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 · 11번대학 수준우리말 번역

곰퍼츠 방정식은 어떤 생물 집단의 성장을 설명하는 데 쓰이는 모델이다. P(t)P(t) 가 어떤 생물의 개체 수이고

dPdt=−Pln⁡(P3)=−P(ln⁡P−ln⁡3) .\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) = -P(\ln P - \ln 3)\,.

이라고 하자.

(a) 0≤P≤60\leq P\leq 6 범위에서 P(t)P(t) 의 기울기장을 그리세요. (b) 평형해가 있으면 모두 찾고, 각각이 안정한지 불안정한지 판단하세요. (c) P(0)=1P(0) = 1 이라고 할 때 개체 수 P(t)P(t) 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 P(t)P(t) 는 어떻게 되는지 설명하세요. (d) P(0)=6P(0) = 6 이라고 할 때 개체 수 P(t)P(t) 를 구하고, 그 그래프를 그리세요. 아주 오랜 시간이 지나면 P(t)P(t) 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 P(t)P(t) is the population of some organism and that

dPdt=−Pln⁡(P3)=−P(ln⁡P−ln⁡3) .\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) = -P(\ln P - \ln 3)\,.

(a) Sketch a slope field for P(t)P(t) over the range 0≤P≤60\leq P\leq 6. (b) Identify any equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. (c) Find the population P(t)P(t) assuming that P(0)=1P(0) = 1 and sketch its graph. What happens to P(t)P(t) after a very long time? (d) Find the population P(t)P(t) assuming that P(0)=6P(0) = 6 and sketch its graph. What happens to P(t)P(t) 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) 이 미분방정식의 기울기장은 -1 lt t lt 7 그리고 0 lt P lt 7 창에 그려져 있다. 기울기장에서 가장 두드러진 특징은 P = 3 에 나타난 평형해이다. 기울기는 (2) ln⁡(1)=0\ln(1) = 0 이므로 유일한 평형해는 P=3P = 3 이다. (참고: ln⁡(0)\ln(0) 은 정의되지 않으므로 이 미분방정식은 P=0P = 0 에서 정의되지 않는다.) (a)에 그려진 기울기장으로부터 평형해 P=3P = 3 은 안정하다. (3) dPdt=−Pln⁡(P3)\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) 이고 P(0)=1P(0) = 1 인 초깃값 문제를 풀기 위해 변수분리를 이용한다. 1Pln⁡(P3)dPdt=−1\frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)}\frac{dP}{dt} = -1 이므로 ∫1Pln⁡(P3) dP=−∫1 dt\int \frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)} \, dP = - \int 1 \, dt 이다. 좌변에서 치환 u=ln⁡(P/3)u = \ln (P/3) 을 이용하면 du=3P⋅13 dPdu = \frac{3}{P} \cdot \frac{1}{3} \, dP 이므로, 위의 식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다. ∫duu=−∫1 dt .\int \frac{du}{u} = - \int 1 \, dt\,. 따라서 ln⁡∣u∣=−t+C ,\ln |u| = -t + C\,, 이므로 ∣u∣=eC−t|u| = e^{C-t}, 즉 u=Ke−tu = Ke^{-t} 이다. 다음으로 u=ln⁡(P3)u = \ln \left(\frac P3\right) 임을 떠올리면 P3=eKe−t\frac{P}{3} = e^{Ke^{-t}} 이고 P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}} 이다. 초기 조건을 적용하면 1=3eK1 = 3e^K 이므로 K=ln⁡(13)K = \ln \left(\frac{1}{3} \right) 이고, 따라서 P(t)=3eln⁡(13)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left(\frac{1}{3} \right) e^{-t}}\,. 이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 파란색으로 나타나 있으며, e−t→0e^{-t} \to 0 이므로 t→∞t \to \infty 일 때 P(t)→3P(t) \to 3 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다. (4) 초기 조건을 P(0)=6P(0) = 6 으로 바꾸면, (c)에서 P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}} 을 얻은 부분까지의 풀이를 그대로 쓸 수 있다. 이 초기 조건을 적용하면 6=3eK6 = 3e^K 이므로 K=ln⁡(2)K = \ln \left(2 \right) 이고, 따라서 P(t)=3eln⁡(2)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left( 2 \right) e^{-t}}\,. 이 함수의 그래프는 (a)의 위 그림에 빨간색으로 나타나 있으며, e−t→0e^{-t} \to 0 이므로 t→∞t \to \infty 일 때 P(t)→3P(t) \to 3 임을 (그래프와 식 모두로) 알 수 있다. (5) (c)와 (d)의 풀이는 P(0)>0P(0) > 0 인 어떤 초기 조건에서든 tt 가 한없이 커질 때 PP 가 장기적으로 33 에 가까워짐을 보여 준다. 이는 기울기장을 바탕으로 처음에 관찰한 것과 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(1) The slope field for this differential equation is plotted in the window -1 lt t lt 7 and 0 lt P lt 7.The most prominent feature of the slope field is the equilibrium solution shown at P = 3. Slopes ar (2) The only equilibrium solution is P=3P = 3, since ln⁡(1)=0\ln(1) = 0 (note: ln⁡(0)\ln(0) is undefined, so the differential equation is not defined for P=0P = 0). From the slope field pictured in (a), the equilibrium solution P=3P = 3 is stable. (3) To solve the IVP with dPdt=−Pln⁡(P3)\frac{dP}{dt} = -P\ln\left(\frac P3\right) and P(0)=1P(0) = 1, we use separation of variables. Observe that 1Pln⁡(P3)dPdt=−1\frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)}\frac{dP}{dt} = -1 and thus ∫1Pln⁡(P3) dP=−∫1 dt\int \frac{1}{P\ln\left(\frac P3\right)} \, dP = - \int 1 \, dt On the left, using the substitution u=ln⁡(P/3)u = \ln (P/3), it follows du=3P⋅13 dPdu = \frac{3}{P} \cdot \frac{1}{3} \, dP, we can rewrite the most recent equation as ∫duu=−∫1 dt .\int \frac{du}{u} = - \int 1 \, dt\,. Therefore, ln⁡∣u∣=−t+C ,\ln |u| = -t + C\,, so ∣u∣=eC−t|u| = e^{C-t}, or u=Ke−tu = Ke^{-t}. Next, we recall that u=ln⁡(P3)u = \ln \left(\frac P3\right), so P3=eKe−t\frac{P}{3} = e^{Ke^{-t}} and P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}}. Applying the initial condition, 1=3eK1 = 3e^K, so K=ln⁡(13)K = \ln \left(\frac{1}{3} \right), and thus P(t)=3eln⁡(13)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left(\frac{1}{3} \right) e^{-t}}\,. This function's plot is shown in blue in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that P(t)→3P(t) \to 3 as t→∞t \to \infty since e−t→0e^{-t} \to 0. (4) Changing the initial condition to P(0)=6P(0) = 6, we can use all of our preceding work in (c) up to where we established P=3eKe−tP = 3e^{Ke^{-t}}. Applying this initial condition, 6=3eK6 = 3e^K, so K=ln⁡(2)K = \ln \left(2 \right), and thus P(t)=3eln⁡(2)e−t .P(t) = 3e^{\ln \left( 2 \right) e^{-t}}\,. This function's plot is shown in red in the image above in (a) and we see (both graphically and algebraically) that P(t)→3P(t) \to 3 as t→∞t \to \infty since e−t→0e^{-t} \to 0. (5) Our work in (c) and (d) suggests that regardless of the initial condition with P(0)>0P(0) > 0, the long-term behavior of PP will be for it to tend to 33 as tt 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 rr mg/h 의 속도로 정맥 투여되고, 체내에 남아 있는 약물의 양 dd 에 비례하는 속도로 몸에서 배출된다. 처음에 체내에 약물이 없다고 가정하고, 미분방정식을 세워 푸세요.

다 풀었으면 정답 확인

y=rd(1−e−dt)y=\frac{r}{d}(1-{e}^{-dt})

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

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