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102문제 · 6 / 6쪽

101.Active Calculus · 7.6절 · 6번대학 수준우리말 번역

b(t)b(t) 는 페트리 접시 안의 군집에 사는 박테리아의 수를 나타낸다고 하자. 여기서 bb 의 단위는 천 마리이고 tt 의 단위는 일이다. 어느 날 측정했더니 박테리아가 6,000마리였고 개체당 증가율은 3이었다. 며칠 뒤에 측정했더니 박테리아가 9,000마리였고 개체당 증가율은 2였다.

(a) 개체당 증가율 db/dtb\frac{db/dt}{b} 가 bb 의 일차함수라고 가정하세요. 측정값을 이용하여 이 함수를 구하고, dbdt\frac{db}{dt} 를 나타내는 로지스틱 방정식을 쓰세요. (b) 이 박테리아의 환경수용력은 얼마인지 구하세요. (c) 박테리아의 수가 가장 빠르게 증가하는 때의 개체 수는 얼마인지 구하세요. (d) 처음에 박테리아가 1,000마리였다면, 환경수용력의 80%에 이르는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose that b(t)b(t) measures the number of bacteria living in a colony in a Petri dish, where bb is measured in thousands and tt is measured in days. One day, you measure that there are 6,000 bacteria and the per capita growth rate is 3. A few days later, you measure that there are 9,000 bacteria and the per capita growth rate is 2.

(a) Assume that the per capita growth rate db/dtb\frac{db/dt}{b} is a linear function of bb. Use the measurements to find this function and write a logistic equation to describe dbdt\frac{db}{dt}. (b) What is the carrying capacity for the bacteria? (c) At what population is the number of bacteria increasing most rapidly? (d) If there are initially 1,000 bacteria, how long will it take to reach 80% of the carrying capacity?

정답·풀이 보기

(a) yy 를 bb 에 대한 함수로 나타낸 개체당 증가율이라 하자. 문제에 주어진 자료에 의해 이 일차함수의 그래프는 두 점 (6000,3)(6000,3) 과 (9000,2)(9000,2) 를 지난다. 따라서 이 직선의 방정식은 y−3=−13000(b−6000)y - 3 = -\frac{1}{3000}(b - 6000) 이므로 y=(3+2)−13000b=5−13000by = (3 + 2) - \frac{1}{3000}b = 5 - \frac{1}{3000}b 이다. 로지스틱 방정식은 시각 tt 의 개체 수와 그 시각의 개체당 증가율을 곱하여 얻으므로 dbdt=b(5−13000b)=13000b(15000−b)\frac{db}{dt} = b \left( 5 - \frac{1}{3000}b \right) = \frac{1}{3000} b(15000 - b) 를 얻는다. (b) 로지스틱 방정식의 꼴에서 이 박테리아의 환경수용력은 b=15000b = 15000 이며, 이는 개체 수의 안정 평형점이다. (c) 박테리아는 dbdt\frac{db}{dt} 가 최대일 때 가장 빠르게 증가한다. dbdt=13000b(15000−b)\frac{db}{dt} = \frac{1}{3000} b(15000 - b) 은 bb 의 이차함수이므로, dbdt\frac{db}{dt} 는 위로 볼록한 이 포물선의 꼭짓점에서 최대가 된다. 꼭짓점은 두 영점 b=0b = 0 과 b=15000b = 15000 의 한가운데에 있다. 따라서 b=7500b = 7500 일 때 개체 수가 가장 빠르게 증가한다. 이때의 정확한 tt 의 값을 구하려면 이 문제의 다음 부분과 같은 초기 조건을 알아야 한다. (d) b(0)=1000b(0) = 1000 을 이용하여 로지스틱 방정식의 초깃값 문제 dbdt=13000b(15000−b) \frac{db}{dt} = \frac{1}{3000} b(15000 - b)\, 를 푼다. N=15000N = 15000, k=13000k = \frac{1}{3000}, b0=1000b_0 = 1000 이므로 로지스틱 방정식의 해의 표준형에서 b(t)=15000(15000−10001000)e−5t+1=1500014e−5t+1 b(t) = \frac{15000}{\left(\frac{15000-1000}{1000}\right) e^{-5t} + 1} = \frac{15000}{14e^{-5t} + 1}\, 이다. 박테리아가 환경수용력의 80%에 이르는 데 걸리는 시간을 구하기 위해 방정식 0.8⋅15=1500014e−5t+1 0.8 \cdot 15 = \frac{15000}{14e^{-5t} + 1}\, 을 푼다. 이 방정식에서 0.8=114e−5t+1 0.8 = \frac{1}{14e^{-5t} + 1}\, 이므로 14e−5t+1=1.214e^{-5t} + 1 = 1.2 이고, 따라서 e−5t=0.2/14=1/70e^{-5t} = 0.2/14 = 1/70 이다. 그러므로 t=−15ln⁡(1/70)≈0.8497t = -\frac{1}{5} \ln(1/70) \approx 0.8497일이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let yy be the per capita growth rate as a function of bb. Using the given data in the problem statement, we know that this linear function passes through the points (6000,3)(6000,3) and (9000,2)(9000,2). The equation of this line is thus y−3=−13000(b−6000)y - 3 = -\frac{1}{3000}(b - 6000) so y=(3+2)−13000b=5−13000by = (3 + 2) - \frac{1}{3000}b = 5 - \frac{1}{3000}b. Since the logistic equation comes from taking the product of the population at time tt with its per capita growth rate at that time, we find that dbdt=b(5−13000b)=13000b(15000−b)\frac{db}{dt} = b \left( 5 - \frac{1}{3000}b \right) = \frac{1}{3000} b(15000 - b) (b) From the form of the logistic equation, we see that the carrying capacity for the bacteria is b=15000b = 15000, which is a stable equilibrium for the population. (c) The bacteria is increasing most rapidly when dbdt\frac{db}{dt} is greatest. Since dbdt=13000b(15000−b)\frac{db}{dt} = \frac{1}{3000} b(15000 - b) is a quadratic function of bb, dbdt\frac{db}{dt} is maximized at the vertex of this concave down parabola, which occurs halfway between its zeros: b=0b = 0 and b=15000b = 15000. Thus, when b=7500b = 7500, the population is growing fastest. To find the exact tt-value when this occurs, we'd need to know an initial condition like in the next part of the problem. (d) Using b(0)=1000b(0) = 1000, we solve the logistic equation IVP with dbdt=13000b(15000−b) .\frac{db}{dt} = \frac{1}{3000} b(15000 - b)\,. Using N=15000N = 15000, k=13000k = \frac{1}{3000}, and b0=1000b_0 = 1000, we know from the standard form of the solution to the logistic equation that b(t)=15000(15000−10001000)e−5t+1=1500014e−5t+1 .b(t) = \frac{15000}{\left(\frac{15000-1000}{1000}\right) e^{-5t} + 1} = \frac{15000}{14e^{-5t} + 1}\,. To find how long it takes the bacteria to reach 80% of the carrying capacity, we solve the equation 0.8⋅15=1500014e−5t+1 .0.8 \cdot 15 = \frac{15000}{14e^{-5t} + 1}\,. That equation implies that 0.8=114e−5t+1 ,0.8 = \frac{1}{14e^{-5t} + 1}\,, so 14e−5t+1=1.214e^{-5t} + 1 = 1.2 and thus e−5t=0.2/14=1/70e^{-5t} = 0.2/14 = 1/70. It follows that t=−15ln⁡(1/70)≈0.8497t = -\frac{1}{5} \ln(1/70) \approx 0.8497 days.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.6절 · 7번
# 로지스틱 방정식활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
102.Active Calculus · 7.6절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 어종의 개체수가 다음 로지스틱 방정식으로 조절된다고 하자.

dPdt=0.1P(10−P) ,\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P)\,, 여기서 PP 는 물고기 수를 천 마리 단위로, tt 는 시간을 연 단위로 나타낸 것이다.

(a) 이 개체군의 환경수용력은 얼마입니까? (b) 오랜 시간이 지나 물고기 개체수가 환경수용력에서 안정되어 있다고 하자. 이때 사람들이 매년 물고기의 20%를 잡기 시작한다. 물고기 포획을 반영하는 항을 더하여 미분방정식을 수정하세요. (c) 새로운 환경수용력은 얼마입니까? (d) 포획을 시작하고 1년 후 물고기 개체수는 얼마가 됩니까? (e) 개체수가 환경수용력의 10% 이내가 되기까지 얼마나 걸립니까?

영어 원문 보기

Suppose that the population of a species of fish is controlled by the logistic equation

dPdt=0.1P(10−P) ,\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P)\,, where PP is measured in thousands of fish and tt is measured in years.

(a) What is the carrying capacity of this population? (b) Suppose that a long time has passed and that the fish population is stable at the carrying capacity. At this time, humans begin harvesting 20% of the fish every year. Modify the differential equation by adding a term to incorporate the harvesting of fish. (c) What is the new carrying capacity? (d) What will the fish population be one year after the harvesting begins? (e) How long will it take for the population to be within 10% of the carrying capacity?

정답·풀이 보기

(a) 주어진 로지스틱 방정식의 꼴에서 환경수용력이 10000마리임을 알 수 있다. (b) 이 상황에서 초기 조건은 P(0)=10P(0) = 10 이고, 매년 개체수의 2020%를 제거하므로 미분방정식을 정의하는 변화율에서 0.2P0.2P 를 빼면 다음을 얻는다. dPdt=0.1P(10−P)−0.2P .\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P) - 0.2P\,. (c) (b)의 미분방정식을 전개하여 다시 쓰면 다음과 같다. dPdt=P−0.1P2−0.2P=0.8P−0.1P2=0.1P(8−P) .\frac{dP}{dt} = P - 0.1P^2 - 0.2P = 0.8P - 0.1P^2 = 0.1P(8 - P)\,. 이것 역시 로지스틱 방정식이며, 환경수용력은 80008000 마리이다. (d) 이 로지스틱 방정식을 일반적인 방법으로 풀 수 있다(초기 조건 P(0)=10P(0) = 10 에 유의하고, 환경수용력이 88 임을 이용한다). P(t)=88−1010e−0.1⋅8t+1=8−0.2e−0.8t+1P(t) = \frac{8}{\frac{8-10}{10}e^{-0.1 \cdot 8 t}+1} = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1} 따라서 1년 후 물고기 개체수는 다음과 같다. P(1)≈8.7899P(1) \approx 8.7899 천 마리이다. (e) 환경수용력의 10% 이내가 되려면 0.9(8)≤P(t)≤1.1(8)0.9(8) \le P(t) \le 1.1(8) 이어야 한다. 초기 조건이 환경수용력보다 크므로 P(t)=1.1(8)=8.8P(t) = 1.1(8) = 8.8 이 되는 때를 구하면 된다. 따라서 다음 방정식을 푼다. 8.8=8−0.2e−0.8t+1 ,8.8 = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1}\,, 이로부터 −0.2e−0.8t+1=8/8.8=10/11-0.2e^{-0.8t}+1 = 8/8.8 = 10/11 이다. 따라서 e−0.8t=5/11e^{-0.8t} = 5/11 이므로 t=−1.25ln⁡(5/11)≈0.986t = -1.25 \ln(5/11) \approx 0.986 년이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) From the form of the given logistic equation, we can see the carrying capacity is 10000 fish. (b) In this situation, the initial condition is P(0)=10P(0) = 10, and by removing 2020% of the population per year, we subtract 0.2P0.2P from the rate that defines the differential equation, thus finding dPdt=0.1P(10−P)−0.2P .\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P) - 0.2P\,. (c) Expanding and rewriting the differential equation in (b), we see that dPdt=P−0.1P2−0.2P=0.8P−0.1P2=0.1P(8−P) .\frac{dP}{dt} = P - 0.1P^2 - 0.2P = 0.8P - 0.1P^2 = 0.1P(8 - P)\,. This, too, is a logistic equation, with carrying capacity 80008000 fish. (d) We can solve this logistic equation in the usual way (keeping in mind the initial condition P(0)=10P(0) = 10, and noting that the carrying capacity is 88): P(t)=88−1010e−0.1⋅8t+1=8−0.2e−0.8t+1P(t) = \frac{8}{\frac{8-10}{10}e^{-0.1 \cdot 8 t}+1} = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1} After one year, the population of fish will thus be P(1)≈8.7899P(1) \approx 8.7899 thousand fish. (e) To be within 10% of the carrying capacity, we need 0.9(8)≤P(t)≤1.1(8)0.9(8) \le P(t) \le 1.1(8). Since the initial condition is larger than the carrying capacity, we want to know when P(t)=1.1(8)=8.8P(t) = 1.1(8) = 8.8. Thus we solve the equation 8.8=8−0.2e−0.8t+1 ,8.8 = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1}\,, which implies −0.2e−0.8t+1=8/8.8=10/11-0.2e^{-0.8t}+1 = 8/8.8 = 10/11. Thus, e−0.8t=5/11e^{-0.8t} = 5/11, so t=−1.25ln⁡(5/11)≈0.986t = -1.25 \ln(5/11) \approx 0.986 years.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.4절 · 36번
# 로지스틱 방정식활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)