문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

미분방정식의 기초

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 7.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

T(t)T(t) 가 방 안에 놓아 둔 커피 한 잔의 온도를 나타낸다고 하자. 여기서 TT 의 단위는 화씨(°F)이고 tt 의 단위는 분이다. 뉴턴의 냉각 법칙이라고 알려진 물리 법칙에 따르면

dTdt=−115T+5 .\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5\,.

(a) T(0)=105T(0)=105 라고 가정하세요. 이 미분방정식으로부터 dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} 의 값은 얼마입니까? 이 두 사실의 의미를 완전한 문장으로 설명하세요. (b) t=0t=0 에서 TT 는 증가합니까, 감소합니까? (c) t=1t=1 에서의 온도는 대략 얼마입니까? (d) 아래 좌표평면에 dT/dtdT/dt 를 TT 의 함수로 하는 그래프를 그리세요. T 의 함수로서 frac dT dt 의 그래프를 그리기 위한 좌표축이다. 가로 방향으로 T 의 값은 T=0 에서 T=120 까지이고, 세로 방향으로 frac dT dt 의 값은 frac dT dt =-3 에서 frac dT dt =5 까지이다. (e) TT 가 어떤 값일 때 TT 는 증가합니까? TT 가 어떤 값일 때 TT 는 감소합니까? (f) 방의 온도는 얼마라고 생각합니까? 생각한 이유를 설명하세요. (g) T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 가 초깃값 T(0)=105T(0) = 105 인 이 미분방정식의 해임을 보이세요. 충분히 오랜 시간이 지나면 이 해는 어떻게 됩니까?

영어 원문 보기

Suppose that T(t)T(t) represents the temperature of a cup of coffee set out in a room, where TT is expressed in degrees Fahrenheit and tt in minutes. A physical principle known as Newton's Law of Cooling tells us that

dTdt=−115T+5 .\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5\,.

(a) Supposes that T(0)=105T(0)=105. What does the differential equation give us for the value of dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105}? Explain in a complete sentence the meaning of these two facts. (b) Is TT increasing or decreasing at t=0t=0? (c) What is the approximate temperature at t=1t=1? (d) On the graph below, make a plot of dT/dtdT/dt as a function of TT. Coordinate axes for plotting frac dT dt as a function of T. The values of T range horizontally from T=0 to T=120, and the values of frac dT dt range vertically from frac dT dt =-3 to frac dT dt =5 (e) For which values of TT does TT increase? For which values of TT does TT decrease? (f) What do you think is the temperature of the room? Explain your thinking. (g) Verify that T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} is the solution to the differential equation with initial value T(0)=105T(0) = 105. What happens to this solution after a long time?

정답·풀이 보기

(a) dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 이고 T(0)=105T(0)=105 이므로 dTdt∣T=105=−115(105)+5=−7+5=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -\frac{1}{15}(105) + 5 = -7 + 5 = -2 이다. T(0)=105T(0) = 105 라는 사실은 시각 t=0t = 0 에서 커피의 온도가 T=105T = 105 화씨도임을 뜻하고, dTdt∣T=105=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -2 는 T=105T = 105 인 순간(즉 t=0t = 0 일 때) 커피의 온도가 분당 화씨 −2-2도의 순간변화율로 감소하고 있음을 뜻한다. (b) t=0t = 0 에서 T=105T = 105 이고 dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} 가 음수이므로 t=0t=0 에서 TT 는 감소한다. (c) 주어진 정보와 함께 일차 근사 T(1)≈T(0)+dTdt∣t=0(1−0)T(1) \approx T(0) + \frac{dT}{dt}\vert_{t=0} (1-0) 을 이용하면 T(1)≈105+(−2)(1)=103T(1) \approx 105 + (-2)(1) = 103 화씨도이다. (d) dTdt\frac{dT}{dt} 는 TT 에 대한 일차함수이고 기울기가 −115-\frac{1}{15}, 세로축 절편이 (0,5)(0,5) 이므로 그래프는 아래와 같다. 특히 dTdt∣T=75=0\frac{dT}{dt}\vert_{T = 75} = 0 임에 주목한다. 미분방정식 frac dT dt = - frac1 15 T+5 를 이용하여 T 의 함수로서 frac dT dt 를 그린 그래프이다. 가로 방향으로 T 의 값은 T=0 에서 T=120 까지이고, 세로 방향으로 frac dT dt 의 값의 범위는 (e) T<75T < 75 일 때 dTdt>0\frac{dT}{dt} > 0 이므로 이 TT 값들에서 TT 는 증가한다. T>75T > 75 일 때 dTdt<0\frac{dT}{dt} < 0 이므로 이 TT 값들에서 TT 는 감소한다. (f) 앞의 문제에서 화씨 7575도가 TT 의 변화 양상을 바꾸는 경계가 되는 온도임을 확인했다. 화씨 7575도가 방의 온도라고 생각할 수 있는 이유는 여러 가지이다. 커피의 온도가 방의 온도(7575)보다 높으면 온도가 내려가 방의 온도에 가까워지고, 방의 온도보다 낮으면 온도가 올라가 방의 온도에 가까워진다. 또 커피의 온도가 7575(방의 온도와 같은 값)이면 변화율이 00 이므로 커피의 온도는 변하지 않는다. (g) T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 가 초깃값 T(0)=105T(0) = 105 인 이 미분방정식의 해임을 보이고, 충분히 오랜 시간이 지나면 이 해가 어떻게 되는지 구한다. T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 라고 하면 dTdt=30e−t/15(−115)=−2e−t/15 \frac{dT}{dt} = 30e^{-t/15} \left(-\frac{1}{15} \right) = -2e^{-t/15}\, 이다. 또한 −115T+5=−115(75+30e−t/15)+5=−5−2e−t/15+5=−2e−t/15 -\frac{1}{15}T + 5 = -\frac{1}{15}(75 + 30e^{-t/15}) + 5 = -5 - 2e^{-t/15} + 5 = -2e^{-t/15}\, 이다. 위의 두 식으로부터 dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 에 TT 대신 T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} 를 대입하면 등식이 성립함을 알 수 있으므로 이 함수는 주어진 미분방정식의 해이다. 또한 T(0)=75+30e0=75+30=105T(0) = 75 + 30e^0 = 75 + 30 = 105 이므로 이 함수는 초기 조건도 만족한다. 마지막으로 t→∞t \to \infty 일 때 e−t/15→0e^{-t/15} \to 0 이므로 t→∞t \to \infty 일 때 T(t)=75+30e−t/15→75T(t) = 75 + 30e^{-t/15} \to 75 이다. 이는 예상대로 시간이 한없이 지날수록 해 함수의 값이 방의 온도에 가까워짐을 보여 준다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 and T(0)=105T(0)=105, dTdt∣T=105=−115(105)+5=−7+5=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -\frac{1}{15}(105) + 5 = -7 + 5 = -2. The fact that T(0)=105T(0) = 105 tells us the coffee's temperature at time t=0t = 0 is T=105T = 105 degrees F, and dTdt∣T=105=−2\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} = -2 tells us that at the instant T=105T = 105 (i.e. when t=0t = 0), the coffee's temperature is decreasing at an instantaneous rate of −2-2 degrees F per minute. (b) At t=0t = 0, T=105T = 105, and since dTdt∣T=105\frac{dT}{dt}\vert_{T=105} is negative, TT decreasing at t=0t=0. (c) Using the linear approximation T(1)≈T(0)+dTdt∣t=0(1−0)T(1) \approx T(0) + \frac{dT}{dt}\vert_{t=0} (1-0) along with the given information, it follows that T(1)≈105+(−2)(1)=103T(1) \approx 105 + (-2)(1) = 103 degrees F. (d) We note that dTdt\frac{dT}{dt} is a linear function of TT with slope −115-\frac{1}{15} and vertical intercept (0,5)(0,5), so its graph is as shown below. Note particularly that dTdt∣T=75=0\frac{dT}{dt}\vert_{T = 75} = 0. A plot of frac dT dt as a function of T using the differential equation frac dT dt = - frac1 15 T+5. The values of T range horizontally from T=0 to T=120, and the values of frac dT dt range vertically (e) For T<75T < 75, dTdt>0\frac{dT}{dt} > 0, so for these TT-values, TT increases. For T>75T > 75, dTdt<0\frac{dT}{dt} < 0, so for these TT-values, TT decreases. (f) In the previous question, we observed that 7575 degrees F is the critical temperature that changes the behavior of TT. There are several reasons to think that 7575 degrees F is room temperature: if the coffee's temperature is above room temperature (7575), its temperature will decrease to room temperature, while if the coffee is below room temperature, its temperature will increase to room temperature. Moreover, if the coffee's temperature is 7575 (which would match the room temperature), then its rate of change is 00 and the coffee's temperature doesn't change. (g) Verify that T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} is the solution to the differential equation with initial value T(0)=105T(0) = 105. What happens to this solution after a long time? Assuming that T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15}, we observe that dTdt=30e−t/15(−115)=−2e−t/15 .\frac{dT}{dt} = 30e^{-t/15} \left(-\frac{1}{15} \right) = -2e^{-t/15}\,. In addition, −115T+5=−115(75+30e−t/15)+5=−5−2e−t/15+5=−2e−t/15 .-\frac{1}{15}T + 5 = -\frac{1}{15}(75 + 30e^{-t/15}) + 5 = -5 - 2e^{-t/15} + 5 = -2e^{-t/15}\,. The two preceding equations show that dTdt=−115T+5\frac{dT}{dt}= -\frac1{15}T+5 when we substitute T(t)=75+30e−t/15T(t) = 75 + 30e^{-t/15} in for TT, and thus this function is a solution to the differential equation. Moreover, T(0)=75+30e0=75+30=105T(0) = 75 + 30e^0 = 75 + 30 = 105, so the function satisfies the initial condition, too. Finally, because e−t/15→0e^{-t/15} \to 0 as t→∞t \to \infty, it follows that T(t)=75+30e−t/15→75T(t) = 75 + 30e^{-t/15} \to 75 as t→∞t \to \infty, which shows that the solution function's value tends to room temperature as time increases without bound, as we expect.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.1절 · 9번우리말 번역

어떤 생물 종의 개체 수가 함수 P(t)P(t) 로 나타내어진다고 하자. 여기서 PP 는 백만 단위로 나타낸 값이다. 또한 개체 수의 변화율이 다음 미분방정식으로 주어진다고 하자.

dPdt=f(P)\frac{dP}{dt} = f(P)

여기서 f(P)f(P) 는 아래 그래프로 나타낸 함수이다.

P 의 함수로서 frac dP dt = f(P) 의 그래프이다. frac dP dt 에 대한 세로 눈금은 주어져 있지 않으며, P 는 가로 방향으로 P=0 에서 P=4 까지이다. f(P) 의 그래프는 다음을 영점으로 갖는 삼차 다항식처럼 보인다.

(a) 개체 수 PP 가 어떤 값일 때 개체 수가 증가하나요? (b) 개체 수 PP 가 어떤 값일 때 개체 수가 감소하나요? (c) P(0)=3P(0) = 3 이면 개체 수는 시간에 따라 어떻게 변하나요? (d) 처음 개체 수가 0<P(0)<10< P(0)< 1 을 만족하면, 아주 오랜 시간이 지난 후 개체 수는 어떻게 되나요? (e) 처음 개체 수가 1<P(0)<31< P(0)< 3 을 만족하면, 아주 오랜 시간이 지난 후 개체 수는 어떻게 되나요? (f) 처음 개체 수가 3<P(0)3< P(0) 을 만족하면, 아주 오랜 시간이 지난 후 개체 수는 어떻게 되나요? (g) 개체 수 증가에 대한 이 모델을 흔히 “문턱이 있는 증가”라고 부른다. 이 이름이 적절한 이유를 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 이 PP 의 값들에서 dPdt>0\frac{dP}{dt} > 0 이므로 1<P<31 < P < 3 에서 PP 는 증가한다. (b) 이 PP 의 값들에서 dPdt<0\frac{dP}{dt} < 0 이므로 P<1P < 1 과 3<P<43 < P < 4 에서 PP 는 감소한다. (c) P(0)=3P(0) = 3 이면 dPdt∣P=3=0\frac{dP}{dt}\vert_{P=3} = 0 이고, 도함수가 00 이므로 PP 는 시간이 지나도 전혀 변하지 않는다. (d) 처음 개체 수가 0<P(0)<10< P(0)< 1 을 만족하면, 개체 수는 PP 가 항상 양수인 채로 P=0P = 0 을 향해 감소할 것으로 예상된다. 0<P<10< P < 1 에서 dPdt\frac{dP}{dt} 는 항상 음수이므로 이 구간에서 PP 는 항상 감소한다. PP 가 00 인 값에서는 dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 이어서 개체 수가 변하지 않으므로, 개체 수는 P=0P = 0 아래로 내려갈 수 없다. (e) 처음 개체 수가 1<P(0)<31< P(0)< 3 을 만족하면, 개체 수는 PP 가 항상 11 과 33 사이에 있는 채로 P=3P = 3 을 향해 증가할 것으로 예상된다. 1<P<31 < P < 3 에서 dPdt\frac{dP}{dt} 는 항상 양수이므로 이 구간에서 PP 는 항상 증가한다. PP 가 33 인 값에서는 dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 이어서 개체 수가 변하지 않으므로, 개체 수는 P=3P = 3 위로 증가할 수 없다. (f) 처음 개체 수가 3<P(0)3< P(0) 을 만족하면, 개체 수는 PP 가 항상 33 보다 큰 채로 P=3P = 3 을 향해 감소할 것으로 예상된다. P>3P > 3 에서 dPdt\frac{dP}{dt} 는 항상 음수이므로 이 구간에서 PP 는 항상 감소한다. PP 가 33 인 값에서는 dPdt=0\frac{dP}{dt} = 0 이어서 개체 수가 변하지 않으므로, 개체 수는 P=3P = 3 아래로 내려갈 수 없다. (g) 개체 수에는 두 개의 문턱이 있는 것으로 보인다. 하나는 최소 문턱 P=1P = 1 로, 이보다 개체 수가 적으면 개체 수가 00 으로 감소한다. 다른 하나는 최대 문턱 P=3P = 3 으로, 개체 수가 최소 문턱보다 크고 최대 문턱보다 작으면 최대 문턱을 향해 증가하고, 개체 수가 최대 문턱보다 크면 그 값이 다시 최대 문턱을 향해 줄어든다.

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