곰퍼츠 방정식은 어떤 생물 집단의 성장을 설명하는 데 쓰이는 모델이다. 가 어떤 생물의 개체 수이고
이라고 하자.
(a) 범위에서 의 기울기장을 그리세요. (b) 평형해가 있으면 모두 찾고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. (c) 이라고 할 때 개체 수 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 는 어떻게 되는지 설명하세요. (d) 이라고 할 때 개체 수 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 는 어떻게 되는지 설명하세요. (e) 기울기장을 보고 예측한 것과 구한 해의 장기적인 거동이 일치함을 확인하세요.
영어 원문 보기
The Gompertz equation is a model that is used to describe the growth of certain populations. Suppose that is the population of some organism and that
(a) Sketch a slope field for over the range . (b) Identify any equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. (c) Find the population assuming that and sketch its graph. What happens to after a very long time? (d) Find the population assuming that and sketch its graph. What happens to after a very long time? (e) Verify that the long-term behavior of your solutions agrees with what you predicted by looking at the slope field.
정답·풀이 보기
(1)
(2) 이므로 유일한 평형해는 이다. (참고: 은 정의되지 않으므로 이 미분방정식은 에서 정의되지 않는다.) (a)에 그려진 기울기장으로부터 평형해 은 안정하다.
(3) 이고 인 초깃값 문제를 풀기 위해 변수분리를 이용한다.
이므로
이다. 좌변에서 치환 을 이용하면 이므로, 위의 식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
따라서
이므로 , 즉 이다. 다음으로 임을 떠올리면
이고 이다. 초기 조건을 적용하면 이므로 이고, 따라서
이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 파란색으로 나타나 있으며, 이므로 일 때 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다.
(4) 초기 조건을 으로 바꾸면, (c)에서 을 얻은 부분까지의 풀이를 그대로 쓸 수 있다. 이 초기 조건을 적용하면 이므로 이고, 따라서
이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 빨간색으로 나타나 있으며, 이므로 일 때 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다.
(5) (c)와 (d)의 풀이는 인 어떤 초기 조건에서든 가 한없이 커질 때 가 장기적으로 에 가까워짐을 보여 준다. 이는 기울기장을 바탕으로 처음에 관찰한 것과 일치한다.
원본 교재 풀이(영어)
(1)
(2) The only equilibrium solution is , since (note: is undefined, so the differential equation is not defined for ). From the slope field pictured in (a), the equilibrium solution is stable.
(3) To solve the IVP with and , we use separation of variables. Observe that
and thus
On the left, using the substitution , it follows , we can rewrite the most recent equation as
Therefore,
so , or . Next, we recall that , so
and . Applying the initial condition, , so , and thus
This function's plot is shown in blue in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that as since .
(4) Changing the initial condition to , we can use all of our preceding work in (c) up to where we established . Applying this initial condition, , so , and thus
This function's plot is shown in red in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that as since .
(5) Our work in (c) and (d) suggests that regardless of the initial condition with , the long-term behavior of will be for it to tend to as increases without bound. This matches our initial observations based on the slope field.
한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 4.3절 · 31번우리말 번역
약물이 환자에게 mg/h 의 속도로 정맥 투여되고, 체내에 남아 있는 약물의 양 에 비례하는 속도로 몸에서 배출된다. 처음에 체내에 약물이 없다고 가정하고, 미분방정식을 세워 푸세요.
다 풀었으면 정답 확인