방사성 시료의 질량은 그 질량에 비례하는 비율로 감소합니다.
(a) 비례상수를 로 하여, 이 사실을 질량 에 대한 미분방정식으로 나타내세요. (b) 처음 질량이 일 때, 질량 를 나타내는 식을 구하세요. (c) 시료의 반감기는 질량의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간입니다. 탄소-14의 반감기가 5730년임을 이용하여, 탄소-14 시료에 대한 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 using for the constant of proportionality. (b) If the initial mass is , find an expression for the mass . (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 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 (b) 변수를 분리하여 미분방정식을 풀면 이므로 적분하여 에 대해 풀면 이고, 따라서 어떤 상수 에 대해 이다. 절댓값을 상수 에 흡수시키면 이다. 초기 조건 을 이용하면 이다. 따라서 시각 에서의 질량은 (c) 시각 부터 년이 지나면 방사성 시료의 남은 질량은 이다. 따라서 을 과 같다고 놓고 에 대해 풀어 의 값을 구할 수 있다. 이렇게 하면 이고, 따라서 이다. 그러므로 이고, 여기서 를 얻는다. 따라서 (d) 이제 이 되는 시각 를 구한다. (c)에서 한 것과 비슷하게 풀면 년이다. 이 값은 타당한데, 시료의 절반이 붕괴하는 데 년이 걸리고, 다시 년이 지나면 남은 것의 절반이 또 붕괴하므로, 물질이 처음 양의 4분의 1로 줄어드는 데 모두 년이 걸리기 때문이다. (e) 가 의 %가 되는 데 걸리는 시간을 구해야 하므로 를 풀어야 한다. 늘 하던 방식으로 풀면 년이므로, 이 시료는 약 년 되었다고 어림한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) A differential equation that represents the given description is (b) Separating the variables to solve the differential equation yields so Integrating and solving for , we find and thus for some constant . By absorbing the absolute value into the constant , we have . Using the initial condition , it follows that . Therefore, the mass at time is given by (c) If we let years pass from time , the remaining mass of the radioactive sample will be . This allows us to find the value of by setting equal to and solving for . Doing so, we have , and thus . It follows that from which we find . Hence, (d) Now we want to find the time so that . Similar work to our recent efforts in (c) shows that years. This number makes sense because it takes years for half of the sample to decay, then another years for half to decay again, for a total of years for the substance to decay to one quarter of its original amount. (e) We want to find the time it takes for to be % of , so we need to solve . Doing so in the usual way, we find that years, so we estimate that the sample is about years old.
한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.4절 · 9번우리말 번역
다음 초깃값 문제를 생각하세요.
(a) 이 초깃값 문제의 해를 구하고 그 그래프를 그리세요. (b) 해가 정의되는 의 값은 무엇인지 구하세요. (c) 해가 정의되는 마지막 시각에서 의 값은 얼마인지 구하세요. (d) 미분방정식을 살펴보고, (c)에서 구한 의 값을 갖는 해를 기대하면 안 되는 이유를 설명하세요.
다 풀었으면 정답 확인
(a) 변수를 분리하면 이고, 에 대해 적분하면 적분을 계산하고 에 대해 풀면 이므로 따라서 이다. 초기 조건 을 적용하면 이므로( 이므로 중 를 택한다) 이다. 그러므로 초깃값 문제의 해는 (b) 이 초깃값 문제의 해는 에서 정의된다. (c) 해가 정의되는 마지막 시각은 이고, 이때 대응하는 의 값은 이다. (d) 미분방정식은 이고, 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.