문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

변수분리형 미분방정식

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

Active Calculus · 7.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

방사성 시료의 질량은 그 질량에 비례하는 비율로 감소합니다.

(a) 비례상수를 kk 로 하여, 이 사실을 질량 M(t)M(t) 에 대한 미분방정식으로 나타내세요. (b) 처음 질량이 M0M_0 일 때, 질량 M(t)M(t) 를 나타내는 식을 구하세요. (c) 시료의 반감기는 질량의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간입니다. 탄소-14의 반감기가 5730년임을 이용하여, 탄소-14 시료에 대한 kk 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)M(t) using kk for the constant of proportionality. (b) If the initial mass is M0M_0, find an expression for the mass M(t)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 kk 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 dMdt=kM .\frac{dM}{dt} = kM\,. (b) 변수를 분리하여 미분방정식을 풀면 1M dM=k dt\frac{1}{M} \, dM = k \, dt 이므로 ∫1M dM=∫k dt .\int \frac{1}{M} \, dM = \int k \, dt\,. 적분하여 MM 에 대해 풀면 ln⁡∣M∣=kt+C\ln|M| = kt + C 이고, 따라서 어떤 상수 KK 에 대해 ∣M∣=ekt+C=ekteC=Kekt|M| = e^{kt+C} = e^{kt}e^C = Ke^{kt} 이다. 절댓값을 상수 KK 에 흡수시키면 M=KektM = Ke^{kt} 이다. 초기 조건 M(0)=M0M(0) = M_0 을 이용하면 K=M0K = M_0 이다. 따라서 시각 tt 에서의 질량은 M(t)=M0ekt .M(t) = M_0e^{kt}\,. (c) 시각 00 부터 57305730년이 지나면 방사성 시료의 남은 질량은 12M0\frac{1}{2}M_0 이다. 따라서 M(5730)M(5730) 을 12M0\frac{1}{2}M_0 과 같다고 놓고 tt 에 대해 풀어 kk 의 값을 구할 수 있다. 이렇게 하면 12M0=M0e5730k\frac{1}{2}M_0 = M_0e^{5730k} 이고, 따라서 12=e5730k\frac{1}{2} = e^{5730k} 이다. 그러므로 ln⁡(12)=5730k\ln\left(\frac{1}{2}\right) = 5730k 이고, 여기서 k=15730ln⁡(12)=−ln⁡(2)5730k = \frac{1}{5730}\ln\left(\frac{1}{2}\right) = -\frac{\ln(2)}{5730} 를 얻는다. 따라서 M(t)=M0e−ln⁡(2)5730t≈M0e−0.000121tM(t) = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t} \approx M_0e^{-0.000121t} (d) 이제 M(t)=14M0M(t) = \frac{1}{4}M_0 이 되는 시각 tt 를 구한다. (c)에서 한 것과 비슷하게 풀면 t=5730ln⁡(4)ln⁡(2)≈11460t = \frac{5730\ln(4)}{\ln(2)} \approx 11460년이다. 이 값은 타당한데, 시료의 절반이 붕괴하는 데 57305730년이 걸리고, 다시 57305730년이 지나면 남은 것의 절반이 또 붕괴하므로, 물질이 처음 양의 4분의 1로 줄어드는 데 모두 (2)(5730)(2)(5730)년이 걸리기 때문이다. (e) M(t)M(t) 가 M0M_0 의 3030%가 되는 데 걸리는 시간을 구해야 하므로 0.3M0=M0e−ln⁡(2)5730t0.3M_0 = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t} 를 풀어야 한다. 늘 하던 방식으로 풀면 t=−5730ln⁡(0.3)ln⁡(2)≈9952.8t = -\frac{5730\ln(0.3)}{\ln(2)} \approx 9952.8년이므로, 이 시료는 약 99739973년 되었다고 어림한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A differential equation that represents the given description is dMdt=kM .\frac{dM}{dt} = kM\,. (b) Separating the variables to solve the differential equation yields 1M dM=k dt\frac{1}{M} \, dM = k \, dt so ∫1M dM=∫k dt .\int \frac{1}{M} \, dM = \int k \, dt\,. Integrating and solving for MM, we find ln⁡∣M∣=kt+C\ln|M| = kt + C and thus ∣M∣=ekt+C=ekteC=Kekt|M| = e^{kt+C} = e^{kt}e^C = Ke^{kt} for some constant KK. By absorbing the absolute value into the constant KK, we have M=KektM = Ke^{kt}. Using the initial condition M(0)=M0M(0) = M_0, it follows that K=M0K = M_0. Therefore, the mass at time tt is given by M(t)=M0ekt .M(t) = M_0e^{kt}\,. (c) If we let 57305730 years pass from time 00, the remaining mass of the radioactive sample will be 12M0\frac{1}{2}M_0. This allows us to find the value of kk by setting M(5730)M(5730) equal to 12M0\frac{1}{2}M_0 and solving for tt. Doing so, we have 12M0=M0e5730k\frac{1}{2}M_0 = M_0e^{5730k}, and thus 12=e5730k\frac{1}{2} = e^{5730k}. It follows that ln⁡(12)=5730k\ln\left(\frac{1}{2}\right) = 5730k from which we find k=15730ln⁡(12)=−ln⁡(2)5730k = \frac{1}{5730}\ln\left(\frac{1}{2}\right) = -\frac{\ln(2)}{5730}. Hence, M(t)=M0e−ln⁡(2)5730t≈M0e−0.000121tM(t) = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t} \approx M_0e^{-0.000121t} (d) Now we want to find the time tt so that M(t)=14M0M(t) = \frac{1}{4}M_0. Similar work to our recent efforts in (c) shows that t=5730ln⁡(4)ln⁡(2)≈11460t = \frac{5730\ln(4)}{\ln(2)} \approx 11460 years. This number makes sense because it takes 57305730 years for half of the sample to decay, then another 57305730 years for half to decay again, for a total of (2)(5730)(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)M(t) to be 3030% of M0M_0, so we need to solve 0.3M0=M0e−ln⁡(2)5730t0.3M_0 = M_0e^{-\frac{\ln(2)}{5730}t}. Doing so in the usual way, we find that t=−5730ln⁡(0.3)ln⁡(2)≈9952.8t = -\frac{5730\ln(0.3)}{\ln(2)} \approx 9952.8 years, so we estimate that the sample is about 99739973 years old.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.4절 · 9번우리말 번역

다음 초깃값 문제를 생각하세요.

dydt=−ty, y(0)=8\frac{dy}{dt} = -\frac ty, \ y(0) = 8

(a) 이 초깃값 문제의 해를 구하고 그 그래프를 그리세요. (b) 해가 정의되는 tt의 값은 무엇인지 구하세요. (c) 해가 정의되는 마지막 시각에서 yy의 값은 얼마인지 구하세요. (d) 미분방정식을 살펴보고, (c)에서 구한 yy의 값을 갖는 해를 기대하면 안 되는 이유를 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 변수를 분리하면 ydydt=−ty \frac{dy}{dt} = -t 이고, tt에 대해 적분하면 ∫y dy=−∫t dt .\int y \, dy = -\int t \,dt\,. 적분을 계산하고 yy에 대해 풀면 12y2=−12t2+C\frac{1}{2}y^2 = -\frac{1}{2}t^2 + C 이므로 y2=C−t2 ,y^2 = C - t^2\,, 따라서 y=±C−t2y = \pm \sqrt{C - t^2} 이다. 초기 조건 y(0)=8y(0) = 8 을 적용하면 8=C8 = \sqrt{C} 이므로(8>08 > 0 이므로 ±\pm 중 ++ 를 택한다) C=64C = 64 이다. 그러므로 초깃값 문제의 해는 y=64−t2 .y = \sqrt{64 - t^2}\,. (b) 이 초깃값 문제의 해는 −8≤t≤8-8 \le t \le 8 에서 정의된다. (c) 해가 정의되는 마지막 시각은 t=8t = 8 이고, 이때 대응하는 yy의 값은 y(8)=0y(8) = 0 이다. (d) 미분방정식은 dydt=−ty\frac{dy}{dt} = -\frac ty 이고, y=0y = 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.

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

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