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

85문제 · 5 / 5쪽

81.APEX · 28번대학 수준우리말 번역

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

y′=ex−yy' = e^{x-y}

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

구간: [0,2][0,2]

h=0.5h = 0.5

영어 원문 보기

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

y′=ex−yy' = e^{x-y}

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

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

h=0.5h = 0.5

정답·풀이 보기

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

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

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

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

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

영어 원문 보기

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

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

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

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

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

정답·풀이 보기

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

원본 교재 풀이(영어)

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 40번
# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.Active Calculus · 7.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

미분방정식

dydt=t−y \frac{dy}{dt} = t-y\,

을 생각하세요.

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

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

영어 원문 보기

Consider the differential equation

dydt=t−y .\frac{dy}{dt} = t-y\,.

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

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

정답·풀이 보기

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

원본 교재 풀이(영어)

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.2절 · 8번
# 방향장과 정성적 해석증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.Active Calculus · 7.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

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

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

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

영어 원문 보기

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

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

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

정답·풀이 보기

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

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

영어 원문 보기

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

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

정답·풀이 보기

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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