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

50문제 · 3 / 3쪽

41.APEX · 7번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10에서, 주어진 함수가 미분방정식 또는 초깃값 문제의 해임을 확인하세요.

y=Ce−6x2y = Ce^{-6x^2}; y′=−12xyy' = -12xy.

영어 원문 보기

In Exercises 7–10, verify that the given function is a solution to the differential equation or initial value problem.

y=Ce−6x2y = Ce^{-6x^2}; y′=−12xyy' = -12xy.

정답·풀이 보기

답은 다를 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Answers will vary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 32번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
42.APEX · 8번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10번에서, 주어진 함수가 미분방정식 또는 초깃값 문제의 해임을 확인하세요.

y=xsin⁡xy = x\sin x; y′−xcos⁡x=(x2+1)sin⁡x−xyy' - x\cos x= (x^2+1)\sin x - xy 이고 y(π)=0y(\pi) = 0.

영어 원문 보기

In Exercises 7–10, verify that the given function is a solution to the differential equation or initial value problem.

y=xsin⁡xy = x\sin x; y′−xcos⁡x=(x2+1)sin⁡x−xy,y' - x\cos x= (x^2+1)\sin x - xy, with y(π)=0y(\pi) = 0.

정답·풀이 보기

답은 다양하다.

원본 교재 풀이(영어)

Answers will vary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 14번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
43.APEX · 9번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10번에서, 주어진 함수가 미분방정식 또는 초깃값 문제의 해임을 확인하세요.

2x2−y2=C2x^2-y^2=C; yy′−2x=0yy'-2x = 0

영어 원문 보기

In Exercises 7–10, verify that the given function is a solution to the differential equation or initial value problem.

2x2−y2=C2x^2-y^2=C; yy′−2x=0yy'-2x = 0

정답·풀이 보기

답은 다양하다.

원본 교재 풀이(영어)

Answers will vary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 42번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
44.APEX · 10번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10번에서, 주어진 함수가 미분방정식 또는 초깃값 문제의 해임을 확인하세요.

y=xexy=xe^x; y′′−2y′+y=0y'' - 2y' + y = 0

영어 원문 보기

In Exercises 7–10, verify that the given function is a solution to the differential equation or initial value problem.

y=xexy=xe^x; y′′−2y′+y=0y'' - 2y' + y = 0

정답·풀이 보기

답은 다양하다.

원본 교재 풀이(영어)

Answers will vary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 2번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
45.APEX · 11번대학 수준우리말 번역

연습문제 11–12번에서, 주어진 함수가 미분방정식의 해임을 확인하고, 그 함수가 초기 조건을 만족하도록 하는 CC 의 값을 구하세요.

y=4e3xsin⁡x+Ce3xy = 4e^{3x}\sin x + Ce^{3x}; y′−3y=4e3xcos⁡xy' - 3y = 4e^{3x}\cos x 이고 y(0)=2y(0)=2

영어 원문 보기

In Exercises 11–12, verify that the given function is a solution to the differential equation and find the CC value required to make the function satisfy the initial condition.

y=4e3xsin⁡x+Ce3xy = 4e^{3x}\sin x + Ce^{3x}; y′−3y=4e3xcos⁡x,y' - 3y = 4e^{3x}\cos x, with y(0)=2y(0)=2

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

C=2C = 2

원본 교재 풀이(영어)

C=2C = 2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.2절 · 9번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
46.APEX · 12번대학 수준우리말 번역

연습문제 11–12번에서, 주어진 함수가 미분방정식의 해임을 확인하고, 그 함수가 초기 조건을 만족하도록 하는 CC 의 값을 구하세요.

y(x2+y)=Cy(x^2+y) = C; 2xy+(x2+2y)y′=02xy + (x^2+2y)y'= 0 이고 y(1)=2y(1)=2

영어 원문 보기

In Exercises 11–12, verify that the given function is a solution to the differential equation and find the CC value required to make the function satisfy the initial condition.

y(x2+y)=Cy(x^2+y) = C; 2xy+(x2+2y)y′=0,2xy + (x^2+2y)y'= 0, with y(1)=2y(1)=2

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

C=6C = 6

원본 교재 풀이(영어)

C=6C = 6

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 3번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
47.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)
48.Active Calculus · 7.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

T(t)T(t) 가 방 안에 놓아 둔 커피 한 잔의 온도를 나타낸다고 하자. 여기서 TT 의 단위는 화씨(°F)이고 tt 의 단위는 분이다. 뉴턴의 냉각 법칙이라고 알려진 물리 법칙에 따르면

dTdt=−115T+5 .\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5\,.

(a) T(0)=105T(0)=105 라고 가정하세요. 이 미분방정식으로부터 dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} 의 값은 얼마입니까? 이 두 사실의 의미를 완전한 문장으로 설명하세요. (b) t=0t=0 에서 TT 는 증가합니까, 감소합니까? (c) t=1t=1 에서의 온도는 대략 얼마입니까? (d) 아래 좌표평면에 dT/dtdT/dt 를 TT 의 함수로 하는 그래프를 그리세요. T 의 함수로서 frac dT dt 의 그래프를 그리기 위한 좌표축이다. 가로 방향으로 T 의 값은 T=0 에서 T=120 까지이고, 세로 방향으로 frac dT dt 의 값은 frac dT dt =-3 에서 frac dT dt =5 까지이다. (e) TT 가 어떤 값일 때 TT 는 증가합니까? TT 가 어떤 값일 때 TT 는 감소합니까? (f) 방의 온도는 얼마라고 생각합니까? 생각한 이유를 설명하세요. (g) T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 가 초깃값 T(0)=105T(0) = 105 인 이 미분방정식의 해임을 보이세요. 충분히 오랜 시간이 지나면 이 해는 어떻게 됩니까?

영어 원문 보기

Suppose that T(t)T(t) represents the temperature of a cup of coffee set out in a room, where TT is expressed in degrees Fahrenheit and tt in minutes. A physical principle known as Newton's Law of Cooling tells us that

dTdt=−115T+5 .\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5\,.

(a) Supposes that T(0)=105T(0)=105. What does the differential equation give us for the value of dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105}? Explain in a complete sentence the meaning of these two facts. (b) Is TT increasing or decreasing at t=0t=0? (c) What is the approximate temperature at t=1t=1? (d) On the graph below, make a plot of dT/dtdT/dt as a function of TT. Coordinate axes for plotting frac dT dt as a function of T. The values of T range horizontally from T=0 to T=120, and the values of frac dT dt range vertically from frac dT dt =-3 to frac dT dt =5 (e) For which values of TT does TT increase? For which values of TT does TT decrease? (f) What do you think is the temperature of the room? Explain your thinking. (g) Verify that T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} is the solution to the differential equation with initial value T(0)=105T(0) = 105. What happens to this solution after a long time?

정답·풀이 보기

(a) dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 이고 T(0)=105T(0)=105 이므로 dTdt∣T=105=−115(105)+5=−7+5=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -\frac{1}{15}(105) + 5 = -7 + 5 = -2 이다. T(0)=105T(0) = 105 라는 사실은 시각 t=0t = 0 에서 커피의 온도가 T=105T = 105 화씨도임을 뜻하고, dTdt∣T=105=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -2 는 T=105T = 105 인 순간(즉 t=0t = 0 일 때) 커피의 온도가 분당 화씨 −2-2도의 순간변화율로 감소하고 있음을 뜻한다. (b) t=0t = 0 에서 T=105T = 105 이고 dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} 가 음수이므로 t=0t=0 에서 TT 는 감소한다. (c) 주어진 정보와 함께 일차 근사 T(1)≈T(0)+dTdt∣t=0(1−0)T(1) \approx T(0) + \frac{dT}{dt}\vert_{t=0} (1-0) 을 이용하면 T(1)≈105+(−2)(1)=103T(1) \approx 105 + (-2)(1) = 103 화씨도이다. (d) dTdt\frac{dT}{dt} 는 TT 에 대한 일차함수이고 기울기가 −115-\frac{1}{15}, 세로축 절편이 (0,5)(0,5) 이므로 그래프는 아래와 같다. 특히 dTdt∣T=75=0\frac{dT}{dt}\vert_{T = 75} = 0 임에 주목한다. 미분방정식 frac dT dt = - frac1 15 T+5 를 이용하여 T 의 함수로서 frac dT dt 를 그린 그래프이다. 가로 방향으로 T 의 값은 T=0 에서 T=120 까지이고, 세로 방향으로 frac dT dt 의 값의 범위는 (e) T<75T < 75 일 때 dTdt>0\frac{dT}{dt} > 0 이므로 이 TT 값들에서 TT 는 증가한다. T>75T > 75 일 때 dTdt<0\frac{dT}{dt} < 0 이므로 이 TT 값들에서 TT 는 감소한다. (f) 앞의 문제에서 화씨 7575도가 TT 의 변화 양상을 바꾸는 경계가 되는 온도임을 확인했다. 화씨 7575도가 방의 온도라고 생각할 수 있는 이유는 여러 가지이다. 커피의 온도가 방의 온도(7575)보다 높으면 온도가 내려가 방의 온도에 가까워지고, 방의 온도보다 낮으면 온도가 올라가 방의 온도에 가까워진다. 또 커피의 온도가 7575(방의 온도와 같은 값)이면 변화율이 00 이므로 커피의 온도는 변하지 않는다. (g) T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 가 초깃값 T(0)=105T(0) = 105 인 이 미분방정식의 해임을 보이고, 충분히 오랜 시간이 지나면 이 해가 어떻게 되는지 구한다. T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 라고 하면 dTdt=30e−t/15(−115)=−2e−t/15 \frac{dT}{dt} = 30e^{-t/15} \left(-\frac{1}{15} \right) = -2e^{-t/15}\, 이다. 또한 −115T+5=−115(75+30e−t/15)+5=−5−2e−t/15+5=−2e−t/15 -\frac{1}{15}T + 5 = -\frac{1}{15}(75 + 30e^{-t/15}) + 5 = -5 - 2e^{-t/15} + 5 = -2e^{-t/15}\, 이다. 위의 두 식으로부터 dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 에 TT 대신 T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 를 대입하면 등식이 성립함을 알 수 있으므로 이 함수는 주어진 미분방정식의 해이다. 또한 T(0)=75+30e0=75+30=105T(0) = 75 + 30e^0 = 75 + 30 = 105 이므로 이 함수는 초기 조건도 만족한다. 마지막으로 t→∞t \to \infty 일 때 e−t/15→0e^{-t/15} \to 0 이므로 t→∞t \to \infty 일 때 T(t)=75+30e−t/15→75T(t) = 75 + 30e^{-t/15} \to 75 이다. 이는 예상대로 시간이 한없이 지날수록 해 함수의 값이 방의 온도에 가까워짐을 보여 준다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 and T(0)=105T(0)=105, dTdt∣T=105=−115(105)+5=−7+5=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -\frac{1}{15}(105) + 5 = -7 + 5 = -2. The fact that T(0)=105T(0) = 105 tells us the coffee's temperature at time t=0t = 0 is T=105T = 105 degrees F, and dTdt∣T=105=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -2 tells us that at the instant T=105T = 105 (i.e. when t=0t = 0), the coffee's temperature is decreasing at an instantaneous rate of −2-2 degrees F per minute. (b) At t=0t = 0, T=105T = 105, and since dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} is negative, TT decreasing at t=0t=0. (c) Using the linear approximation T(1)≈T(0)+dTdt∣t=0(1−0)T(1) \approx T(0) + \frac{dT}{dt}\vert_{t=0} (1-0) along with the given information, it follows that T(1)≈105+(−2)(1)=103T(1) \approx 105 + (-2)(1) = 103 degrees F. (d) We note that dTdt\frac{dT}{dt} is a linear function of TT with slope −115-\frac{1}{15} and vertical intercept (0,5)(0,5), so its graph is as shown below. Note particularly that dTdt∣T=75=0\frac{dT}{dt}\vert_{T = 75} = 0. A plot of frac dT dt as a function of T using the differential equation frac dT dt = - frac1 15 T+5. The values of T range horizontally from T=0 to T=120, and the values of frac dT dt range vertically (e) For T<75T < 75, dTdt>0\frac{dT}{dt} > 0, so for these TT-values, TT increases. For T>75T > 75, dTdt<0\frac{dT}{dt} < 0, so for these TT-values, TT decreases. (f) In the previous question, we observed that 7575 degrees F is the critical temperature that changes the behavior of TT. There are several reasons to think that 7575 degrees F is room temperature: if the coffee's temperature is above room temperature (7575), its temperature will decrease to room temperature, while if the coffee is below room temperature, its temperature will increase to room temperature. Moreover, if the coffee's temperature is 7575 (which would match the room temperature), then its rate of change is 00 and the coffee's temperature doesn't change. (g) Verify that T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} is the solution to the differential equation with initial value T(0)=105T(0) = 105. What happens to this solution after a long time? Assuming that T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15}, we observe that dTdt=30e−t/15(−115)=−2e−t/15 .\frac{dT}{dt} = 30e^{-t/15} \left(-\frac{1}{15} \right) = -2e^{-t/15}\,. In addition, −115T+5=−115(75+30e−t/15)+5=−5−2e−t/15+5=−2e−t/15 .-\frac{1}{15}T + 5 = -\frac{1}{15}(75 + 30e^{-t/15}) + 5 = -5 - 2e^{-t/15} + 5 = -2e^{-t/15}\,. The two preceding equations show that dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 when we substitute T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} in for TT, and thus this function is a solution to the differential equation. Moreover, T(0)=75+30e0=75+30=105T(0) = 75 + 30e^0 = 75 + 30 = 105, so the function satisfies the initial condition, too. Finally, because e−t/15→0e^{-t/15} \to 0 as t→∞t \to \infty, it follows that T(t)=75+30e−t/15→75T(t) = 75 + 30e^{-t/15} \to 75 as t→∞t \to \infty, which shows that the solution function's value tends to room temperature as time increases without bound, as we expect.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.1절 · 9번
# 미분방정식의 기초증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
49.Active Calculus · 7.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

미분방정식

dydt=t−y \frac{dy}{dt} = t-y\,

을 생각하세요.

(a) 오른쪽 좌표축에 기울기장을 그리세요. (b) 초깃값이 y(0)=−4,−3,…,4y(0)= -4, -3, \ldots, 4 인 해의 그래프를 그리세요. (c) 그린 그래프로 볼 때, 초깃값이 y(0)=−1y(0) = -1 인 해는 무엇이라고 생각되는지 쓰세요. 이것이 실제로 이 초깃값 문제의 해임을 확인하세요. (d) 미분방정식과 그린 그래프를 이용하여, 해가 극솟값을 갖는 점에서 tt 와 yy 사이의 관계를 설명하세요.

기울기장을 그리기 위한 좌표축이다. t 의 값의 범위는 -4부터 4까지이고, y 의 값의 범위는 -4부터 4까지이다.

영어 원문 보기

Consider the differential equation

dydt=t−y .\frac{dy}{dt} = t-y\,.

(a) Sketch a slope field on the axes at right. (b) Sketch the solutions whose initial values are y(0)=−4,−3,…,4y(0)= -4, -3, \ldots, 4. (c) What do your sketches suggest is the solution whose initial value is y(0)=−1y(0) = -1? Verify that this is indeed the solution to this initial value problem. (d) By considering the differential equation and the graphs you have sketched, what is the relationship between tt and yy at a point where a solution has a local minimum?

Axes for plotting the slope field.The values of t range from -4 to 4, and the values of y range from -4 to 4.

정답·풀이 보기

(a) 여러 (t,y)(t,y) 에서 dydt∣(t,y)\frac{dy}{dt}\vert_{(t,y)} 를 계산하여 각 점에서의 기울기를 그리면 다음과 같은 기울기장을 얻는다. 이 그림은 미분방정식의 기울기장과 서로 다른 초기 조건을 만족하는 여러 해를 함께 보여 준다. 직선 y = t-1 을 따라 기울기장의 모든 선분은 기울 (b) 기울기장을 따라 점 (0,−4)(0,-4), (0,−3)(0,-3), …\ldots, (0,4)(0,4) 를 지나도록 곡선을 그리면 위 그림과 같은 곡선들을 얻는다. (c) (0,−1)(0,-1) 을 지나는 해는 기울기가 m=1m = 1 인 직선으로 보이므로 식은 y(t)=t−1y(t) = t-1 이다. 이 함수가 해임을 확인하기 위해 dydt\frac{dy}{dt} 와 t−yt-y 를 모두 계산하면 dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 이고 t−y=t−(t−1)=1 t-y = t - (t-1) = 1\, 이다. 따라서 y(t)=t−1y(t) = t-1 은 이 미분방정식의 해이다. (d) 미분방정식과 그린 그래프로부터, 해가 극솟값을 갖는 모든 점에서 tt 와 yy 는 같은 것으로 보인다. 그 까닭은 t=yt = y 일 때 dydt=t−y=0\frac{dy}{dt} = t - y = 0 이고, 미분가능한 함수가 극솟값을 가지려면 그 점에서의 미분계수가 0이어야 하기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Sketching the slopes at individual points by computing dydt∣(t,y)\frac{dy}{dt}\vert_{(t,y)} at various values of (t,y)(t,y), we see the following slope field. This image shows both the slope field of the differential equation and several solutions that satisfy different initial conditions.Along the line y = t-1, every line segment in the slope field has slo (b) By following the slope field so that we pass through the points (0,−4)(0,-4), (0,−3)(0,-3), …\ldots, (0,4)(0,4), we see the collection of curves in the figure above. (c) It looks like the solution that passes through (0,−1)(0,-1) is a straight line with slope m=1m = 1, and thus has the formula y(t)=t−1y(t) = t-1. To verify this function is a solution, we compute both dydt\frac{dy}{dt} and t−yt-y. Doing so, we see dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 and t−y=t−(t−1)=1 .t-y = t - (t-1) = 1\,. Thus, y(t)=t−1y(t) = t-1 is indeed a solution to the differential equation. (d) From both the differential equation and the graphs we have sketched, it appears that tt and yy are equal at any point where a solution has a local minimum. This is because when t=yt = y, dydt=t−y=0\frac{dy}{dt} = t - y = 0, and having the derivative be zero is required for any local minimum on a differentiable function.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 8번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
50.Active Calculus · 7.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

곰퍼츠 방정식은 어떤 생물 집단의 성장을 설명하는 데 쓰이는 모델이다. P(t)P(t) 가 어떤 생물의 개체 수이고

dPdt=−Pln⁡(P3)=−P(ln⁡P−ln⁡3) .\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) = -P(\ln P - \ln 3)\,.

이라고 하자.

(a) 0≤P≤60\leq P\leq 6 범위에서 P(t)P(t) 의 기울기장을 그리세요. (b) 평형해가 있으면 모두 찾고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. (c) P(0)=1P(0) = 1 이라고 할 때 개체 수 P(t)P(t) 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 P(t)P(t) 는 어떻게 되는지 설명하세요. (d) P(0)=6P(0) = 6 이라고 할 때 개체 수 P(t)P(t) 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 P(t)P(t) 는 어떻게 되는지 설명하세요. (e) 기울기장을 보고 예측한 것과 구한 해의 장기적인 거동이 일치함을 확인하세요.

영어 원문 보기

The Gompertz equation is a model that is used to describe the growth of certain populations. Suppose that P(t)P(t) is the population of some organism and that

dPdt=−Pln⁡(P3)=−P(ln⁡P−ln⁡3) .\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) = -P(\ln P - \ln 3)\,.

(a) Sketch a slope field for P(t)P(t) over the range 0≤P≤60\leq P\leq 6. (b) Identify any equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. (c) Find the population P(t)P(t) assuming that P(0)=1P(0) = 1 and sketch its graph. What happens to P(t)P(t) after a very long time? (d) Find the population P(t)P(t) assuming that P(0)=6P(0) = 6 and sketch its graph. What happens to P(t)P(t) after a very long time? (e) Verify that the long-term behavior of your solutions agrees with what you predicted by looking at the slope field.

정답·풀이 보기

(1) 이 미분방정식의 기울기장은 -1 lt t lt 7 그리고 0 lt P lt 7 창에 그려져 있다. 기울기장에서 가장 두드러진 특징은 P = 3 에 나타난 평형해이다. 기울기는 (2) ln⁡(1)=0\ln(1) = 0 이므로 유일한 평형해는 P=3P = 3 이다. (참고: ln⁡(0)\ln(0) 은 정의되지 않으므로 이 미분방정식은 P=0P = 0 에서 정의되지 않는다.) (a)에 그려진 기울기장으로부터 평형해 P=3P = 3 은 안정하다. (3) dPdt=−Pln⁡(P3)\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) 이고 P(0)=1P(0) = 1 인 초깃값 문제를 풀기 위해 변수분리를 이용한다. 1Pln⁡(P3)dPdt=−1\frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)}\frac{dP}{dt} = -1 이므로 ∫1Pln⁡(P3) dP=−∫1 dt\int \frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)} \, dP = - \int 1 \, dt 이다. 좌변에서 치환 u=ln⁡(P/3)u = \ln (P/3) 을 이용하면 du=3P⋅13 dPdu = \frac{3}{P} \cdot \frac{1}{3} \, dP 이므로, 위의 식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다. ∫duu=−∫1 dt .\int \frac{du}{u} = - \int 1 \, dt\,. 따라서 ln⁡∣u∣=−t+C ,\ln |u| = -t + C\,, 이므로 ∣u∣=eC−t|u| = e^{C-t}, 즉 u=Ke−tu = Ke^{-t} 이다. 다음으로 u=ln⁡(P3)u = \ln \left(\frac P3\right) 임을 떠올리면 P3=eKe−t\frac{P}{3} = e^{Ke^{-t}} 이고 P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}} 이다. 초기 조건을 적용하면 1=3eK1 = 3e^K 이므로 K=ln⁡(13)K = \ln \left(\frac{1}{3} \right) 이고, 따라서 P(t)=3eln⁡(13)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left(\frac{1}{3} \right) e^{-t}}\,. 이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 파란색으로 나타나 있으며, e−t→0e^{-t} \to 0 이므로 t→∞t \to \infty 일 때 P(t)→3P(t) \to 3 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다. (4) 초기 조건을 P(0)=6P(0) = 6 으로 바꾸면, (c)에서 P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}} 을 얻은 부분까지의 풀이를 그대로 쓸 수 있다. 이 초기 조건을 적용하면 6=3eK6 = 3e^K 이므로 K=ln⁡(2)K = \ln \left(2 \right) 이고, 따라서 P(t)=3eln⁡(2)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left( 2 \right) e^{-t}}\,. 이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 빨간색으로 나타나 있으며, e−t→0e^{-t} \to 0 이므로 t→∞t \to \infty 일 때 P(t)→3P(t) \to 3 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다. (5) (c)와 (d)의 풀이는 P(0)>0P(0) > 0 인 어떤 초기 조건에서든 tt 가 한없이 커질 때 PP 가 장기적으로 33 에 가까워짐을 보여 준다. 이는 기울기장을 바탕으로 처음에 관찰한 것과 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(1) The slope field for this differential equation is plotted in the window -1 lt t lt 7 and 0 lt P lt 7.The most prominent feature of the slope field is the equilibrium solution shown at P = 3. Slopes ar (2) The only equilibrium solution is P=3P = 3, since ln⁡(1)=0\ln(1) = 0 (note: ln⁡(0)\ln(0) is undefined, so the differential equation is not defined for P=0P = 0). From the slope field pictured in (a), the equilibrium solution P=3P = 3 is stable. (3) To solve the IVP with dPdt=−Pln⁡(P3)\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) and P(0)=1P(0) = 1, we use separation of variables. Observe that 1Pln⁡(P3)dPdt=−1\frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)}\frac{dP}{dt} = -1 and thus ∫1Pln⁡(P3) dP=−∫1 dt\int \frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)} \, dP = - \int 1 \, dt On the left, using the substitution u=ln⁡(P/3)u = \ln (P/3), it follows du=3P⋅13 dPdu = \frac{3}{P} \cdot \frac{1}{3} \, dP, we can rewrite the most recent equation as ∫duu=−∫1 dt .\int \frac{du}{u} = - \int 1 \, dt\,. Therefore, ln⁡∣u∣=−t+C ,\ln |u| = -t + C\,, so ∣u∣=eC−t|u| = e^{C-t}, or u=Ke−tu = Ke^{-t}. Next, we recall that u=ln⁡(P3)u = \ln \left(\frac P3\right), so P3=eKe−t\frac{P}{3} = e^{Ke^{-t}} and P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}}. Applying the initial condition, 1=3eK1 = 3e^K, so K=ln⁡(13)K = \ln \left(\frac{1}{3} \right), and thus P(t)=3eln⁡(13)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left(\frac{1}{3} \right) e^{-t}}\,. This function's plot is shown in blue in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that P(t)→3P(t) \to 3 as t→∞t \to \infty since e−t→0e^{-t} \to 0. (4) Changing the initial condition to P(0)=6P(0) = 6, we can use all of our preceding work in (c) up to where we established P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}}. Applying this initial condition, 6=3eK6 = 3e^K, so K=ln⁡(2)K = \ln \left(2 \right), and thus P(t)=3eln⁡(2)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left( 2 \right) e^{-t}}\,. This function's plot is shown in red in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that P(t)→3P(t) \to 3 as t→∞t \to \infty since e−t→0e^{-t} \to 0. (5) Our work in (c) and (d) suggests that regardless of the initial condition with P(0)>0P(0) > 0, the long-term behavior of PP will be for it to tend to 33 as tt increases without bound. This matches our initial observations based on the slope field.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.3절 · 31번
# 변수분리형 미분방정식증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)