로지스틱 방정식은 소문이 사람들 사이에서 어떻게 퍼지는지를 모델링하는 데 쓸 수 있습니다. 가 일째에 소문을 들은 사람들의 비율라고 합시다. 방정식
은 가 어떻게 변하는지를 나타냅니다. 처음에 사람들의 10분의 1이 소문을 들었다고 합시다. 즉, 입니다.
(a) 아주 오랜 시간이 지난 후 는 어떻게 되는지 설명하세요. (b) 함수 의 식을 구하세요. (c) 어느 시점에서 가 가장 빠르게 변하는지 구하세요. (d) 사람들의 80%가 소문을 들을 때까지 걸리는 시간을 구하세요.
영어 원문 보기
The logistic equation may be used to model how a rumor spreads through a group of people. Suppose that is the fraction of people that have heard the rumor on day . The equation
describes how changes. Suppose initially that one-tenth of the people have heard the rumor; that is, .
(a) What happens to after a very long time? (b) Determine a formula for the function . (c) At what time is changing most rapidly? (d) How long does it take before 80% of the people have heard the rumor?
정답·풀이 보기
(a) 이 로지스틱 방정식의 평형해는 과 이다. 은 환경수용력이므로 안정 평형이다. 따라서 이면 일 때 이다. (b) 로지스틱 방정식 의 일반해는 다음과 같음을 알고 있다. 이 문제에서는 , , 이므로 해는 이다. (c) 는 그 도함수 이 가장 클 때 가장 빠르게 변한다. 처음의 미분방정식을 다시 보면 이고, 이는 이 에 대한 이차함수임을 보여 준다. 이 이차함수는 과 에서 0이므로, 위로 볼록한 이 이차함수의 꼭짓점은 에 있고, 가 이 값일 때 의 변화율이 가장 크다. 따라서 개체 수가 가장 빠르게 증가하는 시점을 찾기 위해 방정식 를 푼다. 이므로 이고 이다. 따라서 일이다. (d) 는 소문을 들은 사람들의 비율을 나타내므로 방정식 을 풀어야 한다. 그러면 이므로 이고 이다. 따라서 일이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The equilibrium solutions for this logistic equation are and . Since is the carrying capacity and thus a stable equilibrium, as provided . (b) We know that the general solution to the logistic equation is In the context of this problem, we know that , , and and therefore the solution is (c) We know that is changing most rapidly when its derivative, , is largest. Recalling the original differential equation, we know that which shows that is a quadratic function of . That quadratic function has zeros at and , so the vertex of this concave down quadratic function lies at , and at this value of the rate of change of is largest. Thus, we solve the equation to find the time at which the population is increasing fastest. We see that so and . It follows that days. (d) Since tells us the percentage of people who've heard the rumor, we need to solve the equation . Thus we have so and . It follows that days.
한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.6절 · 6번우리말 번역
는 페트리 접시 안의 군집에 사는 박테리아의 수를 나타낸다고 하자. 여기서 의 단위는 천 마리이고 의 단위는 일이다. 어느 날 측정했더니 박테리아가 6,000마리였고 개체당 증가율은 3이었다. 며칠 뒤에 측정했더니 박테리아가 9,000마리였고 개체당 증가율은 2였다.
(a) 개체당 증가율 가 의 일차함수라고 가정하세요. 측정값을 이용하여 이 함수를 구하고, 를 나타내는 로지스틱 방정식을 쓰세요. (b) 이 박테리아의 환경수용력은 얼마인지 구하세요. (c) 박테리아의 수가 가장 빠르게 증가하는 때의 개체 수는 얼마인지 구하세요. (d) 처음에 박테리아가 1,000마리였다면, 환경수용력의 80%에 이르는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.
다 풀었으면 정답 확인
(a) 를 에 대한 함수로 나타낸 개체당 증가율이라 하자. 문제에 주어진 자료에 의해 이 일차함수의 그래프는 두 점 과 를 지난다. 따라서 이 직선의 방정식은 이므로 이다. 로지스틱 방정식은 시각 의 개체 수와 그 시각의 개체당 증가율을 곱하여 얻으므로 를 얻는다. (b) 로지스틱 방정식의 꼴에서 이 박테리아의 환경수용력은 이며, 이는 개체 수의 안정 평형점이다. (c) 박테리아는 가 최대일 때 가장 빠르게 증가한다. 은 의 이차함수이므로, 는 위로 볼록한 이 포물선의 꼭짓점에서 최대가 된다. 꼭짓점은 두 영점 과 의 한가운데에 있다. 따라서 일 때 개체 수가 가장 빠르게 증가한다. 이때의 정확한 의 값을 구하려면 이 문제의 다음 부분과 같은 초기 조건을 알아야 한다. (d) 을 이용하여 로지스틱 방정식의 초깃값 문제 를 푼다. , , 이므로 로지스틱 방정식의 해의 표준형에서 이다. 박테리아가 환경수용력의 80%에 이르는 데 걸리는 시간을 구하기 위해 방정식 을 푼다. 이 방정식에서 이므로 이고, 따라서 이다. 그러므로 일이다.