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 · 10번대학 수준우리말 번역

바닥에 구멍이 뚫린 원기둥 모양의 물탱크에 물이 가득 차 있다고 합시다. 물은 당연히 새어 나가고 물의 높이는 줄어들 것입니다. h(t)h(t) 를 물의 높이라고 하겠습니다. 토리첼리의 법칙이라는 물리 법칙에 따르면, 높이가 줄어드는 비율은 높이의 제곱근에 비례합니다.

(a) kk 를 비례상수로 사용하여 이 사실을 식으로 나타내세요. (b) 탱크가 두 개 있는데, 하나는 k=−1k=-1 이고 다른 하나는 k=−10k=-10 이라고 합시다. 어떤 물리적 차이가 있을 것으로 예상하나요? (c) 물의 깊이가 100100 인치일 때 높이가 분당 2020 인치씩 줄어드는 탱크가 있다고 합시다. kk 의 값을 구하세요. (d) (c)의 탱크에 대한 초깃값 문제를 푸세요. 그리고 구한 해의 그래프를 그리세요. (e) 탱크에서 물이 모두 빠져나가는 데 걸리는 시간은 얼마인가요? (f) 구한 해는 모든 시간 tt 에 대해 성립하나요? 성립한다면 어떻게 아는지 설명하세요. 성립하지 않는다면 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that a cylindrical water tank with a hole in the bottom is filled with water. The water, of course, will leak out and the height of the water will decrease. Let h(t)h(t) denote the height of the water. A physical principle called Torricelli's Law implies that the height decreases at a rate proportional to the square root of the height.

(a) Express this fact using kk as the constant of proportionality. (b) Suppose you have two tanks, one with k=−1k=-1 and another with k=−10k=-10. What physical differences would you expect to find? (c) Suppose you have a tank for which the height decreases at 2020 inches per minute when the water is filled to a depth of 100100 inches. Find the value of kk. (d) Solve the initial value problem for the tank in part (c), and graph the solution you determine. (e) How long does it take for the water to run out of the tank? (f) Is the solution that you found valid for all time tt? If so, explain how you know this. If not, explain why not.

정답·풀이 보기

(a) dhdt\frac{dh}{dt} 가 물의 높이의 제곱근에 비례하므로 dhdt=kh \frac{dh}{dt} = k \sqrt{h}\, 이다. (b) 한 탱크는 k=−1k=-1 이고 다른 탱크는 k=−10k=-10 이면, k=−10k = -10 인 탱크에서 물이 훨씬 빠르게 빠져나가며, 이는 그 탱크의 구멍이 더 크다는 것에 해당할 것이다. (c) 물의 깊이가 100100 인치일 때 높이가 분당 2020 인치씩 줄어들므로 dhdt∣h=100=−20\frac{dh}{dt}\vert_{h=100} = -20 이다. 이 정보를 미분방정식에 적용하면 −20=k100-20 = k \sqrt{100} 이므로 k=−2k = -2 이다. (d) 초기 조건 h(0)=100h(0) = 100 인 미분방정식 dhdt=−2h\frac{dh}{dt} = -2 \sqrt{h} 를 풀기 위해, 먼저 변수를 분리하여 1hdhdt=−2 \frac{1}{\sqrt{h}} \frac{dh}{dt} = -2\, 로 쓴다. 좌변의 분수를 고쳐 쓰고 tt 에 대해 적분하면 ∫h−1/2 dh=∫−2 dt\int h^{-1/2} \, dh = \int -2 \, dt 이므로 2h1/2=−2t+C ,2h^{1/2} = -2t + C\,, 즉 h=(C−t)2h = \left( C - t \right)^2 이다. h(0)=100h(0) = 100 이므로 100=C2100 = C^2 이고, 따라서 C=10C = 10 이다. 이로부터 초깃값 문제의 해는 h(t)=(10−t)2 h(t) = \left(10 - t \right)^2\, 이다. 이 함수의 그래프는 아래로 볼록한 포물선이며, yy절편은 (0,100)(0,100) 이고 (10,0)(10,0) 에서 중근을 갖는다. (e) h(10)=0h(10) = 0 이므로 탱크가 비는 데 1010 분이 걸린다. (f) 아니요, 이 해는 모든 시간 tt 에 대해 성립하지 않는다. 문제의 물리적 제약에 따르면 t=10t = 10 에서 탱크가 비므로 이 해는 0<t<100 < t < 10 일 때만 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since dhdt\frac{dh}{dt} is proportional to the square root of the height of the water, we have dhdt=kh .\frac{dh}{dt} = k \sqrt{h}\,. (b) If one tank has k=−1k=-1 and the other has k=−10k=-10, the tank with k=−10k = -10 will have water leaving the tank much more rapidly, which should correspond to that tank having a larger hole. (c) Since height decreases at 2020 inches per minute when the water is filled to a depth of 100100 inches, this tells us that dhdt∣h=100=−20\frac{dh}{dt}\vert_{h=100} = -20. Applying this information to the differential equation, −20=k100-20 = k \sqrt{100} and thus k=−2k = -2. (d) To solve the differential equation dhdt=−2h\frac{dh}{dt} = -2 \sqrt{h} with initial condition h(0)=100h(0) = 100, we first separate the variables and write 1hdhdt=−2 .\frac{1}{\sqrt{h}} \frac{dh}{dt} = -2\,. Rewriting the first fraction and integrating with respect to tt, we have ∫h−1/2 dh=∫−2 dt\int h^{-1/2} \, dh = \int -2 \, dt and thus 2h1/2=−2t+C ,2h^{1/2} = -2t + C\,, or h=(C−t)2h = \left( C - t \right)^2. Knowing that h(0)=100h(0) = 100, we see that 100=C2100 = C^2, and thus C=10C = 10. This shows that the solution to the IVP is h(t)=(10−t)2 .h(t) = \left(10 - t \right)^2\,. A plot of this function shows it to be a concave up parabola with yy-intercept (0,100)(0,100) and a repeated zero at (10,0)(10,0). (e) It takes 1010 minutes for the tank to empty since h(10)=0h(10) = 0. (f) No, this solution is not valid for all time tt. The physical constraints of the problem tell us that the solution is only valid for 0<t<100 < t < 10 since at t=10t = 10 the tank is empty.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.4절 · 8번우리말 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.)

다 풀었으면 정답 확인

(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.

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