유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
129문제 · 7 / 7쪽
121.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) 가 시각 t 에서 탱크 안 물의 높이(단위: 미터)이고
v(t) 가 시각 t 에서 빠져나가는 물의 속도(단위: 초당 미터)이면
토리첼리의 법칙에 의해 v(t)=2gh(t) 이다. 여기서 g=9.8m/sec2 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) is the height of the water in the tank at time t (in
meters) and
v(t) is the velocity of the escaping water at time t (in
meters per second) then
Torricelli's law states that v(t)=2gh(t) where g=9.8m/sec2. Determine how long it takes for the tank to empty.
정답·풀이 보기
아주 짧은 시간 간격 dt 동안 탱크 안 물의 높이가 dh (음수)만큼 변한다고 하자.
그러면 이 시간 간격 동안 탱크 안 물의 양은 dV=−π(3)2dh 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)dt 인 원기둥을 이루는데, 이 길이는 dt 초 동안 물이 구멍 밖으로 움직인 거리이다. 따라서 시간 간격 dt 동안 구멍으로 빠져나간 물의 양은 π(0.01)2v(t)dt=π(0.01)22gh(t)dt 이다.
Suppose that in a very short time interval dt, the height
of water in the tank changes by dh (which is negative).
Then in this time interval the amount of the water in the tank decreases
by dV=−π(3)2dh.
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)dt, the distance the water moves out of the hole in dt seconds. So, the amount of water leaving the hole over the time interval dt is π(0.01)2v(t)dt=π(0.01)22gh(t)dt.
This gives us a separable differential equation. Recall g is a constant.
−π(3)2dhhdh∫hdh2hAt time 0, the height is 6, so C=26 and2hWe want to know when the height of the water in the tank is 0.0(30.01)22gtt=π(0.01)22gh(t)dt=−(30.01)22gdt=∫−(30.01)22gdt=−(30.01)22gt+C=−(30.01)22gt+26=−(30.01)22gt+26=26=(30.01)22g26=2(0.013)2g3=180,000g3≈99,591 sec≈27.66 hr
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=32feet/sec2 의 값을 사용하세요.
또한 토리첼리의 법칙을 사용하세요. 이 법칙은 탱크 안 수은의 높이가 h 일 때 탱크에서 흘러나오는 수은의 속력이 v=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=32feet/sec2.
Also use Torricelli's law, which states when the height of mercury in the tank
is h, the speed of the mercury escaping from the tank is v=2gh.
정답·풀이 보기
시각 t 에서 탱크 안 수은의 높이가 h 이고, 이 값은 0 피트와 12 피트 사이라고 하자.
이때 수은의 윗면은 반지름이 62−(h−6)2 인 원판을 이룬다. (위 그림의 삼각형에 피타고라스 정리를 적용하여 구한 것이다. 그림에서는 h 가 6보다 큰 경우를 나타냈지만, [0,12] 에 속하는 모든 h 에 대해 같은 식이 성립한다.)
이제 아주 짧은 시간 dt 동안 탱크 안 수은의 높이가 dh 만큼 변한다고 하자(이 값은 음수이다). 그러면 이 시간 동안 탱크 안 수은의 양은
−π(62−(h−6)2)2dh 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 121 피트이고, 길이는 수은이 dt 초 동안 이동한 거리인 v(t)dt 피트이다. 따라서 흘러나간 수은의 부피는
π(121)2vdt=π(121)22ghdt 이다.
이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다.
Suppose that at time t, the mercury in the tank has height h, which is
between 0 and 12 feet.
At that time, the top surface of the mercury
forms a circular disk of radius 62−(h−6)2. (We found this by applying the Pythagorean Theorem to the triangle in the diagram above. In the diagram, h is shown as being larger than 6, but the same equation holds for all h in [0,12].)
Now suppose that in a very short time interval dt, the height
of mercury in the tank changes by dh (which is negative). Then in this
time interval the amount of the mercury in the tank decreases by
−π(62−(h−6)2)2dh. (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, 121 foot, and its length is the distance the mercury travels in dt seconds, v(t)dt feet. So, the volume of escaped mercury is
π(121)2vdt=π(121)22ghdt.
This gives us a separable differential equation.
−π(62−(h−6)2)2dh−(36−(h2−12h+36))dh(h2−12h)dh(h3/2−12h1/2)dh∫(h3/2−12h1/2)dh5/2h5/2−123/2h3/2At time 0, the height is 12, so C=5/2125/2−123/2123/2=125/2(52−32)=−154125/2, which yields5/2h5/2−123/2h3/2We want to find the time t when the height is h=0.014412gtt=π(121)22ghdt=(121)22ghdt=14412ghdt=14412gdt=∫14412gdt=14412gt+C=14412gt−154125/2=14412gt−154125/2=154125/2=154×1442g125=38.4g124416≈2,394sec ≈0.665hr
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
높이가 2 m인 물탱크를 반지름이 r=yp 인 원형 단면을 가지도록 만들려고 합니다. 여기서 y 는 탱크 바닥으로부터 잰 수직 거리이고, p 는 정해야 하는 양의 상수입니다. 탱크의 물이 빠질 때 토리첼리의 법칙을 따른다고 가정해도 좋습니다. 즉,
A(y)dtdy=−cy
이며, 여기서 c 는 어떤 상수이고 A(y) 는 높이 y 에서의 탱크의 단면의 넓이입니다. 탱크의 윗부분 절반
(y=2 에서 y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1 에서 y=0 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간과 정확히 같도록 탱크를 만들려고 합니다. 탱크가 이 성질을 갖도록 p 의 값을 구하세요. 참고: 이 문제에서 c 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=yp. Here y measures the vertical distance from
the bottom of the tank and p is a positive constant to be
determined. You may assume that when the tank drains, it obeys
Torricelli's law, that is
A(y)dtdy=−cy
for some constant c where A(y) is the cross–sectional area of the
tank at height y. It is desired that the tank be constructed so
that the top half
(y=2 to y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the
bottom half (y=1 to y=0). Determine the value of p so that the tank
has this property. Note: it is not possible or necessary to find
c for this question.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
시각 t (예를 들어 정오부터 시작하여 시간 단위로 잰다)에 탱크 안 물의 높이가 y 이고, 이 값은 0 m와 2 m 사이라고 하자. 이때 물의 윗면은 반지름이 r=yp 인 원판을 이루고 그 넓이는 A(y)=πy2p 이다.
따라서 토리첼리의 법칙에 의해
πy2pdtdy−cπ⋅y2p−21dy∫−cπ⋅y2p−21dy−cπ⋅2p+21y2p+21+dfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=cπ⋅2p+2122p+21 .t=−cy=dt=∫dt=t=cπ(2p+2122p+21−2p+21y2p+21)=c(2p+21)π(22p+21−y2p+21)
높이가 1 이 되는 시각은 이 식에 y=1 을 대입하여 얻고, 높이가 0 이 되는 시각은 이 식에 y=0 을 대입하여 얻는다. 따라서 윗부분 절반(y=2 에서 y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1 에서 y=0 까지)이 걸리는 시간과 정확히 같다는 조건은 다음과 같다.
Suppose that at time t (measured in hours starting at, say, noon),
the water in the tank has height y, which is
between 0 and 2 metres. At that time, the top surface of the water
forms a circular disk of radius r=yp and area A(y)=πy2p.
Thus, by Torricelli's law,
πy2pdtdy−cπ⋅y2p−21dy∫−cπ⋅y2p−21dy−cπ⋅2p+21y2p+21+dfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=cπ⋅2p+2122p+21 .t=−cy=dt=∫dt=t=cπ(2p+2122p+21−2p+21y2p+21)=c(2p+21)π(22p+21−y2p+21)
The time at which the height is 1 is obtained by subbing y=1 into this
formula. The time at which the height is 0 is obtained by subbing y=0
into this formula. Thus the condition that the top half
(y=2 to y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the
bottom half (y=1 to y=0) is:
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.
(a) 이 초깃값 문제의 해를 구하고 그 그래프를 그리세요.
(b) 해가 정의되는 t의 값은 무엇인지 구하세요.
(c) 해가 정의되는 마지막 시각에서 y의 값은 얼마인지 구하세요.
(d) 미분방정식을 살펴보고, (c)에서 구한 y의 값을 갖는 해를 기대하면 안 되는 이유를 설명하세요.
영어 원문 보기
Consider the initial value problem
dtdy=−yt,y(0)=8
(a) Find the solution of the initial value problem and sketch its graph.
(b) For what values of t is the solution defined?
(c) What is the value of y at the last time that the solution is defined?
(d) By looking at the differential equation, explain why we should not expect to find solutions with the value of y you noted in (c).
정답·풀이 보기
(a) 변수를 분리하면
ydtdy=−t
이고, t에 대해 적분하면
∫ydy=−∫tdt. 적분을 계산하고 y에 대해 풀면 21y2=−21t2+C 이므로
y2=C−t2, 따라서 y=±C−t2 이다. 초기 조건 y(0)=8 을 적용하면 8=C 이므로(8>0 이므로 ± 중 + 를 택한다) C=64 이다. 그러므로 초깃값 문제의 해는
y=64−t2.
(b) 이 초깃값 문제의 해는 −8≤t≤8 에서 정의된다.
(c) 해가 정의되는 마지막 시각은 t=8 이고, 이때 대응하는 y의 값은 y(8)=0 이다.
(d) 미분방정식은 dtdy=−yt 이고, y=0 일 때 우변의 식은 정의되지 않는다. 따라서 (c)에서 구한 점에서는 엄밀히 말해 해의 값이 정의되지 않는다. 이는 방향장에서 이 점에 수직 접선이 있다는 것과 관련이 있다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Separating the variables, we find that
ydtdy=−t
and integrating with respect to t∫ydy=−∫tdt. Evaluating the integrals and solving for y, we see that 21y2=−21t2+C and therefore
y2=C−t2, so y=±C−t2. Applying the initial condition y(0)=8, we find that 8=C (we choose the + from ± since 8>0), so C=64. Hence the solution to the IVP is
y=64−t2.
(b) The solution to the IVP is defined for −8≤t≤8.
(c) The last time that the solution is defined is t=8 and the corresponding value of y at this point is y(8)=0.
(d) Recall that the differential equation is dtdy=−yt, and the righthand expression is undefined when y=0. Hence the solution value is technically not defined at the point we noted in (c); this is connected to there being a vertical tangent line at this point in the direction field.
바닥에 구멍이 뚫린 원기둥 모양의 물탱크에 물이 가득 차 있다고 합시다. 물은 당연히 새어 나가고 물의 높이는 줄어들 것입니다. h(t) 를 물의 높이라고 하겠습니다. 토리첼리의 법칙이라는 물리 법칙에 따르면, 높이가 줄어드는 비율은 높이의 제곱근에 비례합니다.
(a) k 를 비례상수로 사용하여 이 사실을 식으로 나타내세요.
(b) 탱크가 두 개 있는데, 하나는 k=−1 이고 다른 하나는 k=−10 이라고 합시다. 어떤 물리적 차이가 있을 것으로 예상하나요?
(c) 물의 깊이가 100 인치일 때 높이가 분당 20 인치씩 줄어드는 탱크가 있다고 합시다. k 의 값을 구하세요.
(d) (c)의 탱크에 대한 초깃값 문제를 푸세요. 그리고 구한 해의 그래프를 그리세요.
(e) 탱크에서 물이 모두 빠져나가는 데 걸리는 시간은 얼마인가요?
(f) 구한 해는 모든 시간 t 에 대해 성립하나요? 성립한다면 어떻게 아는지 설명하세요. 성립하지 않는다면 그 이유를 설명하세요.
영어 원문 보기
Suppose that a cylindrical water tank with a hole in the bottom is filled with water. The water, of course, will leak out and the height of the water will decrease. Let h(t) denote the height of the water. A physical principle called Torricelli's Law implies that the height decreases at a rate proportional to the square root of the height.
(a) Express this fact using k as the constant of proportionality.
(b) Suppose you have two tanks, one with k=−1 and another with k=−10. What physical differences would you expect to find?
(c) Suppose you have a tank for which the height decreases at 20 inches per minute when the water is filled to a depth of 100 inches. Find the value of k.
(d) Solve the initial value problem for the tank in part (c), and graph the solution you determine.
(e) How long does it take for the water to run out of the tank?
(f) Is the solution that you found valid for all time t? If so, explain how you know this. If not, explain why not.
정답·풀이 보기
(a) dtdh 가 물의 높이의 제곱근에 비례하므로
dtdh=kh
이다.
(b) 한 탱크는 k=−1 이고 다른 탱크는 k=−10 이면, k=−10 인 탱크에서 물이 훨씬 빠르게 빠져나가며, 이는 그 탱크의 구멍이 더 크다는 것에 해당할 것이다.
(c) 물의 깊이가 100 인치일 때 높이가 분당 20 인치씩 줄어들므로 dtdh∣h=100=−20 이다. 이 정보를 미분방정식에 적용하면
−20=k100
이므로 k=−2 이다.
(d) 초기 조건 h(0)=100 인 미분방정식 dtdh=−2h 를 풀기 위해, 먼저 변수를 분리하여
h1dtdh=−2
로 쓴다. 좌변의 분수를 고쳐 쓰고 t 에 대해 적분하면
∫h−1/2dh=∫−2dt
이므로
2h1/2=−2t+C,
즉 h=(C−t)2 이다. h(0)=100 이므로 100=C2 이고, 따라서 C=10 이다. 이로부터 초깃값 문제의 해는
h(t)=(10−t)2
이다. 이 함수의 그래프는 아래로 볼록한 포물선이며, y절편은 (0,100) 이고 (10,0) 에서 중근을 갖는다.
(e) h(10)=0 이므로 탱크가 비는 데 10 분이 걸린다.
(f) 아니요, 이 해는 모든 시간 t 에 대해 성립하지 않는다. 문제의 물리적 제약에 따르면 t=10 에서 탱크가 비므로 이 해는 0<t<10 일 때만 성립한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Since dtdh is proportional to the square root of the height of the water, we have
dtdh=kh.
(b) If one tank has k=−1 and the other has k=−10, the tank with k=−10 will have water leaving the tank much more rapidly, which should correspond to that tank having a larger hole.
(c) Since height decreases at 20 inches per minute when the water is filled to a depth of 100 inches, this tells us that dtdh∣h=100=−20. Applying this information to the differential equation,
−20=k100
and thus k=−2.
(d) To solve the differential equation dtdh=−2h with initial condition h(0)=100, we first separate the variables and write
h1dtdh=−2. Rewriting the first fraction and integrating with respect to t, we have
∫h−1/2dh=∫−2dt
and thus
2h1/2=−2t+C, or h=(C−t)2. Knowing that h(0)=100, we see that 100=C2, and thus C=10. This shows that the solution to the IVP is
h(t)=(10−t)2. A plot of this function shows it to be a concave up parabola with y-intercept (0,100) and a repeated zero at (10,0).
(e) It takes 10 minutes for the tank to empty since h(10)=0.
(f) No, this solution is not valid for all time t. The physical constraints of the problem tell us that the solution is only valid for 0<t<10 since at t=10 the tank is empty.
곰퍼츠 방정식은 어떤 생물 집단의 성장을 설명하는 데 쓰이는 모델이다. P(t) 가 어떤 생물의 개체 수이고
dtdP=−Pln(3P)=−P(lnP−ln3).
이라고 하자.
(a) 0≤P≤6 범위에서 P(t) 의 기울기장을 그리세요.
(b) 평형해가 있으면 모두 찾고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요.
(c) P(0)=1 이라고 할 때 개체 수 P(t) 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 P(t) 는 어떻게 되는지 설명하세요.
(d) P(0)=6 이라고 할 때 개체 수 P(t) 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 P(t) 는 어떻게 되는지 설명하세요.
(e) 기울기장을 보고 예측한 것과 구한 해의 장기적인 거동이 일치함을 확인하세요.
영어 원문 보기
The Gompertz equation is a model that is used to describe the growth of certain populations. Suppose that P(t) is the population of some organism and that
dtdP=−Pln(3P)=−P(lnP−ln3).
(a) Sketch a slope field for P(t) over the range 0≤P≤6.
(b) Identify any equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable.
(c) Find the population P(t) assuming that P(0)=1 and sketch its graph. What happens to P(t) after a very long time?
(d) Find the population P(t) assuming that P(0)=6 and sketch its graph. What happens to P(t) after a very long time?
(e) Verify that the long-term behavior of your solutions agrees with what you predicted by looking at the slope field.
정답·풀이 보기
(1)
(2) ln(1)=0 이므로 유일한 평형해는 P=3 이다. (참고: ln(0) 은 정의되지 않으므로 이 미분방정식은 P=0 에서 정의되지 않는다.) (a)에 그려진 기울기장으로부터 평형해 P=3 은 안정하다.
(3) dtdP=−Pln(3P) 이고 P(0)=1 인 초깃값 문제를 풀기 위해 변수분리를 이용한다.
Pln(3P)1dtdP=−1
이므로
∫Pln(3P)1dP=−∫1dt
이다. 좌변에서 치환 u=ln(P/3) 을 이용하면 du=P3⋅31dP 이므로, 위의 식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
∫udu=−∫1dt. 따라서
ln∣u∣=−t+C, 이므로 ∣u∣=eC−t, 즉 u=Ke−t 이다. 다음으로 u=ln(3P) 임을 떠올리면
3P=eKe−t
이고 P=3eKe−t 이다. 초기 조건을 적용하면 1=3eK 이므로 K=ln(31) 이고, 따라서
P(t)=3eln(31)e−t. 이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 파란색으로 나타나 있으며, e−t→0 이므로 t→∞ 일 때 P(t)→3 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다.
(4) 초기 조건을 P(0)=6 으로 바꾸면, (c)에서 P=3eKe−t 을 얻은 부분까지의 풀이를 그대로 쓸 수 있다. 이 초기 조건을 적용하면 6=3eK 이므로 K=ln(2) 이고, 따라서
P(t)=3eln(2)e−t. 이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 빨간색으로 나타나 있으며, e−t→0 이므로 t→∞ 일 때 P(t)→3 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다.
(5) (c)와 (d)의 풀이는 P(0)>0 인 어떤 초기 조건에서든 t 가 한없이 커질 때 P 가 장기적으로 3 에 가까워짐을 보여 준다. 이는 기울기장을 바탕으로 처음에 관찰한 것과 일치한다.
원본 교재 풀이(영어)
(1)
(2) The only equilibrium solution is P=3, since ln(1)=0 (note: ln(0) is undefined, so the differential equation is not defined for P=0). From the slope field pictured in (a), the equilibrium solution P=3 is stable.
(3) To solve the IVP with dtdP=−Pln(3P) and P(0)=1, we use separation of variables. Observe that
Pln(3P)1dtdP=−1
and thus
∫Pln(3P)1dP=−∫1dt
On the left, using the substitution u=ln(P/3), it follows du=P3⋅31dP, we can rewrite the most recent equation as
∫udu=−∫1dt. Therefore,
ln∣u∣=−t+C, so ∣u∣=eC−t, or u=Ke−t. Next, we recall that u=ln(3P), so
3P=eKe−t
and P=3eKe−t. Applying the initial condition, 1=3eK, so K=ln(31), and thus
P(t)=3eln(31)e−t. This function's plot is shown in blue in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that P(t)→3 as t→∞ since e−t→0.
(4) Changing the initial condition to P(0)=6, we can use all of our preceding work in (c) up to where we established P=3eKe−t. Applying this initial condition, 6=3eK, so K=ln(2), and thus
P(t)=3eln(2)e−t. This function's plot is shown in red in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that P(t)→3 as t→∞ since e−t→0.
(5) Our work in (c) and (d) suggests that regardless of the initial condition with P(0)>0, the long-term behavior of P will be for it to tend to 3 as t increases without bound. This matches our initial observations based on the slope field.