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

31문제 · 2 / 2쪽

21.OpenStax 2권 · 4장 복습 · 27번대학 수준우리말 번역

차를 만들려고 물을 끓인다. 이 물을 찻주전자에 부었을 때 온도는 100°C.100\text{°C.} 이다. 15°C15\text{°C} 인 방에서 55 분이 지나면 차의 온도는 85°C.85\text{°C.} 이다. 방정식을 풀어 시각 tt 에서 차의 온도를 구하세요. 차가 마시기 적당한 온도 (72°C)(72\text{°C}) 가 될 때까지 얼마나 기다려야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

You boil water to make tea. When you pour the water into your teapot, the temperature is 100°C.100\text{°C.} After 55 minutes in your 15°C15\text{°C} room, the temperature of the tea is 85°C.85\text{°C.} Solve the equation to determine the temperatures of the tea at time t.t. How long must you wait until the tea is at a drinkable temperature (72°C)?(72\text{°C})?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4장 복습 · 10번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.OpenStax 2권 · 4장 복습 · 28번대학 수준우리말 번역

1950년 네바다주의 인구(단위: 천 명)는 대략 160160 이었습니다. 수용 능력이 10백만 명으로 추정되고 연간 성장률이 2%2\% 라고 가정하여, 로지스틱 성장 모형을 세우고 임의의 시각에서 네바다주의 인구를 구하세요(1950년을 시간 = 0으로 하세요). 이 모형은 2000?2000? 년의 인구를 얼마로 예측합니까? 예측값은 실제 값 1,998,257?1,998,257? 과 얼마나 가깝습니까?

영어 원문 보기

The human population (in thousands) of Nevada in 19501950 was roughly 160.160. If the carrying capacity is estimated at 1010 million individuals, and assuming a growth rate of 2%2\% per year, develop a logistic growth model and solve for the population in Nevada at any time (use 19501950 as time = 0). What population does your model predict for 2000?2000? How close is your prediction to the true value of 1,998,257?1,998,257?

정답·풀이 보기

P(t)=1600000e0.02t9840+160e0.02tP(t)=\frac{1600000{e}^{0.02t}}{9840+160{e}^{0.02t}}

원본 교재 풀이(영어)

P(t)=1600000e0.02t9840+160e0.02tP(t)=\frac{1600000{e}^{0.02t}}{9840+160{e}^{0.02t}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4장 복습 · 18번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-2 · 2.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 문장(이 문장은 로잔대학교 약동학 웹사이트의 “소거 동역학”을 https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=94 에서 의역한 것이다. 모르핀의 반감기는 같은 웹사이트의 https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=85 에 나와 있다. 2017년 8월 12일에 접속함.)을 미분방정식으로 나타내세요. 방정식을 풀 필요는 없습니다.

혈류 속 모르핀 총량의 약 0.3 퍼센트가 매분 소거된다.

영어 원문 보기

Express the following sentence (The sentence is paraphrased from the Pharmakokinetics website of Universite de Lausanne, “Elimination Kinetics," at https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=94 . The half-life of morphine is given on the same website at https://sepia.unil.ch/pharmacology/index.php?id=85 . Accessed 12 August 2017.) as a differential equation. You don't have to solve the equation.

About 0.3 percent of the total quantity of morphine in the bloodstream is eliminated every minute.

정답·풀이 보기

Q(t)Q(t) 를 시각 tt 에서 환자의 혈류 속 모르핀의 양이라 하자. 여기서 tt 는 분 단위로 잰다.

도함수의 정의에 의하여 dQdt=lim⁡h→0Q(t+h)−Q(t)h≈Q(t+1)−Q(t)1\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=\lim_{h \to 0}\frac{Q(t+h)-Q(t)}{h}\approx \frac{Q(t+1)-Q(t)}{1} 이다. 따라서 dQdt\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} 는 tt 부터 t+1t+1 까지 1분 동안 모르핀 양의 변화량과 거의 같다.

문장에 의하면 1분 동안 모르핀 양의 변화량은 약 −0.003Q-0.003Q 이다. 여기서 QQ 는 혈류 속 모르핀의 양이다. 즉 dQdt=−0.003Q(t)\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=-0.003Q(t) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let Q(t)Q(t) be the quantity of morphine in a patient's bloodstream at time tt, where tt is measured in minutes.

Using the definition of a derivative, dQdt=lim⁡h→0Q(t+h)−Q(t)h≈Q(t+1)−Q(t)1\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=\lim_{h \to 0}\frac{Q(t+h)-Q(t)}{h}\approx \frac{Q(t+1)-Q(t)}{1} So, dQdt\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} is roughly the change in the amount of morphine in one minute, from tt to t+1t+1.

The sentence tells us that the change in the amount of morphine in one minute is about −0.003Q-0.003Q, where QQ is the quantity in the bloodstream. That is: dQdt=−0.003Q(t)\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}=-0.003Q(t)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 15번
# 변수분리형 미분방정식활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.CLP-2 · 2.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 언어에서 특정한 변화가 옛 형태에서 새 형태로 일어나고 있다고 합시다. ( 한 예로 독일어 동사 "볼렌(wollen)"의 2인칭 활용이 "볼트(wollt)"에서 "볼스트(wollst)"로 바뀐 것이 있습니다. 이 예는 사이트 계량언어학의 법칙(Laws in Quantitative Linguistics)의 "언어 변화(Change in Language)" http://lql.uni-trier.de/index.php/Change_in_language 에서 가져왔으며, 2017년 8월 18일에 접속했습니다. ) p(t)p(t) 를 화자가 새 형태를 사용하는 시간의 비율(0은 전혀 사용하지 않음, 1은 항상 사용함을 뜻하며 0과 1 사이의 수로 나타냄)이라 하세요. 피오트로프스키의 법칙(피오트로프스키의 법칙은 글롯토피디아(Glottopedia)의 피오트로프스키 법칙(Piotrowski-Gesetz) 쪽, http://www.glottopedia.org/index.php/Piotrowski-Gesetz 의 내용을 풀어 쓴 것이며, 2017년 8월 18일에 접속했습니다. 이 출처에 따르면 이 법칙은 부부인 R. G. 피오트로프스키와 A. A. 피오트로프스카야의 연구를 바탕으로 하며, 이후 G. 알트만이 일반화했습니다.)은 다음을 예측합니다.

새 형태의 사용은 시간이 지남에 따라, 새 형태의 비율과 옛 형태의 비율의 곱에 비례하는 변화율로 퍼진다.

이를 미분방정식으로 나타내세요. 미분방정식을 풀 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Suppose a particular change is occurring in a language, from an old form to a new form. ( An example is the change in German from “wollt" to “wollst" for the second-person conjugation of the verb “wollen." This example is provided by the site Laws in Quantitative Linguistics, “Change in Language" http://lql.uni-trier.de/index.php/Change_in_language accessed 18 August 2017. ) Let p(t)p(t) be the proportion (measured as a number between 0, meaning none, and 1, meaning all) of the time that speakers use the new form. Piotrowski's law (Piotrowski's law is paraphrased from the page Piotrowski-Gesetz on Glottopedia, http://www.glottopedia.org/index.php/Piotrowski-Gesetz, accessed 18 August 2017. According to this source, the law was based on work by the married couple R. G. Piotrowski and A. A. Piotrowskaja, later generalized by G. Altmann. ) predicts the following.

Use of the new form over time spreads at a rate that is proportional to the product of the proportion of the new form and the proportion of the old form.

Express this as a differential equation. You do not need to solve the differential equation.

정답·풀이 보기

p(t)p(t) 가 화자가 새 형태를 사용하는 시간의 비율이고 0과 1 사이의 값이므로, 1−p(t)1-p(t) 는 화자가 옛 형태를 사용하는 시간의 비율이다.

따라서 이 법칙은 dpdt\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t} 가 p(t)×(1−p(t))p(t)\times \big(1-p(t)\big) 에 비례한다고 말한다. 두 양이 비례한다는 것은 한 양이 다른 양의 상수 배라는 뜻이다. 그러므로 이 법칙은 어떤 상수 α\alpha 에 대해 dpdt=αp(t)(1−p(t))\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}=\alpha p(t)\big(1-p(t)\big) 임을 뜻한다.

참고: 이 모형에 따르면 새 형태가 매우 드물거나 완전히 보편화되었을 때 그 채택의 변화율은 작다. 이는 타당하다. 새 형태가 항상 쓰이면(p(t)≈1p(t)\approx 1) 새로 바꿀 사람이 남아 있지 않고, 새 형태가 거의 쓰이지 않으면(p(t)≈0p(t)\approx 0) 사람들이 그 형태를 알지 못하므로 따라 쓰지 않기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

If p(t)p(t) is the proportion of times speakers use the new form, measured between 0 and 1, then 1−p(t)1-p(t) is the proportion of times speakers use the old form.

The law, then, states that dpdt\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t} is proportional to p(t)×(1−p(t))p(t)\times \big(1-p(t)\big). When we say two quantities are proportional, we mean that one is a constant multiple of the other. So, the law says dpdt=αp(t)(1−p(t))\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}t}=\alpha p(t)\big(1-p(t)\big) for some constant α\alpha.

Remark: it follows from this model that, when a new form is either very rare or entirely ubiquitous, the rate of change of its adoption is small. This makes sense: if the new form is used all the time (p(t)≈1p(t)\approx 1), there's nobody left to convert; if the new form is almost never used (p(t)≈0p(t)\approx 0) then people don't know about it, so they won't pick it up.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 14번
# 변수분리형 미분방정식활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.CLP-2 · 2.4절 · 23번대학 수준우리말 번역

어떤 호수의 물고기 개체 수가 시각 t=0t=0 에 병에 걸렸고, 그 결과 시각 t≥0t\ge 0 에서의 개체 수 P(t)P(t) 가 다음을 만족시킨다.

dPdt=−kP\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}=-k\sqrt{P} \end{aligned}

여기서 kk 는 양의 상수이다. 처음에 호수에 물고기가 90,000마리 있었고 6주 후에 40,000마리가 남았다면, 물고기 개체 수가 10,000마리로 줄어드는 것은 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

The fish population in a lake is attacked by a disease at time t=0t=0, with the result that the size P(t)P(t) of the population at time t≥0t\ge 0 satisfies

dPdt=−kP\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}=-k\sqrt{P} \end{aligned}

where kk is a positive constant. If there were initially 90,000 fish in the lake and 40,000 were left after 6 weeks, when will the fish population be reduced to 10,000?

답 쓰고 채점
주
정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dPdt=−kPdPP=−k dt∫dPP=∫−k dt2P=−kt+Ct=0 일 때 P=90,000 이므로 290,000=−k×0+CC=2×300=600따라서2P=−kt+600이제 k 를 구한다. t 를 주 단위로 나타내자. 그러면 t=6 일 때 P=40,000 이다.240,000=−6k+6002⋅200=−6k+600k=2006=1003구한 k 의 값을 (∗)에 대입하면2P=−1003t+600개체 수가 10,000이 되는 때를 구하기 위해 P=10,000 을 대입하고 t 에 대해 푼다.210,000=−1003t+6002⋅100=−1003t+6001003t=400t=12(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}&=-k\sqrt{P}\\ \frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=-k\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=\int-k\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{P}&=-kt+C \\ \text{$t=0$ 일 때 $P=90,000$ 이므로 } \\ 2\sqrt{90,000}&=-k\times 0+C\\ C&=2\times 300=600 \\ \text{따라서} \\ 2\sqrt{P}&=-kt+600\tag{$*$} \\ \text{이제 $k$ 를 구한다. $t$ 를 주 단위로 나타내자. 그러면 $t=6$ 일 때 $P=40,000$ 이다.} \\ 2\sqrt{40,000}&=-6k+600\\ 2\cdot 200&=-6k+600\\ k&=\frac{200}{6} = \frac{100}{3} \\ \text{구한 $k$ 의 값을 ($*$)에 대입하면} \\ 2\sqrt{P}&=-\frac{100}{3}t+600 \\ \text{개체 수가 10,000이 되는 때를 구하기 위해 $P=10,000$ 을 대입하고 $t$ 에 대해 푼다.} \\ 2\sqrt{10,000}&=-\frac{100}{3}t+600\\ 2\cdot 100&=-\frac{100}{3}t+600\\ \frac{100}{3}t&=400\\ t&=12 \end{aligned}

kk 를 구할 때 tt 를 주 단위로 나타냈으므로, 12주 후에 개체 수가 10,000마리로 줄어든다.

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dPdt=−kPdPP=−k dt∫dPP=∫−k dt2P=−kt+CAt t=0, P=90,000 so 290,000=−k×0+CC=2×300=600Therefore,2P=−kt+600Now, we find k. Let t be measured in weeks. Then when t=6, P=40,000.240,000=−6k+6002⋅200=−6k+600k=2006=1003Substituting our value of k into (∗):2P=−1003t+600To find when the population will be 10,000, we set P=10,000 and solve for t.210,000=−1003t+6002⋅100=−1003t+6001003t=400t=12(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}t}&=-k\sqrt{P}\\ \frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=-k\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}P}{\sqrt{P}}&=\int-k\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{P}&=-kt+C \\ \text{At $t=0$, $P=90,000$ so } \\ 2\sqrt{90,000}&=-k\times 0+C\\ C&=2\times 300=600 \\ \text{Therefore,} \\ 2\sqrt{P}&=-kt+600\tag{$*$} \\ \text{Now, we find $k$. Let $t$ be measured in weeks. Then when $t=6$, $P=40,000$.} \\ 2\sqrt{40,000}&=-6k+600\\ 2\cdot 200&=-6k+600\\ k&=\frac{200}{6} = \frac{100}{3} \\ \text{Substituting our value of $k$ into ($*$):} \\ 2\sqrt{P}&=-\frac{100}{3}t+600 \\ \text{To find when the population will be 10,000, we set $P=10,000$ and solve for $t$.} \\ 2\sqrt{10,000}&=-\frac{100}{3}t+600\\ 2\cdot 100&=-\frac{100}{3}t+600\\ \frac{100}{3}t&=400\\ t&=12 \end{aligned}

Since we measured tt in weeks when we found kk, we see that in 12 weeks the population will decrease to 10,000 individuals.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 22번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
26.CLP-2 · 2.4절 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 mm 인 물체를 시각 t=0t=0 에 처음 속력 v0v_0 으로 수직 위로 던져 올린다. 올라가는 동안 물체에 작용하는 힘은 중력(일정하다고 가정한다)과 물체의 속력 v(t)v(t) 의 제곱에 비례하는 공기 저항력뿐이다. 따라서 운동 미분방정식은 다음과 같다.

mdvdt=−(mg+kv2)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-(mg+kv^2) \end{aligned}

여기서 gg 와 kk 는 양의 상수이다. 물체는 언제 최고점에 도달하나요?

영어 원문 보기

An object of mass mm is projected straight upward at time t=0t=0 with initial speed v0v_0. While it is going up, the only forces acting on it are gravity (assumed constant) and a drag force proportional to the square of the object's speed v(t)v(t). It follows that the differential equation of motion is

mdvdt=−(mg+kv2)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-(mg+kv^2) \end{aligned}

where gg and kk are positive constants. At what time does the object reach its highest point?

정답·풀이 보기

주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 맞게 푼다.

mdvdt=−(mg+kv2)mmg+kv2 dv=−dt∫mmg+kv2 dv=∫−dt좌변의 적분은 아크탄젠트의 부정적분과 비슷해 보인다. 분모에서 mg 를 묶어 내자.1mg∫m1+kmgv2 dv=−t+C1g∫11+(kmgv)2 dv=−t+C이제 아크탄젠트의 도함수와 더욱 비슷해 보인다. 여기서 부정적분을 짐작하거나, 치환 u=kmgv, du=kmg dv 를 이용할 수 있다.1gmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Cmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Ct=0 일 때 v=v0 이므로: mgkarctan⁡(kmgv0)=CC 를 (∗) 에 대입한다.mgkarctan⁡(kmgv)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t 최고점에서 물체의 속도는 v=0 이다. 이는 t 가 다음을 만족할 때 일어난다:mgkarctan⁡(kmg0)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t0=mgkarctan⁡(kmgv0)−tt=mgkarctan⁡(kmgv0)(∗)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-(mg+kv^2)\\ \frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=-\mathrm{d}t\\ \int\frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=\int-\mathrm{d}t \\ \text{좌변의 적분은 아크탄젠트의 부정적분과 비슷해 보인다. 분모에서 $mg$ 를 묶어 내자.} \\ \frac{1}{mg}\int\frac{m}{1+\frac{k}{mg}v^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C\\ \frac{1}{g}\int\frac{1}{1+\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C \\ \text{이제 아크탄젠트의 도함수와 더욱 비슷해 보인다. 여기서 부정적분을 짐작하거나, 치환 $u=\sqrt{\frac{k}{mg}}v$, $\mathrm{d}u=\sqrt{\frac{k}{mg}}\,\mathrm{d}v$ 를 이용할 수 있다.} \\ \frac{1}{g}\sqrt{\frac{mg}{k}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\tag{$*$} \\ \text{$t=0$ 일 때 $v=v_0$ 이므로: } \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)&=C \\ \text{$C$ 를 $(*)$ 에 대입한다.} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t \\ \text{ 최고점에서 물체의 속도는 $v=0$ 이다. 이는 $t$ 가 다음을 만족할 때 일어난다:} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}0\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ 0&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ t&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

mdvdt=−(mg+kv2)mmg+kv2 dv=−dt∫mmg+kv2 dv=∫−dtThe left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let’s factor out that mg from the denominator.1mg∫m1+kmgv2 dv=−t+C1g∫11+(kmgv)2 dv=−t+CNow it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution u=kmgv, du=kmg dv.1gmgkarctan⁡(kmgv)=−t+Cmgkarctan⁡(kmgv)=−t+CAt t=0, v=v0, so: mgkarctan⁡(kmgv0)=CPlug C into (∗).mgkarctan⁡(kmgv)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t At its highest point, the object has velocity v=0. This happens when t obeys:mgkarctan⁡(kmg0)=mgkarctan⁡(kmgv0)−t0=mgkarctan⁡(kmgv0)−tt=mgkarctan⁡(kmgv0)(∗)\begin{aligned} m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-(mg+kv^2)\\ \frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=-\mathrm{d}t\\ \int\frac{m}{mg+kv^2}\,\mathrm{d}v&=\int-\mathrm{d}t \\ \text{The left integral looks something like the antiderivative of arctangent. Let's factor out that $mg$ from the denominator.} \\ \frac{1}{mg}\int\frac{m}{1+\frac{k}{mg}v^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C\\ \frac{1}{g}\int\frac{1}{1+\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)^2}\,\mathrm{d}v&=-t+C \\ \text{Now it looks even more like the derivative of arctangent. We can guess the antiderivative from here, or use the substitution $u=\sqrt{\frac{k}{mg}}v$, $\mathrm{d}u=\sqrt{\frac{k}{mg}}\,\mathrm{d}v$.} \\ \frac{1}{g}\sqrt{\frac{mg}{k}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=-t+C\tag{$*$} \\ \text{At $t=0$, $v=v_0$, so: } \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)&=C \\ \text{Plug $C$ into $(*)$.} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t \\ \text{ At its highest point, the object has velocity $v=0$. This happens when $t$ obeys:} \\ \sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}0\right)&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ 0&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right)-t\\ t&=\sqrt{\frac{m}{gk}}\arctan\left(\sqrt{\frac{k}{mg}}v_0\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 23번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
27.CLP-2 · 2.4절 · 25번대학 수준우리말 번역

모터보트가 속도 40 ft/sec로 달리다가 시각 t=0t=0 에 모터가 꺼진다. 그 후 물의 저항으로 인한 감속은 다음과 같이 주어진다.

dvdt=−k v2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-k\,v^2 \end{aligned}

여기서 kk 는 양의 상수이다. 10초 후 보트의 속도는 20 ft/sec이다.

(a) kk 의 값은 얼마인지 구하세요. (b) 보트의 속도가 5 ft/sec가 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

A motor boat is traveling with a velocity of 40 ft/sec when its motor shuts off at time t=0t=0. Thereafter, its deceleration due to water resistance is given by

dvdt=−k v2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-k\,v^2 \end{aligned}

where kk is a positive constant. After 10 seconds, the boat's velocity is 20 ft/sec.

(a) What is the value of kk? (b) When will the boat's velocity be 5 ft/sec?

답 쓰고 채점
(a)
(b)
초
정답·풀이 보기

(a) 주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dvdt=−k v2−dvv2=k dt∫−dvv2=∫k dt1v=kt+Ct=0 일 때 v=40 이므로 140=k×0+CC=140따라서,v(t)=1kt+C=1kt+1/40=4040kt+1비례상수 k 는 다음 조건으로 정해진다.v(10)=2020=4040k×10+112=1400k+1400k+1=2k=1400(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-k\,v^2\\ -\frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=k\,\mathrm{d}t\\ \int- \frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=\int k\,\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{$t=0$ 일 때 $v=40$ 이므로 } \\ \frac{1}{40}&=k\times 0+ C\\ C&=\frac{1}{40} \\ \text{따라서,} \\ v(t)&=\frac{1}{kt+C}=\frac{1}{kt+1/40}=\frac{40}{40kt+1}\tag{$*$} \\ \text{비례상수 $k$ 는 다음 조건으로 정해진다.} \\ v(10)&=20\\ 20&=\frac{40}{40k\times 10+1}\\ \frac{1}{2}&=\frac{1}{400k+1}\\ 400k+1&=2 \\ k&=\frac{1}{400} \end{aligned}

(b) kk 의 값을 (∗)(*) 에 대입하면,

v(t)=4040kt+1=40t/10+1v(t)=5 가 되는 t 의 값을 구하려 한다.5=40t/10+1t10+1=8t=70 sec\begin{aligned} v(t)&=\frac{40}{40kt+1}=\frac{40}{t/10+1}\\ \\ \text{$v(t)=5$ 가 되는 $t$ 의 값을 구하려 한다.} \\ 5&=\frac{40}{t/10+1}\\ \frac{t}{10}+1&=8 \\ t&=70\text{ sec} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The given differential equation is separable and we solve it accordingly.

dvdt=−k v2−dvv2=k dt∫−dvv2=∫k dt1v=kt+CAt t=0, v=40 so 140=k×0+CC=140Therefore,v(t)=1kt+C=1kt+1/40=4040kt+1The constant of proportionality k is determined byv(10)=2020=4040k×10+112=1400k+1400k+1=2k=1400(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-k\,v^2\\ -\frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=k\,\mathrm{d}t\\ \int- \frac{\mathrm{d}v}{v^2}&=\int k\,\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{At $t=0$, $v=40$ so } \\ \frac{1}{40}&=k\times 0+ C\\ C&=\frac{1}{40} \\ \text{Therefore,} \\ v(t)&=\frac{1}{kt+C}=\frac{1}{kt+1/40}=\frac{40}{40kt+1}\tag{$*$} \\ \text{The constant of proportionality $k$ is determined by} \\ v(10)&=20\\ 20&=\frac{40}{40k\times 10+1}\\ \frac{1}{2}&=\frac{1}{400k+1}\\ 400k+1&=2 \\ k&=\frac{1}{400} \end{aligned}

(b) Subbing in the value of kk to (∗)(*),

v(t)=4040kt+1=40t/10+1We want to know the value of t that gives v(t)=5.5=40t/10+1t10+1=8t=70 sec\begin{aligned} v(t)&=\frac{40}{40kt+1}=\frac{40}{t/10+1}\\ \\ \text{We want to know the value of $t$ that gives $v(t)=5$.} \\ 5&=\frac{40}{t/10+1}\\ \frac{t}{10}+1&=8 \\ t&=70\text{ sec} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 24번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
28.CLP-2 · 2.4절 · 28번대학 수준우리말 번역

유체 속에서 움직이는 물체의 처음 속도 vv 는 400 m/min 이다. 속도는 속도의 제곱에 비례하는 비율로 감소한다. 1분 후의 속도는 200 m/min 이다.

(a) 시간을 tt 라 할 때, 속도 v=v(t)v=v(t) 에 대한 미분방정식을 쓰세요. (b) 이 미분방정식을 푸세요. (c) 물체의 속도가 50 m/min 이 되는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

An object moving in a fluid has an initial velocity vv of 400 m/min. The velocity is decreasing at a rate proportional to the square of the velocity. After 1 minute the velocity is 200 m/min.

(a) Give a differential equation for the velocity v=v(t)v=v(t) where tt is time. (b) Solve this differential equation. (c) When will the object be moving at 50 m/min?

정답·풀이 보기

(a) 시각 tt 에서 속력의 변화율은 어떤 비례상수 kk 에 대해 −kv(t)2-kv(t)^2 이다 (kk 는 나중에 구하지만, 속력이 감소하므로 양수라고 가정한다). 따라서 v(t)v(t) 는 미분방정식 dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 을 만족시킨다. (b) 방정식 dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 은 변수분리형 미분방정식이므로 다음과 같이 보통의 방법으로 풀 수 있다.

dvdt=−kv2dv−v2=kdt∫−dvv2=∫kdt1v=kt+C시각 t=0 에서 v=400 이므로 C=1400 이다. 그러면:1v=kt+1400시각 t=1 에서 v=200 이므로 1200=k+1400k=1400따라서 (∗)에서,1v=t400+1400=t+1400v=400t+1(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-kv^2\\ \frac{\mathrm{d}v}{-v^2}&=k\mathrm{d}t\\ \int -\frac{\mathrm{d}v}{v^2} &=\int k\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{시각 $t=0$ 에서 $v=400$ 이므로 $C=\frac{1}{400}$ 이다. 그러면:} \\ \frac{1}{v}&=kt+\frac{1}{400}\tag{$*$} \\ \text{시각 $t=1$ 에서 $v=200$ 이므로 } \\ \frac{1}{200}&=k+\frac{1}{400}\\ k&=\frac{1}{400} \\ \text{따라서 ($*$)에서,} \\ \frac{1}{v}&=\frac{t}{400}+\frac{1}{400} = \frac{t+1}{400}\\ v&=\frac{400}{t+1} \end{aligned} (c) 속력이 50이 되는 때를 구하려면, (b)에서 얻은 식에 v=50v=50 을 대입하여 tt 에 대해 푼다.

50=400t+150(t+1)=400t+1=8t=7\begin{aligned} 50&=\frac{400}{t+1}\\ 50(t+1)&=400\\ t+1&=8\\ t&=7 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The rate of change of speed at time tt is −kv(t)2-kv(t)^2 for some constant of proportionality kk (to be determined–but we assume it is positive, since the speed is decreasing). So v(t)v(t) obeys the differential equation dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 . (b) The equation dvdt=−kv2\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2 is a separable differential equation, which we can solve in the usual way.

dvdt=−kv2dv−v2=kdt∫−dvv2=∫kdt1v=kt+CAt time t=0, v=400, so C=1400. Then:1v=kt+1400At time t=1, v=200, so 1200=k+1400k=1400Therefore, from (∗),1v=t400+1400=t+1400v=400t+1(∗)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}&=-kv^2\\ \frac{\mathrm{d}v}{-v^2}&=k\mathrm{d}t\\ \int -\frac{\mathrm{d}v}{v^2} &=\int k\mathrm{d}t\\ \frac{1}{v}&=kt+C \\ \text{At time $t=0$, $v=400$, so $C=\frac{1}{400}$. Then:} \\ \frac{1}{v}&=kt+\frac{1}{400}\tag{$*$} \\ \text{At time $t=1$, $v=200$, so } \\ \frac{1}{200}&=k+\frac{1}{400}\\ k&=\frac{1}{400} \\ \text{Therefore, from ($*$),} \\ \frac{1}{v}&=\frac{t}{400}+\frac{1}{400} = \frac{t+1}{400}\\ v&=\frac{400}{t+1} \end{aligned} (c) To find when the speed is 50, we set v=50v=50 in the equation from (b) and solve for tt.

50=400t+150(t+1)=400t+1=8t=7\begin{aligned} 50&=\frac{400}{t+1}\\ 50(t+1)&=400\\ t+1&=8\\ t&=7 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 16번
# 변수분리형 미분방정식활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
29.CLP-2 · 2.4절 · 32번대학 수준우리말 번역

반지름이 3 미터이고 높이가 6 미터인 원기둥 모양의 물탱크가 물로 가득 차 있을 때 바닥에 구멍이 났다. 물은 반지름이 1 센티미터인 구멍을 통해 빠져나간다. 만약

  • h(t)h(t) 가 시각 tt 에서 탱크 안 물의 높이(단위: 미터)이고
  • v(t)v(t) 가 시각 tt 에서 빠져나가는 물의 속도(단위: 초당 미터)이면
  • 토리첼리의 법칙에 의해 v(t)=2gh(t)v(t)=\sqrt{2gh(t)} 이다. 여기서 g=9.8 m/sec2g=9.8\ {\rm m/sec^2} 이다. 탱크가 비는 데 걸리는 시간을 구하세요.
영어 원문 보기

A cylindrical water tank, of radius 3 meters and height 6 meters, is full of water when its bottom is punctured. Water drains out through a hole of radius 1 centimeter. If

  • h(t)h(t) is the height of the water in the tank at time tt (in meters) and
  • v(t)v(t) is the velocity of the escaping water at time tt (in meters per second) then
  • Torricelli's law states that v(t)=2gh(t)v(t)=\sqrt{2gh(t)} where g=9.8 m/sec2g=9.8\ {\rm m/sec^2}. Determine how long it takes for the tank to empty.
정답·풀이 보기

아주 짧은 시간 간격 dt\mathrm{d}t 동안 탱크 안 물의 높이가 dh\mathrm{d}h (음수)만큼 변한다고 하자. 그러면 이 시간 간격 동안 탱크 안 물의 양은 dV=−π(3)2dh\mathrm{d}V=-\pi(3)^2\mathrm{d}h 만큼 감소한다. 이는 같은 시간 간격 동안 구멍을 통해 흘러나간 물의 양과 같아야 한다. 구멍을 통해 흘러나가는 물은 반지름이 1 cm (즉, 0.01 m)이고 길이가 v(t)dtv(t)\mathrm{d}t 인 원기둥을 이루는데, 이 길이는 dt\mathrm{d}t 초 동안 물이 구멍 밖으로 움직인 거리이다. 따라서 시간 간격 dt\mathrm{d}t 동안 구멍으로 빠져나간 물의 양은 π(0.01)2v(t) dt=π(0.01)22gh(t) dt\pi(0.01)^2 v(t)\,\mathrm{d}t =\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t 이다.

그림

이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다. gg 는 상수임을 기억하자.

−π(3)2dh=π(0.01)22gh(t) dtdhh=−(0.013) ⁣22g dt∫dhh=∫−(0.013) ⁣22g dt2h=−(0.013) ⁣22g t+C시각 0 에서 높이가 6 이므로 C=26 이고2h=−(0.013) ⁣22g t+26탱크 안 물의 높이가 0 이 되는 때를 구하려 한다.0=−(0.013) ⁣22g t+26(0.013) ⁣22g t=26t=26(0.013) ⁣22g=2(30.01) ⁣23g=180,0003g≈99,591 sec≈27.66 hr\begin{aligned} -\pi(3)^2\mathrm{d}h&=\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t\\ \frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=\int-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{시각 $0$ 에서 높이가 $6$ 이므로 $C=2\sqrt{6}$ 이고} \\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6} \\ \text{탱크 안 물의 높이가 0 이 되는 때를 구하려 한다.} \\ 0&=-\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6}\\ \Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t&=2\sqrt{6}\\ t&=\frac{2\sqrt6}{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}}\\ &=2{\Big(\frac{3}{0.01}\Big)}^{\!2} \sqrt{\frac{3}{g}}\\ &=180,000 \sqrt{\frac{3}{g}}\approx 99,591\text{ sec} \approx 27.66\text{ hr} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that in a very short time interval dt\mathrm{d}t, the height of water in the tank changes by dh\mathrm{d}h (which is negative). Then in this time interval the amount of the water in the tank decreases by dV=−π(3)2dh\mathrm{d}V=-\pi(3)^2\mathrm{d}h. This must be the same as the amount of water that flows through the hole in this time interval. The water flowing through the hole makes a cylinder of radius 1 cm (that is, 0.01 m) with length v(t)dtv(t)\mathrm{d}t, the distance the water moves out of the hole in dt\mathrm{d}t seconds. So, the amount of water leaving the hole over the time interval dt\mathrm{d}t is π(0.01)2v(t) dt=π(0.01)22gh(t) dt\pi(0.01)^2 v(t)\,\mathrm{d}t =\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t.

figure

This gives us a separable differential equation. Recall gg is a constant.

−π(3)2dh=π(0.01)22gh(t) dtdhh=−(0.013) ⁣22g dt∫dhh=∫−(0.013) ⁣22g dt2h=−(0.013) ⁣22g t+CAt time 0, the height is 6, so C=26 and2h=−(0.013) ⁣22g t+26We want to know when the height of the water in the tank is 0.0=−(0.013) ⁣22g t+26(0.013) ⁣22g t=26t=26(0.013) ⁣22g=2(30.01) ⁣23g=180,0003g≈99,591 sec≈27.66 hr\begin{aligned} -\pi(3)^2\mathrm{d}h&=\pi(0.01)^2 \sqrt{2gh(t)}\,\mathrm{d}t\\ \frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int\frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}}&=\int-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{At time $0$, the height is $6$, so $C=2\sqrt{6}$ and} \\ 2\sqrt{h}&=-{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)}^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6} \\ \text{We want to know when the height of the water in the tank is 0.} \\ 0&=-\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t+2\sqrt{6}\\ \Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}\,t&=2\sqrt{6}\\ t&=\frac{2\sqrt6}{\Big(\frac{0.01}{3}\Big)^{\!2} \sqrt{2g}}\\ &=2{\Big(\frac{3}{0.01}\Big)}^{\!2} \sqrt{\frac{3}{g}}\\ &=180,000 \sqrt{\frac{3}{g}}\approx 99,591\text{ sec} \approx 27.66\text{ hr} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 33번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
30.CLP-2 · 2.4절 · 33번대학 수준우리말 번역

반지름이 6 피트인 구형 탱크에 수은이 가득 차 있는데, 바닥에 반지름이 1 인치인 원형 구멍이 뚫렸습니다. 탱크의 수은이 모두 빠져나가는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.

g=32 feet/sec2g=32\ {\rm feet}/{\rm sec}^2 의 값을 사용하세요. 또한 토리첼리의 법칙을 사용하세요. 이 법칙은 탱크 안 수은의 높이가 hh 일 때 탱크에서 흘러나오는 수은의 속력이 v=2ghv=\sqrt{2gh} 임을 말해 줍니다.

영어 원문 보기

A spherical tank of radius 6 feet is full of mercury when a circular hole of radius 1 inch is opened in the bottom. How long will it take for all of the mercury to drain from the tank?

Use the value g=32 feet/sec2g=32\ {\rm feet}/{\rm sec}^2. Also use Torricelli's law, which states when the height of mercury in the tank is hh, the speed of the mercury escaping from the tank is v=2ghv=\sqrt{2gh}.

정답·풀이 보기

시각 tt 에서 탱크 안 수은의 높이가 hh 이고, 이 값은 0 피트와 12 피트 사이라고 하자.

그림

이때 수은의 윗면은 반지름이 62−(h−6)2\sqrt{6^2-(h-6)^2} 인 원판을 이룬다. (위 그림의 삼각형에 피타고라스 정리를 적용하여 구한 것이다. 그림에서는 hh 가 6보다 큰 경우를 나타냈지만, [0,12][0,12] 에 속하는 모든 hh 에 대해 같은 식이 성립한다.) 이제 아주 짧은 시간 dt\mathrm{d}t 동안 탱크 안 수은의 높이가 dh\mathrm{d}h 만큼 변한다고 하자(이 값은 음수이다). 그러면 이 시간 동안 탱크 안 수은의 양은 −π(62−(h−6)2 )2dh-\pi\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)^2\mathrm{d}h 만큼 줄어든다. (위 그림의 빨간 원판의 부피이다.) 이 양은 같은 시간 동안 구멍으로 흘러나간 수은의 양과 같아야 한다. 구멍에서 나오는 수은은 원기둥 모양이다. 이 원기둥의 반지름은 구멍의 반지름인 112\frac{1}{12} 피트이고, 길이는 수은이 dt\mathrm{d}t 초 동안 이동한 거리인 v(t)dtv(t)\mathrm{d}t 피트이다. 따라서 흘러나간 수은의 부피는 π(112)2v dt=π(112)22gh dt\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 v\,\mathrm{d}t =\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t 이다. 이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다.

−π(62−(h−6)2 )2dh=π(112)22gh dt−(36−(h2−12h+36) )dh=(112)22gh dt(h2−12h)dh=11442gh dt(h3/2−12h1/2)dh=11442g dt∫(h3/2−12h1/2)dh=∫11442g dth5/25/2−12h3/23/2=11442g t+C시각 0 에서 높이는 12 이므로 C=125/25/2−12123/23/2=125/2(25−23)=−415125/2 이고, 따라서h5/25/2−12h3/23/2=11442g t−415125/2높이가 h=0 이 되는 시각 t 를 구하면 된다.0=11442g t−415125/211442g t=415125/2t=4×144151252g=38.4124416g≈2,394 sec ≈0.665 hr\begin{aligned} -\pi{\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)}^2\mathrm{d}h &=\pi\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ -{\big({36-(h^2-12h+36)}\ \big)}\mathrm{d}h &=\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^2-12h\big)\mathrm{d}h &=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\sqrt{h}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\int\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{시각 $0$ 에서 높이는 $12$ 이므로 $C=\frac{12^{5/2}}{5/2}-12\frac{12^{3/2}}{3/2} =12^{5/2}\big(\frac{2}{5}-\frac{2}{3}\big) =-\frac{4}{15}12^{5/2}$ 이고, 따라서} \\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t -\frac{4}{15}12^{5/2} \\ \text{높이가 $h=0$ 이 되는 시각 $t$ 를 구하면 된다.} \\ 0&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t-\frac{4}{15}12^{5/2}\\ \frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t&=\frac{4}{15}12^{5/2}\\ t&=\frac{4\times 144}{15} \sqrt{\frac{12^5}{2g}}\\ &=38.4 \sqrt{\frac{124416}{g}}\approx 2,394\,\text{sec }\approx 0.665\, \text{hr} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that at time tt, the mercury in the tank has height hh, which is between 0 and 12 feet.

figure

At that time, the top surface of the mercury forms a circular disk of radius 62−(h−6)2\sqrt{6^2-(h-6)^2}. (We found this by applying the Pythagorean Theorem to the triangle in the diagram above. In the diagram, hh is shown as being larger than 6, but the same equation holds for all hh in [0,12][0,12].) Now suppose that in a very short time interval dt\mathrm{d}t, the height of mercury in the tank changes by dh\mathrm{d}h (which is negative). Then in this time interval the amount of the mercury in the tank decreases by −π(62−(h−6)2 )2dh-\pi\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)^2\mathrm{d}h. (That's the volume of the red disk in the figure above.) This must be the same as the amount of mercury that flows through the hole in this time interval. The mercury comes out of the hole as a cylinder. Its radius is the radius of the hole, 112\frac{1}{12} foot, and its length is the distance the mercury travels in dt\mathrm{d}t seconds, v(t)dtv(t)\mathrm{d}t feet. So, the volume of escaped mercury is π(112)2v dt=π(112)22gh dt\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 v\,\mathrm{d}t =\pi\big(\frac{1}{12}\big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t. This gives us a separable differential equation.

−π(62−(h−6)2 )2dh=π(112)22gh dt−(36−(h2−12h+36) )dh=(112)22gh dt(h2−12h)dh=11442gh dt(h3/2−12h1/2)dh=11442g dt∫(h3/2−12h1/2)dh=∫11442g dth5/25/2−12h3/23/2=11442g t+CAt time 0, the height is 12, so C=125/25/2−12123/23/2=125/2(25−23)=−415125/2, which yieldsh5/25/2−12h3/23/2=11442g t−415125/2We want to find the time t when the height is h=0.0=11442g t−415125/211442g t=415125/2t=4×144151252g=38.4124416g≈2,394 sec ≈0.665 hr\begin{aligned} -\pi{\big(\sqrt{6^2-(h-6)^2}\ \big)}^2\mathrm{d}h &=\pi\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ -{\big({36-(h^2-12h+36)}\ \big)}\mathrm{d}h &=\Big(\frac{1}{12}\Big)^2 \sqrt{2gh}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^2-12h\big)\mathrm{d}h &=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\sqrt{h}\,\mathrm{d}t\\ \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \int \big(h^{3/2}-12h^{1/2}\big)\mathrm{d}h&=\int\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,\mathrm{d}t\\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t+C \\ \text{At time $0$, the height is $12$, so $C=\frac{12^{5/2}}{5/2}-12\frac{12^{3/2}}{3/2} =12^{5/2}\big(\frac{2}{5}-\frac{2}{3}\big) =-\frac{4}{15}12^{5/2}$, which yields} \\ \frac{h^{5/2}}{5/2}-12\frac{h^{3/2}}{3/2}&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t -\frac{4}{15}12^{5/2} \\ \text{We want to find the time $t$ when the height is $h=0$.} \\ 0&=\frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t-\frac{4}{15}12^{5/2}\\ \frac{1}{144} \sqrt{2g}\,t&=\frac{4}{15}12^{5/2}\\ t&=\frac{4\times 144}{15} \sqrt{\frac{12^5}{2g}}\\ &=38.4 \sqrt{\frac{124416}{g}}\approx 2,394\,\text{sec }\approx 0.665\, \text{hr} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 4.3절 · 9번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
31.CLP-2 · 2.4절 · 35번대학 수준우리말 번역

높이가 2 m인 물탱크를 반지름이 r=ypr=y^p 인 원형 단면을 가지도록 만들려고 합니다. 여기서 yy 는 탱크 바닥으로부터 잰 수직 거리이고, pp 는 정해야 하는 양의 상수입니다. 탱크의 물이 빠질 때 토리첼리의 법칙을 따른다고 가정해도 좋습니다. 즉,

A(y)dydt=−cy\begin{aligned} A(y)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-c\sqrt{y} \end{aligned}

이며, 여기서 cc 는 어떤 상수이고 A(y)A(y) 는 높이 yy 에서의 탱크의 단면의 넓이입니다. 탱크의 윗부분 절반 (y=2y=2 에서 y=1y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1y=1 에서 y=0y=0 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간과 정확히 같도록 탱크를 만들려고 합니다. 탱크가 이 성질을 갖도록 pp 의 값을 구하세요. 참고: 이 문제에서 cc 를 구하는 것은 불가능하며 필요하지도 않습니다.

영어 원문 보기

A tank 2 m tall is to be made with circular cross–sections with radius r=ypr=y^p. Here yy measures the vertical distance from the bottom of the tank and pp is a positive constant to be determined. You may assume that when the tank drains, it obeys Torricelli's law, that is

A(y)dydt=−cy\begin{aligned} A(y)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-c\sqrt{y} \end{aligned}

for some constant cc where A(y)A(y) is the cross–sectional area of the tank at height yy. It is desired that the tank be constructed so that the top half (y=2y=2 to y=1y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the bottom half (y=1y=1 to y=0y=0). Determine the value of pp so that the tank has this property. Note: it is not possible or necessary to find cc for this question.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

시각 tt (예를 들어 정오부터 시작하여 시간 단위로 잰다)에 탱크 안 물의 높이가 yy 이고, 이 값은 0 m와 2 m 사이라고 하자. 이때 물의 윗면은 반지름이 r=ypr=y^p 인 원판을 이루고 그 넓이는 A(y)=πy2pA(y)=\pi y^{2p} 이다. 따라서 토리첼리의 법칙에 의해

πy2pdydt=−cy−πc⋅y2p−12dy= dt∫−πc⋅y2p−12dy= ∫dt−πc⋅y2p+122p+12+d=tfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=πc⋅22p+122p+12  .t=πc(22p+122p+12−y2p+122p+12)=πc(2p+12)(22p+12−y2p+12)\begin{aligned} \pi y^{2p}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=-c\sqrt{y}\\ -\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\mathrm{d}t\\ \int-\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\int \mathrm{d}t\\ -\frac{\pi}{c}\cdot\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}+d &=t \\ \text{for some constant $d$. At time $t=0$, the height is $y=2$, so $d=\displaystyle\frac{\pi}{c}\cdot\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}$ \ .} \\ t&=\frac{\pi}{c}\bigg(\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}} -\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}\bigg)\\ &=\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-y^{2p+\frac12}\right) \end{aligned}

높이가 11 이 되는 시각은 이 식에 y=1y=1 을 대입하여 얻고, 높이가 00 이 되는 시각은 이 식에 y=0y=0 을 대입하여 얻는다. 따라서 윗부분 절반(y=2y=2 에서 y=1y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1y=1 에서 y=0y=0 까지)이 걸리는 시간과 정확히 같다는 조건은 다음과 같다.

t(2)−t(1)=t(1)−t(0)0−t(1)=t(1)−t(0)t(0)=2t(1)πc(2p+12)(22p+12−02p+12)=2πc(2p+12)(22p+12−12p+12)22p+12=2(22p+12−1)22p+12=2⋅22p+12−22=22p+121=2p+12p=14\begin{aligned} t(2)-t(1)&=t(1)-t(0)\\ 0-t(1)&=t(1)-t(0)\\ t(0)&=2t(1)\\ \frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-0^{2p+\frac12}\right)&= 2\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-1^{2p+\frac12}\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\left(2^{2p+\frac12}-1\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\cdot 2^{2p+\frac12}-2\\ 2&=2^{2p+\frac12}\\ 1&=2p+\frac12\\ p&=\frac14 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that at time tt (measured in hours starting at, say, noon), the water in the tank has height yy, which is between 0 and 2 metres. At that time, the top surface of the water forms a circular disk of radius r=ypr=y^p and area A(y)=πy2pA(y)=\pi y^{2p}. Thus, by Torricelli's law,

πy2pdydt=−cy−πc⋅y2p−12dy= dt∫−πc⋅y2p−12dy= ∫dt−πc⋅y2p+122p+12+d=tfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=πc⋅22p+122p+12  .t=πc(22p+122p+12−y2p+122p+12)=πc(2p+12)(22p+12−y2p+12)\begin{aligned} \pi y^{2p}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=-c\sqrt{y}\\ -\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\mathrm{d}t\\ \int-\frac{\pi}{c}\cdot y^{2p-{1\over 2}}\mathrm{d}y&=\,\int \mathrm{d}t\\ -\frac{\pi}{c}\cdot\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}+d &=t \\ \text{for some constant $d$. At time $t=0$, the height is $y=2$, so $d=\displaystyle\frac{\pi}{c}\cdot\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}$ \ .} \\ t&=\frac{\pi}{c}\bigg(\frac{2^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}} -\frac{y^{2p+{1\over 2}}}{2p+{1\over 2}}\bigg)\\ &=\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-y^{2p+\frac12}\right) \end{aligned}

The time at which the height is 11 is obtained by subbing y=1y=1 into this formula. The time at which the height is 00 is obtained by subbing y=0y=0 into this formula. Thus the condition that the top half (y=2y=2 to y=1y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the bottom half (y=1y=1 to y=0y=0) is:

t(2)−t(1)=t(1)−t(0)0−t(1)=t(1)−t(0)t(0)=2t(1)πc(2p+12)(22p+12−02p+12)=2πc(2p+12)(22p+12−12p+12)22p+12=2(22p+12−1)22p+12=2⋅22p+12−22=22p+121=2p+12p=14\begin{aligned} t(2)-t(1)&=t(1)-t(0)\\ 0-t(1)&=t(1)-t(0)\\ t(0)&=2t(1)\\ \frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-0^{2p+\frac12}\right)&= 2\frac{\pi}{c(2p+\frac12)}\left(2^{2p+\frac12}-1^{2p+\frac12}\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\left(2^{2p+\frac12}-1\right)\\ 2^{2p+\frac12}&= 2\cdot 2^{2p+\frac12}-2\\ 2&=2^{2p+\frac12}\\ 1&=2p+\frac12\\ p&=\frac14 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 37번
# 변수분리형 미분방정식활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)