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

603문제 · 28 / 31쪽

541.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

f(x)=Aekxf(x) = A e^{kx} 꼴의 함수를 생각하자. 여기서 AA 와 kk 는 상수이다. f(0)=5f(0)=5 이고 f(7)=πf(7)=\pi 일 때, 상수 AA 와 kk 를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a function of the form f(x)=Aekxf(x) = A e^{kx} where AA and kk are constants. If f(0)=5f(0)=5 and f(7)=πf(7)=\pi, find the constants AA and kk.

정답·풀이 보기

주어진 두 정보로부터 다음을 얻는다.

f(0)=A=5f(7)=Ae7k=π\begin{aligned} f(0) &= A = 5 & f(7) &= A e^{7k}=\pi \end{aligned}

따라서 A=5A=5 이고, π=f(7)=5e7k\pi = f(7) = 5e^{7k} 이다. 그러므로

e7k=π57k=log⁡(π/5)k=17⋅log⁡(π/5).\begin{aligned} e^{7k} &= \frac{\pi}{5} \\ 7k &= \log(\pi/5) \\ k &= \frac{1}{7} \cdot \log(\pi/5). \end{aligned}

여기서 log⁡\log 는 자연로그 log⁡e\log_e 를 뜻한다.

원본 교재 풀이(영어)

The two pieces of information give us

f(0)=A=5f(7)=Ae7k=π\begin{aligned} f(0) &= A = 5 & f(7) &= A e^{7k}=\pi \end{aligned}

Thus we know that A=5A=5 and so π=f(7)=5e7k\pi = f(7) = 5e^{7k}. Hence

e7k=π57k=log⁡(π/5)k=17⋅log⁡(π/5).\begin{aligned} e^{7k} &= \frac{\pi}{5} \\ 7k &= \log(\pi/5) \\ k &= \frac{1}{7} \cdot \log(\pi/5). \end{aligned}

where we use log⁡\log to mean natural logarithm, log⁡e\log_e.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 3번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
542.CLP-1 · 3.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

뼈 시료가 10,000 년 전에 죽은 동물의 것이다. 이 뼈가 동물이 죽을 때 5 μ\mug 의 탄소-14를 포함하고 있었다면, 지금은 탄소-14가 얼마나 들어 있을 것으로 예상하나요?

영어 원문 보기

A sample of bone belongs to an animal that died 10,000 years ago. If the bone contained 5 μ\mug of Carbon-14 when the animal died, how much Carbon-14 do you expect it to have now?

정답·풀이 보기

동물이 죽은 지 tt 년 후 시료에 들어 있는 탄소-14의 양은 Q(t)=5e−ktQ(t)=5e^{-kt} 이다. 여기서 kk 는 어떤 상수이고, 5는 시간 t=0t=0 일 때 시료에 들어 있는 탄소-14의 양이다. 따라서 우리가 구하는 답은 Q(10000)Q(10000) 이다. Q(10000)Q(10000) 의 값을 구하려면 kk 를 실제 수로 바꿔야 하는데, 그 열쇠는 반감기이다. 교재에 따르면 탄소-14의 반감기는 5730 년이므로 다음이 성립한다.

Q(5730)=525e−k⋅5730=52(e−k)5730=12e−k=125730=2−15730따라서:Q(t)=5(e−k)t=5⋅2−t5730이제 값을 구할 수 있다:Q(10000)=5⋅2−100005730≈1.5 μg\begin{aligned} Q(5730)&=\frac{5}{2}\\ 5e^{-k\cdot5730}&=\frac{5}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{5730}&=\frac{1}{2}\\ e^{-k}&=\sqrt[5730]{\frac{1}{2}}=2^{-\tfrac{1}{5730}} \\ \text{따라서:} \\ Q(t)&=5\left(e^{-k}\right)^t\\ &=5\cdot2^{-\tfrac{t}{5730}} \\ \text{이제 값을 구할 수 있다:} \\ Q(10000)&=5\cdot 2^{-\tfrac{10000}{5730}}\approx 1.5~\mu g \end{aligned}

참고: 2(5730)=11,4602(5730)=11,460 년이 지나면 시료는 반감기를 두 번 거친 셈이므로, 남아 있는 탄소-14는 처음 양의 4분의 1, 즉 1.251.25 μ\mug 이다. 10,000 년 후의 시료에는 11,460 년 후보다 탄소-14가 조금 더 많이 들어 있는 것이 타당하다. 실제로 1.5 는 1.25 보다 조금 크므로 우리가 구한 답은 그럴듯해 보인다.

답이 그럴듯한지 빠르게 확인할 방법을 찾는 것은 좋은 습관이다. 작은 계산 실수가 풀이에서 큰 오류로 이어지기 쉽기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Carbon-14 in the sample tt years after the animal died will be Q(t)=5e−ktQ(t)=5e^{-kt} for some constant kk (where 5 is the amount of Carbon-14 in the sample at time t=0t=0). So, the answer we're looking for is Q(10000)Q(10000). We need to replace kk with an actual number to evaluate Q(10000)Q(10000), and the key to doing this is the half-life. The text tells us that the half-life of Carbon-14 is 5730 years, so we know:

Q(5730)=525e−k⋅5730=52(e−k)5730=12e−k=125730=2−15730So:Q(t)=5(e−k)t=5⋅2−t5730Now, we can evaluate:Q(10000)=5⋅2−100005730≈1.5 μg\begin{aligned} Q(5730)&=\frac{5}{2}\\ 5e^{-k\cdot5730}&=\frac{5}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{5730}&=\frac{1}{2}\\ e^{-k}&=\sqrt[5730]{\frac{1}{2}}=2^{-\tfrac{1}{5730}} \\ \text{So:} \\ Q(t)&=5\left(e^{-k}\right)^t\\ &=5\cdot2^{-\tfrac{t}{5730}} \\ \text{Now, we can evaluate:} \\ Q(10000)&=5\cdot 2^{-\tfrac{10000}{5730}}\approx 1.5~\mu g \end{aligned}

Remark: after 2(5730)=11,4602(5730)=11,460 years, the sample will have been sitting for two half-lives, so its remaining Carbon-14 will be a quarter of its original amount, or 1.251.25 μ\mug. It makes sense that at 10,000 years, the sample will contain slightly more Carbon-14 than at 11,460 years. Indeed, 1.5 is slightly larger than 1.25, so our answer seems plausible.

It's a good habit to look for ways to quickly check whether your answer seems plausible, since a small algebra error can easily turn into a big error in your solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 4번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
543.CLP-1 · 3.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

1그램의 라듐-226이 들어 있는 시료를 100년 전에 실험실에 보관했는데, 지금은 이 시료에 라듐-226이 0.9576그램만 남아 있습니다. 라듐-226의 반감기를 구하세요.

영어 원문 보기

A sample containing one gram of Radium-226 was stored in a lab 100 years ago; now the sample only contains 0.9576 grams of Radium-226. What is the half-life of Radium-226?

정답·풀이 보기

100년 전을 시각 t=0t=0 이라 하자. 시료에 들어 있는 라듐-226의 양을 Q(t)Q(t) 라 하면 Q(0)=1Q(0)=1 이고,

Q(t)=e−kt어떤 양의 상수 k 에 대해 성립한다. t=100 일 때 남은 라듐-226의 양은 0.9576그램이므로0.9576=Q(100)=e−k⋅100=(e−k)100e−k=0.95761100이로부터 다음을 알 수 있다.Q(t)=0.9576t100따라서 라듐-226이 처음 양의 절반만큼 남아 있으려면12=0.9576t100log⁡(12)=log⁡(0.9576t100)−log⁡2=t100log⁡(0.9576)t=−100log⁡2log⁡0.9576≈1600\begin{aligned} Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{어떤 양의 상수 $k$ 에 대해 성립한다. $t=100$ 일 때 남은 라듐-226의 양은 0.9576그램이므로} \\ 0.9576=Q(100)&=e^{-k\cdot 100}=\left(e^{-k}\right)^{100}\\ e^{-k}&=0.9576^{\tfrac{1}{100}}\\ \text{이로부터 다음을 알 수 있다.} \\ Q(t)&=0.9576^{\tfrac{t}{100}} \\ \text{따라서 라듐-226이 처음 양의 절반만큼 남아 있으려면} \\ \frac{1}{2}&=0.9576^{\tfrac{t}{100}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(0.9576^{\tfrac{t}{100}}\right)\\ -\log 2&=\frac{t}{100}\log(0.9576)\\ t&=-100\frac{\log 2}{\log 0.9576}\approx 1600 \end{aligned}

따라서 라듐-226의 반감기는 약 1600년이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let 100 years ago be the time t=0t=0. Then if Q(t)Q(t) is the amount of Radium-226 in the sample, Q(0)=1Q(0)=1, and

Q(t)=e−ktfor some positive constant k. When t=100, the amount of Radium-226 left is 0.9576 grams, so0.9576=Q(100)=e−k⋅100=(e−k)100e−k=0.95761100This tells usQ(t)=0.9576t100So, if half the original amount of Radium-226 is left,12=0.9576t100log⁡(12)=log⁡(0.9576t100)−log⁡2=t100log⁡(0.9576)t=−100log⁡2log⁡0.9576≈1600\begin{aligned} Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{for some positive constant $k$. When $t=100$, the amount of Radium-226 left is 0.9576 grams, so} \\ 0.9576=Q(100)&=e^{-k\cdot 100}=\left(e^{-k}\right)^{100}\\ e^{-k}&=0.9576^{\tfrac{1}{100}}\\ \text{This tells us} \\ Q(t)&=0.9576^{\tfrac{t}{100}} \\ \text{So, if half the original amount of Radium-226 is left,} \\ \frac{1}{2}&=0.9576^{\tfrac{t}{100}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(0.9576^{\tfrac{t}{100}}\right)\\ -\log 2&=\frac{t}{100}\log(0.9576)\\ t&=-100\frac{\log 2}{\log 0.9576}\approx 1600 \end{aligned}

So, the half life of Radium-226 is about 1600 years.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 6번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
544.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
545.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
546.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
547.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

어떤 물체가 뉴턴의 냉각 법칙을 따르고, 그 물체의 온도가 어떤 상수 kk 에 대해 T(t)=[T(0)−A]ekt+AT(t)=[T(0)-A]e^{kt}+A 로 주어진다고 하자. T(t)=AT(t)=A 가 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object obeys Newton's Law of Cooling, and its temperature is given by T(t)=[T(0)−A]ekt+AT(t)=[T(0)-A]e^{kt}+A for some constant kk. At what time is T(t)=AT(t)=A?

정답·풀이 보기

우리가 알고 싶은 것은 다음이 성립하는 때이다.

[T(0)−A]ekt+A=A즉, 다음과 같을 때[T(0)−A]ekt=0모든 k 와 t 의 값에 대해 ekt>0 이므로, 이는 다음과 같을 때에만 일어난다T(0)−A=0\begin{aligned} [T(0)-A]e^{kt}+A&=A \\ \text{즉, 다음과 같을 때} \\ [T(0)-A]e^{kt}&=0 \\ \text{모든 $k$ 와 $t$ 의 값에 대해 $e^{kt}>0$ 이므로, 이는 다음과 같을 때에만 일어난다} \\ T(0)-A=0 \end{aligned}

따라서 물체의 처음 온도가 주위 온도와 같지 않으면, 이 모델에 따르면 물체의 온도는 결코 주위 온도와 같아지지 않는다! (그러나 tt 가 점점 커질수록 T(t)T(t) 는 AA 에 점점 가까워지며, 다만 정확히 AA 에 도달하지는 않는다.)

물체의 처음 온도가 주위 온도와 같으면 tt 의 모든 값에 대해 T(t)=AT(t)=A 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We want to know when

[T(0)−A]ekt+A=AThat is, when[T(0)−A]ekt=0Since ekt>0 for all values of k and t, this happens exactly whenT(0)−A=0\begin{aligned} [T(0)-A]e^{kt}+A&=A \\ \text{That is, when} \\ [T(0)-A]e^{kt}&=0 \\ \text{Since $e^{kt}>0$ for all values of $k$ and $t$, this happens exactly when} \\ T(0)-A=0 \end{aligned}

So: if the initial temperature of the object is not the same as the ambient temperature, then according to this model, it never will be! (However, as tt gets larger and larger, T(t)T(t) gets closer and closer to AA–it just never exactly reaches there.)

If the initial temperature of the object starts out the same as the ambient temperature, then T(t)=AT(t)=A for all values of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 7번
# 지수적 증가와 감소활용기본자동 분류
548.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
549.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
550.CLP-1 · 3.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

시각 tt 에서의 인구가 맬서스 모형 P(t)=P(0)ebt 어떤 양의 상수 b 에 대해P(t)=P(0)e^{bt}\text{ 어떤 양의 상수 $b$ 에 대해} 으로 주어졌다고 하자. lim⁡t→∞P(t)\displaystyle \lim_{t \to \infty}P(t) 의 값을 구하세요. 이 모형은 tt 의 값이 클 때 타당한가요?

영어 원문 보기

Let a population at time tt be given by the Malthusian model, P(t)=P(0)ebt for some positive constant b.P(t)=P(0)e^{bt}\text{ for some positive constant $b$.} Evaluate lim⁡t→∞P(t)\displaystyle \lim_{t \to \infty}P(t). Does this model make sense for large values of tt?

정답·풀이 보기

bb 가 양의 상수이므로 lim⁡t→∞ebt=∞\displaystyle \lim_{t \to \infty}e^{bt}=\infty 이다. 따라서

lim⁡t→∞P(t)=lim⁡t→∞P(0)ebt={0P(0)=0 일 때∞P(0)>0 일 때\begin{aligned} \lim_{t \to \infty}P(t)&=\lim_{t \to \infty} P(0)e^{bt} =\left\{\begin{array}{cc} 0&P(0)=0\text{ 일 때}\\ \infty&P(0)>0\text{ 일 때} \end{array}\right. \end{aligned}

이다.

P(0)=0P(0)=0 이면 이 모형은 단순히 “개체가 하나도 없이 시작한 인구는 영원히 개체가 없는 상태로 남는다”고 말하는 것이며, 이는 분명히 타당하다. P(0)≠0P(0) \neq 0 이면 (인구가 음수일 수는 없으므로) P(0)>0P(0)>0 이고, 이 모형은 “어떤 개체들로 시작한 인구는 충분한 시간이 주어지면 상상할 수 있는 어떤 거대한 수에도 이르게 된다”고 말한다. 이것은 그다지 타당하지 않다. 인구는 자원의 부족 등으로 인해 어느 유한한 크기까지만 증가한다. 맬서스 모형을 유도할 때는 순출생률이 상수라고, 즉 (개체당) 출생률과 사망률이 인구에 의존하지 않는다고 가정하는데, 이는 장기적으로는 합리적인 가정이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

Since bb is a positive constant, lim⁡t→∞ebt=∞\displaystyle \lim_{t \to \infty}e^{bt}=\infty. Therefore:

lim⁡t→∞P(t)=lim⁡t→∞P(0)ebt={0 if P(0)=0∞ if P(0)>0\begin{aligned} \lim_{t \to \infty}P(t)&=\lim_{t \to \infty} P(0)e^{bt} =\left\{\begin{array}{cc} 0&\text{ if }P(0)=0\\ \infty&\text{ if }P(0)>0 \end{array}\right. \end{aligned}

If P(0)=0P(0)=0, then the model simply says “a population that starts with no individuals continues to have no individuals indefinitely," which certainly makes sense. If P(0)≠0P(0) \neq 0, then (since we can't have a negative population) P(0)>0P(0)>0, and the model says “a population that starts out with some individuals will end up with any gigantically huge number you can think of, given enough time." This one doesn't make so much sense. Populations only grow to a certain finite amount, due to scarcity of resources and such. In the derivation of the Malthusian model, we assume a constant net birth rate–that the birth and death rates (per individual) don't depend on the population, which is not a reasonable assumption long-term.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 3번
# 지수적 증가와 감소활용기본자동 분류
551.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
552.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?

답 쓰고 채점
시간
정답·풀이 보기

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
553.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

한 쌍의 쥐가 난파 사고 후 어느 섬에 오게 되었다. 이 쥐들은 맬서스 모형에 따라 번식한다. 1928년에 섬에는 쥐가 1,000마리 있었고, 다음 해에는 1500마리 있었다. 난파 사고는 언제 일어났는지 구하세요.

영어 원문 보기

A single pair of rats comes to an island after a shipwreck. They multiply according to the Malthusian model. In 1928, there were 1,000 rats on the island, and the next year there were 1500. When was the shipwreck?

정답·풀이 보기

맬서스 모형에 따르면, 배가 t=0t=0 인 해에 난파되었고 쥐 2마리가 섬에 닿았다면, 난파 tt 년 후 쥐의 개체 수는 다음과 같다.

P(t)=2ebt어떤 상수 b 에 대해 성립한다. 이 불필요한 변수 b 를 없애기 위해 주어진 정보를 이용한다. 1928년이 난파 a 년 후라면:1000=P(a)=2eba1500=P(a+1)=2eb(a+1)=2ebaeb따라서,(1000)(eb)=(2eba)(eb)=1500이로부터 다음을 알 수 있다.eb=15001000=1.5이제 모형이 완성되었다:P(t)=2(eb)t=2⋅1.5tP(a)=1000 이므로 a 를 구할 수 있다:1000=P(a)=2⋅1.5a500=1.5alog⁡(500)=log⁡(1.5a)=alog⁡(1.5)a=log⁡(500)log⁡(1.5)≈15.3\begin{aligned} P(t)&=2e^{bt} \\ \text{어떤 상수 $b$ 에 대해 성립한다. 이 불필요한 변수 $b$ 를 없애기 위해 주어진 정보를 이용한다. 1928년이 난파 $a$ 년 후라면:} \\ 1000=P(a)&=2e^{ba}\\ 1500=P(a+1)&=2e^{b(a+1)}=2e^{ba}e^b \\ \text{따라서,} \\ (1000)\left(e^b\right)&=\left(2e^{ba}\right)\left(e^b\right)=1500 \\ \text{이로부터 다음을 알 수 있다.} \\ e^b&=\frac{1500}{1000}=1.5 \\ \text{이제 모형이 완성되었다:} \\ P(t)&=2\left(e^b\right)^t=2\cdot1.5^t \\ \text{$P(a)=1000$ 이므로 $a$ 를 구할 수 있다:} \\ 1000=P(a)&=2\cdot1.5^a\\ 500&=1.5^a\\ \log(500)&=\log\left(1.5^a\right)=a\log(1.5)\\ a&=\frac{\log(500)}{\log(1.5)}\approx 15.3 \end{aligned}

따라서 1928년은 난파 약 15.3년 후이다. 쥐가 정확히 1000마리가 된 달이 주어지지 않았으므로, 난파는 1912년 또는 1913년에 일어난 것이 된다.

원본 교재 풀이(영어)

According to the Malthusian Model, if the ship wrecked at year t=0t=0 and 2 rats washed up on the island, then tt years after the wreck, the population of rats will be

P(t)=2ebtfor some constant b. We want to get rid of this extraneous variable b, so we use the given information. If 1928 is a years after the wreck:1000=P(a)=2eba1500=P(a+1)=2eb(a+1)=2ebaebSo,(1000)(eb)=(2eba)(eb)=1500Which tells useb=15001000=1.5Now, our model is complete:P(t)=2(eb)t=2⋅1.5tSince P(a)=1000, we can find a:1000=P(a)=2⋅1.5a500=1.5alog⁡(500)=log⁡(1.5a)=alog⁡(1.5)a=log⁡(500)log⁡(1.5)≈15.3\begin{aligned} P(t)&=2e^{bt} \\ \text{for some constant $b$. We want to get rid of this extraneous variable $b$, so we use the given information. If 1928 is $a$ years after the wreck:} \\ 1000=P(a)&=2e^{ba}\\ 1500=P(a+1)&=2e^{b(a+1)}=2e^{ba}e^b \\ \text{So,} \\ (1000)\left(e^b\right)&=\left(2e^{ba}\right)\left(e^b\right)=1500 \\ \text{Which tells us} \\ e^b&=\frac{1500}{1000}=1.5 \\ \text{Now, our model is complete:} \\ P(t)&=2\left(e^b\right)^t=2\cdot1.5^t \\ \text{Since $P(a)=1000$, we can find $a$:} \\ 1000=P(a)&=2\cdot1.5^a\\ 500&=1.5^a\\ \log(500)&=\log\left(1.5^a\right)=a\log(1.5)\\ a&=\frac{\log(500)}{\log(1.5)}\approx 15.3 \end{aligned}

So, the year 1928 was about 15.3 years after the shipwreck. Since we aren't given a month when the rats reached exactly 1000 in number, that puts the shipwreck at the year 1912 or 1913.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 9번
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류
554.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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정답·풀이 보기

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
555.CLP-1 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 방사성 물질의 20%가 붕괴하는 데 8일이 걸립니다. 이 물질 100그램이 40그램으로 붕괴하는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.

영어 원문 보기

It takes 8 days for 20% of a particular radioactive material to decay. How long does it take for 100 grams of the material to decay to 40 grams?

답 쓰고 채점
일
정답·풀이 보기

tt일 후의 방사성 물질의 양을 Q(t)Q(t)라 하자. 그러면 Q(t)=Q(0)ektQ(t)=Q(0)e^{kt} 이다. 주어진 조건에서

Q(8)=0.8 Q(0)따라서,Q(0)e8k=0.8 Q(0)e8k=0.8ek=0.818Q(0)=100 일 때, Q(t)=40 이 되는 시간 t 는 다음과 같이 정해진다.40=Q(t)=Q(0)ekt=100ekt=100(0.818)t=100⋅0.8t8t 에 대해 풀면:40100=0.8t8log⁡(0.4)=log⁡(0.8t8)=t8log⁡(0.8)t=8log⁡(0.4)log⁡(0.8)≈32.85 일\begin{aligned} Q(8)&=0.8\,Q(0) \\ \text{따라서,} \\ Q(0)e^{8k}&=0.8\,Q(0)\\ e^{8k}&=0.8\\ e^k&=0.8^{\tfrac{1}{8}} \\ \text{$Q(0)=100$ 일 때, $Q(t)=40$ 이 되는 시간 $t$ 는 다음과 같이 정해진다.} \\ 40=Q(t)&=Q(0)e^{kt}=100e^{kt}=100\left(0.8^{\tfrac{1}{8}}\right)^t=100\cdot 0.8^{\tfrac{t}{8}} \\ \text{$t$ 에 대해 풀면:} \\ \frac{40}{100}&=0.8^{\tfrac{t}{8}}\\ \log\left(0.4\right)&=\log\left(0.8^{\tfrac{t}{8}}\right)=\frac{t}{8}\log(0.8)\\ t&=\frac{8\log(0.4)}{\log(0.8)}\approx 32.85\text{ 일} \end{aligned}

100그램은 약 32.85일 후에 40그램으로 붕괴한다.

원본 교재 풀이(영어)

Let Q(t)Q(t) denote the amount of radioactive material after tt days. Then Q(t)=Q(0)ektQ(t)=Q(0)e^{kt}. We are told

Q(8)=0.8 Q(0)So,Q(0)e8k=0.8 Q(0)e8k=0.8ek=0.818If Q(0)=100, the time t at which Q(t)=40 is determined by40=Q(t)=Q(0)ekt=100ekt=100(0.818)t=100⋅0.8t8Solving for t:40100=0.8t8log⁡(0.4)=log⁡(0.8t8)=t8log⁡(0.8)t=8log⁡(0.4)log⁡(0.8)≈32.85 days\begin{aligned} Q(8)&=0.8\,Q(0) \\ \text{So,} \\ Q(0)e^{8k}&=0.8\,Q(0)\\ e^{8k}&=0.8\\ e^k&=0.8^{\tfrac{1}{8}} \\ \text{If $Q(0)=100$, the time $t$ at which $Q(t)=40$ is determined by} \\ 40=Q(t)&=Q(0)e^{kt}=100e^{kt}=100\left(0.8^{\tfrac{1}{8}}\right)^t=100\cdot 0.8^{\tfrac{t}{8}} \\ \text{Solving for $t$:} \\ \frac{40}{100}&=0.8^{\tfrac{t}{8}}\\ \log\left(0.4\right)&=\log\left(0.8^{\tfrac{t}{8}}\right)=\frac{t}{8}\log(0.8)\\ t&=\frac{8\log(0.4)}{\log(0.8)}\approx 32.85\text{ days} \end{aligned}

100 grams will decay to 40 grams in about 32.85 days.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.8절 · 28번
# 지수적 증가와 감소계산자동 분류
556.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

끓는 물이 담긴 유리잔을 방에 놓아두었습니다. 15분 후에는 85∘^\circ C로 식었고, 30분 후에는 73∘^\circ C가 되었습니다. 방의 온도는 몇 도인지 구하세요.

영어 원문 보기

A glass of boiling water is left in a room. After 15 minutes, it has cooled to 85∘^\circ C, and after 30 minutes it is 73∘^\circ C. What temperature is the room?

정답·풀이 보기

끓는 물을 방에 놓아둔 때를 t=0t=0 이라 하고, tt분 후 물의 온도를 T(t)T(t)라 하자. 그러면 T(0)=100T(0)=100 이다. 뉴턴의 냉각 법칙을 이용하여 시간 tt 에서 물의 온도를 다음과 같이 나타낸다.

T(t)=[100−A]eKt+A여기서 A 는 방의 온도이고, K 는 어떤 상수이다. T(15)=85 이고 T(30)=73 이므로:85=T(15)=[100−A]e15K+A73=T(30)=[100−A]e30K+A두 식을 정리하면:85−A100−A=e15K73−A100−A=e30K=(e15K)2이 식들을 이용하면:(85−A100−A)2=(e15K)2=e30K=73−A100−A(85−A)2100−A=73−A(85−A)2=(73−A)(100−A)852−170A+A2=7300−173A+A2173A−170A=7300−8523A=75A=25\begin{aligned} T(t)&=[100-A]e^{Kt}+A \\ \text{여기서 $A$ 는 방의 온도이고, $K$ 는 어떤 상수이다. $T(15)=85$ 이고 $T(30)=73$ 이므로:} \\ 85=T(15)&=[100-A]e^{15K}+A\\ 73=T(30)&=[100-A]e^{30K}+A \\ \text{두 식을 정리하면:} \\ \frac{85-A}{100-A}&=e^{15K}\\ \frac{73-A}{100-A}&=e^{30K}=\left(e^{15K}\right)^2 \\ \text{이 식들을 이용하면:} \\ \left(\frac{85-A}{100-A}\right)^2=\left(e^{15K}\right)^2&=e^{30K}=\frac{73-A}{100-A}\\ \frac{(85-A)^2}{100-A}&=73-A\\ (85-A)^2&=(73-A)(100-A)\\ 85^2-170A+A^2&=7300-173A+A^2\\ 173A-170A&=7300-85^2\\ 3A&=75\\ A&=25 \end{aligned}

방의 온도는 25∘^\circ C이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let t=0t=0 be the time the boiling water is left in the room, and let T(t)T(t) be the temperature of the water tt minutes later, so T(0)=100T(0)=100. Using Newton's Law of Cooling, we model the temperature of the water at time tt as

T(t)=[100−A]eKt+Awhere A is the room temperature, and K is some constant. We are told that T(15)=85 and T(30)=73, so:85=T(15)=[100−A]e15K+A73=T(30)=[100−A]e30K+ARearranging both equations:85−A100−A=e15K73−A100−A=e30K=(e15K)2Using these equations:(85−A100−A)2=(e15K)2=e30K=73−A100−A(85−A)2100−A=73−A(85−A)2=(73−A)(100−A)852−170A+A2=7300−173A+A2173A−170A=7300−8523A=75A=25\begin{aligned} T(t)&=[100-A]e^{Kt}+A \\ \text{where $A$ is the room temperature, and $K$ is some constant. We are told that $T(15)=85$ and $T(30)=73$, so:} \\ 85=T(15)&=[100-A]e^{15K}+A\\ 73=T(30)&=[100-A]e^{30K}+A \\ \text{Rearranging both equations:} \\ \frac{85-A}{100-A}&=e^{15K}\\ \frac{73-A}{100-A}&=e^{30K}=\left(e^{15K}\right)^2 \\ \text{Using these equations:} \\ \left(\frac{85-A}{100-A}\right)^2=\left(e^{15K}\right)^2&=e^{30K}=\frac{73-A}{100-A}\\ \frac{(85-A)^2}{100-A}&=73-A\\ (85-A)^2&=(73-A)(100-A)\\ 85^2-170A+A^2&=7300-173A+A^2\\ 173A-170A&=7300-85^2\\ 3A&=75\\ A&=25 \end{aligned}

The room temperature is 25∘^\circ C.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 3번
# 지수적 증가와 감소활용자동 분류
557.CLP-2 · 2.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래는 함수 y=f(x)y=f(x) 와 미분방정식의 짝이다. 각 짝에 대해 그 함수가 미분방정식의 해인지 판단하세요.

  함수미분방정식 (a)y=5(ex−3x2−6x−6)dydx=y+15x2(b)y=−2x2+1y′(x)=xy2(c)y=x3/2+x(dydx)2+dydx=y\begin{array}{c|l|l|}\text{ ~} & \text{\textbf{함수}} & \text{\textbf{미분방정식}} \\ \text{ (a)} & y=5(e^x-3x^2-6x-6) & \displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 \\ \text{(b)} & y=\dfrac{-2}{x^2+1} & y'(x)=xy^2 \\ \text{(c)} & y=x^{3/2}+x & \displaystyle\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2 + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y \\ \text{}\end{array}

영어 원문 보기

Below are pairs of functions y=f(x)y=f(x) and differential equations. For each pair, decide whether the function is a solution of the differential equation.

  functiondifferential equation (a)y=5(ex−3x2−6x−6)dydx=y+15x2(b)y=−2x2+1y′(x)=xy2(c)y=x3/2+x(dydx)2+dydx=y\begin{array}{c|l|l|}\text{ ~} & \text{\textbf{function}} & \text{\textbf{differential equation}} \\ \text{ (a)} & y=5(e^x-3x^2-6x-6) & \displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 \\ \text{(b)} & y=\dfrac{-2}{x^2+1} & y'(x)=xy^2 \\ \text{(c)} & y=x^{3/2}+x & \displaystyle\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2 + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y \\ \text{}\end{array}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) 이면 dydx=5(ex−6x−6)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 5(e^x-6x-6) 이다. 이것이 y+15x2y+15x^2 과 같은지 확인해 보자.

y+15x2=5(ex−3x2−6x−6)+15x2=5(ex−3x2−6x−6+3x2)=5(ex−6x−6)=dydx\begin{aligned} y+15x^2&=5(e^x-3x^2-6x-6)+15x^2\\ &=5(e^x-3x^2-6x-6+3x^2)\\ &=5(e^x-6x-6)\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) 은 미분방정식 dydx=y+15x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2 의 해가 맞다. (b) y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} 이면 dydx=4x(x+1)2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{4x}{(x+1)^2} 이다. 이것이 xy2xy^2 과 같은지 확인해 보자.

xy2=x(−2x2+1)2=4x(x2+1)2=dydx\begin{aligned} xy^2&=x\left(\frac{-2}{x^2+1}\right)^2\\ &=\frac{4x}{(x^2+1)^2}\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} 은 미분방정식 dydx=xy2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy^2 의 해가 맞다. (c) y=x3/2+xy=x^{3/2}+x 이면 dydx=32x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}+1 이다.

(dydx)2+dydx=(32x+1)2+32x+1=94x+92x+2≠dydx\begin{aligned} \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\left(\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\right)^2+\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\\ &=\frac{9}{4}x+\frac{9}{2}\sqrt{x}+2\\ &\neq \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

따라서 y=x3/2+xy=x^{3/2}+x 는 미분방정식 (dydx)2+dydx=y\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y 의 해가 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6), then dydx=5(ex−6x−6)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 5(e^x-6x-6). Let's see whether this is equal to y+15x2y+15x^2:

y+15x2=5(ex−3x2−6x−6)+15x2=5(ex−3x2−6x−6+3x2)=5(ex−6x−6)=dydx\begin{aligned} y+15x^2&=5(e^x-3x^2-6x-6)+15x^2\\ &=5(e^x-3x^2-6x-6+3x^2)\\ &=5(e^x-6x-6)\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=5(ex−3x2−6x−6)y=5(e^x-3x^2-6x-6) is indeed a solution to the differential equation dydx=y+15x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y+15x^2. (b) If y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1}, then dydx=4x(x+1)2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{4x}{(x+1)^2}. Let's see whether this is equal to xy2xy^2:

xy2=x(−2x2+1)2=4x(x2+1)2=dydx\begin{aligned} xy^2&=x\left(\frac{-2}{x^2+1}\right)^2\\ &=\frac{4x}{(x^2+1)^2}\\ &=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=−2x2+1y=\dfrac{-2}{x^2+1} is indeed a solution to the differential equation dydx=xy2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy^2. (c) If y=x3/2+xy=x^{3/2}+x, then dydx=32x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}+1.

(dydx)2+dydx=(32x+1)2+32x+1=94x+92x+2≠dydx\begin{aligned} \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\left(\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\right)^2+\frac{3}{2}\sqrt{x}+1\\ &=\frac{9}{4}x+\frac{9}{2}\sqrt{x}+2\\ &\neq \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

So, y=x3/2+xy=x^{3/2}+x is not a solution to the differential equation (dydx)2+dydx=y\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.3절 · 21번
# 변수분리형 미분방정식계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
558.CLP-2 · 2.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

y=f(x)y=f(x) 가 미분방정식 dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy 의 해라고 하자.

참 또는 거짓: 임의의 상수 CC 에 대해 f(x)+Cf(x)+C 도 해이다.

영어 원문 보기

Suppose y=f(x)y=f(x) is a solution to the differential equation dydx=xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=xy.

True or false: f(x)+Cf(x)+C is also a solution, for any constant CC.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

y=f(x)+Cy=f(x)+C 가 이 미분방정식의 해라는 것은 다음을 뜻한다.

ddx{f(x)+C}=x(f(x)+C)y=f(x) 가 해이므로 ddx{f(x)}=xf(x) 이다. 또한 ddx{f(x)+C}=ddx{f(x)} 이다. 따라서 ddx{f(x)+C}=xf(x) 이다.xf(x)=x(f(x)+C)0=xC\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}&=x(f(x)+C) \\ \text{$y=f(x)$ 가 해이므로 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}=xf(x)$ 이다. 또한 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}$ 이다. 따라서 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=xf(x)$ 이다.} \\ xf(x)&=x(f(x)+C)\\ 0&=xC \end{aligned}

이 등식은 정의역의 모든 xx 에 대해 성립해야 하고, yy 를 xx 에 대해 미분하는 것이 의미를 가지려면 정의역이 한 점만으로 이루어져서는 안 된다. 따라서 정의역에는 x≠0x \neq 0 인 xx 가 존재한다. 그러므로 CC 는 반드시 0이어야 한다. 즉, f(x)+Cf(x)+C 는 어떤 상수 CC 에 대해서도 이 미분방정식의 해가 아니다.

일반적인 부정적분을 구할 때에는 마지막에 “+C+C"를 더한다. 미분방정식의 일반해를 구할 때에는 부정적분을 하는 단계에서 “+C+C"가 더해지므로, 풀이 마지막에 또 하나를 더하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

To say y=f(x)+Cy=f(x)+C is a solution to the differential equation means:

ddx{f(x)+C}=x(f(x)+C)Since y=f(x) is a solution, we know ddx{f(x)}=xf(x). Also, ddx{f(x)+C}=ddx{f(x)}. So, ddx{f(x)+C}=xf(x).xf(x)=x(f(x)+C)0=xC\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}&=x(f(x)+C) \\ \text{Since $y=f(x)$ is a solution, we know $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}=xf(x)$. Also, $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}$. So, $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+C\}=xf(x)$.} \\ xf(x)&=x(f(x)+C)\\ 0&=xC \end{aligned}

Our equation should hold for all xx in our domain, and for the derivative to yy with respect to xx to make sense, our domain should not be a single point. So, there is some xx in our domain such that x≠0x \neq 0. Therefore, the CC must be zero. So, f(x)+Cf(x)+C is not a solution to the differential equation for any constant CC.

When we're finding a general antiderivative, we add “+C+C" at the end. When we're finding a general solution to a differential equation, the “+C+C" gets added when we antidifferentiate–we don't add another one at the end of our work.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 17번
# 변수분리형 미분방정식개념 확인기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
559.CLP-2 · 2.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

함수 y=f(x)y=f(x) 가 어떤 상수 C>0C>0 에 대해 ∣y∣=Cx|y| = Cx 를 만족시킨다고 하자.

(a) 주어진 정보로 볼 때, f(x)f(x) 의 정의역이 될 수 있는 가장 큰 범위는 무엇인지 구하세요. (b) 다음 성질을 모두 갖는 함수 y=f(x)y=f(x) 의 예를 들거나, 그런 함수가 존재하지 않음을 보이세요.

  • ∣y∣=Cx|y| = Cx,
  • 모든 x>0x>0 에 대해 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 가 존재하고,
  • 어떤 xx 에서는 y>0y>0 이고, 다른 xx 에서는 y<0y<0 이다.
영어 원문 보기

Suppose a function y=f(x)y=f(x) satisfies ∣y∣=Cx|y| = Cx, for some constant C>0C>0.

(a) What is the largest possible domain of f(x)f(x), given the information at hand? (b) Give an example of function y=f(x)y=f(x) with the following properties, or show that none exists:

  • ∣y∣=Cx|y| = Cx,
  • dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} exists for all x>0x>0, and
  • y>0y>0 for some values of xx, and y<0y<0 for others.
정답·풀이 보기

(a) yy 가 어떤 값이든 ∣y∣≥0|y| \geq 0 이므로, f(x)f(x) 의 정의역에 속하는 모든 xx 에 대해 Cx≥0Cx \ge 0 이다. CC 가 양수이므로 f(x)f(x) 의 정의역에는 음이 아닌 수만 포함된다. 따라서 f(x)f(x) 의 정의역이 될 수 있는 가장 큰 범위는 [0,∞)[0,\infty) 이다. (b) 존재하지 않는다.

아래 그림은 어떤 양의 상수 CC 에 대한 CxCx 의 그래프와 −Cx-Cx 의 그래프이다. y=f(x)y=f(x) 가 어떤 곳에서는 위쪽 함수이고 다른 곳에서는 아래쪽 함수라면, 그것이 바뀌는 곳에서 점프 불연속이 생긴다. 그러면 f(x)f(x) 의 도함수가 존재하지 않게 되어 두 번째 성질에 어긋난다.

그림

사소한 기술적 참고로, x=0x=0 에서 f(x)=Cxf(x)=Cx 이고 x>0x>0 에서 f(x)=−Cxf(x)=-Cx 인 경우(또는 그 반대)가 가능하다. 이 경우에는 점프 불연속이 생기지 않지만, 어떤 xx 에서 f(x)>0f(x)>0 이라는 조건은 만족시키지 못한다.

참고: 아래의 여러 경우에서, 미분방정식을 풀면 ∣y∣=g(x)|y|=g(x) 와 같은 결론에 이르게 된다. 이럴 때 우리는 y=g(x)y=g(x) 또는 y=−g(x)y=-g(x) 중 하나를 택하며, y=±g(x)y=\pm g(x) (이것은 함수가 아니다)나 yy 가 어떤 곳에서는 g(x)g(x) 이고 다른 곳에서는 −g(x)-g(x) 라고 택하지는 않는다. 위의 추론이 이 선택을 어느 정도 설명해 준다. yy 가 어떤 곳에서는 양수이고 다른 곳에서는 음수라면, yy 의 부호가 바뀌는 xx 의 값에서는 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 가 존재하지 않기 때문이다. 단, 그 부호 변화가 g(x)g(x) 의 근에서 일어나는 경우는 예외이다. 그런 경우는 매우 특수하므로, 우리는 기술적인 세부 사항에 얽매이지 않기 위해 보통 이를 무시해도 안전하다고 본다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since ∣y∣≥0|y| \geq 0 no matter what yy is, we see Cx≥0Cx \ge 0 for all xx in the domain of f(x)f(x). Since CC is positive, that means the domain of f(x)f(x) only includes nonnegative numbers. So, the largest possible domain of f(x)f(x) is [0,∞)[0,\infty). (b) None exists.

The graph of CxCx is given below for some positive constant CC, also with the graph of −Cx-Cx. If y=f(x)y=f(x) were sometimes the top function, and other times the bottom function, then there would be a jump discontinuity where it switched. Then the derivative of f(x)f(x) would not exist, violating the second property.

figure

A tiny technical note is that it's possible that f(x)=Cxf(x)=Cx when x=0x=0 and f(x)=−Cxf(x)=-Cx when x>0x>0 (or vice-versa). This would not introduce a jump discontinuity, but it also does not satisfy that f(x)>0f(x)>0 for some values of xx.

Remark: in several instances below, solving a differential equation will lead us to conclude something like ∣y∣=g(x)|y|=g(x). In these cases, we choose either y=g(x)y=g(x), or y=−g(x)y=-g(x), but not y=±g(x)y=\pm g(x) (which is not a function) or that yy is sometimes g(x)g(x), and other times −g(x)-g(x). The reasoning above somewhat explains this choice: if yy were sometimes positive and sometimes negative, then dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} would not exist at the values of xx where the sign of yy switches, unless that switch occurrs at a root of g(x)g(x). Since that's a pretty specific occurrence, we usually feel safe ignoring it to avoid getting bogged down in technical details.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 28번
# 변수분리형 미분방정식증명·논술기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
560.CLP-2 · 2.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 문장(이 문장은 로잔대학교 약동학 웹사이트의 “소거 동역학”을 https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=94 에서 의역한 것이다. 모르핀의 반감기는 같은 웹사이트의 https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=85 에 나와 있다. 2017년 8월 12일에 접속함.)을 미분방정식으로 나타내세요. 방정식을 풀 필요는 없습니다.

혈류 속 모르핀 총량의 약 0.3 퍼센트가 매분 소거된다.

영어 원문 보기

Express the following sentence (The sentence is paraphrased from the Pharmakokinetics website of Universite de Lausanne, “Elimination Kinetics," at https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=94 . The half-life of morphine is given on the same website at https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=85 . Accessed 12 August 2017.) as a differential equation. You don't have to solve the equation.

About 0.3 percent of the total quantity of morphine in the bloodstream is eliminated every minute.

정답·풀이 보기

Q(t)Q(t) 를 시각 tt 에서 환자의 혈류 속 모르핀의 양이라 하자. 여기서 tt 는 분 단위로 잰다.

도함수의 정의에 의하여 dQdt=lim⁡h→0Q(t+h)−Q(t)h≈Q(t+1)−Q(t)1\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=\lim_{h \to 0}\frac{Q(t+h)-Q(t)}{h}\approx \frac{Q(t+1)-Q(t)}{1} 이다. 따라서 dQdt\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} 는 tt 부터 t+1t+1 까지 1분 동안 모르핀 양의 변화량과 거의 같다.

문장에 의하면 1분 동안 모르핀 양의 변화량은 약 −0.003Q-0.003Q 이다. 여기서 QQ 는 혈류 속 모르핀의 양이다. 즉 dQdt=−0.003Q(t)\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=-0.003Q(t) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let Q(t)Q(t) be the quantity of morphine in a patient's bloodstream at time tt, where tt is measured in minutes.

Using the definition of a derivative, dQdt=lim⁡h→0Q(t+h)−Q(t)h≈Q(t+1)−Q(t)1\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=\lim_{h \to 0}\frac{Q(t+h)-Q(t)}{h}\approx \frac{Q(t+1)-Q(t)}{1} So, dQdt\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} is roughly the change in the amount of morphine in one minute, from tt to t+1t+1.

The sentence tells us that the change in the amount of morphine in one minute is about −0.003Q-0.003Q, where QQ is the quantity in the bloodstream. That is: dQdt=−0.003Q(t)\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=-0.003Q(t)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 15번
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