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8문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

라듐-221의 반감기는 30초이다. 처음 시료의 0.01%만 남기까지 얼마의 시간이 걸리는지 구하세요.

영어 원문 보기

Radium-221 has a half-life of 30 seconds. How long does it take for only 0.01% of an original sample to be left?

정답·풀이 보기

시료에 들어 있는 라듐-221의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Ce−kt여기서 C 는 시각 t=0 에서 시료의 양이고, k 는 어떤 양의 상수이다. 이 동위원소의 반감기를 알고 있으므로 e−k 를 구할 수 있다:C2=Q(30)=Ce−k⋅3012=(e−k)302−130=e−k따라서,Q(t)=C(e−k)t=C⋅2−t30처음 시료의 0.01% 만 남았을 때 Q(t)=0.0001C 이므로:0.0001C=Q(t)=C⋅2−t300.0001=2−t30log⁡(0.0001)=log⁡(2−t30)log⁡(10−4)=−t30log⁡2−4log⁡10=−t30log⁡2t=120⋅log⁡10log⁡2≈398.6\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{여기서 $C$ 는 시각 $t=0$ 에서 시료의 양이고, $k$ 는 어떤 양의 상수이다. 이 동위원소의 반감기를 알고 있으므로 $e^{-k}$ 를 구할 수 있다:} \\ \frac{C}{2}=Q(30)&=Ce^{-k\cdot 30}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{30}\\ 2^{-\tfrac{1}{30}}&=e^{-k} \\ \text{따라서,} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t=C\cdot2^{-\tfrac{t}{30}} \\ \text{처음 시료의 0.01\% 만 남았을 때 $Q(t)=0.0001C$ 이므로:} \\ 0.0001C=Q(t)&=C\cdot 2^{-\tfrac{t}{30}}\\ 0.0001&=2^{-\tfrac{t}{30}}\\ \log(0.0001)&=\log\left(2^{-\tfrac{t}{30}}\right)\\ \log\left(10^{-4}\right)&=-\frac{t}{30}\log2\\ -4\log 10&=-\frac{t}{30}\log2\\ t&=120\cdot\frac{\log10}{\log2}\approx 398.6 \end{aligned}

시료의 0.010.01%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: (12)13≈0.00012=0.012%\left(\tfrac{1}{2}\right)^{13}\approx 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)=Ce−ktwhere 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:C2=Q(30)=Ce−k⋅3012=(e−k)302−130=e−kSo,Q(t)=C(e−k)t=C⋅2−t30When only 0.01% of the original sample is left, Q(t)=0.0001C:0.0001C=Q(t)=C⋅2−t300.0001=2−t30log⁡(0.0001)=log⁡(2−t30)log⁡(10−4)=−t30log⁡2−4log⁡10=−t30log⁡2t=120⋅log⁡10log⁡2≈398.6\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{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 $e^{-k}$:} \\ \frac{C}{2}=Q(30)&=Ce^{-k\cdot 30}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{30}\\ 2^{-\tfrac{1}{30}}&=e^{-k} \\ \text{So,} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t=C\cdot2^{-\tfrac{t}{30}} \\ \text{When only 0.01\% of the original sample is left, $Q(t)=0.0001C$:} \\ 0.0001C=Q(t)&=C\cdot 2^{-\tfrac{t}{30}}\\ 0.0001&=2^{-\tfrac{t}{30}}\\ \log(0.0001)&=\log\left(2^{-\tfrac{t}{30}}\right)\\ \log\left(10^{-4}\right)&=-\frac{t}{30}\log2\\ -4\log 10&=-\frac{t}{30}\log2\\ t&=120\cdot\frac{\log10}{\log2}\approx 398.6 \end{aligned}

It takes about 398.6 seconds (that is, roughly 6 and a half minutes) for all but 0.010.01% 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: (12)13≈0.00012=0.012%\left(\tfrac{1}{2}\right)^{13}\approx 0.00012=0.012\%. So these 13 half-lives should reduce the sample to about 0.01% of its original amount, as desired.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 7번
# 지수적 증가와 감소활용보통자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

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 tt년 후의 개체 수는 어떤 상수 bb 에 대해 P(t)=121ebtP(t)=121e^{bt} 로 주어진다. 이는 121=P(0)121=P(0), 즉 2015년으로부터 0년 후의 개체 수이기 때문이다. 2016년에 관한 정보로부터

136=P(1)=121eb136121=eb이로부터 P(t) 를 더 구체적으로 알 수 있다:P(t)=121ebt=121(136121)t2020년은 2015년으로부터 5년 후이므로, 2020년의 개체 수는 (개체 수가 계속 맬서스 모형에 따라 증가한다고 가정하면)P(5)=121(136121)5≈217\begin{aligned} 136=P(1)&=121e^{b}\\ \frac{136}{121}&=e^b \\ \text{이로부터 $P(t)$ 를 더 구체적으로 알 수 있다:} \\ P(t)&=121e^{bt}=121\left(\frac{136}{121}\right)^t \\ \text{2020년은 2015년으로부터 5년 후이므로, 2020년의 개체 수는 (개체 수가 계속 맬서스 모형에 따라 증가한다고 가정하면)} \\ P(5)&=121\left(\frac{136}{121}\right)^5\approx217 \end{aligned}

2020년에 맬서스 모형은 이 무리가 217마리가 될 것으로 예측한다.

원본 교재 풀이(영어)

The assumption that the animals grow according to the Malthusian model tells us that their population tt years after 2015 is given by P(t)=121ebtP(t)=121e^{bt} for some constant bb, since 121=P(0)121=P(0), the population 0 years after 2015. The information about 2016 tells us

136=P(1)=121eb136121=ebThis gives us a better idea of P(t):P(t)=121ebt=121(136121)t2020 is 5 years after 2015, so in 2020 (assuming the population keeps growing according to the Malthusian model) the population will beP(5)=121(136121)5≈217\begin{aligned} 136=P(1)&=121e^{b}\\ \frac{136}{121}&=e^b \\ \text{This gives us a better idea of $P(t)$:} \\ P(t)&=121e^{bt}=121\left(\frac{136}{121}\right)^t \\ \text{2020 is 5 years after 2015, so in 2020 (assuming the population keeps growing according to the Malthusian model) the population will be} \\ P(5)&=121\left(\frac{136}{121}\right)^5\approx217 \end{aligned}

In 2020, the Malthusian model predicts the herd will number 217 individuals.

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

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 tt시간 후의 세균 수는 어떤 상수 bb 에 대해 P(t)=1000ebtP(t)=1000e^{bt} 이다. P(1)=2000P(1)=2000 이므로

2000=P(1)=1000eb2=eb따라서 시각 t 에서의 개체 수는P(t)=1000⋅2t개체 수가 3,000마리로 세 배가 되는 시각을 구하려 한다.3000=1000⋅2t3=2tlog⁡(3)=log⁡(2t)=tlog⁡(2)t=log⁡(3)log⁡(2)≈1.6\begin{aligned} 2000=P(1)&=1000e^{b}\\ 2&=e^b \\ \text{따라서 시각 $t$ 에서의 개체 수는} \\ P(t)&=1000\cdot 2^t \\ \text{개체 수가 3,000마리로 세 배가 되는 시각을 구하려 한다.} \\ 3000&=1000\cdot 2^t\\ 3&=2^t\\ \log(3)&=\log\left(2^t\right)=t\log(2)\\ t&=\frac{\log(3)}{\log(2)}\approx 1.6 \end{aligned}

개체 수는 약 1.6시간 후에 세 배가 된다. 세 배가 되는 데 걸리는 시간은 상수 bb 에만 의존함에 주목하자. 특히 처음 조건 P(0)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 tt hours after being placed in the dish will be P(t)=1000ebtP(t)=1000e^{bt} for some constant bb. Since P(1)=2000P(1)=2000,

2000=P(1)=1000eb2=ebSo, the population at time t isP(t)=1000⋅2tWe want to know at what time the population triples, to 3,000 individuals.3000=1000⋅2t3=2tlog⁡(3)=log⁡(2t)=tlog⁡(2)t=log⁡(3)log⁡(2)≈1.6\begin{aligned} 2000=P(1)&=1000e^{b}\\ 2&=e^b \\ \text{So, the population at time $t$ is} \\ P(t)&=1000\cdot 2^t \\ \text{We want to know at what time the population triples, to 3,000 individuals.} \\ 3000&=1000\cdot 2^t\\ 3&=2^t\\ \log(3)&=\log\left(2^t\right)=t\log(2)\\ t&=\frac{\log(3)}{\log(2)}\approx 1.6 \end{aligned}

The population triples in about 1.6 hours. Note that the tripling time depends only on the constant bb. In particular, it does not depend on the initial condition P(0)P(0).

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

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)P(0) 마리의 코치닐로 시작하여 1년 후에 1 000 000+P(0)1\,000\,000+P(0) 마리가 되게 하는 것이다. 그러면 100만 마리는 수확하고, P(0)P(0) 마리는 남겨 두어 다시 번식을 시작할 수 있다. 맬서스 모형에 따르면 처음 개체 수 P(0)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)P(0) cochineals, and after a year have 1 000 000+P(0)1\,000\,000+P(0) cochineals, so that one million can be harvested, and P(0)P(0) saved to start breeding again. What initial population P(0)P(0) does the Malthusian model suggest?

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맬서스 모형에 따르면, P(0)P(0) 마리의 코치닐로 시작할 때 3개월 후의 개체 수는 다음과 같다.

P(t)=P(0)ebt어떤 상수 b 에 대해. 상수 b 는 단위 시간당 개체 한 마리가 만드는 순출생률이다. 더 큰 집단의 순출생률도 시험용 집단과 같다고 가정하면, 시험 자료를 이용하여 eb 를 구할 수 있다. Q(t) 를 시각 t 에서 시험용 집단의 개체 수라고 하자.Q(t)=Q(0)ebt=200ebt1000=Q(3)=200e3b5=e3beb=51/3이제 출생률을 알았으므로 다음과 같이 예측한다.P(t)=P(0)(eb)t=P(0)⋅5t3P(12)=106+P(0) 이어야 한다.106+P(0)=P(12)=P(0)⋅5123=P(0)⋅54106=P(0)⋅54−P(0)=P(0)[54−1]P(0)=10654−1≈1603\begin{aligned} P(t)&=P(0)e^{bt} \\ \text{어떤 상수 $b$ 에 대해. 상수 $b$ 는 단위 시간당 개체 한 마리가 만드는 순출생률이다. 더 큰 집단의 순출생률도 시험용 집단과 같다고 가정하면, 시험 자료를 이용하여 $e^b$ 를 구할 수 있다. $Q(t)$ 를 시각 $t$ 에서 시험용 집단의 개체 수라고 하자.} \\ Q(t)&=Q(0)e^{bt}=200e^{bt}\\ 1000&=Q(3)=200e^{3b}\\ 5&=e^{3b}\\ e^b&=5^{1/3} \\ \text{이제 출생률을 알았으므로 다음과 같이 예측한다.} \\ P(t)&=P(0)\left(e^{b}\right)^t=P(0)\cdot5^{\tfrac{t}{3}} \\ \text{$P(12)=10^6+P(0)$ 이어야 한다.} \\ 10^6+P(0)=P(12)&=P(0)\cdot 5^{\tfrac{12}{3}}=P(0)\cdot 5^4\\ 10^6&=P(0)\cdot 5^4-P(0)=P(0)\left[5^4-1\right]\\ P(0)&=\frac{10^6}{5^4-1}\approx 1603 \end{aligned}

농부는 처음 개체 수를 (적어도) 약 1603 마리로 해야 한다.

참고: 다음 해의 번식을 위해 P(0)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)P(0) cochineals, their population after 3 months will be

P(t)=P(0)ebtfor 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)=Q(0)ebt=200ebt1000=Q(3)=200e3b5=e3beb=51/3Now that we have an idea of the birthrate, we predictP(t)=P(0)(eb)t=P(0)⋅5t3We want P(12)=106+P(0).106+P(0)=P(12)=P(0)⋅5123=P(0)⋅54106=P(0)⋅54−P(0)=P(0)[54−1]P(0)=10654−1≈1603\begin{aligned} P(t)&=P(0)e^{bt} \\ \text{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 $e^b$. Let $Q(t)$ be the number of individuals in the test population at time $t$.} \\ Q(t)&=Q(0)e^{bt}=200e^{bt}\\ 1000&=Q(3)=200e^{3b}\\ 5&=e^{3b}\\ e^b&=5^{1/3} \\ \text{Now that we have an idea of the birthrate, we predict} \\ P(t)&=P(0)\left(e^{b}\right)^t=P(0)\cdot5^{\tfrac{t}{3}} \\ \text{We want $P(12)=10^6+P(0)$.} \\ 10^6+P(0)=P(12)&=P(0)\cdot 5^{\tfrac{12}{3}}=P(0)\cdot 5^4\\ 10^6&=P(0)\cdot 5^4-P(0)=P(0)\left[5^4-1\right]\\ P(0)&=\frac{10^6}{5^4-1}\approx 1603 \end{aligned}

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)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!

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 4번
# 지수적 증가와 감소활용보통자동 분류
5.CLP-2 · 2.4절 · 23번대학 수준우리말 번역

어떤 호수의 물고기 개체 수가 시각 t=0t=0 에 병에 걸렸고, 그 결과 시각 t≥0t\ge 0 에서의 개체 수 P(t)P(t) 가 다음을 만족시킨다.

dPdt=−kP\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}=-k\sqrt{P} \end{aligned}

여기서 kk 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=0t=0, with the result that the size P(t)P(t) of the population at time t≥0t\ge 0 satisfies

dPdt=−kP\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}=-k\sqrt{P} \end{aligned}

where kk 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?

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주
정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dPdt=−kPdPP=−k dt∫dPP=∫−k dt2P=−kt+Ct=0 일 때 P=90,000 이므로 290,000=−k×0+CC=2×300=600따라서2P=−kt+600이제 k 를 구한다. t 를 주 단위로 나타내자. 그러면 t=6 일 때 P=40,000 이다.240,000=−6k+6002⋅200=−6k+600k=2006=1003구한 k 의 값을 (∗)에 대입하면2P=−1003t+600개체 수가 10,000이 되는 때를 구하기 위해 P=10,000 을 대입하고 t 에 대해 푼다.210,000=−1003t+6002⋅100=−1003t+6001003t=400t=12(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}&=-k\sqrt{P}\\ \frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=-k\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=\int-k\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{P}&=-kt+C \\ \text{$t=0$ 일 때 $P=90,000$ 이므로 } \\ 2\sqrt{90,000}&=-k\times 0+C\\ C&=2\times 300=600 \\ \text{따라서} \\ 2\sqrt{P}&=-kt+600\tag{$*$} \\ \text{이제 $k$ 를 구한다. $t$ 를 주 단위로 나타내자. 그러면 $t=6$ 일 때 $P=40,000$ 이다.} \\ 2\sqrt{40,000}&=-6k+600\\ 2\cdot 200&=-6k+600\\ k&=\frac{200}{6} = \frac{100}{3} \\ \text{구한 $k$ 의 값을 ($*$)에 대입하면} \\ 2\sqrt{P}&=-\frac{100}{3}t+600 \\ \text{개체 수가 10,000이 되는 때를 구하기 위해 $P=10,000$ 을 대입하고 $t$ 에 대해 푼다.} \\ 2\sqrt{10,000}&=-\frac{100}{3}t+600\\ 2\cdot 100&=-\frac{100}{3}t+600\\ \frac{100}{3}t&=400\\ t&=12 \end{aligned}

kk 를 구할 때 tt 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.

dPdt=−kPdPP=−k dt∫dPP=∫−k dt2P=−kt+CAt t=0, P=90,000 so 290,000=−k×0+CC=2×300=600Therefore,2P=−kt+600Now, we find k. Let t be measured in weeks. Then when t=6, P=40,000.240,000=−6k+6002⋅200=−6k+600k=2006=1003Substituting our value of k into (∗):2P=−1003t+600To find when the population will be 10,000, we set P=10,000 and solve for t.210,000=−1003t+6002⋅100=−1003t+6001003t=400t=12(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}&=-k\sqrt{P}\\ \frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=-k\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=\int-k\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{P}&=-kt+C \\ \text{At $t=0$, $P=90,000$ so } \\ 2\sqrt{90,000}&=-k\times 0+C\\ C&=2\times 300=600 \\ \text{Therefore,} \\ 2\sqrt{P}&=-kt+600\tag{$*$} \\ \text{Now, we find $k$. Let $t$ be measured in weeks. Then when $t=6$, $P=40,000$.} \\ 2\sqrt{40,000}&=-6k+600\\ 2\cdot 200&=-6k+600\\ k&=\frac{200}{6} = \frac{100}{3} \\ \text{Substituting our value of $k$ into ($*$):} \\ 2\sqrt{P}&=-\frac{100}{3}t+600 \\ \text{To find when the population will be 10,000, we set $P=10,000$ and solve for $t$.} \\ 2\sqrt{10,000}&=-\frac{100}{3}t+600\\ 2\cdot 100&=-\frac{100}{3}t+600\\ \frac{100}{3}t&=400\\ t&=12 \end{aligned}

Since we measured tt in weeks when we found kk, we see that in 12 weeks the population will decrease to 10,000 individuals.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 22번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 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 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 mm 인 물체를 시각 t=0t=0 에 처음 속력 v0v_0 으로 수직 위로 던져 올린다. 올라가는 동안 물체에 작용하는 힘은 중력(일정하다고 가정한다)과 물체의 속력 v(t)v(t) 의 제곱에 비례하는 공기 저항력뿐이다. 따라서 운동 미분방정식은 다음과 같다.

mdvdt=−(mg+kv2)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-(mg+kv^2) \end{aligned}

여기서 gg 와 kk 는 양의 상수이다. 물체는 언제 최고점에 도달하나요?

영어 원문 보기

An object of mass mm is projected straight upward at time t=0t=0 with initial speed v0v_0. 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)v(t). It follows that the differential equation of motion is

mdvdt=−(mg+kv2)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-(mg+kv^2) \end{aligned}

where gg and kk are positive constants. At what time does the object reach its highest point?

정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 맞게 푼다.

mdvdt=−(mg+kv2)mmg+kv2 dv=−dt∫mmg+kv2 dv=∫−dt좌변의 적분은 아크탄젠트의 부정적분과 비슷해 보인다. 분모에서 mg 를 묶어 내자.1mg∫m1+kmgv2 dv=−t+C1g∫11+(kmgv)2 dv=−t+C이제 아크탄젠트의 도함수와 더욱 비슷해 보인다. 여기서 부정적분을 짐작하거나, 치환 u=kmgv, du=kmg dv 를 이용할 수 있다.1gmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Cmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Ct=0 일 때 v=v0 이므로: mgkarctan⁡(kmgv0)=CC 를 (∗) 에 대입한다.mgkarctan⁡(kmgv)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t 최고점에서 물체의 속도는 v=0 이다. 이는 t 가 다음을 만족할 때 일어난다:mgkarctan⁡(kmg0)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t0=mgkarctan⁡(kmgv0)−tt=mgkarctan⁡(kmgv0)(∗)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-(mg+kv^2)\\ \frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=-\mathrm{d}t\\ \int\frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=\int-\mathrm{d}t \\ \text{좌변의 적분은 아크탄젠트의 부정적분과 비슷해 보인다. 분모에서 $mg$ 를 묶어 내자.} \\ \frac{1}{mg}\int\frac{m}{1+\frac{k}{mg}v^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C\\ \frac{1}{g}\int\frac{1}{1+\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C \\ \text{이제 아크탄젠트의 도함수와 더욱 비슷해 보인다. 여기서 부정적분을 짐작하거나, 치환 $u=\sqrt{\frac{k}{mg}}v$, $\mathrm{d}u=\sqrt{\frac{k}{mg}}\,\mathrm{d}v$ 를 이용할 수 있다.} \\ \frac{1}{g}\sqrt{\frac{mg}{k}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\tag{$*$} \\ \text{$t=0$ 일 때 $v=v_0$ 이므로: } \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)&=C \\ \text{$C$ 를 $(*)$ 에 대입한다.} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t \\ \text{ 최고점에서 물체의 속도는 $v=0$ 이다. 이는 $t$ 가 다음을 만족할 때 일어난다:} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}0\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ 0&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ t&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

mdvdt=−(mg+kv2)mmg+kv2 dv=−dt∫mmg+kv2 dv=∫−dtThe left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let’s factor out that mg from the denominator.1mg∫m1+kmgv2 dv=−t+C1g∫11+(kmgv)2 dv=−t+CNow it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution u=kmgv, du=kmg dv.1gmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Cmgkarctan⁡(kmgv)=−t+CAt t=0, v=v0, so: mgkarctan⁡(kmgv0)=CPlug C into (∗).mgkarctan⁡(kmgv)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t At its highest point, the object has velocity v=0. This happens when t obeys:mgkarctan⁡(kmg0)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t0=mgkarctan⁡(kmgv0)−tt=mgkarctan⁡(kmgv0)(∗)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-(mg+kv^2)\\ \frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=-\mathrm{d}t\\ \int\frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=\int-\mathrm{d}t \\ \text{The left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let's factor out that $mg$ from the denominator.} \\ \frac{1}{mg}\int\frac{m}{1+\frac{k}{mg}v^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C\\ \frac{1}{g}\int\frac{1}{1+\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C \\ \text{Now it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution $u=\sqrt{\frac{k}{mg}}v$, $\mathrm{d}u=\sqrt{\frac{k}{mg}}\,\mathrm{d}v$.} \\ \frac{1}{g}\sqrt{\frac{mg}{k}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\tag{$*$} \\ \text{At $t=0$, $v=v_0$, so: } \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)&=C \\ \text{Plug $C$ into $(*)$.} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t \\ \text{ At its highest point, the object has velocity $v=0$. This happens when $t$ obeys:} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}0\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ 0&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ t&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 23번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 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 · 25번대학 수준우리말 번역

모터보트가 속도 40 ft/sec로 달리다가 시각 t=0t=0 에 모터가 꺼진다. 그 후 물의 저항으로 인한 감속은 다음과 같이 주어진다.

dvdt=−k v2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-k\,v^2 \end{aligned}

여기서 kk 는 양의 상수이다. 10초 후 보트의 속도는 20 ft/sec이다.

(a) kk 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=0t=0. Thereafter, its deceleration due to water resistance is given by

dvdt=−k v2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-k\,v^2 \end{aligned}

where kk is a positive constant. After 10 seconds, the boat's velocity is 20 ft/sec.

(a) What is the value of kk? (b) When will the boat's velocity be 5 ft/sec?

답 쓰고 채점
(a)
(b)
초
정답·풀이 보기

(a) 주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dvdt=−k v2−dvv2=k dt∫−dvv2=∫k dt1v=kt+Ct=0 일 때 v=40 이므로 140=k×0+CC=140따라서,v(t)=1kt+C=1kt+1/40=4040kt+1비례상수 k 는 다음 조건으로 정해진다.v(10)=2020=4040k×10+112=1400k+1400k+1=2k=1400(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-k\,v^2\\ -\frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=k\,\mathrm{d}t\\ \int- \frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=\int k\,\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{$t=0$ 일 때 $v=40$ 이므로 } \\ \frac{1}{40}&=k\times 0+ C\\ C&=\frac{1}{40} \\ \text{따라서,} \\ v(t)&=\frac{1}{kt+C}=\frac{1}{kt+1/40}=\frac{40}{40kt+1}\tag{$*$} \\ \text{비례상수 $k$ 는 다음 조건으로 정해진다.} \\ v(10)&=20\\ 20&=\frac{40}{40k\times 10+1}\\ \frac{1}{2}&=\frac{1}{400k+1}\\ 400k+1&=2 \\ k&=\frac{1}{400} \end{aligned}

(b) kk 의 값을 (∗)(*) 에 대입하면,

v(t)=4040kt+1=40t/10+1v(t)=5 가 되는 t 의 값을 구하려 한다.5=40t/10+1t10+1=8t=70 sec\begin{aligned} v(t)&=\frac{40}{40kt+1}=\frac{40}{t/10+1}\\ \\ \text{$v(t)=5$ 가 되는 $t$ 의 값을 구하려 한다.} \\ 5&=\frac{40}{t/10+1}\\ \frac{t}{10}+1&=8 \\ t&=70\text{ sec} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dvdt=−k v2−dvv2=k dt∫−dvv2=∫k dt1v=kt+CAt t=0, v=40 so 140=k×0+CC=140Therefore,v(t)=1kt+C=1kt+1/40=4040kt+1The constant of proportionality k is determined byv(10)=2020=4040k×10+112=1400k+1400k+1=2k=1400(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-k\,v^2\\ -\frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=k\,\mathrm{d}t\\ \int- \frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=\int k\,\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{At $t=0$, $v=40$ so } \\ \frac{1}{40}&=k\times 0+ C\\ C&=\frac{1}{40} \\ \text{Therefore,} \\ v(t)&=\frac{1}{kt+C}=\frac{1}{kt+1/40}=\frac{40}{40kt+1}\tag{$*$} \\ \text{The constant of proportionality $k$ is determined by} \\ v(10)&=20\\ 20&=\frac{40}{40k\times 10+1}\\ \frac{1}{2}&=\frac{1}{400k+1}\\ 400k+1&=2 \\ k&=\frac{1}{400} \end{aligned}

(b) Subbing in the value of kk to (∗)(*),

v(t)=4040kt+1=40t/10+1We want to know the value of t that gives v(t)=5.5=40t/10+1t10+1=8t=70 sec\begin{aligned} v(t)&=\frac{40}{40kt+1}=\frac{40}{t/10+1}\\ \\ \text{We want to know the value of $t$ that gives $v(t)=5$.} \\ 5&=\frac{40}{t/10+1}\\ \frac{t}{10}+1&=8 \\ t&=70\text{ sec} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 24번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 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 · 28번대학 수준우리말 번역

유체 속에서 움직이는 물체의 처음 속도 vv 는 400 m/min 이다. 속도는 속도의 제곱에 비례하는 비율로 감소한다. 1분 후의 속도는 200 m/min 이다.

(a) 시간을 tt 라 할 때, 속도 v=v(t)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 vv 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)v=v(t) where tt is time. (b) Solve this differential equation. (c) When will the object be moving at 50 m/min?

정답·풀이 보기

(a) 시각 tt 에서 속력의 변화율은 어떤 비례상수 kk 에 대해 −kv(t)2-kv(t)^2 이다 (kk 는 나중에 구하지만, 속력이 감소하므로 양수라고 가정한다). 따라서 v(t)v(t) 는 미분방정식 dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 을 만족시킨다. (b) 방정식 dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 은 변수분리형 미분방정식이므로 다음과 같이 보통의 방법으로 풀 수 있다.

dvdt=−kv2dv−v2=kdt∫−dvv2=∫kdt1v=kt+C시각 t=0 에서 v=400 이므로 C=1400 이다. 그러면:1v=kt+1400시각 t=1 에서 v=200 이므로 1200=k+1400k=1400따라서 (∗)에서,1v=t400+1400=t+1400v=400t+1(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-kv^2\\ \frac{\mathrm{d}v}{-v^2}&=k\mathrm{d}t\\ \int -\frac{\mathrm{d}v}{v^2} &=\int k\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{시각 $t=0$ 에서 $v=400$ 이므로 $C=\frac{1}{400}$ 이다. 그러면:} \\ \frac{1}{v}&=kt+\frac{1}{400}\tag{$*$} \\ \text{시각 $t=1$ 에서 $v=200$ 이므로 } \\ \frac{1}{200}&=k+\frac{1}{400}\\ k&=\frac{1}{400} \\ \text{따라서 ($*$)에서,} \\ \frac{1}{v}&=\frac{t}{400}+\frac{1}{400} = \frac{t+1}{400}\\ v&=\frac{400}{t+1} \end{aligned} (c) 속력이 50이 되는 때를 구하려면, (b)에서 얻은 식에 v=50v=50 을 대입하여 tt 에 대해 푼다.

50=400t+150(t+1)=400t+1=8t=7\begin{aligned} 50&=\frac{400}{t+1}\\ 50(t+1)&=400\\ t+1&=8\\ t&=7 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The rate of change of speed at time tt is −kv(t)2-kv(t)^2 for some constant of proportionality kk (to be determined–but we assume it is positive, since the speed is decreasing). So v(t)v(t) obeys the differential equation dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 . (b) The equation dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 is a separable differential equation, which we can solve in the usual way.

dvdt=−kv2dv−v2=kdt∫−dvv2=∫kdt1v=kt+CAt time t=0, v=400, so C=1400. Then:1v=kt+1400At time t=1, v=200, so 1200=k+1400k=1400Therefore, from (∗),1v=t400+1400=t+1400v=400t+1(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-kv^2\\ \frac{\mathrm{d}v}{-v^2}&=k\mathrm{d}t\\ \int -\frac{\mathrm{d}v}{v^2} &=\int k\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{At time $t=0$, $v=400$, so $C=\frac{1}{400}$. Then:} \\ \frac{1}{v}&=kt+\frac{1}{400}\tag{$*$} \\ \text{At time $t=1$, $v=200$, so } \\ \frac{1}{200}&=k+\frac{1}{400}\\ k&=\frac{1}{400} \\ \text{Therefore, from ($*$),} \\ \frac{1}{v}&=\frac{t}{400}+\frac{1}{400} = \frac{t+1}{400}\\ v&=\frac{400}{t+1} \end{aligned} (c) To find when the speed is 50, we set v=50v=50 in the equation from (b) and solve for tt.

50=400t+150(t+1)=400t+1=8t=7\begin{aligned} 50&=\frac{400}{t+1}\\ 50(t+1)&=400\\ t+1&=8\\ t&=7 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 16번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)