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4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

폴로늄-210의 반감기는 138일입니다. 폴로늄-210 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Polonium-210 has a half life of 138 days. What percentage of a sample of Polonium-210 decays in a day?

정답·풀이 보기

tt일 후 시료에 남아 있는 폴로늄-210의 양은 다음과 같이 주어진다는 것을 알고 있다.

Q(t)=Ce−kt여기서 C 는 시료의 처음 양이고, k 는 어떤 양의 상수이다.문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. t 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 Q(t)−Q(t+1) 이다. 이 양이 Q(t) 에서 차지하는 퍼센트는 100Q(t)−Q(t+1)Q(t) 이다. (예를 들어 시각 t 에 2 그램이 있었고 시각 t+1 에 1 그램이 있었다면 1002−11=50 이므로, 시료의 50% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)식을 간단히 하기 위해 Q(t) 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138이제 Q(t) 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{여기서 $C$ 는 시료의 처음 양이고, $k$ 는 어떤 양의 상수이다.} \\ \\ \text{문제는 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 묻고 있다. $t$ 를 일 단위로 재므로, 하루 동안 붕괴하는 양은 $Q(t)-Q(t+1)$ 이다. 이 양이 $Q(t)$ 에서 차지하는 퍼센트는 $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$ 이다. (예를 들어 시각 $t$ 에 2 그램이 있었고 시각 $t+1$ 에 1 그램이 있었다면 $100\dfrac{2-1}{1}=50$ 이므로, 시료의 50\% 가 하루 동안 붕괴한 것이다.)} \\ \\ \text{식을 간단히 하기 위해 $Q(t)$ 를 더 알맞은 식으로 나타내야 한다. 늘 그렇듯이 반감기를 이용한다.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{이제 $Q(t)$ 에 대한 더 알맞은 식을 얻었다:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{마지막으로, 시료의 몇 퍼센트가 하루 동안 붕괴하는지 계산할 수 있다.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

시료의 약 0.5%가 하루 동안 붕괴한다.

참고: 시료의 0.5퍼센트가 하루 동안 붕괴한다고 할 때, 이것은 처음 시료의 0.5퍼센트를 뜻하는 것이 아니다. 어떤 날이 시작될 때 시료가 1 마이크로그램이라면, 그 후 24시간 동안 붕괴하는 양은 (어떤 시각 t=0t=0 에 "처음" 시료가 얼마였든 상관없이) 그 1 마이크로그램의 약 0.5퍼센트이다.

특히 시료가 점점 작아지므로, 매일 붕괴하는 0.5퍼센트는 실제로 붕괴하는 원자의 수가 점점 줄어든다는 것을 뜻한다. 그래서 매일 0.5%가 붕괴하고 100×0.5=50100\times 0.5 = 50 이라고 해서, 약 100일 후에 시료의 절반(50%)이 붕괴한다고 말할 수는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

We know that the amount of Polonium-210 in a sample after tt days is given by

Q(t)=Ce−ktwhere C is the original amount of the sample, and k is some positive constant.The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since t is measured in days, the amount that decays in a day is Q(t)−Q(t+1). The percentage of Q(t) that this represents is 100Q(t)−Q(t+1)Q(t). (For example, if there were two grams at time t, and one gram at time t+1, then 1002−11=50: 50% of the sample decayed in a day.)In order to simplify, we should figure out a better expression for Q(t). As usual, we make use of the half-life.Q(138)=C2Ce−k⋅138=C2(e−k)138=12=2−1e−k=2−1138Now, we have a better formula for Q(t):Q(t)=C(e−k)tQ(t)=C⋅2−t138Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.100Q(t)−Q(t+1)Q(t)=100C⋅2−t138−C⋅2−t+1138C⋅2−t138(1C1C)=1002−t138−2−t+11382−t138=100(2−t138−2−t+1138)2t138=100(1−2−1138)≈0.5\begin{aligned} Q(t)&=Ce^{-kt} \\ \text{where $C$ is the original amount of the sample, and $k$ is some positive constant.} \\ \\ \text{The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since $t$ is measured in days, the amount that decays in a day is $Q(t)-Q(t+1)$. The percentage of $Q(t)$ that this represents is $100\dfrac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}$. (For example, if there were two grams at time $t$, and one gram at time $t+1$, then $100\dfrac{2-1}{1}=50$: 50\% of the sample decayed in a day.)} \\ \\ \text{In order to simplify, we should figure out a better expression for $Q(t)$. As usual, we make use of the half-life.} \\ Q(138)&=\frac{C}{2}\\ Ce^{-k\cdot138}&=\frac{C}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{138}&=\frac{1}{2}=2^{-1}\\ e^{-k}&=2^{-\tfrac{1}{138}} \\ \text{Now, we have a better formula for $Q(t)$:} \\ Q(t)&=C\left(e^{-k}\right)^t\\ Q(t)&=C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}} \\ \text{Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.} \\ 100\frac{Q(t)-Q(t+1)}{Q(t)}&=100\frac{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}-C\cdot2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{C\cdot2^{-\tfrac{t}{138}}}\left(\frac{\frac{1}{C}}{\frac{1}{C}}\right)\\ &=100\frac{2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}}{2^{-\tfrac{t}{138}}}\\ &=100\left(2^{-\tfrac{t}{138}}-2^{-\tfrac{t+1}{138}}\right)2^{\tfrac{t}{138}}\\ &=100\left(1-2^{-\tfrac{1}{138}}\right)\approx 0.5 \end{aligned}

About 0.5% of the sample decays in a day.

Remark: when we say that half a percent of the sample decays in a day, we don't mean half a percent of the original sample. If a day starts out with, say, 1 microgram, then what decays in the next 24 hours is about half a percent of that 1 microgram, regardless of what the “original" sample (at some time t=0t=0) held.

In particular, since the sample is getting smaller and smaller, that half of a percent that decays every day represents fewer and fewer actual atoms decaying. That's why we can't say that half of the sample (50%) will decay after about 100 days, even though 0.5% decays every day and 100×0.5=50100\times 0.5 = 50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 11번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

광석 시료에 우라늄-232가 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug 들어 있다고 한다. 우라늄-232의 반감기는 68.8년에서 70년 사이이다. 10년 후 이 시료에 붕괴하지 않고 남아 있는 우라늄-232의 양은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A sample of ore is found to contain 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug of Uranium-232, the half-life of which is between 68.8 and 70 years. How much Uranium-232 will remain undecayed in the sample in 10 years?

정답·풀이 보기

시간 tt 에서 광석 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt단, 6.9≤Q(0)≤7.5 이다. Q(0) 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 Q(10) 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 Q(10) 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 Q(0)=7.5, Q(70)=12(7.5) 로 놓는다.Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−k따라서 이 경우,Q(t)=7.5⋅2−t7010년 후,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79따라서 10년 후 시료에는 많아야 6.8 μg 이 들어 있다.이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 Q(0)=6.9 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−k이 경우,Q(t)=6.9⋅2−t68.810년 후,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24따라서 10년 후 시료에는 적어도 6.2 μg 이 들어 있다.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{단, $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$ 이다. $Q(0)$ 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 $Q(10)$ 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 $Q(10)$ 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.} \\ \\ \text{10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 $Q(0)=7.5$, $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$ 로 놓는다.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{따라서 이 경우,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{많아야} 6.8 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \\ \text{이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 $Q(0)=6.9$ 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{이 경우,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{적어도} 6.2 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \end{aligned}

10년 후 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 6.2에서 6.8 μ\mug 사이이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Uranium-232 in the sample of ore at time tt will be

Q(t)=Q(0)e−ktwhere 6.9≤Q(0)≤7.5. We don’t exactly know Q(0), and we don’t exactly know the half-life, so we also won’t exactly know Q(10): we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of Q(10), given the information in the problem.In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take Q(0)=7.5 and Q(70)=12(7.5).Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−kSo, in this secenario,Q(t)=7.5⋅2−t70After ten years,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79So after ten years, the sample contains at most 6.8 μg.Now, let’s think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take Q(0)=6.9, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−kIn this scenario,Q(t)=6.9⋅2−t68.8After ten years,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24So after ten years, the sample contains at least 6.2 μg.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{where $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$. We don't exactly know $Q(0)$, and we don't exactly know the half-life, so we also won't exactly know $Q(10)$: we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of $Q(10)$, given the information in the problem.} \\ \\ \text{In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take $Q(0)=7.5$ and $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{So, in this secenario,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at most} 6.8 $\mu$g.} \\ \\ \text{Now, let's think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take $Q(0)=6.9$, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{In this scenario,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at least} 6.2 $\mu$g.} \\ \end{aligned}

After ten years, the sample contains between 6.2 and 6.8 μ\mug of Uranium-232.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.3절 · 8번
# 지수적 증가와 감소계산도전자동 분류
3.CLP-1 · 3.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

아이작 뉴턴은 커피에 크림을 넣어 마십니다. 정확히 말하면 커피 9 : 크림 1의 비율입니다. 집주인 아주머니가 95∘95^\circ C의 커피를 한 잔 따라 주면, 뉴턴은 5∘5^\circ C의 냉장고에서 꺼낸 크림을 그 커피에 넣고 젓습니다. 10분 뒤에 그 혼합물을 마실 때 보니 54∘54^\circ C로 식어 있었습니다. 뉴턴은 마시기 직전에 크림을 넣었다면 커피가 더 뜨거웠을지(그리고 얼마나 더 뜨거웠을지) 궁금해합니다. 다음을 가정하고 이 문제를 분석하세요.

(i) 식당의 온도는 22∘22^\circ C로 일정하다. (ii) 온도가 T1T_1 인 액체의 부피 V1V_1 과 온도가 T2T_2 인 액체의 부피 V2V_2 를 섞으면, 혼합물의 온도는 V1T1+V2T2V1+V2\dfrac{V_1T_1+V_2T_2}{V_1+V_2} 이다. (iii) 뉴턴의 냉각 법칙: 물체의 온도는 물체와 주변의 온도 차에 비례하는 비율로 식는다. (iv) 크림을 넣은 커피 한 잔과 순수한 커피 한 잔의 비례상수는 같다.

영어 원문 보기

Isaac Newton drinks his coffee with cream. To be exact, 9 parts coffee to 1 part cream. His landlady pours him a cup of coffee at 95∘95^\circ C into which Newton stirs cream taken from the icebox at 5∘5^\circ C. When he drinks the mixture ten minutes later, he notes that it has cooled to 54∘54^\circ C. Newton wonders if his coffee would be hotter (and by how much) if he waited until just before drinking it to add the cream. Analyze this question, assuming that:

(i) The temperature of the dining room is constant at 22∘22^\circ C. (ii) When a volume V1V_1 of liquid at temperature T1T_1 is mixed with a volume V2V_2 at temperature T2T_2, the temperature of the mixture is V1T1+V2T2V1+V2\dfrac{V_1T_1+V_2T_2}{V_1+V_2}. (iii) Newton's Law of Cooling: The temperature of an object cools at a rate proportional to the difference in temperature between the object and its surroundings. (iv) The constant of proportionality is the same for the cup of coffee with cream as for the cup of pure coffee.

정답·풀이 보기
  • 첫 번째 경우: 시각 00 에 뉴턴은 온도가 95∘95^\circ C 인 커피 9 와 온도가 5∘5^\circ C 인 크림 1 을 섞는다. 그 결과 혼합물의 온도는 9×95+1×59+1=86∘\frac{9\times 95+1\times 5}{9+1}=86^\circ 이다. 이 혼합물은 처음 온도 86∘^\circ, 주변 온도 22∘^\circ 로 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 식는다.

T(t)=[86−22]e−kt+22T(t)=64e−kt+2210분 후,54=T(10)=22+64e−10ke−10k=54−2264=12\begin{aligned} T(t)&=[86-22]e^{-kt}+22\\ T(t)&=64e^{-kt}+22 \\ \text{10분 후,} \\ 54=T(10)&=22+64e^{-10 k}\\ e^{-10 k}&=\frac{54-22}{64}=\frac{1}{2} \end{aligned}

이로부터 kk 를 계산할 수 있지만 그럴 필요는 없다.

  • 두 번째 경우: 시각 00 에 뉴턴은 온도가 95∘95^\circ C 인 뜨거운 커피를 받는다. 이 커피는 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 식는다.

T(t)=[T(0)−22]e−kt+22\begin{aligned} T(t)=[T(0)-22]e^{-kt}+22 \end{aligned}

이 두 번째 경우에서 T(0)=95T(0)=95 이므로 T(t)=[95−22]e−kt+22=73e−kt+22T(t)=[95-22]e^{-kt}+22=73e^{-kt}+22 이다. kk 의 값은 첫 번째 경우와 같으므로 10분 후에 T(10)=22+73e−10k=22+7312=58.5T(10)=22+73e^{-10k}=22+73\frac{1}{2}=58.5 이다. 이 식은 커피를 차가운 크림과 섞으면 혼합물의 온도는 9×58.5+1×59+1=53.15\frac{9\times 58.5+1\times 5}{9+1}=53.15 가 된다.

두 번째 경우(마시기 직전에 크림을 넣는 경우)에는 커피가 0.85∘0.85^\circ C \, 더 차가워진다.

원본 교재 풀이(영어)
  • First scenario: At time 00, Newton mixes 9 parts coffee at temperature 95∘95^\circ C with 1 part cream at temperature 5∘5^\circ C. The resulting mixture has temperature 9×95+1×59+1=86∘\frac{9\times 95+1\times 5}{9+1}=86^\circ The mixture cools according to Newton's Law of Cooling, with initial temperature 86∘^\circ and ambient temperature 22∘^\circ:

T(t)=[86−22]e−kt+22T(t)=64e−kt+22After 10 minutes,54=T(10)=22+64e−10ke−10k=54−2264=12\begin{aligned} T(t)&=[86-22]e^{-kt}+22\\ T(t)&=64e^{-kt}+22 \\ \text{After 10 minutes,} \\ 54=T(10)&=22+64e^{-10 k}\\ e^{-10 k}&=\frac{54-22}{64}=\frac{1}{2} \end{aligned}

We could compute kk from this, but we don't need it.

  • Second scenario: At time 00, Newton gets hot coffee at temperature 95∘95^\circ C. It cools according to Newton's Law of Cooling

T(t)=[T(0)−22]e−kt+22\begin{aligned} T(t)=[T(0)-22]e^{-kt}+22 \end{aligned}

In this second scenario, T(0)=95T(0)=95, so T(t)=[95−22]e−kt+22=73e−kt+22T(t)=[95-22]e^{-kt}+22=73e^{-kt}+22 The value of kk is the same as in the first scenario, so after 10 minutes T(10)=22+73e−10k=22+7312=58.5T(10)=22+73e^{-10k}=22+73\frac{1}{2}=58.5 This cooled coffee is mixed with cold cream to yield a mixture of temperature 9×58.5+1×59+1=53.15\frac{9\times 58.5+1\times 5}{9+1}=53.15

Under the second (add cream just before drinking) scenario, the coffee ends up cooler by 0.85∘0.85^\circ C \,.

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

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