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

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 중 xx 에 대한 미지 함수 yy 의 미분방정식인 것을 고르세요. (a) y=dydx(b) dydx=3[y−5](c) y=3[y−dxdx](d) ex=ey+1(e) y=10ex\text{(a) } y=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \qquad\text{(b) } \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3\left[y-5\right] \qquad\text{(c) } y=3\left[y-\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}\right] \qquad\text{(d) } e^x=e^y+1 \qquad\text{(e) } y=10e^x

영어 원문 보기

Which of the following is a differential equation for an unknown function yy of xx? (a) y=dydx(b) dydx=3[y−5](c) y=3[y−dxdx](d) ex=ey+1(e) y=10ex\text{(a) } y=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \qquad\text{(b) } \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3\left[y-5\right] \qquad\text{(c) } y=3\left[y-\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}\right] \qquad\text{(d) } e^x=e^y+1 \qquad\text{(e) } y=10e^x

정답·풀이 보기

이 절의 처음에서 교재는 “미분방정식은 미지 함수의 도함수를 포함하는, 미지 함수에 대한 방정식이다."라고 말한다. 여기서 미지 함수는 yy 이므로, 미분방정식은 yy 와 dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 를 관련짓는 방정식이다. 이는 (a)와 (b)에는 해당하지만, (c), (d), (e)에는 해당하지 않는다.

dxdx=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}=1 임에 주의하자. 이것은 xx 를 xx 에 대해 미분한 도함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

In the beginning of this section, the text says “A differential equation is an equation for an unknown function that involves the derivative of the unknown function." Our unknown function is yy, so a differential equation is an equation that relates yy and dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}. This applies to (a) and (b), but not (c), (d), or (e).

Note that dxdx=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}x}=1: this is the derivative of xx with respect to xx.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.8절 · 8번
# 지수적 증가와 감소계산기본자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 시료에 처음에 방사성 동위원소가 CC g 들어 있고, 시각 tt 에서 시료에 남아 있는 방사성 동위원소의 양이 Q(t)=Ce−ktQ(t)=Ce^{-kt} 으로 주어진다고 하자. 여기서 kk 는 양의 상수이다. Q(t)=0Q(t)=0 이 되는 때는 언제인가요?

영어 원문 보기

Suppose a sample starts out with CC grams of a radioactive isotope, and the amount of the radioactive isotope left in the sample at time tt is given by Q(t)=Ce−ktQ(t)=Ce^{-kt} for some positive constant kk. When will Q(t)=0Q(t)=0?

정답·풀이 보기

구해야 하는 것은 다음이 성립하는 때이다.

Q(t)=0즉,Ce−kt=0\begin{aligned} Q(t)&=0 \\ \text{즉,} \\ Ce^{-kt}&=0 \end{aligned}

C=0C=0 이면 모든 tt 에 대해 이 등식이 성립한다. 처음부터 동위원소가 없었고, 앞으로도 붕괴하지 않은 동위원소가 영원히 없을 것이다.

C>0C>0 이면 e−kt>0e^{-kt}>0 이므로 Q(t)>0Q(t)>0 이다. 따라서 어떤 tt 값에 대해서도 Q(t)Q(t) 는 0이 되지 않는다. (다만 tt 가 점점 커질수록 Q(t)Q(t) 는 0에 점점 가까워진다.)

참고: 이 마지막 결과는 다소 께름칙하다. 분명 어느 시점에는 마지막 원자가 붕괴했을 것이기 때문이다. 우리가 사용한 미분방정식은 QQ 가 연속적으로 변한다고 가정하는 모형이다. 이 모형은 원자의 수가 매우 많을 때에만 좋은 근사가 된다. 실제로는 거의 언제나 그러하다.

원본 교재 풀이(영어)

What we're asked to find is when

Q(t)=0That is,Ce−kt=0\begin{aligned} Q(t)&=0 \\ \text{That is,} \\ Ce^{-kt}&=0 \end{aligned}

If C=0C=0, then this is the case for all tt. There was no isotope to begin with, and there will continue not being any undecayed isotope forever.

If C>0C>0, then since e−kt>0e^{-kt}>0, also Q(t)>0Q(t)>0: so Q(t)Q(t) is never 0 for any value of tt. (But as tt gets bigger and bigger, Q(t)Q(t) gets closer and closer to 0.)

Remark: The last result is somewhat disturbing: surely at some point the last atom has decayed. The differential equation we use is a model that assumes QQ runs continuously. This is a good approximation only when there is a very large number of atoms. In practice, that is almost always the case.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 1번
# 지수적 증가와 감소계산기본자동 분류
3.CLP-1 · 3.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

어떤 물체가 뉴턴의 냉각 법칙을 따르고, 그 물체의 온도가 어떤 상수 kk 에 대해 T(t)=[T(0)−A]ekt+AT(t)=[T(0)-A]e^{kt}+A 로 주어진다고 하자. T(t)=AT(t)=A 가 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object obeys Newton's Law of Cooling, and its temperature is given by T(t)=[T(0)−A]ekt+AT(t)=[T(0)-A]e^{kt}+A for some constant kk. At what time is T(t)=AT(t)=A?

정답·풀이 보기

우리가 알고 싶은 것은 다음이 성립하는 때이다.

[T(0)−A]ekt+A=A즉, 다음과 같을 때[T(0)−A]ekt=0모든 k 와 t 의 값에 대해 ekt>0 이므로, 이는 다음과 같을 때에만 일어난다T(0)−A=0\begin{aligned} [T(0)-A]e^{kt}+A&=A \\ \text{즉, 다음과 같을 때} \\ [T(0)-A]e^{kt}&=0 \\ \text{모든 $k$ 와 $t$ 의 값에 대해 $e^{kt}>0$ 이므로, 이는 다음과 같을 때에만 일어난다} \\ T(0)-A=0 \end{aligned}

따라서 물체의 처음 온도가 주위 온도와 같지 않으면, 이 모델에 따르면 물체의 온도는 결코 주위 온도와 같아지지 않는다! (그러나 tt 가 점점 커질수록 T(t)T(t) 는 AA 에 점점 가까워지며, 다만 정확히 AA 에 도달하지는 않는다.)

물체의 처음 온도가 주위 온도와 같으면 tt 의 모든 값에 대해 T(t)=AT(t)=A 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We want to know when

[T(0)−A]ekt+A=AThat is, when[T(0)−A]ekt=0Since ekt>0 for all values of k and t, this happens exactly whenT(0)−A=0\begin{aligned} [T(0)-A]e^{kt}+A&=A \\ \text{That is, when} \\ [T(0)-A]e^{kt}&=0 \\ \text{Since $e^{kt}>0$ for all values of $k$ and $t$, this happens exactly when} \\ T(0)-A=0 \end{aligned}

So: if the initial temperature of the object is not the same as the ambient temperature, then according to this model, it never will be! (However, as tt gets larger and larger, T(t)T(t) gets closer and closer to AA–it just never exactly reaches there.)

If the initial temperature of the object starts out the same as the ambient temperature, then T(t)=AT(t)=A for all values of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 7번
# 지수적 증가와 감소활용기본자동 분류
4.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