문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

방향장과 정성적 해석

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

Active Calculus · 7.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

호수에 사는 어떤 물고기 종의 개체 수는 P(t)P(t) 이고, 여기서 PP 는 천 마리 단위로, tt 는 개월 단위로 측정한다. 이 개체 수의 증가는 다음 미분방정식으로 나타내어진다.

dPdt=f(P)=P(6−P) .\frac{dP}{dt} = f(P) = P(6-P)\,.

(a) f(P)=P(6−P)f(P) = P(6-P) 의 그래프를 그리고, 이를 이용하여 평형해를 구하고 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. 물고기 개체 수의 장기적인 변화를 설명하는 완전한 문장을 쓰세요. (b) 이제 호수 주인이 낚시꾼들에게 매달 1000마리의 물고기를 잡아가도록 허용한다고 하자(P(t)P(t) 는 천 마리 단위로 측정됨을 기억하세요). 이를 반영하도록 미분방정식을 고치세요. PP 에 대한 dP/dtdP/dt 의 새 그래프를 그리세요. 새로운 평형해를 구하고 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. (c) (b)의 상황에서 물고기 개체 수의 장기적인 변화를 설명하세요. (d) 낚시꾼들이 매달 hh 천 마리의 물고기를 잡아간다고 하자. 미분방정식은 어떻게 바뀌는지 설명하세요. (e) 물고기 개체 수가 사라지지 않으면서 매달 잡아갈 수 있는 물고기의 최대 수는 얼마인지 구하세요. 이 최대 비율로 물고기를 잡아가면 물고기의 최종 개체 수는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

The population of a species of fish in a lake is P(t)P(t) where PP is measured in thousands of fish and tt is measured in months. The growth of the population is described by the differential equation

dPdt=f(P)=P(6−P) .\frac{dP}{dt} = f(P) = P(6-P)\,.

(a) Sketch a graph of f(P)=P(6−P)f(P) = P(6-P) and use it to determine the equilibrium solutions and whether they are stable or unstable. Write a complete sentence that describes the long-term behavior of the fish population. (b) Suppose now that the owners of the lake allow fishers to remove 1000 fish from the lake every month (remember that P(t)P(t) is measured in thousands of fish). Modify the differential equation to take this into account. Sketch the new graph of dP/dtdP/dt versus PP. Determine the new equilibrium solutions and decide whether they are stable or unstable. (c) Given the situation in part (b), give a description of the long-term behavior of the fish population. (d) Suppose that fishermen remove hh thousand fish per month. How is the differential equation modified? (e) What is the largest number of fish that can be removed per month without eliminating the fish population? If fish are removed at this maximum rate, what is the eventual population of fish?

정답·풀이 보기

(a) PP 에 대한 ff 의 그래프는 아래 그림의 파란색 그래프이다. 이 그래프와 미분방정식으로부터 평형해는 f(P)=0f(P)=0 일 때, 즉 P=0P=0 또는 P=6P=6 일 때 나타난다. PP 가 0 보다 약간 작을 때 P′<0P' < 0 이므로 P<0P < 0 인 해는 평형 P=0P=0 에서 멀어지며 감소한다. 또 PP 가 0 보다 약간 클 때 P′>0P'>0 이라는 것은 P>P > 인 해가 평형 P=0P=0 에서 멀어지며 증가한다는 뜻이다. 따라서 P=0P=0 은 불안정한 평형이다. PP 가 66 보다 약간 작으면 P>0P > 0 임을 알 수 있으므로 이 해들은 평형 P=0P=0 을 향해 증가한다. PP 가 66 보다 약간 크면 P′<0P' < 0 이므로 이 해들은 평형 P=6P = 6 을 향해 감소한다. 따라서 평형해 P=6P=6 은 안정하다고 결론짓는다. 이 그림은 (a)의 f(P) = P(6-P) 의 그래프와 (b)의 g(P) = P(6-P)-1 의 그래프를 보여 준다. f(P) = P(6-P) 의 그래프는 위로 볼록한 포물선이며 꼭짓점은 P = 3 에 있고 영점은 P = 0 과 P (b) 잡아가면 매달 PP 가 11 천 마리씩 줄어들므로 새 미분방정식은 다음과 같다. dPdt=g(P)=P(6−P)−1 .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-1\,. PP 에 대한 gg 의 그래프는 (a)의 그림에서 초록색 그래프이다. 이제 평형해는 g(P)=P(6−P)−1=0g(P) = P(6-P)-1 = 0 일 때 나타난다. 이는 P2−6P+1=0P^2-6P+1 = 0 일 때 성립한다. 근의 공식에 의하면 이 이차방정식의 해는 다음과 같다. P=6+322≈5.83    그리고    P=6−322≈0.172 .P = \frac{6+\sqrt{32}}{2} \approx 5.83 \ \ \ \text{ 그리고 } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{32}}{2} \approx 0.172\,. (a)와 같은 논증에 의해 P≈0.172P\approx 0.172 에서의 평형은 불안정하고 P≈5.83P \approx 5.83 에서의 평형은 안정하다. (c) 호수에 물고기가 있어서 P>0P > 0 이라고 가정하면 고려할 경우는 두 가지이다. P<6−322P < \frac{6-\sqrt{32}}{2} 이면 P′<0P' < 0 이므로 물고기 개체 수는 사라진다. 6−322<P<6+322\frac{6-\sqrt{32}}{2} < P < \frac{6+\sqrt{32}}{2} 이면 P′>0P' > 0 이므로 물고기 개체 수는 증가하여 안정한 평형 개체 수인 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} 천 마리에 가까워진다. P>6+322P > \frac{6+\sqrt{32}}{2} 이면 P′<0P' < 0 이므로 물고기 개체 수는 감소하여 안정한 평형 개체 수인 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} 천 마리에 가까워진다. (d) 이 경우 미분방정식은 다음과 같이 된다. dPdt=g(P)=P(6−P)−h .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-h\,. 평형해는 P2−6P+h=0P^2 - 6P + h = 0 일 때, 즉 P=6+36−4h2    그리고    P=6−36−4h2P = \frac{6+\sqrt{36-4h}}{2} \ \ \ \text{ 그리고 } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{36-4h}}{2} 일 때 나타난다. (e) 양의 안정한 평형이 필요하다. 이는 36−4h≥036-4h \ge 0, 즉 h≤9h \le 9 인 한 성립한다. 따라서 최대로 잡을 수 있는 양은 90009000 마리이다. P′P' 이 음수이므로 처음에 30003000 마리보다 많은 물고기로 시작해야 한다. P(6−P)P(6-P) 의 최댓값이 99 이므로 물고기는 충분히 빠르게 번식하여 90009000 마리를 잡더라도 안정한 개체 수가 유지된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A graph of ff against PP is given in blue in the figure below. This graph and the differential equation show that the equilibrium solutions occur when f(P)=0f(P)=0, or when P=0P=0 or P=6P=6. Since P′<0P' < 0 for PP slightly less than 0, the solutions with P<0P < 0 decrease away from the equilibrium P=0P=0. Also, P′>0P'>0 for PP slightly larger than 0 means that the solutions for P>P > increase away from the equilibrium P=0P=0. So P=0P=0 is an unstable equilibrium. If PP is slightly less than 66 we see that P>0P > 0, so these solutions increase toward the equilibrium P=0P=0. When PP is slightly larger than 66, we have P′<0P' < 0 and so these solutions decrease toward the equilibrium P=6P = 6. We conclude that the equilibrium solution P=6P=6 is stable. This image shows the graphs of f(P) = P(6-P) from part (a) and that of g(P) = P(6-P)-1 from part (b).The graph of f(P) = P(6-P) is a concave down parabola with vertex at P = 3 and zeros at P = 0 and P (b) Since PP will decrease by 11 thousand fish every month through harvesting, the new differential equation is dPdt=g(P)=P(6−P)−1 .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-1\,. A sketch of gg against PP is given in green in the figure in (a). The equilibrium solutions now occur when g(P)=P(6−P)−1=0g(P) = P(6-P)-1 = 0. This happens when P2−6P+1=0P^2-6P+1 = 0. The quadratic formula tells us that the solutions to this quadratic equation are P=6+322≈5.83    and    P=6−322≈0.172 .P = \frac{6+\sqrt{32}}{2} \approx 5.83 \ \ \ \text{ and } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{32}}{2} \approx 0.172\,. The same argument as in (a) shows that the equilibrium at P≈0.172P\approx 0.172 is unstable and the equilibrium at P≈5.83P \approx 5.83 is stable. (c) Assuming that there are fish in the lake, so that P>0P > 0, there are two cases to consider. If P<6−322P < \frac{6-\sqrt{32}}{2}, then P′<0P' < 0 and the fish population will die out. If 6−322<P<6+322\frac{6-\sqrt{32}}{2} < P < \frac{6+\sqrt{32}}{2}, then P′>0P' > 0 and the fish population will increase and approach a stable equilibrium population of 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} thousand fish. If P>6+322P > \frac{6+\sqrt{32}}{2}, then P′<0P' < 0 and the fish population will decrease and approach a stable equilibrium population of 6+322\frac{6+\sqrt{32}}{2} thousand fish. (d) In this case the differential equation becomes dPdt=g(P)=P(6−P)−h .\frac{dP}{dt} = g(P) = P(6-P)-h\,. We will have equilibrium solutions when P2−6P+h=0P^2 - 6P + h = 0 or when P=6+36−4h2    and    P=6−36−4h2 .P = \frac{6+\sqrt{36-4h}}{2} \ \ \ \text{ and } \ \ \ P = \frac{6-\sqrt{36-4h}}{2}\,. (e) We need a positive stable equilibrium. This will will happen as long as 36−4h≥036-4h \ge 0 or when h≤9h \le 9. So the maximum harvest is 90009000 fish. Note that P′P' is negative, so we need to start with more than 30003000 fish. Since P(6−P)P(6-P) has a maximum value of 99, the fish will reproduce quickly enough so that harvesting 90009000 fish will maintain a stable population.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.2절 · 9번우리말 번역

y(t)y(t) 를 어떤 농장에 사는 쥐의 수(단위: 천 마리)라 하고, 시간 tt 는 년 단위로 잰다고 가정하자. (이 문제는 C.S. 홀링이 연구 논문 「유럽소나무잎벌에 대한 소형 포유류의 포식 연구로 드러난 포식의 구성 요소」, 캐나다 곤충학 저널 91: 283-320 에서 제시한 생태학적 분석을 바탕으로 한다.)

(a) 쥐의 개체 수는 쥐의 수의 스무 배에 해당하는 연간 비율로 증가한다. 이를 미분방정식으로 나타내세요. (b) 어느 시점에 농부가 농장에 고양이 CC 마리를 데려온다. 고양이들이 1년 동안 먹을 수 있는 쥐의 수는 M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} 천 마리이다. 이것이 a)에서 구한 미분방정식을 어떻게 바꾸는지 설명하세요. (c) 고양이가 한 마리(C=1C=1)일 때 함수 M(y)M(y) 의 그래프를 그리고, 예를 들어 yy 가 작을 때와 yy 가 클 때 M(y)M(y) 의 거동을 살펴보면서 그래프의 특징을 설명하세요. (d) C=1C=1 이라 하자. 평형해를 구하고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. 이를 이용하여 처음 쥐의 수에 따라 쥐 개체 수의 장기적인 거동을 설명하세요. (e) C=60C=60 이라 하자. 평형해를 구하고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. 이를 이용하여 처음 쥐의 수에 따라 쥐 개체 수의 장기적인 거동을 설명하세요. (f) 쥐의 개체 수가 한없이 커지지 않게 하려면 고양이가 최소 몇 마리 필요한지 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) y(t)y(t) 를 tt 년 후의 쥐의 개체 수(단위: 천 마리)라 하고 쥐의 수의 스무 배에 해당하는 연간 비율로 증가하므로, 이를 나타내는 미분방정식은 dydt=20y\frac{dy}{dt} = 20y 이다. (b) 고양이가 없으면 쥐는 전체 개체 수에 매년 20y20y 천 마리씩 더한다. 고양이가 CC 마리 있으면 고양이는 이제 매년 M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} 천 마리의 쥐를 없앤다. 쥐가 늘어나는 비율과 줄어드는 비율을 모두 고려하면 다음과 같이 바뀐 미분방정식을 얻는다. dydt=20y−Cy2+y\frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y} (c) 00 에 가까운 양수 yy 에 대해 M(y)=y2+y≈0M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 0 이고, yy 의 값이 클 때 M(y)=y2+y≈1M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 1 이다. 이는 쥐의 개체 수가 많을 때 고양이 한 마리가 매년 개체 수에서 약 11 천 마리의 쥐를 없앨 수 있음을 뜻한다. (d) C=1C=1 이면 미분방정식은 dydt=20y−y2+y \frac{dy}{dt} = 20y - \frac{y}{2+y}\, 이다. 평형해를 구하기 위해 먼저 dydt=0\frac{dy}{dt} = 0 으로 놓는다. 그러면 20y=y2+y20y = \frac{y}{2+y} 이므로 40y+20y2=y40y + 20y^2 = y, 즉 39y+20y2=039y + 20y^2 = 0 이다. 인수분해하면 y(39y+20)=0y(39y + 20) = 0 이므로 y=0y = 0 또는 y=−2039y = -\frac{20}{39} 이다. 음의 평형해는 이 문제의 상황에서 의미가 없으므로, 살펴볼 평형해는 y=0y = 0 뿐이다. y>0y > 0 에서 yy 에 대한 dy/dtdy/dt 의 그래프를 그려 보면 dy/dtdy/dt 는 항상 양수이므로 개체 수는 y=0y = 0 에서 멀어지는 방향으로 증가하며, 따라서 이 평형은 불안정하다. 이는 타당한데, 고양이 한 마리로는 매년 개체 수의 2020 배의 비율로 늘어나는 쥐의 개체 수를 따라잡기에 부족하여 쥐의 개체 수가 한없이 증가하기 때문이다. (e) C=60C=60 이면 미분방정식은 dydt=20y−60y2+y \frac{dy}{dt} = 20y - \frac{60y}{2+y}\, 이다. (d)와 비슷하게 계산하면 평형해는 y=0y = 0 또는 y=1y = 1 이고, yy 에 대한 dy/dtdy/dt 의 그래프를 그려 보면 0<y<10 < y < 1 에서는 dy/dt<0dy/dt < 0 이고 y>1y > 1 에서는 dt/dt>0dt/dt > 0 임을 알 수 있다. 따라서 고양이가 6060 마리 있을 때, 처음에 쥐가 10001000 마리보다 적으면 고양이가 쥐의 개체 수를 00 으로 만든다. 처음에 쥐가 10001000 마리보다 많으면 쥐의 개체 수는 한없이 증가한다. 그리고 처음에 쥐가 10001000 마리이면 이것은 (불안정한) 평형이다. (f) 쥐의 개체 수가 한없이 커지지 않게 하려면, 어떤 처음 쥐의 개체 수에 대해서는 dy/dt≤0dy/dt \le 0 이 되도록 할 만큼 충분한 고양이를 데려와야 한다. 다시 말해 양의 평형해가 존재할 만큼 고양이가 충분해야 한다. 일반적인 미분방정식 dydt=20y−Cy2+y \frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y}\, 에서 dy/dt=0dy/dt = 0 으로 놓고 CC 에 대해 푼다. 그러면 0=20y−Cy2+y0 = 20y - C\frac{y}{2+y} 이므로 20y(y+2)=Cy20y(y+2) = Cy, 즉 20y2+40y−Cy=020y^2 + 40y - Cy = 0 이다. 인수분해하면 y(20y+(40−C))=0 y(20y + (40-C)) = 0\, 이다. 양의 평형해가 있으려면 40−C<040-C < 0 이어야 하므로, 농부는 농장에 고양이를 최소 4141 마리 데려와야 한다. 그런 경우에도 고양이가 쥐의 수가 한없이 늘어나지 않게 할 수 있는지는 처음 쥐의 수에 달려 있다.

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Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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