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 · 9번대학 수준우리말 번역

100갤런의 물이 들어 있는 물탱크가 있다고 하세요. 갤런당 20그램의 소금이 들어 있는 소금물이 분당 3갤런의 비율로 탱크에 들어옵니다.

동시에 용액은 잘 섞이고, 물은 분당 3갤런의 비율로 탱크에서 빠져나갑니다.

(a) 매분 3갤런이 탱크로 들어오고 3갤런이 나가므로, 탱크 안 물의 부피에 대해 무엇을 알 수 있는지 설명하세요. (b) 매분 탱크에 들어오는 소금은 몇 그램인지 구하세요. (c) S(t)S(t) 가 tt분에 탱크 안에 있는 소금의 양(그램)을 나타낸다고 하세요. tt분에 각 갤런에는 소금이 몇 그램 들어 있는지 구하세요. (d) 물이 분당 3갤런씩 탱크에서 빠져나가므로, 매분 탱크에서 나가는 소금은 몇 그램인지 구하세요. (e) SS 의 전체 변화율을 나타내는 미분방정식을 쓰세요. (f) 평형해를 모두 찾고, 그것이 안정인지 불안정인지 판단하세요. (g) 처음에 탱크에 소금이 없다고 하세요. tt분에 소금의 양 S(t)S(t) 를 구하세요. (h) 아주 오랜 시간이 지나면 S(t)S(t) 는 어떻게 되는지 구하세요. 탱크로 들어오는 소금물의 갤런당 소금의 양만 알아도 이것을 어떻게 예측할 수 있었는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that you have a water tank that holds 100 gallons of water. A briny solution, which contains 20 grams of salt per gallon, enters the tank at the rate of 3 gallons per minute.

At the same time, the solution is well mixed, and water is pumped out of the tank at the rate of 3 gallons per minute.

(a) Since 3 gallons enter the tank every minute and 3 gallons leave every minute, what can you conclude about the volume of water in the tank? (b) How many grams of salt enter the tank every minute? (c) Suppose that S(t)S(t) denotes the number of grams of salt in the tank in minute tt. How many grams are there in each gallon in minute tt? (d) Since water leaves the tank at 3 gallons per minute, how many grams of salt leave the tank each minute? (e) Write a differential equation that expresses the total rate of change of SS. (f) Identify any equilibrium solutions and determine whether they are stable or unstable. (g) Suppose that there is initially no salt in the tank. Find the amount of salt S(t)S(t) in minute tt. (h) What happens to S(t)S(t) after a very long time? Explain how you could have predicted this only knowing how much salt there is in each gallon of the briny solution that enters the tank.

정답·풀이 보기

(a) 들어오는 양과 나가는 양의 비율이 같으므로 탱크 안 용액의 부피는 일정하게 유지된다. (b) 소금은 유입과 함께 탱크에 들어오며, 유입은 분당 33갤런의 비율로, 갤런당 2020그램의 농도로 일어난다. 20그램갤런⋅3갤런분=60그램분 ,20 \frac{\text{그램}}{\text{갤런}} \cdot 3 \frac{\text{갤런}}{\text{분}} = 60 \frac{\text{그램}}{\text{분}}\,, 이므로 소금은 분당 6060그램의 비율로 탱크에 들어온다. (c) S(t)S(t) 가 시각 tt 에 탱크 안에 있는 소금의 양(그램)을 나타낸다고 하면, 어느 시각 tt 에나 탱크 안에 100100갤런의 용액이 있으므로 탱크 안 소금의 농도(갤런당 그램)는 어느 시각 tt 에나 S(t)100그램갤런\frac{S(t)}{100} \frac{\text{그램}}{\text{갤런}} 이다. (d) 물이 분당 33갤런씩 탱크에서 빠져나가므로, 소금이 탱크에서 나가는 비율은 S(t)100그램갤런⋅3갤런분=3S(t)100그램분 .\frac{S(t)}{100} \frac{\text{그램}}{\text{갤런}} \cdot 3 \frac{\text{갤런}}{\text{분}} = \frac{3S(t)}{100} \frac{\text{그램}}{\text{분}}\,. 이다. (e) (b)와 (d)에서 구한, 소금이 탱크에 들어오고 나가는 비율을 고려하고 dSdt\frac{dS}{dt} 의 단위가 분당 그램임에 유의하면, dSdt=60−3100S .\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S\,. 임을 보였다. (f) 60−3100S=060 - \frac{3}{100} S = 0 으로 놓으면 S=2000S = 2000 이 유일한 평형해임을 알 수 있다. 유입이 갤런당 2020그램의 소금을 싣고 오므로, 탱크가 이 농도에 이르면 소금은 모두 20⋅10020 \cdot 100그램이 되기 때문에 이는 타당하다. 이 평형은 안정하다(직관적으로도 그렇고, S<2000S < 2000 일 때 dSdt\frac{dS}{dt} 가 양수이고 S>2000S > 2000 일 때 음수이기 때문이기도 하다). (g) S(0)=0S(0) = 0 이라 가정하면, dSdt=60−3100S\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S 에 대한 초깃값 문제를 풀 수 있다. 계산을 좀 더 간단하게 하기 위해 60−3100S=−3100(S−2000)60 - \frac{3}{100}S = -\frac{3}{100}(S-2000) 으로 쓴다. 변수를 분리하면 1S−2000dSdt=−3100\frac{1}{S-2000} \frac{dS}{dt} = -\frac{3}{100} 이고, tt 에 대해 적분하면 ∫1S−2000 dS=−∫3100 dt\int \frac{1}{S-2000} \, dS = -\int \frac{3}{100} \, dt 이므로 ln⁡∣S−2000∣=−3100t+C .\ln|S-2000| = -\frac{3}{100}t + C\,. 이다. 통상적인 방법으로 SS 에 대해 풀면 S=2000+Ke−3100tS = 2000 + Ke^{-\frac{3}{100}t} 이고, 초기 조건 S(0)=0S(0) = 0 을 이용하면 K=−2000K = -2000 이므로 S(t)=2000−2000e−3100t .S(t) = 2000 - 2000e^{-\frac{3}{100}t}\,. 이다. (h) t→∞t \to \infty 일 때 e−3100t→0e^{-\frac{3}{100}t} \to 0 이므로 S(t)→2000S(t) \to 2000 이다. 유입이 리터당 2020그램의 소금을 계속 실어 오므로 이는 타당하다. 시간이 지남에 따라 탱크 안 용액의 농도는 그와 같은 농도에 가까워질 것이고, 용액이 100100갤런이므로 소금의 양은 20⋅100=200020 \cdot 100 = 2000그램에 가까워질 것이다. 이 값은 (f)에서 구한 안정한 평형과도 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The volume of solution in the tank remains constant because the inflow and outflow are at the same rate. (b) Salt enters the tank with the inflow, which occurs at a rate of 33 gallons per minute at a concentration of 2020 grams per gallon. Observing that 20gramsgallon⋅3gallonsminute=60gramsminute ,20 \frac{\text{grams}}{\text{gallon}} \cdot 3 \frac{\text{gallons}}{\text{minute}} = 60 \frac{\text{grams}}{\text{minute}}\,, we see that salt is entering the tank at a rate of 6060 grams per minute. (c) Letting S(t)S(t) denotes the number of grams of salt in the tank at time tt, since there are 100100 gallons of solution in the tank at any time tt, the concentration of salt in the tank in grams per gallon is S(t)100gramsgallon\frac{S(t)}{100} \frac{\text{grams}}{\text{gallon}} at any time tt. (d) With water leaving the tank at 33 gallons per minute, it follows that salt is leaving the tank at a rate of S(t)100gramsgallon⋅3gallonsminute=3S(t)100gramsminute .\frac{S(t)}{100} \frac{\text{grams}}{\text{gallon}} \cdot 3 \frac{\text{gallons}}{\text{minute}} = \frac{3S(t)}{100} \frac{\text{grams}}{\text{minute}}\,. (e) Taking into account the rates at which salt enters and leaves the tank as established in (b) and (d) and noting that the units on dSdt\frac{dS}{dt} are grams per minute, we have shown that dSdt=60−3100S .\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S\,. (f) Setting 60−3100S=060 - \frac{3}{100} S = 0, we find that S=2000S = 2000 is the only equilibrium solution. This makes sense because the inflow is carrying 2020 grams of salt per gallon and thus when the tank reaches this concentration, there will be 20⋅10020 \cdot 100 total grams of salt. This equilibrium is stable (both intuitively and because dSdt\frac{dS}{dt} is positive for S<2000S < 2000 and negative for S>2000S > 2000. (g) Assuming that S(0)=0S(0) = 0, we can solve the IVP with dSdt=60−3100S\frac{dS}{dt} = 60 - \frac{3}{100} S. For somewhat simpler computations, we write 60−3100S=−3100(S−2000)60 - \frac{3}{100}S = -\frac{3}{100}(S-2000). Separating variables, 1S−2000dSdt=−3100\frac{1}{S-2000} \frac{dS}{dt} = -\frac{3}{100} and integrating with respect to tt, ∫1S−2000 dS=−∫3100 dt\int \frac{1}{S-2000} \, dS = -\int \frac{3}{100} \, dt so that ln⁡∣S−2000∣=−3100t+C .\ln|S-2000| = -\frac{3}{100}t + C\,. Solving for SS in the usual way, S=2000+Ke−3100tS = 2000 + Ke^{-\frac{3}{100}t} and using the initial condition that S(0)=0S(0) = 0, we find K=−2000K = -2000 so that S(t)=2000−2000e−3100t .S(t) = 2000 - 2000e^{-\frac{3}{100}t}\,. (h) As t→∞t \to \infty, we know e−3100t→0e^{-\frac{3}{100}t} \to 0, and thus S(t)→2000S(t) \to 2000. This makes sense because the inflow carries 2020 grams of salt per liter continuously. As time goes on, the concentration of solution in the tank should tend to that same concentration, and with 100100 gallons of solution, the amount of salt will tend to 20⋅100=200020 \cdot 100 = 2000 grams. This value also matches the stable equilibrium that we found in (f).

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.5절 · 8번우리말 번역

생후 처음 몇 년 동안, 아기의 몸무게가 늘어나는 비율은 몸무게의 역수에 비례한다.

(a) 이 사실을 미분방정식으로 나타내세요. (b) 어떤 아기가 태어날 때 몸무게가 8파운드이고 한 달 뒤에 9파운드라고 하자. 1년 뒤에 이 아기의 몸무게는 얼마가 되겠습니까? (c) 이 모델이 오랜 기간에 대해 현실적이라고 생각합니까?

다 풀었으면 정답 확인

(a) 아기의 몸무게 w(t)w(t) (tt개월째의 파운드 단위 몸무게)는 그 역수에 비례하는 비율로 증가하므로, dwdt=kw .\frac{dw}{dt} = \frac{k}{w}\,. (b) W(0)=8W(0) = 8 이고 W(1)=9W(1) = 9 이므로, 초깃값 문제를 풀면서 kk 도 구할 수 있다. 먼저 변수를 분리하여 미분방정식을 풀기 위해 wdwdt=kw \frac{dw}{dt} = k 로 쓰고 적분하면 ∫wdwdt dt=∫k dt .\int w \frac{dw}{dt} \, dt = \int k \, dt\,. 이다. 따라서 12w2=kt+C\frac{1}{2}w^2 = kt + C 이고, 그러므로 w(t)=2kt+C1w(t) = \sqrt{2kt + C_1} 이다 (C1=2CC_1 = 2C 이며, w(t)>0w(t) > 0 임을 알고 있으므로 양의 제곱근을 취한다). 초기 조건 w(0)=8w(0) = 8 을 적용하면 8=C18 = \sqrt{C_1} 이므로 C1=64C_1 = 64 이고, w(t)=2kt+64 .w(t) = \sqrt{2kt + 64}\,. kk 를 구하기 위해 추가 정보 w(1)=9w(1) = 9 를 이용하면 9=2k+649 = \sqrt{2k + 64} 이고, 이로부터 81=2k+6481 = 2k + 64 이므로 k=17/2k = 17/2 이다. 따라서 w(t)=17t+64 .w(t) = \sqrt{17t+64}\,. 이 모델에 따르면 1년 뒤 아기의 몸무게는 w(12)=268≈16.37w(12) = \sqrt{268} \approx 16.37 파운드이다. (c) 함수 w(t)=7t+64w(t) = \sqrt{7t+64} 는 tt 가 커짐에 따라 한없이 커지지만, 이 모델이 현실적이지 않은 것은 오히려 처음에 함수가 충분히 빠르게 증가하지 않기 때문이다. 예를 들어, 이 모델은 10세에 w(120)≈30.06w(120) \approx 30.06 파운드, 20세에 w(120)=41.76w(120) = 41.76 파운드가 될 것이라고 예측한다. 현실적인 모델이라면 생애 초기에 훨씬 더 빠르게 증가하다가 20세 무렵에 일정해져야 할 것이다.

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

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