과 물체의 속력 v(t) 의 제곱에 비례하는 공기 저항력뿐이다. 따라서 운동 미분방정식은 다음과 같다.
mdtdv=−(mg+kv2)
여기서 g 와 k 는 양의 상수이다. 물체는 언제 최고점에 도달하나요?
영어 원문 보기
An object of mass m is projected straight upward at time
t=0 with initial speed v0. While it is going up, the only forces acting
on it are gravity (assumed constant) and a drag force proportional to the
square of the object's speed v(t). It follows that the differential
equation of motion is
mdtdv=−(mg+kv2)
where g and k are positive constants. At what time does the object
reach its highest point?
정답·풀이 보기
주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 맞게 푼다.
mdtdvmg+kv2mdv∫mg+kv2mdv좌변의적분은아크탄젠트의부정적분과비슷해보인다. 분모에서mg를묶어내자.mg1∫1+mgkv2mdvg1∫1+(mgkv)21dv이제아크탄젠트의도함수와더욱비슷해보인다. 여기서부정적분을짐작하거나, 치환u=mgkv, du=mgkdv를이용할수있다.g1kmgarctan(mgkv)gkmarctan(mgkv)t=0 일때v=v0이므로: gkmarctan(mgkv0)C를(∗)에대입한다.gkmarctan(mgkv)최고점에서물체의속도는v=0 이다. 이는t가다음을만족할때일어난다:gkmarctan(mgk0)0t=−(mg+kv2)=−dt=∫−dt=−t+C=−t+C=−t+C=−t+C=C=gkmarctan(mgkv0)−t=gkmarctan(mgkv0)−t=gkmarctan(mgkv0)−t=gkmarctan(mgkv0)(∗)
원본 교재 풀이(영어)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
mdtdvmg+kv2mdv∫mg+kv2mdvThe left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let’s factor out that mg from the denominator.mg1∫1+mgkv2mdvg1∫1+(mgkv)21dvNow it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution u=mgkv, du=mgkdv.g1kmgarctan(mgkv)gkmarctan(mgkv)At t=0, v=v0, so: gkmarctan(mgkv0)Plug C into (∗).gkmarctan(mgkv) At its highest point, the object has velocity v=0. This happens when t obeys:gkmarctan(mgk0)0t=−(mg+kv2)=−dt=∫−dt=−t+C=−t+C=−t+C=−t+C=C=gkmarctan(mgkv0)−t=gkmarctan(mgkv0)−t=gkmarctan(mgkv0)−t=gkmarctan(mgkv0)(∗)
모터보트가 속도 40 ft/sec로 달리다가 시각 t=0 에 모터가 꺼진다. 그 후 물의 저항으로 인한 감속은 다음과 같이 주어진다.
dtdv=−kv2
여기서 k 는 양의 상수이다. 10초 후 보트의 속도는 20 ft/sec이다.
(a) k 의 값은 얼마인지 구하세요.
(b) 보트의 속도가 5 ft/sec가 되는 때는 언제인지 구하세요.
영어 원문 보기
A motor boat is traveling with a velocity of 40 ft/sec when
its motor shuts off at time t=0. Thereafter, its deceleration due to
water resistance is given by
dtdv=−kv2
where k is a positive constant. After 10 seconds, the boat's velocity
is 20 ft/sec.
(a) What is the value of k?
(b) When will the boat's velocity be 5 ft/sec?
(a)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
dtdv−v2dv∫−v2dvv1At t=0, v=40 so 401CTherefore,v(t)The constant of proportionality k is determined byv(10)2021400k+1k=−kv2=kdt=∫kdt=kt+C=k×0+C=401=kt+C1=kt+1/401=40kt+140=20=40k×10+140=400k+11=2=4001(∗)
(b)
Subbing in the value of k to (∗),
v(t)We want to know the value of t that gives v(t)=5.510t+1t=40kt+140=t/10+140=t/10+140=8=70 sec
유체 속에서 움직이는 물체의 처음 속도 v 는
400 m/min 이다. 속도는 속도의 제곱에 비례하는 비율로 감소한다. 1분 후의 속도는 200 m/min 이다.
(a) 시간을 t 라 할 때, 속도 v=v(t) 에 대한 미분방정식을 쓰세요.
(b) 이 미분방정식을 푸세요.
(c) 물체의 속도가 50 m/min 이 되는 때는 언제인지 구하세요.
영어 원문 보기
An object moving in a fluid has an initial velocity v
of 400 m/min. The velocity is decreasing at a rate proportional to the
square of the velocity. After 1 minute the velocity is 200 m/min.
(a) Give a differential equation for the velocity v=v(t) where
t is time.
(b) Solve this differential equation.
(c) When will the object be moving at 50 m/min?
정답·풀이 보기
(a) 시각 t 에서 속력의 변화율은 어떤 비례상수 k 에 대해 −kv(t)2 이다 (k 는 나중에 구하지만, 속력이 감소하므로 양수라고 가정한다). 따라서 v(t) 는 미분방정식 dtdv=−kv2 을 만족시킨다.
(b) 방정식 dtdv=−kv2 은 변수분리형 미분방정식이므로 다음과 같이 보통의 방법으로 풀 수 있다.
dtdv−v2dv∫−v2dvv1시각t=0 에서v=400 이므로C=4001이다. 그러면:v1시각t=1 에서v=200 이므로2001k따라서 (∗)에서,v1v=−kv2=kdt=∫kdt=kt+C=kt+4001=k+4001=4001=400t+4001=400t+1=t+1400(∗)
(c) 속력이 50이 되는 때를 구하려면, (b)에서 얻은 식에 v=50 을 대입하여 t 에 대해 푼다.
5050(t+1)t+1t=t+1400=400=8=7
원본 교재 풀이(영어)
(a) The rate of change of speed at time t is −kv(t)2 for
some constant of proportionality k (to be determined–but we assume it is positive, since the speed is decreasing). So v(t) obeys
the differential equation dtdv=−kv2 .
(b) The equation dtdv=−kv2 is a separable
differential equation, which we can solve in the usual way.
dtdv−v2dv∫−v2dvv1At time t=0, v=400, so C=4001. Then:v1At time t=1, v=200, so 2001kTherefore, from (∗),v1v=−kv2=kdt=∫kdt=kt+C=kt+4001=k+4001=4001=400t+4001=400t+1=t+1400(∗)
(c) To find when the speed is 50, we set v=50 in the equation from (b) and solve for t.