tanx1+y2−4dxdyy[1+y2−4]dy∫y[1+y2−4]dyFor the integral on the left, we use the substitution u=y2−4, 21du=ydy.21∫(1+u)du21(u+32u3/2)21(y2−4+32(y2−4)3/2)y2+32(y2−4)3/2To find C we set x=0 and y=2.4+324−4342So,y2+32(y2−4)3/2=ysecx=secxtanxdx=∫secxtanxdx=secx+C=secx+C=secx+C=2secx+2C+4=2sec(0)+2C+4=2+2C+4=2C+4=2secx+2
초깃값 문제 dtdx=k(3−x)(2−x),
x(0)=1 을 생각하세요. 여기서 k 는 양의 상수입니다. (이런 종류의 문제는 어떤 화학 반응을 분석할 때 나타납니다.)
(a) 이 초깃값 문제를 푸세요. 즉, x 를 t 의 함수로 나타내세요.
(b) t 가 +∞ 에 가까워질 때 x(t) 는 어떤 값에 가까워지는지 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the initial value problem dtdx=k(3−x)(2−x),
x(0)=1, where k is a positive constant. (This kind of problem occurs
in the analysis of certain chemical reactions.)
(a) Solve the initial value problem. That is, find x as a
function of t.
(b) What value will x(t) approach as t approaches +∞.
(a)
The given differential equation is separable and we solve it accordingly.
dtdx(x−2)(x−3)dxUsing the method of partial fractions, we find (x−2)(x−3)1=x−31−x−21.∫[x−31−x−21]dxlog∣x−3∣−log∣x−2∣logx−2x−3x−2x−3x−2x−3 where D=±eC. When t=0, x=1, forcing1−21−3DHencex−2x−3x−3x−2ektxx(t)=k(3−x)(2−x)=kdt=∫kdt=kt+C=kt+C=ekt+C=ekteC=Dekt=De0=2=2ekt=2ekt(x−2)=3−4ekt=1−2ekt3−4ekt
(b) To evaluate the limit, we could use l'Hopital's rule, but we could also just multiply the numerator and denominator by e−kt. Note t→∞lime−tk=0.
x=0 일 때 y−1y−2=21>0 임을 알 수 있다. 또한 21e1−cosx 는, 따라서 y−1y−2 도, 결코 0 이 될 수 없다. y(x) 는 x 에 따라 연속적으로 변하므로 y(x) 는 계속 2 보다 커야 한다. 따라서 y−1y−2 는 계속 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 그러므로
간단히 하기 위해 L=1−log2 라 하면 L>0 이다. (2<e 이므로 log2<loge=1 이고, 따라서 1−log2>0 임에서 알 수 있다.)
x=0 은 우리가 구한 함수의 정의역에 속하지만, 점 x=±arccos(L)=±arccos(1−log2) 는 정의역에 속하지 않는다.
따라서 우리의 답이 의미를 갖는 가장 큰 구간은 −arccos(1−log2))>x>arccos(1−log2)
이고, 이는 대략 −1.259<x<1.259 이다.
원본 교재 풀이(영어)
What we're given is an equation relating y to the integral of a function of y. What we know how to solve is an equation relating the derivative of y to a function of y. We can create this by differentiating the given integral equation.
By the Fundamental Theorem of Calculus, part 1:
So y(x) satisfies the differential equation y′=(y2−3y+2)sinx=(y−2)(y−1)sinx
and the initial equation y(0)=3 (just substitute x=0 into (∗)).
For y=1,2:
dxdy(y−2)(y−1)dy∫(y−2)(y−1)dyUsing the method of partial fractions, we see (y−2)(y−1)1=y−21−y−11.∫[y−21−y−11]dylog∣y−2∣−log∣y−1∣logy−1y−2y−1y−2The condition y(0)=3 forces 3−13−2=ec−1 or ec=21e, hencey−1y−2=(y−2)(y−1)sinx=sinxdx=∫sinxdx=∫sinxdx=−cosx+c=−cosx+c=ec−cosx=21e1−cosx
Observe that, when x=0, y−1y−2=21>0. Furthermore
21e1−cosx, and hence y−1y−2,
can never take the value zero. As y(x) varies continuously with x,
y(x) must remain larger than 2. Consquently, y−1y−2 remains
positive and we may drop the absolute value signs. Hence
y−1y−2=21e1−cosx Solving for y,y−1y−22(y−2)2y−4y(2−e1−cosx)y=21e1−cosx=e1−cosx(y−1)=ye1−cosx−e1−cosx=4−e1−cosx=2−e1−cosx4−e1−cosx
To avoid division by zero in the last step, we need
e1−cosx1−cosxcosx=2=log2=1−log2
Let L=1−log2, for brevity, and note that L>0. (This can be seen by observing 2<e, so, log2<loge=1, hence 1−log2>0.)
We know x=0 is in the domain of our function, but the points x=±arccos(L)=±arccos(1−log2) are not.
Therefore, the largest interval for which our answer makes sense is −arccos(1−log2))>x>arccos(1−log2)
or approximately −1.259<x<1.259.
Thus y=f(x) obeys the differential equation y′=(y−1)(y−2).
(c) If y=1,2,
dxdy(y−1)(y−2)dy∫(y−1)(y−2)dyUsing the method of partial fractions,∫(y−21−y−11)dylog∣y−2∣−log∣y−1∣logy−1y−2 Observe that dxdy=(y−1)(y−2)>0 for all y≥2. That is, f(x) is increasing at all x for which f(x)>2. As f(0)=3, f(x) increases for all x≥0, and f(x)≥3 for all x≥0. So we may drop the absolute value signs.logf(x)−1f(x)−2f(x)−1f(x)−2 At x=0, f(x)−1f(x)−2=21 so eC=21.f(x)−1f(x)−22f(x)−4[2−ex]f(x)f(x)=(y−1)(y−2)=dx=∫dx=∫dx=x+C=x+C=x+C=eCex=21ex=[f(x)−1]ex=4−ex=2−ex4−ex
We start by antidifferentiating both sides with respect to x.
∫(dx2d2y)dxThe right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to y.dxdyWhen y=1, dxdy=3.3CSo,dxdy This is a separable differential equation. dxdy4y2−1y2dy∫4y2−1y2dy=∫(y32⋅dxdy)dx=∫(y32)dy=−y21+C=−11+C=4=−y21+4=y24y2−1=dx=∫dx(∗)
We can evaluate the left integral with partial fractions, but because the numerator has the same degree as the denominator, we have to simplify first. We do this by inspection, but you can also use long division.
We can check our answer by differentiating with respect to x.
x4xdxd{4x}44dxdyDifferentiating with respect to x again, using the chain rule,dx2d2y=41(y−1+41log2y+12y−1)=y−1+41log∣2y−1∣−41log∣2y+1∣=dxd{y−1+41log∣2y−1∣−41log∣2y+1∣}=dxdy+41⋅2y−12dxdy−41⋅2y+12dxdy=dxdy(1+2y−11/2−2y+11/2)=dxdy(4y2−14y2)=y24y2−1=4−y21=y32⋅dxdy(∗∗)
This is exactly the differential equation we were meant to solve.
(a) 비례상수를 k 로 하여, 이 사실을 질량 M(t) 에 대한 미분방정식으로 나타내세요.
(b) 처음 질량이 M0 일 때, 질량 M(t) 를 나타내는 식을 구하세요.
(c) 시료의 반감기는 질량의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간입니다. 탄소-14의 반감기가 5730년임을 이용하여, 탄소-14 시료에 대한 k 의 값을 구하세요.
(d) 탄소-14 시료가 처음 질량의 4분의 1로 줄어드는 데 시간이 얼마나 걸리는지 구하세요.
(e) 탄소-14는 우리 환경에 자연적으로 존재하며, 살아 있는 모든 생물은 먹고 숨 쉴 때 탄소-14를 받아들입니다. 그러나 죽으면 그 생물은 더 이상 탄소-14를 받아들이지 않습니다. 선사 시대 모닥불 자리의 잔해를 발견했다고 합시다. 그 자리의 숯이 된 나무를 분석했더니 탄소-14의 양이 살아 있는 나무에 들어 있는 양의 30%뿐임을 알게 되었습니다. 모닥불 자리의 나이를 어림하세요. (이 방법이 방사성 탄소 연대 측정의 기본 원리입니다.)
영어 원문 보기
The mass of a radioactive sample decays at a rate that is proportional to its mass.
(a) Express this fact as a differential equation for the mass M(t) using k for the constant of proportionality.
(b) If the initial mass is M0, find an expression for the mass M(t).
(c) The half-life of the sample is the amount of time required for half of the mass to decay. Knowing that the half-life of Carbon-14 is 5730 years, find the value of k for a sample of Carbon-14.
(d) How long does it take for a sample of Carbon-14 to be reduced to one-quarter its original mass?
(e) Carbon-14 naturally occurs in our environment; any living organism takes in Carbon-14 when it eats and breathes. Upon dying, however, the organism no longer takes in Carbon-14. Suppose that you find remnants of a pre-historic firepit. By analyzing the charred wood in the pit, you determine that the amount of Carbon-14 is only 30% of the amount in living trees. Estimate the age of the firepit. (This approach is the basic idea behind radiocarbon dating.)
정답·풀이 보기
(a) 주어진 설명을 나타내는 미분방정식은
dtdM=kM.
(b) 변수를 분리하여 미분방정식을 풀면
M1dM=kdt
이므로
∫M1dM=∫kdt. 적분하여 M 에 대해 풀면 ln∣M∣=kt+C 이고, 따라서 어떤 상수 K 에 대해 ∣M∣=ekt+C=ekteC=Kekt 이다. 절댓값을 상수 K 에 흡수시키면 M=Kekt 이다. 초기 조건 M(0)=M0 을 이용하면 K=M0 이다. 따라서 시각 t 에서의 질량은
M(t)=M0ekt.
(c) 시각 0 부터 5730년이 지나면 방사성 시료의 남은 질량은 21M0 이다. 따라서 M(5730) 을 21M0 과 같다고 놓고 t 에 대해 풀어 k 의 값을 구할 수 있다. 이렇게 하면 21M0=M0e5730k 이고, 따라서 21=e5730k 이다. 그러므로
ln(21)=5730k
이고, 여기서 k=57301ln(21)=−5730ln(2) 를 얻는다. 따라서
M(t)=M0e−5730ln(2)t≈M0e−0.000121t
(d) 이제 M(t)=41M0 이 되는 시각 t 를 구한다. (c)에서 한 것과 비슷하게 풀면 t=ln(2)5730ln(4)≈11460년이다. 이 값은 타당한데, 시료의 절반이 붕괴하는 데 5730년이 걸리고, 다시 5730년이 지나면 남은 것의 절반이 또 붕괴하므로, 물질이 처음 양의 4분의 1로 줄어드는 데 모두 (2)(5730)년이 걸리기 때문이다.
(e) M(t) 가 M0 의 30%가 되는 데 걸리는 시간을 구해야 하므로 0.3M0=M0e−5730ln(2)t 를 풀어야 한다. 늘 하던 방식으로 풀면 t=−ln(2)5730ln(0.3)≈9952.8년이므로, 이 시료는 약 9973년 되었다고 어림한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) A differential equation that represents the given description is
dtdM=kM.
(b) Separating the variables to solve the differential equation yields
M1dM=kdt
so
∫M1dM=∫kdt. Integrating and solving for M, we find ln∣M∣=kt+C and thus ∣M∣=ekt+C=ekteC=Kekt for some constant K. By absorbing the absolute value into the constant K, we have M=Kekt. Using the initial condition M(0)=M0, it follows that K=M0. Therefore, the mass at time t is given by
M(t)=M0ekt.
(c) If we let 5730 years pass from time 0, the remaining mass of the radioactive sample will be 21M0. This allows us to find the value of k by setting M(5730) equal to 21M0 and solving for t. Doing so, we have 21M0=M0e5730k, and thus 21=e5730k. It follows that
ln(21)=5730k
from which we find k=57301ln(21)=−5730ln(2). Hence,
M(t)=M0e−5730ln(2)t≈M0e−0.000121t
(d) Now we want to find the time t so that M(t)=41M0. Similar work to our recent efforts in (c) shows that t=ln(2)5730ln(4)≈11460 years. This number makes sense because it takes 5730 years for half of the sample to decay, then another 5730 years for half to decay again, for a total of (2)(5730) years for the substance to decay to one quarter of its original amount.
(e) We want to find the time it takes for M(t) to be 30% of M0, so we need to solve 0.3M0=M0e−5730ln(2)t. Doing so in the usual way, we find that t=−ln(2)5730ln(0.3)≈9952.8 years, so we estimate that the sample is about 9973 years old.