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10문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

폴로늄-210의 반감기는 138일입니다. 폴로늄-210 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Polonium-210 has a half life of 138 days. What percentage of a sample of Polonium-210 decays in a day?

정답·풀이 보기

tt일 후 시료에 남아 있는 폴로늄-210의 양은 다음과 같이 주어진다는 것을 알고 있다.

Q(t)=Ce−kt여기서 C 는 시료의 처음 양이고, k 는 어떤 양의 상수이다.문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. t 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 Q(t)−Q(t+1) 이다. 이 양이 Q(t) 에서 차지하는 퍼센트는 100Q(t)−Q(t+1)Q(t) 이다. (예를 들어 시각 t 에 2 그램이 있었고 시각 t+1 에 1 그램이 있었다면 1002−11=50 이므로, 시료의 50% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)식을 간단히 하기 위해 Q(t) 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138이제 Q(t) 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{여기서 $C$ 는 시료의 처음 양이고, $k$ 는 어떤 양의 상수이다.} \\ \\ \text{문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. $t$ 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 $Q(t)-Q(t+1)$ 이다. 이 양이 $Q(t)$ 에서 차지하는 퍼센트는 $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$ 이다. (예를 들어 시각 $t$ 에 2 그램이 있었고 시각 $t+1$ 에 1 그램이 있었다면 $100\dfrac{2-1}{1}=50$ 이므로, 시료의 50\% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)} \\ \\ \text{식을 간단히 하기 위해 $Q(t)$ 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{이제 $Q(t)$ 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

시료의 약 0.5%가 하루 동안 붕괴한다.

참고: 시료의 0.5퍼센트가 하루 동안 붕괴한다고 할 때, 이것은 처음 시료의 0.5퍼센트를 뜻하는 것이 아니다. 어떤 날이 시작될 때 시료가 1 마이크로그램이라면, 그 후 24시간 동안 붕괴하는 양은 (어떤 시각 t=0t=0 에 "처음" 시료가 얼마였든 상관없이) 그 1 마이크로그램의 약 0.5퍼센트이다.

특히 시료가 점점 작아지므로, 매일 붕괴하는 0.5퍼센트는 실제로 붕괴하는 원자의 수가 점점 줄어든다는 것을 뜻한다. 그래서 매일 0.5%가 붕괴하고 100×0.5=50100\times 0.5 = 50 이라고 해서, 약 100일 후에 시료의 절반(50%)이 붕괴한다고 말할 수는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

We know that the amount of Polonium-210 in a sample after tt days is given by

Q(t)=Ce−ktwhere C is the original amount of the sample, and k is some positive constant.The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since t is measured in days, the amount that decays in a day is Q(t)−Q(t+1). The percentage of Q(t) that this represents is 100Q(t)−Q(t+1)Q(t). (For example, if there were two grams at time t, and one gram at time t+1, then 1002−11=50: 50% of the sample decayed in a day.)In order to simplify, we should figure out a better expression for Q(t). As usual, we make use of the half-life.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138Now, we have a better formula for Q(t):Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{where $C$ is the original amount of the sample, and $k$ is some positive constant.} \\ \\ \text{The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since $t$ is measured in days, the amount that decays in a day is $Q(t)-Q(t+1)$. The percentage of $Q(t)$ that this represents is $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$. (For example, if there were two grams at time $t$, and one gram at time $t+1$, then $100\dfrac{2-1}{1}=50$: 50\% of the sample decayed in a day.)} \\ \\ \text{In order to simplify, we should figure out a better expression for $Q(t)$. As usual, we make use of the half-life.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{Now, we have a better formula for $Q(t)$:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

About 0.5% of the sample decays in a day.

Remark: when we say that half a percent of the sample decays in a day, we don't mean half a percent of the original sample. If a day starts out with, say, 1 microgram, then what decays in the next 24 hours is about half a percent of that 1 microgram, regardless of what the “original" sample (at some time t=0t=0) held.

In particular, since the sample is getting smaller and smaller, that half of a percent that decays every day represents fewer and fewer actual atoms decaying. That's why we can't say that half of the sample (50%) will decay after about 100 days, even though 0.5% decays every day and 100×0.5=50100\times 0.5 = 50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 11번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

광석 시료에 우라늄-232가 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug 들어 있다고 한다. 우라늄-232의 반감기는 68.8년에서 70년 사이이다. 10년 후 이 시료에 붕괴하지 않고 남아 있는 우라늄-232의 양은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A sample of ore is found to contain 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug of Uranium-232, the half-life of which is between 68.8 and 70 years. How much Uranium-232 will remain undecayed in the sample in 10 years?

정답·풀이 보기

시간 tt 에서 광석 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt단, 6.9≤Q(0)≤7.5 이다. Q(0) 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 Q(10) 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 Q(10) 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 Q(0)=7.5, Q(70)=12(7.5) 로 놓는다.Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−k따라서 이 경우,Q(t)=7.5⋅2−t7010년 후,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79따라서 10년 후 시료에는 많아야 6.8 μg 이 들어 있다.이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 Q(0)=6.9 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−k이 경우,Q(t)=6.9⋅2−t68.810년 후,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24따라서 10년 후 시료에는 적어도 6.2 μg 이 들어 있다.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{단, $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$ 이다. $Q(0)$ 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 $Q(10)$ 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 $Q(10)$ 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.} \\ \\ \text{10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 $Q(0)=7.5$, $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$ 로 놓는다.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{따라서 이 경우,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{많아야} 6.8 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \\ \text{이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 $Q(0)=6.9$ 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{이 경우,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{적어도} 6.2 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \end{aligned}

10년 후 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 6.2에서 6.8 μ\mug 사이이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Uranium-232 in the sample of ore at time tt will be

Q(t)=Q(0)e−ktwhere 6.9≤Q(0)≤7.5. We don’t exactly know Q(0), and we don’t exactly know the half-life, so we also won’t exactly know Q(10): we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of Q(10), given the information in the problem.In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take Q(0)=7.5 and Q(70)=12(7.5).Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−kSo, in this secenario,Q(t)=7.5⋅2−t70After ten years,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79So after ten years, the sample contains at most 6.8 μg.Now, let’s think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take Q(0)=6.9, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−kIn this scenario,Q(t)=6.9⋅2−t68.8After ten years,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24So after ten years, the sample contains at least 6.2 μg.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{where $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$. We don't exactly know $Q(0)$, and we don't exactly know the half-life, so we also won't exactly know $Q(10)$: we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of $Q(10)$, given the information in the problem.} \\ \\ \text{In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take $Q(0)=7.5$ and $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{So, in this secenario,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at most} 6.8 $\mu$g.} \\ \\ \text{Now, let's think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take $Q(0)=6.9$, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{In this scenario,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at least} 6.2 $\mu$g.} \\ \end{aligned}

After ten years, the sample contains between 6.2 and 6.8 μ\mug of Uranium-232.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 8번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
3.CLP-1 · 3.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

아이작 뉴턴은 커피에 크림을 넣어 마십니다. 정확히 말하면 커피 9 : 크림 1의 비율입니다. 집주인 아주머니가 95∘95^\circ C의 커피를 한 잔 따라 주면, 뉴턴은 5∘5^\circ C의 냉장고에서 꺼낸 크림을 그 커피에 넣고 젓습니다. 10분 뒤에 그 혼합물을 마실 때 보니 54∘54^\circ C로 식어 있었습니다. 뉴턴은 마시기 직전에 크림을 넣었다면 커피가 더 뜨거웠을지(그리고 얼마나 더 뜨거웠을지) 궁금해합니다. 다음을 가정하고 이 문제를 분석하세요.

(i) 식당의 온도는 22∘22^\circ C로 일정하다. (ii) 온도가 T1T_1 인 액체의 부피 V1V_1 과 온도가 T2T_2 인 액체의 부피 V2V_2 를 섞으면, 혼합물의 온도는 V1T1+V2T2V1+V2\dfrac{V_1T_1+V_2T_2}{V_1+V_2} 이다. (iii) 뉴턴의 냉각 법칙: 물체의 온도는 물체와 주변의 온도 차에 비례하는 비율로 식는다. (iv) 크림을 넣은 커피 한 잔과 순수한 커피 한 잔의 비례상수는 같다.

영어 원문 보기

Isaac Newton drinks his coffee with cream. To be exact, 9 parts coffee to 1 part cream. His landlady pours him a cup of coffee at 95∘95^\circ C into which Newton stirs cream taken from the icebox at 5∘5^\circ C. When he drinks the mixture ten minutes later, he notes that it has cooled to 54∘54^\circ C. Newton wonders if his coffee would be hotter (and by how much) if he waited until just before drinking it to add the cream. Analyze this question, assuming that:

(i) The temperature of the dining room is constant at 22∘22^\circ C. (ii) When a volume V1V_1 of liquid at temperature T1T_1 is mixed with a volume V2V_2 at temperature T2T_2, the temperature of the mixture is V1T1+V2T2V1+V2\dfrac{V_1T_1+V_2T_2}{V_1+V_2}. (iii) Newton's Law of Cooling: The temperature of an object cools at a rate proportional to the difference in temperature between the object and its surroundings. (iv) The constant of proportionality is the same for the cup of coffee with cream as for the cup of pure coffee.

정답·풀이 보기
  • 첫 번째 경우: 시각 00 에 뉴턴은 온도가 95∘95^\circ C 인 커피 9 와 온도가 5∘5^\circ C 인 크림 1 을 섞는다. 그 결과 혼합물의 온도는 9×95+1×59+1=86∘\frac{9\times 95+1\times 5}{9+1}=86^\circ 이다. 이 혼합물은 처음 온도 86∘^\circ, 주변 온도 22∘^\circ 로 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 식는다.

T(t)=[86−22]e−kt+22T(t)=64e−kt+2210분 후,54=T(10)=22+64e−10ke−10k=54−2264=12\begin{aligned} T(t)&=[86-22]e^{-kt}+22\\ T(t)&=64e^{-kt}+22 \\ \text{10분 후,} \\ 54=T(10)&=22+64e^{-10 k}\\ e^{-10 k}&=\frac{54-22}{64}=\frac{1}{2} \end{aligned}

이로부터 kk 를 계산할 수 있지만 그럴 필요는 없다.

  • 두 번째 경우: 시각 00 에 뉴턴은 온도가 95∘95^\circ C 인 뜨거운 커피를 받는다. 이 커피는 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 식는다.

T(t)=[T(0)−22]e−kt+22\begin{aligned} T(t)=[T(0)-22]e^{-kt}+22 \end{aligned}

이 두 번째 경우에서 T(0)=95T(0)=95 이므로 T(t)=[95−22]e−kt+22=73e−kt+22T(t)=[95-22]e^{-kt}+22=73e^{-kt}+22 이다. kk 의 값은 첫 번째 경우와 같으므로 10분 후에 T(10)=22+73e−10k=22+7312=58.5T(10)=22+73e^{-10k}=22+73\frac{1}{2}=58.5 이다. 이 식은 커피를 차가운 크림과 섞으면 혼합물의 온도는 9×58.5+1×59+1=53.15\frac{9\times 58.5+1\times 5}{9+1}=53.15 가 된다.

두 번째 경우(마시기 직전에 크림을 넣는 경우)에는 커피가 0.85∘0.85^\circ C \, 더 차가워진다.

원본 교재 풀이(영어)
  • First scenario: At time 00, Newton mixes 9 parts coffee at temperature 95∘95^\circ C with 1 part cream at temperature 5∘5^\circ C. The resulting mixture has temperature 9×95+1×59+1=86∘\frac{9\times 95+1\times 5}{9+1}=86^\circ The mixture cools according to Newton's Law of Cooling, with initial temperature 86∘^\circ and ambient temperature 22∘^\circ:

T(t)=[86−22]e−kt+22T(t)=64e−kt+22After 10 minutes,54=T(10)=22+64e−10ke−10k=54−2264=12\begin{aligned} T(t)&=[86-22]e^{-kt}+22\\ T(t)&=64e^{-kt}+22 \\ \text{After 10 minutes,} \\ 54=T(10)&=22+64e^{-10 k}\\ e^{-10 k}&=\frac{54-22}{64}=\frac{1}{2} \end{aligned}

We could compute kk from this, but we don't need it.

  • Second scenario: At time 00, Newton gets hot coffee at temperature 95∘95^\circ C. It cools according to Newton's Law of Cooling

T(t)=[T(0)−22]e−kt+22\begin{aligned} T(t)=[T(0)-22]e^{-kt}+22 \end{aligned}

In this second scenario, T(0)=95T(0)=95, so T(t)=[95−22]e−kt+22=73e−kt+22T(t)=[95-22]e^{-kt}+22=73e^{-kt}+22 The value of kk is the same as in the first scenario, so after 10 minutes T(10)=22+73e−10k=22+7312=58.5T(10)=22+73e^{-10k}=22+73\frac{1}{2}=58.5 This cooled coffee is mixed with cold cream to yield a mixture of temperature 9×58.5+1×59+1=53.15\frac{9\times 58.5+1\times 5}{9+1}=53.15

Under the second (add cream just before drinking) scenario, the coffee ends up cooler by 0.85∘0.85^\circ C \,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 1번
# 지수적 증가와 감소활용도전자동 분류
4.CLP-1 · 3.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

아이스티 한 잔의 온도가 처음에 5∘5^\circ이다. 공기의 온도가 30∘30^\circ인 방에서 5분이 지나자 차의 온도가 10∘10^\circ로 올랐다.

(a) 뉴턴의 냉각 법칙을 이용하여 시각 tt에서의 온도 T(t)T(t)에 대한 미분방정식을 구하세요. (b) 차의 온도가 20∘20^\circ에 도달하는 때를 구하세요.

영어 원문 보기

The temperature of a glass of iced tea is initially 5∘5^\circ. After 5 minutes, the tea has heated to 10∘10^\circ in a room where the air temperature is 30∘30^\circ.

(a) Use Newton's law of cooling to obtain a differential equation for the temperature T(t)T(t) at time tt. (b) Determine when the tea will reach a temperature of 20∘20^\circ.

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 냉각 법칙에 의해 온도의 변화율은 T(t)T(t)와 주변 온도의 차에 비례하며, 이 문제에서 주변 온도는 30∘30^\circ이다. 따라서 dTdt=k[T(t)−30]\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}=k[T(t)-30] 이다. 여기서 kk는 비례상수이다. (a)를 풀려면 kk만 구하면 된다.

뉴턴의 냉각 법칙에 따르면 시각 tt에서의 온도는 다음과 같다.

T(t)=[T(0)−A]ekt+A=[5−30]ekt+30=−25ekt+30T(5)=10이 주어져 있다:10=−25e5k+3025e5k=20e5k=455k=log⁡(4/5)k=15log⁡(4/5)따라서 미분방정식은 다음과 같다dTdt(t)=15log⁡(4/5)[T(t)−30]\begin{aligned} T(t)&=[T(0)-A]e^{kt}+A\\ &=[5-30]e^{kt}+30\\ &=-25e^{kt}+30 \\ \text{$T(5)=10$이 주어져 있다:} \\ 10&=-25e^{5k}+30\\ 25e^{5k}&=20\\ e^{5k}&=\frac{4}{5}\\ 5k&=\log(4/5)\\ k&=\tfrac{1}{5}\log(4/5) \\ \text{따라서 미분방정식은 다음과 같다} \\ \frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}(t)&=\frac{1}{5}\log(4/5)[T(t)-30] \end{aligned} (b) T(t)=30−25ektT(t)=30-25e^{kt}이므로 차의 온도가 20∘20^\circ가 되는 때는 다음과 같다.

30−25ekt=20ekt=1025kt=log⁡(1025)t=1klog⁡25=5log⁡(2/5)log⁡(4/5)≈20.53 min\begin{aligned} 30-25 e^{kt}&=20\\ e^{kt}&=\frac{10}{25}\\ kt&=\log\left(\frac{10}{25}\right)\\ t&=\frac{1}{k}\log\frac{2}{5}\\ &=\frac{5\log(2/5)}{\log(4/5)}\\ &\approx{20.53 ~\mathrm{ min}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) By Newton's law of cooling, the rate of change of temperature is proportional to the difference between T(t)T(t) and the ambient temperature, which in this case is 30∘30^\circ. Thus dTdt=k[T(t)−30]\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}=k[T(t)-30] for some constant of proportionality kk. To answer part (a), all we have to do is find kk.

Under Newton's Law of Cooling, the temperature at time tt will be given by

T(t)=[T(0)−A]ekt+A=[5−30]ekt+30=−25ekt+30We are told T(5)=10:10=−25e5k+3025e5k=20e5k=455k=log⁡(4/5)k=15log⁡(4/5)So, the differential equation isdTdt(t)=15log⁡(4/5)[T(t)−30]\begin{aligned} T(t)&=[T(0)-A]e^{kt}+A\\ &=[5-30]e^{kt}+30\\ &=-25e^{kt}+30 \\ \text{We are told $T(5)=10$:} \\ 10&=-25e^{5k}+30\\ 25e^{5k}&=20\\ e^{5k}&=\frac{4}{5}\\ 5k&=\log(4/5)\\ k&=\tfrac{1}{5}\log(4/5) \\ \text{So, the differential equation is} \\ \frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}(t)&=\frac{1}{5}\log(4/5)[T(t)-30] \end{aligned} (b) Since T(t)=30−25ektT(t)=30-25e^{kt}, the temperature of the tea is 20∘20^\circ when

30−25ekt=20ekt=1025kt=log⁡(1025)t=1klog⁡25=5log⁡(2/5)log⁡(4/5)≈20.53 min\begin{aligned} 30-25 e^{kt}&=20\\ e^{kt}&=\frac{10}{25}\\ kt&=\log\left(\frac{10}{25}\right)\\ t&=\frac{1}{k}\log\frac{2}{5}\\ &=\frac{5\log(2/5)}{\log(4/5)}\\ &\approx{20.53 ~\mathrm{ min}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 4번
# 지수적 증가와 감소활용도전자동 분류
5.CLP-2 · 2.4절 · 31번대학 수준우리말 번역

어떤 연속함수 y=y(x)y=y(x) 가 00 을 포함하는 어떤 열린구간의 모든 xx 에 대해 적분방정식

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

을 만족시킨다. y(x)y(x) 와 (∗)(*) 이 성립하는 가장 큰 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

A certain continuous function y=y(x)y=y(x) satisfies the integral equation

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

for all xx in some open interval containing 00. Find y(x)y(x) and the largest interval for which (∗)(*) holds.

정답·풀이 보기

주어진 것은 yy 와 yy 에 대한 함수의 적분 사이의 관계식이다. 우리가 풀 줄 아는 것은 yy 의 도함수와 yy 에 대한 함수 사이의 관계식이다. 주어진 적분방정식을 미분하면 이런 식을 만들 수 있다. 미적분학의 기본정리 제1부분에 의해

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

따라서 y(x)y(x) 는 미분방정식 y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x 와 초기 조건 y(0)=3y(0)=3 ((∗)(*) 에 x=0x=0 을 대입하면 된다)을 만족시킨다. y≠1,2y\ne 1,2 일 때,

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dx부분분수 방법을 쓰면 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1 임을 알 수 있다.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡x조건 y(0)=3 에서 ∣3−23−1∣=ec−1 즉 ec=12e 이므로∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 쓰면 $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$ 임을 알 수 있다.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{조건 $y(0)=3$ 에서 $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ 즉 $e^c=\frac{1}{2} e$ 이므로} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

x=0x=0 일 때 y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0 임을 알 수 있다. 또한 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x} 는, 따라서 ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big| 도, 결코 00 이 될 수 없다. y(x)y(x) 는 xx 에 따라 연속적으로 변하므로 y(x)y(x) 는 계속 22 보다 커야 한다. 따라서 y−2y−1\frac{y-2}{y-1} 는 계속 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 그러므로

y−2y−1=12e1−cos⁡x y 에 대해 풀면y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ $y$ 에 대해 풀면} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

마지막 단계에서 00 으로 나누는 일이 없으려면

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

이어야 한다.

간단히 하기 위해 L=1−log⁡2L=1-\log 2 라 하면 L>0L>0 이다. (2<e2<e 이므로 log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1 이고, 따라서 1−log⁡2>01-\log 2>0 임에서 알 수 있다.)

그림

x=0x=0 은 우리가 구한 함수의 정의역에 속하지만, 점 x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) 는 정의역에 속하지 않는다.

그림

따라서 우리의 답이 의미를 갖는 가장 큰 구간은 −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) 이고, 이는 대략 −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259 이다.

원본 교재 풀이(영어)

What we're given is an equation relating yy to the integral of a function of yy. What we know how to solve is an equation relating the derivative of yy to a function of yy. We can create this by differentiating the given integral equation. By the Fundamental Theorem of Calculus, part 1:

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

So y(x)y(x) satisfies the differential equation y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x and the initial equation y(0)=3y(0)=3 (just substitute x=0x=0 into (∗)(*)). For y≠1,2y\ne 1,2:

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dxUsing the method of partial fractions, we see 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡xThe condition y(0)=3 forces ∣3−23−1∣=ec−1 or ec=12e, hence∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions, we see $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{The condition $y(0)=3$ forces $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ or $e^c=\frac{1}{2} e$, hence} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

Observe that, when x=0x=0, y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0. Furthermore 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x}, and hence ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big|, can never take the value zero. As y(x)y(x) varies continuously with xx, y(x)y(x) must remain larger than 2. Consquently, y−2y−1\frac{y-2}{y-1} remains positive and we may drop the absolute value signs. Hence

y−2y−1=12e1−cos⁡x Solving for y,y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ Solving for $y$,} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

To avoid division by zero in the last step, we need

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

Let L=1−log⁡2L=1-\log 2, for brevity, and note that L>0L>0. (This can be seen by observing 2<e2<e, so, log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1, hence 1−log⁡2>01-\log 2>0.)

figure

We know x=0x=0 is in the domain of our function, but the points x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) are not.

figure

Therefore, the largest interval for which our answer makes sense is −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) or approximately −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 32번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 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 · 32번대학 수준우리말 번역

반지름이 3 미터이고 높이가 6 미터인 원기둥 모양의 물탱크가 물로 가득 차 있을 때 바닥에 구멍이 났다. 물은 반지름이 1 센티미터인 구멍을 통해 빠져나간다. 만약

  • h(t)h(t) 가 시각 tt 에서 탱크 안 물의 높이(단위: 미터)이고
  • v(t)v(t) 가 시각 tt 에서 빠져나가는 물의 속도(단위: 초당 미터)이면
  • 토리첼리의 법칙에 의해 v(t)=2gh(t)v(t)=\sqrt{2gh(t)} 이다. 여기서 g=9.8 m/sec2g=9.8\ {\rm m/sec^2} 이다. 탱크가 비는 데 걸리는 시간을 구하세요.
영어 원문 보기

A cylindrical water tank, of radius 3 meters and height 6 meters, is full of water when its bottom is punctured. Water drains out through a hole of radius 1 centimeter. If

  • h(t)h(t) is the height of the water in the tank at time tt (in meters) and
  • v(t)v(t) is the velocity of the escaping water at time tt (in meters per second) then
  • Torricelli's law states that v(t)=2gh(t)v(t)=\sqrt{2gh(t)} where g=9.8 m/sec2g=9.8\ {\rm m/sec^2}. Determine how long it takes for the tank to empty.
정답·풀이 보기

아주 짧은 시간 간격 dt\mathrm{d}t 동안 탱크 안 물의 높이가 dh\mathrm{d}h (음수)만큼 변한다고 하자. 그러면 이 시간 간격 동안 탱크 안 물의 양은 dV=−π(3)2dh\mathrm{d}V=-\pi(3)^2\mathrm{d}h 만큼 감소한다. 이는 같은 시간 간격 동안 구멍을 통해 흘러나간 물의 양과 같아야 한다. 구멍을 통해 흘러나가는 물은 반지름이 1 cm (즉, 0.01 m)이고 길이가 v(t)dtv(t)\mathrm{d}t 인 원기둥을 이루는데, 이 길이는 dt\mathrm{d}t 초 동안 물이 구멍 밖으로 움직인 거리이다. 따라서 시간 간격 dt\mathrm{d}t 동안 구멍으로 빠져나간 물의 양은 π(0.01)2v(t) dt=π(0.01)22gh(t) dt\pi(0.01)^2 v(t)\,\mathrm{d}t =\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t 이다.

그림

이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다. gg 는 상수임을 기억하자.

−π(3)2dh=π(0.01)22gh(t) dtdhh=−(0.013) ⁣22g dt∫dhh=∫−(0.013) ⁣22g dt2h=−(0.013) ⁣22g t+C시각 0 에서 높이가 6 이므로 C=26 이고2h=−(0.013) ⁣22g t+26탱크 안 물의 높이가 0 이 되는 때를 구하려 한다.0=−(0.013) ⁣22g t+26(0.013) ⁣22g t=26t=26(0.013) ⁣22g=2(30.01) ⁣23g=180,0003g≈99,591 sec≈27.66 hr\begin{aligned} -\pi(3)^2\mathrm{d}h&=\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t\\ \frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=\int-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{시각 $0$ 에서 높이가 $6$ 이므로 $C=2\sqrt{6}$ 이고} \\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6} \\ \text{탱크 안 물의 높이가 0 이 되는 때를 구하려 한다.} \\ 0&=-\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6}\\ \Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t&=2\sqrt{6}\\ t&=\frac{2\sqrt6}{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}}\\ &=2{\Big(\frac{3}{0.01}\Big)}^{\!2} \sqrt{\frac{3}{g}}\\ &=180,000 \sqrt{\frac{3}{g}}\approx 99,591\text{ sec} \approx 27.66\text{ hr} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that in a very short time interval dt\mathrm{d}t, the height of water in the tank changes by dh\mathrm{d}h (which is negative). Then in this time interval the amount of the water in the tank decreases by dV=−π(3)2dh\mathrm{d}V=-\pi(3)^2\mathrm{d}h. This must be the same as the amount of water that flows through the hole in this time interval. The water flowing through the hole makes a cylinder of radius 1 cm (that is, 0.01 m) with length v(t)dtv(t)\mathrm{d}t, the distance the water moves out of the hole in dt\mathrm{d}t seconds. So, the amount of water leaving the hole over the time interval dt\mathrm{d}t is π(0.01)2v(t) dt=π(0.01)22gh(t) dt\pi(0.01)^2 v(t)\,\mathrm{d}t =\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t.

figure

This gives us a separable differential equation. Recall gg is a constant.

−π(3)2dh=π(0.01)22gh(t) dtdhh=−(0.013) ⁣22g dt∫dhh=∫−(0.013) ⁣22g dt2h=−(0.013) ⁣22g t+CAt time 0, the height is 6, so C=26 and2h=−(0.013) ⁣22g t+26We want to know when the height of the water in the tank is 0.0=−(0.013) ⁣22g t+26(0.013) ⁣22g t=26t=26(0.013) ⁣22g=2(30.01) ⁣23g=180,0003g≈99,591 sec≈27.66 hr\begin{aligned} -\pi(3)^2\mathrm{d}h&=\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t\\ \frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=\int-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{At time $0$, the height is $6$, so $C=2\sqrt{6}$ and} \\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6} \\ \text{We want to know when the height of the water in the tank is 0.} \\ 0&=-\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6}\\ \Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t&=2\sqrt{6}\\ t&=\frac{2\sqrt6}{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}}\\ &=2{\Big(\frac{3}{0.01}\Big)}^{\!2} \sqrt{\frac{3}{g}}\\ &=180,000 \sqrt{\frac{3}{g}}\approx 99,591\text{ sec} \approx 27.66\text{ hr} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 33번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 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 · 33번대학 수준우리말 번역

반지름이 6 피트인 구형 탱크에 수은이 가득 차 있는데, 바닥에 반지름이 1 인치인 원형 구멍이 뚫렸습니다. 탱크의 수은이 모두 빠져나가는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.

g=32 feet/sec2g=32\ {\rm feet}/{\rm sec}^2 의 값을 사용하세요. 또한 토리첼리의 법칙을 사용하세요. 이 법칙은 탱크 안 수은의 높이가 hh 일 때 탱크에서 흘러나오는 수은의 속력이 v=2ghv=\sqrt{2gh} 임을 말해 줍니다.

영어 원문 보기

A spherical tank of radius 6 feet is full of mercury when a circular hole of radius 1 inch is opened in the bottom. How long will it take for all of the mercury to drain from the tank?

Use the value g=32 feet/sec2g=32\ {\rm feet}/{\rm sec}^2. Also use Torricelli's law, which states when the height of mercury in the tank is hh, the speed of the mercury escaping from the tank is v=2ghv=\sqrt{2gh}.

정답·풀이 보기

시각 tt 에서 탱크 안 수은의 높이가 hh 이고, 이 값은 0 피트와 12 피트 사이라고 하자.

그림

이때 수은의 윗면은 반지름이 62−(h−6)2\sqrt{6^2-(h-6)^2} 인 원판을 이룬다. (위 그림의 삼각형에 피타고라스 정리를 적용하여 구한 것이다. 그림에서는 hh 가 6보다 큰 경우를 나타냈지만, [0,12][0,12] 에 속하는 모든 hh 에 대해 같은 식이 성립한다.) 이제 아주 짧은 시간 dt\mathrm{d}t 동안 탱크 안 수은의 높이가 dh\mathrm{d}h 만큼 변한다고 하자(이 값은 음수이다). 그러면 이 시간 동안 탱크 안 수은의 양은 −π(62−(h−6)2 )2dh-\pi\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)^2\mathrm{d}h 만큼 줄어든다. (위 그림의 빨간 원판의 부피이다.) 이 양은 같은 시간 동안 구멍으로 흘러나간 수은의 양과 같아야 한다. 구멍에서 나오는 수은은 원기둥 모양이다. 이 원기둥의 반지름은 구멍의 반지름인 112\frac{1}{12} 피트이고, 길이는 수은이 dt\mathrm{d}t 초 동안 이동한 거리인 v(t)dtv(t)\mathrm{d}t 피트이다. 따라서 흘러나간 수은의 부피는 π(112)2v dt=π(112)22gh dt\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 v\,\mathrm{d}t =\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t 이다. 이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다.

−π(62−(h−6)2 )2dh=π(112)22gh dt−(36−(h2−12h+36) )dh=(112)22gh dt(h2−12h)dh=11442gh dt(h3/2−12h1/2)dh=11442g dt∫(h3/2−12h1/2)dh=∫11442g dth5/25/2−12h3/23/2=11442g t+C시각 0 에서 높이는 12 이므로 C=125/25/2−12123/23/2=125/2(25−23)=−415125/2 이고, 따라서h5/25/2−12h3/23/2=11442g t−415125/2높이가 h=0 이 되는 시각 t 를 구하면 된다.0=11442g t−415125/211442g t=415125/2t=4×144151252g=38.4124416g≈2,394 sec ≈0.665 hr\begin{aligned} -\pi{\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)}^2\mathrm{d}h &=\pi\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ -{\big({36-(h^2-12h+36)}\ \big)}\mathrm{d}h &=\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^2-12h\big)\mathrm{d}h &=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\sqrt{h}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\int\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{시각 $0$ 에서 높이는 $12$ 이므로 $C=\frac{12^{5/2}}{5/2}-12\frac{12^{3/2}}{3/2} =12^{5/2}\big(\frac{2}{5}-\frac{2}{3}\big) =-\frac{4}{15}12^{5/2}$ 이고, 따라서} \\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t -\frac{4}{15}12^{5/2} \\ \text{높이가 $h=0$ 이 되는 시각 $t$ 를 구하면 된다.} \\ 0&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t-\frac{4}{15}12^{5/2}\\ \frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t&=\frac{4}{15}12^{5/2}\\ t&=\frac{4\times 144}{15} \sqrt{\frac{12^5}{2g}}\\ &=38.4 \sqrt{\frac{124416}{g}}\approx 2,394\,\text{sec }\approx 0.665\, \text{hr} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that at time tt, the mercury in the tank has height hh, which is between 0 and 12 feet.

figure

At that time, the top surface of the mercury forms a circular disk of radius 62−(h−6)2\sqrt{6^2-(h-6)^2}. (We found this by applying the Pythagorean Theorem to the triangle in the diagram above. In the diagram, hh is shown as being larger than 6, but the same equation holds for all hh in [0,12][0,12].) Now suppose that in a very short time interval dt\mathrm{d}t, the height of mercury in the tank changes by dh\mathrm{d}h (which is negative). Then in this time interval the amount of the mercury in the tank decreases by −π(62−(h−6)2 )2dh-\pi\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)^2\mathrm{d}h. (That's the volume of the red disk in the figure above.) This must be the same as the amount of mercury that flows through the hole in this time interval. The mercury comes out of the hole as a cylinder. Its radius is the radius of the hole, 112\frac{1}{12} foot, and its length is the distance the mercury travels in dt\mathrm{d}t seconds, v(t)dtv(t)\mathrm{d}t feet. So, the volume of escaped mercury is π(112)2v dt=π(112)22gh dt\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 v\,\mathrm{d}t =\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t. This gives us a separable differential equation.

−π(62−(h−6)2 )2dh=π(112)22gh dt−(36−(h2−12h+36) )dh=(112)22gh dt(h2−12h)dh=11442gh dt(h3/2−12h1/2)dh=11442g dt∫(h3/2−12h1/2)dh=∫11442g dth5/25/2−12h3/23/2=11442g t+CAt time 0, the height is 12, so C=125/25/2−12123/23/2=125/2(25−23)=−415125/2, which yieldsh5/25/2−12h3/23/2=11442g t−415125/2We want to find the time t when the height is h=0.0=11442g t−415125/211442g t=415125/2t=4×144151252g=38.4124416g≈2,394 sec ≈0.665 hr\begin{aligned} -\pi{\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)}^2\mathrm{d}h &=\pi\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ -{\big({36-(h^2-12h+36)}\ \big)}\mathrm{d}h &=\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^2-12h\big)\mathrm{d}h &=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\sqrt{h}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\int\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{At time $0$, the height is $12$, so $C=\frac{12^{5/2}}{5/2}-12\frac{12^{3/2}}{3/2} =12^{5/2}\big(\frac{2}{5}-\frac{2}{3}\big) =-\frac{4}{15}12^{5/2}$, which yields} \\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t -\frac{4}{15}12^{5/2} \\ \text{We want to find the time $t$ when the height is $h=0$.} \\ 0&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t-\frac{4}{15}12^{5/2}\\ \frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t&=\frac{4}{15}12^{5/2}\\ t&=\frac{4\times 144}{15} \sqrt{\frac{12^5}{2g}}\\ &=38.4 \sqrt{\frac{124416}{g}}\approx 2,394\,\text{sec }\approx 0.665\, \text{hr} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.3절 · 9번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 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 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 등식을 생각하세요.

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) f(0)f(0) 의 값을 구하세요. (b) f(x)f(x) 가 만족시키는 미분방정식을 구하세요. (c) (a)와 (b)에서 정해진 초깃값 문제를 푸세요.

영어 원문 보기

Consider the equation

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) What is f(0)f(0)? (b) Find the differential equation satisfied by f(x)f(x). (c) Solve the initial value problem determined in (a) and (b).

정답·풀이 보기

(a) x=0x=0 을 대입하면

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) 미적분의 기본정리 제1부에 의해

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

따라서 y=f(x)y=f(x) 는 미분방정식 y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2) 를 만족시킨다.

(c) y≠1,2y\ne 1,2 이면,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dx부분분수 방법을 이용하면,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C 모든 y≥2 에 대해 dydx=(y−1)(y−2)>0 임을 알 수 있다. 즉, f(x)>2 인 모든 x 에서 f(x) 는 증가한다. f(0)=3 이므로 모든 x≥0 에 대해 f(x) 는 증가하고, 모든 x≥0 에 대해 f(x)≥3 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex x=0 일 때 f(x)−2f(x)−1=12 이므로 eC=12 이다.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 이용하면,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ 모든 $y\ge 2$ 에 대해 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ 임을 알 수 있다. 즉, $f(x)>2$ 인 모든 $x$ 에서 $f(x)$ 는 증가한다. $f(0)=3$ 이므로 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)$ 는 증가하고, 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)\ge 3$ 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ $x=0$ 일 때 $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ 이므로 $e^C=\frac{1}{2}$ 이다.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Setting x=0x=0 gives

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) By the Fundamental Theorem of Calculus part 1,

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

Thus y=f(x)y=f(x) obeys the differential equation y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2).

(c) If y≠1,2y\ne 1,2,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dxUsing the method of partial fractions,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C Observe that dydx=(y−1)(y−2)>0 for all y≥2. That is, f(x) is increasing at all x for which f(x)>2. As f(0)=3, f(x) increases for all x≥0, and f(x)≥3 for all x≥0. So we may drop the absolute value signs.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex At x=0, f(x)−2f(x)−1=12 so eC=12.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ Observe that $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ for all $y\ge 2$. That is, $f(x)$ is increasing at all $x$ for which $f(x)>2$. As $f(0)=3$, $f(x)$ increases for all $x\ge 0$, and $f(x)\ge 3$ for all $x\ge 0$. So we may drop the absolute value signs.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ At $x=0$, $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ so $e^C=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 35번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 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 · 35번대학 수준우리말 번역

높이가 2 m인 물탱크를 반지름이 r=ypr=y^p 인 원형 단면을 가지도록 만들려고 합니다. 여기서 yy 는 탱크 바닥으로부터 잰 수직 거리이고, pp 는 정해야 하는 양의 상수입니다. 탱크의 물이 빠질 때 토리첼리의 법칙을 따른다고 가정해도 좋습니다. 즉,

A(y)dydt=−cy\begin{aligned} A(y)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-c\sqrt{y} \end{aligned}

이며, 여기서 cc 는 어떤 상수이고 A(y)A(y) 는 높이 yy 에서의 탱크의 단면의 넓이입니다. 탱크의 윗부분 절반 (y=2y=2 에서 y=1y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1y=1 에서 y=0y=0 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간과 정확히 같도록 탱크를 만들려고 합니다. 탱크가 이 성질을 갖도록 pp 의 값을 구하세요. 참고: 이 문제에서 cc 를 구하는 것은 불가능하며 필요하지도 않습니다.

영어 원문 보기

A tank 2 m tall is to be made with circular cross–sections with radius r=ypr=y^p. Here yy measures the vertical distance from the bottom of the tank and pp is a positive constant to be determined. You may assume that when the tank drains, it obeys Torricelli's law, that is

A(y)dydt=−cy\begin{aligned} A(y)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-c\sqrt{y} \end{aligned}

for some constant cc where A(y)A(y) is the cross–sectional area of the tank at height yy. It is desired that the tank be constructed so that the top half (y=2y=2 to y=1y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the bottom half (y=1y=1 to y=0y=0). Determine the value of pp so that the tank has this property. Note: it is not possible or necessary to find cc for this question.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

시각 tt (예를 들어 정오부터 시작하여 시간 단위로 잰다)에 탱크 안 물의 높이가 yy 이고, 이 값은 0 m와 2 m 사이라고 하자. 이때 물의 윗면은 반지름이 r=ypr=y^p 인 원판을 이루고 그 넓이는 A(y)=πy2pA(y)=\pi y^{2p} 이다. 따라서 토리첼리의 법칙에 의해

πy2pdydt=−cy−πc⋅y2p−12dy= dt∫−πc⋅y2p−12dy= ∫dt−πc⋅y2p+122p+12+d=tfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=πc⋅22p+122p+12  .t=πc(22p+122p+12−y2p+122p+12)=πc(2p+12)(22p+12−y2p+12)\begin{aligned} \pi y^{2p}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=-c\sqrt{y}\\ -\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\mathrm{d}t\\ \int-\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\int \mathrm{d}t\\ -\frac{\pi}{c}\cdot\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}+d &=t \\ \text{for some constant $d$. At time $t=0$, the height is $y=2$, so $d=\displaystyle\frac{\pi}{c}\cdot\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}$ \ .} \\ t&=\frac{\pi}{c}\bigg(\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}} -\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}\bigg)\\ &=\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-y^{2p+\frac12}\right) \end{aligned}

높이가 11 이 되는 시각은 이 식에 y=1y=1 을 대입하여 얻고, 높이가 00 이 되는 시각은 이 식에 y=0y=0 을 대입하여 얻는다. 따라서 윗부분 절반(y=2y=2 에서 y=1y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1y=1 에서 y=0y=0 까지)이 걸리는 시간과 정확히 같다는 조건은 다음과 같다.

t(2)−t(1)=t(1)−t(0)0−t(1)=t(1)−t(0)t(0)=2t(1)πc(2p+12)(22p+12−02p+12)=2πc(2p+12)(22p+12−12p+12)22p+12=2(22p+12−1)22p+12=2⋅22p+12−22=22p+121=2p+12p=14\begin{aligned} t(2)-t(1)&=t(1)-t(0)\\ 0-t(1)&=t(1)-t(0)\\ t(0)&=2t(1)\\ \frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-0^{2p+\frac12}\right)&= 2\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-1^{2p+\frac12}\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\left(2^{2p+\frac12}-1\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\cdot 2^{2p+\frac12}-2\\ 2&=2^{2p+\frac12}\\ 1&=2p+\frac12\\ p&=\frac14 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that at time tt (measured in hours starting at, say, noon), the water in the tank has height yy, which is between 0 and 2 metres. At that time, the top surface of the water forms a circular disk of radius r=ypr=y^p and area A(y)=πy2pA(y)=\pi y^{2p}. Thus, by Torricelli's law,

πy2pdydt=−cy−πc⋅y2p−12dy= dt∫−πc⋅y2p−12dy= ∫dt−πc⋅y2p+122p+12+d=tfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=πc⋅22p+122p+12  .t=πc(22p+122p+12−y2p+122p+12)=πc(2p+12)(22p+12−y2p+12)\begin{aligned} \pi y^{2p}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=-c\sqrt{y}\\ -\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\mathrm{d}t\\ \int-\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\int \mathrm{d}t\\ -\frac{\pi}{c}\cdot\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}+d &=t \\ \text{for some constant $d$. At time $t=0$, the height is $y=2$, so $d=\displaystyle\frac{\pi}{c}\cdot\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}$ \ .} \\ t&=\frac{\pi}{c}\bigg(\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}} -\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}\bigg)\\ &=\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-y^{2p+\frac12}\right) \end{aligned}

The time at which the height is 11 is obtained by subbing y=1y=1 into this formula. The time at which the height is 00 is obtained by subbing y=0y=0 into this formula. Thus the condition that the top half (y=2y=2 to y=1y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the bottom half (y=1y=1 to y=0y=0) is:

t(2)−t(1)=t(1)−t(0)0−t(1)=t(1)−t(0)t(0)=2t(1)πc(2p+12)(22p+12−02p+12)=2πc(2p+12)(22p+12−12p+12)22p+12=2(22p+12−1)22p+12=2⋅22p+12−22=22p+121=2p+12p=14\begin{aligned} t(2)-t(1)&=t(1)-t(0)\\ 0-t(1)&=t(1)-t(0)\\ t(0)&=2t(1)\\ \frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-0^{2p+\frac12}\right)&= 2\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-1^{2p+\frac12}\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\left(2^{2p+\frac12}-1\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\cdot 2^{2p+\frac12}-2\\ 2&=2^{2p+\frac12}\\ 1&=2p+\frac12\\ p&=\frac14 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 37번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-2 · 2.4절 · 37번대학 수준우리말 번역

다음을 만족하는 함수 y(x)y(x) 를 구하세요. d2ydx2=2y3⋅dydx\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 그리고 x=−116log⁡3x=-\frac{1}{16}\log 3 이면 y=1y=1 이고 dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3 이다.

yy 에 대해 명시적으로 풀 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Find the function y(x)y(x) such that d2ydx2=2y3⋅dydx\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} and if x=−116log⁡3x=-\frac{1}{16}\log 3, then y=1y=1 and dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3.

You do not need to solve for yy explicitly.

정답·풀이 보기

먼저 양변을 xx 에 대해 부정적분한다.

∫(d2ydx2) dx=∫(2y3⋅dydx) dx오른쪽 적분은 y 로 변수를 바꾸는(치환하는) 데 쓰는 꼴 그대로이다.dydx=∫(2y3) dy=−1y2+Cy=1 일 때 dydx=3 이다.3=−11+CC=4따라서dydx=−1y2+4 이것은 변수분리형 미분방정식이다. dydx=4y2−1y2y24y2−1 dy=dx∫y24y2−1 dy=∫dx(∗)\begin{aligned} \int \left(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}\right)\,\mathrm{d}x&=\int\left(\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{오른쪽 적분은 $y$ 로 변수를 바꾸는(치환하는) 데 쓰는 꼴 그대로이다.} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\int\left(\frac{2}{y^3}\right)\,\mathrm{d}y = -\frac{1}{y^2}+C \\ \text{$y=1$ 일 때 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3$ 이다.} \\ 3& =-\frac{1}{1}+C\\ C&=4 \\ \text{따라서} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{1}{y^2}+4 \\ \text{ 이것은 변수분리형 미분방정식이다. } \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2} \\ \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\mathrm{d}x\\ \int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x\tag{$*$} \end{aligned}

왼쪽 적분은 부분분수로 구할 수 있지만, 분자의 차수가 분모의 차수와 같으므로 먼저 식을 간단히 해야 한다. 여기서는 식을 보고 바로 변형하지만, 다항식의 나눗셈(조립제법이 아닌 직접 나눗셈)을 이용해도 된다.

y24y2−1=14(4y2−1)+144y2−1=14(1+14y2−1)=14(1+1(2y−1)(2y+1))=14(1+1/22y−1−1/22y+1)\begin{aligned} \frac{y^2}{4y^2-1}&=\frac{\frac{1}{4}(4y^2-1)+\frac{1}{4}}{4y^2-1}\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{4y^2-1}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{(2y-1)(2y+1)}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right) \end{aligned}

이제 (∗*)로 돌아간다.

∫dx=∫y24y2−1 dy=∫14(1+1/22y−1−1/22y+1) dy=14(y+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣)=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x+C=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=−116log⁡3 일 때 y=1 이다.−116log⁡3+C=14(1+14log⁡∣2−12+1∣)=14+116log⁡13C=14따라서x+14=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)\begin{aligned} \int \mathrm{d}x&=\int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y\\ &= \int \frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log|2y-1| - \frac{1}{4}\log|2y+1|\right)\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x+C&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \\ \text{$x=-\frac{1}{16}\log 3$ 일 때 $y=1$ 이다.} \\ -\frac{1}{16}\log 3 +C &=\frac{1}{4}\left(1+\frac14\log\left| \frac{2-1}{2+1}\right|\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{16}\log\frac{1}{3}\\ C&=\frac{1}{4} \\ \text{따라서} \\ x+\frac{1}{4}&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \end{aligned}

구한 답은 xx 에 대해 미분하여 확인할 수 있다.

x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)4x=y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣ddx{4x}=ddx{y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣}4=dydx+14⋅2dydx2y−1−14⋅2dydx2y+14=dydx(1+1/22y−1−1/22y+1)=dydx(4y24y2−1)dydx=4y2−1y2=4−1y2합성함수의 미분법을 이용하여 x 에 대해 다시 미분하면d2ydx2=2y3⋅dydx(∗∗)\begin{aligned} x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ 4x&=y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\right\}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y-1} - \frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y+1}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(1+\frac{1/2}{2y-1} - \frac{1/2}{2y+1}\right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(\frac{4y^2}{4y^2-1}\right)\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2}=4-\frac{1}{y^2} \tag{$**$} \\ \text{합성함수의 미분법을 이용하여 $x$ 에 대해 다시 미분하면} \\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}&=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

이것은 우리가 풀어야 했던 미분방정식과 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

We start by antidifferentiating both sides with respect to xx.

∫(d2ydx2) dx=∫(2y3⋅dydx) dxThe right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to y.dydx=∫(2y3) dy=−1y2+CWhen y=1, dydx=3.3=−11+CC=4So,dydx=−1y2+4 This is a separable differential equation. dydx=4y2−1y2y24y2−1 dy=dx∫y24y2−1 dy=∫dx(∗)\begin{aligned} \int \left(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}\right)\,\mathrm{d}x&=\int\left(\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{The right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to $y$.} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\int\left(\frac{2}{y^3}\right)\,\mathrm{d}y = -\frac{1}{y^2}+C \\ \text{When $y=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3$.} \\ 3& =-\frac{1}{1}+C\\ C&=4 \\ \text{So,} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{1}{y^2}+4 \\ \text{ This is a separable differential equation. } \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2} \\ \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\mathrm{d}x\\ \int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x\tag{$*$} \end{aligned}

We can evaluate the left integral with partial fractions, but because the numerator has the same degree as the denominator, we have to simplify first. We do this by inspection, but you can also use long division.

y24y2−1=14(4y2−1)+144y2−1=14(1+14y2−1)=14(1+1(2y−1)(2y+1))=14(1+1/22y−1−1/22y+1)\begin{aligned} \frac{y^2}{4y^2-1}&=\frac{\frac{1}{4}(4y^2-1)+\frac{1}{4}}{4y^2-1}\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{4y^2-1}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{(2y-1)(2y+1)}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right) \end{aligned}

Now, we return to (∗*).

∫dx=∫y24y2−1 dy=∫14(1+1/22y−1−1/22y+1) dy=14(y+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣)=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x+C=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)When x=−116log⁡3, y=1.−116log⁡3+C=14(1+14log⁡∣2−12+1∣)=14+116log⁡13C=14So,x+14=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)\begin{aligned} \int \mathrm{d}x&=\int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y\\ &= \int \frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log|2y-1| - \frac{1}{4}\log|2y+1|\right)\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x+C&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \\ \text{When $x=-\frac{1}{16}\log 3$, $y=1$.} \\ -\frac{1}{16}\log 3 +C &=\frac{1}{4}\left(1+\frac14\log\left| \frac{2-1}{2+1}\right|\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{16}\log\frac{1}{3}\\ C&=\frac{1}{4} \\ \text{So,} \\ x+\frac{1}{4}&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \end{aligned}

We can check our answer by differentiating with respect to xx.

x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)4x=y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣ddx{4x}=ddx{y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣}4=dydx+14⋅2dydx2y−1−14⋅2dydx2y+14=dydx(1+1/22y−1−1/22y+1)=dydx(4y24y2−1)dydx=4y2−1y2=4−1y2Differentiating with respect to x again, using the chain rule,d2ydx2=2y3⋅dydx(∗∗)\begin{aligned} x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ 4x&=y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\right\}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y-1} - \frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y+1}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(1+\frac{1/2}{2y-1} - \frac{1/2}{2y+1}\right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(\frac{4y^2}{4y^2-1}\right)\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2}=4-\frac{1}{y^2} \tag{$**$} \\ \text{Differentiating with respect to $x$ again, using the chain rule,} \\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}&=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

This is exactly the differential equation we were meant to solve.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 31번
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