문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

로지스틱 방정식

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Active Calculus · 7.6절 · 5번대학 수준우리말 번역

로지스틱 방정식은 소문이 사람들 사이에서 어떻게 퍼지는지를 모델링하는 데 쓸 수 있습니다. p(t)p(t) 가 tt 일째에 소문을 들은 사람들의 비율라고 합시다. 방정식

dpdt=0.2p(1−p)\frac{dp}{dt} = 0.2p(1-p)

은 pp 가 어떻게 변하는지를 나타냅니다. 처음에 사람들의 10분의 1이 소문을 들었다고 합시다. 즉, p(0)=0.1p(0) = 0.1 입니다.

(a) 아주 오랜 시간이 지난 후 p(t)p(t) 는 어떻게 되는지 설명하세요. (b) 함수 p(t)p(t) 의 식을 구하세요. (c) 어느 시점에서 pp 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 p(t)p(t) is the fraction of people that have heard the rumor on day tt. The equation

dpdt=0.2p(1−p)\frac{dp}{dt} = 0.2p(1-p)

describes how pp changes. Suppose initially that one-tenth of the people have heard the rumor; that is, p(0)=0.1p(0) = 0.1.

(a) What happens to p(t)p(t) after a very long time? (b) Determine a formula for the function p(t)p(t). (c) At what time is pp 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 p=0p = 0 과 p=1p = 1 이다. p=1p = 1 은 환경수용력이므로 안정 평형이다. 따라서 p(0)>0p(0) > 0 이면 t→∞t \to \infty 일 때 p(t)→1p(t) \to 1 이다. (b) 로지스틱 방정식 dPdt=kP(N−P), P(0)=P0\frac{dP}{dt} = kP(N-P), \ P(0) = P_0 의 일반해는 다음과 같음을 알고 있다. P(t)=N(N−P0P0)e−kNt+1 .P(t) = \frac{N}{\left(\frac{N-P_0}{P_0}\right) e^{-kNt} + 1}\,. 이 문제에서는 k=0.2k = 0.2, N=1N = 1, p(0)=0.1p(0) = 0.1 이므로 해는 p(t)=1(1−0.10.1)e−0.2t+1=19e−0.2t+1 p(t) = \frac{1}{\left(\frac{1-0.1}{0.1}\right) e^{-0.2t} + 1} = \frac{1}{9e^{-0.2t} + 1}\, 이다. (c) pp 는 그 도함수 p′p' 이 가장 클 때 가장 빠르게 변한다. 처음의 미분방정식을 다시 보면 p′=0.2p(1−p)p' = 0.2p(1-p) 이고, 이는 p′p' 이 pp 에 대한 이차함수임을 보여 준다. 이 이차함수는 p=0p = 0 과 p=1p = 1 에서 0이므로, 위로 볼록한 이 이차함수의 꼭짓점은 p=12p = \frac{1}{2} 에 있고, pp 가 이 값일 때 pp 의 변화율이 가장 크다. 따라서 개체 수가 가장 빠르게 증가하는 시점을 찾기 위해 방정식 p(t)=0.5p(t) = 0.5 를 푼다. 0.5=19e−0.2t+10.5 = \frac{1}{9e^{-0.2t} + 1} 이므로 9e−0.2t+1=29e^{-0.2t} + 1 = 2 이고 e−0.2t=1/9e^{-0.2t} = 1/9 이다. 따라서 t=−5ln⁡(1/9)≈10.986t = -5 \ln(1/9) \approx 10.986일이다. (d) p(t)p(t) 는 소문을 들은 사람들의 비율을 나타내므로 방정식 p(t)=0.8p(t) = 0.8 을 풀어야 한다. 그러면 0.8=19e−0.2t+10.8 = \frac{1}{9e^{-0.2t} + 1} 이므로 9e−0.2t+1=1.259e^{-0.2t} + 1 = 1.25 이고 e−0.2t=0.25/9e^{-0.2t} = 0.25/9 이다. 따라서 t=−5ln⁡(0.25/9)≈17.19t = -5 \ln(0.25/9) \approx 17.19일이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The equilibrium solutions for this logistic equation are p=0p = 0 and p=1p = 1. Since p=1p = 1 is the carrying capacity and thus a stable equilibrium, p(t)→1p(t) \to 1 as t→∞t \to \infty provided p(0)>0p(0) > 0. (b) We know that the general solution to the logistic equation dPdt=kP(N−P), P(0)=P0\frac{dP}{dt} = kP(N-P), \ P(0) = P_0 is P(t)=N(N−P0P0)e−kNt+1 .P(t) = \frac{N}{\left(\frac{N-P_0}{P_0}\right) e^{-kNt} + 1}\,. In the context of this problem, we know that k=0.2k = 0.2, N=1N = 1, and p(0)=0.1p(0) = 0.1 and therefore the solution is p(t)=1(1−0.10.1)e−0.2t+1=19e−0.2t+1 .p(t) = \frac{1}{\left(\frac{1-0.1}{0.1}\right) e^{-0.2t} + 1} = \frac{1}{9e^{-0.2t} + 1}\,. (c) We know that pp is changing most rapidly when its derivative, p′p', is largest. Recalling the original differential equation, we know that p′=0.2p(1−p)p' = 0.2p(1-p) which shows that p′p' is a quadratic function of pp. That quadratic function has zeros at p=0p = 0 and p=1p = 1, so the vertex of this concave down quadratic function lies at p=12p = \frac{1}{2}, and at this value of pp the rate of change of pp is largest. Thus, we solve the equation p(t)=0.5p(t) = 0.5 to find the time at which the population is increasing fastest. We see that 0.5=19e−0.2t+10.5 = \frac{1}{9e^{-0.2t} + 1} so 9e−0.2t+1=29e^{-0.2t} + 1 = 2 and e−0.2t=1/9e^{-0.2t} = 1/9. It follows that t=−5ln⁡(1/9)≈10.986t = -5 \ln(1/9) \approx 10.986 days. (d) Since p(t)p(t) tells us the percentage of people who've heard the rumor, we need to solve the equation p(t)=0.8p(t) = 0.8. Thus we have 0.8=19e−0.2t+10.8 = \frac{1}{9e^{-0.2t} + 1} so 9e−0.2t+1=1.259e^{-0.2t} + 1 = 1.25 and e−0.2t=0.25/9e^{-0.2t} = 0.25/9. It follows that t=−5ln⁡(0.25/9)≈17.19t = -5 \ln(0.25/9) \approx 17.19 days.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.6절 · 6번우리말 번역

b(t)b(t) 는 페트리 접시 안의 군집에 사는 박테리아의 수를 나타낸다고 하자. 여기서 bb 의 단위는 천 마리이고 tt 의 단위는 일이다. 어느 날 측정했더니 박테리아가 6,000마리였고 개체당 증가율은 3이었다. 며칠 뒤에 측정했더니 박테리아가 9,000마리였고 개체당 증가율은 2였다.

(a) 개체당 증가율 db/dtb\frac{db/dt}{b} 가 bb 의 일차함수라고 가정하세요. 측정값을 이용하여 이 함수를 구하고, dbdt\frac{db}{dt} 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) yy 를 bb 에 대한 함수로 나타낸 개체당 증가율이라 하자. 문제에 주어진 자료에 의해 이 일차함수의 그래프는 두 점 (6000,3)(6000,3) 과 (9000,2)(9000,2) 를 지난다. 따라서 이 직선의 방정식은 y−3=−13000(b−6000)y - 3 = -\frac{1}{3000}(b - 6000) 이므로 y=(3+2)−13000b=5−13000by = (3 + 2) - \frac{1}{3000}b = 5 - \frac{1}{3000}b 이다. 로지스틱 방정식은 시각 tt 의 개체 수와 그 시각의 개체당 증가율을 곱하여 얻으므로 dbdt=b(5−13000b)=13000b(15000−b)\frac{db}{dt} = b \left( 5 - \frac{1}{3000}b \right) = \frac{1}{3000} b(15000 - b) 를 얻는다. (b) 로지스틱 방정식의 꼴에서 이 박테리아의 환경수용력은 b=15000b = 15000 이며, 이는 개체 수의 안정 평형점이다. (c) 박테리아는 dbdt\frac{db}{dt} 가 최대일 때 가장 빠르게 증가한다. dbdt=13000b(15000−b)\frac{db}{dt} = \frac{1}{3000} b(15000 - b) 은 bb 의 이차함수이므로, dbdt\frac{db}{dt} 는 위로 볼록한 이 포물선의 꼭짓점에서 최대가 된다. 꼭짓점은 두 영점 b=0b = 0 과 b=15000b = 15000 의 한가운데에 있다. 따라서 b=7500b = 7500 일 때 개체 수가 가장 빠르게 증가한다. 이때의 정확한 tt 의 값을 구하려면 이 문제의 다음 부분과 같은 초기 조건을 알아야 한다. (d) b(0)=1000b(0) = 1000 을 이용하여 로지스틱 방정식의 초깃값 문제 dbdt=13000b(15000−b) \frac{db}{dt} = \frac{1}{3000} b(15000 - b)\, 를 푼다. N=15000N = 15000, k=13000k = \frac{1}{3000}, b0=1000b_0 = 1000 이므로 로지스틱 방정식의 해의 표준형에서 b(t)=15000(15000−10001000)e−5t+1=1500014e−5t+1 b(t) = \frac{15000}{\left(\frac{15000-1000}{1000}\right) e^{-5t} + 1} = \frac{15000}{14e^{-5t} + 1}\, 이다. 박테리아가 환경수용력의 80%에 이르는 데 걸리는 시간을 구하기 위해 방정식 0.8⋅15=1500014e−5t+1 0.8 \cdot 15 = \frac{15000}{14e^{-5t} + 1}\, 을 푼다. 이 방정식에서 0.8=114e−5t+1 0.8 = \frac{1}{14e^{-5t} + 1}\, 이므로 14e−5t+1=1.214e^{-5t} + 1 = 1.2 이고, 따라서 e−5t=0.2/14=1/70e^{-5t} = 0.2/14 = 1/70 이다. 그러므로 t=−15ln⁡(1/70)≈0.8497t = -\frac{1}{5} \ln(1/70) \approx 0.8497일이다.

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

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