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

73문제 · 4 / 4쪽

61.APEX · 23번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24에서, 미분방정식의 기울기장을 그리고, 이를 이용하여 초깃값 문제의 해의 그래프를 그리세요.

y′=y2−3y+2y' = y^2-3y+2, 단 y(0)=2.y(0)=2.

영어 원문 보기

In Exercises 21–24, sketch the slope field for the differential equation, and use it to draw a sketch of the solution to the initial value problem.

y′=y2−3y+2y' = y^2-3y+2, with y(0)=2.y(0)=2.

정답·풀이 보기
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
62.APEX · 24번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24에서, 미분방정식의 기울기장을 그리고, 이를 이용하여 초깃값 문제의 해의 그래프를 그리세요.

y′=−xy1+x2\displaystyle y' = -\frac{xy}{1+x^2}, 단 y(0)=1.y(0)=1.

영어 원문 보기

In Exercises 21–24, sketch the slope field for the differential equation, and use it to draw a sketch of the solution to the initial value problem.

y′=−xy1+x2\displaystyle y' = -\frac{xy}{1+x^2}, with y(0)=1.y(0)=1.

정답·풀이 보기
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
63.APEX · 25번대학 수준우리말 번역

연습문제 25–28에서, 오일러 방법을 이용하여 주어진 구간에서 초깃값 문제의 해를 근사하는 값의 표를 만드세요. 주어진 hh 또는 NN 값을 사용하세요.

y′=x+2yy' = x+2y

y(0)=1y(0)=1

구간: [0,1][0,1]

h=0.25h=0.25

영어 원문 보기

In Exercises 25–28, use Euler's Method to make a table of values that approximates the solution to the initial value problem on the given interval. Use the specified hh or NN value.

y′=x+2yy' = x+2y

y(0)=1y(0)=1

interval: [0,1][0,1]

h=0.25h=0.25

정답·풀이 보기

xiyi0.001.00000.251.50000.502.31250.753.59381.005.5781\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.00 & 1.0000 \\ 0.25 & 1.5000 \\ 0.50 & 2.3125 \\ 0.75 & 3.5938 \\ 1.00 & 5.5781 \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

xiyi0.001.00000.251.50000.502.31250.753.59381.005.5781\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.00 & 1.0000 \\ 0.25 & 1.5000 \\ 0.50 & 2.3125 \\ 0.75 & 3.5938 \\ 1.00 & 5.5781 \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 38번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
64.APEX · 26번대학 수준우리말 번역

연습문제 25–28에서, 오일러 방법을 이용하여 주어진 구간에서 초깃값 문제의 해를 근사하는 값의 표를 만드세요. 주어진 hh 또는 NN 값을 사용하세요.

y′=xe−yy' = xe^{-y}

y(0)=1y(0)=1

구간: [0,0.5][0,0.5]

N=5N=5

영어 원문 보기

In Exercises 25–28, use Euler's Method to make a table of values that approximates the solution to the initial value problem on the given interval. Use the specified hh or NN value.

y′=xe−yy' = xe^{-y}

y(0)=1y(0)=1

interval: [0,0.5][0,0.5]

N=5N=5

정답·풀이 보기

xiyi0.01.00000.11.00000.21.00370.31.01100.41.02190.51.0363\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.0 & 1.0000 \\ 0.1 & 1.0000 \\ 0.2 & 1.0037 \\ 0.3 & 1.0110 \\ 0.4 & 1.0219 \\ 0.5 & 1.0363 \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

xiyi0.01.00000.11.00000.21.00370.31.01100.41.02190.51.0363\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.0 & 1.0000 \\ 0.1 & 1.0000 \\ 0.2 & 1.0037 \\ 0.3 & 1.0110 \\ 0.4 & 1.0219 \\ 0.5 & 1.0363 \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 3번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
65.APEX · 27번대학 수준우리말 번역

연습문제 25–28에서, 오일러 방법을 이용하여 주어진 구간에서 초깃값 문제의 해를 근사하는 값의 표를 만드세요. 주어진 hh 또는 NN 값을 사용하세요.

y′=y+sin⁡xy' = y + \sin x

y(0)=2y(0)=2

구간: [0,1][0,1]

h=0.2h = 0.2

영어 원문 보기

In Exercises 25–28, use Euler's Method to make a table of values that approximates the solution to the initial value problem on the given interval. Use the specified hh or NN value.

y′=y+sin⁡xy' = y + \sin x

y(0)=2y(0)=2

interval: [0,1][0,1]

h=0.2h = 0.2

정답·풀이 보기

xiyi0.02.00000.22.40000.42.91970.63.58160.84.41081.05.4364\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.0 & 2.0000 \\ 0.2 & 2.4000 \\ 0.4 & 2.9197 \\ 0.6 & 3.5816 \\ 0.8 & 4.4108 \\ 1.0 & 5.4364 \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

xiyi0.02.00000.22.40000.42.91970.63.58160.84.41081.05.4364\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.0 & 2.0000 \\ 0.2 & 2.4000 \\ 0.4 & 2.9197 \\ 0.6 & 3.5816 \\ 0.8 & 4.4108 \\ 1.0 & 5.4364 \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 20번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
66.APEX · 28번대학 수준우리말 번역

연습문제 25–28에서, 오일러 방법을 사용하여 주어진 구간에서 초깃값 문제의 해를 어림하는 값의 표를 만드세요. 주어진 hh 또는 NN 값을 사용하세요.

y′=ex−yy' = e^{x-y}

y(0)=0y(0)=0

구간: [0,2][0,2]

h=0.5h = 0.5

영어 원문 보기

In Exercises 25–28, use Euler's Method to make a table of values that approximates the solution to the initial value problem on the given interval. Use the specified hh or NN value.

y′=ex−yy' = e^{x-y}

y(0)=0y(0)=0

interval: [0,2][0,2]

h=0.5h = 0.5

정답·풀이 보기

xiyi0.00.00000.50.50001.01.85911.510.58242.088378.1190\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.0 & 0.0000 \\ 0.5 & 0.5000 \\ 1.0 & 1.8591 \\ 1.5 & 10.5824 \\ 2.0 & 88378.1190 \\ \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

xiyi0.00.00000.50.50001.01.85911.510.58242.088378.1190\begin{array}{l | l} x_i & y_i \\ \hline 0.0 & 0.0000 \\ 0.5 & 0.5000 \\ 1.0 & 1.8591 \\ 1.5 & 10.5824 \\ 2.0 & 88378.1190 \\ \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.2절 · 8번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
67.APEX · 30번대학 수준우리말 번역

연습문제 29–30에서, 주어진 해 y(x)y(x) 와 h=0.2h=0.2, h=0.1h=0.1 인 오일러 방법을 사용하여 다음 표를 완성하세요.

x0.00.20.40.60.81.0y(x)h=0.2h=0.1\begin{array}{| l | l | l | l | l | l | l |} \hline x & 0.0 & 0.2 & 0.4 & 0.6 & 0.8 & 1.0 \\ \hline y(x) & & & & & & \\ \hline h = 0.2 & & & & & & \\ \hline h = 0.1 & & & & & &\\ \hline \end{array}

y′=xex2+12xy\displaystyle y' = xe^{x^2}+\frac{1}{2}xy

y(0)=12\displaystyle y(0)=\frac{1}{2}

해: y(x)=12(x2+1)ex2\displaystyle y(x) = \frac{1}{2}(x^2+1)e^{x^2}

영어 원문 보기

In Exercises 29–30, use the provided solution y(x)y(x) and Euler's Method with the h=0.2h=0.2 and h=0.1h=0.1 to complete the following table.

x0.00.20.40.60.81.0y(x)h=0.2h=0.1\begin{array}{| l | l | l | l | l | l | l |} \hline x & 0.0 & 0.2 & 0.4 & 0.6 & 0.8 & 1.0 \\ \hline y(x) & & & & & & \\ \hline h = 0.2 & & & & & & \\ \hline h = 0.1 & & & & & &\\ \hline \end{array}

y′=xex2+12xy\displaystyle y' = xe^{x^2}+\frac{1}{2}xy

y(0)=12\displaystyle y(0)=\frac{1}{2}

solution: y(x)=12(x2+1)ex2\displaystyle y(x) = \frac{1}{2}(x^2+1)e^{x^2}

정답·풀이 보기

xiy(x)h=0.2h=0.10.00.50000.50000.50000.20.54120.50000.52010.40.68060.58160.62820.60.97470.76860.86220.81.55511.12501.31321.02.71831.78852.1788\begin{array}{l | l | l | l} x_i & y(x) & h = 0.2 & h = 0.1 \\ \hline 0.0 & 0.5000 & 0.5000 & 0.5000 \\ 0.2 & 0.5412 & 0.5000 & 0.5201 \\ 0.4 & 0.6806 & 0.5816 & 0.6282 \\ 0.6 & 0.9747 & 0.7686 & 0.8622 \\ 0.8 & 1.5551 & 1.1250 & 1.3132 \\ 1.0 & 2.7183 & 1.7885 & 2.1788 \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

xiy(x)h=0.2h=0.10.00.50000.50000.50000.20.54120.50000.52010.40.68060.58160.62820.60.97470.76860.86220.81.55511.12501.31321.02.71831.78852.1788\begin{array}{l | l | l | l} x_i & y(x) & h = 0.2 & h = 0.1 \\ \hline 0.0 & 0.5000 & 0.5000 & 0.5000 \\ 0.2 & 0.5412 & 0.5000 & 0.5201 \\ 0.4 & 0.6806 & 0.5816 & 0.6282 \\ 0.6 & 0.9747 & 0.7686 & 0.8622 \\ 0.8 & 1.5551 & 1.1250 & 1.3132 \\ 1.0 & 2.7183 & 1.7885 & 2.1788 \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 40번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
68.Active Calculus · 7.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

어떤 생물 종의 개체 수가 함수 P(t)P(t) 로 나타내어진다고 하자. 여기서 PP 는 백만 단위로 나타낸 값이다. 또한 개체 수의 변화율이 다음 미분방정식으로 주어진다고 하자.

dPdt=f(P)\frac{dP}{dt} = f(P)

여기서 f(P)f(P) 는 아래 그래프로 나타낸 함수이다.

P 의 함수로서 frac dP dt = f(P) 의 그래프이다. frac dP dt 에 대한 세로 눈금은 주어져 있지 않으며, P 는 가로 방향으로 P=0 에서 P=4 까지이다. f(P) 의 그래프는 다음을 영점으로 갖는 삼차 다항식처럼 보인다.

(a) 개체 수 PP 가 어떤 값일 때 개체 수가 증가하나요? (b) 개체 수 PP 가 어떤 값일 때 개체 수가 감소하나요? (c) P(0)=3P(0) = 3 이면 개체 수는 시간에 따라 어떻게 변하나요? (d) 처음 개체 수가 0<P(0)<10< P(0)< 1 을 만족하면, 아주 오랜 시간이 지난 후 개체 수는 어떻게 되나요? (e) 처음 개체 수가 1<P(0)<31< P(0)< 3 을 만족하면, 아주 오랜 시간이 지난 후 개체 수는 어떻게 되나요? (f) 처음 개체 수가 3<P(0)3< P(0) 을 만족하면, 아주 오랜 시간이 지난 후 개체 수는 어떻게 되나요? (g) 개체 수 증가에 대한 이 모델을 흔히 “문턱이 있는 증가”라고 부른다. 이 이름이 적절한 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that the population of a particular species is described by the function P(t)P(t), where PP is expressed in millions. Suppose further that the population's rate of change is governed by the differential equation

dPdt=f(P)\frac{dP}{dt} = f(P)

where f(P)f(P) is the function graphed below.

A plot of frac dP dt = f(P) as a function of P. There is no vertical scale specified for frac dP dt ; P ranges horizontally from P=0 to P=4. The graph of f(P) looks like a cubic polynomial with zeros

(a) For which values of the population PP does the population increase? (b) For which values of the population PP does the population decrease? (c) If P(0)=3P(0) = 3, how will the population change in time? (d) If the initial population satisfies 0<P(0)<10< P(0)< 1, what will happen to the population after a very long time? (e) If the initial population satisfies 1<P(0)<31< P(0)< 3, what will happen to the population after a very long time? (f) If the initial population satisfies 3<P(0)3< P(0), what will happen to the population after a very long time? (g) This model for a population's growth is sometimes called “growth with a threshold.” Explain why this is an appropriate name.

정답·풀이 보기

(a) 이 PP 의 값들에서 dPdt>0\frac{dP}{dt} > 0 이므로 1<P<31 < P < 3 에서 PP 는 증가한다. (b) 이 PP 의 값들에서 dPdt<0\frac{dP}{dt} < 0 이므로 P<1P < 1 과 3<P<43 < P < 4 에서 PP 는 감소한다. (c) P(0)=3P(0) = 3 이면 dPdt∣P=3=0\frac{dP}{dt}\vert_{P=3} = 0 이고, 도함수가 00 이므로 PP 는 시간이 지나도 전혀 변하지 않는다. (d) 처음 개체 수가 0<P(0)<10< P(0)< 1 을 만족하면, 개체 수는 PP 가 항상 양수인 채로 P=0P = 0 을 향해 감소할 것으로 예상된다. 0<P<10< P < 1 에서 dPdt\frac{dP}{dt} 는 항상 음수이므로 이 구간에서 PP 는 항상 감소한다. PP 가 00 인 값에서는 dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 이어서 개체 수가 변하지 않으므로, 개체 수는 P=0P = 0 아래로 내려갈 수 없다. (e) 처음 개체 수가 1<P(0)<31< P(0)< 3 을 만족하면, 개체 수는 PP 가 항상 11 과 33 사이에 있는 채로 P=3P = 3 을 향해 증가할 것으로 예상된다. 1<P<31 < P < 3 에서 dPdt\frac{dP}{dt} 는 항상 양수이므로 이 구간에서 PP 는 항상 증가한다. PP 가 33 인 값에서는 dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 이어서 개체 수가 변하지 않으므로, 개체 수는 P=3P = 3 위로 증가할 수 없다. (f) 처음 개체 수가 3<P(0)3< P(0) 을 만족하면, 개체 수는 PP 가 항상 33 보다 큰 채로 P=3P = 3 을 향해 감소할 것으로 예상된다. P>3P > 3 에서 dPdt\frac{dP}{dt} 는 항상 음수이므로 이 구간에서 PP 는 항상 감소한다. PP 가 33 인 값에서는 dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 이어서 개체 수가 변하지 않으므로, 개체 수는 P=3P = 3 아래로 내려갈 수 없다. (g) 개체 수에는 두 개의 문턱이 있는 것으로 보인다. 하나는 최소 문턱 P=1P = 1 로, 이보다 개체 수가 적으면 개체 수가 00 으로 감소한다. 다른 하나는 최대 문턱 P=3P = 3 으로, 개체 수가 최소 문턱보다 크고 최대 문턱보다 작으면 최대 문턱을 향해 증가하고, 개체 수가 최대 문턱보다 크면 그 값이 다시 최대 문턱을 향해 줄어든다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) PP increases for 1<P<31 < P < 3 since dPdt>0\frac{dP}{dt} > 0 for these PP-values. (b) PP decreases for P<1P < 1 and 3<P<43 < P < 4 since dPdt<0\frac{dP}{dt} < 0 for these PP-values. (c) If P(0)=3P(0) = 3, dPdt∣P=3=0\frac{dP}{dt}\vert_{P=3} = 0, so PP will not change at all with time since its derivative is 00. (d) If the initial population satisfies 0<P(0)<10< P(0)< 1, we expect that the population will decrease toward P=0P = 0 with PP always being positive. Since dPdt\frac{dP}{dt} is always negative for 0<P<10< P < 1, PP is always decreasing on this interval. The population can't drop below P=0P = 0 because at that value of PP, dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 and at that value the population wouldn't change. (e) If the initial population satisfies 1<P(0)<31< P(0)< 3, we expect that the population will increase toward P=3P = 3 with PP always being between 11 and 33. Since dPdt\frac{dP}{dt} is always positive for 1<P<31 < P < 3, PP is always increasing on this interval. The population can't increase above P=3P = 3 because at that value of PP, dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 and at that value the population wouldn't change. (f) If the initial population satisfies 3<P(0)3< P(0), we expect that the population will decrease toward P=3P = 3 with PP always being above 33. Since dPdt\frac{dP}{dt} is always negative for P>3P > 3, PP is always decreasing on this interval. The population can't drop below P=3P = 3 because at that value of PP, dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 and at that value the population wouldn't change. (g) It looks like there are two thresholds for the population: there's a minimum threshold of P=1P = 1, since below that population, the population decreases to 00, and there's a maximum threshold of P=3P = 3, where if we are above the minimum but below the maximum, the population works to increase toward the maximum threshold, while if the population is above the maximum, its value will fall back toward it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.1절 · 8번
# 미분방정식의 기초그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
69.Active Calculus · 7.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

호수에 사는 어떤 물고기 종의 개체 수는 P(t)P(t) 이고, 여기서 PP 는 천 마리 단위로, tt 는 개월 단위로 측정한다. 이 개체 수의 증가는 다음 미분방정식으로 나타내어진다.

dPdt=f(P)=P(6−P) .\frac{dP}{dt} = f(P) = P(6-P)\,.

(a) f(P)=P(6−P)f(P) = P(6-P) 의 그래프를 그리고, 이를 이용하여 평형해를 구하고 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. 물고기 개체 수의 장기적인 변화를 설명하는 완전한 문장을 쓰세요. (b) 이제 호수 주인이 낚시꾼들에게 매달 1000마리의 물고기를 잡아가도록 허용한다고 하자(P(t)P(t) 는 천 마리 단위로 측정됨을 기억하세요). 이를 반영하도록 미분방정식을 고치세요. PP 에 대한 dP/dtdP/dt 의 새 그래프를 그리세요. 새로운 평형해를 구하고 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. (c) (b)의 상황에서 물고기 개체 수의 장기적인 변화를 설명하세요. (d) 낚시꾼들이 매달 hh 천 마리의 물고기를 잡아간다고 하자. 미분방정식은 어떻게 바뀌는지 설명하세요. (e) 물고기 개체 수가 사라지지 않으면서 매달 잡아갈 수 있는 물고기의 최대 수는 얼마인지 구하세요. 이 최대 비율로 물고기를 잡아가면 물고기의 최종 개체 수는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

The population of a species of fish in a lake is P(t)P(t) where PP is measured in thousands of fish and tt is measured in months. The growth of the population is described by the differential equation

dPdt=f(P)=P(6−P) .\frac{dP}{dt} = f(P) = P(6-P)\,.

(a) Sketch a graph of f(P)=P(6−P)f(P) = P(6-P) and use it to determine the equilibrium solutions and whether they are stable or unstable. Write a complete sentence that describes the long-term behavior of the fish population. (b) Suppose now that the owners of the lake allow fishers to remove 1000 fish from the lake every month (remember that P(t)P(t) is measured in thousands of fish). Modify the differential equation to take this into account. Sketch the new graph of dP/dtdP/dt versus PP. Determine the new equilibrium solutions and decide whether they are stable or unstable. (c) Given the situation in part (b), give a description of the long-term behavior of the fish population. (d) Suppose that fishermen remove hh thousand fish per month. How is the differential equation modified? (e) What is the largest number of fish that can be removed per month without eliminating the fish population? If fish are removed at this maximum rate, what is the eventual population of fish?

정답·풀이 보기

(a) PP 에 대한 ff 의 그래프는 아래 그림의 파란색 그래프이다. 이 그래프와 미분방정식으로부터 평형해는 f(P)=0f(P)=0 일 때, 즉 P=0P=0 또는 P=6P=6 일 때 나타난다. PP 가 0 보다 약간 작을 때 P′<0P' < 0 이므로 P<0P < 0 인 해는 평형 P=0P=0 에서 멀어지며 감소한다. 또 PP 가 0 보다 약간 클 때 P′>0P'>0 이라는 것은 P>P > 인 해가 평형 P=0P=0 에서 멀어지며 증가한다는 뜻이다. 따라서 P=0P=0 은 불안정한 평형이다. PP 가 66 보다 약간 작으면 P>0P > 0 임을 알 수 있으므로 이 해들은 평형 P=0P=0 을 향해 증가한다. PP 가 66 보다 약간 크면 P′<0P' < 0 이므로 이 해들은 평형 P=6P = 6 을 향해 감소한다. 따라서 평형해 P=6P=6 은 안정하다고 결론짓는다. 이 그림은 (a)의 f(P) = P(6-P) 의 그래프와 (b)의 g(P) = P(6-P)-1 의 그래프를 보여 준다. f(P) = P(6-P) 의 그래프는 위로 볼록한 포물선이며 꼭짓점은 P = 3 에 있고 영점은 P = 0 과 P (b) 잡아가면 매달 PP 가 11 천 마리씩 줄어들므로 새 미분방정식은 다음과 같다. dPdt=g(P)=P(6−P)−1 .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-1\,. PP 에 대한 gg 의 그래프는 (a)의 그림에서 초록색 그래프이다. 이제 평형해는 g(P)=P(6−P)−1=0g(P) = P(6-P)-1 = 0 일 때 나타난다. 이는 P2−6P+1=0P^2-6P+1 = 0 일 때 성립한다. 근의 공식에 의하면 이 이차방정식의 해는 다음과 같다. P=6+322≈5.83    그리고    P=6−322≈0.172 .P = \frac{6+\sqrt{32}}{2} \approx 5.83 \ \ \ \text{ 그리고 } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{32}}{2} \approx 0.172\,. (a)와 같은 논증에 의해 P≈0.172P\approx 0.172 에서의 평형은 불안정하고 P≈5.83P \approx 5.83 에서의 평형은 안정하다. (c) 호수에 물고기가 있어서 P>0P > 0 이라고 가정하면 고려할 경우는 두 가지이다. P<6−322P < \frac{6-\sqrt{32}}{2} 이면 P′<0P' < 0 이므로 물고기 개체 수는 사라진다. 6−322<P<6+322\frac{6-\sqrt{32}}{2} < P < \frac{6+\sqrt{32}}{2} 이면 P′>0P' > 0 이므로 물고기 개체 수는 증가하여 안정한 평형 개체 수인 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} 천 마리에 가까워진다. P>6+322P > \frac{6+\sqrt{32}}{2} 이면 P′<0P' < 0 이므로 물고기 개체 수는 감소하여 안정한 평형 개체 수인 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} 천 마리에 가까워진다. (d) 이 경우 미분방정식은 다음과 같이 된다. dPdt=g(P)=P(6−P)−h .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-h\,. 평형해는 P2−6P+h=0P^2 - 6P + h = 0 일 때, 즉 P=6+36−4h2    그리고    P=6−36−4h2P = \frac{6+\sqrt{36-4h}}{2} \ \ \ \text{ 그리고 } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{36-4h}}{2} 일 때 나타난다. (e) 양의 안정한 평형이 필요하다. 이는 36−4h≥036-4h \ge 0, 즉 h≤9h \le 9 인 한 성립한다. 따라서 최대로 잡을 수 있는 양은 90009000 마리이다. P′P' 이 음수이므로 처음에 30003000 마리보다 많은 물고기로 시작해야 한다. P(6−P)P(6-P) 의 최댓값이 99 이므로 물고기는 충분히 빠르게 번식하여 90009000 마리를 잡더라도 안정한 개체 수가 유지된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A graph of ff against PP is given in blue in the figure below. This graph and the differential equation show that the equilibrium solutions occur when f(P)=0f(P)=0, or when P=0P=0 or P=6P=6. Since P′<0P' < 0 for PP slightly less than 0, the solutions with P<0P < 0 decrease away from the equilibrium P=0P=0. Also, P′>0P'>0 for PP slightly larger than 0 means that the solutions for P>P > increase away from the equilibrium P=0P=0. So P=0P=0 is an unstable equilibrium. If PP is slightly less than 66 we see that P>0P > 0, so these solutions increase toward the equilibrium P=0P=0. When PP is slightly larger than 66, we have P′<0P' < 0 and so these solutions decrease toward the equilibrium P=6P = 6. We conclude that the equilibrium solution P=6P=6 is stable. This image shows the graphs of f(P) = P(6-P) from part (a) and that of g(P) = P(6-P)-1 from part (b).The graph of f(P) = P(6-P) is a concave down parabola with vertex at P = 3 and zeros at P = 0 and P (b) Since PP will decrease by 11 thousand fish every month through harvesting, the new differential equation is dPdt=g(P)=P(6−P)−1 .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-1\,. A sketch of gg against PP is given in green in the figure in (a). The equilibrium solutions now occur when g(P)=P(6−P)−1=0g(P) = P(6-P)-1 = 0. This happens when P2−6P+1=0P^2-6P+1 = 0. The quadratic formula tells us that the solutions to this quadratic equation are P=6+322≈5.83    and    P=6−322≈0.172 .P = \frac{6+\sqrt{32}}{2} \approx 5.83 \ \ \ \text{ and } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{32}}{2} \approx 0.172\,. The same argument as in (a) shows that the equilibrium at P≈0.172P\approx 0.172 is unstable and the equilibrium at P≈5.83P \approx 5.83 is stable. (c) Assuming that there are fish in the lake, so that P>0P > 0, there are two cases to consider. If P<6−322P < \frac{6-\sqrt{32}}{2}, then P′<0P' < 0 and the fish population will die out. If 6−322<P<6+322\frac{6-\sqrt{32}}{2} < P < \frac{6+\sqrt{32}}{2}, then P′>0P' > 0 and the fish population will increase and approach a stable equilibrium population of 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} thousand fish. If P>6+322P > \frac{6+\sqrt{32}}{2}, then P′<0P' < 0 and the fish population will decrease and approach a stable equilibrium population of 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} thousand fish. (d) In this case the differential equation becomes dPdt=g(P)=P(6−P)−h .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-h\,. We will have equilibrium solutions when P2−6P+h=0P^2 - 6P + h = 0 or when P=6+36−4h2    and    P=6−36−4h2 .P = \frac{6+\sqrt{36-4h}}{2} \ \ \ \text{ and } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{36-4h}}{2}\,. (e) We need a positive stable equilibrium. This will will happen as long as 36−4h≥036-4h \ge 0 or when h≤9h \le 9. So the maximum harvest is 90009000 fish. Note that P′P' is negative, so we need to start with more than 30003000 fish. Since P(6−P)P(6-P) has a maximum value of 99, the fish will reproduce quickly enough so that harvesting 90009000 fish will maintain a stable population.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.2절 · 9번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
70.Active Calculus · 7.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

y(t)y(t) 를 어떤 농장에 사는 쥐의 수(단위: 천 마리)라 하고, 시간 tt 는 년 단위로 잰다고 가정하자. (이 문제는 C.S. 홀링이 연구 논문 「유럽소나무잎벌에 대한 소형 포유류의 포식 연구로 드러난 포식의 구성 요소」, 캐나다 곤충학 저널 91: 283-320 에서 제시한 생태학적 분석을 바탕으로 한다.)

(a) 쥐의 개체 수는 쥐의 수의 스무 배에 해당하는 연간 비율로 증가한다. 이를 미분방정식으로 나타내세요. (b) 어느 시점에 농부가 농장에 고양이 CC 마리를 데려온다. 고양이들이 1년 동안 먹을 수 있는 쥐의 수는 M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} 천 마리이다. 이것이 a)에서 구한 미분방정식을 어떻게 바꾸는지 설명하세요. (c) 고양이가 한 마리(C=1C=1)일 때 함수 M(y)M(y) 의 그래프를 그리고, 예를 들어 yy 가 작을 때와 yy 가 클 때 M(y)M(y) 의 거동을 살펴보면서 그래프의 특징을 설명하세요. (d) C=1C=1 이라 하자. 평형해를 구하고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. 이를 이용하여 처음 쥐의 수에 따라 쥐 개체 수의 장기적인 거동을 설명하세요. (e) C=60C=60 이라 하자. 평형해를 구하고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. 이를 이용하여 처음 쥐의 수에 따라 쥐 개체 수의 장기적인 거동을 설명하세요. (f) 쥐의 개체 수가 한없이 커지지 않게 하려면 고양이가 최소 몇 마리 필요한지 구하세요.

영어 원문 보기

Let y(t)y(t) be the number of thousands of mice that live on a farm; assume time tt is measured in years. (This problem is based on an ecological analysis presented in a research paper by C.S. Hollings: The Components of Predation as Revealed by a Study of Small Mammal Predation of the European Pine Sawfly, Canadian Entomology 91: 283-320.)

(a) The population of the mice grows at a yearly rate that is twenty times the number of mice. Express this as a differential equation. (b) At some point, the farmer brings CC cats to the farm. The number of mice that the cats can eat in a year is M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} thousand mice per year. Explain how this modifies the differential equation that you found in part a). (c) Sketch a graph of the function M(y)M(y) for a single cat C=1C=1 and explain its features by looking, for instance, at the behavior of M(y)M(y) when yy is small and when yy is large. (d) Suppose that C=1C=1. Find the equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. Use this to explain the long-term behavior of the mice population depending on the initial population of the mice. (e) Suppose that C=60C=60. Find the equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. Use this to explain the long-term behavior of the mice population depending on the initial population of the mice. (f) What is the smallest number of cats you would need to keep the mice population from growing arbitrarily large?

정답·풀이 보기

(a) y(t)y(t) 를 tt 년 후의 쥐의 개체 수(단위: 천 마리)라 하고 쥐의 수의 스무 배에 해당하는 연간 비율로 증가하므로, 이를 나타내는 미분방정식은 dydt=20y\frac{dy}{dt} = 20y 이다. (b) 고양이가 없으면 쥐는 전체 개체 수에 매년 20y20y 천 마리씩 더한다. 고양이가 CC 마리 있으면 고양이는 이제 매년 M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} 천 마리의 쥐를 없앤다. 쥐가 늘어나는 비율과 줄어드는 비율을 모두 고려하면 다음과 같이 바뀐 미분방정식을 얻는다. dydt=20y−Cy2+y\frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y} (c) 00 에 가까운 양수 yy 에 대해 M(y)=y2+y≈0M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 0 이고, yy 의 값이 클 때 M(y)=y2+y≈1M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 1 이다. 이는 쥐의 개체 수가 많을 때 고양이 한 마리가 매년 개체 수에서 약 11 천 마리의 쥐를 없앨 수 있음을 뜻한다. (d) C=1C=1 이면 미분방정식은 dydt=20y−y2+y \frac{dy}{dt} = 20y - \frac{y}{2+y}\, 이다. 평형해를 구하기 위해 먼저 dydt=0\frac{dy}{dt} = 0 으로 놓는다. 그러면 20y=y2+y20y = \frac{y}{2+y} 이므로 40y+20y2=y40y + 20y^2 = y, 즉 39y+20y2=039y + 20y^2 = 0 이다. 인수분해하면 y(39y+20)=0y(39y + 20) = 0 이므로 y=0y = 0 또는 y=−2039y = -\frac{20}{39} 이다. 음의 평형해는 이 문제의 상황에서 의미가 없으므로, 살펴볼 평형해는 y=0y = 0 뿐이다. y>0y > 0 에서 yy 에 대한 dy/dtdy/dt 의 그래프를 그려 보면 dy/dtdy/dt 는 항상 양수이므로 개체 수는 y=0y = 0 에서 멀어지는 방향으로 증가하며, 따라서 이 평형은 불안정하다. 이는 타당한데, 고양이 한 마리로는 매년 개체 수의 2020 배의 비율로 늘어나는 쥐의 개체 수를 따라잡기에 부족하여 쥐의 개체 수가 한없이 증가하기 때문이다. (e) C=60C=60 이면 미분방정식은 dydt=20y−60y2+y \frac{dy}{dt} = 20y - \frac{60y}{2+y}\, 이다. (d)와 비슷하게 계산하면 평형해는 y=0y = 0 또는 y=1y = 1 이고, yy 에 대한 dy/dtdy/dt 의 그래프를 그려 보면 0<y<10 < y < 1 에서는 dy/dt<0dy/dt < 0 이고 y>1y > 1 에서는 dt/dt>0dt/dt > 0 임을 알 수 있다. 따라서 고양이가 6060 마리 있을 때, 처음에 쥐가 10001000 마리보다 적으면 고양이가 쥐의 개체 수를 00 으로 만든다. 처음에 쥐가 10001000 마리보다 많으면 쥐의 개체 수는 한없이 증가한다. 그리고 처음에 쥐가 10001000 마리이면 이것은 (불안정한) 평형이다. (f) 쥐의 개체 수가 한없이 커지지 않게 하려면, 어떤 처음 쥐의 개체 수에 대해서는 dy/dt≤0dy/dt \le 0 이 되도록 할 만큼 충분한 고양이를 데려와야 한다. 다시 말해 양의 평형해가 존재할 만큼 고양이가 충분해야 한다. 일반적인 미분방정식 dydt=20y−Cy2+y \frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y}\, 에서 dy/dt=0dy/dt = 0 으로 놓고 CC 에 대해 푼다. 그러면 0=20y−Cy2+y0 = 20y - C\frac{y}{2+y} 이므로 20y(y+2)=Cy20y(y+2) = Cy, 즉 20y2+40y−Cy=020y^2 + 40y - Cy = 0 이다. 인수분해하면 y(20y+(40−C))=0 y(20y + (40-C)) = 0\, 이다. 양의 평형해가 있으려면 40−C<040-C < 0 이어야 하므로, 농부는 농장에 고양이를 최소 4141 마리 데려와야 한다. 그런 경우에도 고양이가 쥐의 수가 한없이 늘어나지 않게 할 수 있는지는 처음 쥐의 수에 달려 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we let y(t)y(t) be the population of the mice at year tt in thousands and it grows at a yearly rate that is twenty times the number of mice, the governing differential equation is dydt=20y\frac{dy}{dt} = 20y. (b) On their own, the mice add 20y20y thousand mice per year to their total population. With CC cats present, the cats now remove M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} thousand mice per year. By taking both the rates at which mice are added and removed from the population into account, we find the updated differential equation dydt=20y−Cy2+y\frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y} (c) For positive yy near 00, M(y)=y2+y≈0M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 0; for large values of yy, M(y)=y2+y≈1M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 1. This means that a single cat can remove about 11 thousand mice per year from the population when the mice population is large. (d) Letting C=1C=1, we are working with the differential equation dydt=20y−y2+y .\frac{dy}{dt} = 20y - \frac{y}{2+y}\,. To find the equilibrium solutions, we first set dydt=0\frac{dy}{dt} = 0. Doing so, we find that 20y=y2+y20y = \frac{y}{2+y}, so 40y+20y2=y40y + 20y^2 = y, or 39y+20y2=039y + 20y^2 = 0. Factoring, we see y(39y+20)=0y(39y + 20) = 0 and therefore y=0y = 0 or y=−2039y = -\frac{20}{39}. Since a negative equilibrium solution doesn't make sense in the context of the problem, the only equilibrium solution to study is y=0y = 0. If we plot dy/dtdy/dt versus yy for y>0y > 0, we see that dy/dtdy/dt is always positive, and thus the population will grow away from y=0y = 0, making this equilibrium unstable. And this makes sense: the population of mice will grow without bound, because one cat is insufficient to keep up with a mice population growing at a rate of 2020 times its size per year. (e) Letting C=60C=60, we are working with the differential equation dydt=20y−60y2+y .\frac{dy}{dt} = 20y - \frac{60y}{2+y}\,. Similar work as in (d) shows that the equilibrium solutions are y=0y = 0 or y=1y = 1, and if we plot dy/dtdy/dt versus yy, we see that for 0<y<10 < y < 1, dy/dt<0dy/dt < 0, while for y>1y > 1, dt/dt>0dt/dt > 0. Thus, with 6060 cats present, as long as there are initially fewer than 10001000 mice, the cats will drive the mice population to 00. If there are more than 10001000 mice initially present, the mice population will grow without bound. And if there are 10001000 mice initially present, this will be an (unstable) equilibrium. (f) In order to keep the mice population from growing arbitrarily large, we need to bring enough cats that for certain initial mice populations, we can make dy/dt≤0dy/dt \le 0. In other words, we need enough cats that there's a positive equilibrium solution. Considering the general differential equation, dydt=20y−Cy2+y ,\frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y}\,, we thus set dy/dt=0dy/dt = 0 and solve for CC. Doing so, we find that 0=20y−Cy2+y0 = 20y - C\frac{y}{2+y}, so 20y(y+2)=Cy20y(y+2) = Cy or 20y2+40y−Cy=020y^2 + 40y - Cy = 0. Factoring, we find that y(20y+(40−C))=0 .y(20y + (40-C)) = 0\,. To have a positive equilibrium solution, we require that 40−C<040-C < 0, and therefore the farmer must bring at least 4141 cats to the farm. Even in that circumstance, whether the cats can keep the number of mice from growing without bound will depend on the initial number of mice present.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.2절 · 6번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
71.Active Calculus · 7.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

뉴턴의 냉각 법칙에 따르면, 커피 한 잔과 같은 물체가 식는 속도는 물체의 온도와 실내 온도의 차에 비례한다. T(t)T(t) 가 물체의 온도이고 TrT_r 이 실내 온도일 때, 이 법칙은 다음과 같이 나타내어진다.

dTdt=−k(T−Tr) ,\frac{dT}{dt} = -k(T-T_r)\,, 여기서 kk 는 비례상수이다. 이 문제에서 온도는 화씨 도로, 시간은 분으로 측정한다.

(a) 미적분을 배우는 두 학생 앨리스와 밥이 동시에 70∘^\circ 인 교실에 들어간다. 두 사람은 각각 100∘^\circ 인 커피 한 잔을 들고 있다. 앨리스의 미분방정식에서 비례상수는 k=0.5k=0.5 이고, 밥의 비례상수는 k=0.1k=0.1 이다. 앨리스의 커피의 초기 변화율은 얼마인지 구하세요. 밥의 커피의 초기 변화율은 얼마인지 구하세요. (b) 앨리스와 밥의 커피 잔의 어떤 특징이 이 차이를 설명할 수 있는지 설명하세요. (c) 실내 난방 장치가 켜졌다 꺼졌다 함에 따라 실내 온도가 다음과 같다고 하자. Tr=70+10sin⁡t .T_r=70+10\sin t\,. 시간 구간 0≤t≤500\leq t\leq 50 에서 앨리스의 커피 온도를 어림하기 위해 단계 크기 Δt=0.1\Delta t = 0.1 로 오일러 방법을 적용하세요. 이는 엑셀과 같은 스프레드시트를 사용하면 가장 쉽게 할 수 있다. 이 구간에서 앨리스의 커피 온도와 실내 온도의 그래프를 그리세요. (d) 같은 방법으로 오일러 방법을 적용하여 같은 시간 구간에서 밥의 커피 온도를 어림하세요. 이 구간에서 밥의 커피 온도와 실내 온도의 그래프를 그리세요. (e) 앨리스의 커피와 밥의 커피의 온도 변화 양상에서 나타나는 비슷한 점과 다른 점을 설명하세요.

영어 원문 보기

Newton's Law of Cooling says that the rate at which an object, such as a cup of coffee, cools is proportional to the difference in the object's temperature and room temperature. If T(t)T(t) is the object's temperature and TrT_r is room temperature, this law is expressed at

dTdt=−k(T−Tr) ,\frac{dT}{dt} = -k(T-T_r)\,, where kk is a constant of proportionality. In this problem, temperature is measured in degrees Fahrenheit and time in minutes.

(a) Two calculus students, Alice and Bob, enter a 70∘^\circ classroom at the same time. Each has a cup of coffee that is 100∘^\circ. The differential equation for Alice has a constant of proportionality k=0.5k=0.5, while the constant of proportionality for Bob is k=0.1k=0.1. What is the initial rate of change for Alice's coffee? What is the initial rate of change for Bob's coffee? (b) What feature of Alice's and Bob's cups of coffee could explain this difference? (c) As the heating unit turns on and off in the room, the temperature in the room is Tr=70+10sin⁡t .T_r=70+10\sin t\,. Implement Euler's method with a step size of Δt=0.1\Delta t = 0.1 to approximate the temperature of Alice's coffee over the time interval 0≤t≤500\leq t\leq 50. This will most easily be performed using a spreadsheet such as Excel. Graph the temperature of her coffee and room temperature over this interval. (d) In the same way, implement Euler's method to approximate the temperature of Bob's coffee over the same time interval. Graph the temperature of his coffee and room temperature over the interval. (e) Explain the similarities and differences that you see in the behavior of Alice's and Bob's cups of coffee.

정답·풀이 보기

(a) 앨리스의 커피에 대한 미분방정식은 dTAdt=−0.5(T−70) ,\frac{dT_A}{dt} = -0.5(T-70)\,, 이므로 순간 t=0t = 0 에서 T=100T = 100 이고, 따라서 dTAdt∣T=100=−0.5(30)=−15\frac{dT_A}{dt} \vert_{T = 100} = -0.5(30) = -15 로 분당 15도 감소한다. 밥의 커피에 대해서는 dTBdt=−0.1(T−70) ,\frac{dT_B}{dt} = -0.1(T-70)\,, 이므로 dTBdt∣T=100=−0.1(30)=−3\frac{dT_B}{dt} \vert_{T = 100} = -0.1(30) = -3 으로 분당 3도 감소한다. 이것이 각 커피의 초기 변화율이다. (b) 커피 잔 사이의 차이는 용기가 얼마나 단열되어 있는지로 설명할 수 있다. 밥의 커피는 온도가 더 천천히 떨어지므로, 밥의 용기가 단열이 더 잘 되어 있을 가능성이 높다. (c) 이처럼 실내 온도가 변하므로, 앨리스의 커피에 대한 지배 미분방정식은 dTAdt=−0.5(TA−(70+10sin⁡t)) ,\frac{dT_A}{dt} = -0.5(T_A-(70+10\sin t))\,, 이고 초기 조건은 TA(0)=100T_A(0) = 100 이다. Δt=0.1\Delta t = 0.1 로 오일러 방법을 적용하면 다음과 같은 (일부만 나타낸) 자료표를 얻는다.

tt TA(t)T_A(t)
0.00.0 100100
0.10.1 98.598.5
0.20.2 97.1249297.12492
0.30.3 95.8680195.86801
0.40.4 94.7223794.72237
⋮\vdots ⋮\vdots
49.649.6 65.5671565.56715
49.749.7 65.4800865.48008
49.849.8 65.4381665.43816
49.949.9 65.4418365.44183
5050 65.4910365.49103
이 그래프는 강제 함수 T_r(t) = 70+ 10 sin(t) 의 그래프와, 이에 대응하는 초깃값 문제(IVP)의 해를 어림하기 위해 오일러 방법을 사용하여 얻은 500개의 데이터 점을 겹쳐 놓은 것이다. 이 초깃값 문제는 대응하는
오일러 방법으로 얻은 데이터 점을 실내 온도 함수와 함께 그리면, 위 그림에서 보듯이 시간이 지남에 따라 실내 온도가 커피의 온도를 오르내리게 함을 알 수 있다. 그림에서 커피의 어림 온도에 해당하는 데이터 점은 짙은 파란색으로, 실내 온도 함수 TR(t)=70+10sin⁡(t)T_R(t) = 70 + 10\sin(t) 는 초록색으로 나타냈다.
(d) 밥의 커피에 대한 미분방정식으로 비슷하게 풀면, 함숫값의 어림값에 대한 다음의 (일부만 나타낸) 자료표와 데이터 및 온도 함수의 그래프를 얻는다.
tt TB(t)T_B(t)
--- ---
0.00.0 100100
0.10.1 99.799.7
0.20.2 99.4129899.41298
0.30.3 99.1387299.13872
0.40.4 98.8768998.87689
⋮\vdots ⋮\vdots
49.649.6 69.3951569.39515
49.749.7 69.3394669.33946
49.849.8 69.2924869.29248
49.949.9 69.2546769.25467
5050 69.2263869.22638
이 그래프는 강제 함수 T_r(t) = 70+ 10 sin(t) 의 그래프와, 이에 대응하는 초깃값 문제(IVP)의 해를 어림하기 위해 오일러 방법을 사용하여 얻은 500개의 데이터 점을 겹쳐 놓은 것이다. 이 초깃값 문제는 대응하는
(e) 두 커피의 온도 변화 양상은 처음에는 각각 실내 온도를 향해 감소하다가, 이후 실내 온도 함수가 오르내림에 따라 진동하며 움직인다는 점에서 비슷하다. 앨리스의 커피는 평균 실내 온도에서 벗어나는 영향을 더 쉽게 받는데, 이는 앨리스의 머그잔이 단열이 덜 되어 있다는 것과 일치한다. 반면 밥의 커피에서는 진동이 훨씬 덜 급격하며(실내 온도에 가까워지기까지 전체적인 감소 속도도 더 느리다), 이는 단열이 더 잘 되어 있다는 것과 일치한다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) The differential equation for Alice's coffee is dTAdt=−0.5(T−70) ,\frac{dT_A}{dt} = -0.5(T-70)\,, so at the instant t=0t = 0, T=100T = 100, and thus dTAdt∣T=100=−0.5(30)=−15\frac{dT_A}{dt} \vert_{T = 100} = -0.5(30) = -15 degrees per minute. For Bob's coffee, dTBdt=−0.1(T−70) ,\frac{dT_B}{dt} = -0.1(T-70)\,, so dTBdt∣T=100=−0.1(30)=−3\frac{dT_B}{dt} \vert_{T = 100} = -0.1(30) = -3 degrees per minute. These are the initial rates of change of the respective cups of coffee. (b) The difference between the cups of coffee could be explained by how insulated the containers are: Bob's coffee loses temperature less quickly, so his is likely better insulated. (c) With this varying temperature, the governing differential equation for Alice's coffee is dTAdt=−0.5(TA−(70+10sin⁡t)) ,\frac{dT_A}{dt} = -0.5(T_A-(70+10\sin t))\,, with the inital condition TA(0)=100T_A(0) = 100. Implementing Euler's Method with Δt=0.1\Delta t = 0.1, we get the following (abbreviated) table of data.

tt TA(t)T_A(t)
0.00.0 100100
0.10.1 98.598.5
0.20.2 97.1249297.12492
0.30.3 95.8680195.86801
0.40.4 94.7223794.72237
⋮\vdots ⋮\vdots
49.649.6 65.5671565.56715
49.749.7 65.4800865.48008
49.849.8 65.4381665.43816
49.949.9 65.4418365.44183
5050 65.4910365.49103
This plot superimposes the graph of the forcing function, T_r(t) = 70+ 10 sin(t) with the 500 data points that result from using Euler&#39;s Method to approximate the solution to the IVP that corresponds
Plotting the data points that result from Euler's Method along with the room temperature function, we see how the room temperature drives the temperature of the coffee up and down as time goes on, as pictured in the figure above, where the data points for the coffee's approximate temperature are shown in dark blue, while the room temperature function, TR(t)=70+10sin⁡(t)T_R(t) = 70 + 10\sin(t) is shown in green.
(d) Similar work with the differential equation for Bob's coffee yields the following abbreviated table of approximate function values along with the plot of the data and the temperature function.
tt TB(t)T_B(t)
--- ---
0.00.0 100100
0.10.1 99.799.7
0.20.2 99.4129899.41298
0.30.3 99.1387299.13872
0.40.4 98.8768998.87689
⋮\vdots ⋮\vdots
49.649.6 69.3951569.39515
49.749.7 69.3394669.33946
49.849.8 69.2924869.29248
49.949.9 69.2546769.25467
5050 69.2263869.22638
This plot superimposes the graph of the forcing function, T_r(t) = 70+ 10 sin(t) with the 500 data points that result from using Euler&#39;s Method to approximate the solution to the IVP that corresponds
(e) The behaviors of both cups of coffee are similar in that each decreases toward the room temperature initially and then is driven in an oscillating way by the room temperature function as it rises and falls. We see that Alice's coffee is more susceptible to being influenced away from the average room temperature, which is consistent with her mug being less well insulated, while in Bob's coffee, we see much less radical oscillations (and a slower overall rate of decrease to get near room temperature), which is consistent with being better insulated.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 7.4절 · 12번
# 오일러 방법그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
72.Active Calculus · 7.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 초깃값 문제를 생각하세요.

dydt=−ty, y(0)=8\frac{dy}{dt} = -\frac ty, \ y(0) = 8

(a) 이 초깃값 문제의 해를 구하고 그 그래프를 그리세요. (b) 해가 정의되는 tt의 값은 무엇인지 구하세요. (c) 해가 정의되는 마지막 시각에서 yy의 값은 얼마인지 구하세요. (d) 미분방정식을 살펴보고, (c)에서 구한 yy의 값을 갖는 해를 기대하면 안 되는 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Consider the initial value problem

dydt=−ty, y(0)=8\frac{dy}{dt} = -\frac ty, \ y(0) = 8

(a) Find the solution of the initial value problem and sketch its graph. (b) For what values of tt is the solution defined? (c) What is the value of yy at the last time that the solution is defined? (d) By looking at the differential equation, explain why we should not expect to find solutions with the value of yy you noted in (c).

정답·풀이 보기

(a) 변수를 분리하면 ydydt=−ty \frac{dy}{dt} = -t 이고, tt에 대해 적분하면 ∫y dy=−∫t dt .\int y \, dy = -\int t \,dt\,. 적분을 계산하고 yy에 대해 풀면 12y2=−12t2+C\frac{1}{2}y^2 = -\frac{1}{2}t^2 + C 이므로 y2=C−t2 ,y^2 = C - t^2\,, 따라서 y=±C−t2y = \pm \sqrt{C - t^2} 이다. 초기 조건 y(0)=8y(0) = 8 을 적용하면 8=C8 = \sqrt{C} 이므로(8>08 > 0 이므로 ±\pm 중 ++ 를 택한다) C=64C = 64 이다. 그러므로 초깃값 문제의 해는 y=64−t2 .y = \sqrt{64 - t^2}\,. (b) 이 초깃값 문제의 해는 −8≤t≤8-8 \le t \le 8 에서 정의된다. (c) 해가 정의되는 마지막 시각은 t=8t = 8 이고, 이때 대응하는 yy의 값은 y(8)=0y(8) = 0 이다. (d) 미분방정식은 dydt=−ty\frac{dy}{dt} = -\frac ty 이고, y=0y = 0 일 때 우변의 식은 정의되지 않는다. 따라서 (c)에서 구한 점에서는 엄밀히 말해 해의 값이 정의되지 않는다. 이는 방향장에서 이 점에 수직 접선이 있다는 것과 관련이 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Separating the variables, we find that ydydt=−ty \frac{dy}{dt} = -t and integrating with respect to tt ∫y dy=−∫t dt .\int y \, dy = -\int t \,dt\,. Evaluating the integrals and solving for yy, we see that 12y2=−12t2+C\frac{1}{2}y^2 = -\frac{1}{2}t^2 + C and therefore y2=C−t2 ,y^2 = C - t^2\,, so y=±C−t2y = \pm \sqrt{C - t^2}. Applying the initial condition y(0)=8y(0) = 8, we find that 8=C8 = \sqrt{C} (we choose the ++ from ±\pm since 8>08 > 0), so C=64C = 64. Hence the solution to the IVP is y=64−t2 .y = \sqrt{64 - t^2}\,. (b) The solution to the IVP is defined for −8≤t≤8-8 \le t \le 8. (c) The last time that the solution is defined is t=8t = 8 and the corresponding value of yy at this point is y(8)=0y(8) = 0. (d) Recall that the differential equation is dydt=−ty\frac{dy}{dt} = -\frac ty, and the righthand expression is undefined when y=0y = 0. Hence the solution value is technically not defined at the point we noted in (c); this is connected to there being a vertical tangent line at this point in the direction field.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 26번
# 변수분리형 미분방정식그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
73.Active Calculus · 7.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

바닥에 구멍이 뚫린 원기둥 모양의 물탱크에 물이 가득 차 있다고 합시다. 물은 당연히 새어 나가고 물의 높이는 줄어들 것입니다. h(t)h(t) 를 물의 높이라고 하겠습니다. 토리첼리의 법칙이라는 물리 법칙에 따르면, 높이가 줄어드는 비율은 높이의 제곱근에 비례합니다.

(a) kk 를 비례상수로 사용하여 이 사실을 식으로 나타내세요. (b) 탱크가 두 개 있는데, 하나는 k=−1k=-1 이고 다른 하나는 k=−10k=-10 이라고 합시다. 어떤 물리적 차이가 있을 것으로 예상하나요? (c) 물의 깊이가 100100 인치일 때 높이가 분당 2020 인치씩 줄어드는 탱크가 있다고 합시다. kk 의 값을 구하세요. (d) (c)의 탱크에 대한 초깃값 문제를 푸세요. 그리고 구한 해의 그래프를 그리세요. (e) 탱크에서 물이 모두 빠져나가는 데 걸리는 시간은 얼마인가요? (f) 구한 해는 모든 시간 tt 에 대해 성립하나요? 성립한다면 어떻게 아는지 설명하세요. 성립하지 않는다면 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that a cylindrical water tank with a hole in the bottom is filled with water. The water, of course, will leak out and the height of the water will decrease. Let h(t)h(t) denote the height of the water. A physical principle called Torricelli's Law implies that the height decreases at a rate proportional to the square root of the height.

(a) Express this fact using kk as the constant of proportionality. (b) Suppose you have two tanks, one with k=−1k=-1 and another with k=−10k=-10. What physical differences would you expect to find? (c) Suppose you have a tank for which the height decreases at 2020 inches per minute when the water is filled to a depth of 100100 inches. Find the value of kk. (d) Solve the initial value problem for the tank in part (c), and graph the solution you determine. (e) How long does it take for the water to run out of the tank? (f) Is the solution that you found valid for all time tt? If so, explain how you know this. If not, explain why not.

정답·풀이 보기

(a) dhdt\frac{dh}{dt} 가 물의 높이의 제곱근에 비례하므로 dhdt=kh \frac{dh}{dt} = k \sqrt{h}\, 이다. (b) 한 탱크는 k=−1k=-1 이고 다른 탱크는 k=−10k=-10 이면, k=−10k = -10 인 탱크에서 물이 훨씬 빠르게 빠져나가며, 이는 그 탱크의 구멍이 더 크다는 것에 해당할 것이다. (c) 물의 깊이가 100100 인치일 때 높이가 분당 2020 인치씩 줄어들므로 dhdt∣h=100=−20\frac{dh}{dt}\vert_{h=100} = -20 이다. 이 정보를 미분방정식에 적용하면 −20=k100-20 = k \sqrt{100} 이므로 k=−2k = -2 이다. (d) 초기 조건 h(0)=100h(0) = 100 인 미분방정식 dhdt=−2h\frac{dh}{dt} = -2 \sqrt{h} 를 풀기 위해, 먼저 변수를 분리하여 1hdhdt=−2 \frac{1}{\sqrt{h}} \frac{dh}{dt} = -2\, 로 쓴다. 좌변의 분수를 고쳐 쓰고 tt 에 대해 적분하면 ∫h−1/2 dh=∫−2 dt\int h^{-1/2} \, dh = \int -2 \, dt 이므로 2h1/2=−2t+C ,2h^{1/2} = -2t + C\,, 즉 h=(C−t)2h = \left( C - t \right)^2 이다. h(0)=100h(0) = 100 이므로 100=C2100 = C^2 이고, 따라서 C=10C = 10 이다. 이로부터 초깃값 문제의 해는 h(t)=(10−t)2 h(t) = \left(10 - t \right)^2\, 이다. 이 함수의 그래프는 아래로 볼록한 포물선이며, yy절편은 (0,100)(0,100) 이고 (10,0)(10,0) 에서 중근을 갖는다. (e) h(10)=0h(10) = 0 이므로 탱크가 비는 데 1010 분이 걸린다. (f) 아니요, 이 해는 모든 시간 tt 에 대해 성립하지 않는다. 문제의 물리적 제약에 따르면 t=10t = 10 에서 탱크가 비므로 이 해는 0<t<100 < t < 10 일 때만 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since dhdt\frac{dh}{dt} is proportional to the square root of the height of the water, we have dhdt=kh .\frac{dh}{dt} = k \sqrt{h}\,. (b) If one tank has k=−1k=-1 and the other has k=−10k=-10, the tank with k=−10k = -10 will have water leaving the tank much more rapidly, which should correspond to that tank having a larger hole. (c) Since height decreases at 2020 inches per minute when the water is filled to a depth of 100100 inches, this tells us that dhdt∣h=100=−20\frac{dh}{dt}\vert_{h=100} = -20. Applying this information to the differential equation, −20=k100-20 = k \sqrt{100} and thus k=−2k = -2. (d) To solve the differential equation dhdt=−2h\frac{dh}{dt} = -2 \sqrt{h} with initial condition h(0)=100h(0) = 100, we first separate the variables and write 1hdhdt=−2 .\frac{1}{\sqrt{h}} \frac{dh}{dt} = -2\,. Rewriting the first fraction and integrating with respect to tt, we have ∫h−1/2 dh=∫−2 dt\int h^{-1/2} \, dh = \int -2 \, dt and thus 2h1/2=−2t+C ,2h^{1/2} = -2t + C\,, or h=(C−t)2h = \left( C - t \right)^2. Knowing that h(0)=100h(0) = 100, we see that 100=C2100 = C^2, and thus C=10C = 10. This shows that the solution to the IVP is h(t)=(10−t)2 .h(t) = \left(10 - t \right)^2\,. A plot of this function shows it to be a concave up parabola with yy-intercept (0,100)(0,100) and a repeated zero at (10,0)(10,0). (e) It takes 1010 minutes for the tank to empty since h(10)=0h(10) = 0. (f) No, this solution is not valid for all time tt. The physical constraints of the problem tell us that the solution is only valid for 0<t<100 < t < 10 since at t=10t = 10 the tank is empty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.4절 · 8번
# 변수분리형 미분방정식그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)