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

10문제 · 1 / 1쪽

1.APEX · 6번대학 수준우리말 번역

연습문제 1–12에서, 이 절의 도구를 사용하여 제시된 물음에 답하세요.

온도가 100∘^\circ인 물체를 주변 온도가 70∘^\circ인 방 안에 놓았다고 합시다. 물체의 온도는 물체의 온도와 방의 온도의 차에 비례하는 비율로 변한다고 합시다(뉴턴의 냉각 법칙). 물체가 10분 만에 92∘^\circ로 식었다면, 물체가 84∘^\circ로 식을 때까지 얼마나 걸리는지 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 1–12, use the tools in the section to answer the questions presented.

Suppose an object with a temperature of 100∘^\circ is introduced into a room with an ambient temperature of 70∘^\circ. Suppose the temperature of the object changes at a rate proportional to the difference between the temperature of the object and the temperature of the room (Newton's Law of Cooling). If the object has cooled to 92∘^\circ in 10 minutes, how long until the object has cooled to 84∘?^\circ?

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24.57분

원본 교재 풀이(영어)

24.57 minutes

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 6번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.APEX · 7번대학 수준우리말 번역

연습문제 1–12에서, 이 절의 도구를 사용하여 제시된 물음에 답하세요.

온도가 100∘^\circ인 물체를 주변 온도가 60+20e−14t60 + 20e^{-\frac{1}{4}t} 도인 방 안에 놓았다고 합시다. 물체의 온도는 물체의 온도와 방의 온도의 차에 비례하는 비율로 변한다고 합시다(뉴턴의 냉각 법칙). 20분 후 물체의 온도가 80∘^\circ라면, 시각 tt 에서 물체의 온도를 나타내는 식을 구하세요. (참고: 이 문제는 미지의 상수를 구하기 위해 수치적 방법이 필요합니다.)

영어 원문 보기

In Exercises 1–12, use the tools in the section to answer the questions presented.

Suppose an object with a temperature of 100∘^\circ is introduced into a room with an ambient temperature given by 60+20e−14t60 + 20e^{-\frac{1}{4}t} degrees. Suppose the temperature of the object changes at a rate proportional to the difference between the temperature of the object and the temperature of the room (Newton's Law of Cooling). If the object is 80∘^\circ after 20 minutes, find a formula giving the temperature of the object at time tt. (Note: This problem requires a numerical technique to solve for the unknown constants.)

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y=60−3.69858e−14t+43.69858e−0.0390169t\displaystyle y = 60 - 3.69858e^{-\frac{1}{4}t} + 43.69858e^{-0.0390169 t}

원본 교재 풀이(영어)

y=60−3.69858e−14t+43.69858e−0.0390169t\displaystyle y = 60 - 3.69858e^{-\frac{1}{4}t} + 43.69858e^{-0.0390169 t}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 7번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.APEX · 8번대학 수준우리말 번역

연습문제 1–12에서, 이 절의 도구를 사용하여 제시된 물음에 답하세요.

탱크에 농도가 0.5 g/gal인 소금물 5갤런이 들어 있습니다. 순수한 물이 분당 1갤런의 비율로 탱크에 흘러 들어갑니다. 소금물은 분당 1갤런의 비율로 탱크에서 흘러 나갑니다. (즉시 섞인다고 가정합니다.) 10분 후 소금물의 농도를 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 1–12, use the tools in the section to answer the questions presented.

A tank contains 5 gallons of salt solution with concentration 0.5 g/gal. Pure water flows into the tank at a rate of 1 gallon per minute. Salt solution flows out of the tank at a rate of 1 gallon per minute. (Assume instantaneous mixing.) Find the concentration of the salt solution at 10 minutes.

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0.06767 g/gal

원본 교재 풀이(영어)

0.06767 g/gal

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 8번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.APEX · 10번대학 수준우리말 번역

연습문제 1–12에서는 이 절에서 배운 도구를 사용하여 제시된 물음에 답하세요.

연못에 처음에는 10백만 갤런의 담수가 들어 있습니다. 원치 않는 화학물질이 섞인 물이 연못으로 1년에 5백만 갤런의 비율로 흘러 들어오고, 연못의 물은 같은 비율로 흘러나갑니다. (즉시 섞인다고 가정합니다.) 유입되는 화학물질의 농도(백만 갤런당 그램)가 식 2+sin⁡(2t)2 + \sin(2t) 에 따라 주기적으로 변할 때, 시각 tt 에서 연못에 들어 있는 화학물질의 양을 나타내는 공식을 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 1–12, use the tools in the section to answer the questions presented.

A pond initially contains 10 million gallons of fresh water. Water containing an undesirable chemical flows into the pond at a rate of 5 million gallons per year, and fluid from the pond flows out at the same rate. (Assume instantaneous mixing.) If the concentration (in grams per million gallons) of the incoming chemical varies periodically according to the expression 2+sin⁡(2t)2 + \sin(2t), find a formula giving the amount of chemical in the pond at time tt.

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g
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y=20−1017(4cos⁡(2t)−sin⁡(2t))−30017e−12ty = \displaystyle 20 - \frac{10}{17}\left (4\cos(2t)- \sin(2t)\right) - \frac{300}{17}e^{-\frac{1}{2}t} g

원본 교재 풀이(영어)

y=20−1017(4cos⁡(2t)−sin⁡(2t))−30017e−12ty = \displaystyle 20 - \frac{10}{17}\left (4\cos(2t)- \sin(2t)\right) - \frac{300}{17}e^{-\frac{1}{2}t} g

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 6번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.APEX · 11번대학 수준우리말 번역

연습문제 1–12번에서, 이 절에서 배운 도구를 사용하여 제시된 물음에 답하세요.

큰 탱크에 농도가 2 g/gal인 소금물 1 갤런이 들어 있다. 농도가 1 g/gal인 소금물이 분당 4 갤런의 비율로 탱크에 흘러들어 오고, 소금물은 분당 3 갤런의 비율로 탱크에서 흘러나간다. (순간적으로 완전히 섞인다고 가정한다.) 10분 후 탱크 안에 있는 소금의 양을 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 1–12, use the tools in the section to answer the questions presented.

A large tank contains 1 gallon of a salt solution with concentration 2 g/gal. A salt solution with concentration 1 g/gal flows into the tank at a rate of 4 gal/min. Salt solution flows out of the tank at a rate of 3 gal/min. (Assume instantaneous mixing.) Find the amount of salt in the tank at 10 minutes.

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g
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11.00075 g

원본 교재 풀이(영어)

11.00075 g

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 8번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.APEX · 12번대학 수준우리말 번역

연습문제 1–12번에서, 이 절에서 배운 도구를 사용하여 제시된 물음에 답하세요.

하천이 담수 2백만 갤런이 들어 있는 연못으로 하루에 1백만 갤런의 비율로 흘러들어 간다. 이 하천은 첫 번째 연못에서 흘러나와 담수 3백만 갤런이 들어 있는 두 번째 연못으로 들어가고, 이어서 두 번째 연못에서 흘러나간다. 유입량과 유출량이 같아서 두 연못의 부피가 모두 일정하게 유지된다고 하자. 첫 번째 연못의 상류에 있는 공장이 하천을 오염시키기 시작한다. 공장 바로 아래에서 오염 물질의 농도는 백만 갤런당 55 그램이고, 이 농도의 물이 첫 번째 연못으로 흘러들어 가기 시작한다. 5일 후 첫 번째 연못과 두 번째 연못에 있는 오염 물질의 농도를 각각 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 1–12, use the tools in the section to answer the questions presented.

A stream flows into a pond containing 2 million gallons of fresh water at a rate of 1 million gallons per day. The stream flows out of the first pond and into a second pond containing 3 million gallons of fresh water. The stream then flows out of the second pond. Suppose the inflow and outflow rates are the same so that both ponds maintain their volumes. A factory upstream of the first pond starts polluting the stream. Directly below the factory, pollutant has a concentration of 55 grams per million gallons, and this concentration starts to flow into the first pond. Find the concentration of pollutant in the first and second ponds at 5 days.

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연못 1: 백만 갤런당 50.4853 그램

연못 2: 백만 갤런당 32.8649 그램

원본 교재 풀이(영어)

pond 1: 50.4853 grams per million gallons

pond 2: 32.8649 grams per million gallons

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 7.5절 · 7번
# 미분방정식 모델링활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.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)
8.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
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.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)
10.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
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)