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

5문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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
3.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)
4.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)
5.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)