문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

미분방정식 모델링

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

Active Calculus · 7.5절 · 7번대학 수준우리말 번역

스카이다이버가 비행기에서 뛰어내릴 때, 중력 때문에 아래 방향 속도는 초제곱당 g≈9.8g\approx 9.8 미터의 비율로 증가한다. 동시에 공기 저항 때문에 속도는 속도에 비례하는 비율로 감소한다.

(a) 비례상수를 kk 로 나타내어, 스카이다이버의 속도의 변화율을 나타내는 미분방정식을 쓰세요. (b) 평형해를 모두 구하고, 각각이 안정인지 불안정인지 판단하세요. 결과는 kk 에 따라 달라집니다. (c) 처음 속도가 0이라고 할 때, 속도 v(t)v(t) 를 구하세요. (d) 얼굴을 아래로 향하고 떨어지는 스카이다이버의 일반적인 종단 속도는 초당 54 미터이다. 이 스카이다이버의 kk 의 값은 얼마인지 구하세요. (e) 종단 속도의 50%에 도달하는 데 걸리는 시간은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

When a skydiver jumps from a plane, gravity causes her downward velocity to increase at the rate of g≈9.8g\approx 9.8 meters per second squared. At the same time, wind resistance causes her velocity to decrease at a rate proportional to the velocity.

(a) Using kk to represent the constant of proportionality, write a differential equation that describes the rate of change of the skydiver's velocity. (b) Find any equilibrium solutions and decide whether they are stable or unstable. Your result should depend on kk. (c) Suppose that the initial velocity is zero. Find the velocity v(t)v(t). (d) A typical terminal velocity for a skydiver falling face down is 54 meters per second. What is the value of kk for this skydiver? (e) How long does it take to reach 50% of the terminal velocity?

정답·풀이 보기

(a) 시각 tt 에서 스카이다이버의 아래 방향 속도를 v(t)v(t) 라 하자. 중력 때문에 아래 방향 속도가 초제곱당 g≈9.8g\approx 9.8 의 비율로 증가하므로, dvdt\frac{dv}{dt} 에 대한 미분방정식에는 +9.8+9.8 미터/초제곱의 항이 있고, 공기 저항 때문에 속도가 감소하는 효과는 음의 항 −kv-kv 로 나타난다. 따라서 미분방정식은 dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv 이다. (b) 평형해를 구하기 위해 dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0 으로 놓고 vv 에 대해 푼다. 그러면 0=9.8−kv0 = 9.8 - kv 이므로 v=9.8kv = \frac{9.8}{k} 이다. 또한 v<9.8kv < \frac{9.8}{k} 일 때 dvdt>0\frac{dv}{dt} > 0 이고, dvdt>9.8k\frac{dv}{dt} > \frac{9.8}{k} 일 때 dvdt<0\frac{dv}{dt} < 0 임을 알 수 있다. 따라서 평형보다 조금 큰 속도에서는 속도가 감소하고 평형보다 조금 작은 속도에서는 속도가 감소하므로, v=9.8kv = \frac{9.8}{k} 는 안정 평형이다. (c) v(0)=0v(0) = 0 이라 가정하고, 위에서 세운 미분방정식으로 초깃값 문제(IVP)를 푼다. 미분방정식 dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv 에서 변수를 분리하면 19.8−kvdvdt=1 \frac{1}{9.8 - kv} \frac{dv}{dt} = 1\, 이다. tt 에 대해 적분하면 ∫19.8−kv dv=∫1 dt ,\int \frac{1}{9.8 - kv} \, dv = \int 1 \, dt\,, 이고, 일반적인 치환을 사용하면 −1kln⁡∣9.8−kv∣=t+C-\frac{1}{k} \ln | 9.8 - kv | = t + C 이다. vv 에 대해 풀면 ln⁡∣9.8−kv∣=−kt+C1\ln | 9.8 - kv | = -kt + C_1 이다 (여기서 C1=−CkC_1 = -Ck 이다. 또는 ∣9.8−kv∣=e−kt+C1=C2e−kt |9.8 - kv| = e^{-kt + C_1} = C_2 e^{-kt}\, 이다. 절댓값을 통상적인 방법으로 상수 C2C_2 에 포함시키면, 어떤 상수 AA 에 대해 9.8−kv=Ae−kt9.8 - kv = Ae^{-kt} 이고, 따라서 v=9.8−Ae−ktkv = \frac{9.8 - Ae^{-kt}}{k} 이다. v(0)=0v(0) = 0 으로 놓으면 AA 도 정할 수 있는데, 0=9.8−Ak0 = \frac{9.8 - A}{k} 이므로 A=9.8A = 9.8 이다. 따라서 초깃값 문제의 해는 v(t)=9.8−9.8e−ktkv(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} 이다. (d) 스카이다이버의 종단 속도가 초당 54 미터라는 것은 lim⁡t→∞v(t)=54\lim_{t \to \infty} v(t) = 54 라는 뜻이다. (c)에서 구한 해를 이용하면 lim⁡t→∞9.8−9.8e−ktk=9.8k\lim_{t \to \infty} \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} = \frac{9.8}{k} 임을 알 수 있다. 이는 t→∞t \to \infty 일 때 e−kt→0e^{-kt} \to 0 이기 때문이다. 따라서 54=9.8k54 = \frac{9.8}{k} 이므로 k=9.8/54≈0.181481k = 9.8/54 \approx 0.181481 이다. (e) 종단 속도의 50%에 도달하는 데 걸리는 시간을 구하기 위해 v(t)=9.8−9.8e−0.181481t0.181481=0.5(54)v(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-0.181481t}}{0.181481} = 0.5(54) 로 놓고 tt 에 대해 푼다. 그러면 9.8−9.8e−0.181481t=0.5(54)(0.181481) ,9.8 - 9.8e^{-0.181481t} = 0.5(54)(0.181481)\,, 이므로 9.8−9.8e−0.181481t=4.9 ,9.8-9.8e^{-0.181481t} = 4.9\,, 이고, 따라서 9.8e−0.181481t=4.99.8e^{-0.181481t} = 4.9 이며, 이로부터 e−0.181481t=0.5e^{-0.181481t} = 0.5 이다. tt 에 대해 풀면 t=ln⁡(0.5)−0.181481≈3.1894t = \frac{\ln(0.5)}{-0.181481} \approx 3.1894 초이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let the skydiver's downward velocity at time tt be given by v(t)v(t). Since gravity causes her downward velocity to increase at the rate of g≈9.8g\approx 9.8, there is a factor of +9.8+9.8 meters per second squared in the differential equation for dvdt\frac{dv}{dt}, while the factor of wind resistence causing the velocity to decrease contributes the negative factor −kv-kv. Thus, the differential equation is dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv (b) To find the equilibrium solutions, we set dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0 and solve for vv. Doing so, 0=9.8−kv0 = 9.8 - kv, so v=9.8kv = \frac{9.8}{k}. Moreover, we note that for v<9.8kv < \frac{9.8}{k}, dvdt>0\frac{dv}{dt} > 0, while for dvdt>9.8k\frac{dv}{dt} > \frac{9.8}{k}, dvdt<0\frac{dv}{dt} < 0. Thus, for velocities just above the equilibrium, the velocity will decrease and for velocities just below the equilibrium, the velocity will decrease, making v=9.8kv = \frac{9.8}{k} a stable equilibrium. (c) We assume that v(0)=0v(0) = 0 and solve the IVP with the differential equation we developed. Taking the differential equation dvdt=9.8−kv\frac{dv}{dt} = 9.8 - kv and separating the variables, we have 19.8−kvdvdt=1 .\frac{1}{9.8 - kv} \frac{dv}{dt} = 1\,. Integrating with respect to tt, ∫19.8−kv dv=∫1 dt ,\int \frac{1}{9.8 - kv} \, dv = \int 1 \, dt\,, and using a standard substitution, we have −1kln⁡∣9.8−kv∣=t+C .-\frac{1}{k} \ln | 9.8 - kv | = t + C\,. Solving for vv, we have ln⁡∣9.8−kv∣=−kt+C1\ln | 9.8 - kv | = -kt + C_1 (where C1=−CkC_1 = -Ck, or ∣9.8−kv∣=e−kt+C1=C2e−kt .|9.8 - kv| = e^{-kt + C_1} = C_2 e^{-kt}\,. Incorporating the absolute value into the constant C2C_2 in the usual way, we have for some constant AA that 9.8−kv=Ae−kt9.8 - kv = Ae^{-kt} and thus v=9.8−Ae−ktk .v = \frac{9.8 - Ae^{-kt}}{k}\,. Setting v(0)=0v(0) = 0, we can also determine AA, since then 0=9.8−Ak0 = \frac{9.8 - A}{k} so A=9.8A = 9.8. The solution to the IVP is therefore v(t)=9.8−9.8e−ktkv(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} (d) If the skydiver's terminal velocity is 54 meters per second, this means that lim⁡t→∞v(t)=54\lim_{t \to \infty} v(t) = 54 Using the solution we found in (c), we observe that lim⁡t→∞9.8−9.8e−ktk=9.8k\lim_{t \to \infty} \frac{9.8 - 9.8e^{-kt}}{k} = \frac{9.8}{k} since e−kt→0e^{-kt} \to 0 as t→∞t \to \infty. Thus, 54=9.8k54 = \frac{9.8}{k}, so k=9.8/54≈0.181481k = 9.8/54 \approx 0.181481. (e) To find how long does it take to reach 50% of the terminal velocity, we set v(t)=9.8−9.8e−0.181481t0.181481=0.5(54)v(t) = \frac{9.8 - 9.8e^{-0.181481t}}{0.181481} = 0.5(54) and solve for tt. We have 9.8−9.8e−0.181481t=0.5(54)(0.181481) ,9.8 - 9.8e^{-0.181481t} = 0.5(54)(0.181481)\,, so 9.8−9.8e−0.181481t=4.9 ,9.8-9.8e^{-0.181481t} = 4.9\,, and thus 9.8e−0.181481t=4.99.8e^{-0.181481t} = 4.9, which tells us e−0.181481t=0.5 .e^{-0.181481t} = 0.5\,. Solving for tt, t=ln⁡(0.5)−0.181481≈3.1894t = \frac{\ln(0.5)}{-0.181481} \approx 3.1894 seconds.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.5절 · 6번우리말 번역

축하합니다, 방금 복권에 당첨되었습니다! 제시된 한 가지 선택지에서는 앞으로 25년 동안 매년 백만 달러를 받게 됩니다. 이 돈을 매년 5%의 이자를 주는 계좌에 예금할 수 있습니다.

(a) 계좌에 있는 금액의 변화율을 나타내는 미분방정식을 세우세요. 금액이 늘어나는 요인은 두 가지입니다. 첫째, 매년 백만 달러를 예금하고, 둘째, 5%의 이자를 받습니다. (b) 계좌를 열었을 때 계좌에 들어 있는 금액이 없었다면, 25년 후 계좌에 얼마가 있겠습니까? (c) 제시된 두 번째 선택지는 일시불로 10백만 달러(천만 달러)를 받아 비슷한 계좌에 예금하는 것입니다. 25년 후 그 계좌에 얼마가 있겠습니까? (d) 첫 번째 선택지와 두 번째 선택지 중 어느 쪽을 선호하는지 쓰고, 그 생각을 설명하세요. (e) 첫 번째 선택지의 계좌에 있는 금액이 두 번째 선택지의 계좌에 있는 금액을 넘어서는 것은 언제입니까?

다 풀었으면 정답 확인

(a) A(t)A(t) 를 시각 tt 에서 계좌에 있는 금액(단위: 백만 달러)이라 하자. AA 의 변화율은 매년 11백만 달러가 추가되는 것과 이자 0.05A0.05A 의 영향을 받는다. 따라서 dAdt=1+0.05A\frac{dA}{dt} = 1 + 0.05A 이다. (b) 계좌를 열었을 때 계좌에 들어 있는 금액이 없었다면 A(0)=0A(0) = 0 이다. 초깃값 문제를 풀면 25년 후 계좌에 얼마가 있는지 구할 수 있다. 1+0.05A=0.05(20+A)1 + 0.05A = 0.05(20 + A) 이므로 120+AdAdt=0.05\frac{1}{20+A} \frac{dA}{dt} = 0.05 이고, 따라서 ∫120+A dA=∫0.05 dt .\int \frac{1}{20+A} \, dA = \int 0.05 \, dt\,. 적분하면(모든 tt 에 대해 A(t)>0A(t) > 0 임에 유의), ln⁡(20+A)=0.05t+C ,\ln (20 + A) = 0.05t + C\,, 이므로 AA 에 대해 통상적인 방법으로 풀면 20+A=Ke0.05t20 + A = Ke^{0.05t} 이고, 따라서 A(t)=Ke0.05t−20A(t) = Ke^{0.05t} - 20 이다. A(0)=0A(0) = 0 이므로 K=20K = 20 이고, A(t)=20(e0.05t−1) .A(t) = 20(e^{0.05t} - 1)\,. 임을 보였다. 그러므로 A(25)=49.80686A(25) = 49.80686백만 달러이다. (c) 이 선택지에서는 dAdt=0.05A\frac{dA}{dt} = 0.05A, A(0)=10A(0) = 10 이므로 이 초깃값 문제의 일반적인 풀이에 의해 A(t)=10e0.05tA(t) = 10e^{0.05t} 이고, 이로부터 A(25)=34.90343A(25) = 34.90343백만 달러임을 알 수 있다. (d) 첫 번째 선택지가 장기적으로 더 많은 돈이 되므로 분명히 더 좋다. (e) 첫 번째 선택지의 계좌에 있는 금액이 두 번째 선택지의 계좌에 있는 금액을 넘어서는 때는 20(e0.05t−1)=10e0.05t20(e^{0.05t} - 1) = 10e^{0.05t} 일 때이다. tt 에 대해 풀면 10e0.05t=2010e^{0.05t} = 20 이므로 e0.05t=2e^{0.05t} = 2 이고, 따라서 t=20ln⁡(2)≈13.86 년 .t = 20 \ln(2) \approx 13.86 \ \text{년}\,.

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

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