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

86문제 · 5 / 5쪽

81.CLP-2 · 2.4절 · 22번대학 수준우리말 번역

미분방정식 1+y2−4tan⁡xy′=sec⁡xy\displaystyle \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x} y' = \frac{\sec x}y 의 해 중에서 y(0)=2y(0)=2 를 만족시키는 것을 구하세요. yy 를 xx 에 대한 식으로 나타낼 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Find the solution of the differential equation 1+y2−4tan⁡xy′=sec⁡xy\displaystyle \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x} y' = \frac{\sec x}y that satisfies y(0)=2y(0)=2. You don't have to solve for yy in terms of xx.

정답·풀이 보기

이것은 변수분리형 미분방정식이다.

1+y2−4tan⁡xdydx=sec⁡xyy[1+y2−4] dy=sec⁡x tan⁡x dx∫y[1+y2−4] dy=∫sec⁡x tan⁡x dx좌변의 적분은 치환 u=y2−4, 12du=y dy 를 이용한다.12∫(1+u) du=sec⁡x+C12(u+23u3/2)=sec⁡x+C12(y2−4+23(y2−4)3/2)=sec⁡x+Cy2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2C+4C 를 구하기 위해 x=0, y=2 를 대입한다.4+234−43=2sec⁡(0)+2C+44=2+2C+42=2C+4따라서y2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2\begin{aligned} \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{\sec x}y\\ y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \int y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \int \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \\ \text{좌변의 적분은 치환 $u={y^2-4}$, $\frac12\mathrm{d}u=y\,\mathrm{d}y$ 를 이용한다.} \\ \frac{1}{2}\int \big(1+\sqrt{u}\big)\,\mathrm{d}u&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(u+\frac{2}{3}u^{3/2}\right)&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(y^2-4+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}\right)&=\sec x +C \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2C+4 \\ \text{$C$ 를 구하기 위해 $x=0$, $y=2$ 를 대입한다.} \\ 4+\frac{2}{3}\sqrt{4-4}^3&=2\sec (0)+2C+4\\ 4&=2+2C+4\\ 2&=2C+4 \\ \text{따라서} \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This is a separable differential equation.

1+y2−4tan⁡xdydx=sec⁡xyy[1+y2−4] dy=sec⁡x tan⁡x dx∫y[1+y2−4] dy=∫sec⁡x tan⁡x dxFor the integral on the left, we use the substitution u=y2−4, 12du=y dy.12∫(1+u) du=sec⁡x+C12(u+23u3/2)=sec⁡x+C12(y2−4+23(y2−4)3/2)=sec⁡x+Cy2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2C+4To find C we set x=0 and y=2.4+234−43=2sec⁡(0)+2C+44=2+2C+42=2C+4So,y2+23(y2−4)3/2=2sec⁡x+2\begin{aligned} \frac{1+\sqrt{y^2-4}}{\tan x}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{\sec x}y\\ y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \int y\big[1+\sqrt{y^2-4}\big]\ \mathrm{d}y &= \int \sec x\ \tan x\ \mathrm{d}x \\ \\ \text{For the integral on the left, we use the substitution $u={y^2-4}$, $\frac12\mathrm{d}u=y\,\mathrm{d}y$.} \\ \frac{1}{2}\int \big(1+\sqrt{u}\big)\,\mathrm{d}u&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(u+\frac{2}{3}u^{3/2}\right)&=\sec x +C \\\frac{1}{2} \left(y^2-4+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}\right)&=\sec x +C \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2C+4 \\ \text{To find $C$ we set $x=0$ and $y=2$.} \\ 4+\frac{2}{3}\sqrt{4-4}^3&=2\sec (0)+2C+4\\ 4&=2+2C+4\\ 2&=2C+4 \\ \text{So,} \\ y^2+\frac{2}{3}(y^2-4)^{3/2}&=2\sec x +2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 18번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.CLP-2 · 2.4절 · 26번대학 수준우리말 번역

초깃값 문제 dxdt=k(3−x)(2−x)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}= k(3-x)(2-x), x(0)=1x(0)=1 을 생각하세요. 여기서 kk 는 양의 상수입니다. (이런 종류의 문제는 어떤 화학 반응을 분석할 때 나타납니다.)

(a) 이 초깃값 문제를 푸세요. 즉, xx 를 tt 의 함수로 나타내세요. (b) tt 가 +∞+\infty 에 가까워질 때 x(t)x(t) 는 어떤 값에 가까워지는지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the initial value problem dxdt=k(3−x)(2−x)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}= k(3-x)(2-x), x(0)=1x(0)=1, where kk 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 xx as a function of tt. (b) What value will x(t)x(t) approach as tt approaches +∞+\infty.

정답·풀이 보기

(a) 주어진 미분방정식은 변수분리형이므로 그에 따라 푼다.

dxdt=k(3−x)(2−x)dx(x−2)(x−3)=kdt부분분수 분해를 이용하면 1(x−2)(x−3)=1x−3−1x−2 이다.∫[1x−3−1x−2] dx=∫kdtlog⁡∣x−3∣−log⁡∣x−2∣=kt+Clog⁡∣x−3x−2∣=kt+C∣x−3x−2∣=ekt+C=ekteCx−3x−2=Dekt 여기서 D=±eC 이다. t=0 일 때 x=1 이므로1−31−2=De0D=2따라서x−3x−2=2ektx−3=2ekt(x−2)x−2ektx=3−4ektx(t)=3−4ekt1−2ekt\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&= k(3-x)(2-x)\\ \frac{\mathrm{d}x}{(x-2)(x-3)}&= k\mathrm{d}t \\ \text{부분분수 분해를 이용하면 $\frac{1}{(x-2)(x-3)}=\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}$ 이다.} \\ \int\Big[\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}\Big]\ \mathrm{d}x&= \int k\mathrm{d}t\\ \log|x-3|-\log|x-2|&=kt+C\\ \log\left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=kt+C\\ \left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=e^{kt+C}=e^{kt}e^C\\ \frac{x-3}{x-2}&=De^{kt} \\ \text{ 여기서 $D=\pm e^C$ 이다. $t=0$ 일 때 $x=1$ 이므로} \\ \frac{1-3}{1-2}&=De^{0}\\ D&=2 \\ \text{따라서} \\ \frac{x-3}{x-2}&=2e^{kt}\\ x-3&=2e^{kt}(x-2)\\ x-2e^{kt}x&=3-4e^{kt}\\ x(t)&=\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}} \end{aligned}

(b) 극한을 구하기 위해 로피탈의 정리를 쓸 수도 있지만, 분자와 분모에 e−kte^{-kt} 를 곱해도 된다. lim⁡t→∞e−tk=0\lim\limits_{t \to \infty} e^{-tk}=0 임에 유의한다.

lim⁡t→∞x(t)=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⏟num→−∞den→−∞=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⋅e−kte−kt=lim⁡t→∞3e−kt−4e−kt−2=0−40−2=2\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow\infty}x(t) &=\lim_{t\rightarrow\infty}\underbrace{\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to-\infty}{\mathrm{den}\to-\infty}} =\lim_{t \to \infty} \frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}\cdot\frac{e^{-kt}}{e^{-kt}} =\lim_{t\rightarrow\infty}\frac{3e^{-kt}-4}{e^{-kt}-2} =\frac{0-4}{0-2} =2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

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

dxdt=k(3−x)(2−x)dx(x−2)(x−3)=kdtUsing the method of partial fractions, we find 1(x−2)(x−3)=1x−3−1x−2.∫[1x−3−1x−2] dx=∫kdtlog⁡∣x−3∣−log⁡∣x−2∣=kt+Clog⁡∣x−3x−2∣=kt+C∣x−3x−2∣=ekt+C=ekteCx−3x−2=Dekt where D=±eC. When t=0, x=1, forcing1−31−2=De0D=2Hencex−3x−2=2ektx−3=2ekt(x−2)x−2ektx=3−4ektx(t)=3−4ekt1−2ekt\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&= k(3-x)(2-x)\\ \frac{\mathrm{d}x}{(x-2)(x-3)}&= k\mathrm{d}t \\ \text{Using the method of partial fractions, we find $\frac{1}{(x-2)(x-3)}=\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}$.} \\ \int\Big[\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2}\Big]\ \mathrm{d}x&= \int k\mathrm{d}t\\ \log|x-3|-\log|x-2|&=kt+C\\ \log\left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=kt+C\\ \left|\frac{x-3}{x-2}\right|&=e^{kt+C}=e^{kt}e^C\\ \frac{x-3}{x-2}&=De^{kt} \\ \text{ where $D=\pm e^C$. When $t=0$, $x=1$, forcing} \\ \frac{1-3}{1-2}&=De^{0}\\ D&=2 \\ \text{Hence} \\ \frac{x-3}{x-2}&=2e^{kt}\\ x-3&=2e^{kt}(x-2)\\ x-2e^{kt}x&=3-4e^{kt}\\ x(t)&=\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}} \end{aligned}

(b) To evaluate the limit, we could use l'Hopital's rule, but we could also just multiply the numerator and denominator by e−kte^{-kt}. Note lim⁡t→∞e−tk=0\lim\limits_{t \to \infty} e^{-tk}=0.

lim⁡t→∞x(t)=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⏟num→−∞den→−∞=lim⁡t→∞3−4ekt1−2ekt⋅e−kte−kt=lim⁡t→∞3e−kt−4e−kt−2=0−40−2=2\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow\infty}x(t) &=\lim_{t\rightarrow\infty}\underbrace{\frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to-\infty}{\mathrm{den}\to-\infty}} =\lim_{t \to \infty} \frac{3-4e^{kt}}{1-2e^{kt}}\cdot\frac{e^{-kt}}{e^{-kt}} =\lim_{t\rightarrow\infty}\frac{3e^{-kt}-4}{e^{-kt}-2} =\frac{0-4}{0-2} =2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 25번
# 변수분리형 미분방정식계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.CLP-2 · 2.4절 · 31번대학 수준우리말 번역

어떤 연속함수 y=y(x)y=y(x) 가 00 을 포함하는 어떤 열린구간의 모든 xx 에 대해 적분방정식

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

을 만족시킨다. y(x)y(x) 와 (∗)(*) 이 성립하는 가장 큰 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

A certain continuous function y=y(x)y=y(x) satisfies the integral equation

y(x)=3+∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt(∗)y(x)=3+\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t \tag{$*$}

for all xx in some open interval containing 00. Find y(x)y(x) and the largest interval for which (∗)(*) holds.

정답·풀이 보기

주어진 것은 yy 와 yy 에 대한 함수의 적분 사이의 관계식이다. 우리가 풀 줄 아는 것은 yy 의 도함수와 yy 에 대한 함수 사이의 관계식이다. 주어진 적분방정식을 미분하면 이런 식을 만들 수 있다. 미적분학의 기본정리 제1부분에 의해

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

따라서 y(x)y(x) 는 미분방정식 y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x 와 초기 조건 y(0)=3y(0)=3 ((∗)(*) 에 x=0x=0 을 대입하면 된다)을 만족시킨다. y≠1,2y\ne 1,2 일 때,

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dx부분분수 방법을 쓰면 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1 임을 알 수 있다.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡x조건 y(0)=3 에서 ∣3−23−1∣=ec−1 즉 ec=12e 이므로∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 쓰면 $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$ 임을 알 수 있다.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{조건 $y(0)=3$ 에서 $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ 즉 $e^c=\frac{1}{2} e$ 이므로} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

x=0x=0 일 때 y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0 임을 알 수 있다. 또한 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x} 는, 따라서 ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big| 도, 결코 00 이 될 수 없다. y(x)y(x) 는 xx 에 따라 연속적으로 변하므로 y(x)y(x) 는 계속 22 보다 커야 한다. 따라서 y−2y−1\frac{y-2}{y-1} 는 계속 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 그러므로

y−2y−1=12e1−cos⁡x y 에 대해 풀면y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ $y$ 에 대해 풀면} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

마지막 단계에서 00 으로 나누는 일이 없으려면

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

이어야 한다.

간단히 하기 위해 L=1−log⁡2L=1-\log 2 라 하면 L>0L>0 이다. (2<e2<e 이므로 log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1 이고, 따라서 1−log⁡2>01-\log 2>0 임에서 알 수 있다.)

그림

x=0x=0 은 우리가 구한 함수의 정의역에 속하지만, 점 x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) 는 정의역에 속하지 않는다.

그림

따라서 우리의 답이 의미를 갖는 가장 큰 구간은 −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) 이고, 이는 대략 −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259 이다.

원본 교재 풀이(영어)

What we're given is an equation relating yy to the integral of a function of yy. What we know how to solve is an equation relating the derivative of yy to a function of yy. We can create this by differentiating the given integral equation. By the Fundamental Theorem of Calculus, part 1:

y′(x)=ddx{∫0x(y(t)2−3y(t)+2)sin⁡t dt}=(y(x)2−3y(x)+2)sin⁡xy'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_0^x\big(y(t)^2-3y(t)+2\big)\sin t\ \mathrm{d}t\right\} =\big(y(x)^2-3y(x)+2\big)\sin x

So y(x)y(x) satisfies the differential equation y′=(y2−3y+2)sin⁡x=(y−2)(y−1)sin⁡xy'=\big(y^2-3y+2\big)\sin x =(y-2)(y-1)\sin x and the initial equation y(0)=3y(0)=3 (just substitute x=0x=0 into (∗)(*)). For y≠1,2y\ne 1,2:

dydx=(y−2)(y−1)sin⁡xdy(y−2)(y−1)=sin⁡x dx∫dy(y−2)(y−1)=∫sin⁡x dxUsing the method of partial fractions, we see 1(y−2)(y−1)=1y−2−1y−1.∫[1y−2−1y−1]dy=∫sin⁡x dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=−cos⁡x+clog⁡∣y−2y−1∣=−cos⁡x+c∣y−2y−1∣=ec−cos⁡xThe condition y(0)=3 forces ∣3−23−1∣=ec−1 or ec=12e, hence∣y−2y−1∣=12e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-2)(y-1)\sin x\\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\sin x\ \mathrm{d}x \\\int \frac{\mathrm{d}y}{(y-2)(y-1)}&=\int \sin x\ \mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions, we see $\frac{1}{(y-2)(y-1)}=\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}$.} \\ \int\Big[\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\Big]\mathrm{d}y&=\int\sin x\ \mathrm{d}x\\ \log|y-2|-\log|y-1|&=-\cos x+c\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=-\cos x+c\\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&= e^{c-\cos x} \\ \text{The condition $y(0)=3$ forces $\big|\frac{3-2}{3-1}\big|= e^{c-1}$ or $e^c=\frac{1}{2} e$, hence} \\ \left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \end{aligned}

Observe that, when x=0x=0, y−2y−1=12>0\frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2}>0. Furthermore 12e1−cos⁡x\frac{1}{2} e^{1-\cos x}, and hence ∣y−2y−1∣\big|\frac{y-2}{y-1}\big|, can never take the value zero. As y(x)y(x) varies continuously with xx, y(x)y(x) must remain larger than 2. Consquently, y−2y−1\frac{y-2}{y-1} remains positive and we may drop the absolute value signs. Hence

y−2y−1=12e1−cos⁡x Solving for y,y−2y−1=12e1−cos⁡x2(y−2)=e1−cos⁡x(y−1)2y−4=ye1−cos⁡x−e1−cos⁡xy(2−e1−cos⁡x)=4−e1−cos⁡xy=4−e1−cos⁡x2−e1−cos⁡x\begin{aligned} \frac{y-2}{y-1}=\frac{1}{2} e^{1-\cos x} \\ \text{ Solving for $y$,} \\ \frac{y-2}{y-1}&=\frac{1}{2} e^{1-\cos x}\\ 2(y-2)&=e^{1-\cos x}(y-1)\\ 2y-4&=ye^{1-\cos x}-e^{1-\cos x}\\ y\big(2-e^{1-\cos x}\big)&=4-e^{1-\cos x} \\ y&=\frac{4-e^{1-\cos x}}{2-e^{1-\cos x}} \end{aligned}

To avoid division by zero in the last step, we need

e1−cos⁡x≠21−cos⁡x≠log⁡2cos⁡x≠1−log⁡2\begin{aligned} e^{1-\cos x}&\neq2\\ 1-\cos x&\neq \log 2\\ \cos x&\neq 1-\log 2 \end{aligned}

Let L=1−log⁡2L=1-\log 2, for brevity, and note that L>0L>0. (This can be seen by observing 2<e2<e, so, log⁡2<log⁡e=1\log 2<\log e = 1, hence 1−log⁡2>01-\log 2>0.)

figure

We know x=0x=0 is in the domain of our function, but the points x=±arccos⁡(L)=±arccos⁡(1−log⁡2)x=\pm \arccos(L) = \pm\arccos(1-\log 2) are not.

figure

Therefore, the largest interval for which our answer makes sense is −arccos⁡(1−log⁡2))>x>arccos⁡(1−log⁡2)-\arccos(1-\log 2))>x>\arccos(1-\log 2) or approximately −1.259<x<1.259 - 1.259 < x < 1.259.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 32번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.CLP-2 · 2.4절 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 등식을 생각하세요.

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) f(0)f(0) 의 값을 구하세요. (b) f(x)f(x) 가 만족시키는 미분방정식을 구하세요. (c) (a)와 (b)에서 정해진 초깃값 문제를 푸세요.

영어 원문 보기

Consider the equation

f(x)=3+∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt\begin{aligned} f(x)=3+\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t \end{aligned}

(a) What is f(0)f(0)? (b) Find the differential equation satisfied by f(x)f(x). (c) Solve the initial value problem determined in (a) and (b).

정답·풀이 보기

(a) x=0x=0 을 대입하면

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) 미적분의 기본정리 제1부에 의해

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

따라서 y=f(x)y=f(x) 는 미분방정식 y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2) 를 만족시킨다.

(c) y≠1,2y\ne 1,2 이면,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dx부분분수 방법을 이용하면,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C 모든 y≥2 에 대해 dydx=(y−1)(y−2)>0 임을 알 수 있다. 즉, f(x)>2 인 모든 x 에서 f(x) 는 증가한다. f(0)=3 이므로 모든 x≥0 에 대해 f(x) 는 증가하고, 모든 x≥0 에 대해 f(x)≥3 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex x=0 일 때 f(x)−2f(x)−1=12 이므로 eC=12 이다.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{부분분수 방법을 이용하면,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ 모든 $y\ge 2$ 에 대해 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ 임을 알 수 있다. 즉, $f(x)>2$ 인 모든 $x$ 에서 $f(x)$ 는 증가한다. $f(0)=3$ 이므로 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)$ 는 증가하고, 모든 $x\ge 0$ 에 대해 $f(x)\ge 3$ 이다. 따라서 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ $x=0$ 일 때 $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ 이므로 $e^C=\frac{1}{2}$ 이다.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Setting x=0x=0 gives

f(0)=3+∫00(f(t)−1)(f(t)−2) dt=3\begin{aligned} f(0)=3+\int_0^0\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t= 3 \end{aligned}

(b) By the Fundamental Theorem of Calculus part 1,

f′(x)=ddx∫0x(f(t)−1)(f(t)−2) dt=(f(x)−1)(f(x)−2)\begin{aligned} f'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_0^x\big(f(t)-1\big)\big(f(t)-2\big)\ \mathrm{d}t =\big(f(x)-1\big)\big(f(x)-2\big) \end{aligned}

Thus y=f(x)y=f(x) obeys the differential equation y′=(y−1)(y−2)y'=(y-1)(y-2).

(c) If y≠1,2y\ne 1,2,

dydx=(y−1)(y−2)dy(y−1)(y−2)=dx∫dy(y−1)(y−2)=∫dxUsing the method of partial fractions,∫(1y−2−1y−1)dy=∫dxlog⁡∣y−2∣−log⁡∣y−1∣=x+Clog⁡∣y−2y−1∣=x+C Observe that dydx=(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.log⁡f(x)−2f(x)−1=x+Cf(x)−2f(x)−1=eCex At x=0, f(x)−2f(x)−1=12 so eC=12.f(x)−2f(x)−1=12ex2f(x)−4=[f(x)−1]ex[2−ex]f(x)=4−exf(x)=4−ex2−ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=(y-1)(y-2) \\ \frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\mathrm{d}x\\ \int\frac{\mathrm{d}y}{(y-1)(y-2)}&=\int\mathrm{d}x \\ \text{Using the method of partial fractions,} \\ \int\left(\frac{1}{y-2}-\frac{1}{y-1}\right)\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x \\ \log|y-2|-\log|y-1|&=x+C\\ \log\left|\frac{y-2}{y-1}\right|&=x+C \\ \text{ Observe that $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=(y-1)(y-2)>0$ for all $y\ge 2$. That is, $f(x)$ is increasing at all $x$ for which $f(x)>2$. As $f(0)=3$, $f(x)$ increases for all $x\ge 0$, and $f(x)\ge 3$ for all $x\ge 0$. So we may drop the absolute value signs.} \\ \log\frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=x+C\\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=e^Ce^x \\ \text{ At $x=0$, $\frac{f(x)-2}{f(x)-1}=\frac{1}{2}$ so $e^C=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{f(x)-2}{f(x)-1}&=\frac{1}{2} e^x\\ 2f(x)-4&=[f(x)-1]e^x\\ [2-e^x]f(x)&=4-e^x \\ f(x)&=\frac{4-e^x}{2-e^x} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 35번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
85.CLP-2 · 2.4절 · 37번대학 수준우리말 번역

다음을 만족하는 함수 y(x)y(x) 를 구하세요. d2ydx2=2y3⋅dydx\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 그리고 x=−116log⁡3x=-\frac{1}{16}\log 3 이면 y=1y=1 이고 dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3 이다.

yy 에 대해 명시적으로 풀 필요는 없습니다.

영어 원문 보기

Find the function y(x)y(x) such that d2ydx2=2y3⋅dydx\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} and if x=−116log⁡3x=-\frac{1}{16}\log 3, then y=1y=1 and dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3.

You do not need to solve for yy explicitly.

정답·풀이 보기

먼저 양변을 xx 에 대해 부정적분한다.

∫(d2ydx2) dx=∫(2y3⋅dydx) dx오른쪽 적분은 y 로 변수를 바꾸는(치환하는) 데 쓰는 꼴 그대로이다.dydx=∫(2y3) dy=−1y2+Cy=1 일 때 dydx=3 이다.3=−11+CC=4따라서dydx=−1y2+4 이것은 변수분리형 미분방정식이다. dydx=4y2−1y2y24y2−1 dy=dx∫y24y2−1 dy=∫dx(∗)\begin{aligned} \int \left(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}\right)\,\mathrm{d}x&=\int\left(\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{오른쪽 적분은 $y$ 로 변수를 바꾸는(치환하는) 데 쓰는 꼴 그대로이다.} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\int\left(\frac{2}{y^3}\right)\,\mathrm{d}y = -\frac{1}{y^2}+C \\ \text{$y=1$ 일 때 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3$ 이다.} \\ 3& =-\frac{1}{1}+C\\ C&=4 \\ \text{따라서} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{1}{y^2}+4 \\ \text{ 이것은 변수분리형 미분방정식이다. } \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2} \\ \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\mathrm{d}x\\ \int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x\tag{$*$} \end{aligned}

왼쪽 적분은 부분분수로 구할 수 있지만, 분자의 차수가 분모의 차수와 같으므로 먼저 식을 간단히 해야 한다. 여기서는 식을 보고 바로 변형하지만, 다항식의 나눗셈(조립제법이 아닌 직접 나눗셈)을 이용해도 된다.

y24y2−1=14(4y2−1)+144y2−1=14(1+14y2−1)=14(1+1(2y−1)(2y+1))=14(1+1/22y−1−1/22y+1)\begin{aligned} \frac{y^2}{4y^2-1}&=\frac{\frac{1}{4}(4y^2-1)+\frac{1}{4}}{4y^2-1}\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{4y^2-1}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{(2y-1)(2y+1)}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right) \end{aligned}

이제 (∗*)로 돌아간다.

∫dx=∫y24y2−1 dy=∫14(1+1/22y−1−1/22y+1) dy=14(y+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣)=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x+C=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=−116log⁡3 일 때 y=1 이다.−116log⁡3+C=14(1+14log⁡∣2−12+1∣)=14+116log⁡13C=14따라서x+14=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)\begin{aligned} \int \mathrm{d}x&=\int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y\\ &= \int \frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log|2y-1| - \frac{1}{4}\log|2y+1|\right)\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x+C&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \\ \text{$x=-\frac{1}{16}\log 3$ 일 때 $y=1$ 이다.} \\ -\frac{1}{16}\log 3 +C &=\frac{1}{4}\left(1+\frac14\log\left| \frac{2-1}{2+1}\right|\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{16}\log\frac{1}{3}\\ C&=\frac{1}{4} \\ \text{따라서} \\ x+\frac{1}{4}&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \end{aligned}

구한 답은 xx 에 대해 미분하여 확인할 수 있다.

x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)4x=y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣ddx{4x}=ddx{y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣}4=dydx+14⋅2dydx2y−1−14⋅2dydx2y+14=dydx(1+1/22y−1−1/22y+1)=dydx(4y24y2−1)dydx=4y2−1y2=4−1y2합성함수의 미분법을 이용하여 x 에 대해 다시 미분하면d2ydx2=2y3⋅dydx(∗∗)\begin{aligned} x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ 4x&=y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\right\}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y-1} - \frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y+1}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(1+\frac{1/2}{2y-1} - \frac{1/2}{2y+1}\right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(\frac{4y^2}{4y^2-1}\right)\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2}=4-\frac{1}{y^2} \tag{$**$} \\ \text{합성함수의 미분법을 이용하여 $x$ 에 대해 다시 미분하면} \\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}&=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

이것은 우리가 풀어야 했던 미분방정식과 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

We start by antidifferentiating both sides with respect to xx.

∫(d2ydx2) dx=∫(2y3⋅dydx) dxThe right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to y.dydx=∫(2y3) dy=−1y2+CWhen y=1, dydx=3.3=−11+CC=4So,dydx=−1y2+4 This is a separable differential equation. dydx=4y2−1y2y24y2−1 dy=dx∫y24y2−1 dy=∫dx(∗)\begin{aligned} \int \left(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}\right)\,\mathrm{d}x&=\int\left(\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{The right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to $y$.} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\int\left(\frac{2}{y^3}\right)\,\mathrm{d}y = -\frac{1}{y^2}+C \\ \text{When $y=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=3$.} \\ 3& =-\frac{1}{1}+C\\ C&=4 \\ \text{So,} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{1}{y^2}+4 \\ \text{ This is a separable differential equation. } \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2} \\ \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\mathrm{d}x\\ \int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y&=\int \mathrm{d}x\tag{$*$} \end{aligned}

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.

y24y2−1=14(4y2−1)+144y2−1=14(1+14y2−1)=14(1+1(2y−1)(2y+1))=14(1+1/22y−1−1/22y+1)\begin{aligned} \frac{y^2}{4y^2-1}&=\frac{\frac{1}{4}(4y^2-1)+\frac{1}{4}}{4y^2-1}\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{4y^2-1}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{(2y-1)(2y+1)}\right)\\ &=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right) \end{aligned}

Now, we return to (∗*).

∫dx=∫y24y2−1 dy=∫14(1+1/22y−1−1/22y+1) dy=14(y+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣)=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x+C=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)When x=−116log⁡3, y=1.−116log⁡3+C=14(1+14log⁡∣2−12+1∣)=14+116log⁡13C=14So,x+14=14(y+14log⁡∣2y−12y+1∣)x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)\begin{aligned} \int \mathrm{d}x&=\int \frac{y^2}{4y^2-1}\,\mathrm{d}y\\ &= \int \frac{1}{4}\left(1+\frac{1/2}{2y-1}-\frac{1/2}{2y+1}\right)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log|2y-1| - \frac{1}{4}\log|2y+1|\right)\\ &= \frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x+C&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \\ \text{When $x=-\frac{1}{16}\log 3$, $y=1$.} \\ -\frac{1}{16}\log 3 +C &=\frac{1}{4}\left(1+\frac14\log\left| \frac{2-1}{2+1}\right|\right) = \frac{1}{4}+\frac{1}{16}\log\frac{1}{3}\\ C&=\frac{1}{4} \\ \text{So,} \\ x+\frac{1}{4}&=\frac{1}{4}\left(y+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right) \end{aligned}

We can check our answer by differentiating with respect to xx.

x=14(y−1+14log⁡∣2y−12y+1∣)4x=y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣ddx{4x}=ddx{y−1+14log⁡∣2y−1∣−14log⁡∣2y+1∣}4=dydx+14⋅2dydx2y−1−14⋅2dydx2y+14=dydx(1+1/22y−1−1/22y+1)=dydx(4y24y2−1)dydx=4y2−1y2=4−1y2Differentiating with respect to x again, using the chain rule,d2ydx2=2y3⋅dydx(∗∗)\begin{aligned} x&=\frac{1}{4}\left(y-1+\frac{1}{4}\log\left|\frac{2y-1}{2y+1}\right|\right)\\ 4x&=y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{y-1+\frac{1}{4}\log|2y-1| -\frac{1}{4}\log|2y+1|\right\}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y-1} - \frac{1}{4}\cdot\frac{2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}{2y+1}\\ 4&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(1+\frac{1/2}{2y-1} - \frac{1/2}{2y+1}\right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\left(\frac{4y^2}{4y^2-1}\right)\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{4y^2-1}{y^2}=4-\frac{1}{y^2} \tag{$**$} \\ \text{Differentiating with respect to $x$ again, using the chain rule,} \\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2}&=\frac{2}{y^3}\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

This is exactly the differential equation we were meant to solve.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.4절 · 31번
# 변수분리형 미분방정식계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
86.Active Calculus · 7.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

방사성 시료의 질량은 그 질량에 비례하는 비율로 감소합니다.

(a) 비례상수를 kk 로 하여, 이 사실을 질량 M(t)M(t) 에 대한 미분방정식으로 나타내세요. (b) 처음 질량이 M0M_0 일 때, 질량 M(t)M(t) 를 나타내는 식을 구하세요. (c) 시료의 반감기는 질량의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간입니다. 탄소-14의 반감기가 5730년임을 이용하여, 탄소-14 시료에 대한 kk 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)M(t) using kk for the constant of proportionality. (b) If the initial mass is M0M_0, find an expression for the mass M(t)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 kk 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 dMdt=kM .\frac{dM}{dt} = kM\,. (b) 변수를 분리하여 미분방정식을 풀면 1M dM=k dt\frac{1}{M} \, dM = k \, dt 이므로 ∫1M dM=∫k dt .\int \frac{1}{M} \, dM = \int k \, dt\,. 적분하여 MM 에 대해 풀면 ln⁡∣M∣=kt+C\ln|M| = kt + C 이고, 따라서 어떤 상수 KK 에 대해 ∣M∣=ekt+C=ekteC=Kekt|M| = e^{kt+C} = e^{kt}e^C = Ke^{kt} 이다. 절댓값을 상수 KK 에 흡수시키면 M=KektM = Ke^{kt} 이다. 초기 조건 M(0)=M0M(0) = M_0 을 이용하면 K=M0K = M_0 이다. 따라서 시각 tt 에서의 질량은 M(t)=M0ekt .M(t) = M_0e^{kt}\,. (c) 시각 00 부터 57305730년이 지나면 방사성 시료의 남은 질량은 12M0\frac{1}{2}M_0 이다. 따라서 M(5730)M(5730) 을 12M0\frac{1}{2}M_0 과 같다고 놓고 tt 에 대해 풀어 kk 의 값을 구할 수 있다. 이렇게 하면 12M0=M0e5730k\frac{1}{2}M_0 = M_0e^{5730k} 이고, 따라서 12=e5730k\frac{1}{2} = e^{5730k} 이다. 그러므로 ln⁡(12)=5730k\ln\left(\frac{1}{2}\right) = 5730k 이고, 여기서 k=15730ln⁡(12)=−ln⁡(2)5730k = \frac{1}{5730}\ln\left(\frac{1}{2}\right) = -\frac{\ln(2)}{5730} 를 얻는다. 따라서 M(t)=M0e−ln⁡(2)5730t≈M0e−0.000121tM(t) = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t} \approx M_0e^{-0.000121t} (d) 이제 M(t)=14M0M(t) = \frac{1}{4}M_0 이 되는 시각 tt 를 구한다. (c)에서 한 것과 비슷하게 풀면 t=5730ln⁡(4)ln⁡(2)≈11460t = \frac{5730\ln(4)}{\ln(2)} \approx 11460년이다. 이 값은 타당한데, 시료의 절반이 붕괴하는 데 57305730년이 걸리고, 다시 57305730년이 지나면 남은 것의 절반이 또 붕괴하므로, 물질이 처음 양의 4분의 1로 줄어드는 데 모두 (2)(5730)(2)(5730)년이 걸리기 때문이다. (e) M(t)M(t) 가 M0M_0 의 3030%가 되는 데 걸리는 시간을 구해야 하므로 0.3M0=M0e−ln⁡(2)5730t0.3M_0 = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t} 를 풀어야 한다. 늘 하던 방식으로 풀면 t=−5730ln⁡(0.3)ln⁡(2)≈9952.8t = -\frac{5730\ln(0.3)}{\ln(2)} \approx 9952.8년이므로, 이 시료는 약 99739973년 되었다고 어림한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A differential equation that represents the given description is dMdt=kM .\frac{dM}{dt} = kM\,. (b) Separating the variables to solve the differential equation yields 1M dM=k dt\frac{1}{M} \, dM = k \, dt so ∫1M dM=∫k dt .\int \frac{1}{M} \, dM = \int k \, dt\,. Integrating and solving for MM, we find ln⁡∣M∣=kt+C\ln|M| = kt + C and thus ∣M∣=ekt+C=ekteC=Kekt|M| = e^{kt+C} = e^{kt}e^C = Ke^{kt} for some constant KK. By absorbing the absolute value into the constant KK, we have M=KektM = Ke^{kt}. Using the initial condition M(0)=M0M(0) = M_0, it follows that K=M0K = M_0. Therefore, the mass at time tt is given by M(t)=M0ekt .M(t) = M_0e^{kt}\,. (c) If we let 57305730 years pass from time 00, the remaining mass of the radioactive sample will be 12M0\frac{1}{2}M_0. This allows us to find the value of kk by setting M(5730)M(5730) equal to 12M0\frac{1}{2}M_0 and solving for tt. Doing so, we have 12M0=M0e5730k\frac{1}{2}M_0 = M_0e^{5730k}, and thus 12=e5730k\frac{1}{2} = e^{5730k}. It follows that ln⁡(12)=5730k\ln\left(\frac{1}{2}\right) = 5730k from which we find k=15730ln⁡(12)=−ln⁡(2)5730k = \frac{1}{5730}\ln\left(\frac{1}{2}\right) = -\frac{\ln(2)}{5730}. Hence, M(t)=M0e−ln⁡(2)5730t≈M0e−0.000121tM(t) = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t} \approx M_0e^{-0.000121t} (d) Now we want to find the time tt so that M(t)=14M0M(t) = \frac{1}{4}M_0. Similar work to our recent efforts in (c) shows that t=5730ln⁡(4)ln⁡(2)≈11460t = \frac{5730\ln(4)}{\ln(2)} \approx 11460 years. This number makes sense because it takes 57305730 years for half of the sample to decay, then another 57305730 years for half to decay again, for a total of (2)(5730)(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)M(t) to be 3030% of M0M_0, so we need to solve 0.3M0=M0e−ln⁡(2)5730t0.3M_0 = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t}. Doing so in the usual way, we find that t=−5730ln⁡(0.3)ln⁡(2)≈9952.8t = -\frac{5730\ln(0.3)}{\ln(2)} \approx 9952.8 years, so we estimate that the sample is about 99739973 years old.

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