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

102문제 · 5 / 6쪽

81.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
82.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
83.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
84.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
85.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?

답 쓰고 채점
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
86.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
87.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
# 변수분리형 미분방정식활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
88.CLP-2 · 2.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 언어에서 특정한 변화가 옛 형태에서 새 형태로 일어나고 있다고 합시다. ( 한 예로 독일어 동사 "볼렌(wollen)"의 2인칭 활용이 "볼트(wollt)"에서 "볼스트(wollst)"로 바뀐 것이 있습니다. 이 예는 사이트 계량언어학의 법칙(Laws in Quantitative Linguistics)의 "언어 변화(Change in Language)" http://lql.uni-trier.de/index.php/Change_in_language 에서 가져왔으며, 2017년 8월 18일에 접속했습니다. ) p(t)p(t) 를 화자가 새 형태를 사용하는 시간의 비율(0은 전혀 사용하지 않음, 1은 항상 사용함을 뜻하며 0과 1 사이의 수로 나타냄)이라 하세요. 피오트로프스키의 법칙(피오트로프스키의 법칙은 글롯토피디아(Glottopedia)의 피오트로프스키 법칙(Piotrowski-Gesetz) 쪽, http://www.glottopedia.org/index.php/Piotrowski-Gesetz 의 내용을 풀어 쓴 것이며, 2017년 8월 18일에 접속했습니다. 이 출처에 따르면 이 법칙은 부부인 R. G. 피오트로프스키와 A. A. 피오트로프스카야의 연구를 바탕으로 하며, 이후 G. 알트만이 일반화했습니다.)은 다음을 예측합니다.

새 형태의 사용은 시간이 지남에 따라, 새 형태의 비율과 옛 형태의 비율의 곱에 비례하는 변화율로 퍼진다.

이를 미분방정식으로 나타내세요. 미분방정식을 풀 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Suppose a particular change is occurring in a language, from an old form to a new form. ( An example is the change in German from “wollt" to “wollst" for the second-person conjugation of the verb “wollen." This example is provided by the site Laws in Quantitative Linguistics, “Change in Language" http://lql.uni-trier.de/index.php/Change_in_language accessed 18 August 2017. ) Let p(t)p(t) be the proportion (measured as a number between 0, meaning none, and 1, meaning all) of the time that speakers use the new form. Piotrowski's law (Piotrowski's law is paraphrased from the page Piotrowski-Gesetz on Glottopedia, http://www.glottopedia.org/index.php/Piotrowski-Gesetz, accessed 18 August 2017. According to this source, the law was based on work by the married couple R. G. Piotrowski and A. A. Piotrowskaja, later generalized by G. Altmann. ) predicts the following.

Use of the new form over time spreads at a rate that is proportional to the product of the proportion of the new form and the proportion of the old form.

Express this as a differential equation. You do not need to solve the differential equation.

정답·풀이 보기

p(t)p(t) 가 화자가 새 형태를 사용하는 시간의 비율이고 0과 1 사이의 값이므로, 1−p(t)1-p(t) 는 화자가 옛 형태를 사용하는 시간의 비율이다.

따라서 이 법칙은 dpdt\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t} 가 p(t)×(1−p(t))p(t)\times \big(1-p(t)\big) 에 비례한다고 말한다. 두 양이 비례한다는 것은 한 양이 다른 양의 상수 배라는 뜻이다. 그러므로 이 법칙은 어떤 상수 α\alpha 에 대해 dpdt=αp(t)(1−p(t))\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}=\alpha p(t)\big(1-p(t)\big) 임을 뜻한다.

참고: 이 모형에 따르면 새 형태가 매우 드물거나 완전히 보편화되었을 때 그 채택의 변화율은 작다. 이는 타당하다. 새 형태가 항상 쓰이면(p(t)≈1p(t)\approx 1) 새로 바꿀 사람이 남아 있지 않고, 새 형태가 거의 쓰이지 않으면(p(t)≈0p(t)\approx 0) 사람들이 그 형태를 알지 못하므로 따라 쓰지 않기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

If p(t)p(t) is the proportion of times speakers use the new form, measured between 0 and 1, then 1−p(t)1-p(t) is the proportion of times speakers use the old form.

The law, then, states that dpdt\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t} is proportional to p(t)×(1−p(t))p(t)\times \big(1-p(t)\big). When we say two quantities are proportional, we mean that one is a constant multiple of the other. So, the law says dpdt=αp(t)(1−p(t))\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}=\alpha p(t)\big(1-p(t)\big) for some constant α\alpha.

Remark: it follows from this model that, when a new form is either very rare or entirely ubiquitous, the rate of change of its adoption is small. This makes sense: if the new form is used all the time (p(t)≈1p(t)\approx 1), there's nobody left to convert; if the new form is almost never used (p(t)≈0p(t)\approx 0) then people don't know about it, so they won't pick it up.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 14번
# 변수분리형 미분방정식활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
89.CLP-2 · 2.4절 · 23번대학 수준우리말 번역

어떤 호수의 물고기 개체 수가 시각 t=0t=0 에 병에 걸렸고, 그 결과 시각 t≥0t\ge 0 에서의 개체 수 P(t)P(t) 가 다음을 만족시킨다.

dPdt=−kP\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}=-k\sqrt{P} \end{aligned}

여기서 kk 는 양의 상수이다. 처음에 호수에 물고기가 90,000마리 있었고 6주 후에 40,000마리가 남았다면, 물고기 개체 수가 10,000마리로 줄어드는 것은 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

The fish population in a lake is attacked by a disease at time t=0t=0, with the result that the size P(t)P(t) of the population at time t≥0t\ge 0 satisfies

dPdt=−kP\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}=-k\sqrt{P} \end{aligned}

where kk is a positive constant. If there were initially 90,000 fish in the lake and 40,000 were left after 6 weeks, when will the fish population be reduced to 10,000?

답 쓰고 채점
주
정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dPdt=−kPdPP=−k dt∫dPP=∫−k dt2P=−kt+Ct=0 일 때 P=90,000 이므로 290,000=−k×0+CC=2×300=600따라서2P=−kt+600이제 k 를 구한다. t 를 주 단위로 나타내자. 그러면 t=6 일 때 P=40,000 이다.240,000=−6k+6002⋅200=−6k+600k=2006=1003구한 k 의 값을 (∗)에 대입하면2P=−1003t+600개체 수가 10,000이 되는 때를 구하기 위해 P=10,000 을 대입하고 t 에 대해 푼다.210,000=−1003t+6002⋅100=−1003t+6001003t=400t=12(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}&=-k\sqrt{P}\\ \frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=-k\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=\int-k\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{P}&=-kt+C \\ \text{$t=0$ 일 때 $P=90,000$ 이므로 } \\ 2\sqrt{90,000}&=-k\times 0+C\\ C&=2\times 300=600 \\ \text{따라서} \\ 2\sqrt{P}&=-kt+600\tag{$*$} \\ \text{이제 $k$ 를 구한다. $t$ 를 주 단위로 나타내자. 그러면 $t=6$ 일 때 $P=40,000$ 이다.} \\ 2\sqrt{40,000}&=-6k+600\\ 2\cdot 200&=-6k+600\\ k&=\frac{200}{6} = \frac{100}{3} \\ \text{구한 $k$ 의 값을 ($*$)에 대입하면} \\ 2\sqrt{P}&=-\frac{100}{3}t+600 \\ \text{개체 수가 10,000이 되는 때를 구하기 위해 $P=10,000$ 을 대입하고 $t$ 에 대해 푼다.} \\ 2\sqrt{10,000}&=-\frac{100}{3}t+600\\ 2\cdot 100&=-\frac{100}{3}t+600\\ \frac{100}{3}t&=400\\ t&=12 \end{aligned}

kk 를 구할 때 tt 를 주 단위로 나타냈으므로, 12주 후에 개체 수가 10,000마리로 줄어든다.

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dPdt=−kPdPP=−k dt∫dPP=∫−k dt2P=−kt+CAt t=0, P=90,000 so 290,000=−k×0+CC=2×300=600Therefore,2P=−kt+600Now, we find k. Let t be measured in weeks. Then when t=6, P=40,000.240,000=−6k+6002⋅200=−6k+600k=2006=1003Substituting our value of k into (∗):2P=−1003t+600To find when the population will be 10,000, we set P=10,000 and solve for t.210,000=−1003t+6002⋅100=−1003t+6001003t=400t=12(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}&=-k\sqrt{P}\\ \frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=-k\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=\int-k\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{P}&=-kt+C \\ \text{At $t=0$, $P=90,000$ so } \\ 2\sqrt{90,000}&=-k\times 0+C\\ C&=2\times 300=600 \\ \text{Therefore,} \\ 2\sqrt{P}&=-kt+600\tag{$*$} \\ \text{Now, we find $k$. Let $t$ be measured in weeks. Then when $t=6$, $P=40,000$.} \\ 2\sqrt{40,000}&=-6k+600\\ 2\cdot 200&=-6k+600\\ k&=\frac{200}{6} = \frac{100}{3} \\ \text{Substituting our value of $k$ into ($*$):} \\ 2\sqrt{P}&=-\frac{100}{3}t+600 \\ \text{To find when the population will be 10,000, we set $P=10,000$ and solve for $t$.} \\ 2\sqrt{10,000}&=-\frac{100}{3}t+600\\ 2\cdot 100&=-\frac{100}{3}t+600\\ \frac{100}{3}t&=400\\ t&=12 \end{aligned}

Since we measured tt in weeks when we found kk, we see that in 12 weeks the population will decrease to 10,000 individuals.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 22번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
90.CLP-2 · 2.4절 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 mm 인 물체를 시각 t=0t=0 에 처음 속력 v0v_0 으로 수직 위로 던져 올린다. 올라가는 동안 물체에 작용하는 힘은 중력(일정하다고 가정한다)과 물체의 속력 v(t)v(t) 의 제곱에 비례하는 공기 저항력뿐이다. 따라서 운동 미분방정식은 다음과 같다.

mdvdt=−(mg+kv2)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-(mg+kv^2) \end{aligned}

여기서 gg 와 kk 는 양의 상수이다. 물체는 언제 최고점에 도달하나요?

영어 원문 보기

An object of mass mm is projected straight upward at time t=0t=0 with initial speed v0v_0. While it is going up, the only forces acting on it are gravity (assumed constant) and a drag force proportional to the square of the object's speed v(t)v(t). It follows that the differential equation of motion is

mdvdt=−(mg+kv2)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-(mg+kv^2) \end{aligned}

where gg and kk are positive constants. At what time does the object reach its highest point?

정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 맞게 푼다.

mdvdt=−(mg+kv2)mmg+kv2 dv=−dt∫mmg+kv2 dv=∫−dt좌변의 적분은 아크탄젠트의 부정적분과 비슷해 보인다. 분모에서 mg 를 묶어 내자.1mg∫m1+kmgv2 dv=−t+C1g∫11+(kmgv)2 dv=−t+C이제 아크탄젠트의 도함수와 더욱 비슷해 보인다. 여기서 부정적분을 짐작하거나, 치환 u=kmgv, du=kmg dv 를 이용할 수 있다.1gmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Cmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Ct=0 일 때 v=v0 이므로: mgkarctan⁡(kmgv0)=CC 를 (∗) 에 대입한다.mgkarctan⁡(kmgv)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t 최고점에서 물체의 속도는 v=0 이다. 이는 t 가 다음을 만족할 때 일어난다:mgkarctan⁡(kmg0)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t0=mgkarctan⁡(kmgv0)−tt=mgkarctan⁡(kmgv0)(∗)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-(mg+kv^2)\\ \frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=-\mathrm{d}t\\ \int\frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=\int-\mathrm{d}t \\ \text{좌변의 적분은 아크탄젠트의 부정적분과 비슷해 보인다. 분모에서 $mg$ 를 묶어 내자.} \\ \frac{1}{mg}\int\frac{m}{1+\frac{k}{mg}v^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C\\ \frac{1}{g}\int\frac{1}{1+\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C \\ \text{이제 아크탄젠트의 도함수와 더욱 비슷해 보인다. 여기서 부정적분을 짐작하거나, 치환 $u=\sqrt{\frac{k}{mg}}v$, $\mathrm{d}u=\sqrt{\frac{k}{mg}}\,\mathrm{d}v$ 를 이용할 수 있다.} \\ \frac{1}{g}\sqrt{\frac{mg}{k}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\tag{$*$} \\ \text{$t=0$ 일 때 $v=v_0$ 이므로: } \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)&=C \\ \text{$C$ 를 $(*)$ 에 대입한다.} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t \\ \text{ 최고점에서 물체의 속도는 $v=0$ 이다. 이는 $t$ 가 다음을 만족할 때 일어난다:} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}0\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ 0&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ t&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

mdvdt=−(mg+kv2)mmg+kv2 dv=−dt∫mmg+kv2 dv=∫−dtThe left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let’s factor out that mg from the denominator.1mg∫m1+kmgv2 dv=−t+C1g∫11+(kmgv)2 dv=−t+CNow it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution u=kmgv, du=kmg dv.1gmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Cmgkarctan⁡(kmgv)=−t+CAt t=0, v=v0, so: mgkarctan⁡(kmgv0)=CPlug C into (∗).mgkarctan⁡(kmgv)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t At its highest point, the object has velocity v=0. This happens when t obeys:mgkarctan⁡(kmg0)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t0=mgkarctan⁡(kmgv0)−tt=mgkarctan⁡(kmgv0)(∗)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-(mg+kv^2)\\ \frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=-\mathrm{d}t\\ \int\frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=\int-\mathrm{d}t \\ \text{The left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let's factor out that $mg$ from the denominator.} \\ \frac{1}{mg}\int\frac{m}{1+\frac{k}{mg}v^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C\\ \frac{1}{g}\int\frac{1}{1+\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C \\ \text{Now it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution $u=\sqrt{\frac{k}{mg}}v$, $\mathrm{d}u=\sqrt{\frac{k}{mg}}\,\mathrm{d}v$.} \\ \frac{1}{g}\sqrt{\frac{mg}{k}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\tag{$*$} \\ \text{At $t=0$, $v=v_0$, so: } \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)&=C \\ \text{Plug $C$ into $(*)$.} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t \\ \text{ At its highest point, the object has velocity $v=0$. This happens when $t$ obeys:} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}0\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ 0&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ t&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 23번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
91.CLP-2 · 2.4절 · 25번대학 수준우리말 번역

모터보트가 속도 40 ft/sec로 달리다가 시각 t=0t=0 에 모터가 꺼진다. 그 후 물의 저항으로 인한 감속은 다음과 같이 주어진다.

dvdt=−k v2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-k\,v^2 \end{aligned}

여기서 kk 는 양의 상수이다. 10초 후 보트의 속도는 20 ft/sec이다.

(a) kk 의 값은 얼마인지 구하세요. (b) 보트의 속도가 5 ft/sec가 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

A motor boat is traveling with a velocity of 40 ft/sec when its motor shuts off at time t=0t=0. Thereafter, its deceleration due to water resistance is given by

dvdt=−k v2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-k\,v^2 \end{aligned}

where kk is a positive constant. After 10 seconds, the boat's velocity is 20 ft/sec.

(a) What is the value of kk? (b) When will the boat's velocity be 5 ft/sec?

답 쓰고 채점
(a)
(b)
초
정답·풀이 보기

(a) 주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dvdt=−k v2−dvv2=k dt∫−dvv2=∫k dt1v=kt+Ct=0 일 때 v=40 이므로 140=k×0+CC=140따라서,v(t)=1kt+C=1kt+1/40=4040kt+1비례상수 k 는 다음 조건으로 정해진다.v(10)=2020=4040k×10+112=1400k+1400k+1=2k=1400(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-k\,v^2\\ -\frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=k\,\mathrm{d}t\\ \int- \frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=\int k\,\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{$t=0$ 일 때 $v=40$ 이므로 } \\ \frac{1}{40}&=k\times 0+ C\\ C&=\frac{1}{40} \\ \text{따라서,} \\ v(t)&=\frac{1}{kt+C}=\frac{1}{kt+1/40}=\frac{40}{40kt+1}\tag{$*$} \\ \text{비례상수 $k$ 는 다음 조건으로 정해진다.} \\ v(10)&=20\\ 20&=\frac{40}{40k\times 10+1}\\ \frac{1}{2}&=\frac{1}{400k+1}\\ 400k+1&=2 \\ k&=\frac{1}{400} \end{aligned}

(b) kk 의 값을 (∗)(*) 에 대입하면,

v(t)=4040kt+1=40t/10+1v(t)=5 가 되는 t 의 값을 구하려 한다.5=40t/10+1t10+1=8t=70 sec\begin{aligned} v(t)&=\frac{40}{40kt+1}=\frac{40}{t/10+1}\\ \\ \text{$v(t)=5$ 가 되는 $t$ 의 값을 구하려 한다.} \\ 5&=\frac{40}{t/10+1}\\ \frac{t}{10}+1&=8 \\ t&=70\text{ sec} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dvdt=−k v2−dvv2=k dt∫−dvv2=∫k dt1v=kt+CAt t=0, v=40 so 140=k×0+CC=140Therefore,v(t)=1kt+C=1kt+1/40=4040kt+1The constant of proportionality k is determined byv(10)=2020=4040k×10+112=1400k+1400k+1=2k=1400(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-k\,v^2\\ -\frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=k\,\mathrm{d}t\\ \int- \frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=\int k\,\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{At $t=0$, $v=40$ so } \\ \frac{1}{40}&=k\times 0+ C\\ C&=\frac{1}{40} \\ \text{Therefore,} \\ v(t)&=\frac{1}{kt+C}=\frac{1}{kt+1/40}=\frac{40}{40kt+1}\tag{$*$} \\ \text{The constant of proportionality $k$ is determined by} \\ v(10)&=20\\ 20&=\frac{40}{40k\times 10+1}\\ \frac{1}{2}&=\frac{1}{400k+1}\\ 400k+1&=2 \\ k&=\frac{1}{400} \end{aligned}

(b) Subbing in the value of kk to (∗)(*),

v(t)=4040kt+1=40t/10+1We want to know the value of t that gives v(t)=5.5=40t/10+1t10+1=8t=70 sec\begin{aligned} v(t)&=\frac{40}{40kt+1}=\frac{40}{t/10+1}\\ \\ \text{We want to know the value of $t$ that gives $v(t)=5$.} \\ 5&=\frac{40}{t/10+1}\\ \frac{t}{10}+1&=8 \\ t&=70\text{ sec} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 24번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
92.CLP-2 · 2.4절 · 28번대학 수준우리말 번역

유체 속에서 움직이는 물체의 처음 속도 vv 는 400 m/min 이다. 속도는 속도의 제곱에 비례하는 비율로 감소한다. 1분 후의 속도는 200 m/min 이다.

(a) 시간을 tt 라 할 때, 속도 v=v(t)v=v(t) 에 대한 미분방정식을 쓰세요. (b) 이 미분방정식을 푸세요. (c) 물체의 속도가 50 m/min 이 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

An object moving in a fluid has an initial velocity vv of 400 m/min. The velocity is decreasing at a rate proportional to the square of the velocity. After 1 minute the velocity is 200 m/min.

(a) Give a differential equation for the velocity v=v(t)v=v(t) where tt is time. (b) Solve this differential equation. (c) When will the object be moving at 50 m/min?

정답·풀이 보기

(a) 시각 tt 에서 속력의 변화율은 어떤 비례상수 kk 에 대해 −kv(t)2-kv(t)^2 이다 (kk 는 나중에 구하지만, 속력이 감소하므로 양수라고 가정한다). 따라서 v(t)v(t) 는 미분방정식 dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 을 만족시킨다. (b) 방정식 dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 은 변수분리형 미분방정식이므로 다음과 같이 보통의 방법으로 풀 수 있다.

dvdt=−kv2dv−v2=kdt∫−dvv2=∫kdt1v=kt+C시각 t=0 에서 v=400 이므로 C=1400 이다. 그러면:1v=kt+1400시각 t=1 에서 v=200 이므로 1200=k+1400k=1400따라서 (∗)에서,1v=t400+1400=t+1400v=400t+1(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-kv^2\\ \frac{\mathrm{d}v}{-v^2}&=k\mathrm{d}t\\ \int -\frac{\mathrm{d}v}{v^2} &=\int k\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{시각 $t=0$ 에서 $v=400$ 이므로 $C=\frac{1}{400}$ 이다. 그러면:} \\ \frac{1}{v}&=kt+\frac{1}{400}\tag{$*$} \\ \text{시각 $t=1$ 에서 $v=200$ 이므로 } \\ \frac{1}{200}&=k+\frac{1}{400}\\ k&=\frac{1}{400} \\ \text{따라서 ($*$)에서,} \\ \frac{1}{v}&=\frac{t}{400}+\frac{1}{400} = \frac{t+1}{400}\\ v&=\frac{400}{t+1} \end{aligned} (c) 속력이 50이 되는 때를 구하려면, (b)에서 얻은 식에 v=50v=50 을 대입하여 tt 에 대해 푼다.

50=400t+150(t+1)=400t+1=8t=7\begin{aligned} 50&=\frac{400}{t+1}\\ 50(t+1)&=400\\ t+1&=8\\ t&=7 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The rate of change of speed at time tt is −kv(t)2-kv(t)^2 for some constant of proportionality kk (to be determined–but we assume it is positive, since the speed is decreasing). So v(t)v(t) obeys the differential equation dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 . (b) The equation dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 is a separable differential equation, which we can solve in the usual way.

dvdt=−kv2dv−v2=kdt∫−dvv2=∫kdt1v=kt+CAt time t=0, v=400, so C=1400. Then:1v=kt+1400At time t=1, v=200, so 1200=k+1400k=1400Therefore, from (∗),1v=t400+1400=t+1400v=400t+1(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-kv^2\\ \frac{\mathrm{d}v}{-v^2}&=k\mathrm{d}t\\ \int -\frac{\mathrm{d}v}{v^2} &=\int k\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{At time $t=0$, $v=400$, so $C=\frac{1}{400}$. Then:} \\ \frac{1}{v}&=kt+\frac{1}{400}\tag{$*$} \\ \text{At time $t=1$, $v=200$, so } \\ \frac{1}{200}&=k+\frac{1}{400}\\ k&=\frac{1}{400} \\ \text{Therefore, from ($*$),} \\ \frac{1}{v}&=\frac{t}{400}+\frac{1}{400} = \frac{t+1}{400}\\ v&=\frac{400}{t+1} \end{aligned} (c) To find when the speed is 50, we set v=50v=50 in the equation from (b) and solve for tt.

50=400t+150(t+1)=400t+1=8t=7\begin{aligned} 50&=\frac{400}{t+1}\\ 50(t+1)&=400\\ t+1&=8\\ t&=7 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 16번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
93.CLP-2 · 2.4절 · 32번대학 수준우리말 번역

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

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

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

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

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

그림

이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다. gg 는 상수임을 기억하자.

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

원본 교재 풀이(영어)

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

figure

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 33번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
94.CLP-2 · 2.4절 · 33번대학 수준우리말 번역

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

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

영어 원문 보기

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

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

정답·풀이 보기

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

그림

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

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

원본 교재 풀이(영어)

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

figure

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.3절 · 9번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
95.CLP-2 · 2.4절 · 35번대학 수준우리말 번역

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

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

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

영어 원문 보기

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

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

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

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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

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

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

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 37번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
96.Active Calculus · 7.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

초깃값 문제의 해를 근사할 때 오차는 Δt\Delta t 에 비례함을 보았다. 즉, EΔtE_{\Delta t} 가 t‾\overline{t} 에서 초깃값 문제의 해에 대한 오일러 방법의 근삿값이라면

y(t‾)−EΔt≈KΔty(\overline{t})-E_{\Delta t} \approx K\Delta t

를 만족하는 비례상수 KK 가 있다.

이 문제에서는 이 사실을 이용하여 가속 수렴이라는 아이디어로 추정값을 개선하는 방법을 알아본다.

(a) 오차가 Δt\Delta t 에 정확히 비례한다고 가정하여, 다음 식에 따라 새로운 근삿값을 만들어 보자. y(t‾)−EΔt=KΔt .y(\overline{t})-E_{\Delta t} =K\Delta t\,. 초깃값 문제 dy/dt=ydy/dt = y, y(0)=1y(0)=1 에서 Δt=0.2\Delta t = 0.2 와 Δt=0.1\Delta t = 0.1 일 때 앞에서 얻은 결과를 이용하면 다음과 같다. y(1)−2.4883=(0.2Ky(1)−2.5937=(0.1K .\begin{aligned}y(1) - 2.4883 =\mathstrut & 0.2K \\ y(1) - 2.5937 =\mathstrut & 0.1K\end{aligned}\,. 이것은 미지수 y(1)y(1) 과 KK 에 대한 두 일차방정식으로 이루어진 연립방정식이다. 이 연립방정식을 풀어 y(1)y(1) 의 새로운 근삿값을 구하세요. (정확한 값은 y(1)=e=2.71828…y(1) = e = 2.71828\ldots 임을 기억할 것이다.) (b) 다른 자료인 E0.05=2.6533E_{0.05} = 2.6533 과 E0.025=2.6851E_{0.025} = 2.6851 을 이용하여 (a)와 비슷한 방법으로 또 다른 근삿값을 구하세요. 어느 쪽이 더 좋은 근삿값인가요? 그 이유는 무엇이라고 생각하나요? (c) 이제 초깃값 문제 dydt=t−y, y(0)=0\frac{dy}{dt} = t-y, \ y(0) = 0 을 살펴보자. 오일러 방법을 적용하여 근삿값 E0.1E_{0.1} 과 E0.05E_{0.05} 를 구하고 이를 이용해 y(0.3)y(0.3) 을 어림하세요. 그런 다음 가속 수렴의 아이디어를 이용하여 더 좋은 근삿값을 구하세요. (비교를 위해, 실제 값은 y(0.3)=0.0408y(0.3) = 0.0408 임을 참고하세요.)

영어 원문 보기

We have seen that the error in approximating the solution to an initial value problem is proportional to Δt\Delta t. That is, if EΔtE_{\Delta t} is the Euler's method approximation to the solution to an initial value problem at t‾\overline{t}, then

y(t‾)−EΔt≈KΔty(\overline{t})-E_{\Delta t} \approx K\Delta t

for some constant of proportionality KK.

In this problem, we will see how to use this fact to improve our estimates, using an idea called accelerated convergence.

(a) We will create a new approximation by assuming the error is exactly proportional to Δt\Delta t, according to the formula y(t‾)−EΔt=KΔt .y(\overline{t})-E_{\Delta t} =K\Delta t\,. Using our earlier results from the initial value problem dy/dt=ydy/dt = y and y(0)=1y(0)=1 with Δt=0.2\Delta t = 0.2 and Δt=0.1\Delta t = 0.1, we have y(1)−2.4883=(0.2Ky(1)−2.5937=(0.1K .\begin{aligned}y(1) - 2.4883 =\mathstrut & 0.2K \\ y(1) - 2.5937 =\mathstrut & 0.1K\end{aligned}\,. This is a system of two linear equations in the unknowns y(1)y(1) and KK. Solve this system to find a new approximation for y(1)y(1). (You may remember that the exact value is y(1)=e=2.71828…y(1) = e = 2.71828\ldots.) (b) Use the other data, E0.05=2.6533E_{0.05} = 2.6533 and E0.025=2.6851E_{0.025} = 2.6851 to do similar work as in (a) to obtain another approximation. Which gives the better approximation? Why do you think this is? (c) Let's now study the initial value problem dydt=t−y, y(0)=0 .\frac{dy}{dt} = t-y, \ y(0) = 0\,. Approximate y(0.3)y(0.3) by applying Euler's method to find approximations E0.1E_{0.1} and E0.05E_{0.05}. Now use the idea of accelerated convergence to obtain a better approximation. (For the sake of comparison, you want to note that the actual value is y(0.3)=0.0408y(0.3) = 0.0408.)

정답·풀이 보기

(a) 일차방정식으로 이루어진 연립방정식 y(1)−2.4883=(0.2Ky(1)−2.5937=(0.1K\begin{aligned}y(1) - 2.4883 =\mathstrut & 0.2K \\ y(1) - 2.5937 =\mathstrut & 0.1K\end{aligned} 에서 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 y(1)y(1) 이 소거된다. 이렇게 하면 −2.4883−(−2.5937)=0.2K−0.1K-2.4883 - (-2.5937) = 0.2K - 0.1K 이므로 0.1054=0.1K0.1054 = 0.1K 이고, 따라서 K=1.054K = 1.054 이다. 이 값을 연립방정식의 첫째 식에 대입하면 y(1)−2.4883=0.2(1.054)y(1) - 2.4883 = 0.2(1.054) 이므로 y(1)=0.2(1.054)+2.4883=2.6991y(1) = 0.2(1.054) + 2.4883 = 2.6991 이다. (b) E0.05=2.6533E_{0.05} = 2.6533 과 E0.025=2.6851E_{0.025} = 2.6851 이므로, 이 자료로부터 비슷한 연립일차방정식 y(1)−2.6533=(0.05Ky(1)−2.6851=(0.025K .\begin{aligned}y(1) - 2.6533 =\mathstrut & 0.05K \\ y(1) - 2.6851 =\mathstrut & 0.025K\end{aligned}\,. 을 얻는다. 이 연립방정식을 풀면 K=1.272K = 1.272, y(1)=2.7169y(1) = 2.7169 이다. y(1)y(1) 의 참값이 e=2.71828…e = 2.71828\ldots 이므로 (b)의 근삿값이 훨씬 더 좋음을 알 수 있다. 이는 예상된 결과인데, (a)에서 쓴 더 작은 Δt\Delta t 값을 두 번 반으로 줄인 Δt=0.05\Delta t = 0.05 와 Δt=0.025\Delta t = 0.025 를 사용하여 이미 더 좋은 근삿값에서 출발하기 때문이다. (c) E0.1E_{0.1} 과 E0.05E_{0.05} 를 계산하기 위해 먼저 Δt=0.1\Delta t = 0.1 과 Δt=0.5\Delta t = 0.5 를 사용하여 y(0.3)y(0.3) 의 추정값을 구한다. 이렇게 구하고 (a), (b)에서처럼 오차에 대해 비슷한 가정을 하면, Δt=0.1\Delta t = 0.1 일 때 y(1)≈0.0290y(1) \approx 0.0290, Δt=0.05\Delta t = 0.05 일 때 y(1)≈0.0351y(1) \approx 0.0351 이므로 다음 연립방정식을 생각한다. y(0.3)−0.0290=0.1Ky(0.3)−0.0351=0.05K .\begin{aligned}y(0.3) - 0.0290 &= 0.1K \\ y(0.3) - 0.0351 &= 0.05K\end{aligned}\,. 이 연립방정식을 풀면 K=(−0.0290+0.0351)/0.05=0.122K = (-0.0290 + 0.0351)/0.05 = 0.122 이고 y(0.3)=0.1(0.122)+0.0290=0.0412y(0.3) = 0.1(0.122) + 0.0290 = 0.0412 이며, 이는 실제 값 y(0.3)=0.0408y(0.3) = 0.0408 에 훨씬 더 가깝다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To solve the linear system y(1)−2.4883=(0.2Ky(1)−2.5937=(0.1K\begin{aligned}y(1) - 2.4883 =\mathstrut & 0.2K \\ y(1) - 2.5937 =\mathstrut & 0.1K\end{aligned} we subtract the second equation from the first to eliminate y(1)y(1). Doing so, we find that −2.4883−(−2.5937)=0.2K−0.1K-2.4883 - (-2.5937) = 0.2K - 0.1K so that 0.1054=0.1K0.1054 = 0.1K and thus K=1.054K = 1.054. Substituting this value into the first equation in the system, it follows that y(1)−2.4883=0.2(1.054)y(1) - 2.4883 = 0.2(1.054) so y(1)=0.2(1.054)+2.4883=2.6991y(1) = 0.2(1.054) + 2.4883 = 2.6991. (b) Recalling that E0.05=2.6533E_{0.05} = 2.6533 and E0.025=2.6851E_{0.025} = 2.6851, it follows that this data generates the similar linear system given by y(1)−2.6533=(0.05Ky(1)−2.6851=(0.025K .\begin{aligned}y(1) - 2.6533 =\mathstrut & 0.05K \\ y(1) - 2.6851 =\mathstrut & 0.025K\end{aligned}\,. Solving this system yields K=1.272K = 1.272 and y(1)=2.7169y(1) = 2.7169. Knowing that the true value of y(1)y(1) is e=2.71828…e = 2.71828\ldots, we see that the approximation here in (b) is much better. That is expected because we are already working with better approximations that come from using Δt=0.05\Delta t = 0.05 and Δt=0.025\Delta t = 0.025, which have been twice halved from the smaller Δt\Delta t value in (a). (c) To compute E0.1E_{0.1} and E0.05E_{0.05}, we first compute the estimates to y(0.3)y(0.3) using Δt=0.1\Delta t = 0.1 and Δt=0.5\Delta t = 0.5. Doing so and making similar assumptions about the error as we did in (a) and (b), we find that for Δt=0.1\Delta t = 0.1, y(1)≈0.0290y(1) \approx 0.0290 and for Δt=0.05\Delta t = 0.05, y(1)≈0.0351y(1) \approx 0.0351, and therefore we consider the system y(0.3)−0.0290=0.1Ky(0.3)−0.0351=0.05K .\begin{aligned}y(0.3) - 0.0290 &= 0.1K \\ y(0.3) - 0.0351 &= 0.05K\end{aligned}\,. Solving the system, it follows that K=(−0.0290+0.0351)/0.05=0.122K = (-0.0290 + 0.0351)/0.05 = 0.122 and y(0.3)=0.1(0.122)+0.0290=0.0412y(0.3) = 0.1(0.122) + 0.0290 = 0.0412, which is much closer to the actual value of y(0.3)=0.0408y(0.3) = 0.0408.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.3절 · 6번
# 오일러 방법활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
97.Active Calculus · 7.5절 · 6번대학 수준우리말 번역

축하합니다, 방금 복권에 당첨되었습니다! 제시된 한 가지 선택지에서는 앞으로 25년 동안 매년 백만 달러를 받게 됩니다. 이 돈을 매년 5%의 이자를 주는 계좌에 예금할 수 있습니다.

(a) 계좌에 있는 금액의 변화율을 나타내는 미분방정식을 세우세요. 금액이 늘어나는 요인은 두 가지입니다. 첫째, 매년 백만 달러를 예금하고, 둘째, 5%의 이자를 받습니다. (b) 계좌를 열었을 때 계좌에 들어 있는 금액이 없었다면, 25년 후 계좌에 얼마가 있겠습니까? (c) 제시된 두 번째 선택지는 일시불로 10백만 달러(천만 달러)를 받아 비슷한 계좌에 예금하는 것입니다. 25년 후 그 계좌에 얼마가 있겠습니까? (d) 첫 번째 선택지와 두 번째 선택지 중 어느 쪽을 선호하는지 쓰고, 그 생각을 설명하세요. (e) 첫 번째 선택지의 계좌에 있는 금액이 두 번째 선택지의 계좌에 있는 금액을 넘어서는 것은 언제입니까?

영어 원문 보기

Congratulations, you just won the lottery! In one option presented to you, you will be paid one million dollars a year for the next 25 years. You can deposit this money in an account that will earn 5% each year.

(a) Set up a differential equation that describes the rate of change in the amount of money in the account. Two factors cause the amount to grow—first, you are depositing one millon dollars per year and second, you are earning 5% interest. (b) If there is no amount of money in the account when you open it, how much money will you have in the account after 25 years? (c) The second option presented to you is to take a lump sum of 10 million dollars, which you will deposit into a similar account. How much money will you have in that account after 25 years? (d) Do you prefer the first or second option? Explain your thinking. (e) At what time does the amount of money in the account under the first option overtake the amount of money in the account under the second option?

정답·풀이 보기

(a) A(t)A(t) 를 시각 tt 에서 계좌에 있는 금액(단위: 백만 달러)이라 하자. AA 의 변화율은 매년 11백만 달러가 추가되는 것과 이자 0.05A0.05A 의 영향을 받는다. 따라서 dAdt=1+0.05A\frac{dA}{dt} = 1 + 0.05A 이다. (b) 계좌를 열었을 때 계좌에 들어 있는 금액이 없었다면 A(0)=0A(0) = 0 이다. 초깃값 문제를 풀면 25년 후 계좌에 얼마가 있는지 구할 수 있다. 1+0.05A=0.05(20+A)1 + 0.05A = 0.05(20 + A) 이므로 120+AdAdt=0.05\frac{1}{20+A} \frac{dA}{dt} = 0.05 이고, 따라서 ∫120+A dA=∫0.05 dt .\int \frac{1}{20+A} \, dA = \int 0.05 \, dt\,. 적분하면(모든 tt 에 대해 A(t)>0A(t) > 0 임에 유의), ln⁡(20+A)=0.05t+C ,\ln (20 + A) = 0.05t + C\,, 이므로 AA 에 대해 통상적인 방법으로 풀면 20+A=Ke0.05t20 + A = Ke^{0.05t} 이고, 따라서 A(t)=Ke0.05t−20A(t) = Ke^{0.05t} - 20 이다. A(0)=0A(0) = 0 이므로 K=20K = 20 이고, A(t)=20(e0.05t−1) .A(t) = 20(e^{0.05t} - 1)\,. 임을 보였다. 그러므로 A(25)=49.80686A(25) = 49.80686백만 달러이다. (c) 이 선택지에서는 dAdt=0.05A\frac{dA}{dt} = 0.05A, A(0)=10A(0) = 10 이므로 이 초깃값 문제의 일반적인 풀이에 의해 A(t)=10e0.05tA(t) = 10e^{0.05t} 이고, 이로부터 A(25)=34.90343A(25) = 34.90343백만 달러임을 알 수 있다. (d) 첫 번째 선택지가 장기적으로 더 많은 돈이 되므로 분명히 더 좋다. (e) 첫 번째 선택지의 계좌에 있는 금액이 두 번째 선택지의 계좌에 있는 금액을 넘어서는 때는 20(e0.05t−1)=10e0.05t20(e^{0.05t} - 1) = 10e^{0.05t} 일 때이다. tt 에 대해 풀면 10e0.05t=2010e^{0.05t} = 20 이므로 e0.05t=2e^{0.05t} = 2 이고, 따라서 t=20ln⁡(2)≈13.86 년 .t = 20 \ln(2) \approx 13.86 \ \text{년}\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let A(t)A(t) be the amount of money (in millions) in the account at time tt. We know that the rate of change of AA is affected by the addition of 11 million dollars a year, plus the interest earned, which is 0.05A0.05A. Thus, dAdt=1+0.05A\frac{dA}{dt} = 1 + 0.05A (b) If there is no amount of money in the account when you open it, that means A(0)=0A(0) = 0. Solving the initial value problem, we can find how much money will be in the account after 25 years. Note that 1+0.05A=0.05(20+A)1 + 0.05A = 0.05(20 + A), so we have 120+AdAdt=0.05\frac{1}{20+A} \frac{dA}{dt} = 0.05 and thus ∫120+A dA=∫0.05 dt .\int \frac{1}{20+A} \, dA = \int 0.05 \, dt\,. Integrating (and noting that A(t)>0A(t) > 0 for all tt, ln⁡(20+A)=0.05t+C ,\ln (20 + A) = 0.05t + C\,, so solving for AA in the standard way, 20+A=Ke0.05t20 + A = Ke^{0.05t} and thus A(t)=Ke0.05t−20A(t) = Ke^{0.05t} - 20. Since A(0)=0A(0) = 0, K=20K = 20, and we've shown A(t)=20(e0.05t−1) .A(t) = 20(e^{0.05t} - 1)\,. It follows that A(25)=49.80686A(25) = 49.80686 million dollars. (c) For this option, we know that dAdt=0.05A\frac{dA}{dt} = 0.05A, A(0)=10A(0) = 10, and thus by the standard solution to this IVP, A(t)=10e0.05tA(t) = 10e^{0.05t} from which we see that A(25)=34.90343A(25) = 34.90343 million dollars. (d) The first option is obviously better because it leads to more money in the long term. (e) The amount of money in the account under the first option overtakes the amount of money in the account under the second option when 20(e0.05t−1)=10e0.05t20(e^{0.05t} - 1) = 10e^{0.05t}. Solving for tt, we find that 10e0.05t=2010e^{0.05t} = 20, so e0.05t=2e^{0.05t} = 2, and thus t=20ln⁡(2)≈13.86 years .t = 20 \ln(2) \approx 13.86 \ \text{years}\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 9번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
98.Active Calculus · 7.5절 · 7번대학 수준우리말 번역

스카이다이버가 비행기에서 뛰어내릴 때, 중력 때문에 아래 방향 속도는 초제곱당 g≈9.8g\approx 9.8 미터의 비율로 증가한다. 동시에 공기 저항 때문에 속도는 속도에 비례하는 비율로 감소한다.

(a) 비례상수를 kk 로 나타내어, 스카이다이버의 속도의 변화율을 나타내는 미분방정식을 쓰세요. (b) 평형해를 모두 구하고, 각각이 안정인지 불안정인지 판단하세요. 결과는 kk 에 따라 달라집니다. (c) 처음 속도가 0이라고 할 때, 속도 v(t)v(t) 를 구하세요. (d) 얼굴을 아래로 향하고 떨어지는 스카이다이버의 일반적인 종단 속도는 초당 54 미터이다. 이 스카이다이버의 kk 의 값은 얼마인지 구하세요. (e) 종단 속도의 50%에 도달하는 데 걸리는 시간은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

When a skydiver jumps from a plane, gravity causes her downward velocity to increase at the rate of g≈9.8g\approx 9.8 meters per second squared. At the same time, wind resistance causes her velocity to decrease at a rate proportional to the velocity.

(a) Using kk to represent the constant of proportionality, write a differential equation that describes the rate of change of the skydiver's velocity. (b) Find any equilibrium solutions and decide whether they are stable or unstable. Your result should depend on kk. (c) Suppose that the initial velocity is zero. Find the velocity v(t)v(t). (d) A typical terminal velocity for a skydiver falling face down is 54 meters per second. What is the value of kk for this skydiver? (e) How long does it take to reach 50% of the terminal velocity?

정답·풀이 보기

(a) 시각 tt 에서 스카이다이버의 아래 방향 속도를 v(t)v(t) 라 하자. 중력 때문에 아래 방향 속도가 초제곱당 g≈9.8g\approx 9.8 의 비율로 증가하므로, dvdt\frac{dv}{dt} 에 대한 미분방정식에는 +9.8+9.8 미터/초제곱의 항이 있고, 공기 저항 때문에 속도가 감소하는 효과는 음의 항 −kv-kv 로 나타난다. 따라서 미분방정식은 dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv 이다. (b) 평형해를 구하기 위해 dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0 으로 놓고 vv 에 대해 푼다. 그러면 0=9.8−kv0 = 9.8 - kv 이므로 v=9.8kv = \frac{9.8}{k} 이다. 또한 v<9.8kv < \frac{9.8}{k} 일 때 dvdt>0\frac{dv}{dt} > 0 이고, dvdt>9.8k\frac{dv}{dt} > \frac{9.8}{k} 일 때 dvdt<0\frac{dv}{dt} < 0 임을 알 수 있다. 따라서 평형보다 조금 큰 속도에서는 속도가 감소하고 평형보다 조금 작은 속도에서는 속도가 감소하므로, v=9.8kv = \frac{9.8}{k} 는 안정 평형이다. (c) v(0)=0v(0) = 0 이라 가정하고, 위에서 세운 미분방정식으로 초깃값 문제(IVP)를 푼다. 미분방정식 dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv 에서 변수를 분리하면 19.8−kvdvdt=1 \frac{1}{9.8 - kv} \frac{dv}{dt} = 1\, 이다. tt 에 대해 적분하면 ∫19.8−kv dv=∫1 dt ,\int \frac{1}{9.8 - kv} \, dv = \int 1 \, dt\,, 이고, 일반적인 치환을 사용하면 −1kln⁡∣9.8−kv∣=t+C-\frac{1}{k} \ln | 9.8 - kv | = t + C 이다. vv 에 대해 풀면 ln⁡∣9.8−kv∣=−kt+C1\ln | 9.8 - kv | = -kt + C_1 이다 (여기서 C1=−CkC_1 = -Ck 이다. 또는 ∣9.8−kv∣=e−kt+C1=C2e−kt |9.8 - kv| = e^{-kt + C_1} = C_2 e^{-kt}\, 이다. 절댓값을 통상적인 방법으로 상수 C2C_2 에 포함시키면, 어떤 상수 AA 에 대해 9.8−kv=Ae−kt9.8 - kv = Ae^{-kt} 이고, 따라서 v=9.8−Ae−ktkv = \frac{9.8 - Ae^{-kt}}{k} 이다. v(0)=0v(0) = 0 으로 놓으면 AA 도 정할 수 있는데, 0=9.8−Ak0 = \frac{9.8 - A}{k} 이므로 A=9.8A = 9.8 이다. 따라서 초깃값 문제의 해는 v(t)=9.8−9.8e−ktkv(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} 이다. (d) 스카이다이버의 종단 속도가 초당 54 미터라는 것은 lim⁡t→∞v(t)=54\lim_{t \to \infty} v(t) = 54 라는 뜻이다. (c)에서 구한 해를 이용하면 lim⁡t→∞9.8−9.8e−ktk=9.8k\lim_{t \to \infty} \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} = \frac{9.8}{k} 임을 알 수 있다. 이는 t→∞t \to \infty 일 때 e−kt→0e^{-kt} \to 0 이기 때문이다. 따라서 54=9.8k54 = \frac{9.8}{k} 이므로 k=9.8/54≈0.181481k = 9.8/54 \approx 0.181481 이다. (e) 종단 속도의 50%에 도달하는 데 걸리는 시간을 구하기 위해 v(t)=9.8−9.8e−0.181481t0.181481=0.5(54)v(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-0.181481t}}{0.181481} = 0.5(54) 로 놓고 tt 에 대해 푼다. 그러면 9.8−9.8e−0.181481t=0.5(54)(0.181481) ,9.8 - 9.8e^{-0.181481t} = 0.5(54)(0.181481)\,, 이므로 9.8−9.8e−0.181481t=4.9 ,9.8-9.8e^{-0.181481t} = 4.9\,, 이고, 따라서 9.8e−0.181481t=4.99.8e^{-0.181481t} = 4.9 이며, 이로부터 e−0.181481t=0.5e^{-0.181481t} = 0.5 이다. tt 에 대해 풀면 t=ln⁡(0.5)−0.181481≈3.1894t = \frac{\ln(0.5)}{-0.181481} \approx 3.1894 초이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let the skydiver's downward velocity at time tt be given by v(t)v(t). Since gravity causes her downward velocity to increase at the rate of g≈9.8g\approx 9.8, there is a factor of +9.8+9.8 meters per second squared in the differential equation for dvdt\frac{dv}{dt}, while the factor of wind resistence causing the velocity to decrease contributes the negative factor −kv-kv. Thus, the differential equation is dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv (b) To find the equilibrium solutions, we set dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0 and solve for vv. Doing so, 0=9.8−kv0 = 9.8 - kv, so v=9.8kv = \frac{9.8}{k}. Moreover, we note that for v<9.8kv < \frac{9.8}{k}, dvdt>0\frac{dv}{dt} > 0, while for dvdt>9.8k\frac{dv}{dt} > \frac{9.8}{k}, dvdt<0\frac{dv}{dt} < 0. Thus, for velocities just above the equilibrium, the velocity will decrease and for velocities just below the equilibrium, the velocity will decrease, making v=9.8kv = \frac{9.8}{k} a stable equilibrium. (c) We assume that v(0)=0v(0) = 0 and solve the IVP with the differential equation we developed. Taking the differential equation dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv and separating the variables, we have 19.8−kvdvdt=1 .\frac{1}{9.8 - kv} \frac{dv}{dt} = 1\,. Integrating with respect to tt, ∫19.8−kv dv=∫1 dt ,\int \frac{1}{9.8 - kv} \, dv = \int 1 \, dt\,, and using a standard substitution, we have −1kln⁡∣9.8−kv∣=t+C .-\frac{1}{k} \ln | 9.8 - kv | = t + C\,. Solving for vv, we have ln⁡∣9.8−kv∣=−kt+C1\ln | 9.8 - kv | = -kt + C_1 (where C1=−CkC_1 = -Ck, or ∣9.8−kv∣=e−kt+C1=C2e−kt .|9.8 - kv| = e^{-kt + C_1} = C_2 e^{-kt}\,. Incorporating the absolute value into the constant C2C_2 in the usual way, we have for some constant AA that 9.8−kv=Ae−kt9.8 - kv = Ae^{-kt} and thus v=9.8−Ae−ktk .v = \frac{9.8 - Ae^{-kt}}{k}\,. Setting v(0)=0v(0) = 0, we can also determine AA, since then 0=9.8−Ak0 = \frac{9.8 - A}{k} so A=9.8A = 9.8. The solution to the IVP is therefore v(t)=9.8−9.8e−ktkv(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} (d) If the skydiver's terminal velocity is 54 meters per second, this means that lim⁡t→∞v(t)=54\lim_{t \to \infty} v(t) = 54 Using the solution we found in (c), we observe that lim⁡t→∞9.8−9.8e−ktk=9.8k\lim_{t \to \infty} \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} = \frac{9.8}{k} since e−kt→0e^{-kt} \to 0 as t→∞t \to \infty. Thus, 54=9.8k54 = \frac{9.8}{k}, so k=9.8/54≈0.181481k = 9.8/54 \approx 0.181481. (e) To find how long does it take to reach 50% of the terminal velocity, we set v(t)=9.8−9.8e−0.181481t0.181481=0.5(54)v(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-0.181481t}}{0.181481} = 0.5(54) and solve for tt. We have 9.8−9.8e−0.181481t=0.5(54)(0.181481) ,9.8 - 9.8e^{-0.181481t} = 0.5(54)(0.181481)\,, so 9.8−9.8e−0.181481t=4.9 ,9.8-9.8e^{-0.181481t} = 4.9\,, and thus 9.8e−0.181481t=4.99.8e^{-0.181481t} = 4.9, which tells us e−0.181481t=0.5 .e^{-0.181481t} = 0.5\,. Solving for tt, t=ln⁡(0.5)−0.181481≈3.1894t = \frac{\ln(0.5)}{-0.181481} \approx 3.1894 seconds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 6번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
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99.Active Calculus · 7.5절 · 8번대학 수준우리말 번역

생후 처음 몇 년 동안, 아기의 몸무게가 늘어나는 비율은 몸무게의 역수에 비례한다.

(a) 이 사실을 미분방정식으로 나타내세요. (b) 어떤 아기가 태어날 때 몸무게가 8파운드이고 한 달 뒤에 9파운드라고 하자. 1년 뒤에 이 아기의 몸무게는 얼마가 되겠습니까? (c) 이 모델이 오랜 기간에 대해 현실적이라고 생각합니까?

영어 원문 보기

During the first few years of life, the rate at which a baby gains weight is proportional to the reciprocal of its weight.

(a) Express this fact as a differential equation. (b) Suppose that a baby weighs 8 pounds at birth and 9 pounds one month later. How much will he weigh at one year? (c) Do you think this is a realistic model for a long time?

정답·풀이 보기

(a) 아기의 몸무게 w(t)w(t) (tt개월째의 파운드 단위 몸무게)는 그 역수에 비례하는 비율로 증가하므로, dwdt=kw .\frac{dw}{dt} = \frac{k}{w}\,. (b) W(0)=8W(0) = 8 이고 W(1)=9W(1) = 9 이므로, 초깃값 문제를 풀면서 kk 도 구할 수 있다. 먼저 변수를 분리하여 미분방정식을 풀기 위해 wdwdt=kw \frac{dw}{dt} = k 로 쓰고 적분하면 ∫wdwdt dt=∫k dt .\int w \frac{dw}{dt} \, dt = \int k \, dt\,. 이다. 따라서 12w2=kt+C\frac{1}{2}w^2 = kt + C 이고, 그러므로 w(t)=2kt+C1w(t) = \sqrt{2kt + C_1} 이다 (C1=2CC_1 = 2C 이며, w(t)>0w(t) > 0 임을 알고 있으므로 양의 제곱근을 취한다). 초기 조건 w(0)=8w(0) = 8 을 적용하면 8=C18 = \sqrt{C_1} 이므로 C1=64C_1 = 64 이고, w(t)=2kt+64 .w(t) = \sqrt{2kt + 64}\,. kk 를 구하기 위해 추가 정보 w(1)=9w(1) = 9 를 이용하면 9=2k+649 = \sqrt{2k + 64} 이고, 이로부터 81=2k+6481 = 2k + 64 이므로 k=17/2k = 17/2 이다. 따라서 w(t)=17t+64 .w(t) = \sqrt{17t+64}\,. 이 모델에 따르면 1년 뒤 아기의 몸무게는 w(12)=268≈16.37w(12) = \sqrt{268} \approx 16.37 파운드이다. (c) 함수 w(t)=7t+64w(t) = \sqrt{7t+64} 는 tt 가 커짐에 따라 한없이 커지지만, 이 모델이 현실적이지 않은 것은 오히려 처음에 함수가 충분히 빠르게 증가하지 않기 때문이다. 예를 들어, 이 모델은 10세에 w(120)≈30.06w(120) \approx 30.06 파운드, 20세에 w(120)=41.76w(120) = 41.76 파운드가 될 것이라고 예측한다. 현실적인 모델이라면 생애 초기에 훨씬 더 빠르게 증가하다가 20세 무렵에 일정해져야 할 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since the baby's weight, w(t)w(t) (in pounds at month tt), grows at a rate proportional to its reciprocal, we have dwdt=kw .\frac{dw}{dt} = \frac{k}{w}\,. (b) Given that W(0)=8W(0) = 8 and W(1)=9W(1) = 9, we can both solve the IVP and determine kk. To start, we separate variables and solve the differential equation by writing wdwdt=kw \frac{dw}{dt} = k and integrating to get ∫wdwdt dt=∫k dt .\int w \frac{dw}{dt} \, dt = \int k \, dt\,. It follows that 12w2=kt+C\frac{1}{2}w^2 = kt + C and therefore w(t)=2kt+C1w(t) = \sqrt{2kt + C_1} (where C1=2CC_1 = 2C and we take the positive square root because we know w(t)>0w(t) > 0). Applying the initial condition w(0)=8w(0) = 8, we find that 8=C18 = \sqrt{C_1}, so C1=64C_1 = 64 and w(t)=2kt+64 .w(t) = \sqrt{2kt + 64}\,. To find kk, we use the additional information that w(1)=9w(1) = 9, so 9=2k+649 = \sqrt{2k + 64} which implies that 81=2k+6481 = 2k + 64 and thus k=17/2k = 17/2. Thus, w(t)=17t+64 .w(t) = \sqrt{17t+64}\,. At one year, according to the model the baby weighs w(12)=268≈16.37w(12) = \sqrt{268} \approx 16.37 pounds. (c) While the function w(t)=7t+64w(t) = \sqrt{7t+64} grows without bound as tt increases, the model is unrealistic more because the function initially doesn't grow fast enough. For example, the model predicts that at age 1010, w(120)≈30.06w(120) \approx 30.06 pounds, and at age 2020, w(120)=41.76w(120) = 41.76 pounds. A realistic model would need to grow much more quickly early in life and then level off around age 2020.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 7번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
100.Active Calculus · 7.5절 · 9번대학 수준우리말 번역

100갤런의 물이 들어 있는 물탱크가 있다고 하세요. 갤런당 20그램의 소금이 들어 있는 소금물이 분당 3갤런의 비율로 탱크에 들어옵니다.

동시에 용액은 잘 섞이고, 물은 분당 3갤런의 비율로 탱크에서 빠져나갑니다.

(a) 매분 3갤런이 탱크로 들어오고 3갤런이 나가므로, 탱크 안 물의 부피에 대해 무엇을 알 수 있는지 설명하세요. (b) 매분 탱크에 들어오는 소금은 몇 그램인지 구하세요. (c) S(t)S(t) 가 tt분에 탱크 안에 있는 소금의 양(그램)을 나타낸다고 하세요. tt분에 각 갤런에는 소금이 몇 그램 들어 있는지 구하세요. (d) 물이 분당 3갤런씩 탱크에서 빠져나가므로, 매분 탱크에서 나가는 소금은 몇 그램인지 구하세요. (e) SS 의 전체 변화율을 나타내는 미분방정식을 쓰세요. (f) 평형해를 모두 찾고, 그것이 안정인지 불안정인지 판단하세요. (g) 처음에 탱크에 소금이 없다고 하세요. tt분에 소금의 양 S(t)S(t) 를 구하세요. (h) 아주 오랜 시간이 지나면 S(t)S(t) 는 어떻게 되는지 구하세요. 탱크로 들어오는 소금물의 갤런당 소금의 양만 알아도 이것을 어떻게 예측할 수 있었는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that you have a water tank that holds 100 gallons of water. A briny solution, which contains 20 grams of salt per gallon, enters the tank at the rate of 3 gallons per minute.

At the same time, the solution is well mixed, and water is pumped out of the tank at the rate of 3 gallons per minute.

(a) Since 3 gallons enter the tank every minute and 3 gallons leave every minute, what can you conclude about the volume of water in the tank? (b) How many grams of salt enter the tank every minute? (c) Suppose that S(t)S(t) denotes the number of grams of salt in the tank in minute tt. How many grams are there in each gallon in minute tt? (d) Since water leaves the tank at 3 gallons per minute, how many grams of salt leave the tank each minute? (e) Write a differential equation that expresses the total rate of change of SS. (f) Identify any equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. (g) Suppose that there is initially no salt in the tank. Find the amount of salt S(t)S(t) in minute tt. (h) What happens to S(t)S(t) after a very long time? Explain how you could have predicted this only knowing how much salt there is in each gallon of the briny solution that enters the tank.

정답·풀이 보기

(a) 들어오는 양과 나가는 양의 비율이 같으므로 탱크 안 용액의 부피는 일정하게 유지된다. (b) 소금은 유입과 함께 탱크에 들어오며, 유입은 분당 33갤런의 비율로, 갤런당 2020그램의 농도로 일어난다. 20그램갤런⋅3갤런분=60그램분 ,20 \frac{\text{그램}}{\text{갤런}} \cdot 3 \frac{\text{갤런}}{\text{분}} = 60 \frac{\text{그램}}{\text{분}}\,, 이므로 소금은 분당 6060그램의 비율로 탱크에 들어온다. (c) S(t)S(t) 가 시각 tt 에 탱크 안에 있는 소금의 양(그램)을 나타낸다고 하면, 어느 시각 tt 에나 탱크 안에 100100갤런의 용액이 있으므로 탱크 안 소금의 농도(갤런당 그램)는 어느 시각 tt 에나 S(t)100그램갤런\frac{S(t)}{100} \frac{\text{그램}}{\text{갤런}} 이다. (d) 물이 분당 33갤런씩 탱크에서 빠져나가므로, 소금이 탱크에서 나가는 비율은 S(t)100그램갤런⋅3갤런분=3S(t)100그램분 .\frac{S(t)}{100} \frac{\text{그램}}{\text{갤런}} \cdot 3 \frac{\text{갤런}}{\text{분}} = \frac{3S(t)}{100} \frac{\text{그램}}{\text{분}}\,. 이다. (e) (b)와 (d)에서 구한, 소금이 탱크에 들어오고 나가는 비율을 고려하고 dSdt\frac{dS}{dt} 의 단위가 분당 그램임에 유의하면, dSdt=60−3100S .\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S\,. 임을 보였다. (f) 60−3100S=060 - \frac{3}{100} S = 0 으로 놓으면 S=2000S = 2000 이 유일한 평형해임을 알 수 있다. 유입이 갤런당 2020그램의 소금을 싣고 오므로, 탱크가 이 농도에 이르면 소금은 모두 20⋅10020 \cdot 100그램이 되기 때문에 이는 타당하다. 이 평형은 안정하다(직관적으로도 그렇고, S<2000S < 2000 일 때 dSdt\frac{dS}{dt} 가 양수이고 S>2000S > 2000 일 때 음수이기 때문이기도 하다). (g) S(0)=0S(0) = 0 이라 가정하면, dSdt=60−3100S\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S 에 대한 초깃값 문제를 풀 수 있다. 계산을 좀 더 간단하게 하기 위해 60−3100S=−3100(S−2000)60 - \frac{3}{100}S = -\frac{3}{100}(S-2000) 으로 쓴다. 변수를 분리하면 1S−2000dSdt=−3100\frac{1}{S-2000} \frac{dS}{dt} = -\frac{3}{100} 이고, tt 에 대해 적분하면 ∫1S−2000 dS=−∫3100 dt\int \frac{1}{S-2000} \, dS = -\int \frac{3}{100} \, dt 이므로 ln⁡∣S−2000∣=−3100t+C .\ln|S-2000| = -\frac{3}{100}t + C\,. 이다. 통상적인 방법으로 SS 에 대해 풀면 S=2000+Ke−3100tS = 2000 + Ke^{-\frac{3}{100}t} 이고, 초기 조건 S(0)=0S(0) = 0 을 이용하면 K=−2000K = -2000 이므로 S(t)=2000−2000e−3100t .S(t) = 2000 - 2000e^{-\frac{3}{100}t}\,. 이다. (h) t→∞t \to \infty 일 때 e−3100t→0e^{-\frac{3}{100}t} \to 0 이므로 S(t)→2000S(t) \to 2000 이다. 유입이 리터당 2020그램의 소금을 계속 실어 오므로 이는 타당하다. 시간이 지남에 따라 탱크 안 용액의 농도는 그와 같은 농도에 가까워질 것이고, 용액이 100100갤런이므로 소금의 양은 20⋅100=200020 \cdot 100 = 2000그램에 가까워질 것이다. 이 값은 (f)에서 구한 안정한 평형과도 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The volume of solution in the tank remains constant because the inflow and outflow are at the same rate. (b) Salt enters the tank with the inflow, which occurs at a rate of 33 gallons per minute at a concentration of 2020 grams per gallon. Observing that 20gramsgallon⋅3gallonsminute=60gramsminute ,20 \frac{\text{grams}}{\text{gallon}} \cdot 3 \frac{\text{gallons}}{\text{minute}} = 60 \frac{\text{grams}}{\text{minute}}\,, we see that salt is entering the tank at a rate of 6060 grams per minute. (c) Letting S(t)S(t) denotes the number of grams of salt in the tank at time tt, since there are 100100 gallons of solution in the tank at any time tt, the concentration of salt in the tank in grams per gallon is S(t)100gramsgallon\frac{S(t)}{100} \frac{\text{grams}}{\text{gallon}} at any time tt. (d) With water leaving the tank at 33 gallons per minute, it follows that salt is leaving the tank at a rate of S(t)100gramsgallon⋅3gallonsminute=3S(t)100gramsminute .\frac{S(t)}{100} \frac{\text{grams}}{\text{gallon}} \cdot 3 \frac{\text{gallons}}{\text{minute}} = \frac{3S(t)}{100} \frac{\text{grams}}{\text{minute}}\,. (e) Taking into account the rates at which salt enters and leaves the tank as established in (b) and (d) and noting that the units on dSdt\frac{dS}{dt} are grams per minute, we have shown that dSdt=60−3100S .\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S\,. (f) Setting 60−3100S=060 - \frac{3}{100} S = 0, we find that S=2000S = 2000 is the only equilibrium solution. This makes sense because the inflow is carrying 2020 grams of salt per gallon and thus when the tank reaches this concentration, there will be 20⋅10020 \cdot 100 total grams of salt. This equilibrium is stable (both intuitively and because dSdt\frac{dS}{dt} is positive for S<2000S < 2000 and negative for S>2000S > 2000. (g) Assuming that S(0)=0S(0) = 0, we can solve the IVP with dSdt=60−3100S\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S. For somewhat simpler computations, we write 60−3100S=−3100(S−2000)60 - \frac{3}{100}S = -\frac{3}{100}(S-2000). Separating variables, 1S−2000dSdt=−3100\frac{1}{S-2000} \frac{dS}{dt} = -\frac{3}{100} and integrating with respect to tt, ∫1S−2000 dS=−∫3100 dt\int \frac{1}{S-2000} \, dS = -\int \frac{3}{100} \, dt so that ln⁡∣S−2000∣=−3100t+C .\ln|S-2000| = -\frac{3}{100}t + C\,. Solving for SS in the usual way, S=2000+Ke−3100tS = 2000 + Ke^{-\frac{3}{100}t} and using the initial condition that S(0)=0S(0) = 0, we find K=−2000K = -2000 so that S(t)=2000−2000e−3100t .S(t) = 2000 - 2000e^{-\frac{3}{100}t}\,. (h) As t→∞t \to \infty, we know e−3100t→0e^{-\frac{3}{100}t} \to 0, and thus S(t)→2000S(t) \to 2000. This makes sense because the inflow carries 2020 grams of salt per liter continuously. As time goes on, the concentration of solution in the tank should tend to that same concentration, and with 100100 gallons of solution, the amount of salt will tend to 20⋅100=200020 \cdot 100 = 2000 grams. This value also matches the stable equilibrium that we found in (f).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 8번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
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