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 · 9번대학 수준우리말 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.

영어 원문 보기

Let y(t)y(t) be the number of thousands of mice that live on a farm; assume time tt is measured in years. (This problem is based on an ecological analysis presented in a research paper by C.S. Hollings: The Components of Predation as Revealed by a Study of Small Mammal Predation of the European Pine Sawfly, Canadian Entomology 91: 283-320.)

(a) The population of the mice grows at a yearly rate that is twenty times the number of mice. Express this as a differential equation. (b) At some point, the farmer brings CC cats to the farm. The number of mice that the cats can eat in a year is M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} thousand mice per year. Explain how this modifies the differential equation that you found in part a). (c) Sketch a graph of the function M(y)M(y) for a single cat C=1C=1 and explain its features by looking, for instance, at the behavior of M(y)M(y) when yy is small and when yy is large. (d) Suppose that C=1C=1. Find the equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. Use this to explain the long-term behavior of the mice population depending on the initial population of the mice. (e) Suppose that C=60C=60. Find the equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. Use this to explain the long-term behavior of the mice population depending on the initial population of the mice. (f) What is the smallest number of cats you would need to keep the mice population from growing arbitrarily large?

정답·풀이 보기

(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.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we let y(t)y(t) be the population of the mice at year tt in thousands and it grows at a yearly rate that is twenty times the number of mice, the governing differential equation is dydt=20y\frac{dy}{dt} = 20y. (b) On their own, the mice add 20y20y thousand mice per year to their total population. With CC cats present, the cats now remove M(y)=Cy2+yM(y) = C\frac{y}{2+y} thousand mice per year. By taking both the rates at which mice are added and removed from the population into account, we find the updated differential equation dydt=20y−Cy2+y\frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y} (c) For positive yy near 00, M(y)=y2+y≈0M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 0; for large values of yy, M(y)=y2+y≈1M(y) = \frac{y}{2+y} \approx 1. This means that a single cat can remove about 11 thousand mice per year from the population when the mice population is large. (d) Letting C=1C=1, we are working with the differential equation dydt=20y−y2+y .\frac{dy}{dt} = 20y - \frac{y}{2+y}\,. To find the equilibrium solutions, we first set dydt=0\frac{dy}{dt} = 0. Doing so, we find that 20y=y2+y20y = \frac{y}{2+y}, so 40y+20y2=y40y + 20y^2 = y, or 39y+20y2=039y + 20y^2 = 0. Factoring, we see y(39y+20)=0y(39y + 20) = 0 and therefore y=0y = 0 or y=−2039y = -\frac{20}{39}. Since a negative equilibrium solution doesn't make sense in the context of the problem, the only equilibrium solution to study is y=0y = 0. If we plot dy/dtdy/dt versus yy for y>0y > 0, we see that dy/dtdy/dt is always positive, and thus the population will grow away from y=0y = 0, making this equilibrium unstable. And this makes sense: the population of mice will grow without bound, because one cat is insufficient to keep up with a mice population growing at a rate of 2020 times its size per year. (e) Letting C=60C=60, we are working with the differential equation dydt=20y−60y2+y .\frac{dy}{dt} = 20y - \frac{60y}{2+y}\,. Similar work as in (d) shows that the equilibrium solutions are y=0y = 0 or y=1y = 1, and if we plot dy/dtdy/dt versus yy, we see that for 0<y<10 < y < 1, dy/dt<0dy/dt < 0, while for y>1y > 1, dt/dt>0dt/dt > 0. Thus, with 6060 cats present, as long as there are initially fewer than 10001000 mice, the cats will drive the mice population to 00. If there are more than 10001000 mice initially present, the mice population will grow without bound. And if there are 10001000 mice initially present, this will be an (unstable) equilibrium. (f) In order to keep the mice population from growing arbitrarily large, we need to bring enough cats that for certain initial mice populations, we can make dy/dt≤0dy/dt \le 0. In other words, we need enough cats that there's a positive equilibrium solution. Considering the general differential equation, dydt=20y−Cy2+y ,\frac{dy}{dt} = 20y - C\frac{y}{2+y}\,, we thus set dy/dt=0dy/dt = 0 and solve for CC. Doing so, we find that 0=20y−Cy2+y0 = 20y - C\frac{y}{2+y}, so 20y(y+2)=Cy20y(y+2) = Cy or 20y2+40y−Cy=020y^2 + 40y - Cy = 0. Factoring, we find that y(20y+(40−C))=0 .y(20y + (40-C)) = 0\,. To have a positive equilibrium solution, we require that 40−C<040-C < 0, and therefore the farmer must bring at least 4141 cats to the farm. Even in that circumstance, whether the cats can keep the number of mice from growing without bound will depend on the initial number of mice present.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.2절 · 6번우리말 번역

미분방정식

dydt=t−y \frac{dy}{dt} = t-y\,

을 생각하세요.

(a) 오른쪽 좌표축에 기울기장을 그리세요. (b) 초깃값이 y(0)=−4,−3,…,4y(0)= -4, -3, \ldots, 4 인 해의 그래프를 그리세요. (c) 그린 그래프로 볼 때, 초깃값이 y(0)=−1y(0) = -1 인 해는 무엇이라고 생각되는지 쓰세요. 이것이 실제로 이 초깃값 문제의 해임을 확인하세요. (d) 미분방정식과 그린 그래프를 이용하여, 해가 극솟값을 갖는 점에서 tt 와 yy 사이의 관계를 설명하세요.

기울기장을 그리기 위한 좌표축이다. t 의 값의 범위는 -4부터 4까지이고, y 의 값의 범위는 -4부터 4까지이다.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 여러 (t,y)(t,y) 에서 dydt∣(t,y)\frac{dy}{dt}\vert_{(t,y)} 를 계산하여 각 점에서의 기울기를 그리면 다음과 같은 기울기장을 얻는다. 이 그림은 미분방정식의 기울기장과 서로 다른 초기 조건을 만족하는 여러 해를 함께 보여 준다. 직선 y = t-1 을 따라 기울기장의 모든 선분은 기울 (b) 기울기장을 따라 점 (0,−4)(0,-4), (0,−3)(0,-3), …\ldots, (0,4)(0,4) 를 지나도록 곡선을 그리면 위 그림과 같은 곡선들을 얻는다. (c) (0,−1)(0,-1) 을 지나는 해는 기울기가 m=1m = 1 인 직선으로 보이므로 식은 y(t)=t−1y(t) = t-1 이다. 이 함수가 해임을 확인하기 위해 dydt\frac{dy}{dt} 와 t−yt-y 를 모두 계산하면 dydt=1\frac{dy}{dt} = 1 이고 t−y=t−(t−1)=1 t-y = t - (t-1) = 1\, 이다. 따라서 y(t)=t−1y(t) = t-1 은 이 미분방정식의 해이다. (d) 미분방정식과 그린 그래프로부터, 해가 극솟값을 갖는 모든 점에서 tt 와 yy 는 같은 것으로 보인다. 그 까닭은 t=yt = y 일 때 dydt=t−y=0\frac{dy}{dt} = t - y = 0 이고, 미분가능한 함수가 극솟값을 가지려면 그 점에서의 미분계수가 0이어야 하기 때문이다.

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# 방향장과 정성적 해석그래프·표 해석자동 분류
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